微波灰化-电感耦合等离子体发射光谱法测定婴幼儿乳粉中的钙和磷

陈丽梅，张 慧，白国涛，马彩霞，姚思雨，王 婧

（呼和浩特海关技术中心，内蒙古 呼和浩特 010020）

微波灰化技术是一种创新的样品前处理方法，利用抗热的密闭腔体及微波技术来加热，使得灰化速度提高，减少了能量损耗，增加了样品的处理量，工作环境清洁，使用安全.不同于湿法酸消解，微波灰化的优点是处理过程比较简单，实验室日常工作非常通用，多用于过程及质量控制.在石油工业、制药业、食品工业、塑料制品制造业、污染物治理等领域都有着广泛的应用.微波灰化的原理是微波系统发射均匀的微波，穿透高温泡沫陶瓷护体，内置的耐高温泡沫瓷体内的碳化硅板将微波能量转化为热能，热量直接辐射到样品内，样品被均匀加热.微波的使用大大增加了加热效率，相较于传统马弗炉，加热速度大幅提高.同时，微波灰化消解用酸量也非常小，既节约了酸的使用量，又减少了赶酸过程对环境的污染.微波灰化消解法在元素检测前处理中主要应用于油料油品[1-5]、塑料[6-7]、傣药[8]、食用菌[9]、小麦淀粉[10-11]、电泳材料[12]等样品.

钙、磷都是人体必须的营养元素.在人体吸收代谢过程中，钙和磷会相互影响.根据GB 10765—2021《食品安全国家标准 婴儿配方食品》[13]和GB 10767—2021《食品安全国家标准 幼儿配方食品》[14]要求，钙磷元素比值范围分别为1∶1～2∶1 和1.2∶1～2∶1，如果婴幼儿乳粉中钙磷比例失衡，婴幼儿对钙的有效吸收就会降低，造成膳食中钙营养元素的相对缺乏，影响骨骼和牙齿的发育，因此对婴幼儿乳粉中钙、磷元素进行检测十分必要.

目前婴幼儿乳粉前处理方法主要有微波消解[13]、干法灰化[14]、高压罐消解[15]和湿法消解[16].国内未见微波灰化法在乳粉前处理中的应用研究.由于乳粉基质比较复杂，添加物质较多，用传统的前处理方法对乳粉进行消解，有消解时间长、使用酸量大等不足.本文以微波灰化为前处理方法，结合电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）检测婴幼儿乳粉中钙、磷元素的含量，建立一种用时短、用酸量少的测定乳粉中钙、磷元素含量的检测方法.

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

电感耦合等离子体发射光谱仪（720 型，安捷伦科技，美国），微波灰化仪（CEM，培安科技，美国），电子天平（Sartorius，塞多利斯公司，德国）（感量：0.001 g），瓷坩埚（50 mL）.硝酸（默克，优级纯），钙、磷标准溶液1 000 mg/L（中国计量科学研究院）.试验过程中所使用婴幼儿乳粉均购自超市，样品编号1、2、5 样品为婴幼儿1 段乳粉，样品编号3、4 为纯奶粉，样品编号6 为婴幼儿2 段乳粉，样品编号7样品为婴幼儿3 段乳粉.试验过程中使用水均为去离子水.所有使用的器具使用前均经20%硝酸浸泡过夜.

1.2 试验方法

1.2.1 标准溶液配制

分别吸取钙、磷标准溶液1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL 于100.0 mL 容量瓶中，使用2%硝酸定容至刻度，所配制溶液质量浓度分别为10、20、30、40、50 mg/L.

硝酸溶液（硝酸∶水体积比为1∶1）配制：量取100 mL 硝酸加入至100 mL 去离子水中，混合均匀.

1.2.2 试验方案

在瓷坩埚中称量0.500 g 乳粉，设定微波灰化程序进行试验，灰化完成后待微波灰化炉温冷却至150 ℃以下取出坩埚，晾至室温，用2.0 mL 硝酸溶液（硝酸∶水体积比为1∶1）溶解灰分，将溶液转移至100.0 mL 容量瓶中，用水清洗瓷坩埚，将清洗液转移至容量瓶中，用去离子水定容至刻度，混合均匀后进行钙、磷元素含量测定.

1.3 ICP-OES 仪器条件

ICP-OES 检测条件：功率1.2 kW，等离子体气气体流量：15.0 L/min，辅助器流量：1.50 L/min，雾化器流量：0.75 L/min，读数时间：1 s，进样时间：15 s，稳定时间：15 s.各元素检测波长分别为钙317.933 nm、磷213.618 nm.

1.4 微波灰化条件优化方案

采用正交试验法对微波灰化条件进行优化，选取4 因素4 水平正交试验表，因素和水平如表1 所列.

表1 正交试验的因素和水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

2 结果与讨论

2.1 微波灰化参数优化

采用正交试验法对微波灰化的各个参数进行优化.正交试验方案及结果如表2 所列，正交试验结果分析如表3 所列.

表2 微波灰化正交试验方案及试验结果Table 2 Orthogonal test programs and results of microwave ashing

表3 灰化参数优化正交试验结果分析Table 3 Results analysis of orthogonal test /（mg/kg）

从表3 可以看出，磷元素4 个因素极差从大到小的顺序为：A＞C＞B＞D，钙元素4 个因素极差从大到小的顺序为：A＞B＞C＞D，因此灰化温度在整个灰化过程中起到重要的作用，碳化时间因素影响最小.

2.1.1 微波灰化温度的优化

正交试验因素的极差结果越大，代表该因素在试验条件中影响较大.从正交试验极差分析结果可以看出，微波灰化温度极差最大，是影响灰化的最主要因素.将微波灰化温度各个水平对应的k 值为纵坐标，灰化温度为横坐标作因素水平图，如图1（a）所示.从图1（a）可以看出，当灰化温度达到500 ℃时，钙和磷随着微波灰化温度的提高，所得到的含量没有明显的增加.钙、磷两种元素最佳微波灰化温度虽然有所差别，但是差别不大.综合以上结果，选择500 ℃作为微波灰化的最优温度.

图1 （a）灰化温度、（b）碳化温度、（c）微波灰化时间的因素水平图、（d）微波灰化时间的单点优化Fig.1 Factor level diagrams of (a) microwave ashing temperatures, (b) microwave carbonization temperatures and(c) microwave ashing times, (d) optimization of microwave ashing times

2.1.2 微波碳化温度的优化

从表3 可以看出，碳化温度是灰化效果的次主要因素.碳化过程是将待处理的样品置于低温下使其碳化，减少因温度上升过快而使得样品灰分的挥发.以微波灰化碳化温度各个水平对应k 值为纵坐标，碳化温度为横坐标作因素水平图，如图1（b）所示.

从图1（b）可以看出，过高的碳化温度并不利于微波灰化的结果.随着碳化温度的提高，样品碳化过程过快，使得元素随着碳化的烟雾挥出，造成了元素含量的损失.当碳化温度为300 ℃时，钙和磷含量均达到最佳水平.因此选择最佳的碳化温度为300 ℃.

2.1.3 微波灰化时间的优化

以微波灰化时间各个水平对应k 值为纵坐标，微波灰化时间为横坐标作因素水平图，如图1（c）所示.

从图1(c）中可看到并没有最优的灰化时间点出现，因此对微波灰化时间进行了单点优化，结果如图1(d)所示.从图1(d) 中可以看出，当灰化时间达到90 min 后，延长灰化时间对于消解并没有明显的改善，综合考虑各元素的灰化时间，选择最优的灰化时间为90 min.

2.1.4 碳化时间的优化

以碳化时间各个水平对应k 值为纵坐标，碳化时间为横坐标作因素水平图，结果如图2 所示.从图2 可以看出，当碳化时间达到4 min 时，钙和磷的含量水平达到最优，因此所选碳化时间为4 min.

图2 碳化时间的因素水平图Fig.2 Factor level diagram of microwave carbonization times

2.1.5 称样量的优化

通过正交试验结果，选择最佳微波灰化条件：微波灰化温度500 ℃，灰化时间90 min，碳化温度300 ℃，碳化时间4 min.在最优的条件下对不同称样量（0.2、0.5、1.0、2.0、3.0 g）样品进行前处理，采用ICP-OES 对其含量进行检测，以样品含量为纵坐标，样品称样量为横坐标作图3.当称样量达到2.0 g 时，婴幼儿乳粉出现了灰化不完全的情况，定容样品中含有黑色沉淀.从图3 也可以看出，当称样量达到2.0 g 时，检测到的样品含量出现下降的趋势，这是由于样品称样量过多时，样品没有被完全灰化，待测元素无法完全转移到溶液中，造成检测含量降低.因此最佳称样量应小于2.0 g.

图3 样品称样量的选择Fig.3 Optimization of sample weights

2.2 各元素仪器方法学考察

采用外标法对各元素进行检测，以元素浓度（X）为横坐标，元素在ICP-OES 检测强度（Y）为纵坐标拟合线性方程，得到线性方程和相对标准偏差（RSD）.各元素检出限取3 倍样品空白标准偏差（n=11）计算，定量限取10 倍样品空白标准偏差（n=11）计算.所得结果如表4 所列.

表4 线性方程、检出限和定量限Table 4 Linear regression equations, limits of detection and limits of quantitation

2.3 加标回收试验

在婴幼儿乳粉中添加标准溶液，采用最优灰化条件进行样品处理后采用ICP-OES 进行检测，结果如表5 所列.从表5 可以看出，磷元素加标回收率为86%～104%，钙元素加标回收率为87%～96%.磷和钙元素6 次加标回收率的RSD 分别为2.5%～7.0%，3.9%～10.0%.加标回收率结果能够满足日常检测要求.

表5 加标回收率Table 5 Results of recovery

2.4 实际样品的检测

采用所建立的方法对市场采购的婴幼儿乳粉进行钙、磷元素含量测定，测定结果如表6 所列.从表中可以看出，所检测的样品编号1、2、5 号样品钙磷比值分别为1.4、1.6、1.6，符合GB 10765—2021《食品安全国家标准 婴儿配方食品》[13]要求.样品编号3、4 号样品是纯奶粉和甜奶粉，钙磷比值分别为1.2 和1.1.样品编号6、7 号样品比值分别为1.7、1.3，符合GB 10767—2021《食品安全国家标准 幼儿配方食品》[14]要求.

表6 实际样品的检测Table 6 Detection of samples/(mg/kg)

2.5 微波灰化与其他消解方法的比较

将微波灰化法与其他前处理方法消解体系和所用时间进行比较，结果如表7 所列.微波灰化前处理方法的精密度和回收率能够满足日常检测的需求.与干法灰化相比，由于微波的使用，大大增加了加热效率，从而使在进行婴幼儿乳粉前处理过程中所需要的灰化时间更短，总体处理时间与微波消解相当.微波灰化前处理只需要在灰化完成后用少量酸溶解样品，因此用酸量与湿法消解相比更少.说明微波灰化用于婴幼儿乳粉中钙、磷检测的前处理，所用时间少，消解所用到的酸的种类和剂量也很少，减少了酸的使用对于实验环境和实验人员的危害.

表7 微波灰化与其他前处理方法比较Table 7 Comparison between microwave ashing and other pretreatment methods

3 结论

采用微波灰化对婴幼儿乳粉中钙、磷元素进行样品前处理，相比微波消解方法，具有用时短、用酸量少、消解效果好、不需要进行赶酸处理等优势.与干法灰化和湿法消解相比大大减少了样品处理时间.采用微波灰化与ICP-OES 结合对婴幼儿乳粉中重要的指标元素钙、磷元素进行检测，是一种快速、环保、准确度高的方法，在婴幼儿乳粉质量控制中有很好的应用价值.