利用同相等差感应电势法检测膨化食品中阿斯巴甜的研究

杨哪，周宇益，徐振林，孟嫚，陈新文，孙远明*

（1.广东利诚检测技术有限公司，广东 中山 528436；2.华南农业大学食品学院，广东 广州 510642；3.江南大学食品学院，江苏 无锡 214122；4.英都斯特（无锡）感应科技有限公司，江苏 无锡 214035）

阿斯巴甜，又名天门冬酰苯丙胺酸甲酯，是由L-苯丙氨酸和L-天门冬氨酸为主要原料合成的一种氨基酸二肽衍生物，作为甜味剂广泛应用于食品及制药工业[1]。膨化食品是谷物和薯类等经膨化工艺形成的具有一定膨化度的休闲食品，深受人们喜爱，其加工过程中常添加阿斯巴甜等甜味剂改善产品风味[2]。然而，阿斯巴甜的代谢产物苯丙氨酸具有一定神经毒性，过量食用阿斯巴甜，会导致免疫力低下，存在致癌风险。程晓娟等[3]研究发现，高剂量阿斯巴甜会导致小鼠肾功能衰竭；阳彬等[4]采用不同剂量阿斯巴甜对小鼠进行灌胃，阿斯巴甜刺激糖尿病小鼠，导致其免疫力下降；王虹等[5]对小鼠进行腹腔注射阿斯巴甜，小鼠骨髓嗜多染红细胞微核率和精子畸形率增加；Hamza等[6]发现阿斯巴甜会降低抗氧化酶活性，加速脂质过氧化。因此，我国食品添加剂使用标准中明确规定膨化食品中阿斯巴甜使用量不超过500 mg/kg。

目前食品中阿斯巴甜的常用检测方法主要为高效液相色谱法、质谱法、离子色谱和表面增强拉曼光谱等。朱明等[7]采用超高效液相色谱检测白酒中的阿斯巴甜，其检测限为1.0 μg/kg；高向阳等[8]利用反相高效液相色谱混标进样检测饮料及乳品中的阿斯巴甜，其检出限为0.21 mg/kg，检测结果相对标准偏差均小于5%；罗丹等[9]基于表面增强拉曼光谱测定软饮料中的阿斯巴甜，其检测限为0.41 mg/L，色谱及光谱法具有速度快、无损和无污染等特点，但检测成本相对较高。利用同相等差感应电势法检测食品中的阿斯巴甜鲜有报道。

本文利用同相等差感应电势法分析不同含量阿斯巴甜溶液的电学特性，并选取5种市售膨化食品检测其阿斯巴甜含量，探究同相等差感应电势法检测膨化食品中阿斯巴甜的可行性，为食品中阿斯巴甜的分析测定提供一种新的技术方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

4种配料标有阿斯巴甜的膨化食品、1种无包装膨化食品：市售；冰乙酸、高氯酸、甲酸、结晶紫：国药集团化学试剂有限公司，所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

同相等差感应电势检测设备：根据变压器原理，广东利诚检测技术有限公司理化分析中心实验室自制（激励电压 5 V～20 V，频率 300 Hz～500 Hz）；磁力搅拌器（C-MAG）：德国IKA公司；低速大容量离心机（TDL-50D）：上海安亭科学仪器厂；分析天平（AL204）：瑞士Mettler Toledo仪器有限公司。

1.3 试验设备和试验条件

1.3.1 试验设备

同相等差感应电势检测设备如图1所示。

图1 同相等差感应电势检测设备示意图Fig.1 Schematic diagram of in-phase equal-difference induced voltage detection equipment

样品溶液从玻璃连接孔流入，布满螺旋管道，经b、o和-b处管道相连，形成两个次级线圈，且其螺旋管道绕向相同。设置恒温循环水浴温度为25℃，向初级线圈施加激励电压5 V～20 V和频率300 Hz～500 Hz的正弦交流信号，通过铂电极依次检测样品瞬时绝对电压（瞬时电压绝对值）Vao、Vbo、V-ob和 V-oa，并测定 a和-a之间的电势差U-aa。

1.3.2 试验条件

研 究 在 300、350、400、450、500 Hz 频 率 及 5、10、15、20 V 激励电压下，不同质量分数（0、25、50、75、100 mg/kg）阿斯巴甜的瞬时绝对电压及电势差。测定5种市售膨化食品中阿斯巴甜含量，膨化食品粉碎后，过200目筛，与去离子水按1∶10的质量比，制备成500 g混合液，混合均匀，3 000 r/min离心15 min，上清液经0.45 μm有机系滤膜过滤后检测，并按照GB 1886.47—2016《食品安全国家标准食品添加剂天门冬酰苯丙氨酸甲酯（又名阿斯巴甜）》，采用化学法检测膨化食品样品中阿斯巴甜含量。

1.4 数据分析

使用ORIGIN 8.5进行制图及数据分析，每个样品重复检测3次，取其平均值。

2 结果与分析

2.1 激励电压对阿斯巴甜溶液瞬时绝对电压的影响

不同激励电压下阿斯巴甜溶液的瞬时绝对电压如图2所示。

图2 不同激励电压下阿斯巴甜溶液的瞬时绝对电压Fig.2 Instantaneous absolute voltages of aspartame solutions under different excitation voltages

在300 Hz频率，5 V～20 V激励电压下测定次级线圈中50 mg/kg阿斯巴甜溶液ao、bo、-ob和-oa 4个检测位点瞬时绝对电压的变化。从图2中可以发现，随初级线圈激励电压的增加，阿斯巴甜溶液各位点瞬时绝对电压增大，且Vao和V-oa、Vbo和V-ob大小基本相同。20V下Vao较5V提高82.05%，而Vbo则增大2.83倍，但Vbo数值较小，后续选择20 V为激励电压检测值，a和-a位点间的电势差U-aa为电信号检测参数。王莹等[10]研究发现随电场强度增加，抗氧化肽含量减少。Zakrevskii等[11]研究发现，在交变电场下，聚合物中大分子迁移速率提高，电传导率增加。化学法生产阿斯巴甜过程中会产生金属离子，体系电导率较高，且阿斯巴甜是一种二肽类甜味剂，肽类物质在电磁场下具有抗磁性[12]。随初级线圈激励电压增加，次级线圈中感应电势增大，阿斯巴甜溶液中肽类物质及微量金属离子碰撞加剧，检测位点瞬时绝对电压增大。

2.2 频率对阿斯巴甜溶液瞬时绝对电压的影响

不同频率下阿斯巴甜溶液的瞬时绝对电压如图3所示。

图3 不同频率下阿斯巴甜溶液的瞬时绝对电压Fig.3 Instantaneous absolute voltages of aspartame solutions under different frequencies

在20 V激励电压，300 Hz～500 Hz频率下测定次级线圈中50 mg/kg阿斯巴甜溶液ao、bo、-ob和-oa 4个检测位点瞬时绝对电压的变化。从图3中可以发现，阿斯巴甜溶液各位点的瞬时绝对电压随频率增加无显著变化，后续选择300 Hz为频率检测值。在不同频率下，Vao和 V-oa瞬时绝对电压值高于 Vbo和 V-ob，b、o和-b位点电位相等，与Stacey等[13]研究结果一致，在相同磁通密度下，液体二次回路为等电位电池。与变压器电磁感应原理相同，次级线圈中感应电势与初级线圈激励电压和匝数比相关，与频率变化无关。同相等差感应电势检测中，次级线圈螺旋管道匝数与初级线圈激励电压均不变时，不同频率下阿斯巴甜溶液瞬时绝对电压变化较小。

2.3 激励电压对不同质量分数阿斯巴甜溶液电势差的影响

不同质量阿斯巴甜溶液的电导率如图4所示，不同激励电压下阿斯巴甜溶液的电势差如图5所示。

图4 不同质量阿斯巴甜溶液电导率Fig.4 Conductivities of aspartame solutions with different masses

图5 不同激励电压下阿斯巴甜溶液的电势差Fig.5 Potential differences of aspartame solutions under different excitation voltages

在300 Hz频率，5 V～20 V激励电压下测定次级线圈中不同质量分数阿斯巴甜溶液a和-a间的电势差U-aa的变化。阿斯巴甜溶液呈弱酸性，25℃下其电导率随质量分数的增加而增大。从图5中可以发现，阿斯巴甜溶液的U-aa随初级线圈激励电压及体系质量分数的增加而增大。300 Hz、20 V下，100 mg/kg阿斯巴甜溶液的U-aa较50 mg/kg提高32.46%。与刘畅等[14]研究结果相似，随电场强度的增大，大豆肽与钙离子螯合率增大。Guo等[15]发现电化学法检测中，可溶性固形物含量与输入电压呈正相关。Wu等[16]利用磁电耦合对玉米棒进行水解处理，发现随励磁电压的增大，水解产生的还原糖含量提高56%。随阿斯巴甜溶液质量分数的增加，体系中肽类物质及微量金属离子数量增大，电导率升高，带电物质受热效应引起的无规则运动在次级线圈感应电势的作用下变为定向运动，碰撞几率增加，传导加剧，体系电势差增大。

2.4 频率对不同质量分数阿斯巴甜溶液电势差的影响

不同频率下阿斯巴甜溶液的电势差如图6所示。

图6 不同频率下阿斯巴甜溶液的电势差Fig.6 Potential differences of aspartame solutions under different frequencies

在20 V激励电压，300 Hz～500 Hz频率下测定次级线圈中不同质量分数阿斯巴甜溶液a和-a间的电势差U-aa的变化。从图6中可以发现，阿斯巴甜溶液的U-aa随频率的增加维持在较为稳定的范围内，随阿斯巴甜质量分数的提高，U-aa增大。20V、300Hz下，0～100mg/kg阿斯巴甜溶液的 U-aa分别为 148.31、228.22、285.76、329.15 mV和378.52 mV，100 mg/kg阿斯巴甜溶液的U-aa较0 mg/kg时增加155.22%。与Yang等[17]研究结果相似，利用电位法检测鸡蛋蛋黄和蛋白含水量，其检测终端电压与样品电导率呈正相关，与频率变化无关。随阿斯巴甜溶液中溶质的增加，体系电导率增大，带电离子在感应电势的作用下传导加剧，但频率的变化对感应电势的增强无显著作用，体系电势差无明显变化。

2.5 膨化食品中阿斯巴甜含量的测定

同相等差感应电势法检测膨化食品中阿斯巴甜的含量如表1所示。

表1 膨化食品中阿斯巴甜含量的测定Table 1 Determination of aspartame contents in puffed food

分析激励电压X1、频率X2、体系电势差X3及溶液中阿斯巴甜质量分数Y的关系，得到线性方程Y=7.08-3.96X1-0.01X2+0.47X3，相关系数（r）为 0.94，本研究中，样品溶液中膨化食品的质量分数为10%，因此膨化食品中阿斯巴甜总含量为10Y。在300 Hz、20 V下测定5种市售膨化食品的U-aa，并根据线性方程计算其阿斯巴甜总含量。从表1可以发现，所有样品的相对标准偏差均在3.00%以内，同相等差感应电势法检测膨化食品中的阿斯巴甜总含量具有良好的重复性。作为白砂糖的替代物，阿斯巴甜等甜味剂成为低糖食品的主要甜味来源，膨化谷物[18]、饮料[19]和蛋糕[20]等食品中添加阿斯巴甜可有效改善其风味。但Gezginci-oktayoglu等[21]发现长期食用阿斯巴甜会则增加肿瘤干细胞的侵略性，加剧肿瘤恶化。同相等差感应电势法与化学法检测样品E中阿斯巴甜总含量分别为942.63 mg/kg和928.17 mg/kg，均高于膨化食品中阿斯巴甜允许使用量，存在食品安全隐患，且两种方法测定结果相对误差均在2.50%以内，高效可靠的检测方法有利于促进及保障食品添加剂的规范使用。

3 结论

本研究利用同相等差感应电势法，于初级线圈施加5 V～20 V激励电压及300 Hz～500 Hz频率的正弦交流信号，分析次级线圈中不同质量分数阿斯巴甜溶液的电学特性，并选取5种市售膨化食品检测其阿斯巴甜总含量。研究发现，相同质量分数的阿斯巴甜溶液其瞬时绝对电压随激励电压的增加而增大，但随频率增加维持在稳定范围内。当阿斯巴甜质量分数增大时，随激励电压的增加，体系电势差增大，300 Hz、20 V下，100 mg/kg阿斯巴甜溶液电势差较50 mg/kg提高32.46%。同相等差感应电势法各参数与阿斯巴甜质量分数呈线性相关，相关系数（r）为0.94。检测5种市售膨化食品阿斯巴甜总含量，其结果相对标准偏差均<3.00%，且与化学法测定结果相比，结果间相对误差均<2.50%，同相等差感应电势法具有良好的重复性及准确性。同相等差感应电势法为膨化食品中阿斯巴甜的快速测定提供了一种新的技术方法。