黑木耳的“铁”证.doc

_黑木耳的“铁”证补铁问卷与网络报道引发的铁元素定性定量实验验证张馥康天泓乔元桢范雨美于海鹰（华东师范大学附属周浦中学，上海 201318）摘要：通过实验确证黑木耳含铁，并完成了铁含量的定量分析。对高中学生问卷调查，发现仅6%学生认为黑木耳中含丰富铁元素。比较几种铁元素提取方法，发现仿照课本中“海带提碘”原理，将黑木耳灼烧灰化、盐酸提取，滤液遇硫氰化钾明显显红色，与白木耳对比后证实黑木耳中含丰富铁。灰分经浓硝酸/过氧化氢处理，在pH4.7缓冲体系中用邻二氮菲法显色，经便携的三波长色度传感器测得铁的含量为(13.930.68) mg/100g，是菠菜含铁量的1535倍。数据在专业文献报道范围内，与无数据来源的网络报道差异明显。关键词：黑木耳； 铁含量； 色度传感器； 海带提碘； 邻二氮菲精品资料1 关于人体补铁的问卷调查上海市高中二年级第一学期化学课本（上科版）走进精彩纷呈的金属世界一章出现了铁等常见金属的物化性质学习，铁和铁的化合物不光在社会生产生活中非常有用1，铁元素还与人体健康息息相关。为调查教学对象对人体中铁元素的认知，我们设计了一份名为“关于补铁需要知道的事儿”的问卷，以选择题形式对80名学生进行相关调查（见附录），共收到有效调查问卷77份。问卷设计的问题如表1所示：表1 补铁问卷主要内容与结果问题内容选择率最高的答案一我们需要多少铁？微量二人体中的铁以何种形式存在？复杂离子三如果缺铁，哪种补铁方式最高效？摄入足量含铁丰富的食物四下列食物含铁哪一种含铁最丰富？菠菜五缺铁可能有哪些症状？（多项）面色苍白、记忆力差应该说学生对铁元素之于人体健康的重要性有一定了解，而且充分意识到可用饮食补铁（问题三正确答案补铁剂的选择率并不是最高）。77%的学生选择含铁最丰富的食品是菠菜，这可能源自普通公民的口口相传，甚至是童年“大力水手”中对菠菜的神话夸大，仅6%的学生选择黑木耳。2 问题的提出*本文实验获2016年全国化学数字化实验教学应用及创新设计一等奖*通讯作者部分学生通过网络搜索2，发现网上报道黑木耳含铁量比菠菜要高出二三十倍，比动物性食品中猪肝还高出好几倍，是各种荤素食品中含铁量最多的。黑木耳药食同源，具有较高含量的粗蛋白、氨基酸、多糖，能起到清理消化道、降血压的作用3,4。可是黑不溜秋、名不见经传的黑木耳竟然含有大量的铁元素？网上的报道属实吗？我们决定引导学生用所学的化学知识进行黑木耳的“铁”证实验。黑木耳中的铁显然不会是单质，如果铁元素能转变成Fe3+，就能用硫氰化钾试剂进行显色检验。但是直接用蒸馏水并未溶出可检测到的铁离子，表明在木耳中铁元素可能是以复杂形式存在。联系到高一化学学生实验“海带提碘”，海带中的碘元素也是以有机碘形式存在，通过灼烧去除有机物，并将碘转变成无机碘离子形式而进入水中再进一步提取。我们也尝试对黑木耳灼烧后的灰分进行酸浸、过滤后再用于铁离子检验，以白木耳作为对比，找到“铁”证。进一步查阅文献知道利用邻二氮菲与Fe2+的显色反应可以进行铁元素浓度的定量测定，检出限低。利用便携的三波长光源色度传感器结合数据采集系统及电脑，我们得出了市售黑木耳中铁元素的平均含量，网上报道的每百克黑木耳中铁含量数据与本实验数据有明显出入。3实验试剂与仪器3.1 药品与试剂：黑木耳（产地黑龙江伊春），白木耳（产地福建宁德），浓硝酸，30%过氧化氢，盐酸，硫氰化钾溶液，六水合硫酸亚铁铵，邻二氮菲，盐酸羟胺，无水醋酸钠，冰醋酸。3.2 仪器：家用榨汁机（九阳），电子天平，三波长光源色度传感器（LW-C803，朗威数字化信息系统）。4主要溶液配制4.1 10 g/mL铁标准溶液：称取0.3511 g六水合硫酸亚铁铵，用15mL 2mol/L HCl溶解，加水定容至500mL，从中取10.00 mL加水定容至100mL。4.2 100 g/L的盐酸羟胺溶液：称取10 g盐酸羟胺固体溶于水并定容至100mL。4.3 1.5 g/L的邻二氮菲溶液：称取0.15 g邻二氮菲固体溶于50mL乙醇，并用水定容至100mL。4.4 HAc-NaAc缓冲溶液（pH约为4.7）：取8.3 g 无水NaAc溶于水中，加入6mL冰醋酸，加水定容至100mL。以上溶液需现配现用。5主要实验过程5.1木耳中铁元素的提取市售木耳在家用榨汁机中粉碎，称取一定质量粉碎木耳，在坩埚或蒸发皿中灼烧半小时至灰白色，将灰分转移至干燥器中冷却后，称取一定质量于小烧杯中。加入4mL浓硝酸，电热板上微热10 min，逐滴加入1 mL 30%的过氧化氢。反应1 h后，加入10 mL 4 mol/L盐酸，过滤，并用少量盐酸洗涤烧杯与沉淀，滤液与洗涤液一并转移到50 mL容量瓶，加水定容。或者将灰分仅用15 mL 4 mol/L盐酸浸泡20 h后过滤，滤液用于定性检验。5.2木耳中铁元素的定性验证在白色点滴板中滴加四滴木耳盐酸提取液，再加一滴硫氰化钾溶液，观察现象。5.3木耳中铁元素的定量分析在六个50 mL容量瓶中，分别加入10 g/mL的Fe标准溶液0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL，每个瓶中继续加入1 mL盐酸羟胺，摇匀，放置2min后，继续加入5mLHAc-NaAc缓冲溶液和3mL邻二氮菲，加水定容至50mL，放置10min后用色度传感器测定吸光度。从已定容至50 mL的木耳提取液中取2.00 mL，同上方法加入试剂显色、加水定容至50 mL并进行相同检测，平行三份。绘制吸光度Fe浓度标准曲线，从线性拟合方程中计算提取液中Fe的浓度，并折算成100g市售木耳中所含的铁元素质量。5.4 色度传感器的使用将色度传感器、数据采集器、电脑正确连接，打开朗威DISlab 8.0软件，选择“有色溶液浓度测定”界面（见图1）。用1 cm玻璃比色皿装入待测溶液，选择G波长（约565 nm）光源，待稳定后读取吸光度数据并记录。以加Fe 0.00 mL的容量瓶中溶液作为空白。图1 色度传感器的连接6结果与讨论6.1 黑木耳中铁的定性验证酸性条件下用KSCN试剂可以检验溶液中的Fe3+，生成一系列颜色深浅不同的血红色配离子Fe(SCN)n3-n (n=16)，此反应检出限量为0.25 g，最低浓度为5 g/mL。向2g打碎的黑木耳末中直接加入15 mL水或4 mol/L的盐酸浸泡20 h，发现液体被木耳吸收。干木耳有较强的吸水性，直接提取需加大量溶液或减少木耳量。经水或盐酸浸泡后滤液与KSCN溶液显色结果如图2所示。由图可知，直接用水提取无法溶出Fe3+，用盐酸提取的溶液本身具有明显的颜色，滴入KSCN后有极淡的红色出现。由于木耳等生物体含有大量多糖、胶质等有机物5，铁元素以复杂的有机铁的形式存在于木耳中，直接浸取铁离子溶出率太低。图2黑木耳直接提取液与KSCN的显色（第一排左：水浸原液，右：盐酸浸原液；第二排：滴入KSCN）通过在酒精灯上灼烧，使木耳中的有机物转变成二氧化碳与水，有望使有机铁转变成无机铁离子或亚铁离子。将木耳灼烧成灰分，取约0.2 g灰分加盐酸浸泡后，滤液呈极浅的黄色，与KSCN反应后出现明显的红色（图3），证明提取液中含有Fe3+，则原木耳中确证含有铁元素。实验中还发现，减少提取灰分的质量，则相同条件下呈现红色也稍浅（图3最右列），这结果也与该显色反应红色深浅与Fe3+离子浓度成正比一致6。图3黑木耳灰分盐酸浸取后的KSCN检验（第一排：浸取原液，第二排：滴入KSCN）铁元素的鉴定也可以用邻二氮菲显色法。在pH9的溶液中，Fe2+与邻二氮菲反应生成稳定的橙红色配离子。在加入显色剂前，用盐酸羟胺将Fe3+全部还原成Fe2+。用Fe标准溶液及黑木耳灰硝酸/H2O2提取液分别进行邻二氮菲显色反应，后者呈现出与前者相同的橙红色，再次证明了黑木耳中含有铁元素，并且能够通过邻二氮菲分光光度法测定具体含量（见下文）。是不是木耳都含有较高的铁元素呢？取市售黑木耳与白木耳在相同条件下处理，其灰分的盐酸提取液用KSCN检验，对比如图4所示。与黑木耳提取液相比，白木耳提取液基本无色，加入KSCN后呈现极淡的红色，表明白木耳中所含铁元素远低于黑木耳。图4 黑木耳灰（左列）与白木耳灰（右列）的KSCN显色（第一排：原液；第二排：滴入KSCN）6.2 黑木耳中铁元素的定量分析6.2.1实验测定原理根据朗伯-比尔定律：A=abc式中A为吸光度，b为溶液层厚度，c为溶液的浓度，a为吸光系数。其中吸光系数与溶液的本性、温度以及波长等因素有关。溶液中其他组分（如溶剂等）对光的吸收可用空白液扣除。由上式可知，当溶液层厚度b和吸光系数a固定时，吸光度A与溶液的浓度成线性关系，使用分光光度计或色度传感器可以读取溶液特定波长的吸光度。食品中铁元素的测定方法有硫氰酸钾法、邻二氮菲法、原子吸收分光光度法等，邻二氮菲法灵敏度高、选择性好，显色物质稳定。而使用的色度传感器系列具有便携、性价比高的优点7，两者相结合可以准确快速测定试样中的微量铁。亚铁离子与邻二氮菲结合形成的有色物质在510 nm处有最大吸收，本色度传感器有三种不同波长的单色光（B：蓝；G：绿；R：红）可以选择，本实验选用G波长使吸光度最大。显色时加入缓冲液使体系pH 在5.0左右，使显色反应进行完全。6.2.2实验数据分析铁标准溶液系列浓度与吸光度记录如表2，用Origin 6.0软件作图并线性拟合如图5所示，标准曲线方程为y=0.38295x-0.01145，线性拟合常数R=0.99985，表明在所测浓度范围内，在该波长下，铁元素浓度与吸光度具有良好的线性关系。将样品吸光度代入方程计算得到浓度数值，每100 g干黑木耳中铁元素含量计算公式如下：m(mg/100g)=c(浓度)5025m(称取干木耳质量)10010-3表2 Fe标液浓度-吸光度表Fe标液浓度（g/mL）0.200.400.600.801.0吸光度（Abs）0.06610.14160.21820.29170.3740图5铁吸光度-浓度标准曲线由表3可知，待测的市售黑木耳每100克平均含铁元素13.930.68毫克，专业文献报道的每百克黑木耳总铁含量一般在9.9417.79毫克之间8,9，这表明本文的测定方法可行，数据可靠。文献报道利用类似方法测得每100克菠菜中铁元素平均含量为：叶子0.4毫克10或0.9毫克11，茎0.7毫克10或0.9毫克11。与菠菜相比，本实验测得的黑木耳含铁量是其1535倍（见图6），与本文开头所写的网络报道比菠菜高出二三十倍2一致。不同品种或产地的黑木耳含铁量，因菌种自身对铁的摄取能力及黑木耳的栽培环境差异而可能呈现不同。但通过网络搜索引擎发现不少网页上报道每百克黑木耳中铁含量高达185毫克（无数据来源），与本文及专业文献数据差异过大，可能是以讹传讹，对此表示强烈质疑。表3 黑木耳中铁元素含量检测表内 容样品1#样品2#样品3#黑木耳质量(g)5.0005.0506.725灰分质量(g)0.2350.2020.269吸光度（Abs）0.19120.21440.2771提取液Fe元素浓度（g/mL）0.530.590.75Fe含量(mg/100g)13.2514.6013.94图6 黑木耳与菠菜含铁量比较在定量测铁中，本实验使用的木耳灰提取体系是强氧化性的硝酸/过氧化氢混合体系。它能保证将所有存在的亚铁全部氧化成铁离子，再经盐酸羟胺全部还原成亚铁离子进行显色，且在酸性环境中，铁离子或亚铁离子不易水解。作为对比，改用4 mol/L盐酸提取过夜，相同条件下测得每100克黑木耳含14.9毫克铁元素，两种对灰分的酸浸方式对结果影响并不大。7结论通过实验对黑木耳中丰富铁元素的存在进行了验证，并用邻二氮菲分光光度法结合色度传感器测得每百克黑木耳含铁13.930.68毫克，是菠菜叶的1535倍，菠菜茎的2035倍。实验结果击破了高中生对“高”含铁菠菜的迷信，更对某些网络报道中黑木耳高达185毫克的含铁量提出质疑。通过本次课题研究，学生们还深刻体会到，在科学研究与实践的过程当中，应不畏艰难困阻，积极、及时进行反思与改进，大胆质疑“以讹传讹”、“来源可疑”的数据，勇敢地在通往真理的道路上前进。参考文献1王星乔，腾瑛巧，汪纪苗，包朝龙. 基于化学核心素养的教学设计以“铁及其化合物的应用”为例J. 化学教学，2017，(5): 51-55.2 /a/20100821/000539.htm3 刘雅静，袁延强. 黑木耳营养保健研究进展J. 中国食物与营养，2010，(10): 66-69.4 李琦，侯丽华，刘鑫等. 黑木耳黑色素鉴定及提取工艺优化J. 食品科学，2010，31(16): 87-92.5 王献友，陈培云，吴广臣等. 黑木耳多糖提取及其药理活性的研究进展J. 南方农业学报，2012，43(5): 683-687.6蔡雪梅. 紫菜中铁与碘元素检验的研究J. 运城学院学报，2010，28(5): 47-48.7陈浩. 用色度传感器测定胆矾中的结晶水含量.