基于兩種化學振蕩體系檢測奶粉中鈣含量

馬永杰，卞雨淼，包洪亮，王瑞杰，李滿滿，胡雪靜

1. 洛陽師范學院食品與藥品學院（洛陽 471934）；2. 洛陽師范學院數學科學學院（洛陽 471934）

鈣參與人體整個生命過程，是人體中重要的營養(yǎng)素之一。每日攝入足夠鈣量，對維持人體正常的新陳代謝及增強人體對生活環(huán)境的適應力具有十分重要的作用。奶粉作為大眾消費食品，其中鈣含量較高，有利于人體吸收和利用，從而深受嬰幼兒及老年人的青睞。目前，對于奶粉中鈣含量的檢測技術，已經有許多方法被研究，如鈣離子選擇性電極法[1]、拉曼光譜法[2]、化學滴定法及火焰原子吸收分光光度法。這些方法在使用過程中，均需對樣品進行復雜的前預處理，同時操作較繁瑣?；诖耍剿饕环N既簡單、快速，樣品又無須復雜前處理的方法來測定奶粉中固有的鈣含量是十分必要的。

B-Z（Belousov & Zhabotinsky，B-Z）化學振蕩反應現象的發(fā)現，為非線性化學反應現象的深入研究提供了必要條件[3]，使得化學振蕩反應因具有動力學特性而得到快速發(fā)展。目前，國內外學者已經對化學振蕩的反應機理[4-5]和應用[6-8]進行了研究，并且許多研究成果已被報道[9-14]。此次試驗以硫酸-硫酸鈰銨-溴酸鈉-溴化鈉-丙二酸（簡稱體系Ⅰ）和硫酸-硫酸錳-溴酸鈉-溴化鈉-丙酮（簡稱體系Ⅱ）為兩個化學振蕩體系，采用最小二乘法，建立特征參數與奶粉中鈣的總含量的定量評價模型，從而實現對嬰幼兒配方奶粉中固有鈣含量的測定與定量分析。

1 試驗部分

1.1 材料與試劑

試驗用奶粉樣品，6種品牌嬰幼兒配方奶粉樣品分別為奶粉1#、奶粉2#、奶粉3#、奶粉4#、奶粉5#和奶粉6#，其中4#與1#是同品牌的不同批次，6#與2#是同品牌的不同批次。

1.00 mol/L硫酸、1.00 mol/L丙二酸、1.00 mol/L丙酮、0.01 mol/L溴化鈉、0.80 mol/L溴酸鈉、0.05 mol/L硫酸鈰銨、0.08 mol/L硫酸錳、鹽酸和碳酸鈣。所用試劑均為分析純，來自于天津市福晨化學試劑廠；試驗水為二次蒸餾水。

1.2 儀器與設備

MZ-1B-2型非線性化學指紋圖譜測定儀（湖南尚泰測控科技有限公司）；217型復合甘汞電極和213型金屬鉑電極（上海精密科學儀器有限公司）；BS 224 S型電子天平（上海精密科學儀器有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 奶粉標準樣品系列配制

奶粉標準樣品的配制：每個品牌的奶粉分別取3份，作為研究用的奶粉標樣，其中固有的鈣含量采用國標火焰原子吸收分光光度法測定。

體系Ⅰ奶粉標準樣品配制：取5份奶粉1#標樣于反應器中，每份樣品為0.9 g，分別加入0.003 2，0.010 2，0.017 9，0.025 4和0.032 7 g的碳酸鈣試劑，再依次加入25.00 mL硫酸、10.00 mL丙二酸、6.00 mL硫酸鈰銨溶液和15.00 mL蒸餾水。

體系Ⅱ奶粉標準樣品配制：取4份奶粉2#標樣于反應器中，每份樣品為0.9 g，分別加入0.026 4，0.035 2，0.042 7和0.050 4 g的碳酸鈣試劑，再依次加入25.00 mL硫酸、15.00 mL丙酮、15.00 mL硫酸錳溶液和10.00 mL蒸餾水。

1.3.2 標樣信息測定與回歸方程模型的建立

將上述5份體系Ⅰ奶粉標準樣品和4份體系Ⅱ奶粉標準樣品分別進行測試，儀器打開，反應器固定好后，蓋好反應器蓋。將恒溫系統(tǒng)溫度與攪拌速度分別設為50 ℃與800 r/min，點擊菜單，開始采集數據。當攪拌到3.00 min時，迅速用注射器加入5.00 mL 0.80 mol/L的溴酸鈉。記錄E-t曲線至電位E不再隨時間t變化為止。被測奶粉指紋參數最大振幅與波動周期由Matlab（Ver.7.11.2010b）軟件處理。采用最小二乘法，建立定量參數與奶粉中鈣的總含量之間的一元線性回歸模型。此次試驗中，奶粉中鈣的總含量等于奶粉中固有的鈣含量加奶粉中加入的鈣量。

1.3.3 未知試樣的測定

對于同一品牌不同批次奶粉，準確稱取0.9 g奶粉樣品和適量的碳酸鈣，一起放入反應器中，再依次加入不同的試劑，試劑的加入量如體系Ⅰ與體系Ⅱ奶粉標準樣品配制，采用1.3.2小節(jié)方法，測定指紋圖譜，通過Matlab軟件導出被測奶粉指紋圖譜的特征參數，如最大振幅與波動周期，通過所建立的一元線性回歸模型，計算奶粉中固有的鈣含量。

2 結果與討論

2.1 奶粉中固有鈣含量的測定方法研究

奶粉非線性化學指紋圖譜的基本信息、重現性及分析原理見文獻[9]。通過大量試驗發(fā)現，對于體系Ⅰ，奶粉中鈣的總含量在0.005 6～0.017 4 g之間，奶粉1#、奶粉3#、奶粉4#的圖譜特征參數最大振幅與相應奶粉中鈣的總含量之間均呈線性關系；對于體系Ⅱ，奶粉中鈣的總含量在0.022 7～0.032 3 g之間，奶粉2#、奶粉5#、奶粉6#的圖譜特征參數波動周期與相應奶粉中鈣的總含量之間均呈線性關系。當奶粉中鈣的總含量很低或很高時，指紋圖譜的最大振幅與波動周期的影響會偏離線性關系。

基于此，對于體系Ⅰ，需要奶粉中鈣總含量在0.005 6～0.017 4 g范圍內；對于體系Ⅱ，需要奶粉中鈣總含量在0.022 7～0.032 3 g范圍內。通過最小二乘法及最大振幅和波動周期與相應奶粉中鈣總含量之間的線性關系，可求出奶粉中固有的鈣含量。針對同一品牌不同批次的奶粉，通過擬合的線性回歸方程，同時滿足相應的特征參數最大振幅值與波動周期值，在相同條件下被測得，可以求出奶粉中固有的鈣含量。

2.2 奶粉中鈣的總含量對圖譜最大振幅與波動周期的影響

利用體系Ⅰ，奶粉1#中鈣總含量對圖譜最大振幅的影響見圖1。相應指紋圖譜分別在500～600 s時的部分波動曲線見圖1（b）。當奶粉中鈣總含量在0.005 6～ 0.017 4 g之間時，奶粉1#的圖譜參數信息的線性關系在最大振幅與相應奶粉中鈣總含量之間被建立，其回歸方程為ΔEmax=1.276 1（C0+ΔC）+0.001 6，相關系數R2為0.999 6，其中ΔEmax代表最大振幅，C0代表奶粉中固有的鈣含量，ΔC代表奶粉中加入的鈣含量。

利用體系Ⅱ，奶粉2#中鈣總含量對指紋圖譜波動周期的影響見圖2。相應指紋圖譜分別在2 000～ 2 200 s時的部分波動曲線如圖2（b）所示。當奶粉中鈣總含量在0.022 7～0.032 3 g之間時，奶粉2#的圖譜參數信息的線性關系在波動周期與相應奶粉中鈣總含量之間被建立，其回歸方程為τund=140.46（M0+ΔM）+ 12.022，相關系數R2為0.998 8，其中τund代表波動周期，M0代表奶粉中固有的鈣含量，ΔM代表奶粉中加入的鈣含量。

由圖1（b）和圖2（b）可知，隨著奶粉中鈣總含量的增加，相應的指紋圖譜的最大振幅與波動周期在逐漸變大。產生此現象的原因是隨著碳酸鈣加入量的增加，反應底物的組分發(fā)生改變，碳酸鈣含量對化學振蕩體系的抑制作用在減弱，最終導致相應的參數最大振幅與波動周期存在差異。以上信息對于測定奶粉中固有的鈣含量提供了非常必要的條件。

2.3 利用兩種化學振蕩體系對奶粉中固有鈣含量的測定

利用兩種化學振蕩體系，按照1.3小節(jié)方法，測定奶粉1#和奶粉2#的圖譜的特征參數最大振幅及波動周期，分別與相應奶粉中鈣總含量之間的線性關系，通過相應的線性方程，當奶粉中鈣的加入量ΔC或ΔM已知時，奶粉中固有的鈣含量C0與M0分別被求出，結果見表1與表2。由表1可知，相對標準偏差≤1.15%，通過這個數據說明該方法的精確度較高；回收率在95.92%～104.17%之間，進一步說明該方法的準確度較好。由表2可知，相對標準偏差≤1.31%，回收率在99.28%～101.46%之間，同樣證明該方法的精確度較高和準確度較好。試驗結果表明，采用化學振蕩體系，對奶粉中固有的鈣含量進行檢測與定量分析，方法可行。

圖1 體系Ⅰ中鈣的總含量對奶粉1#非線性化學指紋圖譜最大振幅的影響

圖2 體系Ⅱ中鈣的總含量對奶粉2#非線性化學指紋圖譜波動周期的影響

表1 利用體系Ⅰ測定奶粉中固有的鈣含量的結果

表2 利用體系Ⅱ測定奶粉中固有的鈣含量的結果

2.4 驗證試驗

為了驗證試驗的可操作性和可靠性，利用體系Ⅰ，取奶粉3#和奶粉4#，分別用適量的碳酸鈣去標定，奶粉3#和奶粉4#中鈣加入量分別為0.004，0.007和0.010 g，對每個樣品平行測定3次，檢測結果見表3。利用體系Ⅱ，取奶粉5#和奶粉6#，分別用適量的碳酸鈣去標定，奶粉5#和奶粉6#中鈣加入量分別為0.013 2，0.017 6和0.019 2 g，對每個樣品平行測定3次，檢測結果見表4。

表3 體系Ⅰ測定奶粉中固有的鈣含量的結果

表4 體系Ⅱ測定奶粉中固有的鈣含量的結果

結果顯示，采用化學振蕩體系測定奶粉中固有的鈣含量，其方法可行。方法的優(yōu)點在于長期保存的同一品牌奶粉標樣，可以用回歸方程來代替。針對檢測與奶粉標樣同一品牌不同批次的奶粉，通過化學振蕩體系，只要測出該品牌奶粉的圖譜信息，代入相應擬合的方程后，該奶粉的質量就可以被分析與鑒定。先前研究的“硫酸-硫酸錳-溴酸鈉-溴化鈉-丙酮”化學振蕩體系測定奶粉中固有鈣含量[15]，每個樣本檢測時間為6 000 s，而此次試驗所用體系每個樣本的檢測時間僅僅為900～1 400 s，相比較而言，樣本的檢測時間被縮短。因此，該方法可行并且在極大程度上縮短了檢測時間。

2.5 奶粉中固有鈣含量的檢測范圍

采用碳酸鈣標定法，向奶粉中加入一定量的鈣，采用體系Ⅰ，奶粉中鈣的總含量在0.005 6～0.017 4 g之間，可測定奶粉中固有的鈣含量。采用體系Ⅱ，奶粉中鈣的總含量在0.022 7～0.032 3 g之間，奶粉中固有的鈣含量被測定。GB 14880—2012中規(guī)定奶粉中固有鈣含量的范圍在0.003 0～0.007 2 g之間，因此，此次試驗方法基本能夠滿足奶粉中固有的鈣含量在0.003 0～ 0.007 2 g范圍時，相應奶粉中固有鈣含量的測定。 在此次試驗中，奶粉固有的鈣含量的檢測范圍為0.003 0～ 0.007 2 g。

3 結論

采用兩種化學振蕩體系，分別檢測奶粉中固有的鈣含量，在奶粉圖譜特征參數最大振幅及波動周期與奶粉中鈣的總含量之間建立線性關系，測定奶粉中固有的鈣含量。試驗結果表明，比較兩個體系，雖然都能測出奶粉中的固有鈣含量，但體系Ⅰ一個樣本的檢測時間為900～1 400 s，而體系Ⅱ的檢測時間為6 000 s，相比較而言，樣本的檢測時間被縮短，體系Ⅰ優(yōu)于體系Ⅱ。因此，此次試驗提出的化學振蕩體系檢測方法，精密度和準確度均較高，對于不同批次的同一品牌奶粉中固有的鈣含量，同樣可以進行檢測分析。此外，該方法為樣品中其他物質的測定提供了理論依據和新策略。