第七章+食品矿质元素的测定

食品分析FoodAnalysis授课教师:陈业日期:2009年春季第七章食品矿质元素的测定本节重点:1.原子吸收分光光度计法、溶剂萃取比色法原理；2.钙、铁等的主要测定方法、原理和操作过程。第一节概述一、食物中元素的分类存在于食物中的各种元素：从营养的角度，可分为必需元素、非必需元素和有害元素三类。从元素存在的化学形式，可分为有机元素和矿物质（无机盐）元素对矿物质元素而言，按人体对其需要量，可分为常量元素和微量元素常量元素：每日膳食需要量在100mg以上的，如钙、磷、镁、钾、钠、氯、硫。微量元素：在代谢上同样重要，但含量相对较少。按照1990年FAO/WHO国际组织专家委员会的新定义，微量元素按照其生物学作用分为：（1）人体必需微量元素，共有8种：碘、锌、硒、铁、铜、钼、铬、钴。（2）可能必需的元素共有5种：锰、硅、硼、钒、镍。（3）具有潜在毒性，但低剂量时可能是人体必需的元素7种：氟、铅、镉、汞、砷、铝和锡。二、微量元素的特点在机体组织中的作用浓度很低，往往以ppm或ppb的含量来描述。有限量标准，如人体对硒的每日安全摄入量为50～200μg。功能受化学形式影响：如Cr6+有害，但Cr3+有益。限量元素：按食品卫生的要求有一定限量规定的元素，包括：必需微量元素及有害元素。食物中几种元素的限量卫生标准元素食品品种指标（mg/Kg）汞GB2762-1994粮食（成品粮）薯类（土豆、白薯）蔬菜、水果、牛乳肉、蛋（去壳）鱼、其他水产品≤0.02≤0.01≤0.05≤0.3其中甲基汞≤0.2砷（以As计）GB14935－1994粮食海水鱼（鲜重计）贝类、甲壳类、其他海类产品≤0.7≤0.5≤1.0铅（以Ph计）GB14935－1994粮食豆类蔬菜、水果、蛋类肉类、鱼虾类食盐、味精、酱油、食醋、酱腌菜≤0.4≤0.8≤0.2≤0.5≤1.0镉（以Cd计）GB15201－1994大米面粉蔬菜、杂粮（玉米、小米、高梁、薯类）蛋水果肉、鱼≤0.2≤0.1≤0.05≤0.03≤0.1铁（以Fe计）GB15200－1994食用油、植物性罐头食品果汁饮料、果酱酱油、动物性罐头食品啤酒≤20≤15≤70≤5硒（以Se计）GB13105－1991粮食（成品粮）、豆类及制品肉类（畜、禽）、蛋类鱼类肾奶粉≤0.3≤0.5≤1.0≤3.0≤0.15有害元素目前未发现对人体有生理功能、且人体耐受力极小、进入体内量稍大就中毒的元素。如Hg、Cd、Pb、As、Sn、Cu、Cr等，这些元素在体内不易排出，有积蓄性，半衰期都很长。例：①甲基汞：在体内半衰期为70天。②铅：在体内半衰期为1460天,在骨骼中为10年。③镉在体内半衰期为16—31年。北京部分农产品含砷过高可能导致中毒！04年网上报道。有害元素进入人体的渠道有：水源、土壤、环境、原料、辅料、添加剂、农药、化肥的使用、加工、制造、运输等带入；容器本身不纯，金属带入铅、锌；罐头中酸性锡的溶出；铜器带入过量铜；另外，还有呼吸、皮肤。饮水、食品、茶叶、烟草、化妆品等都可能被污染，环境污染已成为世界问题。三、食品中限量元素的检测方法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、可同时测定多中元素。(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、离子选择电极法和荧光分光光度法。（极谱法——光学分析的一种，让电流通过溶液，然后增加电压，由电流变化情况来进行定量、定性分析。如：小型极谱仪，可用来自动监测自来水中限量元素的含量，实验操作全都自动化，每隔12min记录一次水样中Cu、Pb、Cd、Zn的含量。第二节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。（一）螯合反应与亲水性金属离子在未成螯合物之前，受水分子极性作用，以水合离子形式存在，为亲水性，难溶于有机溶剂，故不好直接用有机溶剂萃取。选择适当的金属螯合剂可将金属离子变为疏水性的金属螯合物，然后再萃取。物质能否有亲水性，主要看其是否能与水分子形成氢键。（二）萃取分离的基本原理1.分配系数PD、KD萃取时，有两相互不相溶，一相为水相，一相为有机相，物质A在两相中存在量不同。在一定温度下，分配达到平衡。A在两相中活度比不再变，即PD，KD为常数。PDA=αA有/αA水浓度很低时，用浓度代替活度αKD=[A]有/[A]水2.分配比：D=C有/C水C有——溶质在有机相中聚合、络合等总浓度C水——溶质在水相中聚合、络合、水解的总浓度3.萃取百分率E：表示萃取的完全程度。E=（被萃取物在有机相中的总量/被萃取物的总量）×100%1.食品分析中常用的螯合剂：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。2.金属螯合物的萃取平衡用有机溶剂萃取金属螯合物，金属在有机相和水相中的分配比与许多因素有关，当其他因素固定下来以后，金属分配率与pH有关。（三）萃取平衡与条件3、影响分配比值的几个因素：（1）螯合剂的影响：螯合剂与金属离子生成的螯合物越稳定，萃取效率就越高。（2）pH的影响：pH越高，有利于萃取，但金属离子可能发生水解反应。∴要正确控制溶液的酸度,对萃取有利，还可提高螯合剂对金属离子的选择性。例：Zn2+的最适宜pH为6.5—10.4.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。5.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）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二、原子吸收分光光度法的原理基本原理原子吸收光谱法的基本原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的原子蒸汽时，被待测元素的基态原子所吸收，在一定范围与条件下，入射光被吸收而减弱的程度与样品中待测元素的含量呈正相关，由此可得出样品中待测元素的含量。它的基本点是“基态自由原子可以吸收特定波长的光”。自1954年世界上第一台原子吸收分光光度计问世以来，它的研制与应用得到了飞速发展。已广泛用于地质、冶金、环境保护、食品卫生检测等多种部门的许多领域。由于该法具有其它方法难以比拟的独到优点，故在最新颁布的国家标准食品卫生检测方法中，常被列作第一法。（一）光的本质光的本质：光的本质是一种电磁波。γ－射线、Χ－射线、紫外-可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波，所有的电磁波都具有波－粒二象性。电磁波在介质中的传播速度、波长和频率三者间满足下式：V=λυ式中v——电磁波在介质中的传播速度λ——电磁波在介质中的传播波长υ——电磁波的频率（与传播介质无关,它只取决于辐射源）E=hυ式中E——光子的能量h——普朗克（Planck）常数,等于6.626×10-34焦耳·秒(J·S)υ——光的频率不同频率的电磁波在真空中传播时，速度(即光速，c＝299,792,458米／秒)最大。电磁波在真空中传播速度与在空气（20℃）中传播速度的比值为1.00027,因此,一般近似地认为电磁波在空气中的传播速度等于光速。（二）发射光谱量子理论认为，物质的原子、离子或分子有确定的不连续的能级，它们只能处于一定的能级上。当组成物质的原子、离子或分子处于最低能级时，物质则处于基态，当组成物质的原子、离子或分子被激发到较高的能级时，物质则处于激发态。在常温下物质一般都处于基态。物质吸收一定的能量，由基态跃迁到激发态，激发态的寿命很短，约在10-15到10-5秒之间。物质由激发态弛预回到基态时，一般以辐射的形式放出能量，所产生的光谱称为发射光谱。实现物质由基态跃迁到激发态的途径有：①用电子或其它基本粒子轰击，可以导致X射线的发射；②使其暴露在高压交流火花之中，或电弧、火焰、热炉子之中，一般可导致产生紫外、可见或红外辐射；③用电磁辐射照射，可以产生荧光或磷光；④放热的化学反应，可以产生化学发光。（三）吸收光谱若让波长连续的复合光通过一均匀介质（如固体、液体或气体物质）时，能量（hυ）等于物质的基态EO和某一激发态（Ea）之间能量差的光子则会被物质吸收。当透射出来的光再通过棱镜(或光栅)时,便可得到一组不连续的光谱,这种光谱称为吸收光谱。当一单色光被某物质吸收后,该物质则呈现该单色光的互补色：物质颜色吸收光(互补色)黄绿黄橙红紫红紫蓝绿蓝蓝绿紫蓝绿蓝蓝绿绿黄绿黄橙红400-450450-480480-490490-500500-560560-580580-600600-650650-750（四）原子吸收当一束紫外或可见辐射通过气态自由原子时，例如钠蒸气，只有少数几个非常确定的频率被吸收。这是因为钠原子只具有很少几个可能的能态。激发是使原子中一个或几个电子跃迁到较高能级后的。以钠原子为例，在通常情况下，钠蒸气中的所有原子基本上都处在基态，即它们的价电子位于3s能级。如果以含有波长为588.995nm和589.59nm的光照射钠蒸气，则许多原子的外层电子将吸收光子并跃迁到3p的两个能级上。实际上这两个能级的能量差是很小的。若该电子获得更大的能量，它能跃迁到比3p更高的5p能级上,相对应吸收的波长是285nm。紫外和可见光区的能量足以引起外层电子或价电子的跃迁,而能量大几个数量级的X射线，能与原子的内层电子相互作用，故在X射线光谱区能观察到原子最内层电子跃迁产生的吸收峰。一般来说，无论在哪一波长区内产生的原子吸收谱图，都是由有限数量的窄峰组成。分子即使是双原子分子,其吸收光谱也要比原子吸收光谱复杂得多。（五）原子吸收分光光度计的组成系统原子吸收分光光度计由四个基本单元系统构成，即光源系统、原子化系统、分光系统和检测系统。空心阴极灯火焰棱镜光电管1.光源光源的作用是发射待测元素的特征谱线（一般是共振线，基态到第一激发态）。半宽小、高强度、低背景的光源是取得良好分析效果的基础。目前最常用的光源是空心阴极灯（HCl）：空心阴极灯的阴极由高纯待测金属制成，当在外加电源作用下惰性气体被电离，其中阳离子飞向阴极，阴极的原子受激产生出窄而强的该元素特征谱线，由灯头前面的石英窗射出。市面上可买到大约40种金属元素的空心阴极灯。图：空心阴极灯结构图1－阳极，2－石英窗，3－气体（Ar或Ne）4－空心阴极，5－玻璃封套2.原子化器原子化器的作用是将样品中的元素转化为自由态原子蒸气，并处于基态。火焰原子化器包括雾化器、雾化室和燃烧器三个部