基于单因素方差分析的实验室测定二氧化硫参数优化

摘 要：二氧化硫作为一种常用的外源性食品添加剂，常用于米粉、腐竹、蜜饯和菜干等食品的生产中。本文从提高实验室检验效率的角度出发，通过对加热功率、盐酸添加量、氮气流速、反应时间4个影响因素分别进行单因素方差分析，对实验室测定二氧化硫的参数进行优化。结果表明，最适宜实验条件为加热功率100 W、盐酸添加量8 mL、氮气流速0.8 L·min-1、反应时间80 min，提高了二氧化硫的检验效率。

关键词：二氧化硫；参数优化；单因素方差分析

Abstract： Sulfur dioxide is a commonly used exogenous food additive and is often used in the production of rice noodles， bean curd sticks， candied fruits and dried vegetables. From the perspective of improving laboratory testing efficiency， this paper optimized the parameters for laboratory determination of sulfur dioxide by performing one-way analysis of variance on four influencing factors： heating power， hydrochloric acid addition， nitrogen flow rate and reaction time. The results showed that the most suitable experimental conditions were heating power of 100 W， hydrochloric acid addition of 8 mL， nitrogen flow rate of 0.8 L·min-1 and reaction time of 80 min， which improved the testing efficiency of sulfur dioxide.

Keywords： sulfur dioxide; parameter optimization; one-way analysis of variance

二氧化硫作为一种外源性食品添加剂，常用于米粉、腐竹、蜜饯和菜干等食品的生产中，以达到改善食品外观和延长食品保质期的目的[1-2]。河源市作为广东省的重要农业产地，米粉和腐竹生产已成为河源市的重点农业产业，因此二氧化硫检验是河源市重要的食品检验项目之一。关于米粉和腐竹，我国制定了非常严格的二氧化硫使用标准，腐竹中二氧化硫的最大添加量为0.2 g·kg-1，米粉为不得使用。目前，国内常用的二氧化硫检验标准是《食品安全国家标准 食品中二氧化硫的测定》（GB 5009.34—2022）。然而，实际工作中发现，按标准中的加热功率、氮气流量、反应时间、盐酸添加量等参数操作会导致二氧化硫测定结果出现较大偏差。本研究采用单因素方差分析方法优化这4个实验参数，以获得最优实验参数条件[3-6]。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

橄榄（蜜饯）。0.01 mol·L-1氢氧化钠：量取0.1 mol·L-1氢氧化钠标准溶液[GBW（E）081126，深圳市博林达科技有限公司]10 mL，用水稀释至100 mL；3%过氧化氢：量取质量分数为30%的过氧化氢25 mL，加水稀释至250 mL；6 mol·L-1盐酸溶液：量取浓盐酸250 mL，用水稀释至500 mL；甲基红指示剂（2.5 g·L-1）：称取甲基红指示剂0.25 g，溶于100 mL无水乙醇；二氧化硫标准溶液（100 mg·L-1，7446-09-5，上海阿拉丁生化科技有限公司）。AC-2000二氧化硫测定仪（德合创睿）；10 mL碱式滴定管（计量编号SP021）。

1.2 实验方法

1.2.1 样品处理与测定

称取约2 g样品于250 mL圆底烧瓶中，加入250 mL水，接入二氧化硫测定仪，反应结束后，用氢氧化钠标准溶液滴定二氧化硫吸收液，根据氢氧化钠标准溶液消耗量计算试样中二氧化硫的含量。

1.2.2 测定参数优化

通过改变实验条件进行多次实验，对实验结果进行单因素方差分析，确定对实验结果有显著影响的因素，最后确定最佳实验条件。

（1）加热功率。按照《食品安全国家标准 食品中二氧化硫的测定》（GB 5009.34—2022）第一法，将实验条件定为盐酸溶液添加量10 mL，氮气流速0.15 L·min-1，反应时间90 min，加热功率分别设定为100 W、120 W、140 W、160 W、180 W和200 W，进行5次重复实验，结果取平均值。

（2）盐酸溶液添加量。按照《食品安全国家标准 食品中二氧化硫的测定》（GB 5009.34—2022）第一法及加热功率优化实验结果，将实验条件定为加热功率100 W，氮气流速0.15 L·min-1，反应时间90 min，盐酸溶液添加量分别设定为4 mL、6 mL、8 mL、10 mL、12 mL和14 mL，进行5次重复实验，结果取平均值。

（3）氮气流速。按照《食品安全国家标准 食品中二氧化硫的测定》（GB 5009.34—2022）第一法及加热功率、盐酸溶液添加量优化实验结果，将实验条件定为加热功率100 W，盐酸溶液添加量8 mL，反应时间90 min，氮气流速分别设定为0.4 L·min-1、0.6 L·min-1、0.8 L·min-1、1.0 L·min-1、1.2 L·min-1和1.4 L·min-1，进行5次重复实验，结果取平均值。

（4）反应时间。按照《食品安全国家标准 食品中二氧化硫的测定》（GB 5009.34—2022）第一法及加热功率、盐酸溶液添加量、氮气流速优化实验结果，将实验条件定为加热功率100 W，盐酸溶液添加量8 mL，氮气流速0.8 L·min-1，反应时间分别设定为50 min、60 min、70 min、80 min、90 min和100 min，进行5次重复实验，结果取平均值。

1.3 数据统计分析

对实验数据采用SPSS进行单因素方差分析，判断各因素对实验结果是否有显著性影响，并进行SPSS单因素方差分析的事后两两比较，筛选出最适实验条件。

2 结果与分析

2.1 实验条件优化结果

2.1.1 加热功率的优化

不同加热功率的测定结果如图1所示。选取95%置信区间，方差齐性检验结果为0.493＞0.05，选择假定均等方差的邦弗伦尼模型进行事后组间比较，组间差异为481.4，组内差异为238.6，F值为1.754，查表得P值为0.161＞0.05，说明不同加热功率参数不存在显著性差异。从节约能耗的角度出发，选择加热电炉最低功率100 W为最优实验条件，并以此条件为基础进行其他参数的优化实验。

2.1.2 盐酸溶液添加量的优化

不同盐酸溶液添加量的测定结果如图2所示。选取95%置信区间，方差齐性检验结果为0.006＜0.05，选择不假定均等方差的塔姆黑尼模型进行事后组间比较，组间差异为547 076，组内差异为221，F值为2 472，查表得P值＜0.001，说明盐酸添加量参数存在显著性差异。对实验结果进行SPSS单因素方差实验的事后两两比较，发现4 mL、6 mL组和8 mL、10 mL、12 mL、14 mL组两两比较的P值小于0.05，故4 mL、6 mL组与8 mL、10 mL、12 mL、14 mL组存在显著性差异。从节约试剂的角度出发，选择没有显著性差异的最低参数为最优实验条件，故8 mL为最优实验条件，并以此条件为基础进行其他参数的优化实验。

2.1.3 氮气流速的优化

不同氮气流速的测定结果如图3所示。选取95%置信区间，方差齐性检验结果为0.028＜0.05，选择不假定均等方差的塔姆黑尼模型进行事后组间比较，组间差异为950 222，组内差异为453，F值为2 096，查表得P值＜0.001，说明氮气流速参数存在显著性差异。对实验结果进行SPSS单因素方差实验的事后两两比较，发现0.4 L·min-1、0.6 L·min-1组和0.8 L·min-1、1.0 L·min-1、1.2 L·min-1、1.4 L·min-1组两两比较的P值小于0.05，故0.4 L·min-1、0.6 L·min-1组与0.8 L·min-1、1.0 L·min-1、1.2 L·min-1、1.4 L·min-1组存在显著性差异。从节约能耗的角度出发，选择没有显著性差异的最低参数为最优实验条件，故0.8 L·min-1为最优实验条件，并以此条件为基础进行其他参数的优化实验。

2.1.4 反应时间的优化

不同反应时间的测定结果如图4所示。选取95%置信区间，方差齐性检验结果为0.057＞0.05，选择假定均等方差的邦弗伦尼模型进行事后组间比较，组间差异为215 188，组内差异为174，F值为1 235，查表得P值＜0.001，说明反应时间参数存在显著性差异。对实验结果进行SPSS单因素方差实验的事后两两比较，发现50 min、60 min、70 min组和80 min、90 min、100 min两两比较的P值小于0.05，故50 min、60 min、70 min组与80 min、90 min、100 min组存在显著性差异。从提高效率的角度出发，选择没有显著性差异的最低参数为最优实验条件，故80 min为最优实验条件。

2.2 最优实验条件方法验证

最优实验条件为加热功率100 W、盐酸添加量8 mL、氮气流速0.8 L·min-1、反应时间80 min。根据《化学分析方法验证确认和内部质量控制要求》（GB/T 32465—2015）[7]的规定，进行方法验证。

2.2.1 精密度检验

称取空白样品1 g，添加100 mg·L-1的二氧化硫标准溶液1.0 mL，则空白样品中的二氧化硫含量为100.0 mg·kg-1。进行6次平行测定，结果为97.4 mg·kg-1、96.3 mg·kg-1、98.1 mg·kg-1、97.5 mg·kg-1、96.8 mg·kg-1和97.2 mg·kg-1，计算的RSD值为0.64%。

2.2.2 加标回收实验

称取1.054 g样品，测得本底值为158.2 mg·kg-1，添加100 mg·L-1的二氧化硫标准溶液1.0 mL，则加标值为100.0 mg·kg-1，测定值为256.8 mg·kg-1，计算得回收率为98.6%。2.2.3 定量限检验查《食品安全国家标准 食品中二氧化硫的测定》（GB 5009.34—2022）第一法得方法检出限为10 mg·kg-1。称取空白样品1 g，添加100 mg·L-1的二氧化硫标准溶液0.1 mL，则空白样品中的二氧化硫含量为10 mg·kg-1，进行2次平行重复实验，结果分别为9.82 mg·kg-1、9.74 mg·kg-1，均值为9.78 mg·kg-1，计算得浓度偏差为-2.2%。

综上，在最优实验条件下进行方法验证，证得精密度（RSD）为0.64%，加标回收率为98.6%，定量限的浓度偏差为-2.2%，检验结果均符合《化学分析方法验证确认和内部质量控制要求》（GB/T 32465—2015）的规定。

3 结论

本研究基于单因素方差分析，对实验室测定二氧化硫的实验条件参数进行了优化，确定最优实验条件为加热功率100 W、盐酸溶液添加量8 mL、氮气流速0.8 L·min-1、反应时间80 min。在此实验条件下，方法的精密度（RSD）为0.64%，加标回收率为98.6%，定量限浓度偏差为-2.2%，均符合GB/T 32465—2015规定。

参考文献

[1]河源市市场监督管理局.地理标志产品 河源米粉：DB 4416/T 5—2021[S].北京：中国标准出版社，2021.

[2]温艳霞.二氧化硫在食品加工中的使用和安全现状分析[J].农产品加工，2018（18）：73-74.

[3]王锐.基于多因素方差分析方法的工单调度研究[J].电信工程技术与标准化，2023，36（8）：65-68.

[4]梁志星，袁美玲.高校学生评教结果有效性分析方法研究：Z高校背景因素方差分析案例[J].扬州大学学报（高教研究版），2021，25（1）：30-37.

[5]方芳.酸碱滴定法测定食品中二氧化硫的条件优化[J].广东化工，2023，50（8）：195-197.

[6]尹洁，朱军莉，励建荣.食品中二氧化硫的来源与检测方法[J].食品科技，2009，34（11）：292-296.

[7]国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.化学分析方法验证确认和内部质量控制要求：GB/T 32465—2015[S].北京：中国标准出版社，2015.