孙静　皮劲松　潘爱銮　等

摘要：从定性和定量两个方面联合分析了皮蛋蛋壳表面斑点的化学成分，XPS技术检测出黑色斑点由C、O、N、Na、Ca、Fe、Cu、S、Zn、P等元素组成，未检出Pb元素，Cu以Cu+存在；XRD技术得出黑色斑点的次相物质是Cu2S；ICP-AES测定结果表明，斑点颜色越深，铜的含量越高。

关键词：皮蛋；黑色斑点；化学成分；Cu2S

中图分类号：S879.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）22-5478-05

皮蛋是中国传统的生食蛋制品，具有特殊的滋味和气味，能开胃助消化，它色、香、味俱全，而且食用方便，储存期长，营养价值比鲜蛋高，且易被人体消化吸收。有治疗高血压、清热消炎等功用，因其风味独特、营养丰富、氨基酸比例平衡、易被人体消化吸收等特点而深受国内外消费者喜爱[1]。皮蛋虽美味，但消费者对皮蛋蛋壳表面斑点却存有疑虑[2]。

目前，国内外还很少有关于皮蛋蛋壳表面斑点成分方面的探究，斑点的存在很大程度会影响皮蛋的消费，消费者在选购时更倾向蛋壳外观光洁明亮的皮蛋[3]，皮蛋蛋壳表面斑点不仅影响外观，而且以前生产上多用铜盐、锌盐或铜锌混合盐甚至是氧化铅进行腌制[4]，导致消费者普遍心中都有皮蛋含铅、铜等重金属的看法，这无疑让很多喜食皮蛋的消费者对之持以回避的态度。所以应该对皮蛋表面斑点的成分探究确定，并且在不影响皮蛋品质的前提下进行有效的调控[5]。有关这种黑色斑点形成的理论认为这种黑色斑点与配方中所加入的金属物质有关[6]，其主要成分为金属的硫化物沉淀，如PbS，Cu2S等。这种黑色斑点的主要作用是在皮蛋成熟的后期，堵塞蛋壳的气孔、蛋膜的网孔及腐蚀孔，从而调节皮蛋内碱的渗透及含量[1]。但是，采用无铅化工艺生产的皮蛋，在其表面也会出现一定量的黑色斑点[7，8]，刘焱[6]指出这种黑色斑点与原料中添加的铜盐有关，其成分可能为Cu2S。

X-射线电子能谱（XPS）分析技术能提供元素及其化学态在表面横向及纵向（深度）分布的信息， 即XPS线扫描和深度剖析，表面元素及其化学态的空间分布和浓度分布（即成像XPS），它是研究元素种类及其化学状态的有效方法。目前X-射线衍射（包括散射）已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法[9]，对于组成元素未知的单组分化合物或多组分混合物，直接用XRD进行物相分析是存在一定问题的，由于同组的元素具有相似的性质和晶体结构，造成在同位置出现衍射峰，从而不能确定物相。所以对于未知组成的晶态化合物首先要采用XPS进行元素的定性分析。电感耦合光电子能谱（ICP-AES）特别适用于微量及部分常量元素分析，而且可以进行多元素同时分析，对于多种元素的测定有着高效、快捷的优势[10]，它是测定物质中多种元素含量的有效方法。

国内外有不少学者利用上述先进的检测技术快速获取物质的信息，胡成西[9]以几种不同的蛋壳粉末作为样品进行XRD实验，指出共同点和差异，获得了蛋壳的XRD指纹图谱及特征标记峰值，对蛋壳的实际应用提供了有力的实验数据。赵燕等[11]采用ICP-AES分别对鲜鸭蛋和铅法皮蛋蛋壳、蛋白、蛋黄中的Pb、Cu、Mg、Zn、Ca、Fe等20种无机元素进行分析测定，结果表明，铅法皮蛋可食部分中富含多种人体所必需的无机元素，且其蛋黄中的大部分有机元素含量皆高于蛋白。鲜鸭蛋经加工成皮蛋后，Cu、Fe、Al、Pb、Mn等元素在各部位含量明显升高，其中有害元素Pb的含量大大提高，且由外到内其Pb的含量增幅呈逐渐减少的趋势。有人利用XPS技术测定了苹果果皮和果肉成分中的C1S存在形式[12]，还有人采用XPS和XRD技术研究了煤中有机硫的存在状态以及煤的结构，也有国外学者利用XPS、SEM和ESR联合技术对不同成分巧克力的表面结构和成分做出了分析[13]。

本研究将通过溶解和灼烧试验初步分析皮蛋表面斑点的理化性质，采用XPS、XRD以及ICP-AES等技术，从定性和定量两个方面联合分析皮蛋蛋壳表面斑点的化学成分，并通过了解金属添加剂对皮蛋表面斑点形成的影响，探究斑点形成的可能原因，为皮蛋表面斑点的控制技术提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料 鲜鸭蛋，来自湖北离湖蛋品有限公司。

1.1.2 化学试剂 食盐、生石灰、硫酸铜、硫酸锌、氢氧化钠、氢氧化钾、浓盐酸、浓硝酸、硫酸、磷酸、甲酸、乙酸、丙酮、氯仿、氨水、无水乙醇等均为分析纯（AR，国药集团化学试剂有限公司）

1.1.3 仪器 FA2004B、YP2002型电子天平（上海越平科学仪器有限公司），DL-1型电炉（天津市泰斯特仪器有限公司），85-2型恒温磁力搅拌器（上海司乐仪器有限公司），MULT1LAB2000型X光电子能谱仪（美国VG公司），CR400/410型色彩色差计（日本Konika-Minolta）

1.2 方法

1.2.1 样品处理 分离皮蛋蛋壳，去掉蛋壳内膜，用镊子和手术刀切取蛋壳上的黑色斑点部分，去除黑色斑点部分内层的CaCO3层，清水清洗后，于60 ℃下烘干。

1.2.2 皮蛋表面斑点的理化性质分析

1）溶解试验。取0.5 g左右已处理好的黑色斑点，分别加入2 mL盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、甲酸、乙酸、氯仿、丙酮、氨水、氢氧化钠、氢氧化钾等溶液中，观察溶解情况并记录在各种溶液中的溶解速率。

2）灼烧试验。用两只已烘至恒重的坩埚分别称量1.5 g左右已处理好的黑色斑点，置于电炉上灼烧，灼烧后称量其烧失率。

1.2.3 皮蛋表面斑点的定性与定量分析

1）X-射线电子能谱（XPS）测定。采用多功能电子能谱仪对有黑色斑点的皮蛋蛋壳进行测试，测试前对检测样品进行真空处理。先采用Mg-Al双阳极扫描，功率300 W，单色器；再进行窄扫描，功率150 W，单色器，并用电子中和枪中和。

测定条件：真空度为2×10-7 Pa，分辨率为0.47 eV，采用Al Ka（hr=1486.6 eV）辐照源，能量分析器采用固定透过能方式全扫描，通能为100 eV，步宽为1 eV，精细扫描时步宽为0.05 eV，样品结合能荷电校正采用污染碳CIS（284.6 eV）。

2）X-射线衍射（XRD）测定。将已处理好的黑色斑点置于盐酸溶液中，使CaCO3层与盐酸反应而除去一部分，以提高样品的纯度。测试前分别将黑色斑点蛋壳和无斑点蛋壳研磨成粉末状，然后将粉末状的样品置于玻璃槽中，压平。

测定条件：扫描方式：连续扫描；波长：1.54056 KX；滤光片：镍；扫描速度：10°/min；X光管：Cu靶；管电压：40 kV；管电流：20 mA；散射狭缝：0.2°；接受狭缝：1°；起始角度，5°；终止角度，85°。

3）色差分析。将已处理好的黑色斑点按颜色深浅可分成三类：深色、较浅、浅色斑点，再用标准白板将色彩色差计进行校准，分别测出深色斑点、较浅斑点、浅色斑点、无斑点、未处理鸭蛋壳的色度，每种蛋壳分别测五次平行，根据下式计算色度E*ab并用SAS软件对色度差异性进行分析。

E*ab=0.5■

上式中：L表示亮度；a*表示红绿值；b*表示黄蓝值。

4）电感耦合光电子能谱（ICP-AES）测定。经过色差分析之后，将深色斑点、较浅斑点、浅色斑点、无斑点、未处理鸭蛋壳5种蛋壳分别消化后，用ICP-AES分别测定5种蛋壳中Ca、Cu、Pb、Zn、Fe、S六种元素的含量。

2 结果与分析

2.1 斑点溶解试验结果

由表1可以看出，皮蛋壳黑色斑点可快速溶于盐酸、硝酸溶液，溶解时伴随有大量气泡产生，且盐酸中的溶解速率快于硝酸；缓慢溶于浓硫酸和磷酸溶液，溶解时无法观察到明显的气泡；溶于甲酸而不溶于乙酸，这是因为硫氰酸的酸性弱于甲酸而强于乙酸；不溶于强碱、弱碱。另外，皮蛋壳黑色斑点既不溶于水和无水乙醇等极性溶剂，也不溶于氯仿和丙酮等有机溶剂。

2.2 斑点灼烧试验结果

用电炉灼烧黑色斑点后，自由水被除去，由表2可知蛋壳的平均失重率为0.521%，由此得出皮蛋壳黑色斑点部分可能有少量结晶水存在。

2.3 XPS测定结果

XPS是研究元素种类及其化学状态的有效方法，可以确定研究对象的元素组成和存在形式，即对元素进行定性分析，XPS对有黑色斑点的皮蛋蛋壳的测定图谱见图1。

由双阳极扫描全谱图a可以得出皮蛋蛋壳斑点的主要元素有C、O、N、Na、Ca、Fe、Cu、S、Zn、P等，未检出Pb元素，可能是其检出限较低（表3）。为了进一步确定各元素的化合态，可通过对各元素特征峰的高分辨扫描来实现。

根据各个元素的单谱扫描图谱和标准图谱以及它的峰结合能可以推断出：Cu可能是以Cu+存在，但是铜峰在全谱图中并不明显，可能是扫描面上铜含量较低，使得其峰值特征不明显。S可能的存在形式有S2-、SO42-、S2O32-，Zn可能是Zn2+以存在，Cl主要以Cl-存在，Pb的存在形式尚未确定。推测皮蛋蛋壳表面黑色斑点的主要成分是Cu2S。

窄扫描是深入皮蛋壳黑色斑点部分的蛋孔的精细扫描，皮蛋壳黑色斑点部分蛋孔的窄扫描测定结果见表4。由窄扫描全谱图a1得到的元素主要有C、O、Cu、Pb、S、Zn、Ca、Na、Cl、S、P等，仍旧未检出Pb元素，可能是其检出限较低。

在两次扫描中检出的S元素含量无明显差异，Cu元素含量没有变化，双阳极扫描和窄扫描检出Cu元素的原子数百分含量都是0.22%，Zn元素含量有明显差异且窄扫描检出的含量较高，双阳极扫描检出Zn元素的原子数百分含量为0.13%，窄扫描检出Zn元素的原子数百分含量为0.71%。这些变化可能是由于不同元素进入蛋孔的深度不一样，在不同蛋孔深度的积累量不一样。

元素的峰结合能和半峰宽决定了元素的含量，通过比较两次扫描先后检出同一元素的峰结合能都有较小的差异，半峰宽有显著差异。其中C和S元素都各有两个不同的峰结合能，表明这两种元素有多种可能的存在状态，C1s在峰结合能为284.64时以C-C、C-H、C=C存在，288.61时以C=O存在，以CO32-存在时的峰结合能为288.30。

2.4 XRD测定结果

XRD是研究物质的物相和晶体结构的有效方法，可以确定研究对象的物相组成，XRD对皮蛋表面黑色斑点的的测定结果见图2。

由X射线衍射图谱分析得知，在2T=28.51、44.724、69.815、76.369时所形成的峰为CuCl的峰，其余表现较明显的峰几乎都是CaCO3峰，有部分峰是CaCO3和C的化合物的峰相互重叠的结果。在样品处理时，由于样品经过HCl溶液处理脱去内层部分CaCO3，使得Cu2S与HCl发生反应，反应式为：Cu2S+HCl→CuCl，在这个过程中Cu2S转化成了CuCl，因此，有斑点蛋壳的X射线衍射未扫出Cu2S的峰，而是CuCl的峰。没有检出其他物质，可能是它们的衍射峰太弱以至于被掩盖，也可能是它们在有斑点蛋壳里面的检出限过低。该方法检测出了蛋壳斑点中含有Cu+，验证了XPS检测的结果。

2.5 斑点色差分析

将皮蛋蛋壳斑点按颜色从深到浅依次编号为1、2、3，其中1号为深色斑点，2号为较浅斑点，3号为浅色斑点；4、5号分别表示无斑点蛋壳和鲜鸭蛋壳。

由表5可知，亮度（L）：1号与2、3、4、5号蛋壳间均有显著性差异（P<0.05），且各组的L值随着蛋壳斑点颜色的加深而呈下降趋势，5号蛋壳的L值大约是1号蛋壳的2倍，2号和3号蛋壳、4号和5号蛋壳之间的差异均不显著（P>0.05）。

红绿值（a*）：1、2、3号蛋壳间无显著性差异（P>0.05），4、5号蛋壳之间也无显著性差异（P>0.05），但有色斑点蛋壳（1、2、3号）的红绿值明显高于无斑点蛋壳（4、5号）。

黄蓝值（b*）：4号和5号蛋壳间有显著性差异（P<0.05），且4号蛋壳的b*值显著大于5号蛋壳，这可能是由于4号蛋壳经腌制后色素进入增强了黄度。1、2、3号蛋壳的b*值随着斑点颜色的加深而减小，但差异性不显著（P>0.05）。

色度（E*ab）：1号与2、3、4、5号蛋壳间均有显著性差异（P<0.05），且差异性所呈现的规律与亮度相似，2号和3号蛋壳、4号和5号蛋壳之间的差异均不显著（P>0.05）。

1和3号蛋壳在色度（E*ab）和亮度（L）上均有显著性差异（P<0.05），且两个值都随着斑点颜色加深而减小，在红绿值（a*）和黄蓝值（b*）上无显著性差异（P>0.05）。2和3号之间各值均无显著性差异。4和5号蛋壳在黄蓝值（b*）上有显著性差异（P<0.05），且4号的b*值大于5号，在色度（E*ab）、亮度（L）、红绿值（a*）上均无显著性差异（P>0.05），且这两组的E*ab值和L值很接近。

2.6 ICP-AES测定结果

电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）是测定物质中多种元素含量的有效方法，可以确定研究对象的组成元素的含量，ICP-AES对5种斑点的皮蛋蛋壳的测定结果见表6。

结果表明，斑点颜色深浅不同的5种蛋壳中Cu、Zn、Fe、Pb、S 5种元素含量均有显著性差异（P<0.05），其中Cu元素为皮蛋壳斑点部位的主要元素，皮蛋壳中Cu的含量显著高于鲜鸭蛋壳。有斑点皮蛋壳中Cu的含量明显高于无斑点皮蛋壳和鲜鸭蛋壳，深色斑点皮蛋壳中Cu的含量大约是较浅斑点皮蛋壳的2.4倍，是浅色斑点蛋壳的4.3倍。由此可得知，斑点颜色越深，Cu的含量越高，这说明皮蛋壳表面斑点的颜色深浅与皮蛋蛋壳斑点中Cu的含量有密切关系且呈正相关。

有斑点皮蛋壳中Zn的含量也比无斑点蛋壳和鸭蛋壳高，但变化规律不如Cu明显，Zn在蛋壳表面形成白色沉淀物质而导致其含量增加。深色、较浅、浅色斑点皮蛋壳中Fe含量分别是无斑点皮蛋壳的3倍、4倍、5倍左右，斑点颜色越深，Fe含量越低。深色斑点皮蛋壳与浅色斑点皮蛋壳中Pb和S的含量相近，无斑点蛋壳与鲜鸭蛋壳中Pb的含量相等。根据国标《无公害食品皮蛋》中规定：皮蛋中Pb≤0.5 mg/kg，故5种蛋壳中Pb含量都在安全范围内。

由色差分析和ICP-AES结果综合分析可知，深色斑点与浅色斑点皮蛋壳的色度和金属含量之间均有显著性差异（P<0.05），随着皮蛋壳斑点的颜色越深，亮度L值越小，色度E*ab值越小，铁的含量越低，铜的含量越高。

3 结论

XPS技术检测出黑色斑点的组成元素有：C、O、N、Na、Ca、Fe、Cu、S、Zn、P等，未检出Pb元素，可能是其检出限较低，Cu以Cu+存在；XRD技术分析出黑色斑点的次相物质是Cu2S；ICP-AES技术测定了斑点颜色深浅不同的5种蛋壳中几种常规元素含量，分析表明，鲜鸭蛋在腌制过程中，随着浸渍时间的延长，斑点颜色越深，铜的含量越高。通过联合采用以上多种检测仪器，得出皮蛋表面黑色斑点的主要成分是Cu2S。

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黄蓝值（b*）：4号和5号蛋壳间有显著性差异（P<0.05），且4号蛋壳的b*值显著大于5号蛋壳，这可能是由于4号蛋壳经腌制后色素进入增强了黄度。1、2、3号蛋壳的b*值随着斑点颜色的加深而减小，但差异性不显著（P>0.05）。

色度（E*ab）：1号与2、3、4、5号蛋壳间均有显著性差异（P<0.05），且差异性所呈现的规律与亮度相似，2号和3号蛋壳、4号和5号蛋壳之间的差异均不显著（P>0.05）。

1和3号蛋壳在色度（E*ab）和亮度（L）上均有显著性差异（P<0.05），且两个值都随着斑点颜色加深而减小，在红绿值（a*）和黄蓝值（b*）上无显著性差异（P>0.05）。2和3号之间各值均无显著性差异。4和5号蛋壳在黄蓝值（b*）上有显著性差异（P<0.05），且4号的b*值大于5号，在色度（E*ab）、亮度（L）、红绿值（a*）上均无显著性差异（P>0.05），且这两组的E*ab值和L值很接近。

2.6 ICP-AES测定结果

电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）是测定物质中多种元素含量的有效方法，可以确定研究对象的组成元素的含量，ICP-AES对5种斑点的皮蛋蛋壳的测定结果见表6。

结果表明，斑点颜色深浅不同的5种蛋壳中Cu、Zn、Fe、Pb、S 5种元素含量均有显著性差异（P<0.05），其中Cu元素为皮蛋壳斑点部位的主要元素，皮蛋壳中Cu的含量显著高于鲜鸭蛋壳。有斑点皮蛋壳中Cu的含量明显高于无斑点皮蛋壳和鲜鸭蛋壳，深色斑点皮蛋壳中Cu的含量大约是较浅斑点皮蛋壳的2.4倍，是浅色斑点蛋壳的4.3倍。由此可得知，斑点颜色越深，Cu的含量越高，这说明皮蛋壳表面斑点的颜色深浅与皮蛋蛋壳斑点中Cu的含量有密切关系且呈正相关。

有斑点皮蛋壳中Zn的含量也比无斑点蛋壳和鸭蛋壳高，但变化规律不如Cu明显，Zn在蛋壳表面形成白色沉淀物质而导致其含量增加。深色、较浅、浅色斑点皮蛋壳中Fe含量分别是无斑点皮蛋壳的3倍、4倍、5倍左右，斑点颜色越深，Fe含量越低。深色斑点皮蛋壳与浅色斑点皮蛋壳中Pb和S的含量相近，无斑点蛋壳与鲜鸭蛋壳中Pb的含量相等。根据国标《无公害食品皮蛋》中规定：皮蛋中Pb≤0.5 mg/kg，故5种蛋壳中Pb含量都在安全范围内。

由色差分析和ICP-AES结果综合分析可知，深色斑点与浅色斑点皮蛋壳的色度和金属含量之间均有显著性差异（P<0.05），随着皮蛋壳斑点的颜色越深，亮度L值越小，色度E*ab值越小，铁的含量越低，铜的含量越高。

3 结论

XPS技术检测出黑色斑点的组成元素有：C、O、N、Na、Ca、Fe、Cu、S、Zn、P等，未检出Pb元素，可能是其检出限较低，Cu以Cu+存在；XRD技术分析出黑色斑点的次相物质是Cu2S；ICP-AES技术测定了斑点颜色深浅不同的5种蛋壳中几种常规元素含量，分析表明，鲜鸭蛋在腌制过程中，随着浸渍时间的延长，斑点颜色越深，铜的含量越高。通过联合采用以上多种检测仪器，得出皮蛋表面黑色斑点的主要成分是Cu2S。

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黄蓝值（b*）：4号和5号蛋壳间有显著性差异（P<0.05），且4号蛋壳的b*值显著大于5号蛋壳，这可能是由于4号蛋壳经腌制后色素进入增强了黄度。1、2、3号蛋壳的b*值随着斑点颜色的加深而减小，但差异性不显著（P>0.05）。

色度（E*ab）：1号与2、3、4、5号蛋壳间均有显著性差异（P<0.05），且差异性所呈现的规律与亮度相似，2号和3号蛋壳、4号和5号蛋壳之间的差异均不显著（P>0.05）。

1和3号蛋壳在色度（E*ab）和亮度（L）上均有显著性差异（P<0.05），且两个值都随着斑点颜色加深而减小，在红绿值（a*）和黄蓝值（b*）上无显著性差异（P>0.05）。2和3号之间各值均无显著性差异。4和5号蛋壳在黄蓝值（b*）上有显著性差异（P<0.05），且4号的b*值大于5号，在色度（E*ab）、亮度（L）、红绿值（a*）上均无显著性差异（P>0.05），且这两组的E*ab值和L值很接近。

2.6 ICP-AES测定结果

电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）是测定物质中多种元素含量的有效方法，可以确定研究对象的组成元素的含量，ICP-AES对5种斑点的皮蛋蛋壳的测定结果见表6。

结果表明，斑点颜色深浅不同的5种蛋壳中Cu、Zn、Fe、Pb、S 5种元素含量均有显著性差异（P<0.05），其中Cu元素为皮蛋壳斑点部位的主要元素，皮蛋壳中Cu的含量显著高于鲜鸭蛋壳。有斑点皮蛋壳中Cu的含量明显高于无斑点皮蛋壳和鲜鸭蛋壳，深色斑点皮蛋壳中Cu的含量大约是较浅斑点皮蛋壳的2.4倍，是浅色斑点蛋壳的4.3倍。由此可得知，斑点颜色越深，Cu的含量越高，这说明皮蛋壳表面斑点的颜色深浅与皮蛋蛋壳斑点中Cu的含量有密切关系且呈正相关。

有斑点皮蛋壳中Zn的含量也比无斑点蛋壳和鸭蛋壳高，但变化规律不如Cu明显，Zn在蛋壳表面形成白色沉淀物质而导致其含量增加。深色、较浅、浅色斑点皮蛋壳中Fe含量分别是无斑点皮蛋壳的3倍、4倍、5倍左右，斑点颜色越深，Fe含量越低。深色斑点皮蛋壳与浅色斑点皮蛋壳中Pb和S的含量相近，无斑点蛋壳与鲜鸭蛋壳中Pb的含量相等。根据国标《无公害食品皮蛋》中规定：皮蛋中Pb≤0.5 mg/kg，故5种蛋壳中Pb含量都在安全范围内。

由色差分析和ICP-AES结果综合分析可知，深色斑点与浅色斑点皮蛋壳的色度和金属含量之间均有显著性差异（P<0.05），随着皮蛋壳斑点的颜色越深，亮度L值越小，色度E*ab值越小，铁的含量越低，铜的含量越高。

3 结论

XPS技术检测出黑色斑点的组成元素有：C、O、N、Na、Ca、Fe、Cu、S、Zn、P等，未检出Pb元素，可能是其检出限较低，Cu以Cu+存在；XRD技术分析出黑色斑点的次相物质是Cu2S；ICP-AES技术测定了斑点颜色深浅不同的5种蛋壳中几种常规元素含量，分析表明，鲜鸭蛋在腌制过程中，随着浸渍时间的延长，斑点颜色越深，铜的含量越高。通过联合采用以上多种检测仪器，得出皮蛋表面黑色斑点的主要成分是Cu2S。

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