微波消解-火焰原子吸收光谱法测定油脂样品中的9 种金属元素

秦慧芳，王 颖，彭 俏，翦英红

（吉林化工学院资源与环境工程学院，吉林吉林 132022）

我国是世界上的食用油生产和消费大国，每年消费食用植物油超过3000 万吨[1]。食用植物油作为人类重要的食材之一，除含有丰富的油脂和蛋白质外，还包含很多对人体有利的矿物质元素，如Ca、Mg、Fe、Zn、Mn 等[2]。这些金属元素对调节机体免疫力、维护人体健康、促进发育等方面具有重要的作用[3−4]，也是评价食品安全卫生的重要指标之一。另一方面，在食用油加工、运输、储存等过程[5−7]中，或受到环境污染等因素的影响，食用油中检测出铅、镉、铬等重金属元素的文章也时有报道[7−8]。众所周知，铅、镉、铬等是对人体有害的重金属元素[9−11]，GB 2762-2017中也明确限制了其在食品中的含量。食用油中含有这些元素，是对食品安全最大的威胁，其质量安全问题不容小觑。因此对食用油中金属元素含量的分析检测具有重要意义。

金属元素含量的检测方法主要有原子吸收光谱法[12]、原子荧光光谱法[13]、紫外分光光度法[14]、微波等离子体原子发射光谱法[15]、电感耦合等离子体质谱法[16]等，其中原子吸收光谱法（AAS）由于操作简捷方便、干扰少、信号强、用量少、精密度高的优点[17]，近年来在食品、医药、环境监测等方面得到了广泛应用。如李彦超等[18]采用火焰原子吸收光谱法对养血软坚片中钙、锌、镁的含量同时进行测定，该方法准确性高、重复性好。刘晓娟等[19]采用原子吸收光谱法对婴幼儿配方乳粉（703IP08011）样品中Zn 的含量进行了测定，该方法检测结果准确，精密度高。林园[20]选择硝酸-高氯酸-氢氟酸法为前处理方法，建立了火焰原子吸收法测定海沙中锌、铜、铅含量的方法，测定结果准确、检测限低，能够满足实验要求。另外，范宏[21]、范宁伟等[22]也采用火焰原子吸收法对食用油中的营养元素进行了测定和评价，表明原子吸收光谱法也一直是测定油脂中金属元素的常用手段之一。

前处理是有机物中金属元素检测的关键一步，因为很多金属元素是以化合物的形式存在于待测样品中，其含量不易直接测定。只有对有机物加以破坏，将金属元素释放出来，方可进行实际检测[23]。目前食品前处理技术主要有干法灰化法[24]、湿法消解法[25]、微波消解法[26]等。现阶段随着微波消解技术的不断完善，微波消解法在很多领域[26−29]得到广泛应用。如倪张林等[27]采用微波消解法，通过优化消解条件，可一次消解油脂含量较高的油茶籽和核桃样品，完成了样品中8 种金属元素的测定。如刘宏伟等[28]以HNO3和H2O2为消解试剂，按照优化后的消解程序对食用油进行了消解，达到了同时测定油样中10 种微量元素的目的。

鉴于不同的前处理方法对仪器的检测要求不同，可能会对样品中金属含量的测定产生不同影响，进而影响测定结果的准确性[30]，因此选择合适的前处理方法尤为重要。本文主要采用微波消解法对油脂样品进行前处理，新设计一种以压力、温度、保持时间为条件的消解程序，以满足不同消解仪的应用需求。通过消解条件的优化和确定，以期获得油脂样品的最佳消解程序，建立微波消解-火焰原子吸收光谱法测定油脂样品中Ca、Mg、Zn、Fe、Mn、Cu、Cr、Cd、Pb 等9 种金属元素含量的分析方法，为油脂中金属元素的检测研究及相关部门对食用油质量安全的监管提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

实验中使用的大豆油、菜籽油、玉米油、花生油、亚麻籽油等5 种食用油 均购于超市；地沟油样品 分别来源于某家庭餐余油和高校学生食堂泔水油；钙标准溶液、镁标准溶液、铁标准溶液、锌标准溶液、铜标准溶液、锰标准溶液、铬标准溶液、镉标准溶液、铅标准溶液 1.000 g/L ，国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院；过氧化氢、硝酸、盐酸 天津永大化学试剂有限公司；试验用水 超纯水。

TAS-986 原子吸收分光光度计 北京普析通用公司；TSX1700 型马弗炉 西尼特（北京）科技有限公司；COOLPEX 微波消解仪、DKQ-180 型赶酸仪上海屹尧仪器科技发展有限公司；EH45B 型电热板 美国莱伯泰科（Lab Tech）公司；AL104 型电子分析天平 梅特勒-托利多仪器上海有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 地沟油样品预处理 地沟油样品的预处理方法主要参考文献[31]报道的方法进行，取适量地沟油倒入200 目筛网中，重复过滤几次，直至除去较大体积的不溶物质。将过滤后的液体进行静置分液1 h，取上层油层，以2000 r/min 的速度进行离心分离5 min。加入油脂质量0.3%的50%柠檬酸溶液和油脂质量0.4%的85%磷酸溶液，在恒温75 ℃下以500 r/min 加热搅拌30 min，以2000 r/min 的速度进行离心分离5 min 后取上清液，用于后续前处理。

1.2.2 油脂样品的微波消解处理 在聚四氟乙烯消解罐中加入约0.5 g 油脂样品，添加1 mL 30%过氧化氢、6 mL 68%硝酸，密封，放入微波消解仪中，按照表1 程序进行消解。待消解完成后，将消解液置于赶酸仪中，赶酸至1 mL 左右。最后用0.2%硝酸洗涤转移到25 mL 容量瓶中并定容至刻度线，待用。

表1 微波消解程序Table 1 Microwave digestion program

1.2.3 火焰原子吸收仪的工作条件 火焰原子吸收光谱法测定油样中金属元素的浓度是通过检测吸光度值（Abs）来确定的，而直接影响到吸光度值（Abs）的主要因素包括金属元素的最大吸收波长、狭缝宽度、灯电流、燃气流量和燃烧器高度等。依据参考文献[32−34]和多次实验调整，确定了本实验火焰原子吸收光谱法的工作条件，见表2。

表2 火焰原子吸收光谱法工作条件Table 2 The working conditions of flame atomic absorption spectroscopy

1.2.4 储备溶液及标准系列的配制 储备溶液的配制：分别吸取一定体积的各金属元素国标溶液于100 mL 容量瓶中，用2%硝酸溶液稀释配制成100、50、20 μg/mL 的储备溶液，备用。

标准系列溶液的配制：吸取一定体积的各元素储备溶液于100 mL 容量瓶中，用2%硝酸溶液逐级稀释配制不同系列的标准工作溶液，备用。具体的标准系列见表3。

表3 金属元素标准曲线系列浓度Table 3 Standard curve series concentrations of metal elements

1.2.5 油脂样品中金属元素含量的测定 以大豆油、菜籽油、玉米油、花生油、亚麻籽油、地沟油等7 种油脂样品为测试目标，地沟油样品按 1.2.1 进行预处理后，再与其他油样按照 1.2.2 方法进行微波消解，最后采用1.2.3 中火焰原子吸收法的工作条件，对所有样品中Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn、Cr、Cd、Pb 等9 种金属元素的含量进行测定。

1.3 数据处理

油脂样品中金属元素含量的测定均采用消解之后的样品，重复测定6 次，测定结果利用Microsoft Office 2013 软件进行数据处理分析和表格绘制。

2 结果与分析

2.1 样品消解方法确定及优化

2.1.1 前处理方法确定 油脂样品的前处理效果的好坏很大程度上决定着实验操作的繁琐程度，甚至影响金属元素含量的准确度，因此选择合适的前处理方法十分必要。本文以菜籽油样品为例，对比了油脂消解常用的干法[24]、湿法[25]、微波[26]等三种前处理方法的消解效果，结果见表4。

表4 数据表明：在三种前处理方法中，微波消解处理的样品回收率最高，表明本方法的准确度最高。结合干法消解耗时、费力，以及湿法消解所用药品对环境和操作人员的危害性等缺点，结果表明微波消解法更适用于样品油的前处理。

表4 三种前处理方法消解效果对比Table 4 Comparison of the digestion effects of the three pretreatment methods

2.1.2 微波消解条件优化 本文采用油脂样品消解常用的HNO3+H2O2体系[27]为消解试剂，重点对消解程序进行了设计和确定。但是现有文献报道的微波消解程序[32−33]由于设备的不同，大都采用功率、升温时间、温度、保持时间等指标，而采用压力、温度、保持时间的程序报道较少。为了寻找适宜的微波消解程序，本文在设备厂家提供的消解程序基础上，设计和实践了5 种消解程序，并最终获得了最佳的油脂样品消解程序。具体的消解程序设计及应用情况见表5，相应的消解效果见图1。

图1 不同消解程序的消解效果图Fig.1 Digestion effect map of the different digestion procedures

由表5 及图1 的消解效果可知，当压力为35~40 atm，温度在190 ℃的情况下保持20~25 min，油样可消解完成，所选方案能将所有油脂样品进行完全消解，消解液澄清透明，消解效果能满足实验需要。考虑到时间、成本等因素，本文选择程序D 为最佳消解程序，即微波消解时压力最大为35 atm，温度最高为190 ℃，保持时间为20 min。详细的消解步骤见表1。

表5 微波消解程序设计及应用Table 5 Design and practice of microwave digestion program

2.2 检测方法性能考察

2.2.1 标准曲线和检出限 用5%硝酸溶液将9 种金属元素标准储备液稀释、定容成标准工作溶液。按照表2 来测定9 种金属元素最佳工作条件下的吸光度值（Abs），并绘制标准工作曲线，得到其一元线性回归方程及相关系数（表6）。分别连续分析空白溶液中各元素的信号强度，计算10 次测定结果的标准偏差，以3 倍标准偏差对应质量浓度为各元素的仪器检出限（DL），并按此式计算各元素的检出限：

DL=3S/K

式中：DL—检出限，μg/mL；S—标准偏差，μg/mL；K—标准曲线斜率。

依据测得的各金属元素吸光度值（Abs），代入相应金属元素的标准工作曲线求得各金属元素在样品中的浓度C1，并按此式计算各类样品中9 种金属元素的含量：

M=C1V1/M1

式中：M—样品中金属元素的含量，μg/g；C1—样品中金属元素的浓度，μg/mL；V1—样品体积，mL；M1—样品质量，g。

由表6 可知，9 种金属元素在各自浓度范围内线性关系良好，R2范围为0.9982~0.9994，检出限范围为0.0013~0.0122 μg/mL，均低于GB 5009.12-2017和 GB 5009.15-2014 的要求，说明所建方法能满足实验要求。

表6 元素线性方程、决定系数及检出限Table 6 Element linear equations, determination coefficient and detect limit

2.2.2 加标回收率及精密度 配制2 个梯度浓度的9 种金属标准溶液，采用外标法分别在玉米油样品中加入两种浓度的标准金属溶液，在优化的前处理条件下处理样品油，测定各金属元素含量。每个质量浓度在仪器工作条件下平行测定6 次，通过计算样品油的加标回收率（%）来考察方法的准确度，测定值的相对标准偏差（RSD）来衡量分析方法的精密度，测定结果如表7 所示。

表7 加标回收率及精密度结果（n=6）Table 7 The results of recovery rate of standard addition and precision (n=6)

从实验结果来看，用该法测定玉米油样品中9 种金属元素的准确度和精密度整体表现良好，样品油中9 种金属元素含量的加标回收率范围为98.94%~101.45%，相对标准偏差范围为0.20%~3.23%，RSD均小于4%，可满足检测要求。

2.3 实际油脂中金属元素含量的测定及评价

准确称取大豆油、菜籽油、玉米油、花生油、亚麻籽油、地沟油1、地沟油2 共7 种油样品各0.5 g，按最佳消解程序进行样品前处理。利用建立的火焰原子吸收条件测定样品中Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn、Cr、Cd、Pb 等9 种金属元素的含量，结果见表8。

矿物质元素是衡量油脂质量、营养价值及安全性的重要指标之一。Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn 为营养元素[21]，其中Ca、Mg 是人体必需的宏量元素，Fe、Cu 是维持人体血液组成及运输的微量元素；Zn 是人体生长发育过程中的重要微量元素，参与机体的许多生物代谢过程；Mn 在促进骨骼正常发育、抗衰老等方面，具有重要作用。但是Cr、Cd、Pb 一般为有害金属元素，会危害人体的健康。另外，油脂中含有的铁、铜、镁、锰等会催化植物油的氧化变质[35]，长时间存放也会影响植物油的质量。所以，检测油脂中这些元素的含量，是确保食用油质量及安全的重要措施之一。

表8 的检测结果表明：7 种油脂样品中，Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn 等营养元素的含量是十分丰富的。5 种食用油样品中，Ca、Mg、Fe 在大豆油中含量最高，在玉米油中含量最低；Zn 在菜籽油中含量最高，在玉米油中含量最低；Mn 在亚麻籽油中含量最高，大豆油中含量最低；Cu 在大豆油中含量最高，在菜籽油中含量最低。另外，5 种植物油中均未检出Cr、Cd、Pb 等元素。所以，综合来看，可以初步判断所检测的5 种植物油，在油脂质量和安全性方面，是有保障的。

表8 7 种样品油中金属元素含量（x±s，n=6）Table 8 The contents of metal elements of 7 kinds of oil samples (x±s, n=6)

但2 种地沟油样品的检测数据与食用油有差别，主要是Cr、Cd、Pb 三种有害元素的含量明显增加，其中两种地沟油中均检测出含有Cr、Pb，地沟油2 中还检出含有Cd。根据GB 2762-2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》标准，油脂中的Pb 限量为0.1 mg/kg，两种地沟油中的Pb 含量分别为0.71、1.15 mg/kg，均超国家标准。金属元素Cr 在一定含量范围内有益人体代谢，也是人体必需的微量元素之一，但Cr 摄入过多也会危害人体健康[36]。中国居民膳食微量元素参考摄入量WS/T 578.3-2017[37]中，对不同人群Cr 的适宜摄入量（AI）给出了一个参考标准：0.2~37 μg/d，所以在日常饮食中需严格把控Cr 的摄入量。同时Cd 元素虽然暂无国家标准限量规定，但Cd 已被美国毒理委员会（ATSDR）列为第6 位危及人体健康的有毒物质[38]。2 种地沟油均检测出一定量的Cr 元素，可以认为其安全性是大大降低的。所以本实验中的两种地沟油的质量和安全性均不能保障，属于不宜食用的油脂。

3 结论

本文依据微波消解的不同条件要求，建立了适于油脂样品前处理的微波消解程序，并采用火焰原子吸收法测定了食用油及地沟油中9 种金属元素的含量。样品油按照新设计的微波消解程序进行预处理后可直接上机分析，操作简单快捷。通过对所建分析方法进行的检出限和加标回收率实验表明，各金属元素的标准曲线线性关系良好，决定系数为0.9982~0.9994，检出限为0.0013~0.0122 μg/mL，样品加标回收率在98.94%~101.45%之间，方法准确可靠，灵敏度高。对7 种样品油中9 种金属元素含量的测定结果表明，5 种食用油均含有人体健康所需的Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn 等营养元素，而Cr、Cd、Pb 元素的含量很低，尤其是Pb 元素，均未检出，表明食用油的质量、安全性俱佳，可放心食用。地沟油样品虽然也含有6 种营养元素，但由于Cr、Cd、Pb 均被检出，其营养价值和安全性大大降低，已不适于食用，相关部门应对此加以严格监控，严防劣质地沟油“回流”餐桌，确保食用油的安全。