戴玉婷　谢静莉　许学书　方　明　孙松鹤

摘要 试验应用顶空-气相色谱-质谱联用技术对实际食品中苯甲酸钠与VC反应生成苯的量进行检测。结果表明,该反应存在最佳pH值,且不同食品体系的最佳pH值之间存在差异。陈醋溶液中最佳pH值为3.83、白醋溶液为3.54、柠檬汁溶液为2.84。橙汁溶液中无可检测的苯生成。

关键词 果汁;食醋;pH值;苯

中图分类号 TS201.6 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2009)13-0348-04

苯对人体有害,国际癌症研究署和美国环境保护局都将苯列为人类致癌物。2006年5月,美国食品药品监督管理局(FDA)公布了对美国市场上超过100种饮料的抽查结果,称其中某些饮料中的苯含量超过了标准限量5μg/L。同期,英国食品标准局(Food Standards Agency)也在其官方网站发表声明,英国市场上某些同时含有苯甲酸钠(食品防腐剂)和VC(抗坏血酸)的软饮料中含有微量苯。研究证实,饮料中的微量苯主要是由其中的防腐剂苯甲酸钠和VC在一定条件下发生化学反应生成的。

1993年,Gardner等在磷酸和醋酸缓冲液体系中研究了苯甲酸钠和VC的反应,结果显示,体系中存在的微量金属离子Cu2+等能催化VC还原水相中的O2产生超氧化阴离子自由基O2-,O2-能够与溶液中的H+反应,生成双氧水,双氧水则可以在Cu+存在的条件下,与其发生反应生成羟基自由基,最终羟基自由基攻击苯甲酸钠使其发生脱羧反应而生成苯,如式(1)～(5)。

Cu2++H2Asc→Cu++HAsc· (1)

Cu++O2→Cu2++O2- (2)

2O2-+2H+→O2+H2O2 (3)

Cu++H2O2→Cu2++OH-+OH· (4)

OH·+C6H5COOH→C6H6 (5)

由此可见,水溶液中苯的生成需要同时满足以下5个条件:①VC;②苯甲酸钠;③金属离子;④溶液显酸性,并且pH值在一定范围之内;⑤溶解氧。Lawrence也得到了一致的结论。

Gardner还考察了这一反应对溶液中pH值的依赖性,证实pH值在2～7范围中,反应生成苯的量随pH值升高而降低;pH值为2时,反应产物量达到最大值。然而苯甲酸钠和VC在实际食品中的反应却至今未见报道。苯甲酸钠是食品加工过程中常见的防腐剂,常被用于酸性食品(如果味饮料、果汁、食醋等)的保藏,而VC天然存在于很多食品原料中,同时也常作为一种营养强化剂或抗氧化剂被加入食品中,二者在许多食品体系中共存,在某些储藏条件下极有可能发生反应生成对人体有害的苯。为了尽量避免有害物质苯的生成,减少对人体的危害,有必要对实际食品中苯甲酸钠和VC的反应进行研究,分析实际食品样品中苯的生成量随pH值的变化趋势。出于这一目的,笔者考察了在不同浓度的鲜榨果汁、食醋溶液中,各因素对苯甲酸钠与VC反应的影响,现总结如下。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

陈醋、白醋均为市售(配料表标签显示含苯甲酸钠、不含VC),橙汁为市售橙子(品种为赣南橙)、柠檬(品种为尤力克)鲜榨而得。甲醇、苯甲酸钠、抗坏血酸均为分析纯,苯标准品(纯度≥99.9%,上海化学试剂研究所)。

1.2 主要仪器

Agilent6890气相色谱/5973I质谱联用仪、HP-5毛细管色谱柱(30m×0.25mm×0.25μm)、Agilent7694自动顶空进样器、Thermo TJA IRIS 1000型全谱直读等离子体发射光谱仪(ICP-AES)、METTLER TOLEDO溶氧电极;MilliporeMi-lliQ超纯水系统。

1.3 样品准备

1.3.1 食醋样品。准确称取苯甲酸钠0.15g、VC 0.03g于小烧杯中,用一定量食醋溶解,再转移至100mL棕色容量瓶中,用超纯水定容,摇匀。

1.3.2 果汁样品。准确称取苯甲酸钠0.15g于小烧杯中,用一定量果汁溶解,再转移至100mL棕色容量瓶中,用超纯水定容,摇匀。将反应液室温避光静置0.5h后取其中5mL,转移至专用顶空瓶,压盖,检测苯含量,剩余溶液用于检测溶液的pH值及溶氧、Cu2+、Fe3+浓度。

1.4 测定方法

1.4.1 苯的检测。溶液中微量苯检测采用顶空-气相色谱-质谱联用法。①苯标准曲线的制作。用甲醇溶解苯,准确配制浓度分别为25μg/L、50μg/L、100μg/L、150μg/L、200μg/L的苯标准工作液,经顶空-气相色谱-质谱联用检测,建立苯标准工作曲线。②顶空条件。炉温80℃,定量环温度100℃,传输线温度110℃;平衡时间30min,加压时间0.4min,压力137.9KPa,定量管填充时间0.05min,定量管体积1mL。③气色相普质普条件。初始柱温为40℃,恒温3.5min,然后以30℃/min的速率升至200℃,恒温3min;进样口温度为150℃;色谱/质谱接口温度为280℃;载气(氦气)流速为1.0mL/min(恒流);电子轰击电离方式,电离能量为70eV;全离子扫描监测方式;分流进样,分流比为1∶1,溶剂延迟2min。

1.4.2 VC含量的测定。用2,4-二硝基苯阱法测定VC的含量。

1.4.3 Cu2+、Fe3+的检测。采用电感耦合等离子体-原子发射光谱法测定。ICP-AES条件:由于试验中所涉及的样品溶液均为酸性,且pH值较低,则溶液中的铁元素、铜元素都是以离子状态存在于溶液中,且试验所涉及的样品溶液都是未经过特殊保护处理并暴露于空气中,因此溶液中的铁元素、铜元素应分别以Fe3+、Cu2+的形态存在,所以ICP-AES检测出的铁元素、铜元素浓度,即为样品溶液中的Fe3+、Cu2+浓度。RF发生器功率1 150W,频率27.12MHz,进样泵速100rpm,提升量2mL/min,雾化器压力179.27KPa。

1.4.4 溶氧浓度的测定。采用溶氧电极法测定溶氧的浓度。

2 结果与分析

2.1 苯的定性与定量

在样品测定过程中,采用气相色谱选择离子质谱技术,该技术不仅能够提高测定反应生成苯浓度的灵敏度,而且依靠质谱信息能够对检测物离子碎片进行确证,防止出现假阳性结果。将质谱分析反应生成物的离子碎片图谱与仪器软件自带的标准图库相比较,当以下2种条件均得以满足时可以确认被检测物为苯:①反应待测液的总离子流图经提取离子后的图谱中色谱峰保留时间与标准品中色谱峰保留时间相同;②色谱峰对应质谱离子碎片的质荷比与标准图库相比较,其匹配度>99。

(a)为苯标准品的总离子流图经提取离子后的图谱,(b)为样品反应液的总离子流图经提取离子后的图谱,其色谱峰保留时间均为2.548min。是试验所得生成物特征离子质谱图与苯标准质谱图对照(上方为试验所得生成物特征离子质谱图(a),下方为苯标准质谱图(b)),其匹配度为100。

试验对反应生成的苯定量分析采用外标法,苯标准工作曲线在浓度范围为25～200μg/L中,其线性方程为Y=643.47x-454.37,相关系数为0.996 5。反应生成苯的浓度通过将仪器积分所得丰度带入线性方程计算而得。

2.2 食醋溶液中各因素对苯生成量的影响

由于酿制原料和工艺条件不同,食醋风味各异,其中所含物质也会有细微差别。一般来说,家用食醋都是由粮食发酵而得,主要成分为高级醇类、3-羟基丁酮、二羟基丙酮、酪醇、乙醛、甲醛、乙缩醛、乙酸(含量3%～5%)、琥珀酸、草酸及山梨糖等,苯甲酸钠是食醋中常用的防腐剂,我国规定限量为1.0g/kg。

2.2.1 陈醋溶液中各因素对苯生成量的影响。采用陈醋调节溶液酸度,所得溶液pH值和溶解氧(DO)、Cu2+、Fe3+浓度及生成苯的浓度与陈醋浓度结果表明,随着溶液中陈醋浓度的增加,溶液pH值下降,Cu2+、Fe3+浓度上升,溶解氧浓度则基本保持不变。在此过程中,与Gardner的磷酸盐和醋酸盐缓冲溶液体系中苯的生成量在pH值2～7范围内随pH值降低而增加不同,在陈醋中,苯的生成量随陈醋浓度增加,即pH值的降低先增加后降低,当陈醋体积浓度为10%时,苯在陈醋溶液中的生成量达到最大值,此时溶液pH值为3.83。在陈醋体积浓度由0增加到10%过程中,溶液pH值由4.99降至3.83,此时苯生成量的增加速度很快,由9.94μg/L迅速上升至70.06 μg/L,增加了7倍;而当陈醋体积浓度继续增加至100%,苯的生成量又迅速降至10μg/L以内,这时pH值降至3.5。

2.2.2 白醋溶液中各因素对苯生成量的影响。白醋溶液中溶液pH值、溶解氧浓度、Cu2+浓度、Fe3+浓度及生成苯的浓度随溶液中白醋浓度的变化趋势与陈醋中基本相同,但苯的浓度变化较为平缓。当白醋体积浓度由2%升至15%时,溶液pH值由4.21降至3.54,在此过程中苯生成量的增加幅度较大,由14.46μg/L迅速升至最大值139.74μg/L;当白醋体积浓度大于15%时,溶液pH值缓慢降低,苯生成量的下降速度也较为缓慢;当白醋浓度达到100%时,苯的生成量降至101.42μg/L,此时溶液pH值为2.97。

2.3 果汁溶液中各因素对苯生成量的影响

2.3.1 柠檬汁溶液中各因素对苯生成量的影响。柠檬汁溶液中随着柠檬汁浓度的增加,溶液pH值、溶解氧浓度、VC浓度、Cu2+浓度、Fe3+浓度及生成苯浓度的变化趋势其中VC、Cu2+、Fe3+浓度均随柠檬汁浓度的增加而线性增加;而溶解氧的浓度变化不大,基本保持在7mg/L左右;生成苯的浓度先增加后减少,当柠檬汁体积浓度为32%时,生成苯的浓度达到最大值42.92μg/L,此时溶液pH值为2.84;当柠檬汁体积浓度小于32%时,溶液中苯的生成量随柠檬汁浓度的降低而降低。但是由于受纯柠檬汁pH值高达2.74所限,柠檬汁体积浓度达到100%时,溶液pH值仍较高,为2.76,此时与最高值点相比,VC的含量增加了2.03倍,但苯的生成量却由最高值42.92μg/L下降至40.60μg/L。可能由于在此溶液中VC已经过量,其量不是影响反应的限制性因素。由此可知,对于柠檬汁在pH值2.6～3.6范围内,同样存在苯生成的最适pH值为2.84。

2.3.2 橙汁溶液中各因素对苯生成量的影响。试验同时还考察了橙汁溶液中各因素对生成苯浓度的影响,结果发现,反应液中未有可检测苯的生成。分析原因是纯橙汁本身pH值较高,为3.93,加入苯甲酸钠后更是高达4.13;而陈醋、白醋、柠檬汁溶液中,pH值大于4时也已基本没有苯的生成,故认为橙汁溶液中未有可检测苯的生成是由于其pH值均不在能够生成苯的pH值范围之内。

2.4 纯食醋、果汁中苯含量的检测

试验还对纯陈醋、白醋、柠檬汁、橙汁(即试验过程中未添加苯甲酸钠和VC)中苯的含量进行了检测,发现没有可检测到的苯存在。根据Gardner提出的溶液中苯甲酸钠和VC反应生成苯的5个必要条件分析,纯陈醋、白醋中没有苯的生成,是由于:①虽然该市售陈醋、白醋的标签上注明样品中添加了苯甲酸钠作为防腐剂,但未标有具体含量,可能该陈醋、白醋中苯甲酸钠含量较低,导致没有可检测到的苯生成;②纯陈醋、白醋中不含VC,从而反应液中缺少还原剂。纯柠檬汁中没有苯的生成是由于柠檬汁中不含苯甲酸钠。纯橙汁中没有苯的生成,是由于:①纯橙汁的pH值较高,为3.93,不在苯甲酸钠和VC反应生成苯的pH值范围中;②纯橙汁中不含有苯甲酸钠。

3 结论与讨论

3.1 食醋、果汁浓度对苯的生成量的影响

试验研究了2种食醋、果汁中,食醋和果汁浓度变化时苯甲酸钠与VC反应生成苯量的变化趋势。试验结果表明,反应液中苯的生成量随食醋、果汁浓度的降低,即溶液pH值的升高而先增加后减少,反应在一定的pH值范围中存在最佳pH值,这与Gardner在1993年提出的在pH值 2～7的范围中,苯的生成量随反应液pH值的升高减少完全不同,说明在实际食品体系中H+对该反应的影响表现在2个方面,当溶液pH值较小时,溶液中在的H+对苯的生成有抑制作用;当溶液pH值较大时,H+对苯的生成有促进作用。

3.2 最佳pH值

研究还发现,在不同食品体系中反应的最佳pH值各不相同,陈醋溶液的最佳pH值为3.83、白醋为3.54、柠檬汁为2.84;且在最佳pH值时,相同浓度的苯甲酸钠和VC反应生成苯的浓度也有所不同,陈醋溶液中在最佳pH值时生成苯的浓度是70.06μg/L、白醋为139.74μg/L、柠檬汁为42.92μg/L。

4 参考文献

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