陳丹瑾 牟光慶 姜鐵民 劉繼超 趙軍英 李鶴丹 陳歷俊（.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 大連 6034；2.國家母嬰乳品健康工程技術(shù)中心（籌），北京 0063；3.北京市乳品工程技術(shù)研究中心，北京 0063；4.北京三元食品股份有限公司，北京 0063）

乳及乳制品是蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、礦物質(zhì)元素等營養(yǎng)素的最好來源，已逐漸成為人們?nèi)粘ｏ嬍持斜夭豢缮俚氖澄?，尤其像母乳和嬰幼兒配方奶粉，幾乎成為滿足嬰幼兒正常生長發(fā)育的主要食物，其質(zhì)量的好壞與營養(yǎng)素水平直接影響著嬰幼兒的健康，因此，備受人們的重視與關(guān)注［1］。乳及乳制品中含有多種礦物質(zhì)元素，關(guān)乎人體的正常生長發(fā)育、新陳代謝［2］。在2013年，天津檢驗檢疫局對97批次非乳基嬰幼兒食品實施全項目檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)13批次出現(xiàn)微量元素超標(biāo)現(xiàn)象［3］。此外，在實際生產(chǎn)過程中，一些有毒、有害元素的超標(biāo)，會引起人體不同的癥狀，如過量的Ni會引起接觸性皮炎、Cd會致癌；一些必需元素的含量不足，會導(dǎo)致人體機(jī)能的下降，如Fe缺乏會引起貧血［4］。因此，檢測并控制好乳及乳制品中礦物質(zhì)元素的含量，是有效保證其質(zhì)量與安全的必要條件。目前，乳及乳制品中礦物質(zhì)元素的檢測方法包括原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、電感耦合等離子發(fā)射光譜法、電感耦合等離子質(zhì)譜法等多種方法，各有優(yōu)缺點，導(dǎo)致科研、生產(chǎn)和貿(mào)易工作者難以選擇。文章歸納了乳及乳制品中檢測礦物質(zhì)元素的前處理方法和檢測方法的研究進(jìn)展，介紹不同檢測方法的原理并比較其優(yōu)劣勢，旨在為乳及乳制品中礦物質(zhì)元素檢測方法的應(yīng)用、研究和發(fā)展提供參考。

1 乳及乳制品中的礦物質(zhì)元素

礦物質(zhì)元素，是構(gòu)成機(jī)體組織的主要元素，對于人體健康具有重要的影響。乳制品中既含有Ca、K、Na、Mg等常量元素，又含有Zn、Fe、Mn、Cu等微量元素，還有可能存在實際生產(chǎn)中被As、Hg等有毒元素污染的可能性。中國GB 5413.21—2010中提供檢測嬰幼兒配方食品和乳品中Ca、Fe、Zn、Na、K、Mg、Cu元素的方法，針對有毒有害元素的檢測主要按GB 2762—2012《食品中污染物限量》中規(guī)定的方法檢測，具體需要檢測的礦物質(zhì)元素見表1。

表1 中國現(xiàn)行嬰幼兒食品和乳品國家標(biāo)準(zhǔn)中需檢測的礦物質(zhì)元素及標(biāo)準(zhǔn)名稱Table 1 The mineral elements determined in current national standard

乳及乳制品中的礦物質(zhì)元素是人體必需的營養(yǎng)物質(zhì)，具有特殊的生物活性，例如，Zn具有調(diào)節(jié)和增強(qiáng)人體免疫功能，干擾病毒復(fù)制，維持生物膜穩(wěn)定性的作用［5］。因此，測定乳及乳制品中的礦物質(zhì)元素具有重大的意義。

2 乳及乳制品礦物質(zhì)元素檢測前處理方法

乳及乳制品中礦物質(zhì)元素多數(shù)是以結(jié)合態(tài)的形式存在于有機(jī)物中。因此，在檢驗之前，需要對樣品進(jìn)行預(yù)處理。合適的預(yù)處理可提高分析結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度。目前常見的預(yù)處理方法有干法灰化、濕法消化、微波消解、超聲輔助提取、懸濁液預(yù)處理等。

2.1 干法灰化

干法灰化是一種傳統(tǒng)的檢測食物中礦物質(zhì)元素的方法，通過熱分解將樣品中的有機(jī)物除去，其灰化方式包括直接灰化法、氫氧化鈣法、氫氧化鈉法。干法灰化一般采用馬弗爐，溫度控制在450～550℃（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下），被應(yīng)用于水果、蔬菜［6］、蜂蜜［7］中Ca、Fe、Zn、Na、K、Mn、Cu、Mn等礦物質(zhì)元素的檢測，但不適用于Hg、As、Se等易揮發(fā)元素的檢測，且在處理過程中樣品未處于密閉的條件下，易造成污染。

2.2 濕法消化

濕法消化又稱氧化分解法，是指以液體或液體與固體的混合物作為氧化劑，在一定溫度和壓力下分解樣品中的有機(jī)物的方法。此法與干法灰化的不同在于它不靠溫度的提高來消解樣品，而是主要依靠氧化劑的氧化能力來分解有機(jī)物。傳 統(tǒng) 的 氧 化 劑 有 HNO3、H2SO4、HClO4、H2O2、KMnO4等，Rodriguez等［8］采用10mL（HNO3︰ HClO4＝9︰1，V/V）消解液消解3mL牛奶，檢測其中的Fe、Cu、Zn、Na、K、Ca和 Mg。Kira等［9］在傳統(tǒng)的濕法消解基礎(chǔ)上，通過在電熱板上添加HCl進(jìn)行部分消解，在牛奶中檢測出Ca、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、P和Zn；與干法消解和兩種微波消解條件進(jìn)行對比可知，該法因采用常規(guī)試劑HCl，且可以同時處理大批樣品，適用于實驗室分析樣品。濕法消化有機(jī)物分解速度快且回收率高，但是該法試劑用量大、空白值高、反應(yīng)產(chǎn)生大量有害氣體污染環(huán)境。

2.3 微波消解

微波消解是一種將高壓消解和微波快速加熱相結(jié)合的方法，是指樣品與酸的混合物在微波電磁場的作用下吸收微波能量，通過摩擦產(chǎn)生高熱。微波消解有兩種形式：加壓密封式和敞開集中式。研究［10］證實，相較于 HNO3、HNO3＋HClO4、HNO3＋H2SO4等方法，HNO3和 H2O2結(jié)合消解條件最佳，采用3mL HNO3和1mL H2O2結(jié)合的方法，適用于快速檢驗?zāi)溉橹械腃a、Cu、Fe、Mg、Mn和Zn；該消解方法具有檢驗速度快、耗酸量低、消解效率高等優(yōu)點，但需要集中加酸，易導(dǎo)致消解液酸度提升，含碳化合物殘留，因此還有待改進(jìn)。通過逐漸添加預(yù)熱濃酸，可檢測出全脂或脫脂牛奶中的Ba、Ca、Cu、K、Mg、Na、P和Zn，研究［11］表明改進(jìn)的微波消解方法較優(yōu)于傳統(tǒng)的微波消解方法，具有節(jié)約用酸量、降低對樣品污染、節(jié)省時間、減少添加試劑次數(shù)［12］等優(yōu)點，但儀器價格相對昂貴。

2.4 超聲輔助提取

將超聲波應(yīng)用于輔助礦物質(zhì)元素的提取，是利用超聲波的空化效應(yīng)增加溶劑的穿透力，提高礦物質(zhì)元素溶出速度和溶出次數(shù)，增加成分的擴(kuò)散，縮短提取時間，加速提取過程。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高于20kHz的超音頻電信號，通過浸入式換能器轉(zhuǎn)化為同頻率的機(jī)械震蕩而傳播到介質(zhì)中去，并以超音頻縱波的形式向前輻射，使提取液震蕩產(chǎn)生許多微小氣泡并隨機(jī)爆破，最終達(dá)到分解的效果。Santos等［13］取1.0g可可奶，添加20.0mL的1mol/L的 HNO3，經(jīng)超聲波處理10min后，2 000r/min離心5min，取上清液，檢測其中Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、P、Zn元素，結(jié)果表明，超聲輔助可以提高前處理效率，減少試劑消耗。

2.5 懸濁液預(yù)處理

相對于傳統(tǒng)的干法、濕法、微波消解等方法，懸濁液預(yù)處理是一種新型的前處理方式，可以通過添加懸濁液改變?nèi)橹破返臐饪s程度，以達(dá)到簡便進(jìn)樣的效果。Sola－Larraaga等［14］通過添加25mL（10%羥化四甲基＋25%氫氧化銨）懸濁液預(yù)處理嬰幼兒配方奶粉，定量檢測Ca、Mg、Zn、Fe、Cu和Mn。結(jié)果表明，懸濁液預(yù)處理可以減少樣品前處理時間和受污染風(fēng)險。然而，目前對乳制品中懸濁液進(jìn)樣的研究相對較少，需要對懸濁液的穩(wěn)定性、均一性、顆粒大小、沉降程度等因素開展進(jìn)一步的研究。

3 礦物質(zhì)元素的檢測方法

乳及乳制品中的礦物質(zhì)元素經(jīng)前處理后形成澄清透明的無機(jī)液體，利用各元素固有的特性，通過一些物理及化學(xué)的方法對礦物質(zhì)元素進(jìn)行定性、定量的測定。由于檢測方法繁多，檢測效果各有不同，針對各種檢測方法的優(yōu)缺點選擇合適的檢測方法則十分重要。

3.1 原子吸收光譜法（AAS）

原子吸收光譜法又稱原子吸收分光光度法，是根據(jù)待測基態(tài)原子對特征譜線的吸收而建立的一種可靠的測定礦物質(zhì)元素的方法。

3.1.1 火焰原子吸收光譜法（FAAS） 火焰原子吸收光譜法是將液體樣品霧化進(jìn)入火焰中，利用火焰的高溫通過脫溶劑、蒸發(fā)、解離等過程逐步達(dá)到原子化的目的。常用的火焰包括空氣—?dú)浠鹧?、空氣—煤氣火焰、空氣—丙烷火焰、空氣—乙炔火焰。中國GB 5412.21—2010采用該方法測定食品中的Ca、Fe、Zn、Na、K、Mg、Cu和 Mn，但不能完成同時測定。張金生等［15］用火焰原子吸收法測定蒙古奶茶中Ca、Mg、Zn含量，結(jié)果表明其線性相關(guān)系數(shù)在0.999 3～0.999 8，檢出限為0.002 0～0.003 8μg/mL，RSD均小于1.25%。由此可以看出，由于溫度的限制，火焰原子吸收法僅適用易于解離的常量元素，且一次只能檢測一種元素，不適合大型工廠批量檢驗，但線性相關(guān)系數(shù)較好，并且加標(biāo)回收率穩(wěn)定，價格較為低廉。

3.1.2 石墨爐原子吸收光譜法（GFAAS） 石墨爐原子吸收光譜是指將一定量的樣品加入到石墨爐內(nèi)，經(jīng)電加熱等步驟，在一個較高的溫度下，迅速被原子化，從而產(chǎn)生與檢測元素的含量成正比的原子數(shù)量，其靈敏度較火焰原子吸收光譜而言，高出2～3個數(shù)量級。烏尼爾等［16］通過對石墨爐原子吸收儀器工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出最佳檢測乳制品中Cr的條件，單一元素Cr的檢出限可以達(dá)到0.2μg/L，回收率為89.2%～96.7%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.8%。中國 GB 2762—2012采用此方法檢測食品中的Cd和Pb元素。石墨爐原子吸收光譜法具有較高的靈敏度，可以滿足某些微量元素、痕量元素的檢測要求，并且分析樣品用量少，甚至可以采用懸浮液進(jìn)樣直接分析固體、液體及氣體試樣，不足之處是有嚴(yán)重的背景吸收，因此必須矯正背景，并且一次只能檢測一種礦物質(zhì)元素，不能批量檢驗。

3.1.3 氫化物原子吸收光譜法（HGAAS） 氫化物原子吸收光譜是指部分元素在酸性介質(zhì)中與硼氫化鉀反應(yīng)生成相應(yīng)的氣體，通過分離與富集以達(dá)到原子化的效果，適用于As、Sb、Bi、Sn、Te、Ge等能與氫化物發(fā)生反應(yīng)的礦物質(zhì)元素，這些元素的分析線處于紫外區(qū)，在常規(guī)火焰中多存在嚴(yán)重的背景吸收，因此不適用其他原子吸收光譜。陳少芳等［17］通過氫化物發(fā)生原子吸收光譜與石墨爐原子吸收光譜比較，測定Pb元素，檢出限分別為0.042μg/L和2.52μg/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.13%和1.30%，回收率為98.0%～105.0%和95.2%～104.0%。氫化物原子吸收法的靈敏度較高，適合痕量與超痕量檢測，但僅限于能形成氫化物的As、Sb、Bi、Sn、Te、Ge等元素，并且一次檢驗一種元素，操作繁瑣。

3.2 原子熒光光譜法（AFS）

原子熒光光譜法是指基態(tài)原子（一般蒸氣狀態(tài)）吸收特定頻率的輻射而被激發(fā)到高能態(tài)，而后，激發(fā)態(tài)原子在去激發(fā)過程中發(fā)射出特征波長的熒光，主要用于Cd、Zn、Hg、As、Sb、Sn、Pb、Ga、In、Tl等元素的檢測，其中對于 As、Hg、Se的檢測占有較大優(yōu)勢，中國GB 2762—2012采用此方法檢測食品中As、Cd、Hg、Sn等元素。也有研究者將氫化物發(fā)生器與原子熒光光譜結(jié)合，以期達(dá)到較低的檢出限，Cava－Montesinos等［18］采用氫化物—原子熒光光譜檢測牛乳中Se和Te，檢出限分別為0.005，0.015μg/L。原子熒光光譜法的檢測限適合檢測微量和痕量元素，但很難做到同時檢測多種礦物質(zhì)元素。

3.3 原子發(fā)射光譜法（AES）

原子發(fā)射光譜是利用每種元素的原子或離子在熱激發(fā)或電激發(fā)下，會發(fā)射特征光譜，通過特征譜線定性、定量判斷樣品中礦物質(zhì)元素。電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP—OES）是較為實用的一種原子發(fā)射光譜儀。樣品經(jīng)霧化器形成霧狀，再經(jīng)等離子火焰激發(fā)，發(fā)射的光譜對應(yīng)相應(yīng)的元素，可定性、定量分析礦物質(zhì)元素［19］。中國 GB 5413.21—2010采用該方法同時檢測食品中 Ca、Fe、Zn、Na、K、Mg、Cu和Mn。Nascimento等［20］采用電感耦合等離子發(fā)射光譜同時檢測嬰幼兒配方乳品中的 Ca、K、Mg、Na、Cr、Cu、Fe、Mn、Zn、Ba、Al、Cd、Pb、V、Ni、Co和 Li，結(jié)果表明，加標(biāo)回收率在83%～117%，RSD低于3.3%。Tang等［21］通過比較干法、濕法、濁法進(jìn)樣等前處理方法，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜同時檢測嬰幼兒配方奶粉中 Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、P和Zn。結(jié)果表明，所有前處理方法的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均能達(dá)到小于15%，其中微波消解的前處理方法可以保證相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%。與其他檢測方法相比而言，電感耦合等離子發(fā)射光譜可同時檢測多種常量元素，適合工業(yè)化生產(chǎn)檢測，但不利于微量、痕量元素檢測。

3.4 電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP—MS）

電感耦合等離子質(zhì)譜法是指樣品在氬氣推動下進(jìn)入ICP后經(jīng)一系列過程被離子化，形成帶一個電荷的正離子，選擇不同的質(zhì)核比（m/z）來檢測某些離子的強(qiáng)度，此項技術(shù)在檢測功能上取得了巨大進(jìn)步，對于常量元素，檢出限能達(dá)到10－3μg/mL級，對于低含量元素，檢出限能達(dá)到10－3μg/L級，因此，該技術(shù)在食品的礦物質(zhì)元素分析與檢測中受到人們的重視。Khan等［22］通過電感耦合等離子質(zhì)譜檢測牛奶及酸奶中22種礦物質(zhì)元素，并發(fā)現(xiàn)Cu和Mn在水果混合型酸奶中相對較高，有毒元素As、Cd、Pb含量十分低，對消費(fèi)者沒有健康危害。Magbitang等［23］采用電感耦合等離子質(zhì)譜檢測牛奶中Cd和Pb，結(jié)果表明，Cd和Pb的檢出限分別為0.09，0.33μg/mL，并且線性相關(guān)系數(shù)均為0.999，具有很好的線性系數(shù)和較低的檢測限。

3.5 免疫分析法（ELISA）

免疫分析法是指利用重金屬元素能針對動物體內(nèi)生物分子產(chǎn)生不可逆反應(yīng)的特性，通過對雙功能螯合劑（乙二胺四乙酸、二乙烯三胺五乙酸［24］）等的篩選，制備重金屬特異性單克隆抗體。目前，抗原抑制檢測是重金屬免疫檢測的首要方法，其分類方式可以按使用抗體的種類分成兩類，分別是單克隆抗體免疫檢測和多克隆抗體免疫檢測。有研究者［25］用二乙烯三胺五乙酸作為螯合劑，采用單克隆抗體免疫分析法檢測水樣中的Pb，所得結(jié)果較為理想，并通過對ICP—MS檢測結(jié)果進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)結(jié)果無誤。免疫分析法因其獨(dú)特的省時、便于攜帶、易于操作的優(yōu)點而廣泛地引起科學(xué)家的重視，可以應(yīng)用于現(xiàn)場快速檢測和常規(guī)檢測。目前，主要應(yīng)用于環(huán)境和水質(zhì)的檢測，利用免疫分析法檢測乳及乳制品中的重金屬離子還處于實驗室階段，越來越多的檢測模型需要被開發(fā)。

3.6 中子活化分析法（NAA）

中子活化分析是指利用一定能量、中子、帶電粒子、高能光子轟擊待測樣品，使樣品中核素發(fā)生核反應(yīng)，生成放射性核素，通過測定放射性核素衰變時發(fā)射的輻射，定性、定量分析樣品中礦物質(zhì)元素。中子活化分析的樣品不經(jīng)過特殊化學(xué)處理，避免某些元素的揮發(fā)損失，進(jìn)而提高了回收率。Wasim等［26］通過利用中子活化分析儀和AAS兩種儀器相配合的方法檢測鮮牛乳、巴氏殺菌乳和乳粉中Br、Ca、Cl、Co等21種元素。結(jié)果表明，新鮮的牛乳中含有較為豐富的Br、Ca、Mg、P、Rb、Sr和Zn，所有元素的平均相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為7%，其中Mg元素的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較高，主要由于Mg元素發(fā)射的輻射較少。Gill等［27］通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗證的方法證明中子活化分析法適用于人乳中微量元素和有毒元素的檢驗，檢出限可以達(dá)到0.05～50.00ng/g。該方法具有較高的靈敏度、每種元素都有相應(yīng)特征譜線、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點，但也存在儀器昂貴，操作繁瑣等不利因素。

3.7 伏安溶出法（SV）

伏安溶出法是一種將富集和測定相結(jié)合的方法，如果溶出時工作電極發(fā)生的是氧化反應(yīng)，則為陽極溶出法，反之則為陰極溶出法。金屬離子通常是采用陽極溶出法，通過將富集在電極的金屬離子經(jīng)由負(fù)向正的電位掃描而在電極溶出的過程中，得到溶出電位上對應(yīng)的電流值與溶液中金屬離子的濃度成正比的伏安溶出曲線。研究［28］發(fā)現(xiàn)，采用同位鍍汞的方式同時測定牛奶中Cd、Pb、Cu 3種金屬元素，檢出限為0.1～100.0μg/L，加標(biāo)回收率在98.0%～101.3%，檢測效果良好，并通過與原子吸收光譜法的檢測結(jié)果進(jìn)行比對，二者無顯著差異。伏安溶出法具有方法準(zhǔn)確、成本低、靈敏度高、簡單便捷的優(yōu)點，但不適用于實際工廠大批量生產(chǎn)檢驗。

3.8 酶抑制法（EIM）

酶抑制法是指利用重金屬離子對某些酶活性中心的強(qiáng)吸附性，使酶活性中心的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，酶活力下降，產(chǎn)生一系列如顯色劑顏色、pH等可以用肉眼或電信號加以區(qū)分的變化。目前，國內(nèi)外研究者［29－31］主要從檢測重金屬時所用酶的活性和酶反應(yīng)的檢測技術(shù)兩個方面對酶抑制法進(jìn)行討論。常用的酶是過氧化氫酶、脲酶、葡萄糖氧化酶等，其中，最常用的是脲酶［32］，因其價廉易得，故被廣泛使用。生物傳感器作為酶抑制法的主要檢測技術(shù)之一，具有高選擇性，高穩(wěn)定性，低成本，能在復(fù)雜體系中實現(xiàn)快速在線監(jiān)測。Tadeusz等［33］研制的酶傳感器是將脲酶包埋在pH敏感銥氧化電極表面的PVC膜上，通過將反應(yīng)系統(tǒng)電勢下降的初始速率（與酶初始反應(yīng)速率成正比）轉(zhuǎn)化為抑制率，來檢測Hg和其他重金屬離子，無機(jī)汞的檢測范圍為0.05～1.00μmol/L。但目前，一般傳感器不能同時檢測多種金屬離子，這樣使得現(xiàn)場檢測工作較為繁瑣，高通量檢測多種重金屬元素將成為國內(nèi)外學(xué)者的研究重點。

4 結(jié)束語

未來乳及制品中礦物質(zhì)元素檢測方法的發(fā)展主要有3個方向：①通過實驗室的科研力量，致力于提高檢測的準(zhǔn)確性與精密度；②將實驗室的科研成果轉(zhuǎn)化到日常的實際生產(chǎn)中，為工廠的質(zhì)量控制提供保障，使工廠實際應(yīng)用的檢測方法逐漸走向系統(tǒng)化、規(guī)范化；③ 在滿足一定檢出限的前提下，實現(xiàn)現(xiàn)場的快速、準(zhǔn)確抽樣檢測。總體而言，乳及乳制品中礦物質(zhì)元素的檢測方法正向著快速、安全、精確的方向發(fā)展。

隨著人類對營養(yǎng)關(guān)注度的增加，乳制品已漸漸成為最理想的膳食食物，日前，中國乳制品行業(yè)發(fā)展迅猛，要求其各方面營養(yǎng)物質(zhì)的質(zhì)量達(dá)到理想水平，開發(fā)出更準(zhǔn)確、分析速度更快、選擇性更高的營養(yǎng)物質(zhì)檢測方法顯得尤為重要。雖然乳及乳制品中的礦物質(zhì)元素含量少，但種類繁多且作用巨大，因為不同的領(lǐng)域?qū)Σ煌瑱z測方法的條件及精度要求不同。

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