GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》的关键问题探讨及方法优化
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AI摘要
水分含量是食品加工和保存过程中的关键参数。食品中水分含量过高容易导致微生物滋生而缩短保质期[1][2];水分含量过低则可能影响食品的质地和口感[3][4]
摘要由作者通过智能技术生成水分含量是食品加工和保存过程中的关键参数。食品中水分含量过高容易导致微生物滋生而缩短保质期[1][2];水分含量过低则可能影响食品的质地和口感[3][4][5],同时食品水分含量的改变还会引起营养素及有害物质浓度的变化,即同一食品可因水分的改变造成其他项目测定数据上的较大差异。因此,水分含量的测定对于监控生产过程中的水分变化、优化产品配方和提高产品质量至关重要[6][7][8]。
目前,食品中水分含量检测主要有直接检测法和间接检测法[9]。直接检测法是基于食品在受热条件下水分自身游离易丢失的原理,如烘箱干燥法、红外线干燥法、卤素灯干燥法等[10][11][12];间接检测法是利用水的化学反应或者水中的光折射、吸收、氢原子自旋、电磁波衰减等物理信号的变化来测定,如卡尔·费休法[13][14]、蒸馏法、阿贝折射法、近红外光谱法[15][16][17][18]、低场核磁共振法[19][20]等。
我国现行有效的食品中水分测定相关的方法标准主要有GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》、GB/T 20264—2006《粮食、油料水分两次烘干测定法》、GB/T 26626—2011《动植物油脂水分含量测定卡尔·费休法(无吡啶)》等。其中GB 5009.3—2016是强制性标准,包括直接干燥法、减压干燥法、蒸馏法和卡尔·费休法等4个方法。这4个方法在实际应用中仍存在一些问题,例如干燥法中反复烘干难以达到恒重[21]、蒸馏法中甲苯、二甲苯及卡尔·费休法中含吡啶的卡尔·费休试剂有毒有害等[22][23][24][25][26]。本研究结合实验和数据对4个方法中的相关细节问题进行讨论和分析,并提出了合理化建议,为提高该标准在实际检测工作中的可操作性提供参考。
1材料与方法
1.1材料与试剂
食品样品采购于武汉市的超市和农贸市场。玉米粉质控样(编号CFAPA-QC987B-1,标准值11.975 g/100 g,大连中食国实检测技术有限公司)。
甲苯、二甲苯、卡尔·费休试剂(含吡啶)、卡尔·费休试剂(无吡啶)、无水氯化钙(分析纯,国药集团化学试剂有限公司)。
1.2仪器与设备
DHG-9143BS-Ⅲ型电热恒温干燥箱(上海新苗医疗器械制造有限公司);DZF-6020A型真空干燥箱(上海力辰科技有限公司);ZDJ-600S型全自动高精度滴定仪;AL204型电子天平(精度0.01 mg,瑞典梅特勒-托利多公司);Milli-Q去离子水发生器(美国Millipore公司)。
1.3试验方法
样品中水分含量测定参照GB 5009.3—2016进行。
1.4数据处理
所有数据均表示为同一批样品平行检测6次的平均值。实验室数据采用Microsoft Excel 2010对数据进行归类、分析和计算;采用IBM SPSS Statistics 25.0进行成对样品t检验统计分析;采用Microsoft Excel 2010软件绘图。
2结果与分析
2.1干燥法中反复烘干难以达到恒重的问题
干燥法规定样品在烘箱内干燥的时间为2～4 h,取出冷却后称量,然后再干燥至恒重(前后两次质量差不超过2 mg)。该方法在实际使用过程中,有实验室人员反映“存在难以达到恒重、需反复烘干、导致实验时间过长”等问题。本研究从样品温度、冷却时间长短、样品粉碎程度等方面来探索影响恒重的关键因素,达到提高检测效率的目的。
2.1.1样品温度的影响
对于高精度电子天平,温度是影响天平准确度的重要因素[27][28]。样品在烘箱内干燥后仍处于高温状态,若直接称量会由于高温导致电子天平不稳定,从而出现数值漂移,难以达到恒重。因此,加热干燥后的样品应在干燥器内冷却至室温后再称量。
2.1.2冷却时间长短的影响
围绕加热干燥后的样品在干燥器内冷却时间的长短研究,解决样品难以达到恒重的问题。
准确称取3 g玉米粉质控样品经过干燥4 h后,在干燥器内冷却10 min、15 min、20 min、30 min、40 min、1 h后称量。结果显示,当冷却时间小于15 min时,称量瓶还处于微热状态,称量时天平显示数值还不稳定;当冷却时间为20 min时,称量瓶已经冷却至室温状态,称量时天平数值显示稳定。因此,冷却时间至少需要20 min。
同时考察了当干燥器内湿度小于10%时,准确称取3 g玉米粉质控样品经过干燥4 h冷却30 min后称量,再继续干燥1 h后将样品放在干燥器内冷却30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、16 h、96 h、192 h、288 h后称量,连续两次干燥后称量的质量差的变化。结果如图1所示,当冷却时间低于2 h时,连续两次干燥后称定的质量差在2 mg内;当冷却时间高于2 h时,连续两次干燥后称定的质量差大于2 mg。这主要是因为干燥器内也并非是一个绝对干燥的环境,变色硅胶经过了烘干处理,使干燥器内的湿度小于10%,当经过干燥处理的样品放入干燥器内,会对干燥器中的水分进行一个再吸附再平衡,放置时间(也就是冷却时间)越长,可能导致样品中的水分在增加[29]。
图1 干燥器内冷却时间对恒重的影响
Fig.1 Effects of cooling time inside the dryer on constant weight
因此,为了确保恒重,同时满足节约时间、提高检测效率的目的,建议干燥后样品的冷却时间严格控制在30 min。
2.1.3样品粉碎程度的影响
GB 5009.3—2016中直接干燥法要求样品的干燥时间为2～4 h,影响干燥时间的差别主要因素是样品粉碎后的粒径不同导致水分挥发速度不同[30]。本研究考察了玉米粉、茶叶和猪肉脯干在不同的干燥时间里对水分含量和恒重的影响情况。玉米粉、茶叶和猪肉脯干的粒径分别约为0.1、0.5、2.0 mm。准确称取3 g样品在103℃下分别干燥0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 h后,放入干燥器内冷却30 min后称量。结果如图2所示,玉米粉、茶叶、猪肉脯干干燥时间分别为2.0、3.0、4.0 h时,样品再次干燥后的质量差小于2 mg,即已达到恒重。对于粒径大一些的猪肉脯干和茶叶,样品内部水分难以挥发导致水分挥发的速度相对要慢一些,达到恒重需要的时间要长。
图2 干燥时间对恒重的影响
Fig.2 Effects of drying time on constant weight
同时考察了不同粒径的猪肉脯干在不同的干燥时间里对水分含量和恒重的影响情况。准确称取粒径分别为2、4、6、8 mm的猪肉脯干颗粒,在103℃下分别干燥1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 h后,放入干燥器内冷却30 min后称量。结果如图3所示,粒径越大,猪肉脯干中水分的挥发速度越慢,即达到恒重需要的时间越长。因此,样品粒径也是影响干燥时间和恒重的重要因素。在样品制备过程中应尽可能将样品粉碎或研磨至细小颗粒状,对于无法粉碎到更小粒径的食品基质应适当的延长首次干燥时间,以减少复烘的次数。
图3 同一样品不同粒径对恒重的影响
Fig.3 Effects of different particle sizes of the same sample on constant weight
2.2减压干燥法实验条件的优化
GB 5009.3—2016规定,减压干燥法的原理是在真空干燥箱达到一定压力(40～53 k Pa)后加热至60℃±5℃下将样品中的水分去除。直接干燥法是在101.3 k Pa,温度101～105℃条件下加热样品将水分去除。理论上适用于直接干燥法的样品(如奶粉、玉米粉、淀粉等,这3种基质均为粒径小于2 mm的均匀粉末状颗粒物,基质中不含挥发性成分,且含糖量低),用减压干燥法测出的水分含量应与直接干燥法测出的结果一致,但在实际操作过程中,发现减压干燥法测定的结果均低于直接干燥法测定结果的20%左右。说明在压力为40～53 k Pa下加热至60℃±5℃,样品中的水分并没有完全被去除。同时,在温度为60℃±5℃下,真空干燥箱内的空气并不是绝对的干燥环境,当样品中的水分含量与真空干燥箱内的水分含量一致时,将达到一个水分平衡状态,样品中的水分将无法继续被去除。这是导致测定结果偏低的主要原因。
为了优化减压干燥法的实验条件,选取奶粉、玉米粉、马铃薯淀粉3种样品采用减压干燥法进行不同压力下和在有干燥剂的情况下测定水分的含量的试验比较,同时用直接干燥法测定3种样品的水分含量。结果如表1所示,当采用减压干燥法测定3种基质的水分时,按照GB5009.3—2016标准中减压干燥法规定的压力设置为50 k Pa时,测得的水分含量仅为直接干燥法的80%左右;当压力设置为–0.1 MPa时,测得的水分含量仅为直接干燥法的90%左右;当压力设置为–0.1 MPa,同时在真空干燥箱中加入无水氯化钙干燥剂时,测得的水分含量为直接干燥法的95%左右。结果说明,减压干燥法在压力为40～53 k Pa下不足以把样品中的水分全部去除;当把真空干燥箱中的压力调到最大值–0.1 MPa时,样品中的水分也仅90%被去除;当压力设置为–0.1 MPa,同时在真空干燥箱内放入烘烤过的干燥剂时,样品中的水分有近95%被去除。因此,建议减压干燥法的压力应设置为–0.1 MPa,并在真空干燥箱内加入有效干燥剂。
2.3蒸馏法实验条件的优化
蒸馏法中使用的试剂为分析纯的甲苯或二甲苯,方法中要求先对甲苯或二甲苯用水饱和后,分去水层,再进行蒸馏,收集馏出液后备用。这两种试剂毒性较大,短期吸入对眼及上呼吸道有刺激作用,高浓度时对中枢神经系统有麻醉作用。根据GB/T 684—2023《化学试剂甲苯》和GB/T 16494—2013《化学试剂二甲苯》中的技术要求,分析纯的甲苯和二甲苯的纯度要求分别为≥99.5%和≥99.0%,水分含量均要求≤0.03%。本研究对分析纯甲苯和二甲苯进行了试剂空白检测(n=6),因试剂中的含水量极低,没有在水分接收管中接收到水分。同时考察了用蒸馏提纯过的二甲苯和未提纯过的二甲苯测定7种水果制品中的水分含量,结果如表2所示,未提纯和提纯过的分析纯二甲苯试剂测定7份样品中的水分结果的相对偏差为–1.36%～0.55%,采用SPSS软件对2组数据进行t检验分析,P>0.05,表明未提纯和提纯过的分析纯二甲苯试剂测定样品中的水分结果无显著性差异。因此,建议分析纯的甲苯或二甲苯可不必采用蒸馏提纯的步骤,既简化了实验步骤,又可尽量减少检测人员接触甲苯或二甲苯试剂的时间。
表1 不同压力下测得的水分含量
Table 1 Moisture content measured under different pressures
表2 提纯和未提纯的分析纯二甲苯对样品中水分含量的影响
Table 2 Effects of purified and non-purified analytical-grade xylene on the moisture content in the sample
2.4卡尔·费休法实验条件的优化
卡尔·费休法中使用的是含吡啶的卡尔·费休试剂,该试剂主要是由碘、二氧化硫、吡啶和甲醇组成的溶液,吡啶在其中起催化作用。但是吡啶挥发性极强,具有强烈的刺激性气味和毒性。现有研究发现采用无臭、无毒的咪唑类含氮氨碱或二乙醇胺可以替代吡啶官能团的作用[13][14]。本研究考察了含吡啶和无吡啶的卡尔·费休试剂对油脂和无水奶油中水分含量测定结果的影响,重复测定6次,评价采用无吡啶卡尔·费休试剂检测水分含量的精密度,同时评价含吡啶和无吡啶的卡尔·费休试剂的测定结果的差异性。结果如表3所示,采用无吡啶的卡尔·费休试剂测定样品中的水分含量的RSD为1.23%～1.38%,精密度良好。通过SPSS软件,对无吡啶的卡尔·费休试剂和含吡啶的卡尔·费休试剂的测定结果进行t检验分析,结果显示两种试剂对检测结果无显著性差异,即P>0.05。因此,建议卡尔·费休法采用无吡啶的卡尔·费休试剂来替代含吡啶的卡尔·费休试剂,以减少检测过程中有毒试剂对检测人员的身体伤害。
表3 含吡啶和无吡啶卡尔·费休试剂对样品中水分含量的影响(n=6)
Table 3 Effects of Karl Fischer reagent with and without pyridine on the moisture content in the sample (n=6)
注:相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)。
3结论
通过对GB 5009.3—2016标准中4个方法的操作步骤中的关键点及实验条件进行研究,形成以下建议:(1)对于直接干燥法,一是将样品粉碎或研磨至细小颗粒状或适当延长首次干燥时间,以减少复烘的次数;二是严格控制烘干后的样品放在干燥器内的冷却时间(30 min),以快速达到恒重;(2)为了快速将食品中的水分挥发出来,建议减压干燥法将真空度提高到–0.1 MPa,并在干燥箱内加入有效干燥剂;(3)蒸馏法中的分析纯甲苯或二甲苯可删除试剂的制备提纯过程,卡尔·费休法中采用毒性低的无吡啶卡尔·费休试剂,以减少有毒有害试剂对实验人员身体和环境的危害。这些合理化建议增加了该标准的可操作性,提高了实验室的检测效率,为该标准的进一步修订提供了技术支持。