牛百叶中甲醛的挥发动力学

刘强欣，林婷，王志超，李雅，王侃，刘芯成

绿城农科检测技术有限公司（杭州 310051）

甲醛（CH2O）又称蚁醛，常温下是一种无色具有强烈刺激气味的物质[1]，它作为一种代谢成分普遍存在于生物体中，通过破坏生物体中的蛋白质和酶，使得组织细胞产生不可逆的损伤[2]。据相关研究报道，人体长期接触甲醛会造成机体各种不良反应，可能会引起神经系统、免疫系统、呼吸系统和肝脏的损伤[3]，研究发现部分老年痴呆症状与甲醛的摄入相关[4]。因此，国际癌症研究机构（IARC）确认甲醛为第一类致癌物[5]，同时世卫组织确定甲醛为致癌、致畸物质，世界各国都禁止将甲醛作为防腐剂在食品中使用[6]，美国环境环保局给出的建议是：甲醛每日的容许摄入量为每千克体重0.2 mg[7]，我国也明令禁止在食品中以任何形式添加甲醛，其限量规定为“不得检出”[8]。

长久以来，火锅作为中华民族的一种独创美食，深受到广大人民的喜爱且盛行于东亚地区。牛百叶作为一种含有丰富的营养成分，具有补益脾胃、补气养血等功效的食品，在火锅中属于必备的食材。由于甲醛能够使蛋白质变性，具有防腐性能，食品中加入甲醛可以起到防腐保鲜同时可以使食品表面色泽光亮，还可以增加韧性和脆感，改善食品口感[9-10]。近些年来，水产品及水发产品中检出甲醛的报道时有发生[11-15]，常有一些不法商贩为使水发食品不腐烂变质，又能保持好的感观，在用火碱水溶液浸泡的同时，加一些甲醛。水产品以及水发产品中的甲醛即使清洗、烹调也无法根除。监管部门为杜绝添加甲醛的水产品流入市场，加大监督检验力度，以确保消费者的食用安全。参照SC/T 3025—2006《水产品中甲醛的测定》[16]，建立牛百叶中甲醛的挥发动力学模型，模拟不良商贩对水发产品（牛百叶）添加甲醛后，甲醛的相关挥发状况。为市场监管部门对牛百叶中非法添加甲醛的状况进行监测提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

1.1.1 材料与试剂

甲醇（色谱纯，默克）；二氯甲烷（色谱纯，默克）；2, 4-二硝基苯肼（分析纯，浙江长青化工）；磷酸（分析纯，浙江长青化工）；盐酸（分析纯，浙江长青化工）；甲醛（100 mg/L，ANPEL）；Agela Innoval ODS-2（250 mm×4.6 mm，5.0 μm，博纳艾杰尔）；试验用水（一级水，美国Millipore超纯水仪制备）；混合微孔滤膜（0.22 mm）；牛百叶（阳性样品）。

1.1.2 主要仪器与设备

高效液相色谱仪器（Shimadzu LC-2030C，配有二极管阵列检测器，日本岛津公司）；电子天平（BSA224S型，德国赛多利斯）；凯式定氮仪（Kjeltec 8400，foss）；多管涡旋混合仪（DMT-2500，杭州米欧仪器有限公司）；高速冷冻离心机（ST16R，赛默飞世尔）；恒温水浴锅（HWS-28，上海一恒科学仪器有限公司）；全自动平行浓缩仪（AOTO EVA-60，睿科仪器有限公司）。

1.2 试验方法

1.2.1 样品前处理

准确称取10.00 g试样置于50 mL烧杯中，转移置于500 mL蒸馏瓶，用20 mL水分多次冲洗烧杯，洗涤液合并至蒸馏瓶中，用玻璃棒搅拌均匀后静置30 min，加入10 mL磷酸溶液（取100 mL磷酸，加水定容至1 000 mL），过水蒸气蒸馏，将250 mL容量瓶作为吸收液装置，待蒸馏至约240 mL时取出，用水定容至刻度[16]。

取2 mL上述蒸馏液置于15 mL离心管中，加入0.4 mL 2, 4-二硝基苯肼溶液（准确称取2, 4-二硝基苯肼100 mg溶解于24 mL盐酸中，冷却至室温后，加水定容至100 mL），置于60 ℃水浴衍生15 min，取出冷却至室温后加入4 mL二氯甲烷，涡旋3 min于8 000 r/min离心3 min，取上清液再用2 mL二氯甲烷萃取2次，合并3次下层黄色萃取液。萃取液于40 ℃氮气吹干，冷却至室温，2 mL甲醇溶解残渣，过0.22 mm混合微孔滤膜，进液相色谱仪测定。

1.2.2 色谱条件

色谱柱Agela Innoval ODS-2（250 mm×4.6 mm，5 μm）；柱温35 ℃；流动相为甲醇-水（70∶30，V/V）；检测器为二极管阵列检测器；检测波长338 nm；进样量20 μL；流速1 mL/min。

1.2.3 标准溶液

标准中间溶液（100 mg/L）配制。准确吸取0.4 mL甲醛置于10 mL容量瓶中，加水定容至刻度，配成甲醛标准溶液（4 mg/L），现配现用。

标准工作液配制。分别准确吸取0.2 mL甲醛储备液溶液及甲醛标准中间液2.000，0.500，0.050和0.025 mL，置于15 mL离心管中，加水定容至2 mL，配制成甲醛的系列标准溶液（10.00，4.00，1.00，0.10和0.05 mg/L）。

1.2.4 甲醛挥发动力学试验设计

准确称取73份阳性牛百叶样品（试样每份10 g），其中1份直接进行甲醛含量的测定（初始残留量），其余72份均分为3组，分别放在4，15和35 ℃的恒温装置中。样品在3种恒温装置下分别放置1，3，5，7，9，24，30和48 h，3种温度下每个时间点取出3份试样，用2, 4-二硝基苯肼衍生液液相色谱法测定每个时间点牛百叶中甲醛含量，每个样品重复测定2次，统计6组数据并计算该组数据的平均值及相对标准偏差，得到牛百叶中甲醛在该温度下的挥发情况。根据一级动力学模型定甲醛的挥发速率，建立式（1）。

式中：C为牛百叶样品中甲醛含量，mg/kg；k为甲醛的衰减反应数率系数；t为时间，h。所以甲醛的衰减也可以描述为：

式中：y为牛百叶样品中甲醛含量，mg/kg，C0为牛百叶中甲醛的初始浓度，mg/L。

2 结果与分析

2.1 检测方法的可靠性考察

在1.2.2的仪器条件下，以测定标准曲线上6个不同浓度甲醛与2, 4-二硝基苯肼衍生化生成的2, 4-二硝基腙峰面积，测定其线性回归方程，相关系数，线性范围见表1。

表1 线形回归方程、相关系数及线性范围

通过液相色谱法试验条件的优化，按照1.2.3配制标准工作液（0.01～10 mg/L，即为牛百叶中甲醛含量0.1～100 mg/kg）。结果表明，线性关系良好，线性相关系数大于0.999，满足模拟试验甲醛的检测要求，能够准确测定牛百叶中甲醛浓度。

2.2 牛百叶中甲醛的挥发

2.2.1 牛百叶在4 ℃贮藏条件下甲醛的挥发动力学

依据1.2的方法所测得的数据，以4 ℃时牛百叶中甲醛残留量的对数与挥发时间作图（见图1）。

图1 在4 ℃时牛百叶中甲醛的挥发动力学曲线

牛百叶中甲醛残留量的对数随时间增加而减少，且在0～9 h的挥发量显著性降低（见图2）。根据式（3）建立一级动力学模型，即为lny=-0.009 4t+4.577 3；R2=0.958 9。故4 ℃时牛百叶中甲醛的挥发速率k= 0.009 4。

图2 4 ℃时牛百叶中甲醛挥发过程中时间与lnC的线性关系（0～9 h）

2.2.2 牛百叶在15 ℃贮藏条件下甲醛的挥发动力学

依据1.2的方法所测得的数据，在15 ℃时牛百叶中甲醛残留量的对数与挥发时间作图（见图3）。

图3 在15 ℃时甲醛在牛百叶中挥发动力学曲线

牛百叶中甲醛残留量的对数随时间增加而减少，且在0～9 h的挥发量显著性降低（见图4）。根据式（3）建立一级动力学模型，即为lny=-0.046 7t+4.562；R2=0.973 3。故15 ℃时牛百叶中甲醛的挥发速率k= 0.046 7。

图4 15 ℃时牛百叶中甲醛挥发过程中时间与lnC的线性关系（0～9 h）

2.2.3 牛百叶在35 ℃贮藏条件下甲醛的挥发动力学

依据1.2的方法所测得的数据，在35 ℃时牛百叶中甲醛残留量的对数与挥发时间作图（见图5）。

图5 在35 ℃时甲醛在牛百叶中挥发动力学曲线

可见，牛百叶中甲醛残留量的对数随时间增加而减少，且在0～9 h的挥发量显著性降低（见图6）。根据公式（3）建立一级动力学模型，即为lny=-0.063 7t+ 4.613 7；R2=0.954 8。故35 ℃时牛百叶中甲醛的挥发速率k=0.063 7。

图6 35 ℃时牛百叶中甲醛挥发过程中时间与lnC的线性关系（0～9 h）

2.2.4 不同温度下对甲醛挥发性的影响

牛百叶试样在1.2的试验条件下处理，计算出牛百叶中甲醛的初始含量及各个不同贮藏条件下甲醛的残留量及挥发情况，根据甲醛残留量随时间的变化情况绘制曲线（见图7，图8）。

图7 不同贮藏条件下牛百叶中甲醛残留量随时间的变化曲线

结果表明，在不同贮藏条件下（4，15和35 ℃），放置相同时间后，牛百叶中甲醛在35 ℃条件下残留量显著低于15 ℃条件下；15 ℃条件下甲醛残留量明显低于4 ℃条件下，说明牛百叶中甲醛的挥发速率与放置时间和外界温度有关。牛百叶中甲醛的残留量随温度升高及放置时间增加而降低，在0～9 h之间有显著的下降趋势，在9～48 h之间，其挥发程度趋于稳定。

由图8可知，挥发量随着温度升高而增多。在9 h内牛百叶中甲醛快速挥发，其甲醛减少量占整个试验过程甲醛减少总量的60%以上，之后随着单位时间增加，甲醛挥发速率逐渐减少，牛百叶中甲醛含量趋于稳定。可能的原因是甲醛是具有一定挥发性有机物[17]，其气态沸点为-19.5 ℃，当基质所处环境温度高于其沸点时基质内的甲醛就会挥发，而且挥发速率随着温度升高而增加[18-19]。

从图1～图6可以看出，牛百叶中甲醛残留量的对数与挥发时间基本呈线性相关性。数据表明：甲醛的挥发速率在0～9 h明显；9～48 h趋于放缓，且试验结果表明（图8）随着外界温度升高甲醛的挥发速率增快。可能的原因是由于甲醛是一种易溶于水的物质，而牛百叶中甲醛的释放过程是一个动态平衡的过程，随着挥发时间增加，牛百叶中水分呈递减趋势，在0～9 h时牛百叶中水分基本保持稳定，而在9～48 h牛百叶中水分发生明显改变，导致牛百叶内部湿度发生改变，使得甲醛的释放速率减慢趋于平缓，故选择0～9 h时间范围内数据作为挥发方程的参考值。

图8 不同贮藏条件下牛百叶中甲醛的挥发量

分别采用零级、一级和二级动力学方程对牛百叶中甲醛（0～9 h）进行挥发动力学模型拟合，通过各个拟合方程的r值比较各拟合模型效果，结果表明一级模型拟合时r值最大效果最好。因此可以得出，在试验条件下牛百叶中甲醛的挥发过程符合一级动力学模型，计算得到的参数很好地反映不同温度条件下牛百叶中甲醛的动力学情况，相关系数见表2。

由于食品中甲醛的含量在贮藏过程中会不断变化，会受到各种内外在因素的影响，如温度、时间等[20]。试验表明自然挥发的主要影响因素是存放的温度，随着温度升高，甲醛挥发数率增大（见表2），且随着时间延长而增加。

表2 不同贮藏条件下牛百叶中甲醛的挥发动力学方程及相关系数

3 结论

试验模拟非法添加甲醛后牛百叶中甲醛的挥发残留量，结果表明阳性样品在不同温度贮藏一定时间后甲醛残留量有所减少，但是仍有部分残留。牛百叶中甲醛的挥发基本符合一级动力学过程，牛百叶中甲醛的挥发速率与温度有关，温度越高，挥发速率越快；同一外界环境下，在0～9 h的挥发速率显著，放置9 h后挥发趋于平缓。试验方法不足之处在于未能发现牛百叶中水分与甲醛挥发速率的相关性；因试验所用牛百叶测试样品均制成糜状，未能验证样品不同状态下对甲醛挥发速率是否存在影响；另外，甲醛试验对象仅为牛百叶，未能涉及到其他水发产品，无法验证甲醛挥发速率是否与样品间的差异性相关。