基于破乳誘導萃取棕櫚油中重金屬元素的MP-AES分析

劉宏偉,符 靚,陳 林

1. 湖南工學院材料科學與工程學院,湖南 衡陽 421002 2. 重慶大學材料科學與工程學院,重慶 400045 3. 湖南省中醫藥研究院中藥研究所,湖南 長沙 410013

引 言

棕櫚油是從熱帶木本植物棕櫚樹果實果肉中壓榨提取的植物油,是全球產量、消費量和貿易量最大的植物油品種[1]。作為“世界三大植物油”之首,棕櫚油中飽和脂肪酸含量僅次于椰子油,富含類胡蘿卜素、維生素E、輔酶和固醇,具有常溫可塑性好、易分餾且價格低廉等特性,由于易被人體消化吸收,約占世界產量90%的棕櫚油用于食品行業[2]。評價棕櫚油的總體質量通常根據其有機成分來決定,其所含無機元素雖然是次要成分,但會影響棕櫚油的品質和食用安全性,尤其是所含重金屬元素通過食物鏈在人體內的累積特性以及生物放大效應,具有毒性和致癌作用[3]。我國是棕櫚油進口大國,發展可靠和準確的分析方法來評價棕櫚油中重金屬的安全性具有十分重要的意義。

食用植物油中元素分析的前處理方法有基質消化法、乳化法和溶劑稀釋法[4-6]?；|消化法包括干法灰化和濕法消解法,是油基介質最常用前處理方法,但基質消化法需消耗大量化學試劑,耗時且消化條件苛刻,樣品高倍稀釋對分析方法的檢測限提出了更高的要求;乳化法通過加入表面活性劑形成乳狀液或微乳液,增大了相間接觸面積,但乳化法需消耗大量表面活性劑,乳化體系長時間的穩定性差,仍需解決少量有機基質存在引起的干擾;溶劑稀釋法通過加入適當有機溶劑稀釋樣品直接分析,縮短了樣品前處理時間,降低了樣品污染和揮發性分析元素損失的風險,但大量有機基質引入所形成的干擾復雜,分析信號穩定性差,樣品溶液和標準溶液的一致性很難得到保證。破乳誘導萃取法將表面活性劑與油基介質充分混合形成油包水乳狀液,經加熱或離心破乳后利用酸性溶液將油相中分析元素轉移至水相,從而實現分析元素與有機基質的分離[7]。破乳誘導萃取集分離與富集于一體,為油基介質中的元素分析提供了簡單快速的前處理技術。

基于原子光譜的分析技術,包括原子熒光光譜(AFS)、原子吸收光譜(AAS)、電感耦合等離子發射光譜(ICP-OES)和電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法已廣泛應用于食用植物油的元素分析[2,8-10]。其中,AFS、ICP-OES和ICP-MS需持續使用高純氬氣,分析成本高;AAS采用可燃和氧化性氣體為氣源,安全風險大。微波等離子體原子發射光譜(MP-AES)采用微波磁致激發等離子體技術,使用氮氣為微波等離子體(MP)氣源,運行成本低且安全性高,已得到廣泛應用,但用于棕櫚油中重金屬元素的測定面臨著挑戰:MP-AES的基質耐受力差,有機基質的影響更為明顯;棕櫚油中重金屬元素的含量低,而MP-AES偏高的檢測限難以滿足分析要求;難電離元素在MP中的電離度差,尤其是高基質樣品中信號抑制更嚴重,導致這些元素的分析靈敏度低。本文采用破乳誘導萃取對棕櫚油樣品進行前處理,利用MP-AES測定棕櫚油中的重金屬元素As、Hg、Cd、Pb、Ni、Cr,旨在對棕櫚油中重金屬元素的準確測定提供低成本高通量分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器及參數

4200型微波等離子體原子發射光譜儀,美國Agilent公司;KQ-AS1000GDE型超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;8800型電感耦合等離子體串聯質譜,美國Agilent公司;Milli-Q超純水儀,美國Millipore公司。

MP-AES工作參數:噴霧室,多模式進樣系統(MSIS);霧化氣流速,As 0.45 L·min-1、Hg 0.5 L·min-1、Cd 0.45 L·min-1、Pb 0.85 L·min-1、Ni 0.3 L·min-1、Cr 0.3 L·min-1;泵速,15 r·min-1;讀數時間,As、Hg為5 s,其余3 s;重復次數,3次;吸入延遲時間,10 s;沖洗時間,20 s;穩定時間,15 s。

MSIS工作條件:樣品溶液流速,0.5 mL·min-1;還原劑(1.5%硼氫化鈉/0.5%氫氧化鈉)流速,0.5 mL·min-1;預還原劑(2%L-半胱氨酸/4%酒石酸)流速,2.0 mL·min-1。

1.2 主要試劑

1 000 mg·L-1的As、Hg、Cd、Pb、Ni、Cr、Y單元素標準溶液,國家有色金屬及電子材料分析測試中心;1 000 mg·L-1的As、Hg、Cd、Pb、Ni、Cr單元素油標溶液,美國Conostan公司;氫氧化鈉(AR)、硼氫化鈉(AR)、酒石酸(AR),國藥集團化學試劑有限公司;Triton X‐114(AR)、L-半胱氨酸(生物純),美國Sigma-Aldrich公司;65%(W/W)硝酸、37%(W/W)鹽酸,德國Merck公司。

1.3 樣品

準確稱取10 g棕櫚油樣品于離心管中,依次加入5%(W/V)的Triton X-114 1.0 mL和50%(V/V)的鹽酸1.5 mL,充分攪拌形成乳狀液,保持90 ℃溫度對乳狀液超聲水浴加熱破乳40 min,收集分層的水相2 mL,用超純水一倍稀釋制得樣品溶液。采用相同步驟制得空白溶液。

1.4 方法

采用18%(V/V)的鹽酸介質配制濃度分別為0.0、0.5、2.0、10、50 μg·L-1的分析元素系列混合標準溶液,在MSIS的雙重模式下采用MP-AES進行測定,同時測定樣品溶液和空白溶液。測試溶液分兩路進入MSIS霧化室,一路直接進入MSIS霧化室中進行傳統霧化,另一路與預還原劑通過“T”型接頭混合后進入MSIS霧化室,與還原劑在MSIS霧化室中進行氫化物發生反應。元素As、Hg采用氫化物發生模式測定,元素Cd、Pb、Ni、Cr采用傳統霧化模式測定。在測定過程中,所有測試溶液均在線加入1 mg·L-1的Y內標溶液。

2 結果與討論

2.1 破乳誘導萃取條件選擇

為了在最短的前處理時間內使棕櫚油樣品中所有分析元素均保持最佳萃取效率,本實驗對乳化劑種類及濃度、萃取劑種類及濃度、萃取溫度與萃取時間等破乳誘導萃取條件進行了選擇和優化。

Triton X-100和Triton X-114均能形成油包水乳狀液,是破乳誘導萃取最常用乳化劑[11]。通過考察了兩種表面活性劑在不同濃度下分析元素相對信號強度(相對于分析元素最大信號強度的比值)的變化(見圖1),評估Triton X-100和Triton X-114對分析元素萃取效率的影響?？梢钥闯?隨著兩種表面活性劑濃度的增大,As、Hg、Pb、Ni的相對信號強度無明顯變化,而Cd、Cr的相對信號強度增大,所有分析元素的最大萃取效率均在5%～8%范圍內,表明兩種表面活性劑對分析元素最大萃取效率的影響一致。然而,不同表面活性劑的種類和濃度影響破乳時間,表面活性劑濃度越大,能更有效地乳化水溶液,但所需破乳時間更長(見圖2)。與Triton X-100相比,相同濃度Triton X-114的破乳時間更短,表明用Triton X-114制備的乳狀液穩定性較差,有利于后續破乳。因此,本實驗選擇5%(W/V)的表面活性劑Triton X-114為乳化劑。

圖1 Triton X-100(a)和Triton X-114(b)濃度對分析元素萃取效率的影響Fig.1 Effects of the concentrations of Triton X-100 (a) and Triton X-114 (b) on the extraction efficiency of analytes

圖2 表面活性劑對破乳時間的影響Fig.2 Effect of surfactant on the time required for emulsion breaking

分析元素在乳狀液中以自由離子、有機分子、有機配合物的形式存在,無機酸作為萃取劑從乳狀液中提取分析元素,硝酸是破乳誘導萃取最常用萃取劑,但硝酸的強氧化性不利于氫化物元素的測定,而鹽酸是氫化物發生反應常用預還原劑和載流介質,其所含氯離子的配位作用更有利于從乳狀液中提取分析元素?？疾炝瞬煌瑵舛塞}酸對分析元素萃取效率的影響,從圖3可以看出,非酸性條件也能將以自由離子或以微弱結合態存在的部分分析元素萃取出來,隨著鹽酸的加入,分析元素的相對信號強度快速增大,顯著提高了萃取效率,當鹽酸濃度在40%～60%范圍時,所有分析元素的相對信號強度最大,表明鹽酸已充分萃取油相中的分析元素。因此,本實驗選擇50%(V/V)鹽酸為萃取劑。

圖3 鹽酸濃度對分析元素萃取效率的影響Fig.3 Effects of the concentrations of hydrochloric acid on the extraction efficiency of analytes

萃取溫度影響表面活性劑的相分離,提高萃取溫度會加快破乳速度,縮短萃取時間。在確保分析元素被充分萃取的前提下,考察了不同萃取溫度對萃取時間的影響,結果見圖4?？梢钥闯?提高萃取溫度縮短了萃取時間,當萃取溫度在50～70 ℃范圍內,分析元素的萃取時間大幅度縮短,隨后升高萃取溫度,萃取時間的縮短幅度變小,當萃取溫度達到90 ℃時,所有分析元素在40 min內完成萃取。因此,本實驗選擇萃取溫度為90 ℃。

圖4 萃取溫度對充分萃取分析元素所需萃取時間的影響Fig.4 Effect of extraction temperature on extraction time required for sufficient extraction of analytes

2.2 分析譜線波長選擇

MP的等離子體溫度比電感耦合等離子體(ICP)低1 000～3 000 K,受低溫影響MP誘導分析原子的激發態能級降低,產生的發射光譜線數量比ICP少,可用于分析的譜線波長選擇數量也變少。遵循分析譜線波長的選擇原則,預設分析元素的高靈敏譜線,根據MP Expert元素譜線庫所突出顯示的潛在干擾,對比分析預設譜線的靈敏度和譜線重疊干擾,選擇干擾可忽略或干擾小的高靈敏譜線為分析線,結果見表1。除元素Ni、Cr受到稀土元素的輕微干擾可以忽略外,其余分析元素均存在譜線重疊干擾,As受到了來自Fe光譜的干擾,Hg受到了來自Co、Fe、Mo、W的干擾,Cd受到了來自Fe、V、Ti、Mn、Co的干擾,雖然這些干擾元素在棕櫚油中的含量很低,但重金屬元素的更低,因此,這些干擾不容忽視?？焖倬€性干擾校正(FLIC)基于空白溶液、分析元素和干擾元素標準溶液的數據建模,通過解卷積將譜線重疊干擾從分析譜線中自動扣除[12],在建模過程中采集了空白數據,FLIC能同時校正背景。因此,本實驗分別選擇193.695、253.652、228.802、405.781、341.476和425.433 nm為As、Hg、Cd、Pb、Ni、Cr的分析譜線波長,并選擇FLIC技術進行背景/干擾校正。

表1 分析元素譜線波長的選擇及背景/干擾校正方法Table 1 Selection of spectral line wavelengths and background/interference correction methods for analytes

2.3 基體效應校正

分析元素的原子化和激發會受到基質的影響,樣品溶液與標準溶液的基質粘度差異會影響分析元素的發射強度,MP-AES受較低等離子體溫度的影響決定了其較低的基質耐受性[13]。破乳誘導萃取將分析元素從油相中轉移至水相中,完全消除了有機基質的影響,很好地解決了MP-AES基質耐受性低的難題。本實驗通過破乳誘導萃取得到的樣品溶液、空白溶液均為水溶液,與標準溶液的基質差異小,降低了基體效應。通過在線加入1 mg·L-1的Y標準溶液作為內標溶液,選擇Y 371.029 nm為內標分析譜線波長,以分析元素信號強度與內標元素的信號強度的比值補償基質差異引起的譜線強度變化,校正了基體效應。

2.4 方法線性與準確可靠性評價

采用系列混合標準溶液建立校準曲線,并進行線性回歸,對方法的線性進行評價。重復測定空白溶液11次,以測定結果的3倍和10倍標準偏差對應濃度為儀器的檢出限(LOD)和定量限(LOQ)。從表2可以看出,所有元素的線性相關系數≥0.999 8,表現出良好線性關系,各元素LOD為0.025～0.29 μg·L-1,LOQ為0.084～0.98 μg·L-1。方法的線性動態范圍和LOD明顯優于類似研究的AAS法和ICP-OES法,部分元素LOD接近以往文獻報道的ICP-MS法[8]。

表2 方法的線性、檢出限(LOD)和定量限(LOQ)Table 2 The linearity and the method detection limit (MDL) of the analyte

為評價本方法的準確可靠性,將同一棕櫚油樣品分為三份,采用本方法和ICP-MS/MS法對其中兩份樣品平行測定6次并進行統計學分析,第三份棕櫚油樣品加入油標,經破乳誘導萃取后采用本方法進行加標回收實驗,結果見表3。本方法的加標回收率為96.5%～105%,相對標準偏差(RSD)≤4.1%,在95%的置信度水平,本方法的測定值與ICP-MS/MS的測定值無顯著性差異(p>0.05),驗證了本方法的準確可靠性好,精密度高。

表3 分析方法的準確可靠性(n=6)Table 3 Accuracy and reliability of analytical methods (n=6)

2.5 棕櫚油樣品分析

采用本方法測定了對來自馬來西亞和印度尼西亞的4種毛棕櫚油(樣品編號1—4)和4種精煉棕櫚油(樣品編號5—8)樣品,每種棕櫚油樣品平行測定6次,結果見表4。毛棕櫚油中6種重金屬元素的含量明顯高于精煉棕櫚油,即使是同類棕櫚油樣品,重金屬元素的含量也存在較大差異,3種精煉棕櫚油中沒有檢出部分重金屬元素。8種棕櫚油樣品中重金屬元素As、Pb、Ni的含量均遠低于GB 2762—2017制定的最高限量標準,棕櫚油樣品中重金屬元素Hg、Cd、Cr的含量目前尚無國家標準,但均處于極低水平。

表4 棕櫚油樣品分析結果(μg·kg-1,n=6)Table 4 Analysis results of palm oil samples (μg·kg-1,n=6)

3 結 論

提出了基于破乳誘導萃取在MSIS雙重模式下利用MP-AES測定棕櫚油中多種重金屬元素的新策略。破乳誘導萃取將棕櫚油中分析元素從油相轉移至水相,實現了分析元素的分離富集,很好地解決了MP-AES基質耐受性低的難題。方法的LOD為0.025～0.29 μg·L-1,低于類似研究的AAS和ICP-OES法,部分元素LOD接近ICP-MS法。MP-AES從空氣中提取氮氣為等離子體氣源,降低了分析運行成本。方法操作簡單快速,安全性和穩定性好、分析結果準確可靠,適合棕櫚油中多種重金屬元素的高通量分析。