微波等离子体原子发射光谱测定啤酒中的常量和微量金属元素

张 萍，刘宏伟，黄建华，陈 林,*

（1.湖南工学院材料与化学工程学院，湖南 衡阳 421002；2.湖南省中医药研究院中药研究所，湖南 长沙 410013）

啤酒是采用大麦、啤酒花和水为主要原料，经制麦、糖化、发酵、储存、灭菌、澄清、过滤等工序酿制而成的低酒精度饮料，富含氨基酸、低分子糖、维生素、酶和无机盐，营养价值高，适量饮用有益于身体健康[1-3]。啤酒中的氨基酸和低分子糖极易被人体吸收，能为人体提供热量来源，因此，啤酒素有“液体面包”之美誉，作为营养食品已成为一种国际性饮料，是全球生产和消耗量最大的含酒精饮料[4]。

虽然啤酒的总体质量是根据感官和理化指标确定，并主要取决于其有机成分的组成及含量[5-7]，但其所含金属元素对于啤酒的品质、口感以及饮用安全性起重要作用[8-10]。元素Ca能提高α-淀粉酶的活性，促进酵母细胞的凝聚性，增强啤酒稳定性[11]；元素Fe和Cu会加速啤酒的自然氧化，缩短啤酒的保质期，加深色度并改变啤酒的口味[12]；元素Mn对啤酒中的多种生物酶具有激活或抑制作用，影响啤酒的酿造过程[13]；而啤酒中的毒理性元素Cd、Pb会在人体中积蓄产生危害[14]。所有用来酿造啤酒的天然成分，包括水、大麦、啤酒花和酵母，都是啤酒中主要内源性金属元素来源；酿造啤酒过程中添加的其他物质，啤酒与设备、容器和包装的接触污染，构成了啤酒中主要外源性金属元素来源，此外，贮存和运输过程中可能受到污染也构成了啤酒中金属元素的潜在来源[12]。显然，无论是从质量控制的角度出发还是出于饮用安全性考虑，都需要对啤酒中的金属元素进行测量，以提高啤酒的营养价值、口感和质地，确保其稳定的保质期和饮用安全性。

目前，有关啤酒中金属元素的测定已有大量文献报道，主要分析方法有原子吸收分光光度（atomic absorption spectroscopy，AAS）法[15-16]、电感耦合等离子体原子发射光谱（inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES）法[10,17-18]和电感耦合等离子体质谱（Inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）法[14,19-22]，其中，AAS法仅适合啤酒中单元素的测定，对于多元素的测定操作复杂繁琐，分析速度慢，不适合大批量样品的高通量分析。ICP-OES法和ICP-MS法具有线性范围宽、检出限低、灵敏度高以及分析速度快等优势，尤其是ICP-MS法比ICPOES法具有更高的灵敏度和更低的检出限，但二者均采用ICP为离子源，使用高纯氩气为ICP工作气，需持续购买昂贵的高纯氩气，导致分析运行成本高。微波等离子体原子发射光谱（microwave plasma-atomic emission spectroscopy，MP-AES）采用微波导波技术，通过磁场激发氮气产生等离子体，将磁场与电场的能量耦合并高效聚集于等离子体激发环境中，形成比ICP更强的趋肤效应，工作稳定性更好[23-26]。本实验采用微波消解处理啤酒样品，利用MP-AES测定啤酒中金属元素Na、Mg、K、Ca、Al、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Sr、Cd、Ba、Pb，旨在为啤酒中多种金属元素的快速准确测定提供低成本分析方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

市购啤酒样品分别为雪花啤酒（产地北京）、燕京啤酒（产地湖南）、珠江啤酒（产地广东）、青岛啤酒（产地山东）。

Na、Mg、K、Ca、Al、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Sr、Cd、Ba、Pb单元素标准溶液（1 000 mg/L），Y、La、Lu单元素内标溶液（1 000 mg/L） 国药集团化学试剂有限公司；质量分数65% HNO3溶液 德国Merck公司；实验用水为Milli-Q超纯水。

1.2 仪器与设备

4200型MP-AES仪（配有MP Expert数据处理系统）美国Agilent公司；MARs 5微波消解仪 美国CEM公司；Milli-Q超纯水处理系统 美国Millipore公司；ELAN 6000型ICP-MS仪 美国PE-SCIEX公司。所有实验用器皿使用前均用质量分数24% HNO3溶液浸泡24 h后超纯水冲洗3 次备用。

1.3 方法

1.3.1 仪器参数

MP-AES参数：RF功率1 000 W；氮气压力，雾化气200 kPa，中间气170 kPa，外部气170 kPa；泵速15 r/min；读数时间3 s；样品提升时间12 s；冲洗时间40 s；稳定时间10 s；气源为Agilent 4107 氮气发生器。

微波消解参数：最大功率1 600 W，控制温度120 ℃，爬升时间5 min；最大功率1 600 W，控制温度150 ℃，爬升时间3 min，保持时间5 min；最大功率1 600 W，控制温度180 ℃，爬升时间3 min，保持时间10 min。

1.3.2 样品预处理

准确移取5 mL啤酒样品于微波消解罐中，加入5 mL质量分数65% HNO3溶液，敞开罐盖预消解20 min，按所设参数进行微波消解，消解结束后冷却至室温，用超纯水转移至25 mL容量瓶中，定容得样品溶液，待测。

1.3.3 MP-AES分析

采用质量分数6%的HNO3溶液介质分别配制0.00、0.10、2.00、20.0、100 mg/L的Na、Mg、K、Ca和0.00、0.01、0.05、0.20、1.00 mg/L的Al、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Sr、Cd、Ba、Pb系列标准溶液，按所设MP-AES参数测定，MP Expert软件自动绘制校准曲线，并同时测定样品溶液和空白溶液，所有分析溶液中均在线加入1 mg/L的Y、La、Lu混合内标溶液，根据校准曲线计算得到样品溶液中分析元素含量。

1.4 数据处理

所有实验数据均采用MP-AES自带的MP Expert数据处理系统自动进行统计分析，采用Origin 9.0绘图。

2 结果与分析

2.1 分析谱线的选择

利用MP Expert软件从分析谱线库中自动调用各元素的多条谱线，根据各元素谱线的潜在干扰和强度确定分析谱线。Na 588.595 nm和Na 589.592 nm分别为高强度谱线，在相同浓度下Na 588.595 nm的灵敏度高于Na 589.592 nm，由于Mo 588.831 nm对Na 588.595 nm形成干扰，实验选择Na 589.592 nm为分析谱线；Mg 285.213 nm和Mg 279.553 nm均为高灵敏谱线，由于Mg 279.553 nm处受到Mn 279.482 nm和Mn 279.827 nm的干扰，实验选择Mg 285.213 nm为分析谱线；K 766.491 nm和K 769.892 nm为高强度谱线，在相同浓度下K 766.491 nm灵敏度比K 769.892 nm高且都不存在干扰，实验选择K 766.491 nm为分析谱线；Ca 422.673 nm为最灵敏线，但受到Fe 422.545 nm、Fe 422.417 nm、Fe 422.743 nm原子线的严重干扰，实验选择次灵敏线Ca 393.366 nm为分析谱线。微量金属元素分析谱线选择原则与常量金属元素相似，本实验分别选择Al 396.152 nm、Mn 403.076 nm、Fe 371.993 nm、Ni 352.454 nm、Cu 324.754 nm、Zn 213.857 nm、Sr 407.771 nm、Cd 228.802 nm、Ba 614.171 nm、Pb 405.781 nm为分析谱线，最大程度地避开光谱干扰。

2.2 干扰及校正

啤酒是具有多种潜在干扰的复杂基质样品，借助MP Expert软件中的波长数据库选择分析谱线避开大量干扰，但仍然存在潜在光谱干扰和背景干扰，实验采用快速线性干扰校正（fast linear interference correction，FLIC）技术进行校正。如图1所示，选择766.491 nm的主波长测定K，样品溶液中所存在的La在766.434 nm处的光谱线对K产生光谱干扰，采用FLIC技术能自动扣除La对K的光谱干扰，同时校正空白背景干扰。基于MP-AES的波长示值误差（±0.035 nm）和最小光谱带宽（±0.05 nm），确定分析谱线±0.05 nm范围内的谱线为干扰谱线，所对应元素为干扰元素[27]，本实验存在的光谱干扰包括：Mn受到Co、Fe、V的干扰，Fe受到Co的干扰、Cu受到Fe、Mn、Ni、Ti的干扰，Pb受到Co、Fe、Mn、Ti、V的干扰，而稀土元素La、Hf、Tm、Ta、Sm、Pr、Ho、Zr、Er、Gd、Tb几乎对所有分析元素构成干扰，虽然啤酒样品中的干扰元素和稀土元素含量低，所形成的大部分干扰不影响分析元素的测定，但基于所有分析元素均存在背景干扰，实验选择FLIC技术同时校正所有分析元素的光谱干扰和背景干扰。

图1 La 766.434 nm和空白峰对K 766.491 nm的干扰Fig. 1 Interferences of La at 766.434 nm and blank peak to K at 766.491 nm

样品溶液、标准溶液及空白溶液的基质组成不同，导致3 种溶液的密度、黏度、表面张力等物理性质存在差异，在分析过程中光源波动引起谱线强度变化，产生基体效应，当测定样品受到基体效应又找不到基体匹配时，内标法是有效的校正方法[28-30]。由于啤酒基质组成复杂，无法进行基体匹配，实验采用内标法校正基体效应。将1 mg/L的Y、La、Lu混合内标溶液通过“Y”型三通接口的橙色/绿色泵管在线加入，与上机测试溶液进入雾化室前汇合，选择内标元素的分析谱线分别为Y 371.029 nm、La 394.910 nm、Lu 261.542 nm，利用分析元素与内标元素的信号强度的比值进行定量分析，校正基体效应。

2.3 分析稳定性评价

为评价分析方法的稳定性，在啤酒样品中加入200 mg/L的K标准溶液，50 mg/L的Na、Mg、Ca标准溶液，100 μg/L的Mn、Fe、Zn、Sr标准溶液，50 μg/L的Al、Cu、Ba标准溶液，10 μg/L的Ni、Cd、Pb标准溶液，加标样品经微波消解预处理后，在优化的实验条件下采用MP-AES连续测定3 h，每10 min测定一次，总共测定18 次，对所有元素的测定结果进行归一化处理，结果见图2。14 种分析元素的归一化浓度在1±0.05范围内变化，表明所有分析元素在3 h内的信号强度没有出现明显漂移，验证了分析过程的稳定性良好。

图2 3 h内重复测量多元素加标啤酒样品的分析Fig. 2 Analysis of multiple elements spiked into beer sample measured repeatedly within 3 h period

2.4 线性关系与检出限

在优化条件下采用MP-AES法对系列标准溶液进行测定，以各元素分析谱线与内标元素分析谱线信号绝对强度的比值（相对强度）对标准溶液所对应的浓度进行线性回归；连续分析空白溶液10 次，根据各元素的相对强度计算标准偏差，以3 倍标准偏差所对应的质量浓度为各元素仪器的检出限（limit of detection，LOD），以10 倍标准偏差所对应的质量浓度为各元素的定量限（limit of quantitation，LOQ），结果见表1。所有分析元素的线性关系良好，线性相关系数均大于0.999 0，各元素的LOD为0.13～230 μg/L，LOQ为0.43～768 μg/L。

表1 元素的分析谱线、线性关系及检出限Table 1 Analytical spectral lines, linear correlation coefficients and LODs and LOQs for the analytes

2.5 准确性与精密度评价

由于缺少啤酒标准参考物质，采用啤酒样品进行加标回收实验评价分析方法的准确性和精密度，同时采用ICP-MS法对加标样品进行测定，进一步评价方法的准确性。根据啤酒样品中分析元素的含量（本底值）分别加入不同质量浓度的标准溶液，采用MP-AES法平行测定6 次，计算各元素的加标回收率和相对标准偏差（relative standard deviation，RSD），应用t检验法对MPAES法和ICP-MS法的测定结果进行统计学分析，结果见表2。各元素的加标回收率在95.6%～104%之间，RSD在1.8%～4.0%之间，在95%的置信度水平，2 种分析方法的测定结果无显著性差异（P＞0.05），表明所建立的分析方法具有良好的准确性和精密度。

表2 元素的加标回收率及对比分析结果（n=6）Table 2 Spiked recoveries and comparative analysis results of the analytes using MP-AES and ICP-MS (n= 6)

2.6 样品分析

分别选取我国4 个不同产地的雪花啤酒、燕京啤酒、珠江啤酒、青岛啤酒（样品编号1、2、3、4），采用MP-AES法进行测定，每个样品重复测定6 次，结果见表3。4 种啤酒中的金属元素含量虽然存在一定差异，但所有分析样品中的K含量最高，均大于200 mg/L，其次是Mg含量，均大于50 mg/L，而Na和Ca的质量浓度略低于Mg，其中Na质量浓度在25.2～56.9 mg/L之间，Ca质量浓度在25.6～48.7 mg/L之间。啤酒中微量元素Fe、Mn、Sr的含量明显高于其他微量元素，而重金属元素Cd、Pb的含量极低，远低于GB 2762—2017《食品中污染物限量》中的Cd≤3 μg/L、Pb≤0.2 mg/L[31]，其中4 种啤酒中均未检出重金属元素Cd，2 种啤酒中均未检出重金属元素Pb，表明4 种啤酒没有受到重金属污染，饮用安全。

表3 样品的分析结果（n=6）Table 3 Analytical results of real samples (n= 6) μg/L

3 结 论

利用MP-AES对啤酒中的14 种金属元素进行分析，选择分析谱线避开基体组分的大量光谱干扰，采用FLIC技术校正潜在的光谱干扰和背景干扰，通过加入内标元素校正基体效应。各元素的LOD为0.13～230 μg/L，加标回收率在95.6%～104%之间，准确度好，RSD在1.8%～4.0%之间，精密度高、分析稳定性好，采用ICP-MS对同一样品进行对比分析进一步验证分析方法的准确性好。该方法无需使用昂贵的高纯氩气，避免连接或更换钢瓶，分析运行成本低，操作简单安全，并具有高通量分析特性，尤其适合气体采购困难、运输不便的偏远地区，是复杂样品中无机元素低成本快速准确分析的理想选择。