灰分测定

灰分及几种矿物元素的测定

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。它是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）。

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：（1）考察食品的原料及添加剂的使用情况； （2）灰分指标是一项有效的

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控制指标；① 面粉的加工精度②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。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。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。（3）反映动物、植物的生长条件。

二、总灰分的测定

(一) 原理：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，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：测定灰分时，取样量的多少应根据试样的种类和性状来决定，食品的灰分与其他成分相比，含量较少，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。

3、灰化温度：一般为525 ~ 600℃，如：鱼类及海产品、谷类及其制品、乳制品≤ 5500C；果

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蔬及其制品、砂糖及其制品、肉制品≤ 5250C；个别样品（如谷类饲料）可以达到600 0C以上。温度太高：1）引起K、Na、Cl等元素的挥发损失；2）磷酸盐、硅酸盐也会熔融，将碳粒包藏起来，灰化不完全。温度太低：1）灰化速度慢，时间长，不易灰化完全；2）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，一是观察残留物颜色（灰分）为全白色或浅灰色，内部无残留的碳块；二是达到恒重即两次结果相差<0.5 mg。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；有时即使灰的表面呈白色，内部仍残留有碳块。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。

（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。对于难以灰化的样品，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，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。

⑶糖类样品残灰中加入硫酸，可以进一步加速。

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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，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）

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。将两个坩埚用（1:4）的HCl煮沸1~2小时，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，先放在炉口预热再移入马福炉灼烧；后移至炉口冷却到2000C 左右后，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）。

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（500~600℃）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

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称重之差不大于0.5 mg ), 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。

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。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：a.以防温度高，试样中的水分急剧蒸发使样品飞扬；b.防止易发泡膨胀的物质在高温下发泡而溢出；c.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。

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，以下操作同求坩埚恒重时一样，至恒重。

5、结果计算。

6、说明：①样品炭化时要注意热源强度，防止产生大量泡沫溢出坩埚。②把坩埚放入高温炉或从炉中取出时，要放在炉口停留片刻，使坩埚预热或冷却。③灼烧后的坩埚应冷却到200℃ 以下再移入

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干燥器中，否则因热的对流作用，易造成残灰飞散，且冷却速度慢，冷却后干燥器内形成较大真空，盖子不易打开。④ 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。⑤灰化后的 残渣可留作Ca、P、Fe等成分的分析。⑥ 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。

７、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。

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m1100%mm计算： 水不溶性灰分=21

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。矿物元素必须先与有机物分离，然后才能测定，有机物破坏法有干法和湿法灰化两种。

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一种新的样品处理技术——微波密闭消解：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（2.5 MPa)；化妆品样品有的要 12 分钟（3 MPa)；药、保健品最多只要 10 分钟（2.0 MPa)；冶金类样品最多要 20 分钟（2.5 MPa)。

二、钙的测定

一）KMnO4法

原理：灰分+HCl 溶解

CaCl2NH42C2O4CaC2O42NH4Cl

CaC2O4 + H2SO4CaSO4+H2C2O4

5H2C2O4 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。

(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

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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。

(三）原子吸收分光光度法

三、铁的测定：硫氰酸钾比色法、磺基水杨酸比色法、邻菲罗啉（邻二氮菲）比色法、原子吸收分光光度法。

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；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。

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。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。

2.4.1 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，故可以比色测定。

(2)反应式如下：

Fe2(SO4)36KCNS2Fe(CNS)33K2SO4

(3)测定方法：样品处理→标准曲线绘制→样品测定

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(4)计算：

xVm1V2Fe（g/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；

(5)说明：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。

2.4.2 邻二氮菲比色法

(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。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。本法选择性高，干扰少，显色稳定，灵敏度和精密度都较高。

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磺基水杨酸比色法

1、原理：pH 8～11的氨性溶液中，三价铁与磺基水杨酸生成稳定的黄色络合物，最大吸收波长420 nm，颜色强度与铁的含量成正比。

Fe3 在不同的pH下可以与磺基水杨酸形成不同组成和颜色的几种络合物。在pH1.8～2.5的溶液中，形成红紫色的［Fe(SSal) ；在pH 4～8的溶液中，形成褐色的［Fe(SSal)2}-；在pH 8～11.5的氨性溶液中，形成黄色的［Fe(SSal)3}3-；若pH＞12，则不能形成络合物而生成氢氧化铁沉淀。

2、注意事项：①按上述方法测定出的结果为样品中全铁的含量。②钙、镁、铝、稀土和铍等与磺基水杨酸生成可溶性的无色络合物而消耗试剂，故必须加入足量试剂。一般加入显色剂并调节溶液pH 8～11之后，如溶液不出现浑浊(即无氢氧化物沉淀)，就可认为已加入足量显色剂。

微量元素的测定：食品中限量元素的检测方法，分为：必需元素、非必需元素、有毒元素。1999年FAO/WHO新定义微量元素分为：人体必需（Zn、Fe、Se、Cu、Mo、Cr、Co、I2）、可能必需（Mn、Si、B、V、Ni）、潜在毒性（F、Pb、Cd、Hg、As、Al、Sn）。

食品中限量元素的检测方法

(1)原子吸收分光光度法：选择性好、灵敏度高、简便、快速、可同时测定多种元素。

(2)比色法：设备简单、价廉、灵敏度可满足要求。

(3)另外还有极谱法、离子选择电极法、荧光分光光度法和离子色谱法。

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元素的提取与分离：以上这些元素都以金属有机化合物的形式存在于食品中，要测定这些元素先要做两件事：1.用灰化法和湿化法先将有机物质破坏掉，释放出被测元素。以不丢失要测的成分为原则。2.破坏掉有机物后的样液中，多数情况下是待测元素浓度很低，另外还有其它元素的干扰，所以要浓缩和除去干扰。

浓缩与分离处理方法与后边测定方法有关。例：

比色法测定，用合适的金属螯合剂在一定条件下与被测金属离子生成金属螯合物，然后用有机溶剂进行液液萃取，使金属螯合物进入有机相从而达到分离与浓缩。

原子吸收分光光度法，测痕量元素则用离子交换法分离、提纯金属离子或除去干扰离子。

一、螯合萃取原理

1、样品溶液：①金属离子+螯合剂=金属螯合物（金属螯合物溶于有机溶剂，如果有色可进行比色测定）——有机相。②水+其它组成——水相。

2、此法为液—液溶剂萃取法。优点：较高的灵敏度，选择性，分离效果好，设备简单，操作快速。缺点：工作量较大，耗用试剂、溶剂较高，有的易挥发，易燃，有毒等。

二、常用的螯合剂：

实际应用的，目前已达100多种。食品分析中常用的：双硫腙（HDZ）、二乙基二硫代甲酸钠（NaDDTC）、丁二酮肟、铜铁试剂 CuP （N—亚硝基苯胲铵），这些螯合剂与金属离子生成金属螯合物，相当稳定，难溶于水，易溶于有机溶剂，许多带有颜色可直接比色。

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三、萃取溶剂的选择：溶剂是否有利于萃取的分离主要取决于它们的物理性质和化学性质。①一般尽量采用惰性溶剂，避免产生副反应。②根据螯合物的结构，由相似相溶原理来选：含烷基螯合物选卤代烃（CCl4、CHCl3等）；含芳香基螯合物选芳香烃（苯、甲苯等）。③溶剂的相对密度与溶液差别要大、粘度小。④无毒。无特殊气体、挥发性较小。

四、干扰离子的消除：一种螯合剂往往同时和几种金属离子形成螯合物，控制条件可有选择地只萃取一种离子或连续萃取几种离子，使之相互分离。⑴控制酸度：控制溶液的pH值。 ⑵使用掩蔽剂：（例）KCN 可掩蔽 Zn2+、Cu2+；柠檬酸铵可掩蔽 Ca2+、Mg2+、AL3+、Fe3+；EDTA可以掩蔽除 Hg2+、Au2+ 以外许多金属离子。（3）改变干扰元素的化合价，掩蔽剂的使用与溶液pH有关：（例）碱性液+氰化物 掩蔽 Pb、Sn2+、Ti、Bi； 弱酸性液+氰化物 掩蔽 Pb、Hg、Ag、Cu。

重金属污染

重金属：密度在5以上的金属统称为重金属，如金、银、铜、铅锌、镍、钴、镉、铬和汞等45种。

从污染方面所说的重金属，实际上主要是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属，也指具有一定毒性的一般重金属如锌、铜、钴、镍、锡等。

目前最引起人们注意的是汞、镉、铬等。

重金属的危害

①重金属离子对活的有机体有严重的毒理效应，所以重金属离子污染给人类带来了严重的威胁。

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②重金属对人体的危害，一方面通过直接饮用造成重金属中毒而损害人体健康；另一方面，间接污染农产品和水产品，通过食物链对人体健康构成威胁。

②重金属能抑制人体化学反应酶的活动，使细胞质中毒，从而伤害神经组织，还可导致直接的组织中毒，损害人体解毒功能的关键器官——肝、肾等组织。

食品中重金属分析检测技术：①紫外-可见分光光度法（金属离子）；②原子吸收分光光度法（可测定70多种元素，检出限：10-8）；③原子荧光光谱法（As、Bi、Pb、Sn、Se、 Sb、Te、Zn、Cd （g/L ））；④电感耦合等离子体－原子发射光谱(ICP-AES) (70多种元素)；⑤多元素同时分析：电感耦合等离子体－质谱(ICP-MS，检出限：10-12 g/mL)、形态分析，联用技术：HPLC-ICP-MS，CE-ICP-MS。

原子吸收光谱分析法：利用物质的气态原子对特定波长的光有吸收来进行分析的方法－－原子吸收光谱分析法。原理：当适当波长的光通过含有基态原子的蒸气时，基态原子就可以吸收某些波长的光而从基态被激发到激发态，从而产生原子吸收光谱。

原子吸收分光光度计：原子分光光度计由光源、原子化系统、分光系统及检测显示系统四个部分构成。

原子化器：原子化器是将样品中的待测组份转化为基态原子的装置。①火焰原子化器：火焰原子化法是利用气体燃烧形成的火焰来进行原子化的。火焰型的原子化系统我们把它叫做火焰原子化器。②非火焰原子化法：常用的非火焰原子化法主要有电热高温石墨管原子化法和化学原子化法。③石墨炉原子化器。

石墨炉原子化器与火焰原子化器比较有如下优点：1）原子化效率高，可达到90%以上，而后者

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只有10%左右。2）绝对灵敏度高（可达到10-12～10-14），试样用量少。适合于低含量及痕量组分的测定。3）温度高，在惰性气体中进行且有还原性C存在，有利于难离解氧化物的元素的离解和原子化。

原子吸收光谱法定量分析：原子吸收光谱法是一种元素定量分析方法，它可以用于测定60多种金属元素和一些非金属元素的含量。

定量分析方法：

（一）标准曲线法：配制一系列不同浓度的待测元素标准溶液，在选定的条件下分别测定其吸光度，以测得的吸光度A为纵坐标，浓度为横坐标作图，得到标准曲线。再在相同条件下测定试液的吸光度，由标准曲线上就可求得待测元素的浓度或含量。

注意事项：配制标准溶液时，应尽量选用与试样组成接近的标准样品，并用相同的方法处理。如用纯待测元素溶液作标准溶液时，为提高测定的准确度。可放入定量的基体元素。应尽量使得测定范围在T=30～90%之间（即A=0.05～0.5），此时的测量误差较小。每次测定前必须用标准溶液检查，并保持测定条件的稳定。应扣除空白值，为此可选用空白溶液调零。

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