第六章灰分及部分矿物质元素的测定

第六章灰分及

部分矿物元素测定本节的知识点：灰分的概念、灰分测定内容、总灰分测定原理、灰化方法、总灰分测定方法及测定条件的选择、高温炉结构、瓷坩埚的性能。能力点：掌握高温炉的使用方法；掌握坩埚处理、样品炭化、灰化等基本操作方法；进一步熟悉天平的称量操作。食品的组成十分复杂，除含有大量有机物质外，还含有较丰富的无机成分。当这些组分经高温灼烧时，将发生一系列物理和化学变化，最后有机成分经燃烧、分解而挥发逸散，而无机成分（主要是无机盐和氧化物）则残留下来。食品经灼烧后的残留物称为灰分。灰分是标示食品中无机成分总量的一项指标。灰分测定的内容(1)总灰分(2)水溶性灰分(3)水不溶性灰分按溶解性分类(4)酸不溶性灰分其中水溶性灰分反映的是可溶性的钾、钠、钙、镁等的氧化物和盐类的含量。水不溶性灰分反映的是污染的泥沙和铁、铝等氧化物及碱土金属的碱式磷酸盐的含量。酸不溶性灰分反映的是污染的泥沙和食品中原来存在的微量氧化硅的含量。测定灰分的意义(1)评判食品的加工精度和食品品质时,总灰分是一项重要的指标。①面粉的加工精度在面粉加工中，常以总灰分含量评定面粉等级，富强粉为0.3~0.5%；标准粉为0.6~0.9%；②无机盐是六大营养要素之一，要正确评价某食品的营养价值，其无机盐含量是一个评价指标。例如，黄豆是营养价值较高的食物，它的灰分含量高达5.0%。③生产果胶、明胶之类的胶质品时，灰分是这些制品的胶冻性能的标志。果胶分为高甲氧基（HM）和低甲氧基（LM）两种，HM只要有糖、酸存在即能形成凝胶，而LM除糖、酸以外，还需要有金属离子，如：Ca2+、Al3+。④水溶性灰分和酸不溶性灰分可作为食品生产的一项控制指标。水溶性灰分指示果酱、果冻制品中的果汁含量。酸不溶性灰分中的大部分，是一些来自原料本身中的，或在加工过程中来自环境污染混入产品中的泥沙等机械污染物。(2)判断食品受污染的程度不同的食品，因所用原料、加工方法及测定条件的不同，各种灰分的组成和含量也不相同，当这些条件确定后，某种食品的灰分常在一定范围内。如果灰分含量超过了正常范围，说明食品生产中使用了不合乎卫生标准要求的原料或食品添加剂，或食品在加工、贮运过程中受到了污染。因此，测定灰分可以判断食品受污染的程度。因此，灰分是某些食品的重要的质量控制指标，是食品成分分析的项目之一。（1）原理把一定量的样品经炭化后放入高温炉内灼烧，使有机物质被氧化分解，以二氧化碳、氮的氧化物及水等形式逸出，而无机物质以硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、氯化物等无机盐和金属氧化物的形式残留下来，这些残留物即为灰分，称量残留物的重量即可计算出样品中总灰分的含量。一、总灰分的测定（2）仪器①高温炉

②坩埚③坩埚钳④干燥器⑤分析天平（3）试剂①1：4盐酸溶液②0.5%三氯化铁溶液和等量蓝墨水的混合液③6mol/L硝酸④36%过氧化氢⑤辛醇或纯植物油（4）测定条件的选择①灰化容器测定灰分通常以坩埚作为灰化容器，个别情况下也可使用蒸发皿。坩埚分素烧瓷坩埚、铂坩埚、石英坩埚等多种。灰化容器的大小要根据试样的形状来选用，需要前处理的液态样品、加热易膨胀的样品及灰分含量低、取样量较大的样品，需选用稍大些的坩埚；或选用蒸发皿，但灰化容器过大会使称量误差增大。②取样量测定灰分时，取样量的多少应根据试样的种类、性状及灰分含量的高低来决定。食品的灰分与其他成分相比，含量较少，例如：谷物及豆类为1~4%，蔬菜为0.5~2%，水果为0.5~1%，鲜鱼、贝为1~5%，乳粉5%~5.7%，而精糖只有0.01%。所以取样时应考虑称量误差，以灼烧后得到的灰分量为10~100mg来决定取样量。通常奶粉、麦乳精、大豆粉、调味料、鱼类及海产品等取1~2g；谷物及其制品、肉及其制品、糕点、牛乳等取3~5g；蔬菜及其制品、砂糖及其制品、淀粉及其制品、蜂蜜、奶油等取5~10g；水果及其制品取20g；油脂取50g。③灰化温度灰化温度的高低对灰分测定结果影响很大，由于各种食品中无机成分的组成、性质及含量各不相同，灰分温度也应有所不同，一般为500~550℃。灰化温度过高，将引起钾、钠、氯等元素的挥发损失，而且磷酸盐、硅酸盐类也会熔融，将碳粒包藏起来，使碳粒无法氧化；灰化温度过低，则灰化速度慢、时间长，不易灰化完全，也不利于除去过剩的碱（碱性食品）所吸收的二氧化碳。因此，必须根据食品的种类和测定精度的要求，兼顾各方面因素，选择合适的灰化温度，在保证灰化完全的前提下，尽可能减少无机成分的挥发损失和缩短灰化时间。此外，加热的速度也不可太快，以防急剧干燥时灼热物的局部产生大量气体而使微粒飞失——爆燃。④灰化时间一般以灼烧至灰分呈白色或浅灰色，无碳粒存在并达到恒重为止。灰化至达到恒重的时间因试样不同而异，一般需2~5小时。应该指出，对有些样品，即使灰化完全，残灰也不一定呈白色或浅灰色，如：铁含量高的食品，残灰呈褐色；锰、铜含量高的食品，残灰呈蓝绿色。有时即使灰的表面呈白色，内部仍残留有碳粒。所以应根据样品的组成、性状注意观察残灰的颜色，正确判断灰化程度。⑤加速灰化的方法有些样品，例如含磷较多的谷物及其制品，磷酸过剩于阳离子，随灰化的进行，磷酸将以磷酸二氢钾、磷酸二氢钠等形式存在，在比较低的温度下会熔融而包住碳粒，难以完全灰化，即使灰化相当长时间也达不到恒重。对这类难灰化的样品，可采用特殊方法来加速灰化。⑴样品初步灼烧后，取出，冷却，从灰化容器边缘慢慢加入少量无离子水，使残灰充分湿润（不可直接洒在残灰上，以防残灰飞扬损失），用玻璃棒研碎，使水溶性盐类溶解，被包住的C粒暴露出来，把玻璃棒上粘的东西用水冲进容器里，在水浴上蒸发至干涸，至120~130℃烘箱内干燥，再灼烧至恒重。⑵经初步灼烧后，放冷，加入几滴HNO3、H2O2等，蒸干后再灼烧至恒重，利用它们的氧化作用来加速C粒灰化。也可加入10％（NH4）2CO3等疏松剂，在灼烧时分解为气体逸出，使灰分呈松散状态，促进灰化。这些物质的添加不会增加残灰的质量，灼烧后完全消失。⑶糖类样品残灰中加入硫酸，可以进一步加速。⑷加入MgAc2、Mg(NO3)2等助灰化剂，这类镁盐随灰化而分解，与过剩的磷酸结合，残灰不熔融而呈松散状态，避免了碳粒被包裹，可缩短灰化时间，但产生了MgO会增重，也应做空白试验。⑸添加MgO、CaCO3等惰性不熔物质，它们的作用纯属机械性，它们和灰分混杂在一起，使C粒不受覆盖，应做空白试验，因为它们使残灰增重。（四）总灰分的测定方法（以瓷坩埚为例）

恒重取出入干燥器冷却

30分钟结果计算不恒重灰化1小时炭化样品瓷坩埚的准备马福炉的准备称样品（5）测定方法瓷坩埚的准备样品预处理炭化灰化①瓷坩埚的准备将坩埚用盐酸（1：4）煮1~2小时，洗净晾干后，用三氯化铁与蓝墨水的等体积混合液在坩埚外壁及盖上写上编号，置于规定温度（500~5500C）的高温炉中灼烧0.5小时，移至炉口冷却到2000C以下后，再移入干燥器中，冷却至室温后，准确称重，再放入高温炉内灼烧30分钟，取出冷却称重，直至恒重（两次称量之差不超过0.5mg）。②样品预处理果汁、牛乳等液体试样：准确称取适量试样于已知重量的瓷坩埚（或蒸发皿）中，置于水浴上蒸发至近干，再进行炭化。这类样品若直接炭化，液体沸腾，易造成溅失。果蔬、动物组织等含水分较多的样品：先制备成均匀的试样，再准确称取适量试样于已知重量的坩埚中，置烘箱中干燥，再进行炭化。也可取测定水分含量后的干燥试样直接进行炭化。谷物、豆类等水分含量较少的固体试样：先粉碎成均匀的试样，取适量试样于已知重量的坩埚中再进行炭化。富含脂肪的样品：先制备成均匀试样，准确称取一定量试样，经提取脂肪后，再将残留物移入已知重量的坩埚中，进行炭化。③炭化为什么要炭化试样经上述预处理后，在放入高温炉灼烧前要先进行炭化处理。（1）防止在灼烧时，因温度高试样中的水分急剧蒸发使试样飞扬；（2）防止糖、蛋白质、淀粉等易发泡膨胀的物质在高温下发泡膨胀而溢出坩埚；（3）不经炭化而直接灰化，碳粒易被包住，灰化不完全。炭化操作一般在电炉或煤气灯上进行，把坩埚置于电炉或煤气灯上，半盖坩埚盖，小心加热使试样在通气情况下逐渐炭化，直至无黑烟产生。对特别容易膨胀的试样（如含糖多的食品），可先于试样上加数滴辛醇或纯植物油，再进行炭化。④灰化炭化后，把坩埚移入已达规定温度（500~550℃）的高温炉炉口处，稍停留片刻，再慢慢移入炉膛内，坩埚盖斜倚在坩埚口，关闭炉门，灼烧一定时间（视样品种类、性状而异）至灰中无碳粒存在。打开炉门，将坩埚移至炉口处冷却至200℃左右，移入干燥器中冷却至室温，准确称重，再灼烧、冷却、称重，直至达到恒重。（6）结果计算式中：m1——空坩埚质量，g；

m2——样品加空坩埚质量，g；

m3——残灰加空坩埚质量，g。灰分（%）=m3—m1m2—m1×100（1）水溶性灰分的测定在测定总灰分所得残留物中加入25ml无离子水，盖上表面皿加热至近沸，用无灰滤纸过滤，用25ml热的无离子水分多次洗涤坩埚，将残渣连同滤纸移回原坩埚中，在水浴上蒸发至干涸，放入干燥箱中干燥，再进行灼烧、冷却、称重、直至恒重。残灰即为水不溶性灰分。总灰分与不溶性灰分之差即为水溶性灰分。按下式计算水溶性灰分和水不溶性灰分含量。

X----水不溶性灰分含量，g/100gm4----水不溶性灰分和坩埚的质量，g

其它符号意义同总灰分的计算。水溶性灰分（%）=总灰分净重（克）—水不溶灰分净重（克）样品重量（克）×100二、水溶性灰分和水不溶性灰分的测定

取水不溶性灰分，或测定总灰分所得的残留物，加入25毫升10%盐酸（比重1.050），放在小火上轻微煮沸5分钟，用无灰滤纸过滤后，再用热水洗涤到洗液无氯离子反应为止。将残留物连同滤纸置坩埚中进行干燥、灼烧、放冷并称重。按下式计算：

X----酸不溶性灰分含量，g/100g;m5----酸不溶性灰分和坩埚的质量，g

其它符号意义同总灰分的计算。

或

酸不溶性灰分（%）=残留物重量（克）样品重量（克）×100三、酸不溶性灰分的测定高温炉（又名马福炉）：用于金属熔融、有机物灰化及重量分析的沉淀灼烧等。高温炉有加热部分、保温部分、测温部分等组成，有配套的自动控温仪，用来设定、控制、测量炉内的温度。（1）结构：高温电炉的最高使用温度可达到10000C左右。炉膛以传热性能良好、耐高温而无胀碎裂性的碳化硅材料制成，槽内嵌入电阻丝以供加热。耐火材料外围包裹一层很厚的绝缘耐热镁砖石棉纤维，以减少热量损失。钢质外壳以铁架支撑。炉门以绝热耐火材料嵌衬，正中有一孔以透明云母片封闭用作观察炉膛的加热情况。伸入炉膛中心的是一支热电偶，作测定温度用。热电偶的冷端与高温计输入端连接，构成一套温度指示和自动控温系统。（2）使用方法①用毛刷仔细清扫炉膛内的灰尘和机械性杂质，放入已经炭化完全的盛有样品的坩埚，关闭炉门。②开启电源，指示灯亮。将高温计的黑色指针拨至需要的灼烧温度。③随着炉膛温度上升，高温计上指示温度的红针向黑针移动，当红针与黑针对准时，控温系统自动断电；当炉膛温度降低，红针偏离与黑针对准的位置时，电路自动导通，如此自动恒温。④达到需要的灼烧时间后，切断电源。待炉膛温度降低至2000C左右，开启炉门，用长柄坩埚取出灼烧物品，在炉门口放置片刻，进一步冷却后置干燥器中保存备用。⑤关闭炉门，做好整理工作。坩埚：通常采用素烧瓷坩埚，它耐高温，灼烧后失重极少，对酸性食品稳定，一般不因温度迅速变化而破裂，且价钱便宜，但对碱性食品不稳定。当灰化碱性食品时，瓷坩埚内壁的釉层会有部分溶解，反复使用多次后，往往难以得到恒量而造成误差，在这种情况下，需采用新的瓷制容器，或改用铂金坩埚等其他容器。近年来，某些国家采用铝箔杯作灰化容器，比较起来，它本身质量轻，在525~6000C范围内，能稳定地使用，同时冷却效果好，且在一般温度下没有吸湿性，如果将杯子上缘折叠封口，基本密封好，冷却时间可不放入干燥器内，几分钟后便可降到室温，缩短了冷却时间。干燥器：(1)干燥器的使用：干燥器带有磨口的玻璃盖子，为了使干燥器密闭，在盖子磨口处均匀地涂一层凡士林油。干燥器中带孔的圆板将干燥器分为上、下两室，上室放被干燥的物体，下室装干燥剂。干燥剂不宜过多，约占下室的一半即可，否则可能沾污被干燥的物体，影响分析结果。最常用的干燥剂有硅胶、CaO、无水CaCl2、分子筛等。硅胶是硅酸凝胶，烘干除去大部分水后，得到白色多孔的固体，具有高度的吸附能力。为了便于观察，将硅胶放在钴盐溶液中浸泡，使之呈粉红色，烘干后变为蓝色。蓝色的硅胶具有吸附能力，当硅胶变为粉红色时，表示已经失效，应重新烘干至蓝色。(2)干燥器使用注意事项：启盖时，左手扶住干燥器，右手握住盖上的圆球，向前推开器盖，搬动干燥器时，要用双手捧住，并用两个拇指压住盖沿，防止盖子滑下打碎。当高温坩埚放入干燥器后，不能立即盖紧盖子。否则会由于空气流的冲入将坩埚中的被测物冲散使分析失败。因此，正确的操作是：当坩埚中放入干燥器后，先盖上盖子，再慢慢推开盖子，放出热空气。这样重复数次，直到听不到“嘣”“嘣”的声音后，把盖子盖紧并移至天平室后，冷却至室温。几种重要矿物元素的测定必需元素非必需元素有毒元素人体内矿物质大约占人体重量6%，其中包括常量元素、微量元素、有毒元素。一．常量元素：K、Na、Ca、Mg、P、S、Cl二．微量元素：在肌体中起作用的浓度以ppm、ppb计。是人体必需的、但过量又会中毒的元素，现有14种。①Fe是人体血液形成不可少的，缺铁性贫血就是因缺乏铁，而多了得“血色病”。②Zn影响人的消化与代谢，缺Zn味觉减退，出现厌食，发育不良等，过多会得胃肠炎。（取头发进行测定可知人体内Zn含量情况）。2000年8月调查：北京、广州等城市儿童低锌率44%，而山区儿童仅为32.4%（低于正常值）1．微量元素的功能形式、化学价态、化学形势非常重要。

例：铬的+6价毒性大，+3价对人体有益（如Cr2O3、

Cr(OH)3）。

2．注意；对这些微量元素不能盲目的补，要适量，要适宜。有时有益量与有害量相差很小。

三．有毒元素：1．目前未发现对人体有生理功能、且人体耐受力极小、进入体内量稍大就中毒的元素。如Hg、Cd、Pb、As等，这些元素在体内不易排出，有积蓄性，半衰期都很长。

例：①甲基汞：在体内半衰期为70天②铅：在体内半衰期为1460天。在骨骼中为10年

③镉在体内半衰期为16—31年。

北京部分农产品含砷量过高可能导致中毒！04年网上报道。2．微量元素与有毒元素合称限量元素。3.这些物质进入人体的渠道有：水源、土壤、环境、原料、辅料、添加剂、农药、化肥的使用、加工、制造、运输等带入；容器本身不纯，金属带入铅、锌；罐头中酸性锡的溶出；铜器带入过量铜；另外，还有呼吸、皮肤。日本,前几年流行含金食物，内含银、铜等杂质。饮水、食品、茶叶、烟草、化妆品等都可能被污染，环境污染已成为世界问题。

食物链——水鱼鸭子人农作物食品饲料家畜肉制品原子吸收分光光度法

测定限量元素的含量

原子吸收分光光度法是利用原子吸收分光光度计来测定限量元素。

原子吸收光谱分析的仪器包括四大部分光源原子化系统分光系统检测系统

火焰原子化法原子化法无火焰原子化法石墨炉法冷原子化法空心阴极灯火焰棱镜光电管原理：1.火焰式——仪器内有燃烧的火焰，提供一定能量让含有限量元素的溶液雾化后，经过火焰获得能量，热离解为原子状态就可吸收特定波长的光，由基态→激发态，不同的原子所吸收的波长不一样，如测Cu就要将仪器换上Cu空心阴极灯，让其发射出Cu的特定波长光，根据其吸收的多少来定量。（与标准曲线比较）2. 无火焰原子化法石墨炉法：让样品溶液在石墨管小空间内完成干燥、灰化、原子化三步，仪器提供高温，原子再去吸收特定波长光。灵敏度比火焰原子化法高。冷原子化法：让溶液进行化学反应，使元素为原子态，再喷入原子吸收分光光度计测定。原子吸收分光光度法的特点：优点：灵敏度高，应用广，选择性好，抗干扰性强，适于元素的痕量分析。缺点：要连续测不同的元素，就要多次换不同的阴极灯。铁的测定：硫氰酸钾比色法邻二氮菲比色法着重介绍邻二氮菲比色法铁的测定意义

铁是人体内不可缺少的微量元素，它与蛋白质结合形成血红蛋白，参与了血液中氧的运输作用，缺乏铁会引起缺铁性贫血。铁也是与能量代谢有关的酶的成分，所以人体每日都必须摄入一定量的铁。1988年中国营养学会推荐的铁的供应量为：成年男子12mg/日，女子18mg/日。在肉、蛋、果蔬等食品中都含有丰富的铁元素，可以满足大多数人群的日常需要。但婴幼儿、青少年，孕妇等易缺乏。食品在加工及贮藏过程中铁的含量会发生变化，并影响食品的质量。如三价铁离子具有氧化作用，可破坏维生素，并引起食品褐变；由于加工机械，包装等污染可使食品中铁增加，使食品产生金属味等。因此，测定食品中铁的含量除了有营养学意义外，还可以鉴定食品中铁的污染程度，控制食品的质量。铁的测定常用硫氰酸盐比色法、邻二氮菲比色法、联吡啶比色法和原子吸收分光光度法。(1)原理在酸性条件下，三价铁离子与硫氰酸钾作用，生成血红色的硫氰酸铁络合物，溶液颜色深浅与铁离子浓度成正比，故可以比色测定。反应式如下：Fe2（SO4）3+6KCNS→2Fe（CNS）3+3K2SO4(2)试剂①2%KMnO4溶液②20%KCNS溶液③2%K2S2O7溶液④浓H2SO4⑤铁标准使用液：准确称取0.4979g硫酸亚铁（Fe2（SO4）3·7H2O）溶于100ml水中，加入5ml浓硫酸微热，溶解即滴加2%高锰酸钾溶液，至最后一滴红色不褪色为止，用水定容至1000ml，摇匀，得标准贮备液，此液每毫升含Fe+3100μg。取铁标准贮备液10ml于100ml容量瓶中，加水至刻度，混匀，得标准使用液，此液每ml含Fe+310μg。硫氰酸钾比色法①样品处理：称取均匀样品10.0g，干法灰化后，加入2ml1：1盐酸，在水浴上蒸干，再加入5ml蒸馏水，加热煮沸后移入100ml容量瓶中，以水定容，混匀。②标准曲线绘制：准确吸取上述铁标准溶液0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0ml，分别置于25ml容量瓶或比色管中，各加5ml水，0.5ml浓硫酸，0.2ml2%过硫酸钾，2ml20%硫氰酸钾，混匀后稀释后至刻度，用1cm比色皿，在485nm处，以试剂空白作参比液测定吸光度。以铁含量（μg

）为横坐标，以吸光度为纵坐标绘制标准曲线。③样品测定：准确吸取样液5~10ml，置于25ml容量瓶或比色管中，以下按标准曲线绘制步骤进行，测得吸光度，从标准曲线上查出相对应的铁的含量。样品处理→标准曲线绘制→样品测定(3)测定方法Fe（μg/100g）=×100式中：x——从标准曲线上查得测定用样液相当的铁含量，μg；

V1——测定用样液体积，ml；

V2——样液总体积，ml；

m——样品质量，g；(4)计算①加入的过硫酸钾是作为氧化剂，以防止三价铁变成二价铁。②硫氰酸铁的稳定性差，时间稍长，红色会逐渐消退，故应在规定时间内完成比色。③随硫氰酸根浓度的增加，Fe+3可与之形成FeCNS2+直至Fe（CNS）63-等一系列化合物，溶液颜色由橙黄色至血红色，影响测定，因此，应严格控制硫氰酸钾的用量。(5)说明(1)原理在pH2~9的溶液中，二价铁离子能与邻二氮菲生成稳定的橙红色络合物，在510nm有最大吸收，其吸光度与铁的含量成正比，故可比色测定。反应式如下：Fe2++32+Fe3邻二氮菲比色法

pH﹤2时反应进行较慢，而酸度过低又会引起二价铁离子水解，故应通常在pH=5左右的微酸条件下进行。同时样品制备液中铁元素常以三价离子形式存在，可用盐酸羟胺先还原成二价离子再作反应，反应式如下：4Fe+2NH2OH·HCl→4Fe2++4H++N2O+H2O+2Cl-本法选择性高，干扰少，显色稳定，灵敏度和精密度都较高。①10%盐酸羟胺（NH2OH·HCl）溶液②0.12%邻二氮菲水溶液（新鲜配制）③10%醋酸钠溶液④1mol/L盐酸溶液⑤铁标准溶液：同硫氰酸钾比色法(2)试剂①样品处理：称取均匀样品10.0g，干法灰化后，加入2ml1：1盐酸，在水浴上蒸干，再加入5ml蒸馏水，加热煮沸后移入100ml容量瓶中，以水定容，混匀。②标准曲线绘制：吸取10μg/ml铁标准溶液（标准溶液吸取量可根据样品含铁量高低来确定）0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0ml，分别置于50ml容量瓶中，加入1mol/L盐酸溶液1ml，10%盐酸羟胺1ml，0.12%邻二氮菲1ml，然后加入10%醋酸钠5ml，用水稀释至刻度，摇匀，以不加铁的试剂空白溶液作参比液，在510nm波长处，用1cm比色皿测吸光度，绘制标准曲线。③样品测定：准确吸取样液5～10ml（视含铁量高低而定）