胡德龍，宋海龍，陳家穎

（重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 401121）

二氧化碳與人類的生存密切相關(guān)，也是食物鏈中的一種重要物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于碳酸飲料、啤酒，以及食品保鮮等領(lǐng)域。我國(guó)是世界第二大經(jīng)濟(jì)體，對(duì)食品級(jí)二氧化碳需求巨大，年需求量接近200 萬噸，且逐年大幅上漲。我國(guó)目前食品級(jí)二氧化碳?xì)庠粗饕獮榛ぎa(chǎn)品副產(chǎn)的二氧化碳，其中對(duì)人體有害的烴、苯、硫、醛、醇等雜質(zhì)的含量有很大的差別。食品級(jí)二氧化碳作為一種食品添加劑，對(duì)于其中有害雜質(zhì)的檢測(cè)是十分必要的。目前國(guó)內(nèi)檢測(cè)機(jī)構(gòu)存在著檢測(cè)手段不統(tǒng)一，檢測(cè)數(shù)據(jù)缺乏溯源性等問題。新標(biāo)準(zhǔn)GB 1886.228-2016 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑二氧化碳》［1］于2017 年1 月1 日正式實(shí)施，對(duì)于覆蓋范圍、檢測(cè)指標(biāo)及檢測(cè)方法有詳細(xì)的規(guī)定，但有些檢測(cè)方法較為繁瑣，需要的設(shè)備種類較多，溯源體系不夠完善，檢測(cè)不確定度偏大，且國(guó)內(nèi)對(duì)食品級(jí)二氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研究均采用單一組分，在實(shí)際檢測(cè)中，每種組分需要使用一臺(tái)儀器單獨(dú)分析。例如，在GB 1886.228-2016 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑二氧化碳》［2］中，分析環(huán)氧乙烷、甲醇和苯時(shí)需要一臺(tái)配置GDX 104 不銹鋼柱色譜柱和氫火焰離子化檢測(cè)器的氣相色譜儀，分析氯乙烯、甲醇和苯時(shí)需要一臺(tái)配置涂敷10%的聚乙二醇20M的固定相不銹鋼柱色譜柱和氫火焰離子化檢測(cè)器的氣相色譜儀，分析苯系物時(shí)需要一臺(tái)內(nèi)裝涂敷10%的SE30 硅氧烷固定液的不銹鋼柱色譜柱和氫火焰離子化檢測(cè)器的氣相色譜儀，分析時(shí)間較長(zhǎng)；在 GB／T 8984 《氣體中一氧化碳、二氧化碳和碳?xì)浠衔锏臏y(cè)定氣相色譜法》［3］中，分析一氧化碳、二氧化碳和甲烷時(shí)，需要一臺(tái)配置火焰離子化檢測(cè)器和甲烷化轉(zhuǎn)化器的氣相色譜儀［4-7］。由此，完成食品級(jí)二氧化碳中一氧化碳、甲烷、丙烷、總烴、甲醇、環(huán)氧乙烷、乙醛、氯乙烯、苯等二氧化碳中常見雜質(zhì)的檢測(cè)時(shí)間比較長(zhǎng)且設(shè)備成本較高。為此，筆者選用一種改造后的SC-3000 型氫火焰離子化檢測(cè)器氣相色譜儀（GC-FID），建立了食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)的快速檢測(cè)方法，解決了傳統(tǒng)方法所用設(shè)備復(fù)雜，檢測(cè)不確定度偏大等問題，可以為氣相色譜儀配置較少的實(shí)驗(yàn)室提供一種快速檢測(cè)二氧化碳中常見雜質(zhì)組分的新方法［8］，大大降低了檢測(cè)成本。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

食品添加劑二氧化碳專用氣相色譜儀：SC-3000 型，配有SCBWQ 玻璃微球柱（Φ3 mm×2 m，180～250 μm），TDX-01 碳分子篩填充柱（Φ3 mm×1 m，180～250 μm），OV-101 阻 力 柱（Φ3 mm×1 m，180～250 μm），KB-PLOT Q 毛細(xì)柱(30 m×0.53 mm，20 μm)，雙FID 檢測(cè)器，重慶川儀分析儀器公司；

原料氣體：食品添加劑二氧化碳，40 L 鋼瓶，重慶同輝氣體有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

食品用二氧化碳含有一氧化碳、甲烷、丙烷、總烴、甲醇、環(huán)氧乙烷、乙醛、氯乙烯、苯等雜質(zhì)，其中除一氧化碳外都是碳?xì)浠衔?，含氫原子?shù)量較多，一氧化碳通過催化加氫的方法可以轉(zhuǎn)化為甲烷，有機(jī)化合物在氫火焰中燃燒時(shí)發(fā)生化學(xué)電離反應(yīng)，產(chǎn)生正、負(fù)離子，檢測(cè)器的發(fā)射極與收集極間有電位差，離子對(duì)在兩極間形成離子流，由收集極收集的電子流通過負(fù)載高阻產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)微電流放大器放大后輸送到記錄器，得到相應(yīng)物質(zhì)的色譜峰［9］。因此考慮采用GC-FID 進(jìn)行檢測(cè)［10-12］。由于在GC 中各組分使用分離色譜柱不同，為實(shí)現(xiàn)一次進(jìn)樣同時(shí)檢測(cè)目標(biāo)雜質(zhì)組分，在原有單流路色譜系統(tǒng)上，增加分離通道，一次進(jìn)樣，樣品同時(shí)進(jìn)入不同通道進(jìn)行分離，根據(jù)各個(gè)通道出峰時(shí)間差異，不同通道分離的組分在FID 檢測(cè)器上分別產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)。通過增加自動(dòng)切換氣動(dòng)閥和阻力柱等裝置，在不影響目標(biāo)組分出峰檢測(cè)的情況下，對(duì)每個(gè)分離通道中不必要的、保留時(shí)間較長(zhǎng)的組分進(jìn)行切割反吹，節(jié)約色譜分離檢測(cè)時(shí)間［13］。在使用一臺(tái)GC 的情況下，得到了滿意的結(jié)果。比較國(guó)標(biāo)GB 1886.228-2016 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑二氧化碳》中規(guī)定采用四臺(tái)GC 分別進(jìn)樣檢測(cè)的方法，本研究所建立的方法速度更快、采用儀器少。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，檢測(cè)時(shí)間不超過國(guó)標(biāo)法的三分之一。為了進(jìn)一步提高其靈敏度和重復(fù)性，優(yōu)化了色譜條件，增加了定量環(huán)體積，取得了滿意的結(jié)果［14］。

1.3 氣相色譜條件

SC-3000 型氣相色譜儀分析食品添加劑二氧化碳雜質(zhì)最佳實(shí)驗(yàn)條件列于表1。

表1 SC-3000 型食品添加劑二氧化碳專用氣相色譜儀最佳實(shí)驗(yàn)條件

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)組分的不同，利用氣相色譜儀中的“閥切換”、切割反吹等功能，使不同氣路的載氣攜帶著各組分通過不同流路進(jìn)入不同的色譜柱中進(jìn)行分離，不同組分的導(dǎo)熱系數(shù)和產(chǎn)生的離子電流不同產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度不等的電信號(hào)，由色譜處理軟件進(jìn)行處理，得到相應(yīng)組分的分析結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜柱的選擇

改造后的SC 3000 型食品添加劑二氧化碳專用氣相色譜儀配備了3 種組分分析色譜柱和1 個(gè)阻力柱：SCBWQ 玻璃微球柱、TDX-01 碳分子篩填充柱、KB-PLOT Q 毛細(xì)柱、OV-101 阻力柱。3 種分析色譜柱均為非極性或弱極性色譜柱，對(duì)食品添加劑二氧化碳中各雜質(zhì)表現(xiàn)出很好的分離效果。SCBWQ柱用以分離總烴（C3H8）；TDX-01 柱用以分離一氧化碳、甲烷；KB-PLOT Q 柱用以分離環(huán)氧乙烷、丙烷、甲醇、乙醛、氯乙烯、苯。而阻力柱用以在不影響目標(biāo)組分出峰檢測(cè)的情況下，將每個(gè)分離通道中不必要的、保留時(shí)間較長(zhǎng)的組分進(jìn)行切割反吹，節(jié)約色譜分離檢測(cè)時(shí)間。

圖1 食品級(jí)二氧化碳快速檢測(cè)氣相色譜內(nèi)部配置圖

2.2 分析進(jìn)樣閥切換時(shí)間的優(yōu)化

改造后的SC 3000 型氣相色譜儀含有3 個(gè)分離流路、3 個(gè)定量管、1 個(gè)甲烷轉(zhuǎn)化器和2 個(gè)FID 檢測(cè)器，利用2 個(gè)氣動(dòng)十通自動(dòng)切換閥的切換功能，控制各雜質(zhì)組分隨著載氣定量的流入不同的色譜柱，從而實(shí)現(xiàn)分離。為了準(zhǔn)確、快速的分析食品添加劑二氧化碳各雜質(zhì)組分，分析過程的閥切換時(shí)間的把控就顯得尤為重要，解決這個(gè)問題需要對(duì)改造后氣相色譜儀的構(gòu)造進(jìn)行分析，內(nèi)部配置圖如圖1 所示。

圖1 為初始狀態(tài)，2 個(gè)切換閥V1，V2 均為關(guān)閉狀態(tài)，色譜柱中只有載氣流過。分析開始進(jìn)樣后，切換氣動(dòng)閥V2，樣氣經(jīng)過V1 的3-2 通道、5-4 通道以及氣動(dòng)閥V2 的10-9 通道、6-5 通道、2-1 通道分別進(jìn)入定量環(huán)1（Loop1）、定量環(huán)2（Loop2）和定量環(huán)3（Loop3），完成進(jìn)樣。載氣2（SFV2）將定量環(huán)1（Loop1）中樣品帶入TDX-01 中，CO 和CH4組分首先被色譜柱分離，CO 經(jīng)甲烷化轉(zhuǎn)化器MC轉(zhuǎn)化為CH4，進(jìn)入FID-A 檢測(cè)器被檢出，再啟動(dòng)氣動(dòng)閥程序V1回復(fù)初始位，剩余組分被載氣1（SFV1）N2 反吹排空，避免TDX-01 色譜柱保留時(shí)間長(zhǎng)的組分在柱上殘留和大量的CO2進(jìn)入MC 甲烷轉(zhuǎn)化爐。與此同時(shí)，啟動(dòng)氣動(dòng)閥程序V2，載氣4（SFV4）將定量環(huán)3（Loop3）中樣品經(jīng)分流／不分流進(jìn)樣口帶入PLOT-Q 毛細(xì)管色譜柱中，甲烷、環(huán)氧乙烷、丙烷、乙醛、甲醇、氯乙烯、苯被毛細(xì)管色譜柱進(jìn)行預(yù)分離，再進(jìn)入FTD-B 上檢測(cè)，而另一路載氣3（SFV3）將定量環(huán)2（Loop2）中樣品帶入SCBWQ 中分離，經(jīng)FID-A 檢測(cè)總揮發(fā)烴（THC）。系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)樣FID-A 和FID-B 分別采集一張色譜圖。CO，CH4，THC 在FID-A 色譜圖中顯示，CH4，C3H8，CH2-CH2O，CH3OH，CH3CHO，CH2CHCl，C6H6在FID-B色譜圖中依次顯示，其中CH4既可在FID-A 圖譜中定量，也可以通過FID-B 圖譜中進(jìn)行定量，二者可以起到相互驗(yàn)證比對(duì)的作用。

為了實(shí)現(xiàn)食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)準(zhǔn)確快速分析，首先要進(jìn)行定量進(jìn)樣。改造后的氣相色譜儀準(zhǔn)備就緒后（0 min）要立即打開氣動(dòng)閥V2，樣品分別經(jīng)定量環(huán)1（Loop1）、定量環(huán)2（Loop2）和定量環(huán)3（Loop3）進(jìn)行充分進(jìn)樣2 min 后，將氣動(dòng)閥V1 打開，TDX-01 填充柱預(yù)分離組分CO 和CH4，CO 經(jīng)甲烷化轉(zhuǎn)化器MC 轉(zhuǎn)化為CH4，1.8 min左右出現(xiàn)一個(gè)色譜峰即CH4，說明CO 和CH4已經(jīng)在TDX-01 填充柱上充分分離。由FID-A 檢測(cè)出CO、CH4峰后，立即啟動(dòng)氣動(dòng)閥程序V1 回復(fù)初始位，剩余組分被載氣N2反吹排空，避免TDX-01 色譜柱保留時(shí)間長(zhǎng)的組分在柱上殘留和大量的CO2進(jìn)入MC 甲烷轉(zhuǎn)化爐。在氣動(dòng)閥V1 打開的同時(shí)，啟動(dòng)氣動(dòng)閥V2，V2 是雙進(jìn)樣閥，SCBWQ 柱預(yù)分離總揮發(fā)烴，經(jīng)載氣帶到FID-A 檢測(cè)，大概在0.5 min左右出峰即為總揮發(fā)烴（THC）；PLOT-Q 毛細(xì)管色譜柱預(yù)分離甲烷、環(huán)氧乙烷、丙烷、乙醛、甲醇、氯乙烯、苯；8.5 min 左右最后一個(gè)組分苯完全流出，說明食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)甲烷、環(huán)氧乙烷、丙烷、乙醛、甲醇、氯乙烯、苯已經(jīng)充分分離，在10.5 min 啟動(dòng)氣動(dòng)閥程序V2 完成所有組分分析檢測(cè)。

2.3 氣相色譜儀柱箱溫度的優(yōu)化

針對(duì)食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)的分析檢測(cè)，預(yù)設(shè)了兩種柱箱溫度方案。第一種方案：柱箱溫度恒定在100℃，試驗(yàn)結(jié)果表明，甲醇和乙醛色譜峰為一個(gè)大而寬的合峰，無法很好地分離，同時(shí)苯大概在14 min 才出峰，時(shí)間較長(zhǎng)；第二種方案：采用程序升溫模式，初始溫度設(shè)為80℃，保持5 min 后，以10 ℃／min 升溫至120℃，保留5 min。在第二種方案下，F(xiàn)ID 通道的組分由于柱箱溫度降低，流出速度變慢。甲醇和乙醛可以很好的出峰，苯組分流出速度增大，可有效地縮短分析時(shí)間，至此甲烷、一氧化碳、揮發(fā)性總烴、環(huán)氧乙烷、丙烷、乙醛、甲醇、氯乙烯、苯雜質(zhì)組分色譜峰可以通過峰切割而各自進(jìn)行定量分析。因此選擇第二種程序升溫方案為食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)分析最佳實(shí)驗(yàn)條件。

2.4 食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)在氣相色譜中的分離順序

實(shí)驗(yàn)所用色譜柱均為非極性或弱極性色譜柱，通常相對(duì)分子質(zhì)量越小、沸點(diǎn)越低的組分先流出；若沸點(diǎn)相同或相近，飽和烷烴先流出；碳數(shù)相同的飽和烴類，異構(gòu)程度復(fù)雜的組分先流出；不飽和烴則是雙鍵在中間的組分先出峰。

為了準(zhǔn)確確定各自組分的出峰時(shí)間，采用外標(biāo)法確定食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)組分的保留時(shí)間，結(jié)果如圖2 和圖3 所示。圖2 為FID-A 通道檢測(cè)結(jié)果，出峰時(shí)間分別是揮發(fā)性總烴（0.503 min），一氧化碳（1.105 min）和甲烷（1.817 min）；圖3 為FID-B 通道檢測(cè)結(jié)果，出峰時(shí)間分別是甲烷（1.105 min），丙烷（2.618 min），環(huán)氧乙烷（2.999 min），甲醇（3.465 min），乙醛（3.629 min），氯乙烯（4.465 min），苯（8.487 min）。

圖2 FID-A 通道氣相色譜圖

圖3 FID-B 通道氣相色譜圖

2.5 線性方程、線性范圍和檢出限

在1.2 氣相色譜儀最佳分析條件下，分別在改造后的氣相色譜儀上對(duì)進(jìn)樣濃度為5.00，25.0，50.0 μmol／mol 甲烷、一氧化碳、丙烷標(biāo)準(zhǔn)氣體；1.00，2.00，5.00 μmol／mol 環(huán)氧乙烷標(biāo)、甲醇、乙醛、氯乙烯、苯標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行定量分析。以標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度（x）為橫坐標(biāo)，以色譜峰面積（y）為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸，計(jì)算線性方程和相關(guān)系數(shù)，以3 倍基線噪聲所對(duì)應(yīng)待測(cè)雜質(zhì)組分的質(zhì)量計(jì)算方法檢出限。線性方程、線性相關(guān)系數(shù)及檢出限列于表2。由表2 可知，食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)組分分析方法線性度良好，線性相關(guān)系數(shù)不小于0.999 8。

表2 食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)組分的線性方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限

2.6 精密度與準(zhǔn)確度試驗(yàn)

在1.3 色譜條件下，重復(fù)測(cè)定二氧化碳中8 種雜質(zhì)的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，進(jìn)行精密度試驗(yàn)［16］與準(zhǔn)確度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3 可知，8 種雜質(zhì)測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3%，與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)誤差小于2%，說明該方法準(zhǔn)確度較高。

2.7 比對(duì)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本試驗(yàn)方法可以準(zhǔn)確快速的分析出食品添加劑中各雜質(zhì)組分的含量，與采用國(guó)標(biāo)GB1886.228-2016 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑二氧化碳》分析測(cè)量方法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，采用改造后的氣相色譜儀，在優(yōu)化試驗(yàn)條件下測(cè)量食品添加劑二氧化碳中一氧化碳、甲烷、丙烷、總烴、甲醇、環(huán)氧乙烷、乙醛、氯乙烯、苯等雜質(zhì)的時(shí)間為48 min 左右；而采用國(guó)標(biāo)分析方法測(cè)量時(shí)，檢測(cè)時(shí)間為135 min 左右。本方法的檢測(cè)時(shí)間較國(guó)標(biāo)規(guī)定的方法，縮短為近三分之一。

表3 精密度與準(zhǔn)確度試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

選用一種改造后的SC-3000 氣相色譜儀，快速準(zhǔn)確地分析食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)組分。該氣相色譜儀配備有二閥四柱系統(tǒng)，同時(shí)配備了三個(gè)定量管、二個(gè)FID 檢測(cè)器可以自動(dòng)合并，從而實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地分析出食品添加劑二氧化碳中各雜質(zhì)組分。采用外標(biāo)法確定了食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)組分的保留時(shí)間，很好的實(shí)現(xiàn)了定性分析。該方法可以通過一次性進(jìn)樣，快速的準(zhǔn)確的分析食品添加劑二氧化碳中的總烴、一氧化碳、甲烷、環(huán)氧乙烷、甲醇、乙醛、氯乙烯、苯含量，且分析方法線性度良好，精密度較高，與現(xiàn)行國(guó)標(biāo) 《GB1886.228-2016 食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑二氧化碳》檢測(cè)方法，使用4 臺(tái)甚至更多儀器設(shè)備來檢測(cè)，提高了工作效率。

該方法適用于食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)的測(cè)定，為食品添加劑二氧化碳中雜質(zhì)分析提供了一種新的快速分析手段。該方法成本低，符合國(guó)家提倡的綠色和環(huán)保方向。