发布日期：2018-11-13 09:57 来源：活性炭网 作者：活性炭网 浏览数：
提出了一种从非酒精饮料中磁性固相萃取柠檬黄的方法。 该方法包括用分散在样品中的磁铁矿覆盖的活性炭提取和净化，然后通过碱化甲醇磁性分离和解吸分析物。 通过分光光度法测
染料是一组添加剂，用于改善食品，纺织品和药物的外观，使颜色均匀化和断言，这是最重要的感官特征[ 1 ]。已经使用合成染料，因为它们比天然染料更耐温度和酸度变化[ 2 ]。所有这些化合物都含有发色团和不同的取代基，产生大量合成染料，每种合成染料都具有特殊的化学性质。
偶氮染料是商业上最常用的一组合成染料。这些化合物的主要特征是存在偶氮基团（-N = N-）和芳族基团，产生具有高电子共轭和高摩尔吸收系数的物质，使其在低浓度下有用[ 3 ]。
柠檬黄，也称为黄色5或E102染料，是食品工业中用于赋予食物黄色的最重要的合成偶氮染料之一。它可溶于水（14毫克/ 100毫升），使溶液呈黄色。它通常用于糕点，烘焙食品，零食，饮料，饼干，冰淇淋和其他甜食[ 4 ]。
尽管其有用的品质，酒石黄还与过敏原，多动和注意力缺陷障碍有关[ 5 ]。因此，粮农组织/世界卫生组织食品添加剂专家委员会在60年代初期研究了柠檬黄的毒性，该专家委员会建立了每天7.5 mg kg -1体重的可接受日摄入量（ADI）。此外，自2010年以来，含有柠檬黄的食品必须带有“可能改变儿童的活动和注意力”的警告。在墨西哥，这种染料根据官方墨西哥标准NOM-218-SSA1-2011进行管制，允许100 mg L -1作为商业饮料中柠檬黄的最大量[ 6 ]。
通常，用于定量染料的方法涉及样品处理，鉴定和定量步骤。所选择的方法取决于食物的类型和脂质，蛋白质和碳水化合物含量。其他性质如分析物的酸碱性质和样品基质中存在的干扰也很重要[ 7 ]。因此，当使用液相色谱，毛细管电泳和电化学技术时，它需要对样品进行简单处理，通常是稀释和随后的过滤。但是，这些仪器方法具有某些缺点，例如分析的高成本（设备和试剂）和较低的分析速率（每小时2-4样品）[ 8，9]。另一方面，如果使用快速且简单的分光光度技术完成染料的测定，则必须考虑在定量步骤期间防腐剂（苯甲酸钠或柠檬酸钠）和蛋白质的存在可能显着干扰。据此，在分析过程中，使用不同的萃取材料分离样品染料至关重要[ 9 ]。
已经评估了用于染料提取的不同分离策略。已经提出了阴离子交换，其中酸性染料被存在于聚合物结构中的磺酸基保留[ 10 ]，并且基于与三甲基十八烷基铵盐[ 11 ] 形成离子对的液 - 液萃取（正丁醇 - 水）。固相萃取是另一种用于从复杂基质中分离染料的技术。用于此目的的固相是沸石或二氧化硅C18; 所保留的染料从固相洗脱下来，用甲醇[ 12，13 ]。
此外，活性炭已经被提出作为着色剂的吸附剂，因为它具有优异的表面面积和有利于分析物[保留良好定义的孔隙结构14 - 17 ]。尽管其具有多功能性，但活性炭的缺点是难以与其分散的水性基质分离。为了促进萃取支持物与液相的分离，Šafaříková和Šafařík[ 18]提出磁性固相萃取（MSPE）。MSPE基于使用磁铁矿改性的活性炭作为具有顺磁性的固相。因此，通过施加外部磁场，可以容易地将支撑体与分散介质隔离。MSPE的主要优点如下：（1）提供了使用大量样品的可能性，大大缩短了预处理时间和分析结果; （2）分析物与固相之间有很大的相互作用，吸附剂在样品中完全分散; （3）从分析基质中轻松分离吸附剂，降低分析物损失的风险[ 19 ]。
尽管MSPE具有良好的品质，但它主要用于分离抗生素和其他有机分子[ 20 ]。用于提取染料的用途仅限于活性红198 [ 21 ]和亚甲蓝[ 22 ] 的测定。在所有情况下，吸附剂载体的主要优点是其在分析物提取中的选择性以及使用100至1000 mL体积的可能性[ 18 ]，与传统技术相比，分析时间更短。
根据上述，这项工作的目的是设计一种基于使用磁铁矿改性碳的磁性固相萃取的方法，用于柠檬黄的分光光度分析。该方法用于在非酒精饮料的复杂基质中分析该染料。
为了合成磁铁矿改性的碳，使用来自Clarimex SA de CV的市售活性植物碳。合成分两个阶段进行：在第一阶段，通过沉淀获得磁铁矿，并且其部分氧化硫酸铁（II）七水合物FeSO 4 ·7H 2O（3.6g）。将铁前体溶解在100mL去离子水中，不断搅拌并保持在60℃。将pH溶液调节至10.0±0.2并使空气流通过反应混合物。初始绿色沉淀铁（Fe（OH）2 · X ^ h 2 O）40分钟以Fe（II）的Fe的部分氧化的结果，反应后的黑（III）通过O的作用变成2从气流中; 沉淀物的黑色是Fe 3 O 4的特征 [ 23 ]。在第二步中，将1.0g活性炭加入到反应容器中并将混合物搅拌30分钟。用磁铁分离磁相，用蒸馏水洗涤三次。将固相在60℃下干燥24小时。将固相在玛瑙研钵中粉碎并储存在干燥器中直至使用。
为了进行合成的磁铁矿改性碳的表征，使用了各种仪器技术。在配备有铜阳极和自动发散开口的Philips PW1710仪器中进行X射线粉末衍射分析。用于分析的条件为1.54埃CuKα射线α辐射; 40 kV电压管; 30 mA电流管; 0.500强度比（a 2 / a 1）; 1°发散狭缝; 0.1接收狭缝; （2 θ °）5初始角; （2 θ °）70结束角度。
在扫描电子显微镜（SEM）JEOL JSM-820中进行固体的形态分析。使用能量分散X射线光谱法的LINK QX-2000分析仪进行定性分析和固体中磁铁矿分布的测定。所有光谱均在15kV，39mm的距离和2,500个计数下获得; 在所有情况下，探测器相对于样品的角度为45°。
对于提取研究，将0.05g磁铁矿改性的碳与20.0mL的酒石黄水溶液混合并机械搅拌30分钟。使用乙酸盐（pH = 5.0），磷酸盐（pH = 7.0）和硼酸盐（pH = 9.0）溶液以1.0mol L -1浓度改变柠檬黄溶液的pH值。萃取后，使用钕磁体分离固相，并在具有1.0cm路径长度的石英池的UV-Vis分光光度计HACH DR-2700中通过分光光度法在434nm的波长下分析剩余的液相。因此，通过在用柠檬黄的标准溶液（10.0-100.0mg L -1）构建的校准线中插值来量化剩余的柠檬黄。）在各自的缓冲溶液中制备。使用活性炭进行对照实验以评价磁性修饰对支持酒石黄提取的影响。
为了从合成的载体上洗脱保留的酒石黄，按照该程序一式三份评价几种洗脱体系：将50mg含有酒石黄的固相与2.0mL洗脱液混合并使用超声搅拌5分钟。将2mL所得溶液转移至10mL容量瓶中并用洗脱液填充至刻度。通过在校准线中插值来定量洗脱的酒石黄，所述校准线由在相应的洗脱液中制备的酒石黄（10.0-100.0mg L -1）的标准溶液的吸光度值构建。
按照该方案，一式三份地分析六份含有酒石黄的商业饮料样品：将10mL等份的饮料与2.5mL 1.0mol L -1混合。将乙酸盐缓冲溶液转移至25mL容量瓶中，然后加入去离子水至刻度。然后，将20.0mL该溶液置于含有75mg磁性载体的聚丙烯管中并机械搅拌30分钟以提取染料。萃取后，使用钕磁铁从水性基质中除去固相。然后将固相与1.0mL洗脱液混合并使用超声搅拌5分钟以除去提取的酒石黄。将液相转移至10mL容量瓶中并用洗脱溶液填充至刻度。用分光光度法测定最后溶液中柠檬黄的浓度。
为了评估所提出的方法，还使用HPLC分析商业饮料中的柠檬黄的量。该方法使用标准的酒石酸溶液5至20 mg L -1来考虑校准线。样品如下制备。将0.5mL的等分试样稀释，加入流动相至多5mL。为了引入样品的色谱系统，有必要使用0.45的膜来过滤 μ米孔径。
仪器技术用于提供关于磁性改性碳的组成和结构的信息。因此，进行X射线衍射（XRD）研究以确定固体中存在的氧化铁形式。从XRD衍射图如图1（a）中显示，对应于Fe的特征衍射线标记为“m”的信号，3 Ô 4（2 θ = 30.1°，35.5°，43.1°，53.4°，57.0°，和62.6 °）根据粉末衍射标准联合委员会[ 24 ]。20°和30°之间观察到2的宽带信号θ角（图1（b））是无定形碳，原料的特征。
（a）磁性改性碳载体和（b）活性炭的衍射图。
用扫描电子显微镜（SEM）对活性炭的形态研究显示了具有不均匀的颗粒的均匀相尺寸大于20 μM（图2（a））。显微照片与未经改性活性炭进行的SEM研究一致[ 25 ]。在合成载体的情况下，可以看出活性炭被较小尺寸的相覆盖（图2（b））。用能量色散光谱证实了这一点（图2（c）），显示了（I）部分的碳含量较大，而区域（II）的Fe含量较高，因此得出的结论是磁铁矿相覆盖活性炭。
（a）活性炭显微照片; （b）磁性改性碳载体的显微照片; （c）从磁性改性碳载体的区域I和II的分析获得的能量色散谱。
使用合成的改性碳从标准溶液中提取柠檬黄如图3所示。可以在视觉上验证酒石黄溶液的清洁过程。
吸附实验。从左至右：柠檬黄，柠檬黄与磁性改性碳的混合物和磁性载体分离的溶解。
还在不同的pH值下评价了合成的改性碳用于提取酒石黄的能力。在示出的结果图4对应于通过在溶液中在平衡状态下绘制柠檬黄的浓度（构建酸性，碱性和中性介质吸附等温线μ对在固相上的吸附物的浓度M）（毫摩尔千克-1之后）吸附。另外，表1显示了在不同pH值下固体支持物上吸附物的最大量。
柠檬黄在pH值（∙）5.0，（▲）7.0和（□）9.0上改性的磁性碳上的吸附等温线。
在不同pH值下吸附剂上的最大吸附柠檬黄。
| 酸碱度 | 柠檬黄吸附（mmol kg -1） |
|---|---|
| 5 | 54.5 |
| 7 | 48.4 |
| 9 | 42.7 |
根据图4和表1，pH值的降低导致吸收的酒石黄的量增加。这是在低pH值下柠檬黄以其阴离子形式与磁铁矿的酸形式相互作用的结果。在碱性介质中，柠檬黄在溶液中的负电荷与载体之间的排斥反映在吸附物保留的减少[ 26 ]。基于这些结果，选择5.0的pH作为染料保留的最合适的值。
作为MSPE染料体系表征的一部分，估计了底物与酒石黄之间的亲和常数值。使用Scatchard图分析等温线值表明了以下解离反应的亲和常数K d的值[ 27 ]：
其中TS对应于吸附在载体上的柠檬黄，T是溶液中的柠檬黄，S是磁性改性碳载体。
log ķ d值示于表2中，观察其与支撑体的同质性相关的线性趋势。因为这是一种解离常数，因此具有更高亲和力的载体是活性炭; 然而，synthetized支撑具有合适的log ķ d值，因为在保持洗脱方法设计，建议的是，支撑具有与log衬底中的平均亲和度ķ d值-7.0 -4.0和[之间20 ]。
酒石黄磁性修饰碳支持解离常数。
| 支持 | logK d |
|---|---|
| 活性炭 | -28 |
| 磁性改性碳 | -6.5 |
进行了关于吸附在磁性改性碳上的柠檬黄洗脱的最佳化学条件的选择的其他研究。甲醇，乙腈，甲醇碱化，并碱化乙腈：因此，几个洗脱系统进行的洗脱步骤评估28，29 ]。在对洗脱的酒石黄进行分光光度分析后，可以看出，碱性甲醇提供了更大的信号（表3），这是因为去除了更多量的酒石黄。因此，在以下实验中选择该洗脱液用于柠檬黄的洗脱。
用于柠檬黄洗脱的不同系统的评估结果。
| 洗脱液 | 信号1 | 信号2 | 信号3 |
|---|---|---|---|
| 甲醇 | 0.6000 | 0.6010 | 0.6020 |
| 碱化甲醇 | 0.7720 | 0.7700 | 0.7700 |
| 乙腈 | 0.1460 | 0.1460 | 0.1450 |
| 碱化乙腈 | 0.4440 | 0.4420 | 0.4440 |
为了优化MSPE系统中涉及的酒石黄的保留和洗脱条件，进行了Taguchi实验设计。这种技术的主要优点是，它使用特殊设计矩阵（正交阵列）提供有用的信息和最少的实验，其中列（因子或可控参数）和行（实验）以这样一种方式组合，即并指出每个实验的水平[ 30 ]。
选择的响应因子是分析20mL 30mg L -1酒石黄溶液的回收率。选择的控制因子（参数）各自为3个水平，分别为样品体积，洗脱液体积，磁性改性碳载体质量和洗脱液中的NaOH浓度[ 20 ]。基于L9（34）Taguchi正交阵列，矩阵设计和获得的结果如表4所示。
在MSPE系统的优化设计期间获得的矩阵。
| 实验 | V M（mL） | V E（mL） | m C（mg） | C E（M） | ％恢复 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 10.0 | 1.0 | 50 | 0.0025 | 6.66 |
| 2 | 10.0 | 2.0 | 75 | 0.025 | 23.48 |
| 3 | 10.0 | 3.0 | 100 | 0.25 | 27.74 |
| 4 | 20.0 | 1.0 | 75 | 0.25 | 99.95 |
| 五 | 20.0 | 2.0 | 100 | 0.0025 | 7.49 |
| 6 | 20.0 | 3.0 | 50 | 0.025 | 44.10 |
| 7 | 30.0 | 1.0 | 100 | 0.025 | 31.59 |
| 8 | 30.0 | 2.0 | 50 | 0.25 | 90.58 |
| 9 | 30.0 | 3.0 | 75 | 0.0025 | 24.19 |
图5显示了通过绘制每个因子的每个水平的平均回收百分比得到的典型图。据此，用于柠檬黄吸附 - 洗脱的最合适的条件是20mL样品，1mL洗脱液，75mg磁性改性碳和用于碱化甲醇溶液的0.25mol L -1 NaOH浓度。这些条件对应于实验编号4，其具有最高的染料回收百分比。
曲霉素恢复的平均效果图。V M：样品体积; V E：洗脱液量; m C：磁性改性碳; 和C E：洗脱液中的NaOH浓度。
此外，通过确定洗脱溶液中的NaOH浓度具有更大的影响（45.4％），然后是样品体积（23.6％），吸附剂的质量（20.4％）和洗脱液来确定每个变量的贡献百分比。成交量（10.6％）。洗脱溶液在柠檬黄洗脱步骤中的较高贡献证实了载体和分析物之间的电荷排斥理论，这在较高浓度的NaOH下是有利的。
在上述优化条件下，使用浓度范围为5.0至30.0mg L -1的酒石黄标准溶液进行校准。一式三份测量所获得的信号（AU），并使用洗脱的酒石黄的平均信号绘制校准线。校准线显示平均信号与初始标准溶液中存在的酒石黄浓度之间的线性相关性。表5显示了校准线回归参数。
信号（AU）与柠檬黄浓度（mg L -1）图的回归线的参数。
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 均方根偏差，s e | 0.013 |
| 截距，b 0 ±ts（b 0） | 0.010±0.031 |
| 斜率，b 1 ±ts（b 1） | 0.041±0.003 |
| 线性间隔（mg L -1） | 3.0-30.0 |
| 检测限（mg L -1） | 1.0 |
| 重复性（％RSD，n = 3,10.0 mg L -1） | 1.8 |
| 再现性（％RSD，n = 9,10.0 mg L -1） | 3.2 |
从表5中报告的值可以看出，所提出的方法允许以官方墨西哥标准NOM-218-SSA1-2011确定的水平定量饮用中的柠檬黄，其允许100mg L -1作为最大量。柠檬黄在商业饮料中的应用[ 5 ]。
一些含有酒石黄的非酒精饮料也含有添加剂作为蛋白质和防腐剂，可改善物理外观和保质期。因此，添加几种干扰化合物评价了柠檬黄吸附 - 洗脱方法。评价的干扰物包括酪蛋白，卵清蛋白，乙酰磺胺酸钾，苯甲酸钠，阿斯巴甜，柠檬酸钠，葡萄糖和蔗糖。制备每种干扰化合物的溶液，将10mg溶于10mL乙酸盐缓冲液中。
为了进行该试验，将75mg磁性改性碳与20mL 30mg L -1酒石黄溶液和3mL干扰物溶液混合。该吸收步骤之后，1毫升的甲醇碱化，用NaOH 0.25摩尔升-1用于洗脱酒石黄。然后将0.5mL洗脱的溶液转移到5mL容量瓶中并填充至刻度。通过UV-Vis分光光度法分析该溶液。在没有干扰物的类似实验中，结果未显示％RSD值高于分析信号的5％。据此，所提出的化合物不会干扰所提出的方法后的酒石黄测定。
测定六种市售饮料中的柠檬黄浓度。表6列出了制造商报告的每种饮料的主要成分。
分析的商业饮料的化学组成。
| 样品 | 组成 |
|---|---|
| 1 | 大豆（水和精选大豆种子），糖，麦芽糖糊精，浓缩菠萝汁，与天然，果胶和柠檬黄相同的味道。 |
| 2 | 水，糖，浓缩橙，柠檬黄和钠。 |
| 3 | 水，玉米糖浆，高果糖，浓缩菠萝汁重组，柠檬酸，果胶，人造香料，乙酰磺胺酸钾和黄色5。 |
| 4 | 水，高果糖玉米糖浆，糖，柠檬酸，氯化钠，柠檬酸钠，磷酸二氢钠，阿拉伯胶，酯胶，天然柠檬 - 酸味和柠檬黄。 |
| 五 | 水，高果糖玉米糖浆，浓缩果汁（7％橙和3％菠萝），柠檬酸，抗坏血酸，阿拉伯树胶，酯胶，天然和人造香料，柠檬酸钠，黄5（柠檬黄）和β-胡萝卜素染料。 |
根据开发和优化的方法，每种饮料的柠檬黄浓度如表7所示。该值表示三次独立测定的平均值。另外，在表7中，可以使用HPLC参考方法和MSPE-HPLC观察样品分析的结果（图6）。对于每种饮料，使用两种方法获得的酒石黄的平均浓度使用具有2个自由度和95％置信度的t检验进行比较（t tab= 4.3）。该分析显示每种方法的结果之间没有显着差异。因此，MSPE的方法与参考方法相当。此外，MSPE是一种强大的预浓缩技术，甚至可以与分光光度法或HPLC结合使用。
使用MSPE开发的方法后，（a）原始样品和（b）洗脱的酒石黄溶液的色谱图。
实际样品中柠檬黄的含量（平均值和％RSD，n = 3）用所提出的方法确定并与HPLC参考方法比较。
| 样品 | [柠檬黄]（mg L -1） | |
|---|---|---|
| MSPE-UV | HPLC | |
| 1 | 5.5（1.3） | 5.4 |
| 2 | 22.7（0.8） | 22.4 |
| 3 | 5.9（1.8） | 5.7 |
| 4 | 22.8（2.3） | 23.0 |
| 五 | 5.5（2.6） | 5.7 |
在目前的工作中，合成了一种覆盖有磁铁矿载体的活性炭; 这种载体具有磁性，可通过施加外部磁场进行分离。
提取和洗脱酒石黄的最佳条件是初始样品体积为20 mL，用醋酸盐缓冲溶液缓冲，pH 5，并与75 mg磁性改性碳混合，酒石黄用1 mL NaOH 0.25 mol L洗脱- 1在甲醇中。
因此，与分光光度分析相结合的所提出的样品处理是食品工业中偶氮染料分析的替代方法，因为参数，分析精度和准确度与HPLC方法类似。然而，所提出的方法节省了时间并且比参考方法便宜。
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