《食品分析》课件-第九章 灰分及几种矿物元素的测定

第九章灰分及几种矿物元素的测定GB5009.4-2016食品安全国家标准食品中灰分的测定【教学目标与要求】1、教学目标：能够熟练掌握测定食品中灰分的方法；根据实验条件正确测定出食品中重要矿物质的含量。2、教学要求：通过本章学习，要求学生了解各种灰分的定义，理解灰分测定的意义；掌握灰分的测定原理、方法及操作条件的控制；掌握铁、钙、锌等重要矿物元素的测定方法选择及样品处理过程。【教学重点与难点】1、教学重点：灰分的测定原理、操作方法及条件的控制。2、教学难点：灰化的具体操作过程及根据不同现象对加速灰化速度的方法选取。思考题1、灰分的概念和种类，为什么测得的灰分称为粗灰分？2、从灰分测定原理可以看出灰分测定的步骤？3、详细说出灰分测定所用的仪器和用具？4、详细说出坩埚处理的方法？5、详细说出苹果、大豆、牛奶、小麦粉的灰分测定的步骤？第一节灰分的测定一、概述1.食品的组成十分复杂，由大量有机物质和丰富的无机成分组成。2.灰分的概念在高温灼烧时，食品发生一系列物理和化学变化，最后有机成分挥发逸散，而无机成分（主要是无机盐和氧化物）则残留下来，这些残留物称为灰分。它标示食品中无机成分总量的一项指标。3.粗灰分的概念

灰分不完全或不确切地代表无机物的总量，如某些金属氧化物会吸收有机物分解产生的CO2而形成碳酸盐，使无机成分增多了，有的又挥发了（如Cl、I、Pb为易挥发元素。P、S等也能以含氧酸的形式挥发散失）。从这个观点出发通常把食品经高温灼烧后的残留物称为——粗灰分（总灰分）。酸溶性灰分酸不溶性灰分总灰分水溶性灰分水不溶性灰分4.水溶性灰分——反映可溶性K、Na、Ca、Mg等的氧化物和盐类的含量。可反映果酱、果冻等制品中果汁的含量。

5.酸溶性灰分——反映Fe、Al等氧化物、碱土金属的碱式磷酸盐的含量。6.酸不溶性灰分——反映污染的泥沙及机械物和食品中原来存在的微量SiO2的含量。7．灰分测定的意义

考察食品的原料及添加剂的使用情况；灰分指标是一项有效的控制指标；例：面粉生产，往往在分等级时要用灰分指标，因小麦麸皮的灰分含量比胚乳高20倍。富强粉应为0.3~0.5%，标准粉应为0.6~0.9%，反映动物、植物的生长条件。生产明胶、果胶类胶制品，灰分是它胶冻性能的标志。同时还可检验食品加工过程的污染情况。所以，灰分是食品成分全分析的项目之一。二、总灰分的测定GB5009.4—2016《食品中灰分的测定》

(一)原理：（P68）把一定的样品经炭化后放入高温炉内灼烧，转化，称量残留物的重量至恒重，计算出样品总灰分的含量。（二）灰化条件的选择1.灰化容器——坩埚。坩埚盖子与埚要配套。

坩埚材质有多种：①素瓷②铂③石英④铁⑤镍等，个别情况也可使用蒸发皿。①素瓷坩埚优点：耐高温可达1200℃，内壁光滑，耐酸，价格低廉。缺点：⑴耐碱性差，灰化成碱性食品（如水果、蔬菜、豆类等），坩埚内壁的釉质会部分溶解，反复多次使用后，往往难以得到恒重。⑵温度骤变时，易炸裂破碎。②铂坩埚

优点：耐高温达1773℃，导热良好，耐碱，耐HF,吸湿性小。缺点：价格昂贵，约为黄金的9倍，要有专人保管，免丢失。使用不当会腐蚀或发脆。2、取样量根据试样种类和性状来定，一般控制灼烧后灰分为10～100mg。国标规定：灰分含量大于10g/100g的试样称取2-3g；灰分小于10g/100g的试样称取3-10g。通常：乳粉、麦乳精、大豆粉、调味料、水产品等取1～2g。谷物及制品、肉及制品、糕点、牛乳等取3～5g。蔬菜及制品、砂糖及制品、蜂蜜、奶油等取5～10g。水果及制品取20g、油脂取50g。具体见163页表9-2。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，灰化温度也应有所不同，一般为525~600℃，谷类的饲料达900℃以上。温度太高，将引起K、Na、Cl等元素的挥发损失，磷酸盐、硅酸盐也会熔融，将碳粒包藏起来，使元素无法氧化。温度太低，则灰化速度慢，时间长，不宜灰化完全，也不利于除去过剩的碱性食物吸收的CO2。所以要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。加热速度不可太快，防急剧干馏时灼热物的局部产生大量气体，而使微粒飞失、易燃。

4.灰化时间

一般不规定灰化时间，而是观察残留物（灰分）为全白色或浅灰色，内部无残留的碳块，并达到恒重为止。两次结果相差<0.5mg。对于已做过多次测定的样品，可根据经验限定时间。总的时间一般为2~5小时，个别样品有规定温度、时间。应指出，对某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。（三）加速灰化的方法

有些样品难于灰化，如含磷较多的谷物及其制品。磷酸过剩于阳离子，灰化过程中易形成KH2PO4、NaH2PO4等，会熔融而包住C粒，即使灰化相当长时间也达不到恒重。对这类样品，可采用下述方法加速灰化：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①瓷坩埚的准备根据取样量的大小、样品的性质（如易膨胀等）来选取坩埚的大小。有时样品太多，宜选素瓷蒸发皿。使用的容器大会使称量的误差增大（有的蒸发皿在光电天平中放不下）。将两个坩埚用10%的HCl煮沸1~2小时，用水洗净凉干。

用FeCl3+蓝墨水的混合物在坩埚外壁及盖子上编号。打开马福炉，用坩埚钳夹住，先放在炉口预热，因炉内各部位的温度不一致，假如设定600℃，炉内热电偶附近为600±10℃，中间部位为590±10℃，前面部分为560±10℃，不论炉子大小，门口部分温度最低。

真正灼烧时不能放在靠近门口部分，每次开始放入炉内或取出时，都要放在门口缓冲一下温差，不然就会破裂，然后慢慢往里面放，把盖子搭在旁边。稍停一下在关炉门，于规定温度（500±25℃）灼烧半小时，再移至炉口冷却到200℃左右，再移入干燥器中，冷却至室温，准确称量，再入高温炉中烧30分钟，取出冷却称重，直至恒重（两次称重之差不大于0.5mg),记录数据备用。②高温炉（马福炉、蒙弗炉）的准备

SRTX-4-9型箱式电阻炉、

DRZ-4型温度控制仪。接通电源，调好要使用的温度，电线容量要大，因为功率为2000-4000W，不然会失火。如室内配电容量小，其他电器都不得与它同时使用。电加热管式（分1、2、3段），少量样品方便。箱式（有不同体积），要预热，用电量大。③样品的预处理可用测定水分之后的样品。⑴富含脂肪的样品先提取脂肪后再测灰分。⑵一般食品：对于液体和半固体试样应先在沸水浴上蒸干，否则直接炭化，液体沸腾易造成溅失。

含磷量较高的豆类及其制品、肉禽制品、蛋制品、水产品、乳及乳制品：称取试样后，加入240g/L乙酸镁溶液1.00mL或80g/L乙酸镁溶液3.0mL，使样液完全润湿。放置10min后，在水浴上将水分蒸干。同时做3次试剂空白试验。⑶果蔬、动物组织等含水分较多的样品,先制备成均匀样品，再准确称取样品置于已知重量坩埚中，放烘箱中干燥（先60～70℃，后105℃），再炭化。⑷谷物、豆类等水分含量较少的固体样，粉碎均匀后可直接称取、炭化。④炭化样品

准确称量一定量处理好的样品，放在高温炉之前，要先进行炭化处理，以防温度高，试样中的水分急剧蒸发使样品飞扬，防止易发泡膨胀的物质在高温下发泡而溢出，减少碳粒被包裹住的可能性。炭化操作一般在电炉或煤气灯或电热板上进行，半盖坩埚盖，小火加热使样品在通气情况下逐渐炭化，直至无黑烟产生。对易膨胀、发泡的如含糖多的，含蛋白多的样品，可在样品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的高温炉口，稍停片刻，再慢慢移入炉膛内灼烧4h。冷却至200℃左右，取出，放入干燥器中冷却30min，称量前如发现灼烧残渣有碳粒时，应向试样中滴入少许水润湿，使结块松散，蒸干水分再次灼烧至无碳粒即表示灰化完全，方可称重。重复灼烧至前后两次称量相差不超过0.5mg为恒重。

m1—空坩埚质量，gm2—样品+空坩埚质量，gm3—残灰+空坩埚质量，gB—空白试验残灰重，g试样中灰分含量≥10g/100g时，保留三位有效数字；试样中灰分含量＜10g/100g时，保留两位有效数字。5.结果计算×100%灰分=×100%如有空白试验为

有的样品如面粉等粮食样品是以干物质的灰分来计算的，从总重中减去水分。6.说明：①从干燥器中取出冷却的坩埚时，因内部成真空，开盖恢复常压时应让空气缓缓进入，以防残灰飞散。②灰化后的残渣可留作Ca、P、Fe等成分的分析。③用过的坩埚，应把残灰及时倒掉，初步洗刷后，用粗HCl(废）浸泡10~20分钟，再用水冲刷洗净。④日本有采用自制铝箔杯直接灰化的。特点：杯子不吸湿好恒重，本身重量轻，好冷却，减小误差。在600℃以下，可稳定使用，用圆形铝箔套在塑料瓶上向上捻成杯状。⑤测定值％中小数点后保留一位小数。⑥测定食糖中总灰分可用电导法，简单、迅速、准确，免泡沫的麻烦。三、水溶性灰分和水不溶性灰分的测定将测定所得的总灰分称量、计算后，约加25ml热无离子水，分多次洗涤坩埚、滤纸及残渣。将残渣及滤纸一起移回原坩埚中，在水浴上蒸发至干涸，入干燥箱中干燥，再进行炭化、灼烧、冷却、称量，至恒重。

m4—不溶性灰分+原坩埚质量gm1—原坩埚质量gm2—样品+原坩埚质量g水溶性灰分％=总灰分％-水不溶性灰分％计算：水不溶性灰分=×100%四、酸不溶性灰分的测定

取水不溶性灰分或总灰分的残留物，加入25ml0.1mol/L的HCl，放在小火上轻微煮沸，用无灰滤纸过滤后，再用热水洗涤至不显酸性为止，将残留物连同滤纸置坩埚中进行干燥、炭化、灰化，直到恒重。计算:酸不溶性灰分％=×100%

m5—酸不溶性灰分+坩埚质量

m1—原坩埚质量

m2—样品+原坩埚质量无灰滤纸（定量滤纸）按灰分分为三个等级甲＜0.01％乙＜0.03％丙＜0.06％是化学纯度高度纯洁，疏松多孔，有一定过滤速度，显中性，耐稀酸。思考题1、KMnO4法测定钙的原理和测定步骤？2、EDTA滴定法测定钙的原理？3、原子吸收分光光度法测定的原理？4、硫氰酸钾比色法测定铁的原理和测定步骤？5、邻菲罗啉（邻二氮菲）比色法测定铁的原理和测定步骤？第二节几种重要矿物元素的测定一、概述食品中除含有大量有机物外，还含有丰富的矿物质,它们都存在于灰分之中，要先灰化处理，然后再测定。其中：常量元素含量＞0.01％（Ca、Mg、K、Na、P、S、Cl）占总灰分80%，微量元素（痕量元素）含量＜0.01％（Fe、Co、Ni、Zn、Cr、Mo、Al、Si、Se、Sn、I、F……）矿物元素的测定方法很多：化学分析法、比色法、原子吸收分光光度法、极谱法、离子选择性电极法、荧光法等等。

介绍一种新的样品处理技术——微波密闭消解高压消解+微波快速加热微波加热原理：微波——300～300000Mhz间的电磁波。微波密闭消解常用2450Mhz为工作频率。微波产生的电磁场正负信号变换24.5亿次/每秒钟，溶液中极性分子在微波电场作用下，以24.5亿次/每秒钟的速度改变其正负方向，使分子产生高速的碰撞和摩擦而产生高热。同时还有离子的导电作用。样品和溶剂放在密闭容器里进行微波加热，产生高压。消解速度是传统方法的10～100倍，消解完全彻底，回收率高，易挥发元素损失少，环境污染少，劳动强度低等优点。操作简便：只需把样品及溶剂放入消解罐，调整好所需要的压力，设定好加热时间，即可进行微波消解。实际消解速度：食品样品最多只要10分钟（2.5MPa);化妆品样品有的要12分钟（3MPa);药、保健品最多只要10分钟（2.0MPa);冶金类样品最多要20分钟（2.5MPa);（一）KMnO4法原理：将样品用酸处理成溶液，使Ca2+溶解在溶液中。Ca2+在一定条件下与C2O42-作用，形成白色CaC2O4沉淀。过滤洗涤后再将CaC2O4沉淀溶于热的稀H2SO4中。用KMnO4标准溶液滴定与Ca2+1:1结合的C2O42-含量。其反应式如下：

灰分+HCl溶解

CaCl2+(NH4)2C2O4→CaC2O4↓+2NH4ClCaC2O4+H2SO4→CaSO4+H2C2O45H2C2O4+2KMnO4+3H2SO4

K2SO4+2MnSO4+10CO2+8H2O此法需要沉淀、过滤、洗涤等步骤，费时费力，较为少用。沉淀Ca2+时，为了得到粗晶形沉淀，必须控制沉淀条件。通常是在含Ca2+的酸性溶液中加入足够的(NH4)2C2O4沉淀剂。由于酸性溶液中C2O42-大部分是以HC2O4-形式存在，这样会影响CaC2O4的生成。所以在加入沉淀剂后必须慢慢滴加氨水，使溶液中H+逐渐被中和，C2O42-浓度缓慢地增加，这样就易得到CaC2O4粗晶形沉淀。沉淀完毕，溶液pH值还在3.5～4.5，即可防止其他难溶性钙盐的生成，又不致使CaC2O4溶解度太大。加热半小时使沉淀陈化（陈化的过程中小颗粒晶体溶解，大颗粒晶体长大）。过滤后，沉淀表面吸附的C2O42-必须洗净，否则分析结果偏高。为了减少CaC2O4在洗涤时的损失，则先用稀(NH4)2C2O4溶液洗涤，然后再用微热的蒸馏水洗到不含C2O42-时为止。将洗净的CaC2O4沉淀溶解于稀H2SO4中，加热至(75～85)℃，用KMnO4标准溶液滴定。(二）EDTA滴定法（乙二胺四乙酸）

原理：先向系统中加入钙红指示剂（pH﹥11,纯蓝色），它与二价钙离子络合，生成酒红色的络合物，再用EDTA滴定，它先与游离的钙离子络合，因其络合能力强，当与游离二价钙离子结合完以后，又夺取指示剂已络合的二价钙离子，使指示剂又显原来颜色，生成蓝色，用以指示终点。注意：滴定用的样品量随钙含量而定，最适合的范围是5-50μg；加钙红指示剂后，不能放置过久，否则终点发灰，不明显；氰化钾用来消除锌、铜、铁、铝、镍、铅等离子的干扰，而柠檬酸钠则可以防止钙和磷结合形成磷酸钙沉淀；滴定时，pH应为12-14，过高或过低，指示剂变红，滴不出终点。(三）原子吸收分光光度法

将处理后的样液直接吸入空气和乙炔焰中原子化，在光路中直接测定钙原子对其空心阴极等发射谱线（242.7nm）的吸收。

原理：原子吸收分光光度法的测量对象是呈原子状态的金属元素和部分非金属元素，系由待测元素灯发出的特征谱线通过供试品经原子化产生的原子蒸汽时，通过测定辐射光强度检测的程度，求出供试品中待测元素的含量。单色光辐射穿过被测物质溶液时，在一定浓度范围内，其吸收强度与试液中被测元素的含量成正比。原子化器：火焰原子化器：通过乙炔-空气火焰（乙炔-笑气）火焰提供足够的高温，达到样品原子化的目的石墨炉原子化器：通过控制在石墨管中通过电流的大小，产生足够的高温，达到样品原子化的目的氢化物原子化器三、铁的测定

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。

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。（一）硫氰酸钾比色法(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，于485nm波长处测溶液的吸光度，与标准曲线比较进行定量。反应式如下：Fe2（SO4）3+6KCNS→2Fe（CNS）3+3K2SO4(2)试剂①200g/LKCNS溶液②20g/LK2S2O7溶液(过硫酸钾溶液)③浓H2SO4④1mg/mL铁标准贮备液：称取纯铁0.1000g溶于10mL硫酸（1+9）中，加热至铁完全溶解后冷却，向溶液中加入30mL水，移入100mL容量瓶中，用水定容，摇匀。⑤10µg／mL铁标准工作液：准确吸取铁标准贮备液10.00mL至100mL容量瓶中，用水稀释至刻度，此时每毫升溶液相当于100µg铁。吸取上述溶液10.00mL至100mL容量瓶中，用水定容。临用现配。

(3)操作步骤①样品处理：称取均匀样品10—20g(称准至0.01g)于瓷坩埚中，加热烘干水分后，将其小心炭化后移人550℃马弗炉中灰化。

灰化完全后取出冷却，向灰分中加入2mL(1+1)盐酸后再在水浴上蒸干。加入5mL水，加热煮沸(注意防止溅出)后，移入100mL容量瓶中，用水定容，摇匀备用。同时作空白试验(瓷坩埚中不加样品，以下操作同样品的处理)。②标准曲线绘制：准确吸取铁标准工作溶液0.00mL、0.20mL、0.40mL、0.60mL、0.80mL、1.00mL，分别移人25mL比色管中，各加入5mL水，加浓硫酸0.5mL，再加入20g／L过硫酸钾溶液0.2mL和200g／L硫氰酸钾溶液2mL，混合均匀后定容至25mL，摇匀。在485nm波长处，以试剂溶液为参比，测定各溶液的吸光度，以铁的浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。③测定：准确吸取空白液及样液各5mL于25mL比色管中，各加0.5mL硫酸，0.2mL20g／L过硫酸钾溶液，2mL200g／L硫氰酸钾溶液，用水稀释至25mL，摇匀。以空白液为参比，在485nm波长处，测定吸光度。④结果计算样品中铁的质量分数可由下式计算得出：

m1·V×10-6WFe=×100m·V1

式中WFe——样品中铁的质量分数(％)；

m1——测定时扣除空白后样液中铁的质量(µg)V1——测定时吸取样液的体积(mL)；

V——样品溶液的体积(mL)；

m——样品的质量(g)。

(4)注意事项1)测定过程中应加入过硫酸钾作为氧化剂，以防止三价铁转变为二价铁。2)硫氰酸铁稳定性差，如时间稍长，红色便会逐渐消退，因此应在规定时间内完成比色。3)随硫氰酸根浓度增加，Fe3+可与之形成FeSCN2+，直至Fe(SCN)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。（二）

邻菲罗啉（邻二氮菲）比色法(1)原理在pH为2-9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：4Fe3++2NH2OH·HCl→4Fe2++4H++N2O+H2O+2Cl-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，本法选择性高，干扰少，显色稳定，灵敏度和精密度都较高。

(2)试剂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

(3)测定方法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：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）于50ml容量瓶中，以下按标准曲线绘制操作，测定吸光度，在标准曲线上查出相对应的铁含量（μg）。说明①配制试剂及测定中用水均系以玻璃仪器重蒸的蒸馏水；②该法测定铁，灵敏度高，溶液中含铁0.1mg/kg时其颜色也很明显，易于比色；③邻菲罗啉与二价铁在微酸性条件下形成的红色络合物颜色相当稳定，比硫氰酸盐比色法稳定的多；④本法选择性高，干扰少，显色稳定，灵敏度和精密度都较高。(三）原子吸收分光光度法【1】原理：试样消解后,经原子吸收火焰原子化,在248.3nm处测定吸光度值。在一定浓度范围内铁的吸光度值与铁含量成正比,与标准系列比较定量。【2】试剂1、硝酸溶液(5