食品中添加剂和重金属污染物分析

实验34　食品中添加剂和重金属污染物分析

为了保证人们有高质量、营养、安全、有益健康的食品，食品分析是必不可少的。食品营养成分的分析包括有蛋白质、氨基酸、糖类、脂肪、维生素等的分析。此外，食品中添加剂的检测和食品中污染物质的检测，对于保证食品安全是极其重要的。食品中添加剂有防腐剂（苯甲酸及钠盐、山梨酸及钾盐、丙酸及其盐、对羟基苯甲酸酯、乳酸链球菌素）、抗氧化剂（丁基羟基茴香醚BHA、二丁基羟基甲苯BHT、没食子酸丙酯PG、特丁基对苯二酚TBHQ、茶多酚）、着色剂（天然和人工合成色素）、发色剂（硝酸钠和亚硝酸钠）、甜味剂（营养性和非营养性两类，天然和人工合成）以及膨松剂（活性干酵母、碳酸氢钠、泡打粉、明矾、轻质碳酸钙等）、增稠稳定剂（食用明胶、瓜尔豆胶、海藻酸钠、黄原胶、阿拉伯树胶、卡拉胶、果胶等）等；食品中污染物主要有重金属、农药、兽药残留物、霉菌毒素等。由于食品的特殊性，在着手进行食品的检测时更应注重样品的采样、预处理等环节。下面将从采样、预处理、食品添加剂及食品分析标准4个方面作简要的知识介绍。

（1）食品样的采集与保存

食品分析的对象包括各种原材料、农副产品、半成品、各种添加剂、辅料及产品等。首先要解决的是采样问题。由于存在着物理、化学、生物、环境条件和生产工艺等影响因素的作用，这些物质的化学成分往往会随着空间和时间而变化。如果对被测物质的均匀性与稳定性没有必要的了解，就随意地抽取少数样品进行试验，不仅会引入系统误差，增大随机误差，甚至会导致错误结论。如果采集的样品不足以代表全部物料的组成成分，则其分析检验过程再精密、再准确也将毫无价值。

从待试验对象的总体中去抽取试样之前，首先必须考虑被抽取的试样应具有足够的代表性。因此要获得可靠的试验结果，通常要检验被试验对象的均匀性与稳定性。

为了保证样品对总体的代表性，原始样品的量总是较大的，因此也常常是不均匀的，这就必须要有一系列的样品的处理过程，例如粉碎、研磨、过筛、缩分等。在整个处理过程中，样品的组成不能发生变化，样品本身应具有足够的稳定性；还必须采取一系列的措施，防止周围环境对样品的组成的影响，例如吸湿、吸二氧化碳、氧化等，还要防止成分逸散（如水分、气味、挥发性酸等）。因此要注意盛放样品的容器应是惰性的，并具有良好的密封性。

在确定了抽样的总体后，为了保证能从样本的统计特征来推断总体的特征，抽样时必须服从统计学对抽样的随机性要求：①总体中所有个体被抽取的机会应相等；②总体中每次个体的抽取必须是相互独立的。

正式采样时，通常采用简单随机抽样方法，一个最简便易行的方式是使用随机数字表。随机数字表可通过计算机产生。在随机抽样前，先将构成总体的样品编号，然后读取随机数字表中任意一行中的某个数字，并以此开始沿一定方向读取，读到的数字中还要舍去一些重复的数字和超出抽样范围的或无意义的数字，直到抽够预定的样品数。因为随机数字表中的每个数码出现的概率相等，所以构成总体的每个样品被抽取的概率也相等。利用Excel软件也可以进行随机抽样，其方法是：打开Excel，点击“工具”按钮，选中“数据分析”，再选中“抽样”后，先将全部样品编号并输入，给出计划抽样数，选择“随机”，就可在输出区域中得到被随机抽中的样品的编号。

也可采用机械抽样法，它又叫系统抽样、等距抽样、规律性抽样。它是按照一定的规律（间隔）从总体中取样。如可将总体中各个样本按顺序编码，每隔一定的间隔（时间的或是空间的，如生产日期或流水线上）抽取一个样本，其中第一个样本的抽取应按随机性来确定。

另外，分层抽样也是必要的，即是将抽样总体按其固有属性、特点或某种原因划分为若干层，然后在各层中用随机取样或机械抽样抽取适当的抽样单位以组成样本。一般来说，同一层抽样单位中差异性较小，因此当被划分的各采样单元之间的试验成分的变化显著大于每一单元内部成分的变化时，就应考虑分层抽样。通常先要了解总体的变化规律，然后才可考虑分层。例如黏稠而不易混匀的液体，就要考虑从不同包装深度分别取样；如粉末中取样，就要考虑粒度和比重不同，会有分层作用，也应从容器的上、中、下各层来抽样；又如蔬菜则要从茎、枝、叶分别取样等。

采集的原始样品还需要进行样品的制备，即对样品的粉碎、混匀、缩分等过程。样品的制备方法因产品类型不同而异。液体、浆体或悬浮液体应摇匀，充分搅拌。互不相溶的液体（如油与水的混合物）先分离，再分别取样。固体样品需切细、粉碎、捣碎、研磨等。罐头食品则需要除核、去骨、去调味品、捣碎。

经过处理后再抽取其中一部分作检验用者称为平均样品，应一式3份，分别供检验、复验及备查使用。每份样品数量一般不少于0.5kg。

采集的样品应在短时间内分析，否则应妥善保管。要放在密闭、洁净容器内，置于阴暗处保存。易腐败变质的放在0～5℃冰箱内，保存时间也不能太长。易分解的要避光保存。特殊情况下，可加入不影响分析结果的防腐剂或冷冻干燥保存。

（2）食品样的预处理

样品在分析测试前须进行预处理，制成试样，以满足测定方法的测量要求。包括消解、排除干扰组分和对样品进行必要的浓缩，等等。常用的方法有：

1）有机物破坏法。测定食品中无机成分的含量，需要在测定前破坏有机结合体，如蛋白质、油脂等。操作方法分为干法和湿法两大类：

①干法灰化。将样品置于电炉上加热，使其中的有机物脱水、炭化、分解、氧化，再置于高温炉中灼烧灰化，直至残灰为白色或灰色为止，所得残渣即为无机成分。

②湿法消解（或称消化）。样品中加入强氧化剂，并加热消煮，使样品中的有机物质完全分解、氧化，呈气态逸出，待测组分转化为无机物状态存在于消化液中。常用的强氧化剂有浓硝酸、浓硫酸、高氯酸、高锰酸钾、过氧化氢或它们的混合试剂等。

③紫外光分解法。高压汞灯提供紫外光，（85±5）℃，加双氧水。

④微波高压消解法。样品及溶剂中的偶极分子在高频微波能的作用下，其正、负极产生偶极涡流、离子传导和高频率摩擦，从而在短时间内产生大量的热量。偶极分子旋转导致弱氢键破裂、离子迁移等，加速了溶剂分子对样品基体的渗透，待分析成分很快溶剂化。食品样通常只要数分钟至10min（在2.5MPa下）即可。

其他方法还可采用高压密封消化法和自动回流消化仪等。

2）蒸馏法。利用液体混合物中各种组分挥发度的不同而将其分离。食品分析中常用的蒸馏方法有常压蒸馏、减压蒸馏、水蒸气蒸馏、共沸蒸馏等。其中常压蒸馏适用于常压下受热不分解或沸点不太高的物质。减压蒸馏适用于常压下受热易分解或沸点太高的物质。水蒸气蒸馏适用于沸点较高、易炭化、易分解物质。水蒸气蒸馏是用水蒸气加热混合液体，使具有一定挥发度的被测组分与水蒸气分压成比例地自溶液中一起蒸馏出来。

3）溶剂抽提法。利用混合物中各种组分在某种溶剂中溶解度的不同而使混合物分离的方法。

4）色谱分离法。利用纸色谱、薄层色谱、气相色谱、液相色谱对混合物中各组分进行分离。

（3）食品添加剂

目前世界上食品添加剂使用的品种在5 000种以上，我国使用的食品添加剂已达1 500余种，含添加剂的食品已达万种以上。按主要功能不同可将食品添加剂分成21大类。随着科学技术的进步，一些原来认为无害的食品添加剂，近年来已发现存在慢性毒性或致癌、致畸作用，其中最应重视的应是防腐剂、着色剂、抗氧剂、漂白剂、膨松剂、甜味剂等。

1）甜味剂。它是赋予食品甜味为目的而加入的添加剂。化学合成的甜味剂具有甜度高、成本低及效果显著的特点，故是使用最多的食品添加剂之一，也是重点监测的食品添加剂，主要有：糖精钠、甜蜜素、甜味素、甘草、木醇、山梨糖醇、麦芽糖醇等。

糖精钠是一种人工合成的甜味剂，学名为邻－磺酰苯甲酰亚胺糖精钠，水溶性好，在酸性条件下溶于乙醚，甜度为蔗糖的200～700倍。糖精钠对人体无营养价值，不分解、不吸收，随尿排出，致癌性尚有争议，其致癌的可能性尚未完全排除，因此，应避免长期大量食用。国家规定糖精钠的最大使用量是0.15g·kg^－1，婴幼儿食品中不得使用。糖精钠的测定方法有高效液相色谱法、紫外分光光度法、酚磺酞比色法等。

2）防腐剂。它是人类最早有意识使用的食品添加剂之一，防腐剂可以抑制微生物的活动，使食品在生产，运输，储藏和销售过程中减少因腐败而造成的经济损失。我国允许使用的主要有山梨酸及其盐类、对羟基苯甲酸酯、丙酸及其盐类等。

防腐剂主要有酸型防腐剂和酯型防腐剂以及生物防腐剂。而日常生活中以酸型防腐剂的苯甲酸、山梨酸（及其盐类）的使用范围较为广泛，其抑菌效果主要取决于它们未离解的酸分子，其效力随pH值而定，酸性越大，效果越好。

①苯甲酸。其别名为安息香酸，结构式为C₆H₅COOH，外观为白色晶体，微甜并带咸，有苯或甲醛气味。熔点为112.4℃，沸点为249℃。对于苯甲酸的毒性，一般认为它会影响肝脏酶对脂肪酸的氧化作用，但又认为它在生物转化过程中可与甘氨酸结合形成马尿酸或与葡萄糖结合形成葡萄糖苷酯，并由尿排出体外。食品中添加苯甲酸的量要限制在一定范围之内，即ADI（每千克体重每日允许摄入量）值为0～5mg·kg^－1（体重）（苯甲酸及其盐的总量，以苯甲酸计。世界粮农组织FAO/世界卫生组织WHO，1994）。

②山梨酸及其盐类。山梨酸或花椒酸，学名为2，4－己二烯酸。它是白色针状结晶，熔点为134.5℃，沸点为228℃（分解）。30℃水中能溶解0.25％，100℃能溶解3.8％，易溶于乙醇、甲醇、丙酮、醋酸等。食用后可参与体内正常新陈代谢。一般对人体无害。据测定，其毒性仅为苯甲酸的1/4，ADI值为0～25mg·kg^－1（体重）（FAO/WHO，1994）。

苯甲酸（钠）和山梨酸（钾）的测定方法有气相色谱法、高效液相色谱法、薄层色谱法、紫外分光光度法、酸碱滴定法等。

3）食用色素。目前使用的食用色素有天然和人工合成的两类，天然色素多是从植物中提取的，人工合成色素按化学结构可将其分为偶氮类和非偶氮类。偶氮类色素按溶解性分为油溶性色素和水溶性色素。由于油溶性色素不易排出体外、毒性较大，所以一般食用色素都是带有水溶性磺酸钠基团的。合成色素如：笕菜红、胭脂红、赤藓红、橘黄、柠檬黄、日落黄、靛蓝、亮蓝等。合成色素对人体的毒性作用，可能有三方面：一般毒性、致泻性和致癌性。如奶油黄、橙黄S，由于可使动物致癌而被禁用。

近来又发现将工业染料苏丹红作为食品添加剂用于辣椒酱等食品，严重危害人民健康，实验发现，“苏丹红一号”会导致鼠类患癌，它在人类肝细胞研究中也显现出可能致癌的特性。因此，我国和全球多数国家都禁止将其用于食品生产。

4）食品膨松剂，通常又称为泡大粉，主要用于焙烤食品的生产。膨松剂添加于生产焙烤食品的主要原料小麦粉中，在加工过程中受热分解，产生气体，使面胚起发，形成致密多孔组织，从而使面制品蓬松、柔软或酥脆。不仅提高了食品的感官质量，而且也有利于食品的消化吸收。膨松剂是由碳酸氢钠，碳酸氢钾或碳酸氢铵这些碱式盐与磷酸盐、食用明矾，酒石酸氢钾、葡萄糖酸内酯、植物胶体、环状糊精、蔗糖酯、单甘酯、双乙酰酒石酸甘油酯、变性淀粉等物质复合而成。值得注意的是，由于明矾价格较低，而且在烘焙过程中由于其与水结合可以产生特殊的絮状胶体物质，因此除了具有一般的酸剂的作用外，还有特殊的膨松效果，另外其轻微的涩味，也引人入胜，尽管这是铝的特有感官味觉，因此被大量使用，一般配方中占10％～40％左右的比例。缺点是铝含量在最终制品中的含量远远超过国家标准规定的不得大于100mg·kg^－1的强制性标准。

铝并非人体必需元素，长期或过量摄入会造成铝在体内蓄积并产生毒性作用，带来一系列疾病。世界卫生组织（WHO）已于1989年正式把铝确定为食品污染物，并要求严加控制。

（4）食品分析的标准

成立于1947年的国际标准化组织（ISO），下设27个国际组织，与食品有关的有：联合国粮农组织（FAO），世界卫生组织（WHO），食品法典联合委员会（CAC），国际农药残留法典委员会（CCPR）。

检索ISO标准的主要工具是：①《国际标准题内关键词索引》（KWIC Index）；②《国际标准目录》设有委员会序号目录、主题索引目录、标准号目录、作废标准目录。

检索中国国家标准（GB）的主要工具是：GB5009.1～GB5009.70－2003《中华人民共和国食品卫生检验方法（理化部分）》。

1.设计内容

测定从超市中抽样取得的膨化食品中的色素、防腐剂、甜味剂、膨松剂中的铝以及镉、铅等重金属。根据选定的具体对象在查阅资料后决定：①抽样方法，②预处理方法，③定量测定方法。

2.提示

1）抽样方法。可采用随机抽样法和机械抽样法。

2）预处理方法。可采用微波高压消解法。

3）定量测定方法。色素可参考实验11，防腐剂、甜味剂可参考实验28，铝及镉、铅等重金属可参考相关国家标准。

参考文献

［1］李核，李攻科，张展霞.微波辅助萃取技术的进展.分析化学.2003，31（10）：1261～1268

［2］GB/T 5009.182－2003.面制食品中铝的测定.北京：中国标准出版社，2003

［3］GB/T 5009.15－2003.食品中镉的测定.北京：中国标准出版社，2003

［4］GB/T 5009.12－2003.食品中铅的测定.北京：中国标准出版社，2003