利用同相等差感应电压检测面包中的山梨酸钾

杨哪，周宇益，徐振林，孟嫚，陈新文，孙远明*

1(华南农业大学 食品学院，广东 广州，510642)2(广东利诚检测技术有限公司，广东 中山，528436) 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)

山梨酸，又名2,4-己二烯酸，其钾盐作为一种防腐剂、抗氧化剂和稳定剂广泛应用于食品工业中[1]。面包营养丰富，柔软美味，加工过程中常添加山梨酸钾等防腐剂，抑制霉菌、酵母菌及好氧细菌的活性，延长面包货架期[2]。相对于苯甲酸，山梨酸钾的毒性较小，摄入后，可随人体代谢分解为二氧化碳和水，然而，长期食用山梨酸钾超标的食品，会抑制骨骼生长，并对人体各组织如肾和肝脏等产生不良影响[3]。方心灵等[4]发现山梨酸会抑制促小鼠成肌细胞生长因子IGF-1的分泌；李姝[5]发现0.1～6.0 μmol/L的山梨酸钾诱导大鼠肝脏发生脂质过氧化，损伤大鼠机体细胞。因此，我国GB 2760—2014中规定，面包中山梨酸钾的残留物山梨酸的含量应小于1 g/kg。

目前检测山梨酸钾的主要方法包括高效液相、气相色谱法、荧光光谱法、紫外分光光度法、纸层析法和拉曼光谱法等。张小舟等[6]采用高效液相测定辣条中的苯甲酸和山梨酸含量，检测限为5.5×10-5g/kg，抽检市售辣条产品不合格率高达66.7%；陈丽娟等[7]采用质谱法测定蜂蜜中的山梨酸，检测下限为0.5 mg/kg，相对标准偏差2.0%～7.9%；王书涛等[8]采用三维荧光光谱测定橙汁中的山梨酸钾，均方误差为1.02×10-5g/L，色谱法和荧光光谱法均需要专业的检测设备及人员，检测成本高。桑宏庆等[9]采用紫外分光光度法测定饮料中的山梨酸钾和苯甲酸钠，山梨酸钾最小检出限为6.7×10-4g/L，检测精度较低。电化学法作为一种新型检测方法，操作简单且精度高，李可欣等[10]以山梨酸钾衍生多孔碳修饰电极，采用循环伏安法和差示脉冲伏安法检测橙皮素，检测范围为0.05～15 μmol/L，检出限为0.021 μmol/L。而采用同相等差感应电压法测定食品中的山梨酸钾鲜有报道。

本文采用同相等差感应电压法检测分析不同浓度山梨酸钾溶液的电信号特性，并选取5种市售面包检测其山梨酸钾含量，研究同相等差感应电压法检测面包中山梨酸钾的技术方法，为食品中山梨酸钾的快速检测提供新的手段。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

自购4种市售配料标有山梨酸钾的面包(良品铺子手撕面包、泓一华夫面包、玛呖德紫米面包和友臣红豆手撕面包)和1种无包装市售面包；山梨酸钾、冰乙酸、乙酸酐、高氯酸和结晶紫均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

同相等差感应电压检测设备，根据变压器原理自制(激励电压45～60 V，频率300～500 Hz)；AL204分析天平，瑞士METTLER TOLEDO仪器有限公司；低速大容量离心机，上海安亭科学仪器厂；C-MAG磁力搅拌器，德国IKA公司。

1.3 实验设备和实验条件

同相等差感应电压检测设备如图1所示，将样品溶液从玻璃连接孔倒入，布满螺旋管道后，形成两个次级线圈，总容积为100 mL。这2个样品次级线圈绕向相同，且通过b、o和-b处联通，向初级线圈施加不同电压和频率的励磁信号(正弦波)，并采用铂电极依次检测样品瞬时绝对电压(瞬时电压绝对值)Voa、Vob、V-bo和V-ao，并测定-a、a间的电势差U-aa。

1-电源；2-初级线圈；3-铁芯；4-次级线圈(螺旋管道)；5-恒温腔体； 6-玻璃连接孔；7-铂电极；8-电压表；9-恒温循环水浴锅 A-示意图；B-实物图图1 同相等差感应电压检测设备图Fig.1 Schematic diagram of in phase equal difference induced voltage detection equipment

在45、50、55和60 V激励电压及300、350、400、450和500 Hz频率下，研究不同浓度山梨酸钾(0、50、100、150、200 mg/kg)瞬时绝对电压及电势差变化，并以0 mg/kg 山梨酸钾溶液作为对照组。测定5种市售面包产品中山梨酸钾时，将50 g面包粉碎，过300目筛，将粉碎面包与离子水按照1∶10的料液比混合后，取500 mL混合液离心20 min，取上清液检测，每个样品重复测定3次，取平均值。同时，按照GB 1886.39—2015《食品安全国家标准 食品添加剂 山梨酸钾》，采用化学法检测5种市售面包样品中山梨酸钾的含量。

1.4 数据分析

使用Origin 8.5和SPSS 22.0软件进行制图及数据分析。

2 结果与分析

2.1 频率对山梨酸钾溶液瞬时绝对电压的影响

测定100 mg/kg的山梨酸钾溶液在50 V激励电压下，300～500 Hz频率对次级线圈中oa、ob、-ao和-bo 4个检测位点瞬时绝对电压的影响。由图2可以发现，山梨酸钾的瞬时绝对电压随频率的变化无显著差异，后续选择300 Hz为检测频率。在不同频率下，Voa和V-ao瞬时电压高于Vob和V-bo，b、o和-b点等电位，STACEY等[11]认为在相同磁通密度及线圈匝数比下，液体样品的二次回路为等电位电池。YANG等[12]采用电位法测定鸡蛋蛋白和蛋黄的电导率和含水量，发现鸡蛋蛋白和蛋黄终端电压与电导率呈正相关，与频率无关。理想状态下，体系Vob和V-bo瞬时绝对电压趋于0 mV，而实际测量值，Vob和V-bo约为10 mV，次级线圈中感应电压作用下，带电离子运动加剧，产生较小的瞬时电压。与变压器电磁感应特性相似，次级线圈感应电压与初级线圈激励电压和匝数比有关，与频率无关。同相等差感应电压检测中，当样品次级线圈螺旋管道数与初级线圈激励电压均不变时，不同频率下所测得山梨酸钾溶液瞬时绝对电压差异较小。

图2 不同频率下山梨酸钾溶液的瞬时绝对电压Fig.2 Instantaneous absolute voltages of potassium sorbate solution under different frequencies

2.2 激励电压对山梨酸钾溶液瞬时绝对电压的影响

图3 不同激励电压下山梨酸钾溶液的瞬时绝对电压Fig.3 Instantaneous absolute voltages of potassium sorbate solution under different excitation voltages

2.3 频率对不同浓度山梨酸钾溶液电势差的影响

在60 V激励电压下，测定300～500 Hz频率对不同浓度的山梨酸钾溶液a和-a位点间电势差U-aa的影响。山梨酸钾溶液呈弱碱性，25 ℃下其电导率随浓度的增加而增大，与俞巨乐等[15]的研究结果相同，溶液电导率与浓度呈正向递增关系。从图4中可以发现，山梨酸钾溶液的U-aa随频率的变化维持在较为稳定的范围内，随山梨酸钾含量的升高，U-aa增大。60 V，300 Hz下，0～200 mg/kg山梨酸钾溶液的U-aa分别为198.3、415.2、500.4、597.0、688.5 mV，200 mg/kg山梨酸钾溶液的U-aa较0 mg/kg提高247.2%。程树康等[16]将盐溶液置于磁场处理1 h，磁场环境使水分子磁矩偏转，盐溶液电导率增加。随着山梨酸钾含量的增加，体系带电阴阳离子数量增加，电导率升高，次级线圈中带电离子在感应电压作用下，发生定向运动，碰撞几率增加，离子传导加剧，体系电势差增大。

表1 不同浓度山梨酸钾溶液的电导率Table 1 Conductivities of potassium sorbate solutions with different mass fractions

图4 不同频率下山梨酸钾溶液的电势差Fig.4 Potential differences of potassium sorbate solution under different frequencies

2.4 激励电压对不同浓度山梨酸钾溶液电势差的影响

300 Hz频率下，测定45～60 V激励电压对不同浓度山梨酸钾溶液a和-a位点间电势差U-aa的影响。从图5中可以发现，山梨酸钾溶液的U-aa随激励电压及山梨酸钾含量的增加而增大。60 V，300 Hz下，100 mg/kg山梨酸钾溶液的U-aa较0 mg/kg提高152.3%。WU等[17]采用磁电耦合水解玉米棒，随激励电压的增加，水解产生的还原糖含量提高56%。WANG等[18]采用脉冲电场处理甘油-葡萄糖，随电场强度的增加，样品抗氧化活性提升39.36%，美拉德反应加剧。徐志明等[19]采用电场处理CaCO3结垢，随电场强度的增大，污垢热阻下降58.3%。随溶液中山梨酸钾含量的增加，溶液中自由离子增加，当初级线圈激励电压增大，次级线圈中离子反应加剧，电势差升高，且激励电压对次级线圈中溶液电势差的影响高于频率的变化。

图5 不同激励电压下山梨酸钾溶液的电势差Fig.5 Potential differences of potassium sorbate solution under different excitation voltages

2.5 面包样品中山梨酸钾的测定

采用Origin 8.5分析频率X1、激励电压X2和U-aa电势差X3及溶液中山梨酸钾含量Y的关系，得到线性方程Y=279.94-0.05X1-6.27X2+0.44X3，R2=0.916。本研究中，面包样品溶液中面包的添加量为10%，故面包中山梨酸钾总含量为10Y。在300 Hz、60 V下测定5种市售面包样品的U-aa，并根据线性方程计算其山梨酸钾总含量。由表2可以发现，所有样品的相对标准偏差均小于2%，同相等差感应电压法检测面包样品中山梨酸钾含量具有良好的准确性和重现性。山梨酸钾有利于延长食品保质期，然而，过量使用会影响食品品质。AL-KURAIEEF等[20]采用山梨酸钾溶液浸泡处理草莓，4 ℃冷藏下草莓货架期延长至21 d，但其维生素C含量显著下降。王飞等[21]发现过量使用山梨酸钾对面包面团粉质和拉伸指数具有副作用。同相等差感应电压法和化学法检测样品E中山梨酸钾含量分别为1 462.3 mg/kg和1 446.6 mg/kg，远超面包中山梨酸钾允许使用量，存在食品安全隐患。因此，高效可靠的检测方法有利于促进食品添加剂的规范使用。

表2 面包样品中山梨酸钾含量的测定Table 2 Determination of potassium sorbate in bread samples

3 结论

采用同相等差感应电压法，即向初级线圈施加45～60 V激励电压及300～500 Hz频率的正弦交流信号，探究次级线圈中不同浓度山梨酸钾溶液的电信号特性，并选取5种市售面包检测其山梨酸钾含量。研究发现，一定添加量的山梨酸钾溶液的瞬时绝对电压随频率变化维持在稳定范围内，但随激励电压的增加而增大。当山梨酸钾溶液浓度增加时，随频率及激励电压的增加，体系电势差增大。山梨酸钾含量、频率、激励电压及电势差呈线性相关，相关系数R2为0.916，且检测5种市售面包山梨酸钾含量，相对标准偏差均在2%以内，与化学法测定山梨酸钾含量的结果相比，相对误差均在4%以内，检测方法具有良好的准确性及重现性。同相等差感应电压法为食品中山梨酸钾的快速测定提供了一种新的检测方法。