离子色谱法在食品中二氧化硫检测中的应用

作者: 莫衍琪

摘 要:本文针对离子色谱法在食品中二氧化硫检测中应用面临的基质干扰、衍生不完全、灵敏度不足等问题,提出了优化样品前处理、改进衍生条件、采用大体积进样等解决策略。其中,采用固相萃取-衍生联用技术可有效去除基质干扰;选用有机碱衍生试剂,并建立微乳液衍生体系,可有效提升二氧化硫衍生效率;而大体积进样与在线固相萃取联用,则可明显提高检测灵敏度。这些策略为食品中二氧化硫的准确检测提供了新思路,为食品安全监管奠定了坚实的技术基础。

关键词:二氧化硫;离子色谱;基质效应;衍生化;大体积进样

Abstract: In order to solve the problems of matrix interference, incomplete derivation and insufficient sensitivity in the application of ion chromatography in the detection of sulfur dioxide in food, some strategies were put forward, such as optimizing sample pretreatment, improving derivatization conditions, and adopting large volume injection. Among them, the use of solid-phase extraction derivative combination technology can effectively remove matrix interference; the selection of organic base derivatives and the establishment of micro lotion derivatives system can effectively improve the efficiency of sulfur dioxide derivatives; the combination of large volume injection and online solid-phase extraction can significantly improve detection sensitivity. These strategies provide new ideas for accurate detection of sulfur dioxide in food and lay a solid technical foundation for the supervision of food safety.

Keywords: sulfur dioxide; ion chromatography; matrix effect; derivatization; large volume injection

二氧化硫作为常见食品添加剂被广泛应用于食品加工中,其具有抑菌、漂白和抗氧化等多重功效,但若使用不当或过量使用可能会危害人们的身体健康。近年来,我国颁布了相关法规强化对食品中二氧化硫的管控力度。因此,准确检测食品中二氧化硫的含量对于保障食品安全、落实法规政策至关重要[1]。

1 食品中二氧化硫来源分析

食品中二氧化硫的来源可分为内源性和外源性2大类。内源性二氧化硫是食品自身或加工过程中自然产生的,如葡萄酒和啤酒酿造过程中酵母的代谢会产生少量二氧化硫。外源性二氧化硫是在食品加工过程中为达到防腐、抗氧化等目的人为添加的,常见于水果制品、肉制品等。以水果干制品为例,为防止水果加工贮藏过程中的酶促褐变和非酶促褐变,通常需要对其进行二氧化硫熏蒸或浸泡亚硫酸盐溶液,使果肉中二氧化硫残留量维持在0.015%~0.020%,以有效抑制产品褐变[2]。同时,肉制品加工中常使用亚硫酸氢钠等含硫添加剂,既可以防止肉类氧化变色,又能控制有害微生物滋生。但外源性二氧化硫在添加过程中极易发生超标现象,成为潜在的食品安全隐患。此外,由于不同类型食品中二氧化硫的形态差异较大,如游离态、结合态等,为二氧化硫的提取与检测带来一定的技术挑战。

2 离子色谱法的原理与优势

离子色谱法是高效液相色谱技术的一种衍生方法,主要是基于待测离子与固定相之间的静电相互作用。与常规高效液相色谱法相比,离子色谱法具有样品净化要求低、灵敏度高、线性范围宽等优势。在离子色谱法测定过程中,待测组分经离子交换柱实现分离后,通过抑制电导检测器去除淋洗液背景,再进入电导池进行检测。而在抑制器的作用下,淋洗液电导率明显降低,使目标离子导电信号得以放大,从而实现痕量、复杂样品中目标离子的灵敏检测。以亚硫酸根离子为例,其在淋洗液(氢氧化钾溶液)中呈电离状态,可与固定相烷基季铵基团形成吸附配对,并在淋洗液作用下实现洗脱分离[3]。分离后的亚硫酸根离子通过阳离子交换膜与淋洗液中的K+发生交换反应,H+取代K+后导致其转化成导电性较低的氢氧化钾溶液,同时亚硫酸根转化为高导电性的硫酸,从而实现对亚硫酸根离子的特异性识别与灵敏检测。

3 离子色谱法在食品二氧化硫检测中面临的挑战

3.1 基质干扰导致检测灵敏度下降

离子色谱法在食品二氧化硫检测中虽然具有诸多优势,但仍面临基质干扰导致检测灵敏度下降的挑战。食品基质成分复杂,常含有大量的糖类、蛋白质、脂肪等物质。这些物质在样品前处理过程中难以完全去除,进入色谱柱后易与目标分析物发生吸附竞争,占据固定相活性位点,从而削弱固定相对目标物的保留能力,导致二氧化硫出峰时,出现变宽、拖尾现象,造成检测灵敏度下降。以红酒中二氧化硫检测为例,由于酒中含有大量酚类化合物,这些极性物质易与亚硫酸根离子在阴离子交换柱上发生竞争吸附,影响二氧化硫与固定相季铵基的静电作用,进而导致其在色谱图上发生严重拖尾现象,降低分离效果[4]。此外,糖类物质与淋洗液碱性组分发生美拉德反应,产生大量强极性产物,也会明显干扰二氧化硫的分离。虽然可采用固相萃取等方式净化样品,但由于二氧化硫极易挥发流失,且净化过程本身也可能造成分析物损失,进而影响检出限[1]。

3.2 二氧化硫衍生化不完全影响定量准确性

二氧化硫在食品基质中常以游离态和结合态形式共存,而离子色谱法只能检测游离态的亚硫酸根离子。为实现二氧化硫的全量检测,需在碱性或酸性条件下将结合态二氧化硫释放并衍生为亚硫酸根离子。然而,由于食品基质的复杂性和多变性,会出现衍生化不完全问题,从而造成结合态二氧化硫转化率低,影响检测结果的准确性。以红葡萄酒为例,酒中的结合态二氧化硫主要与葡萄酒中的多酚类化合物结合。在进行二氧化硫检测时,多酚类物质在碱性条件下极易被氧化,且它们与结合态二氧化硫之间可能发生竞争反应,进而抑制二氧化硫的游离与衍生。此外,葡萄酒中残留的果胶物质会增加体系黏度,阻碍衍生反应进行,导致衍生效率下降。尽管可通过提高碱浓度、延长衍生时间等方式促进结合态二氧化硫的释放,但衍生液碱度过高易腐蚀色谱柱,而衍生时间过长又可能引入新的基质干扰[2]。这些因素都可能导致衍生化不完全,无法完全检出结合态二氧化硫,容易引入系统负偏差,进而高估样品质量。

3.3 痕量二氧化硫检出限不足

随着消费者对食品安全关注度的提升,相关法规标准对二氧化硫限量要求逐渐提高,离子色谱法在痕量二氧化硫检测中的局限性也日益凸显。由于食品基质中共存物质种类繁多,即便采用高效衍生与分离手段,仍难以有效去除全部基质干扰。而残留的基质物质进入检测器后,会提高背景噪声,降低信噪比,导致二氧化硫检测灵敏度不足。以干果制品为例,干果制品中普遍存在游离糖、有机酸等极性物质,这些物质在抑制电导检测模式下极易电离,产生较强的背景信号。虽然可通过优化淋洗液组成、控制淋洗液流速等手段降低背景噪声,但淋洗液浓度过低会导致淋洗能力不足,出现峰形拖尾现象,而过慢的流速则会延长分析时间,降低检测通量[5]。此外,由于二氧化硫极易挥发,为防止样品处理过程中的损失,通常采取低温避光措施来保存样品,并尽量在衍生体系中进行衍生反应。然而,低温环境可能会减缓衍生反应的速率,导致衍生不完全,进一步降低检测灵敏度。

4 离子色谱法对二氧化硫检测效果的优化对策

4.1 优化样品前处理方法以减少基质干扰

离子色谱法检测食品中二氧化硫时,优化样品前处理方法是减少基质干扰、提高检测灵敏度的有效途径。针对食品基质复杂多变的特点,可采用固相萃取-衍生联用技术,在线完成样品净化与二氧化硫衍生,从而简化操作步骤,减少人为误差。以含糖基质为例,可选用亲水性强的固相萃取填料如C18硅胶,利用其与糖类物质的亲和力,可在低温条件下实现糖类基质的选择性保留[3]。同时,利用固相萃取柱对淋洗液的高效分离能力,可实现二氧化硫的在线衍生。与传统离线衍生方式相比,在线衍生技术可明显缩短衍生时间,提升衍生效率,同时减少二氧化硫的挥发损失。衍生后的产物再经色谱柱分离后被检出,从而有效提高检测灵敏度。此外,针对酚类等强极性干扰物质,可考虑采用分子印迹聚合物作为固相萃取填料,利用其对目标物质的特异性识别能力,选择性去除酚类干扰。分子印迹聚合物制备过程中可通过优化功能单体、交联剂等的种类与比例,调控印迹空穴的形状、大小与化学环境,从而实现对二氧化硫衍生物的专一性富集与洗脱,最大限度地降低基质效应[2]。与普通填料相比,分子印迹聚合物具有识别能力强、选择性高、重复使用性好等优点,可大幅提高样品的净化效果,为二氧化硫的准确检测奠定基础。

4.2 改进二氧化硫衍生条件确保衍生完全

确保二氧化硫衍生完全,提高检测准确度,可从优化衍生试剂种类与浓度、创新衍生反应体系两方面着手。传统的二氧化硫衍生试剂多采用NaOH溶液,但碱性条件易导致部分样品基质降解,引入新的干扰。因此,考虑采用有机碱如三乙胺作为衍生试剂,这类物质可实现二氧化硫高效衍生。此外,与无机碱相比,有机碱碱性适中,挥发度低,可有效抑制基质降解,减少分析物损失。同时,衍生试剂浓度也是影响衍生效率的关键因素。过低的浓度难以释放结合态二氧化硫,而过高的浓度又易引起淋洗液背景升高。可通过正交试验优化衍生试剂浓度,在保证充分衍生的同时最大限度地降低背景干扰。样品基质的复杂性是衍生不完全的主要原因,可通过改进衍生反应体系来解决这一难题。例如,微乳液衍生体系由表面活性剂稳定的油相、水相构成,具有热力学稳定性高、可溶化能力强等特点。将待测样品、衍生试剂分别溶解于微乳液的不同相区,利用乳液的动态可逆性,实现样品与试剂的快速混合与充分反应[2]。与常规溶液衍生相比,微乳液衍生可明显加快反应速率,缩短衍生时间。更重要的是,疏水性物质在微乳液油相的富集作用下,能够将样品基质从反应区分离,从而提高衍生的选择性。同时,结合态二氧化硫在微水相环境中能够高效游离,避免基质效应引起的竞争反应,大幅提升衍生转化率。因此,这种创新衍生体系为提高二氧化硫检测的准确性提供了新的思路。

4.3 采用大体积进样技术提高检测灵敏度

离子色谱法检测痕量二氧化硫时,进样量是影响检测灵敏度的关键因素。采用大体积进样技术,可在不改变色谱柱参数的前提下,将进样量提高1~2个数量级,以达到降低检出限、提高检测灵敏度的目的。然而,大体积进样对仪器性能提出了更高的要求。进样体积的增加意味着更多的样品基质被引入色谱系统,易导致色谱柱堵塞,缩短色谱柱使用寿命。因此,大体积进样通常需与在线固相萃取等样品净化技术联用,以确保进入色谱柱的目标组分得到有效富集。以果酒中二氧化硫检测为例,可采用聚合物整体柱作为萃取柱与分析柱串联使用。使样品中的二氧化硫在聚合物萃取柱上被选择性保留,而极性基质被洗脱排除。当二氧化硫富集一定量后,萃取柱切换至分析流路,二氧化硫经反洗脱进入分析柱实现分离检测,有效避免了大体积基质的直接进样。聚合物整体柱具有高度交联的三维网状结构,具有保留容量大、进样体积灵活可调等特点,非常适用于大体积进样。不同于常规的保护柱,聚合物萃取柱在反洗脱过程中可原位再生,避免了额外的再生步骤,提高了分析通量。基质洗脱与目标物富集可通过优化萃取柱填料极性、萃取流速等参数实现自动化操作,减少人工干预,进而保证分析结果的稳定性与重现性。联用技术的建立须基于对样品基质和目标物理化性质的深入分析,一经确立便可实现高通量、全自动化分析,为检测痕量二氧化硫提供了强有力的技术支持,确保了分析的效率和准确性。

5 结语

本文在系统分析离子色谱法技术特点的基础上,提出了一系列优化对策,包括创新样品前处理方法、改进二氧化硫衍生条件、采用大体积进样等。综合应用上述策略,有望提高二氧化硫的检测灵敏度与准确度,为食品安全监管提供可靠的技术支撑。

参考文献

[1]谭春蓉,罗长琴,熊双.充氮蒸馏-离子色谱法测定香菇中二氧化硫残留量[J].食品科技,2022,47(2):299-303.

[2]邹沫君.离子色谱法测定中药材百合中的二氧化硫残留量[J].饮料工业,2024,27(1):27-31.

[3]王时杰,应夏芬,胡碧雯.基于离子色谱法的废气中二氧化硫检测方法[J].山西化工,2024,44(2):88-90.

[4]赵金利,林泽珊,黎颖欣,等.全自动蒸馏-离子色谱法测定香辛料中二氧化硫残留量[J].食品科技,2022,47(10):293-298.

[5]宋金丽,项怡.离子色谱法测定食品中二氧化硫的方法学验证[J].中国食品工业,2023(6):79-81.

作者简介:莫衍琪(1997—),女,广东茂名人,本科,助理工程师。研究方向:食品中二氧化硫残留的分析与研究。

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