灰分及矿物质元素的测定
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。
①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。
②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1～2 g ；谷物及制品、肉及制品、糕点、牛乳等取3～5 g ；蔬菜及制品、砂糖及制品、蜂蜜、奶油等取5～10 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525~600℃，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2~5h,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2000~4000W，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1~2h，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600±10℃，前端部分560±10℃），因此每次取放都要放在门口缓冲温差；
* 于规定温度（500~600℃）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60~70℃，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，g
7. 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10~20min ，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4121m m m m --
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850~1200g ，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。
CaCl 2+(NH 4 )2C 2O 4 →CaC 2O 4↓+2NH 4Cl
CaC 2O 4 + H 2SO 4 →CaSO 4↓ + H 2C 2O 4
5H 2C 2O 4+2KMnO 4 +3H 2SO 4 →K 2SO 4 +2MnSO 4 +10CO 2 +8H 2O
即： 2KMnO 4相当于5H 2C 2O 4，相当于5 CaC 2O 4
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：
Ca 2+ + 钙指示剂NN （pH ﹥11,纯蓝色）→CaNN （酒红色）
EDTA+ CaNN （酒红色） →Ca-EDTA + NN （纯蓝色）
在pH12-14时，Ca 2+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PH ＞11时为纯蓝色，可与Ca 2+ 结合生成酒红色的NN- Ca 2+，其稳定性比EDTA-Ca 2+ 小，在滴定过程中EDTA 首先与游离Ca 2+结合，接近终点时EDTA 夺取NN-Ca 2+中的Ca 2+ ，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。
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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12~14，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4~5g。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，λmax 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. 测定：样品处理（干法灰化），配制铁的标准液，分别加入盐酸溶液1mL，盐酸羟胺1mL，邻二氮菲1mL，醋酸钠5mL，定容至50mL，在510mn处比色，制备标准曲线。样品测定同标准曲线的操作。
4. 注意事项：
（1）显色前需加盐酸羟胺将Fe3+还原为Fe2+；
（2）其他离子可用柠檬酸盐和EDTA掩蔽；
（3）显色稳定，选择性好、灵敏度高。
（三）磺基水杨酸比色法：
原理：碱性条件下，发生反应Fe3+ + 3Sal2- →[Fe(Sal)3]3-(黄色，λmax 465nm) 注意：显色稳定性好，碱性条件不需外加氧化剂
（四）原子吸收分光光度法
四、碘的测定(自学)
（一）氯仿萃取比色法
样品在碱性条件下灰化，碘被有机物还原成I-离子；I-在酸性条件下被重铬酸钾还原，定量析出I2；
Cr2O2-+6I- +14H+→2Cr2+ +3I2+7H2O
氯仿萃取I2，I2溶于氯仿中呈粉红色，当碘含量低时，颜色深浅与碘含量成正比；经比色法测定吸光值。
注意：灰化样品时，加入氢氧化钾使碘形成难挥发的碘化钾，防止碘在高温灰化时挥发损失。
（二）硫酸铈接触法
（三）溴水氧化法法
（四）催化分光光度法
五、磷及其它重金属测定（自学）
本章的知识点有：
1.粗灰分与无机盐含量区别
2.难灰化的样品加速灰化措施
3.灰分测定的原理、操作要点及结果分析
4.样品在灰化前为什么要进行炭化
5.如何正确进行灰化测定中的恒量操作
6.灰分、粗灰分、水溶性灰分、水不溶性灰分、酸溶性灰分、酸不溶性灰分
7.EDTA法测定钙的基本原理
8.邻二氮菲法测定铁的基本原理