灰分及矿物质元素的测定.doc

第七章 灰分及矿物质元素的测定本章主要内容为灰分的测定及矿质元素的测定，灰分测定是食品全分析的必测定项目，因此第一节灰分测定很重要，也是国家强制标准检测项；矿物元素一般建立在总灰分的测定基础上，本章介绍几种重要矿物元素的测定，涉及矿质元素常用到的方法，重点掌握钙和铁的测定。第一节 灰分的测定一 、概 述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。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。但是灰分含量 无机成分的含量，因为灰分测定过程中，无机成分的含量可能增加也可能减少，例如某些金属氧化物会吸收有机物分解产生的CO2形成碳酸盐，使无机成分增多，有的又可挥发（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）。1. 粗灰分的概念： 常把食品经高温灼烧后的残留物称为粗灰分（总灰分）。总灰分可分为水溶性灰分格水不溶性灰分，水不溶性灰分又可分为酸溶性灰分和酸不溶性灰分。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。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。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。2. 灰分测定的意义：（1）考察食品的原料及添加剂的使用情况。如生产过程中加入的酸、碱、盐等，都会增加成品的灰分含量。（2）灰分指标是质量分级控制指标。例如：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。富强粉为 0.3 0.5 %，标准粉应为 0.6 0.9 %，（3）反映动物、植物的生长条件。比如人类不同年龄段体内含钙量和需钙量并不相同，茶叶幼牙中的铅含量最低，随着生长，铅含量逐渐增加。（4）生产工艺控制的需要：明胶、果胶类胶制品，灰分是其胶冻性能的标志。果胶的灰分和酸溶性灰分是其重要指标。（5）检验食品加工过程的污染情况，如生产过程控制中的二次污染。 综上所述，灰分是食品成分全分析的项目之一。二、总灰分的测定（要求全部必须掌握）该方法是GB 5009.4 2010 食品中灰分的测定方法（一） 原理： 采用重量法，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（包括容器、取样量、温度、时间）1. 灰化容器一般是坩埚（坩埚盖子与埚要配套），坩埚材质有多种：如素瓷、铂、石英、铁、镍等，个别情况也可使用蒸发皿。 素瓷坩埚：尺寸分5,10,20,30,50,100,200mL的, 灰化常用10mL。优点：耐高温可达 1200 ，内壁光滑，耐酸，价格低廉。缺点：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。还有温度骤变时，易炸裂破碎。 铂坩埚：食品中用到少，工业中多用。优点：耐高温达1773（可熔玻璃），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。保持清洁，不得用于铅、砷、锑、铋物质测定，使用不当会腐蚀或发脆。质地软，不可用尖物、海砂清洗，用微沸水或酸清洗，钳包铂头。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 10 100 mg 。通常： 乳粉、麦乳精、大豆粉、调味料、水产品等取 12 g ；谷物及制品、肉及制品、糕点、牛乳等取 35 g ；蔬菜及制品、砂糖及制品、蜂蜜、奶油等取 510 g ；水果及制品取 20 g 、油脂取50 g 。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525600，谷类的饲料达 600以上。如：黄油500，因为黄油测定灰分后，还要测定氯化钠成分，因此不能采用使得卤素挥发的高温来灰化。海产品、果蔬制品、砂糖制品、肉制品525；谷类及其制品、乳制品550；大豆粉、谷类饲料等个别样品可以达到600；添加乙酸镁的快速灰化法可达700。灰化温度太低，会使灰化速度慢，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；灰化温度太高，将引起K、Na、Cl等元素挥发损失，磷酸盐、硅酸盐也会熔融，将碳粒包藏起来，使元素无法氧化。加热速度不可太快，防止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。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。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 0.5 mg。对于已做过多次测定的样品，可根据经验限定时间。总时间一般为25h,个别样品有规定温度、时间。应指出的是，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（要求掌握）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，可采用下述五种方法加速灰化：1. 加去离子水溶解法：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。加入水不会增加残灰的质量，灼烧后会完全消失。2. 加疏松剂 / 氧化剂法：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。加入的疏松剂和氧化剂都不会增加残灰的质量，灼烧后会完全消失。3. 加助灰化剂法：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，应做空白试验。4. 硫酸灰化法：糖类样品残灰中加入硫酸，可以进一步加速。5. 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：1. 马福炉的准备：又称高温炉（马福炉、蒙弗炉），接通电源，调好要使用的温度，电线容量要大，功率为20004000W，否则易失火。尽量不与其他电器共用。由：箱式电阻炉及温度控制仪组成。2.瓷坩埚的准备:* 取两个坩埚用（1:4）的HCl煮沸12h，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，先放炉口预热，炉内各部位的温度不一致（若设定 600，炉内热电偶附近为 60010，前端部分56010），因此每次取放都要放在门口缓冲温差；* 于规定温度（500600）灼烧半小时，再移至炉门处冷却到 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 30min，取出冷却称重，至恒重（两次称重之差不大于0.5 mg ), 记录数据备用。3. 样品的预处理：A 富含脂肪的样品先提取脂肪后再测灰分。B 对于液体样品应先在水浴上蒸干，否则直接炭化，液体沸腾易造成溅失。C 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6070，后105），再炭化。D 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，首先进行炭化处理，原因是：以防温度高，试样中水分急剧蒸发使样品飞扬；还可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下进行，半盖坩埚盖，小心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。5. 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，再慢慢移入马福炉内，以下操作同求坩埚恒重时一样，至恒重。6. 结果计算： m 1空坩埚质量，g m 2样品+空坩埚质量，g m 3残灰+空坩埚质量，g B 空白试验残灰重，g7. 说明：A .有的样品如面粉等粮食样品是以干物质的灰分来计算的，要从总重中减去水分。B.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。C.灰化后的残渣可留作Ca、P、Fe等成分的分析。D.用过的坩埚，应把残灰及时倒掉，初步洗刷后，用粗HCl（废）浸泡1020min，再用水冲刷洗净。E.一般结果计算中小数点后保留一位小数。F.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，易冷却，减小误差。在600以下，可稳定使用。G.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（要求掌握）水溶性灰分测定要基于总灰分的测定。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、无灰滤纸及残渣。残渣及滤纸一同移回原坩埚中，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。 计算：水不溶性灰分 = 100%m4 不溶性灰分 + 原坩埚质量 g m1 原坩埚质量 g m2 样品 + 原坩埚质量 g水溶性灰分=总灰分 - 水不溶性灰分四、酸不溶性灰分的测定（要求掌握）取水不溶性灰分或总灰分的残留物，加入25mL 0.1mol/L的HCl，置小火上轻微煮沸，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（也称定量滤纸80g/m2）：按灼烧后灰分残留值分为三个等级：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。宜作定量分析。 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（C、H、O、N）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。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、）矿物元素的测定方法：分为化学分析法（重量法、容量法）和仪器分析法（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）样品预处理方法有机物破坏法：有干法灰化、湿法消化、紫外光分解法、微波密闭消解法。二、钙的测定：钙是人体含量最多的一种无机元素，出生时体内含钙总量约为28g，成年时达8501200g，相当于体重的1.5%2.0%。99%集中于骨路和牙齿中，其余1%，有一半与柠檬酸整合或与蛋白质结合；另一半则以离子状态存在于软组织、细胞外液和血液中，与骨骼钙维持着动态平衡，维持体内细胞正常生理状态的需要。（一） KMnO4法原理: 以氧化还原反应为基础，样品灰化后加盐酸溶解，加草酸盐成草酸钙沉淀，水洗后以硫酸溶解，游离出的草酸以高锰酸钾滴定。 CaCl2+(NH4 )2C2O4 CaC2O4+2NH4Cl CaC2O4 + H2SO4 CaSO4 + H2C2O4 5H2C2O4+2KMnO4 +3H2SO4 K2SO4 +2MnSO4 +10CO2 +8H2O即： 2KMnO4相当于5H2C2O4，相当于5 CaC2O4此法需沉淀、过滤、洗涤等步骤，费时费力，较为少用。（二）EDTA滴定法（掌握原理）1. 原理：Ca2+ + 钙指示剂NN（pH11,纯蓝色）CaNN （酒红色）EDTA+ CaNN （酒红色） Ca-EDTA + NN（纯蓝色）在pH12-14时，Ca2+可与EDTA作用生成稳定的EDTA-Ca络合物，可直接滴定。终点指示剂为钙指示剂（NN），NN水溶液在PH11时为纯蓝色，可与Ca2+ 结合生成酒红色的NN- Ca2+，其稳定性比EDTA-Ca2+ 小，在滴定过程中EDTA首先与游离Ca2+结合，接近终点时EDTA夺取NN-Ca2+中的Ca2+ ，使溶液从酒红色变成纯蓝色，即为滴定终点。根据EDTA的消耗量，即可计算出钙的含量。2. 试剂钙指示剂、1%KCN、0.05mol/L 柠檬酸钠溶液、2mol/L NaOH、6mol/L HCl、钙标准溶液（0.2mg/ml）、EDTA标准溶液（0.01mol/L）3. 测定4. 注意事项：（1）样品加入钙指示剂后，不能久置，否则终点发灰，不明显；（2）样品中的Fe、Al、Ni、Zn等离子会干扰测定，可用KCN消除；（3）滴定时控制pH为1214，过高过低指示剂都变红，不显示终点。三、铁的测定：铁是人体必需微量元素中含量最多的一种，总量约为45g。 铁为血红蛋白与肌红蛋白、细胞色素A以及某些呼吸酶的成分，参与体内氧与二氧化碳的转运、交换和组织呼吸过程。铁缺乏时对人体的影响：工作效率降低、学习能力下降，冷漠呆板。此外，常有出现心慌、气短、头晕、眼花、精力不集中。（一）硫氰酸钾比色法：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，在485nm有最大吸收，吸光度与铁离子浓度成正比。Fe3+ + 3SCN- Fe(SCN)3注意事项：（1）为防止Fe3+转变为Fe2+，应加入少量K2S2O8作氧化剂（2）Fe(SCN)3稳定性差，易褪色，应及时测定吸光度（二）邻菲罗啉（邻二氮菲）比色法（掌握原理和注意事项）1. 原理：微酸性条件下， Fe2+与邻二氮菲生成稳定的橙红色络合物， max 510nm，吸光度与铁含量成正比。2. 试剂： 10%盐酸羟胺、0.12%邻二氮菲水溶液、10%醋酸（柠檬酸）钠1mol/L盐酸溶液、铁标准储备溶液（100ug/mL）、铁标准溶液（10ug/mL）3.