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定量核磁共振技术检测食品中硼的含量  PDF

  • 朱松松 1,2,3
  • 夏金涛 1,2,3
  • 朱芊 1,2,3
  • 程银棋 1,2,3
  • 江丰 1,2,3
  • 王会霞 1,2,3
1. 湖北省食品质量安全监督检验研究院,湖北 武汉 430075; 2. 国家市场监管重点实验室 动物源性食品中重点化学危害物检测技术,湖北 武汉 430075; 3. 湖北省食品质量安全检测工程技术研究中心,湖北 武汉 430075

中图分类号: R155

最近更新:2022-08-26

DOI:10.13590/j.cjfh.2022.04.009

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摘要

目的

开发一种可以快速检测并监控食品中硼含量的定量核磁共振 (qNMR)分析方法。

方法

在特定进样条件下11B原子核在特定谱宽范围内的核磁共振信号峰与样品中硼的含量成正比;使用含硼量<0.01×10-6的天然石英核磁管以消除干扰;向重水中添加三氟化硼乙醚作为内标(δ=0 ppm),以δ=19.38 ppm的信号峰作为硼酸的特征化学位移进行定标、积分、计算;由于硼酸具有较好的水溶性,样品中的硼酸可直接采用去离子水提取的方法得到。

结果

该方法线性结果良好:y=507.81x+5 597.4,>0.999 9;检出限和定量限分别为20、60 mg/kg;加标回收率90.3%~102.1%;日间精密度为1.26%~1.61%。

结论

该方法前处理简单、测定过程快捷、测定结果准确,具有良好的潜在应用前景。

“硼”是一种植物生长所必需的微量非金属元

12,天然硼元素10B11B两种稳定同位3。由于其物化性质特殊,各类含硼化合物在轻工材4-8、食品化9、农业医10-14等各方面都发挥出了巨大作用。有文字记载的含硼化合物的使用最早可追溯到古希腊及罗马帝国时15。硼的成人每日最大摄入量为0.3 mg/kg·d16,长期过量摄入硼砂会对人体生长造成不可逆损害。因此,我国最早已于20世纪70年代将硼酸(砂)列为禁用食品防腐剂。但由于硼砂在食品防腐保鲜、口感改善、增加食物(尤其是米、面制品)韧性等方面的独特作用,许多不法商贩为攫取利益仍继续铤而走17-19

鉴于向食品中添加硼酸的违法行为依然严重(表1),目前亟须一种能针对食品中硼酸的违法添加进行快速方便、有效准确监管检测的新方法。

表1  近期部分食品中硼酸的违法添加情况
Table 1  Illegal addition of boric acid in some foods recently
产品不合格项(标准值)检验结果/(mg/kg)发布单位
凉皮 硼酸(不得使用) 274 甘肃省市场监督管理局
凉皮 硼酸(不得检出) 158 宁夏回族自治区市场监督管理厅
酿皮 硼酸(不得使用) 412 宁夏回族自治区市场监督管理厅
凉皮 硼砂(不得检出) 1 847 新疆维吾尔自治区市场监督管理局
面皮 硼砂(不得检出) 1 665 新疆维吾尔自治区市场监督管理局
凉皮 硼酸(不得检出) 1 520 宁夏市场监管局厅

目前针对食品中硼的检测方法已较为成熟,主要有微波提取-姜黄素分光光度

20、紫外分光光度21、甲亚胺-H酸22、ICP-MS23、高效液相色谱24等。现行硼酸检测国家标准方法依据《食品安全国家标准 食品中硼酸的测定》(GB 5009.275—2016)执行,该方法使用1,3-二乙基己二醇-三氯甲烷混合溶剂对样品中的硼进行快速富集,再经硫酸质子化的姜黄与硼酸络合,最后通过比色测定样品中硼酸的含量。但上述几种方法均存在着一定的不足之处,其中微波提取-姜黄素分光光度法在前处理阶段使用了毒性较大的三氯甲烷及浓硫酸等较危险试剂,且操作繁琐,给实验人员的身体健康和人身安全带来了较大的安全隐患;甲亚胺-H酸法需要提前合成甲亚胺-H酸,且具有操作过程复杂、显色结果耗时较长等弊端;ICP-MS检测方法具有检测范围宽,精密度高等优势,但前处理过程依然较为复杂。

随着核磁共振技术的快速发展,定量核磁共

25(Quantitative nuclear magnetic resonance,qNMR)技术在食品安全监督检验中也扮演着越来越重要的角26-28。本研究以δ=19.38 ppm的信号峰为积分区域,以峰面积作为定量依据,详实讨论提供了一种可以快速检测监控食品中硼酸含量的定量核磁共振分析方法。

1 材料与方法

1.1 主要仪器与试剂

刀式捣磨仪(GM-300#,德国Retsch Gmbh公司);电子分析天平[ME 204#,梅特勒—托利多仪器(上海)有限公司];超声波清洗仪(德国Elmasonic S 180H# Elma公司);紫外分光光度计(UH5300#,日本HITACHI公司);核磁共振谱仪[AVANCE (Ⅲ) HD 600 MHz,德国Bruker公司];超纯水仪(Milli-Q,法国Millipore公司)。

硼酸标准溶液(1 000 mg/L,北京坛墨质检科技有限公司);重水(99.8%,中国Adamas试剂);硫酸、醋酸锌、亚铁氰化钾、氯仿(均为分析纯,购自国药试剂有限公司);2-乙基-1,3-己二醇[麦克林试剂(中国)有限公司];天然石英核磁管(ϕ=5 mm,B<0.01 ppm,美国Norell公司);实验用水为法国Millipore公司纯水仪制备的超纯水(现制现用)。

1.2 核磁共振条件

Bruker Avance (III) HD 600 MHz傅里叶变换超导核磁共振波谱仪配备PABBO正向探头;锁场温度:298 K11B-NMR共振频率:192 MHz;扫描次数: 4×1 024次;谱宽:200 ppm;频谱中心:19.38 ppm;TD=8 192;D1=0.1 s。

1.3 样品前处理

1.3.1 NMR法

称取3.0 g于刀式金属(或塑料)捣磨仪均匀碾碎的样品至15 mL塑料离心管中,加入10 mL超纯水,涡旋30 s后于室温下超声提取10 min,于低速离心机(4 000 r/min)离心5 min,取上清液450 μL置于装有50 μL重水的天然石英核磁管中,直接测试。期间避免待测样品直接接触玻璃仪器。

1.3.2 分光光度计法

称取于刀式捣磨仪均匀碾碎的样品3.0 g至150 mL塑料烧杯中,加入50.0 mL超纯水、2.0 mL浓硫酸;100 kHz,50 ℃超声10 min;向超声后的溶液中分别加入Zn(AcO)2和K4Fe(CN)6·3H2O溶液各5.0 mL;加水定容至100 mL,常压滤纸过滤后取2.0 mL于25 mL塑料试管中,加水至5.0 mL;加入体积分数50%(V/V)的硫酸溶液1.0 mL,涡旋1 min混匀后,向其中加入2-乙基-1,3-己二醇(EHD)-氯仿(CHCl3)溶液5.0 mL,盖上盖子涡旋振荡器振摇2 min,静置分层,吸取下层的EHD-CHCl3溶液并通过ϕ=7 cm干燥快速滤纸过滤。过滤液作为样品测试液。期间避免待测样品直接接触玻璃仪器,各溶液配置要求参照GB 5009.275—2016。

1.4 标准工作曲线

用移液枪分别准确量取10.0、20.0、50.0、100.0、200.0、500.0 μL硼酸标准溶液于2.0 mL塑料离心管中并用水定容至1 mL,得到10.0、20.0、50.0、100.0、200.0、500.0 μg/mL的标准工作液。现用现配。

1.5 统计学分析

采用式(1)计算待测样品中硼酸的含量:

X=C×V1m×V2 (1)

式中:

X:待测物硼酸的含量,mg/kg;C:由标准曲线得到的待测物溶液中硼酸的浓度,mg;m:样品质量,g;V1:试样定容体积,mL;V2:测试量取体积,mL。

数据采用MestreNova(12.0及以上版本)软件进行“splines”基线校正、积分、定值。

2 结果

2.1 自旋-晶格弛豫时间(T1)的测定

纵向弛豫时间脉冲序列:t1irpg;锁场温度:298 K11B-NMR共振频率:192 MHz;扫描次数:16次;谱宽:200 ppm;频谱中心:19.38 ppm;TD (F1)=10;D1=2 s;SI (F2)=16 k;WDW (F2)=EM;LB (F2)= 0.3 Hz;SI (F1)=16。根据实验结果,硼酸标准溶液(重水中)的自旋-晶格弛豫时间(T1)在当前测试条件下的结果约为159 ms。因此,根据D1>5T1,将该实验的延迟时间设为0.1 s。

选择标准实验“ProtonT1”;先后设置时域点数、谱宽、空扫次数、扫描次数、频谱中心值;在“VDLIST”键入对应弛豫值(默认单位为s,最大值设置为10 s);读取参数;键入“ased”,设置D1值为10 s;采样;窗口函数选择使用指数函数,线宽因子调整为0.3;傅里叶变换,手动调整相位,键入“t1t2”进入T1分析界面;调整相位、积分、计算,得到T1=0.159 s。

2.2 频谱中心(O1P)的测定

为使测得11B信号积分面积能更准确严谨地用于食品中硼酸的定量测试,在上述实验条件下,实验人员向核磁管中加入20 μL三氟化硼乙醚作为内标参照试剂,并将核磁共振信号峰定标为0.00 ppm以标定硼酸标准溶液在重水中的化学位移。结果显示,该条件下,硼酸标准溶液在重水中的化学位移为19.38 ppm(图1)。后续测试以该化学位移作为频谱中心。

图1  硼酸标准溶液在重水中的化学位移

Figure 1  Chemical shift of boric-acid standard solution in heavy water

2.3 方法学考察

2.3.1 标准工作曲线的建立

取1.4标准溶液工作液按照条件1.3.1于600 MHz核磁共振谱仪上测试,绘得标准工作曲线,即y=507.81x+5 597.4,> 0.999 9

11B具有电四极矩,其自旋量子数I11B5)=3/2,导致硼的核磁共振信号通常1H1eQ=0)的核磁信号宽(通常>10 Hz)。实验结果经相位校正、Splines基线校正后以积分面积计算。

2.3.2 最低检出限及定量限

本方法以S/N≥10确定硼酸检出限为20 mg/kg[SNR(19.92,18.86)=10.24,图2],以三倍检出限确定该方法定量限为60 mg/kg,较《食品安全国家标准 食品中硼酸的测定》(GB 5009.275—2016)(检出限为2.50 mg/kg,定量限为7.50 mg/kg)灵敏度均降低了8倍左右。

图2  本方法检出限的确定

Figure 2  LODs of this method

(注:X: points; Y: S/N)

造成这种结果的原因可能是:核磁共振谱仪频率目前尚达不到相当灵敏度;硼原子核的电四极效应导致硼谱的谱宽变宽,灵敏度下降;较氢元素更低的天然丰度和灵敏度(表2)。

表2  氢、硼、碳元素的基本原子信息
Table 2  Basic nuclei information of hydrogen, boron, and carbon
名称相对丰度 (较 13C)I频率/ Hz
1H Hydrogen 5 680 1/2 600.13
11B Boron 754 3/2 192.545 553 2
13C Carbon 1 1/2 150.902 808 5

2.3.3 重复性实验

分别以面粉和米粉作为加标基质,对同一样品以相同实验条件分批次连续重复测定6次(表3),相对标准偏差0.97%~2.28%,结果表明该方法具有较好的重复性。

表3  硼酸含量的重复性实验
Table 3  Repeatability experiment of the content of boric acid
第1次第2次第3次第4次第5次第6次均值RSD/%
面粉 42.912 41.668 42.743 41.615 42.337 41.080 42.059 2.28
米粉 41.269 42.503 41.835 42.900 42.168 40.408 41.847 0.97

2.3.4 精密度实验

向空白基质中分别添加100.0 μg/mL的硼酸标准工作液50、100、200 μL,按照实验条件1.2.1连续测定6次,根据标准曲线计算硼酸含量,6次测试结果相对偏差分别为3.52%、2.58%、1.66%(图3)。

图3  不同浓度下的重复实验(50、100、200 µg/kg)

Figure 3  Repeated experiments at different concentrations (50, 100, 200 μg/kg)

2.3.5 回收率实验

平行称取面粉及米粉待测样品,分别加入50、150、600 mg/kg 3水平浓度的硼酸标准溶液工作液,每个水平平行测定6次,计算回收率和相对标准偏差(表4)。方法回收率80.83%~99.19%,RSD为1.60%~4.55%。

表 4  面粉中不同硼酸添加水平的回收率实验
Table 4  Average spiked recoveries and relative standard deviations of different additional levels of boric acid to flour
序号

测定x

/(mg/kg)

测定y

/(mg/kg)

测定z

/(mg/kg)

序号

测定x

/(mg/kg)

测定y

/(mg/kg)

测定z

/(mg/kg)

1a 49.03 146.25 588.28 4 a 48.68 137.92 581.21
1b 49.53 145.68 598.22 4 b 49.55 138.28 579.36
2 a 47.64 140.78 610.26 5 a 47.2 136.85 607.96
2 b 46.89 139.47 603.48 5 b 47.36 136.44 603.25
3 a 51.54 136.69 589.54 6 a 46.91 152.83 593.62
3 b 50.68 135.79 587.95 6 b 47.9 150.28 598.28
AVEa 48.5 141.89 595.15 AVE b 48.65 140.99 595.09
Rec Ra 80.83% 94.59% 99.19% Rec R b 81.09% 93.99% 99.18%
RSDa 3.51% 4.55% 1.94% RSD b 3.05% 4.08% 1.60%

注:  a:面粉基质b:米粉基质x:添加水平为60 mg/kgy :添加水平为150 mg/kgz:添加水平为600 mg/kg

2.3.6 紫外分光光度计法对比

参照《食品安全国家标准 食品中硼酸的测定》(GB 5009.275—2016) 的方法,取1.3.2前处理的面皮类阳性样品测试,测得硼酸含量为180.671 mg/kg,与NMR测量结果(172.528 mg/kg)基本一致,RSD为4.61%。对比现行国标方法,该方法在保证准确性的同时将方法前处理时间从数十小时缩短至20~30 min,极大地压缩了检测的时间成本和经济成本。

3 讨论

硼原子[I11B5)=3/2]原子核在外加磁场作用下吸收由一个变化的电场产生的振荡射频电磁辐射而进行Larmor进动,该进动切割磁场产生信号被计算器捕获,经过傅里叶变换后转换后得到核磁共振谱图。鉴于定量核磁共振技术的高精密度和高重复

29,其近年在食品药品监管检测、化学生物代谢等方向发展迅速,部分欧美国家已有相当数量的定量核磁共振技术的现行法定标准。

本方法以硼酸标准溶液绘制标准曲线,采用核磁共振硼谱法对食品中的硼含量进行测定,方法简便、快捷、准确。该方法剔除了繁琐冗杂的前处理过程,弃用了如浓硫酸、三氯甲烷等实验室高毒高危试剂;将现行标准中的数十小时的前处理步骤缩短至20~30 min,在极大地降低经济成本和时间成本的同时也最大程度地保障了实验人员的身体健康安全和测试的准确性;样品测试过程快速,极大地提高了检测人员的工作效率,适合进行大批量样品的检测;样品检测结果准确,检出限、定量限均能满足日常检验工作中的任务需求。但是,由于硼元素独有的物化性质以及仪器方面的限制,目前还无法对硼酸、硼砂等不同含硼化学物质单独测定,并且在检出限度、检测时间等方面还有相当一部分待探索的空间。

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