食品中金屬形態(tài)分析技術(shù)研究進(jìn)展

人體所需的2-1種礦產(chǎn)元素大多是金屬元素，包括常量元素（鈣、鎂、鉀、鈉）和微量元素（鐵、鉻、錳等）。鎘、鉛、砷、汞等是對(duì)人體有害的重金屬。金屬元素的攝入和吸收狀況對(duì)人體的營(yíng)養(yǎng)健康和安全有至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)代研究認(rèn)為,元素的形態(tài)不同,對(duì)機(jī)體的生物利用率不同。考察金屬元素對(duì)人體的營(yíng)養(yǎng)或毒性作用最直接是通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和毒理學(xué)實(shí)驗(yàn),但金屬元素的形態(tài)從根本上決定了它的生物利用性,可對(duì)其形態(tài)分析,間接考察其生物效用?！靶螒B(tài)”包含狀態(tài)(state)、形式(form)和物種(species)的意思。根據(jù)形態(tài)層次不同可分為六組:溶解態(tài)和非溶解態(tài)、膠態(tài)和非膠態(tài)、有機(jī)態(tài)和無(wú)機(jī)態(tài)、離子態(tài)和非離子態(tài)、絡(luò)合態(tài)和非絡(luò)合態(tài)以及價(jià)態(tài)。也可依照分離或測(cè)定手段劃分形態(tài),如在螯合樹脂分離時(shí)分為“穩(wěn)定態(tài)”和“不穩(wěn)定態(tài)”,陽(yáng)極溶出伏安法(ASV)測(cè)定中分“活性態(tài)”和“非活性態(tài)”等。形態(tài)分析可分三個(gè)層次:初級(jí)形態(tài)分析,旨在考察該成分的溶解情況,相當(dāng)于區(qū)分溶解態(tài)和非溶解態(tài),部分有機(jī)態(tài)和無(wú)機(jī)態(tài);次級(jí)形態(tài)分析,進(jìn)一步區(qū)分有機(jī)態(tài)和無(wú)機(jī)態(tài)、離子態(tài)和非離子態(tài)、絡(luò)合態(tài)和非絡(luò)合態(tài);高級(jí)形態(tài)分析,指對(duì)各種形態(tài)在分子水平上研究,確定溶液中的絡(luò)合物組成、離子的電荷、元素的價(jià)態(tài)及各種成分的優(yōu)勢(shì)分布等。食品來(lái)源豐富,種類繁多,成分復(fù)雜,金屬元素在食品中的形態(tài)也不盡相同。金屬形態(tài)分析技術(shù)包括化學(xué)分析技術(shù)、濾膜過濾技術(shù)、離子交換樹脂技術(shù)、電化學(xué)分析技術(shù)、色譜分析技術(shù)、毛細(xì)管電泳技術(shù)等。1分析技術(shù)在食品金屬形態(tài)分析中的應(yīng)用主要包括化學(xué)逐級(jí)提取技術(shù)、化學(xué)沉淀技術(shù)和濁點(diǎn)萃取技術(shù)。對(duì)不同形態(tài)金屬的定量測(cè)定利用原子吸收等檢測(cè)技術(shù)。1.1不同提取方法對(duì)土壤中金屬元素的認(rèn)識(shí)該法依賴化學(xué)試劑對(duì)不同形態(tài)的金屬元素溶解能力,采用各種不同的提取劑對(duì)食品中金屬形態(tài)進(jìn)行逐級(jí)提取或分離,更早應(yīng)用在土壤和環(huán)境研究領(lǐng)域。1979年,Tessier等提出了基于沉淀物中重金屬形態(tài)分析的五步靜態(tài)逐級(jí)提取法,提取劑依次為:MgCl2、醋酸/醋酸鹽、NH2OHHCl/HOAC、HNO3、HF,提取的金屬形態(tài)分別為:可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)、氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘余態(tài)。1993年UreAM等提出了三步提取BCR法,并增加了殘余態(tài)金屬形態(tài)的提取。1999年,GRauret等對(duì)BCR法作了修正。關(guān)于Tessier法和BCR法在分析金屬形態(tài)方面的作用和存在的問題,李非里等已作了比較詳細(xì)的總結(jié),這里不再詳述?；瘜W(xué)逐級(jí)提取法最初用于分析土壤中金屬形態(tài),但對(duì)于食品中金屬形態(tài)的分析有很好的借鑒和參考價(jià)值。研究者在分析食品中金屬形態(tài)時(shí),常用該法。龔云池等采用無(wú)離子水,lN氯化鈉,2%醋酸和5%鹽酸4種提取劑連續(xù)提取,測(cè)定梨果實(shí)中不同形態(tài)鈣的含量,提取鈣量占全鈣量的90.5%~93.5%。湯秀梅等依次采用水浸提、鹽酸提取和硝酸硝化,分析滇池周圍5種蔬菜中鈣、鋁元素形態(tài),發(fā)現(xiàn)不同種類的蔬菜中鈣、鋁的溶出量不同,可溶性游離鈣及無(wú)機(jī)鈣比有機(jī)鈣多;而鋁則相反。曾志將等分析了油菜花等4種花粉中Fe、Zn、Cu、Mn可溶性糖類結(jié)合態(tài)和脂肪結(jié)合態(tài)含量及形態(tài)分布?？扇苄蕴穷愑?5%的乙醇提取,脂肪結(jié)合態(tài)用鹽酸、乙醚、石油醚提取。結(jié)果表明:可溶性糖類結(jié)合態(tài)Cu含量分布最高,平均達(dá)34.070%;Mn元素的可溶性糖類結(jié)合態(tài)和脂肪結(jié)合態(tài)含量都很低,僅為0.172%~3.325%。齊璐璐等參照Tessier連續(xù)靜態(tài)浸提法,分析發(fā)現(xiàn)燉肉中有機(jī)鋁比例最大,穩(wěn)定有機(jī)鋁占總鋁量的15.2%,活性有機(jī)鋁占23.3%,不穩(wěn)定有機(jī)鋁約為32.6%;無(wú)機(jī)鋁主要以Al(OH)3形式存在,約占27.8%,無(wú)機(jī)單核態(tài)鋁含量很小,僅占0.9%。何蓉等依次用80%乙醇、蒸餾水、1N氯化鈉、2%醋酸和0.6N鹽酸作為提取劑,分析了云南12種豆科灌木飼料中主要鈣形態(tài),有8種可利用鈣的比率大于29%。劉劍鋒等研究了黃花梨經(jīng)浸鈣處理后,果實(shí)鈣形態(tài)轉(zhuǎn)變。分別用去離子水、lmol/LNaC1、2%醋酸、5%鹽酸逐步提取,結(jié)果顯示:梨果實(shí)中的NaCl溶性鈣最多,其次是水溶性鈣,醋酸溶性鈣和HCl溶性鈣含量較少。1.2蛋白鈣、蛋白鎂的形態(tài)分析方法化學(xué)沉淀技術(shù)是指在溶液樣品中,加入特定的沉淀劑,使對(duì)某一形態(tài)金屬或金屬?gòu)?fù)合物沉淀并分離,再利用檢測(cè)儀器測(cè)定其含量。該法同時(shí)也可達(dá)到痕量元素預(yù)富集的目的,便于定量檢測(cè)。郭文彬等經(jīng)三氯乙酸沉淀分離牛乳,吸取上清液稀釋,用標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定游離鈣、游離鎂含量。用差減法計(jì)算蛋白鈣、蛋白鎂含量。建立牛乳中蛋白鈣與游離鈣、蛋白鎂與游離鎂的形態(tài)分析方法。曾志將等用水提取鹽析沉淀法研究了油菜、玉米、茶及蓮花粉4種花粉中微量元素Fe、Zn、Cu、Mn的蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)含量及形態(tài)分布。試驗(yàn)得出提取蛋白質(zhì)的最優(yōu)方案,花粉中Fe元素蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)含量分布最高,平均達(dá)41.44%;Mn元素次之,平均為20.83%;Zn、Cu元素的蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)平均含量分別為18.19%和16.83%。XTang等用氫氧化鑭共沉淀,結(jié)合聚四氟乙烯樹脂和原子熒光技術(shù)研究Se(IV)含量,RSD值為1.2%,精度極高。MTuzen等用氫氧化鎂共沉淀和原子吸收聯(lián)用對(duì)食品(牛奶、紅酒和啤酒)中的硒(IV)分離和形態(tài)研究,相對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為6%和10%。1.3濁點(diǎn)萃取富集法濁點(diǎn)萃取(cloud-pointextraction)是一種新興的環(huán)保型液液萃取技術(shù),它以表面活性劑的濁點(diǎn)現(xiàn)象為基礎(chǔ),通過改變外界條件,使表面活性劑溶液發(fā)生相分離,從而一步完成樣品的萃取和富集。濁點(diǎn)萃取法已成功地用于金屬螫合物、生物大分子的分離純化以及環(huán)境樣品的預(yù)處理。YuLiping分析魚樣品中汞的形態(tài),采用濁點(diǎn)萃取富集。在0.04%(W/V)二硫代氨基吡咯烷甲酸銨(APDC),0.08%(W/V)非離子表面活性劑TritonX-114,pH3.5的溶液中濁點(diǎn)萃取富集甲基汞(MeHg),乙烷汞(EtHg),苯汞(PhHg)和汞離子Hg(II),富集因子分別為29、43、80和98。Tang在用電熱原子吸收光譜(ETAAS)測(cè)定水中As(III)時(shí)用濁點(diǎn)萃取法進(jìn)行預(yù)富集。用二硫代氨基吡咯烷甲酸銨(APDC)絡(luò)合As(III),離心后,用非離子表面活性劑TritonX-114濁點(diǎn)萃取,富集因子為36。2濾膜分析中金屬酶的變化游離的金屬離子和一些不穩(wěn)定的簡(jiǎn)單絡(luò)合物在粒度大小上與穩(wěn)定的有機(jī)絡(luò)合物和膠體絡(luò)合物差異懸殊,可達(dá)幾百納米,因此,可以根據(jù)金屬對(duì)濾膜的透過性能分離不同粒度的金屬。目前,多用0.45μm微孔濾膜來(lái)分離可溶態(tài)和不溶態(tài)(懸浮態(tài))金屬。對(duì)于人體必需的礦物元素而言,可溶態(tài)往往比不溶態(tài)更利于人體吸收;而對(duì)于重金屬而言,可溶態(tài)往往毒性大于不溶態(tài)。因此,濾膜分析在一定程度上可以判斷金屬的生物效用。濾膜分析也有缺點(diǎn),除了膜的價(jià)格昂貴影響其廣泛使用外,膜對(duì)金屬的吸附也影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確。目前國(guó)內(nèi)外濾膜分析中使用較多的是0.45μm濾膜。李愛紅等分離中草藥黨參中可溶態(tài)Cu、Mn、Fe、Zn;黃國(guó)清等分離食用花卉(芙蓉花、菊花、金銀花)中可溶態(tài)Fe;胡雪梅等提取中藥川芎中可溶態(tài)鋅、錳、鐵、鈣、鎂;陳戰(zhàn)國(guó)等分離烏梅水煎液中可溶態(tài)鐵、鋁、錳、鎂、鈣、鋇;仇佩虹等提取馬蹄金中可溶態(tài)鐵、鈣、鎂、銅、鋅、錳、鎳,都是用0.45μm濾膜。AnthonyJ等用超濾法對(duì)紅酒和白酒中以不同粒度大小存在的鉛、銅、鐵、鋁、鈣、鉀和鈉進(jìn)行分級(jí)時(shí),首先采用0.45μm的醋酸纖維膜過濾,再選擇不同的Amicondisc膜研究濾液中不同金屬的粒度分布。3有機(jī)溶劑樹脂利用離子交換樹脂分離不同形態(tài)金屬?gòu)?fù)合物是根據(jù)其吸附能力的差異。離子交換樹脂用于分離穩(wěn)定態(tài)和不穩(wěn)定態(tài)金屬絡(luò)合物(復(fù)合物),原則是:當(dāng)濾液中的金屬絡(luò)合物(復(fù)合物)穩(wěn)定常數(shù)小于這些金屬與樹脂上功能團(tuán)絡(luò)合物的穩(wěn)定常數(shù)時(shí),它們進(jìn)入樹脂后發(fā)生配位體交換被截留;而本身穩(wěn)定常數(shù)大的絡(luò)合物(復(fù)合物)則穿過樹脂柱。對(duì)于食品中金屬形態(tài)分析是,研究者常常是選擇合適類型的樹脂株,分離可溶性無(wú)機(jī)態(tài)金屬(不穩(wěn)定態(tài))和有機(jī)態(tài)金屬(穩(wěn)定態(tài))。AmberliteXAD-2大孔網(wǎng)狀樹脂用于食用花卉(芙蓉花、菊花、金銀花)水煎液中微量元素Fe可溶性有機(jī)態(tài)和無(wú)機(jī)態(tài)的分離和中藥川芎中可溶態(tài)鋅、錳、鐵、鈣、鎂有機(jī)態(tài)和無(wú)機(jī)態(tài)的分離;D402大孔苯乙烯系螯合樹脂可分離烏梅水煎液中可溶態(tài)鐵、鋁、錳、鎂、鈣、鋇的有機(jī)態(tài)和無(wú)機(jī)態(tài);D101大孔樹脂可用于分離馬蹄金中可溶態(tài)鐵、鈣、鎂、銅、鋅、錳、鎳的有機(jī)態(tài)和無(wú)機(jī)態(tài)。也有報(bào)道,用LSA-10吸附樹脂分離中草藥黨參中可溶態(tài)Cu、Mn、Fe、Zn的無(wú)機(jī)態(tài)和有機(jī)態(tài)。4過膜和陽(yáng)極溶出伏安法用于元素形態(tài)分析的電化學(xué)方法主要有極譜法、循環(huán)伏安法、溶出伏安法、離子選擇性電極電位分析等,溶出伏安法具有靈敏度高、選擇性好和工作電極多樣化的優(yōu)點(diǎn)適于痕量金屬的形態(tài)分析,是近年來(lái)發(fā)展最快的方法。溶出伏安法包括陽(yáng)極溶出伏安法和陰極溶出伏安法。陽(yáng)極溶出伏安法(ASV)用于分析食品中金屬形態(tài)較多,并可以判斷重金屬毒性,原理是:有害金屬元素能否透過細(xì)胞膜并在生物體內(nèi)蓄積是決定其毒性高低的關(guān)鍵因素之一,溶液中能透過細(xì)胞膜的金屬是毒性形態(tài),非脂溶性金屬絡(luò)合物在膜表面分解成金屬離子而透過膜,蓄積在生物體內(nèi),該過程與陽(yáng)極溶出伏安法中金屬絡(luò)合物在擴(kuò)散層界分解成金屬,穿過擴(kuò)散層而蓄積在電極上,測(cè)定其含量的過程相似。可以認(rèn)為用陽(yáng)極溶出伏安法(ASV)測(cè)得的金屬形態(tài)為“活性態(tài)”,其它為“非活性態(tài)”。因此,“活性態(tài)”金屬有較高的生物活性,人體比較容易吸收。陽(yáng)極溶出伏安法已被用于Pb、Cr、Cu等多種金屬的毒性形態(tài)分析,而且分析結(jié)果與生物試驗(yàn)所獲得的金屬毒性具有較好的一致性。陽(yáng)極溶出伏安法不用進(jìn)行試樣形態(tài)分離即可測(cè)元素總量又可進(jìn)行元素形態(tài)分析,但常會(huì)因一些表面物質(zhì)吸附在電極表面,嚴(yán)重干擾測(cè)定,Florence等使用兩步酸化法對(duì)測(cè)定過程進(jìn)行優(yōu)化,消除干擾。NevenkaMikac等用微分脈沖陽(yáng)極溶出伏安法來(lái)測(cè)定貝類和水體中烷基鉛含量,結(jié)果與使用氣相色譜-原子吸收光譜聯(lián)用的方法結(jié)果基本一致。GDugoL等發(fā)明了演變陽(yáng)極溶出電位分析法(dASCP),選擇黃金膜電極,分析飲料、茶水、咖啡和礦泉水中無(wú)機(jī)砷的形態(tài),分析As(III)無(wú)需樣品預(yù)處理和脫氧,測(cè)定As(V)只需用KI還原為As(III)即可。測(cè)量準(zhǔn)確,不受Cd、Cu、Pb、Zn和其他有機(jī)物干擾。用陽(yáng)極溶出伏安法可以判斷重金屬毒性還存在一定局限性。其一,金屬離子通過擴(kuò)散層的過程不能完全模擬金屬元素通過人體生物膜的過程。其二,陽(yáng)極溶出伏安法無(wú)法區(qū)分并測(cè)定各種不同形態(tài)的有害金屬含量,只能測(cè)定出樣品中一大類金屬形態(tài)的含量,且不能夠?qū)Ｒ恍缘貐^(qū)分出對(duì)生物體毒性很大的脂溶性金屬絡(luò)合物的數(shù)量。特別指出,對(duì)于Cr、Fe、As等變價(jià)金屬元素因價(jià)態(tài)不同,其生物學(xué)效應(yīng)不同,用電化學(xué)分析法對(duì)這類元素進(jìn)行形態(tài)分析已有相關(guān)總結(jié)。5高效質(zhì)譜檢測(cè)技術(shù)色譜法是利用各物質(zhì)在兩相中具有不同的分配系數(shù),當(dāng)兩相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),這些物質(zhì)在兩相中進(jìn)行多次反復(fù)的分配達(dá)到分離的目的。色譜法對(duì)不同化學(xué)形態(tài)的金屬具有較強(qiáng)的分離能力,是當(dāng)前應(yīng)用最多的分析技術(shù)。不同化學(xué)形態(tài)的金屬,理化性質(zhì)不同,色譜分離的條件(柱型、流動(dòng)相、pH等)也不盡相同。分析食品中金屬形態(tài)時(shí),高效液相色譜(HPLC)是應(yīng)用最多的色譜,包括尺寸排阻色譜(SEC)、離子交換色譜(IEC)、鍵合相色譜(BPC)等;在分析金屬形態(tài)時(shí),通常與原子吸收光譜(AAS)、原子熒光光譜(AFS)、電感耦合等離子質(zhì)譜(ICP-MS)、氫發(fā)生技術(shù)(HG)等技術(shù)聯(lián)用,以提高檢測(cè)限。劉桂華通過HPLC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)初步探討了紫菜中砷的形態(tài),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2個(gè)未知形態(tài)色譜峰;該技術(shù)具有分離效果好,靈敏度高,耗樣量少,速度快,線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。BermejoP等采用分子排阻色譜和火焰原子吸收光譜(SEC-FAAS)聯(lián)用分析母乳和嬰兒配方乳乳清中低分子蛋白鋅,檢測(cè)限為2.6μg/ml,RSDs<=10%。Santha等用陽(yáng)離子交換色譜-電感耦合等離子質(zhì)譜(SCX-HPLC-ICP-MS)聯(lián)用技術(shù)分析蕓薹葉中硒復(fù)合物形態(tài),發(fā)現(xiàn)主要以蛋氨酸甲基硒和半胱氨酸甲基硒(MeSeCys)形態(tài)存在,蛋氨酸甲基硒(SeMet)很少。Miquel等用AE-HPLC-MS-FASS聯(lián)用技術(shù)分析了牛奶中酪蛋白磷酸肽中鈣、鐵、鋅的形態(tài)分布。BinLi等采用分子排阻色譜-電感耦合等離子質(zhì)譜(SEC-ICP-MS)分析了南極鱗蝦水提物中銀、砷、鎘、鉻、銅、鎂、鎳、鉛、鋅等不同分子量金屬?gòu)?fù)合物的元素分布。Oscar等采用LC-UV-HG-AFS聯(lián)用技術(shù)探討了在線檢測(cè)分析牛奶中硒形態(tài),對(duì)SeCyst2、Se(IV)、SeMet和Se(VI)檢測(cè)限分別為0.4、0.5、0.9和1.0μg/L。此外,超臨界CO2配合萃取(supercriticalCO2chelatingextraction,SCCE)技術(shù)和固相萃取技術(shù)也用于食品中金屬形態(tài)的分析。色譜分離技術(shù)與ICP-MS等技術(shù)聯(lián)用可以提高金屬不同化學(xué)形態(tài)的檢測(cè)靈敏度,是目前分析金屬形態(tài)的常用手段。6毛細(xì)管電泳法毛細(xì)管電泳(CE)具有樣品用量少