红外光谱法和X-射线荧光能谱法快速鉴别硫熏八角及其粉制品

施磊 宋小娇 徐露琦 宋浩 陈怡洪

摘  要：本研究采用傅里叶变换红外光谱法和X-射线荧光能谱法分别测定试验室模拟不同干燥处理方法得到的干八角及其粉制品、市售八角、市售八角粉制品，详细探讨了不同制样方法对测试结果的精密度的影响，以为食品安全监督部门快速鉴别硫熏和非硫熏八角提供方法和技术参考。红外光谱测试结果表明八角硫熏后，1 464cm-1、1 248cm-1和965cm-1等处的吸收峰有明显变化;同一八角的不同部位成分有差异，其中尖部比根部的八角茴香油等油脂类成分要高。X-射线荧光能谱法的测试结果表明，八角硫熏后，硫元素的相对含量明显上升;相较于切片法、切片后压片法，粉末压片制样法测定硫元素相对含量的结果的精密度最好。运用建立的两种方法，测定市售的10种八角及粉制品，发现有4种在干燥过程中进行了硫磺熏蒸。硫磺熏蒸对八角的化学成分以及其中的硫元素含量有一定的影响，因此综合应用傅里叶变换红外光谱法和X-射线荧光能谱法可有效、直观、快速地鉴别硫熏和非硫熏八角。

关键词：八角;粉制品;硫熏;红外光谱法;X-射线荧光能谱法

中图分类号：R155.5

基金项目：大学生创新创业训练计划项目（省级指导）。

作者简介：施磊，男，本科，研究方向为刑事科学技术鉴定。

八角，俗称大料、大茴，为木兰科植物八角茴香干燥后的成熟果实，因其形如八角，故称八角。八角具有抗炎、镇痛、温阳散寒、理气止痛等功效，可用于肾虚腰痛、胃寒呕吐、腰腹胀痛等疾病[1]。

由于八角收获季节多为雨季，自然晾干有可能引起八角霉变，影响其经济价值。因此，加工商贩多采用硫磺熏制八角，熏制后虽然可以除去水分，达到防霉、防蛀虫、漂白护色的效果，使八角表面变得鲜亮，品相更好，但是硫磺熏制后部分二氧化硫残留在八角中，不仅会改变八角的成分、影响其口感，还对人体有一定的危害。所以鉴别八角干燥过程中是否进行了硫熏，既是食品检测部门监控食品安全的工作内容之一，又是购买的食品是否安全的依据之一。

鉴别硫磺熏蒸食品的方法有很多，例如滴定法[2]、离子色谱法[3]、荧光分光光度法[4]、气相色谱法[5]、高效液相色谱-质谱法[6]、表面解吸常压化学电离质谱法等。2010年，Shu X[7]从八角中提取出多糖，并用红外光谱法和高效液相色谱法对八角中的多糖进行了定性和定量研究，该论文对于人们了解、认识八角中的糖类成分及含量有较好的参考价值。2013年，罗丽萍等[8]自行研制出表面解吸常压化学电离质谱仪进行鉴定，实现了硫磺熏制八角的快速鉴别，具有很高的市场价值，但是其使用的检验仪器为自行研制产品，仪器尚未商用化，无法普遍推广。2017年，耿志旺等[9]提出采用便携式X-射线荧光光谱仪快速筛选硫熏八角，具有很强的实际意义，但便携式仪器检测的灵敏度有限。本文旨在建立快速区分硫熏八角与非硫熏八角的测样方法及前处理方法，为市场监管部门进行硫磺熏蒸产品的检测鉴定提供方法和技术指导。

1 试验部分

1.1 仪器、试剂及耗材

Nicolet iS10型傅里叶变换红外光谱仪：赛默飞世尔科技（中国）有限公司，使用DTGS检测器、ATR附件、OMNIC软件;X-射线荧光能谱仪：EDAX聚焦荧光能谱仪，采用ORBIS系统，软件为ORBIS Vision;Mini-Pellet Press型红外光谱压片机：美国SPECAC公司;BJ-150型研磨仪：拜杰电器有限公司;YP20002型电子天平：上海光正医疗器械有限公司。

硫磺、乙醇：均为分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司;去离子水，18.2MΩ·cm。

手术刀片、迈拉膜、样品杯、干燥器、坩埚。

1.2 仪器工作条件

红外光谱测试参数：硅碳棒光源;扫描次数为32次;光谱分辨率为4cm-1。切片样本采用ATR法测试，数据采集范围为4 000～650cm-1;粉末样本采用透射法测试，数据采集范围为4 000～650cm-1。

X-射线荧光能谱测试参数：真空环境下测试;电压40V;电流800μA;X-射线光斑大小为2mm，金属挡板为25μm铝板。

1.3 样品采集与制备

1.3.1 新鲜八角的干燥及熏蒸

新鲜八角购于广西玉林，均为同一批次且体型相当。首先将新鲜八角均分为两部分，每部分500g，通过直接干燥和杀青干燥两种不同的干燥工艺对八角进行预处理。直接干燥即将新鲜八角摊晒在草席上暴晒7d，每隔24h翻动一次。杀青干燥即将新鲜八角放入盛有沸水的锅中，持续加热搅拌十分钟后撈出，摊晒在草席上暴晒7d，每隔24h翻动一次。

从上述处理好的两部分八角样品中各取250g，分别进行硫磺熏蒸，硫磺熏蒸模拟装置见图1。熏蒸方法如下：称取10g硫磺置于坩埚中，将坩埚置于干燥器的底层，并点燃坩埚中的硫磺。在干燥器内放上瓷板后并在瓷板上铺上滤纸，将250g待熏蒸八角置于滤纸上，盖上干燥器的盖子，熏蒸12h后取出。样品的制备处理过程及其编号，见图2。

1.3.2 市售干八角及粉制品的采集

通过网络途径和实体店铺采购八角及粉制品样品共10种，其中完整八角8种，八角粉末2种，样本的详细信息见表1。

1.4 试验方法

通过显微法观察同一个八角的不同部位，发现根部和尖部有较为明显的差异。其中，八角的尖部颜色呈棕红色、质地较软，根部的颜色较深、质地更硬，切开所需要的力更大。因此，本研究对同一八角样本的不同部位进行了红外吸收光谱和X-射线荧光能谱分析。

1.4.1 傅里叶变换红外光谱法

切片法：对于上述自制的干八角样品及采购的干八角样本，用手术刀分别从同一八角的根部和尖部切取平整的样品片，置于ATR附件上，采集其红外吸收谱图。

粉末压片法：将自制的干八角样品及采购的干八角样本置于研磨仪中研磨成粉末，采用溴化钾压片法制成薄片，采用透射法采集其红外吸收谱图。

1.4.2 X-射线荧光能谱法

切片法：样本的制备方法与红外光谱法的切片法相同。

切片压片法：将切好的样品片置于液压机的模具中压成紧实的薄片。

粉末压片法：将研磨后的样本粉末置于液压机的模具中压片。

将三种方法制成的样品放置于X-射线荧光能谱的样品杯中，测定样品的X-射线荧光能谱图。

2 结果与讨论

2.1 傅里叶变换红外光谱法检验八角及粉制品

2.1.1 同一八角不同部位的均一性研究

采用衰减全反射红外光谱法分别测定5个不同八角的尖部和根部的红外吸收谱图，发现同一样本的尖部和根部的吸收谱图均有着较为明显的差异，见图2～图3。八角的尖部和根部在3 290cm-1、2 916cm-1、2 849cm-1、1 608cm-1、1 509cm-1、1 463cm-1、1 441cm-1、1 417cm-1、1 376cm-1、1 244cm-1、1 174cm-1、964cm-1、838cm-1、736cm-1、756cm-1处均有相同的吸收峰，但是在1 733cm-1、1 576cm-1、1 111cm-1、719cm-1处八角的尖部吸收峰较为明显，在3 023cm-1、2 955cm-1、2 931cm-1、1 539cm-1、1 733cm-1处八角的根部吸收峰较为明显。其中，尖部在2 916cm-1、2 849cm-1和1 733cm-1处的吸收峰比根部高，尖部在3 023cm-1处的吸收峰比根部低。2 916cm-1、2 849cm-1和1 733cm-1这3处吸收峰均由于八角茴香油所引起[10]，其中2 916cm-1和2 849cm-1是由亚甲基C-H伸缩振动的吸收峰所引起、1 733cm-1是由碳氧双键伸缩振动的吸收峰所引起，此三处吸收峰均归属于酯类[11];3 023cm-1处吸收峰是由不饱和碳上的碳氧单键伸缩震动所引起，归属于糖类和蛋白质。因为同一个八角不同部位的红外谱图的吸收峰并不相同，所以在用切片法制备八角样品时，不能随意切取八角制样，应对八角的不同部位取样。

2.1.2 切片制样法检测八角硫熏前后红外吸收光谱的研究

采用切片制样法，分别从硫熏前后两种不同干燥方法制得的八角的不同部位上取样，测定其红外吸收谱图，见图5～图6。对比相同干燥方法制得的八角的同一部位在硫磺熏蒸前后的差异，可以发现在1 464cm-1、1 248cm-1和965cm-1这三处硫熏前后吸收峰有较为明显的变化。其中，经过硫磺熏蒸的八角在965cm-1处的吸收峰比未经过硫磺熏蒸的八角的吸收峰更高，这是因多糖的碳氧双键变形振动而产生的;硫熏后的八角在1 248cm-1处的峰比硫熏前八角在该处的吸收峰高，这是由于八角经过硫磺熏蒸后，增加了硫氧双键和硫氧单键而引起吸收峰增强，且硫磺熏蒸过的八角在1 464cm-1处的吸收峰会与1 510cm-1处的吸收峰的高度更接近，可用于区分八角是否经过硫磺熏蒸。

2.1.3 粉末压片制样法检测八角硫熏前后红外吸收光谱的研究

通过分析切片制样法检测八角不同部位的红外光谱，发现八角的不同部位成分存在差异。为获得更全面的八角样品成分信息，将八角磨成粉末后，用KBr压片法制成薄片，测定其红外吸收谱图，结果见图7～图8。对于，通过分析硫熏前后八角粉末的吸收峰可以发现，硫熏后的粉末在1 510cm-1处产生的吸收峰比硫熏前粉末的吸收峰更高，硫熏后会在1 282cm-1和1 174cm-1处产生一个新的吸收峰，这是由于酯类共价键破坏、消失、整合，从而形成了新的酯类，此处吸收峰的形成可用于鉴别八角粉末是否经过硫磺熏蒸。

2.1.4 市场购得的10种八角样品红外谱图分析

將八角磨成粉末充分混匀后，采集的红外谱图能获得样本更稳定、信息更全面，因此将市场上购得的10种八角样品中的8种完整八角分别研磨成粉末，与购买的两种八角粉末样品，分别使用红外光谱法测定其红外吸收谱图，见图9。通过分析红外光谱图可以发现，2、6、7以及10号样本在1 510cm-1处产生的吸收峰较高，且这4个八角样本1 464cm-1处的吸收峰会与1 510cm-1处的吸收峰的高度更接近。结合上述试验结果，可以认定2、6、7以及10号样本八角经过硫磺熏蒸。

2.2 X-射线荧光能谱法检验八角及粉制品

红外光谱法检验八角主要是通过吸收峰的位置、数目、形状、强度的差异来判断八角在干燥过程中是否采用硫磺熏蒸，但无法准确确定硫元素的含量的变化，而X-射线荧光能谱法能简便、快速检测出八角中元素组成及元素的相对含量，故采用X-射线荧光能谱法进一步检测八角样本，以给出八角硫熏前后硫元素相对含量的变化。

采用X-射线荧光能谱法测定八角切片和粉末中硫元素相对含量时，经过多次试验发现，八角切片和粉末中P、S、K、Ca、Mn、Fe的6种元素所占含量百分比较高，见图10～图13，故后续X-射线荧光能谱法仅选择测定八角中P、S、K、Ca、Mn、Fe这6种元素的含量作为判断硫元素相对含量高低的比较值，即所测定的八角中硫元素相对含量为硫元素在这6种元素中的所占比，为相对标准含量。

2.2.1 同一八角不同部位硫元素相对含量均一性研究

分别取3个硫熏前后直接干燥、杀青干燥的八角样品，从每个八角的5个不同角的根部和尖部取样测试，测定数据结果见表2。分析所得数据，发现同一八角的不同角的同一部位的硫元素相对含量的相对标准偏差在1.5%～6.62%，说明采用切片制样法检测八角的硫元素相对含量有一定的可行性。

分析试验数据可以发现，直接干燥法所得的八角硫元素相对含量普遍高于杀青干燥所得的八角硫元素相对含量，可说明杀青干燥法比直接干燥法更能有效降低八角中的硫元素相对含量，可为八角的干燥方法提供一定的参考。通过比较八角硫熏前后同一部位的硫元素相对含量发现，经过硫磺熏蒸的八角，其根部和尖部的切片硫元素相对含量较未经硫熏的八角具有明显差异，直接干燥后熏蒸后硫元素相对含量为熏蒸前的1.9倍，杀青干燥后经过硫磺熏蒸所得的八角硫元素相对含量变为熏蒸前的1.8倍，其中熏蒸后八角硫元素相对含量增幅最大可达熏蒸前的2.2倍，硫元素相对含量增幅最小的也达到熏蒸前的1.65倍，说明经过硫磺熏蒸，八角的根部和尖部硫元素相对含量确实会有一定的且较为明显的变化，由此为通过测定八角中硫元素相对含量的变化鉴别八角是否经过熏蒸提供了依据和基础。

2.2.2 切片制样法测定不同八角同一部位硫元素相对含量的重复性研究

分别随机取同一批八角硫熏前、硫熏后的5个样品，采用切片制样法分别测量根部和尖部硫元素相对含量，测定数据结果见表3。通过分析数据，计算各组数据的平均含量以及相对标准偏差可知，同一批次的八角硫磺熏蒸前后，通过切片制样法检测所得的相对标准偏差为1.75%～6.53%，相对标准偏差总体偏大，因此用切片制样法检测八角硫元素相对含量虽然具有一定的可行性，但并不是检测八角硫元素相对含量的最优方法。分析试验数据可知，同一批八角经过硫磺熏蒸后，其硫元素相对含量具有一定的稳定性，具备进行重复性研究的条件。比较同一批八角硫磺熏蒸前后试验数据可知，硫磺熏蒸后八角的硫元素相对含量有着较为明显的变化，其中硫磺熏蒸后的八角硫元素相对含量增幅最小的为熏蒸前的1.75倍，硫元素相对含量增幅最大的达到熏蒸前的3倍。

2.2.3 切片压片制样法测定八角中硫元素相对含量

采用切片制样法制样测定八角中的硫元素相对含量时，通常会出现同一八角的不同部位、不同八角同一部位所测得的硫磺相对含量存在差异的情况，从而使得数据不具备较好的稳定性，且相对标准偏差偏大。分析制样方法，推断可能是由于切片制样法制得的八角样品的厚薄不均，且未将八角纤维组织细胞中的水除去，使测定结果中氧元素的相对含量偏高，导致硫熏与未硫熏八角中硫元素相对含量差异不明显，数据相对标准偏差偏大。所以，将硫磺熏蒸前后两种不同的方法制得的八角，分别从根部和尖部切片后置于压片机中压片后，再测定其硫磺的相对含量，每类八角取样5个，试验结果见表4。分析试验数据可以发现，测定通过检测压片法制得的样本，其硫元素相对含量数据的精密度更好，数据的相对标准偏差更小。将压片法制得的硫磺熏制后的样本与切片法制样所得的样本，进行硫元素相对含量的比较，可以发现，切片压片制样法制得的硫磺熏蒸后的样本普遍高于切片制样法制样所得的样本的硫元素相对含量，这也是由于压片法可以将八角纤维组织细胞中的水除去，间接降低了八角中氧元素的占比，提高了硫的相对标准含量。

2.2.4 粉末压片制样法测定八角硫元素相对含量重复性研究

前文分别采用了两种不同的制样方法测定八角中的硫元素相对含量，切片制样法和切片压片制样法测定八角中硫元素相对含量时，因为八角不同部位的物质成分有差异，且组织细胞中的水未除去，故使所测得的数据波动性较大，从而导致相对标准偏差偏大。为进一步提高数据稳定性，本文进一步改进了制样方法，将硫磺熏蒸前后两种不同干燥方法制得的八角，经研磨仪研磨成粉末后压成薄片，每组重复取样5次，试验测定所得结果见表5。

分析试验数据可知，使用粉末压片制样法测定八角粉末中的硫元素相对含量时，其相对标准偏差的波动范围为1.5%～3.8%，较切片制样法和切片压片制样法相比，数据的稳定性明显提高。对比硫熏前后两种不同的八角粉末的硫元素相对标准含量数据可知，直接干燥法制成的八角所研磨成的粉末，硫元素相对含量普遍高于杀青干燥所得的八角制成的粉末。直接干燥和杀青干燥后经过硫磺熏蒸的两种八角，其硫元素相对含量为原未经过熏蒸的八角中硫元素相对含量的1.5倍以上，八角硫熏前后的硫元素相对含量存在较为明显的差异。杀青干燥后的八角在硫熏前后的硫元素相对含量均低于直接干燥后八角的硫元素相对含量，说明杀青干燥法更能够降低八角中的硫元素相对含量。

2.2.5 市场购得的八角及粉制品硫元素相对含量测量

综合比较切片制样法、切片压片制样法以及粉末压片制样法这3种制样方法，可以发现粉末压片制样法能有效除去组织细胞中的水分，并能使八角中各部位混合均匀，测定的数据精密度最好，相对标准偏差最小。因此，在检测市场上购得的八角及八角粉中的硫元素相对含量时，采用了粉末压片制样法。将市场上购得的8种完整八角样本研磨成粉末和市场上购得的2种八角粉末分别压片制样，测定其硫元素相对含量，测定结果见表6。分析试验数据可知，硫元素相对含量相对标准偏差在1.9%～4.1%，数据稳定，说明粉末压片制样法对于检测八角中的硫元素相对含量的效果最好。在市场上购得的常见的10种八角及粉制品中，有4种样本的硫元素相对含量在10.19%～13.19%范围，其余6种测得的硫元素相对含量最高的仅为5.34%，最低的只有4.80%。因此，测定的10种八角及粉制品中，编号为2、6、7、10的样本经过硫磺熏蒸，与红外光谱法测定结果相吻合。

3 结论

本文旨在建立傅里叶变换红外光谱技术和X-射线荧光能谱技术快速鉴别硫熏与非硫熏八角的方法，为食品安全监督管理部门提供执法依据。在利用红外光谱法检测同一八角样品成分的均一性试验中发现其不同部位成分存在一定差异，因此采用切片法取样时，要注意对不同部位进行分析。与切片法相比较，粉末压片制样法则将样品磨成粉末，充分混匀后，采用溴化钾压片制样法进行多次平行测试，可获得分析样品组成成分的综合信息。X-射线荧光能谱图可快速获得样品的元素组成及相对含量的信息。相较于切片法和切片后压片法，采用粉末压片制样法制备样品，测试分析样品中硫元素的相对含量，所得结果的精密度较好。综合运用优化后的样品制备方法以及建立FT-IR和XFS方法分析市售八角及粉制品是否经过硫熏，不仅可为食品安全检测部门提供可靠的分析方法，还可为打击食品、药品等领域违法犯罪活动提供指导和证据。

参考文献：

[1]廖艳华，刘展华，陈琨，等.广西省八角二氧化硫残留量检测结果分析与卫生标准的探讨[J].中国食品卫生杂志，2014，26（5）：486-488.

[2]孙磊，金红宇，马双成，等.中药中二氧化硫残留的检测方法与最大残留限量分析[J].中国药品标准，2012，13（1）：16-19.

[3]孙磊，岳志华，陈佳，等.离子色谱法测定中药材中总二氧化硫残留[J].中国药事，2011，25（4）：336-338.

[4]胡家勇，柳迪，程银棋，等.荧光分光光度法测定淀粉及其衍生物中二氧化硫残留量研究[J].中国酿造，2017，36（6）：175-178.

[5]李经纬，周围，蒋玉梅，等.自动顶空-气相色谱法检测九种中药材中二氧化硫[J].甘肃科技，2014，30（20）：63-64+19.

[6]廖钰.液相色谱法在食品检测中的应用[J].现代食品，2018（13）：167-168.

[7]Shu X，Liu XM，Fu CL，etc. Extraction， characterization and antitumor effect of the polysaccharides from star anise （Illicium verum Hook. f.）[J]，Journal Of Medicinal Plants Research，2010，4（24）：2666-2673.

[8]羅丽萍，王姜，章文军，等.表面解吸常压化学电离质谱快速鉴别硫磺熏蒸八角[J].分析化学，2013，41（7）：1050-1056.

[9]耿志旺，乐健，杨永健.便携式X射线荧光光谱仪快速鉴别硫熏八角[J].食品安全质量检测学报，2017，8（6）：2277-2281.

[10]龚丽芬，胡东红，潘小芳，等.八角茴香油树脂的提纯和红外光谱测定[J].福州大学学报（自然科学版），2002（5）：620-622+640.

[11]Yuan K，Wang X C，Zhang L，etc.Papid and quantitative determination pof sulfite redidue in tremella based on IR sepectroscopy and PLS[J].OOD&MACHINERY，2017，33（6）：64-67.