第五章灰分及矿物元素的测定-南京财经大学食品科学与工程学

第五章灰分及矿物元素的测定§5.1灰分的测定§5.1.1概述灰分是指食品中有机物被灼烧或被完全氧化后剩余的无机残留物。是标示食品中无机成分总量的一项指标。目前主要有三种有效的灰化方法：用于测定大量样品的干法灰化；用于高脂样品(如肉类和肉类制品)中元素含量分析的湿法灰化；进行挥发性元素分析时用的低温等离子干法灰化(也称简单等离子体灰化或低温灰化)。灰分的种类：•粗灰分：食品经高温灼烧后的残留物。•水溶性灰分：粗灰分中可溶解于水的部分。反映的是可溶性的钾、钠、钙、镁等元素的氧化物和盐类的含量。•水不溶性灰分：粗灰分中不可溶解于水的部分。反映的是污染的泥沙和铁、铝等元素的氧化物及碱土金属的碱式磷酸盐的含量。•酸不溶性灰分：样品中不溶性的矿物质杂质，反映的是污染的泥沙和食品中原来存在的微量氧化硅的含量。土壤矿物质(含大量硅酸盐和蛋白石似的二氧化硅)只溶解于氢溴酸或氟化氢溶液。•灰分的碱度是一种用于测定食品的酸碱平衡和测定矿物质含量，以检测食品的掺杂情况的指标。灰分测定的意义•食品生产工艺的控制指标判断食品污染程度评价食品加工精度反映食品品质，评估食品营养•品种鉴别与掺伪检验•元素分析的前处理常见食品的灰分含量•通常认为动物制品的灰分是一个恒定含量，但植物资源的情况却是多种多样的。•大部分新鲜食品的灰分含量不高于5%；•纯净的油类和脂的灰分一般很少或不含灰分；•乳制品含有0.5%～5.1%的灰分；•水果、水果汁和瓜类含有0.2%～0.6%的灰分，而干果含有较高的灰分（2.4%~3.5%）；•面粉类和麦片类含有0.3%～4.3%的灰分，而含糠的谷物及其制品比无糠的谷物及其制品灰分含量高；•坚果及其制品含有0.8%~3.4%的灰分；•肉、家禽和海产品类含有0.7%~1.3%的灰分，而腌熏腊肉制品可含有6%的灰分，干牛肉含有高于11.6%的灰分（按湿基计算）。食品种类灰分含量/%（按湿基计算）谷物、面包、面制品大米（糙米、大颗粒，生）玉米片（整粒，黄色）去胚玉米（整粒磨碎白色罐装）白米（大颗粒、生的、强化）小麦粒（整粒）通心粉（干的、浓缩）黑麦面包1.51.10.90.61.60.71.5食品种类灰分含量/%（按湿基计算）乳制品乳（未经浓缩，液状）乳（浓缩）奶油（含盐）奶油（半液体）大豆人造奶油（硬状，普通）普通低脂肪奶0.71.62.10.72.00.7食品种类灰分含量/%（按湿基计算）蔬菜、水果苹果（带皮，未加工）香蕉（未加工）樱桃（甜，未加工）葡萄干土豆（带皮，未加工）西红柿（红色，成熟，未加工）0.30.80.51.81.60.4食品种类灰分含量/%（按湿基计算）肉、家禽、鱼类鲜鸡蛋（全部，未经加工，新鲜）鱼片（去骨、糊状或涂面包屑油炸）猪肉（新鲜，腿心，全部、未加工）汉堡包（单层小馅饼，普通的）鸡肉（烤或炸，胸脯肉，未经加工）牛肉（颈肉，烤前腿，未经加工）0.92.50.91.71.00.9§5.1.2灰分的测定1.原理：样品经炭化后，在500～600℃的马福炉（高温炉）中灼烧，得残留物，经称量后计算样品的总灰分。水分和挥发成分蒸发；在有氧条件下，有机物被灼烧成二氧化碳和氮的氧化物；大部分的矿物质转化成氧化物、硫酸盐、磷酸盐、氯化物和硅酸盐。在这种灰化方法中，一些元素如硒、砷、铅、镉、汞可被部分挥发，因此，如样品灰化后要用于特殊元素分析时，必须选择其他方法。高温炉、坩埚、坩埚钳、干燥器、分析天平盐酸（1:4）、三氯化铁溶液、硝酸、过氧化氢、辛醇•灰化容器（坩埚）种类：素烧瓷坩埚、石英坩埚、蒸发皿镍坩埚、铂金坩埚大小：根据样品性状及灰分含量选择•取样量：根据试样的种类和性状来决定（1~10g）2.仪器3.试剂4.测定条件的选择•灰化温度灰化温度根据样品中无机成分的组成、性质及含量选择，一般为500~550℃。例如：鱼类及海产品、谷类及其制品、乳制品＜550℃；果蔬及其制品、砂糖及其制品、肉制品＜525℃；个别样品(如谷类饲料)可以达到600℃。灰化温度过高，将引起钾、钠、氯等元素的挥发损失，而且磷酸盐、硅酸盐类也会熔融，特碳粒包藏起来，使碳粒无法氧化；灰化温度过低，则灰化速度慢、时间长，不易灰化完全，也不利于除去过剩的碱（碱性食品)吸收的二氧化碳。•灰化时间一般以灼烧至灰分呈白色或浅灰色，无碳粒存在并达到恒重为止。灰化至达到恒重的时间因试样不同而异，一般需2~5小时。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。铁含量高的试样，残灰呈褐色；锰、铜含量高的试样，残灰呈蓝绿色；有时即使残灰表面呈白色，但灼烧不完全，内部仍会残留炭粒。•加速灰化的方法样品经初步灼烧后，取出冷却，加入无离子水溶解水溶性盐类灰分，暴露碳粒，蒸去水分，再灼烧至恒重。样品经初步灼烧后，取出冷却，加入几滴硝酸或双氧水加速氧化，蒸干后再灼烧至恒重。加入10％碳酸铵等疏松剂，促进未灰化的碳粒灰化。加入醋酸镁、硝酸镁等助灰化剂，疏松样品，防止残灰熔融。（2）样品预处理液体样品：称量，蒸干高水分样品：匀浆后，称量，烘干低水分谷物、豆类等固体样品：粉碎后，称量高脂肪样品：匀样，称样，抽脂高糖样品：匀样，称样，蒸干（加1~2d橄榄油等消泡剂）酸煮洗涤编号灼烧灼烧称重称重5.测定方法（1）瓷坩埚准备（3）炭化（4）灰化（500~550℃，2~16h）6.结果计算电炉100%1213mmmm灰分§5.1.3水溶性灰分和水不溶性灰分的测定坩埚去离子水煮沸去离子水洗涤残渣等过滤坩埚干燥灼烧称重%%%100%1214水不溶性灰分总灰分水溶性灰分水不溶性灰分mmmm§5.1.4酸不溶性灰分的测定坩埚盐酸溶液煮沸去离子水洗涤残渣等过滤坩埚干燥灼烧称重100%1215mmmm酸不溶性灰分§5.1.5灰分的碱度水果类和蔬菜类的灰分为碱性(Ca、Mg、K、Na)，肉类和一些谷物类的灰分是酸性的(P、S、C1)，灰分的碱度已经被作为水果和果汁的一种质量指标。柠檬酸盐、苹果酸盐和酒石酸盐在灼烧时产生的碳酸盐、磷酸盐会干扰此测定。此方法已经用于计算食品的酸碱平衡。测定灰分碱度的操作步骤如下：(1)将灰分移入容器中(总灰分或水不溶性灰分)，并精确添加10mL0.1mol/L的HCl。(2)必要时添加沸水并在水浴中加热。(3)冷却，定容。(4)用0.1mol/L标准NaOH溶液滴定过量的HCl，用甲基橙作指示剂。(5)以mL(1mol/L酸)/100g样品为表示单位。不溶性灰分碱度也可用甲基橙作指示剂，用0.1mol/LHCl直接滴定进行测定。§5.2矿物元素的测定§5.2.1概述一、矿物质在膳食中的重要性膳食中的矿物质主要有Ca、P、Na、K、Mg、Cl和S，成人每天至少需要100mg这些矿物质，每一种矿物质在人体内都有其特殊的功能，如果日常膳食中这些矿物质不能正常供给，肌体就会发生病变。如：人体中大约98%的钙和80%的磷存在于骨骼中;Mg、K、Ca、Na则与神经传导和肌肉收缩有关;胃中的盐酸对膳食中的矿物质溶解及吸收有很大的影响。另外还有每天需要量很少(以毫克计)的10种微量元素，包括Fe、I、Zn、Cu、Cr、Mn，Mo、F、Se和Si。在维持机体的功能方面，每种元素都有其特殊的生理作用，如：铁是血红蛋白和肌红蛋白分子的组成成分，与细胞间传送氧气的功能有关。还有一类元素被称为超微量矿物元素，目前正处于研究阶段，还不能明确解释其生物作用，这类矿物质包括：V、Sn、Ni、As和B。Pb,Hg、Cd和Al等矿物元素则已被证明对人体有毒，因此在膳食中应该避免摄入；某些必需矿物质如F和Se，在正常的饮食水平下，它们对生物机能是有益的，但如果摄入过多对人体则有危害。二、食品加工中的矿物质•天然食品中含有非常丰富的矿物质，如乳是钙的一个很好的来源；•在食品加工中，有时加入食盐可降低水分活度从而起到保护作用，并因而提高了食品中钠的含量；•在强化食品中允许添加高于天然含量的矿物质，如通常在早餐食品中添加Ca、Fe、Zn等矿物质，在食盐中加碘；•食品的一些加工过程会导致矿物质的损失，如：P、Zn、Mg、Cr、Cu等主要存在于麸皮；•水是食品加工过程中的一个要素。食品中矿物质的含量对食品的营养价值、潜在毒性、适当的加工工艺和安全性等具有非常重要的意义。三、矿物元素含量测定的常用方法现代仪器已有可能一次完成对所有矿物质的测定，而且其检测限可达到十亿分之一（10-10），但这些分析仪器的价格比较昂贵。大量样品的分析需要自动化仪器，而用于零星样品的几种矿物质的分析则不需要太多的费用，一般有两种方法可供选择：①把样品送到有关检测机构进行分析；②运用传统的分析方法进行分析。如重量分析、滴定分析、比色分析以及电化学分析法。§5.2.2钙的测定一、概述1测定意义•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。•生理功能：构成骨骼和牙齿；维持神经与肌肉活动；促进体内某些酶的活性；参与血凝过程、激素分泌、维持体液酸碱平衡以及细胞内胶质稳定性•我国推荐每日膳食中钙供给量为800~1000mg。成年男女600mg/d;孕妇800~1500mg/d乳母2000mg/d2、食品中的钙含量•钙的食物来源应考虑二个方面，钙含量及吸收利用率。•奶与奶制品含钙丰富吸收率也高，是理想的钙来源。•水产品中小虾皮含钙特别多，其次是海带、发菜等含量也非常丰富。•豆和豆制品以及油料种子和蔬菜含钙也较高。特别突出的有黄豆及其制品，黑豆、赤小豆、各种瓜子、芝麻酱等。•食品中钙的强化：3、钙的测定方法高锰酸钾法、络合滴定法、原子发射光谱法、原子吸收法三、高锰酸钾法1原理本方法是以氧化还原反应为基础。样品→灰化→溶解→草酸钙沉淀→洗涤→溶解→草酸游离出来→滴定。根据高锰酸钾标准溶液的消耗量，可计算出食品中钙的含量。反应式如下：CaCl2＋(NH4)2C2O4→CaC2O4＋2NH4C1CaC2O4+H2SO4→CaSO4+H2C2O45H2C2O4＋2KMnO4＋3H2SO4→K2SO4＋2MnSO4＋10CO2+8H2O盐酸草酸水硫酸高锰酸钾2主要试剂0.02mol/L高锰酸钾标准溶液3测定方法（1）样品处理（2）测定水称取高锰酸钾煮沸砂芯漏斗过滤草酸钠标定样品灰化溶解盐酸水转移定容样液草酸铵草酸钙离心沉淀硫酸草酸滴定高锰酸钾调pH值4.计算式中：C—KMnO4溶液浓度，mol/L;V—KMnO4溶液耗用体积，mL;V1—用于测定的样液体积，mL;V2—样液定容体积，mL;m—样品质量,g;40.08—钙的摩尔质量，g/mol.10008.4025100/21VVmVCgmg钙湿法灰化是一种使用酸、氧化剂或两者的混合物氧化有机物的方法。该灰化过程中，矿物质在没有挥发的情况下被溶解，因此可作为一种适合于特殊元素分析的样品预处理方法。湿法灰化通常比干法灰化更广泛地用于特殊元素的分析。此方法往往使用硝酸和高氯酸，因此必需使用特制的通风橱，而且消化脂肪样品时必须小心谨慎。低温等离子灰化是一种特殊的干法灰化方法，它利用电磁场产生的初生态氧，在低真空的条件下氧化食品。在一个比马福炉温度低得多的条件下灰化样品，以防止元素的挥发，灰分物质的晶体结构保持良好。与典型的干法灰化相比，损失的微量元素少，使用的低温(小于150℃)通常使细微的晶体结构保持不变在灰化易挥发性盐样品时，它可能是首选的方法。主要缺点是样品容量小和设备的损耗。微波灰化也称为“微波辅助化学”使用程序化的微波湿法消化器，系统可以程序升温，先脱水，然后灰化，同时可控制真空度和温度，与马福炉相比缩短了灰化时间，如面粉的微波湿法灰化只需10～20min。对于植物样品(除铜的测定外)，用微波系统灰化20min就足够了，而要得到类似的结果，用马福炉则需要40min~4h。四、EDTA滴定法1