食品分析理论第十二章 食品中限量元素的测定

第十二章 食品中限量元素的测定,第一节 概 述 除构成有机物（C、H、O、N外）所有元素称为矿物质，约占人体重量的6左右，生物细胞中发现80多种元素，不是所有的元素都是生物必需的。矿物质分类：存在于食物中的各种元素，从营养的角度，可分为三类。必需元素（K、Na、Ca、Fe、I等）；非必需元素（B、Li、Br等)；有毒元素（Hg、Cd、Pb、As等。这类元素的特点是有蓄积性，它们的生物半减期一般较长例如甲基汞在人体内的生物半减期为70天，铅和镉分别长达1460天和1631年。随着有毒元素在体内蓄积量的增加，机体便会出现各种反应，有的有致癌、致畸或致突变作用。从人体对其需要量可分为两类一类是常量元素：C、H、O、N、 K、Na、Ca、Mg、P 、Cl、S等11种元素含量比例较大，称为常量元素。另一类是微量元素Fe、Zn、Cu、Mn、Ni，Co，Mo、Se、Cr、I、F、Sn、Si、V等14种。,无论是微量元素还是有毒元素，在食品卫生要求中都有一定的限量规定，从食品分析的角度，我们统称为限量元素。食品的原料大部分来自农作物。农作物生长的土壤、环境和水质中的污染情况对农作物中元素含量的影响很大。农作物富集了环境中的无机元素，再由鱼虾、家禽、家畜进一步富集，最后通过食品进入人体。食品中无机元素的另一个来源是食品在加工、贮藏、包装和运输过程中污染造成的，如不纯金属用具和容器造成食品中铅、锌含量增加，镀锡罐头由于酸的腐蚀造成锡的溶出，用铜锅加工蜜饯、糖果，会造成铜含量超标。食品卫生法对食品中有害元素含量有严格规定(见表121)。对于一些微量元素，可参照我国颁布的生活饮用水卫生标准(GB5749，85)，其中对元素的限量要求列于表122中。食品中限量元素的检测方法，主要有比色法，原予吸收分光光度法、极谱法、离子选择电极法和荧光分光光度法等。比色法一直被广泛采用，这是由于该法设备简单、价廉，能达到食品中限量元素规定标准的灵敏度。原子吸收分光光度法由于它的选择性好，灵敏度高，测定手续简便快速，可同时测定多种元素。,第二节 食品中金属元素的比色测定,食品中的无机元素，常与有机物质结合，以金属有机化合物或包夹物的形式存在于食品中，在测定无机元素之前，必须先破坏有机物质，释放出被测组分。通常采用灰化法和消化法。破坏有机物后得到的样液中，除含有待测元素外，通常还会有多种其它元素。这些共有元素常常干扰测定。而且待测元素的浓度通常都很低。因此，需要进一步分离和浓缩，以除去干扰元素和富集待测元素。金属螫合物溶剂萃取比色法广泛应用于食品中重金属含量测定，选用合适的金属螫合剂在一定的条件下与被测金属离子生成金属螫合物然后用有机溶剂进行液液萃取，金属螫合物进入有机相从而达到分离和浓缩。目前已得到实际应用的螫合剂已达100多种，在食品分析中应用最普遍的有双硫腙(HDZ)，二乙基二硫代氨基甲酸钠(NaDDTC)，丁二酮肟，铜铁试剂(N一亚硝基苯胲铵，CUP)等。它们所生成的金属螫合物都相当稳定，难溶于水而易溶于有机溶剂，很多都带有可直接比色的颜色，故用于金属离子的测定十分简便。,一、萃取分离的重要概念,1分配系数PA设物质A在萃取过程中分配在不互溶的水相和有机相中，在一定温度下，当分配达到平衡时，物质A在两相中活度比保持恒定，可表示为 ：PA=aA.有 / aA.水 浓度很稀时，可以用浓度代替活度： PA=A有 / A水2分配比 D实际溶质在水相和有机相中具有多种存在形式，此时分配系数不能准确反应溶质在两相中的分布。可用溶质在有机相中的各种存在形式的总浓度C有与在水相中的各种存在形式的总浓度C水之比来表示，称为分配比：D= C有/ C水3萃取百分率 E萃取百分率是物质被萃取到有机相中的百分率。,E与D的关系,二、双硫腙的性质,双硫腙(Dithizone)，又名打萨腙，二苯硫腙等，学名二苯基硫卡巴腙(Diphenyl thocarbazone)在有机相中有两种互变异构：,双硫腙为紫黑色结晶粉末，可溶于CHCl3及CCl4中。溶液呈绿色，但浓度大时为两色性(光通过时为红色，反射光呈绿色)；不溶于水和酸，微溶于乙醇，可溶于氨的碱性溶液。双硫腙(以HDZ表示)可与20多种重金属形成配合物。此配合物溶于有机溶剂如四氯化碳中，且具有一定的颜色，可将重金属从水溶液提取到四氯化碳中，因此，在分析化学中常利用这种性质作金属的分离，富集等操作，同时还能进行比色分析。 可用于湿法冶金。在有氧化剂(如Fe3+、Cu2+等)存在，日光照射下易被氧化为二苯硫卡巴二腙,此氧化物不溶于酸性或碱性水溶液，溶于CHCl3或CCl4 ，呈黄色至棕色。不与金属起螯合反应；市售的双硫腙中含有此化合物，使用前必需精制纯化。,三、双硫腙与金属离子反应,主要的反应：2HDZ + M2+=M（DZ）2+2H + 可能的副反应： M2+ +2H 2O = M（OH）2+2H + HDZ =DZ -+H +,三、双硫腙的金属螫合物萃取,以HDZ的CCl4溶液萃取Zn为例讨论，反应式：Zn2+W+2HDZ O=Zn(DZ)2 O +2H+W,只考虑各相的主体，忽略Zn2+o、Zn(DZ) w，综合各平衡关系式得：,将此式推广以Pa代表螯合剂HA在两相中的分配系数；Ka代表HA在水相离解常数，Kc代表螯合物MAn的稳定常数；Pc代表MAn在两相中的分配系数，则：,如果萃取剂浓度HA有 保持恒定，金属的分配比只是pH的函数。,四、影响分配比值因素,1、螯合剂影响由DHA的关系式可见，如果螯合剂与金属离子生成的螯合物越稳定，即Kc越大，则分配比D也越大，萃取效率就越高因此应选用能与被测离子生成稳定常数较大的整合物的螫合剂。此外，PHA愈小，Pc愈大，也可得到较大的D值。一般来说，螯合剂含疏水基团越多，亲水基团越少，萃取效率越高。离解常数KHA较大的螫合剂比离解常数较小的螯合剂有利。2、pH的影响溶液的pH值越大，即H+越小，越有利于萃取。但溶液的酸度太低时，金属离子可能发生水解反应，或引起其他干扰，反而对萃取不利，因此必须正确地控制溶液的酸度，还可提高螯合剂对金属离子的选择性，从而达到分步萃取。从双硫腙一CCl4萃取几种金属离子的酸度曲线可知，例如萃取Zn2+ 时，最适宜的pH值范围是6.510，溶液的pH值太低，难以生成ZnDZ2螫合物，pH值太高，则形成ZnO22-，都将降低萃取效率。,pH值,Hg2+,3、萃取溶剂的选择,从DM方程式可见，溶剂只对两个常数值螯合物和螯合剂的分配系数Pc和PHA有影响。当其他条件相同时，如改变溶剂，则金属的分配比DM主要取决于Pc与PHA的比值。一般来说，有机溶剂的改变，都会使这两个分配比沿着同一个方向改变。如果Pc的改变较PHA的改变小，DM值则会降低。可以根据螯合物的结构、选择结构相似的溶剂，使得金属螯合物在溶剂中有较大的溶解度。例如含烷基的螯合物可用卤代烷烃(如CHCl3，CCl4等)作萃取溶剂；含芳香基的螯合物可用芳香烃(如苯，甲苯等)作萃取溶剂。溶剂对萃取是否适合，主要取决于它们的物理性质和化学性质。一般尽量采用惰性溶剂，若采用含氧的活性溶剂，可能产生副反应而发生干扰。萃取溶剂的相对密度与水溶液的差别要大，粘度要小，这样才便于分层。此外，萃取溶剂还应无毒，无特殊气体，挥发性较小。,4、干扰离子的消除,(1)控制酸度控制适当的酸度，可以做到选择地只萃取一种离子，或连续萃取几种离子、使它们相互分离。例如在含有Hg2+，Bi3+，pb2+，Cd2+的溶液中，用双硫腙CCl4萃取Hg2+ ，若控制溶液的pH值为1，则 Bi3+，pb2+，Cd2+不被萃取，若要萃取pb2+ ，可先将溶液的pH值调至45，将Hg2+，Bi3+先萃取除去，再将pH值调至9 10，将pb2+萃取出来(见萃取酸度图)。(2)改变金属离子的价态，可以改变Kc的稳定性，从而达到选择性萃取的目的。(3)使用掩蔽剂这是在螯合反应中使用最普遍的一种方法。例如在上述溶液中萃取pb2+，可用KCN掩蔽Zn2+、Cd2+ Cu2+等离子；用柠檬酸铵络合钙、镁、铝、铁等离子。又如用双硫腙一CCl4萃取Ag + 时，控制溶液的pH值为45，加入EDTA，则除Hg2+、Au3+外，许多金属离子都不被萃取。,五、几种重金属离子的双硫腙比色测法,（一） Hg2+ 测定主要来源“工业三废”，食物链富集，病症水俣病。1、方法要点：样品经消化后，在酸性条件下，用双硫腙氯仿溶液与样品消化液作用，使其中的汞生成双硫腙汞，在氯仿溶液中呈橙黄色，用EDTA、盐酸羟胺消除干扰离子影响，其颜色深浅与汞离子浓度成正比， 符合比尔定律，可在492纳米波长下比色测定。,溶液中可能存在离子Cd2 + 、Cu2+、Fe3+，Pb2+、Sn4+，Zn2+、Hg2+。其中Cd2 + 、Pb2+、Zn2+ 仅在碱性或中性溶液中与双硫腙络合。Fe3+，Sn4+被盐酸羟胺还原成Fe2+，Sn2+ 在酸性溶液中与双硫腙形成的络合物不稳定。加入EDTA是为了掩蔽Cd2 + 、Cu2+，双硫腙汞络合物对光十分敏感，加入醋酸可抑制双硫腙汞络合物的光化分解。,2、样品处理,将样品倒入组织捣碎机中，充分捣碎混匀。称取样品25克于烧瓶中，加玻璃珠三粒，装上冷凝管，由冷凝管口加硝酸320毫升(试剂空白只加蒸馏水)，硫酸10亳升，摇动数次，开始用小火加热，待泡沫产生，停止加热直到剧烈反应平息后，再加热，保持消化液沸腾，回流1.53小时，待溶液澄清透明后，停止加热稍冷后。再缓缓加入盐酸羟胺10毫升，继续加热回流10分钟，以分解剩余的硝酸，冷后，用少量重蒸水冲洗冷凝管，取下烧瓶，消化液经快速滤纸过滤到250毫升容量瓶中，加重蒸水至刻度。3、测定取试样消化液100毫升于分液漏斗中，加盐酸羟胺溶液2.5毫升，醋酸溶液5毫升、乙二胺四乙酸二钠溶液2.5毫升，加重蒸水使其总体积为140毫升，加氯仿10毫升，振摇约1分钟 (100次左右)，放置分层后，弃去氯仿层，准确加双硫腙工作液10毫升，猛烈振摇2分钟(200次左右)，静置分层后，通过脱脂棉 滤入2厘米比色皿中。同时作试剂空白。用分光光度计在492纳米波长下，以试剂空白为零点，测定其吸光度。,（二） Cd2+ 测定,主要来源“工业三废”，食物链富集，病症痛痛病、骨痛病。1、方法要点：样品经消化后，在碱性溶液中，用酒石酸钾钠、氰化钾一氢氧化钠溶液、盐酸羟胺消除干扰离子影响，用双硫腙氯仿溶液与样品消化碱化液作用，镉离子与双硫腙生成红色螯合物，用氯仿萃取后可在518纳米波长下比色测定。,2、操作要点：,（三） Pb2+ 测定,主要来源“工业三废”，食物链富集，交通、包装、装饰材料，引起畸变。1、方法要点：样品经消化后，在pH89时，铅离子与双硫腙生成红色螯合物，可被三氯甲烷、四氯化碳等有机溶剂萃取，颜色的深浅与铅离子浓度成正比。加入盐酸羟胺、氰化钾、柠檬酸铵等，可防止铁、铜、锌等离子干扰。,其它Sn、Cu的测定原理和操作要点自学概括，,2、操作要点：,（四）砷的测定,砷常用于制造农药和药物水产品和其他食品中由于受水质或其他原因的污染而含有一定量的砷。砷化合物有强烈的毒性。砷的测定方法有银盐法和砷斑法。砷斑法比较简便，但目测时有主观误差；银盐法较好，可以克服砷斑法的目测误差。A、砷斑法(古蔡氏法)1、 原理：样品经分解消化后，其中砷转变成五价砷。五价砷在酸性条件由SnCl2和KI的作用下，被还原为三价砷，三价砷与锌粒和酸产生的新生的氢反应生成砷化氢所产生的AsH3气体，通过用Pb(AC)2溶液浸润过的棉花除去H2S的干扰，与溴化汞试纸作用生成由黄色到棕色的色斑，根据颜色深浅，与标准系列比较定量。H3AsO42KI2HClH3AsO3I22KClH2O I2SnCl22HCl2HISnCl4H3AsO33Zn6HClAsH33ZnCl23H2OAsH33HgBr23HBrAs(HgBr)3（黄色）2As(HgBr)3AsH3s(HgBr)2（黄棕色）As(HgBr)3AsH33HBrAs2Hg3（棕色）,2 、样品处理（湿法消化）,加水至刻度，摇匀，同时做空白试验,、测定,（）安装测砷管将Pb(AC)2棉花拉松后装入各支测砷管中，长度56，上端至管口处不少于3cm，棉花松紧程度要求基本一致，不得太紧太松。然后将HgBr2试纸安放在测砷管的管口上，用橡皮圈扣紧玻璃帽，注意管口与帽吻合、密封 （）砷斑生成与比较 将测砷管和测砷瓶编号，于14号瓶中分别加入0.25、0.50、1.00、2.00砷含量为1mg/mL的砷标准使用液，5号瓶加20.00mL的待测定溶液，号瓶中加入20.00mL试剂空白，然后用蒸馏水全部加至25mL，各加20% KI溶液5.00mL，加2：1HCl14号瓶10mL，56号瓶6mL（若用湿法消化，则要减去消化样品时加入的H2SO4mL数量，并且改用1：1H2SO4 ）各加10滴酸性SnCl2，10分钟后，各加3g无砷锌粒，立即装上测砷管，塞紧橡皮塞，于2540放置45分钟，取出样品及试剂空白的HgBr2试纸与标准系列HgBr2试纸的砷斑比较定量。,4、计算式：,1 -样品溶液相当于标准砷斑的；g。2 -空白溶液相当于标准砷斑的；g。W -样品重量；g。V 1 -样品消化液总体积；mL。V 2 -测定用的样品消化液体积；mL。,5、说明,、测砷装置的规格，如瓶的大小与高度，测砷管长度及园孔直径待必须一致。、试剂空白测定应为无色或呈现极浅的淡黄色，若砷斑色深，说明试剂不纯。、整个操作过程应避免阳光直接照射。、锑、磷。能与HgBr2试纸呈色，砷斑可用浓氨水蒸气熏的方法鉴别，如褪色者为砷，不变色为磷，变黑为锑。、As2O3剧毒，使用时必须小心谨慎,B、银盐法,H3AsO42KI2HClH3AsO3I22KClH2O I2SnCl22HCl2HISnCl4H3AsO33Zn6HClAsH33ZnCl23H2O砷化氢被AgDDC溶液吸收，并且在有机碱(三乙醇胺、吡啶、马钱子碱，用NR3表示)存在下，生成棕红色胶态银：AsH3+6Ag(DDC)=AsAg3 3AgDDC+3HDDCAsAg3AgDDC+3NR3+3HDDC=6Ag+As(DDC)3+3(NR3H)(DCC),1原理 ：样品经消化后，以碘化钾，氯化亚锡将高价砷还原为三价砷，然后与锌粒和酸产生的新生态氢生成砷化氢，通过用乙酸铅溶液浸泡的棉花去除醇化氢的干扰，然后与溶于三乙醇胺一氯仿的二乙氨基二硫代甲酸银(AgDDC)作用，生成棕红色胶态银，比色定量。反应式如下：,第三节 原子吸收分光光度法测限量元素含量,一、概述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。我国于1970年由北京科学仪器厂试制WFD-Y1型单光束火焰原子吸收分光光度计，现已有多家工厂生产，并能生产出多种型号的原子吸收分光光度计，广泛应用于地质、冶金、环境保护、食品卫生检测等多种部门的许多领域。由于该法灵敏度高，应用广(可测定的元素达70多个)，操作方便和选择性好抗干扰能力强，特别适合于元素的痕量分析，具有其他方法难以比拟的独到优点，其使用已得到迅速推广。有关原子吸收分光光度的理论与仪器操作在中介绍，这里仅就在食品分析中的应用作简要介绍。,二、测定步骤,1、火焰原子化法(1)试剂要求：配制试剂用水均为去离子水，所用试剂为优级纯或高级纯。所用玻璃仪器均以1020硝酸浸泡24小时以上，用水反复冲洗，最后用去离子水冲洗晾干后待用。(2)测定步骤与条件：仪器：带有火焰原子化器及其他配件。铅、铜、锌、镉、铬的空心阴极灯。参照仪器说明书，调节仪器光路，燃烧器位置，燃气与助燃气流量及样品提升量，使处于最佳工作状态。5种金属的测定条件参考表,2、无火焰原子化法(石墨炉法),由于火焰原子化法的原子化程度低，且被火焰气体大量稀释，故测定灵敏度较低。而无火焰原子化法是在一个较小空间内使试样原子化，除适用于液体试样处，还可直接分析固体试样，灵敏度高，对于镉、钴等元素不需分离浓缩可直接测定。(1)试剂与要求：同火焰原子化法。( 2)测定步骤与条件仪器：石墨炉原子吸收分光光度计及其他配件，氮气或氩气钢瓶各元素空心阴极灯。参照仪器说明书，简要步骤如下：安装待测元素空心阴极灯，对准位置，固定待测波长及狭缝。开启电源，固定灯电流。调节石墨炉位置，使处于最佳状态，安装好石墨管。开启冷却水和氮气(或氩气)气源，调至指定的恒流值。一些元素的测定参数见下表。,第十三章农药残留量及黄曲霉毒素测定简介,食品中的有害物质主要有重金属、农药、霉菌毒素、兽药、天然毒素、加工过程形成的有害物质等。一、食品中农药残留量的测定农药是农业生产中使用酌各种药剂统称，种类很多，但常用的有有机氯农药和有机磷农药两类。农药在防治农作物病虫害、控制人畜传染病、提高农畜产品的产量和质量以及确保人体健康等方面，起着重要的作用。但是，大量广泛使用农药也会造成对食物的污染。农药对食物的污染途径主要有：农田施用农药时，直接污染农作物；因水质的污染进一步污染水产品；土壤中沉积的农药通过农作物的根系吸收到组织内部而造成污染；大气中漂浮的农药随风向、雨水对地面作物、水生生物产生影响，饲料中残留的农药转入禽畜体内，造成此类加工食品的污染。食品中普遍存在农药残留，残留量随食品种类及农药的种类不同而有很大差异，由于农药的毒性都很大，有的还可在人体内蓄积，对人体造成危害。为提高食晶的卫生质量，保证食品的安全性，保障消费者身体健康，许多国家都对食品中农药允许残留量作规定。,农药的分类,目前在世界上正在使用的农药有超过750余种； 在环境和食品中的农残对人类健康造成巨大威胁农残分析日益受到重视,食品中农药残留量的分析，早期一般以比色法和分光光度法为基础，亦有用电化学分析方法，但这些方法均缺少特异性且灵敏度很低，故现在已很少使用。后来发展了纸色谱、薄层色谱等多种形式的色谱分析方法，自从气相色谱法出现以后，特别是对农药具有很高专一性与灵敏度的检测器出现后，使气相色谱法在食品中农药残留量检测方面应用非常广泛。对于非挥发性或热不稳定性农药，如部分有机磷农药可选用高效液相色谱法分析。GC/MS测定农药残留不仅可以定量，而且便于定性和指证，应用越来越广泛。,农药残留物的分析概述,农残分析的三个过程定性定量确认常用农残分析方法气相色谱法 - FID, ECD, FPD and NPD薄层层析法液相色谱法 - UV and FLD红外光谱法气质联用技术 是目前最有效的方法, 而且灵敏度很高。色质联用是最有效的农残确认方法液质联用技术,食品中的有机物分析总结,挥发性,极性,亲水性的,疏水性的,挥发的,非挥发性,液相,气相,液相,气相,挥发性有机酸,醛类/酮类,乙二醇,PG,OG,DG,酚类化合物,抗氧化剂,脂肪酸,脂溶性维生素,三甘油三酯,芳香酯,多氯联苯,多环芳烃,C2/C6 烃类化合物,糖类物质的三硅氧烷衍生物,脂肪酸甲酯,食用油,聚合物,单体,醇类化合物,芳香胺,有机农药,磺胺药物,亚硝胺,磷酯类化合物,天然食品色素,黄曲霉素,黄酮类化合物,氨基酸,无机离子,糖类化合物,草甘磷,抗生素,合成食品色素,酶,环氧化合物,表面活性剂,胶,淀粉,合成代谢物,糖醇化合物,二、食品中黄曲霉霉素的测定,黄曲霉毒素(Aflatoxins，简写AFT)是黄曲霉、寄生曲霉及温特曲霉等产毒菌株的代谢产物(后者产量较少)，是一群结构类似的化合物。目前已发现17种黄曲霉毒素，根据其在波长为365nm紫外光下呈现不同颜色的荧光而分为B、G二大类，其中B大类在氧化铝薄层板上于紫外光照射下呈现蓝色荧光；而G大类则呈绿色荧光(高纯的G类中也有个别例外而呈蓝色荧光)。B大类中有AFT Bl、B2；B3、Ml、M2 、 B2a、Hl、Q1、Pl、2甲氧基B2；2、3环氧Bl、3甲氧基B2、2乙基B2等。G大类中有AFT Gl、G2、G2a、GM1、2乙基G2等。AFT主要污染粮油及其制品，如花生、花生油、玉米、大米、棉籽等被污染严重，此外各种植物性与动物性食品也能被广泛污染，如在胡桃、杏仁、高粱、小麦、豆类、土豆；皮蛋、奶与奶制品、干咸鱼及辣椒中均有AFT污染。其污染程度与各种作物生物学特和化学组成以及成熟期所处的气候条件有很大关系。一般来说，富含脂肪的粮食易产生AFT。此外，收获季节高温、高湿，也易造成AFT韵污染。,自60年代以来，AFT的测定方法发展很快，最初，以纸色谱法及氧化铝薄层色谱法对AFT进行分离并以目测法定量，灵敏度低(0.1ppm)。后来改用硅胶G作为吸附剂进行薄层色谱分离以目测法定量，此法灵敏度较高15ppb)，主要用于AFTBl的测定，随着又发展了以薄层色谱分离、荧光分光光度计定量的方法，此法灵敏度更高(0.1 1.0ppb，甚至高达001ppb)，并可单独测定AFTB1或B2、G1、G2、M1等。70年代中期发展了微柱色谱法灵敏度为5 15ppb，操作简单快速，但只能测定AFT总量。后来又发展了带有紫外检测、荧光检测和MS检测的正相与反相HPLC法，其中以荧光捡测的反相HPLC法应用最为广泛。,AFT屑剧毒物质，其毒性此氰化钾还高，也是目前最强的化学致癌物质，其中AFTB：的毒性和致癌性最强，故其在食品中允许量各国都有严格规定。FA