第十三章食品中限量元素的测定 第一节概述 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。从人体对其需要量而言，每日酷食需要量在100mg以上的，称为常量元素，如钙、 磷、镁、钾、钠、氯、硫等。另一类在代谢上同样重要，但含量相对较少，常称为微量元 素。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)人体必盂微量元素，共右8种：轴、锌、硒、铁、铜、组、铭、钻。(2)可能 必需的元素共有5种：锰、硅、硼、饥、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、锅、汞、砷、铝和锡。微量元素在机体组织中的作用浓度很低 往往以百万分之一(ppm)或十亿分之一(ppb)甚至更低来描述，故需要从食物中摄取的 量也很低。微量元素的浓度与功能形式常严格局限在一定的范用之内，而且有的元素的这 个范围相当窄。微量元素在这特定的范围内可以使组织的结构与功能的完整性得到维持】 当其含量低于机体需要的量时， 组织功能会减弱或不健全，甚至会受到损害并处于不健康 的状态之中。但如果含量高于这一特定范用，则可能导致不同程度的毒性反应， 严重的可 以引起死亡。从含最过低到过高的限量有的元素比较宽，有的却很窄，例如硒，其正常需 要量到中毒量之间相差不到十倍。人体对硒的每日安全摄入量为50~200μg,如低于50ug 会导致心肌炎、克山演等疾病，并诱发免疫功能低下和老年性白内障的发生：但如果摄入 量在2001000 3之间则会导致中毒，急性中毒症状表现为厌食、 动碍、呼 慢性中 状表现为视力减 死和肾充血 等症状：如果每日摄入量超过1m 则可导致死亡。微量元素的功能形式、化学价态与化学形式也非常重要。例如铬，其正六 价状态对人体的毒害很大，只有适最的正三价铬对人体才是有益的。 无论是人体必需的微量元素还是有害元素，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。我国食品卫生标准中对这类元素的含量有严格 的规定（见表 13 1)有些 ,目前虽暂未指定标 般都持谨慎态度， 可参考我国 颁布的《生活饮用水卫生标准》(GB5749一85)，其中对无机元素的限量要求列于表13一2 中。 食品中限量元素的检测方法，主要有原子吸收分光光度计法、溶剂萃取比色法、离子 选择电极法和荧光光度法等。食物中常见的矿物质约有20余种，本章若重介绍食物中常 见的或食物卫生标准规定检验的限量元素
1 第十三章 食品中限量元素的测定 第一节 概述 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。从人体对其需要量而言，每日膳食需要量在 100mg 以上的，称为常量元素，如钙、 磷、镁、钾、钠、氯、硫等。另一类在代谢上同样重要，但含量相对较少，常称为微量元 素。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。微量元素在机体组织中的作用浓度很低， 往往以百万分之一（ppm）或十亿分之一（ppb）甚至更低来描述，故需要从食物中摄取的 量也很低。微量元素的浓度与功能形式常严格局限在一定的范围之内，而且有的元素的这 个范围相当窄。微量元素在这特定的范围内可以使组织的结构与功能的完整性得到维持， 当其含量低于机体需要的量时，组织功能会减弱或不健全，甚至会受到损害并处于不健康 的状态之中。但如果含量高于这一特定范围，则可能导致不同程度的毒性反应，严重的可 以引起死亡。从含量过低到过高的限量有的元素比较宽，有的却很窄，例如硒，其正常需 要量到中毒量之间相差不到十倍。人体对硒的每日安全摄入量为 50～200μg，如低于 50μg 会导致心肌炎、克山病等疾病，并诱发免疫功能低下和老年性白内障的发生；但如果摄入 量在 200～1000μg 之间则会导致中毒，急性中毒症状表现为厌食、运动障碍、气短、呼吸 衰竭，慢性中毒症状表现为视力减退、肝坏死和肾充血等症状；如果每日摄入量超过 1mg 则可导致死亡。微量元素的功能形式、化学价态与化学形式也非常重要。例如铬，其正六 价状态对人体的毒害很大，只有适量的正三价铬对人体才是有益的。 无论是人体必需的微量元素还是有害元素，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。我国食品卫生标准中对这类元素的含量有严格 的规定（见表 13－1）有些元素，目前虽暂未指定标准，一般都持谨慎态度，可参考我国 颁布的《生活饮用水卫生标准》（GB5749－85），其中对无机元素的限量要求列于表 13－2 中。 食品中限量元素的检测方法，主要有原子吸收分光光度计法、溶剂萃取比色法、离子 选择电极法和荧光光度法等。食物中常见的矿物质约有 20 余种，本章着重介绍食物中常 见的或食物卫生标准规定检验的限量元素
表13一1食物中几种元素的限量卫生标准 元素 食品品种 指标(mgKg 粮食（成品粮） ≤0.02 GB2762-1994 薯类（土豆、白薯）蔬菜、水果、牛乳 ≤0.01 肉、蛋（去壳） ≤005 鱼、其他水产品 ≤0.3其中甲基汞≤0.2 砷（以As计） 粮食 ≤07 GB14935-1994 海水鱼（鲜重计） ≤0.5 贝类、甲壳类、其他海类产品 ≤1.0 铅（以ph计） 粮食 ≤04 GB14935-1994 可米 ≤08 蔬菜 水果、蛋类 ≤0.2 肉类。 鱼虾类 ≤0.5 食盐、味精、酱油、食醋、酱腌菜 ≤1.0 镉（以Cd计） 大米 ≤0.2 GB15201-1994 面粉 <01 杂粮（玉米、小米、高梁、薯类）蛋 <005 水果 ≤0.03 肉、鱼 ≤0.1 铁（以Fe计） 食用油、植物性罐头食品 ≤20 GB15200-1994 果计饮料、果酱 ≤15 酱油 动物性罐头食品 ≤70 ≤5 硒（以Se计） 粮食（成品粮）、豆类及制品 ≤0.3 GB13105-1991 肉类（畜、禽）、蛋类 ≤05 鱼类 ≤10 ≤3.0 奶粉 ≤0.15 锗？
2 表 13－1 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 锗？
硒（以Se计） 粮食（成品粮）、豆类及制品 03 GB13105-1991 蔬菜（包括薯类） ≤01 水果 肉类（畜、禽）、蛋类 鲜奶类 ≤0.0 鱼类 ≤10 30 奶刺 ≤016 铬（以Cr计） 粮食、豆类、肉类（包括肝、肾）、蛋类 ≤1.0 薯类、蔬莱、水果 ≤0.5 鱼贝类、奶粉 ≤20 乳类（鲜） ≤0.3 铝（以A计） 蒸制面制食品（干重计） GB15202-1994 油炸面制食品（干重计 ≤100 烘烤面制食品（干重计） 表13一2《生活饮用水卫生标准》中无机元素限量标准 项目 标准(mg)项目标准(mg1)项目 标准(mg) 03 005 （六价） 005 0.1 0.01 005 0.00 银 1.0 镉 0.01 第二节元素的提取与分离 食品中的无机元素，一船常与有机物质结合，以金屈有机化合物的形式存在干食品中 在测定无机元 之前， 必须先破坏有机物质 释放出被测组分， 称之为有机物破坏法 (参见 第二章第二节)。破坏有机物后得到的样液中，除含有待测元素外，通常还会有多种其他元 素。这些共存元素有的会干扰测定，故有时需要进一步分离或浓缩，处理的方法应根据最后 所采用的测定方法而定。 本节主要介绍金属整合物的溶剂萃取法 、鳌合萃取原理 金屈离子先 鳌合剂生成金属鳌合物，然后利用与水不相溶的有机溶剂同试液一起振 荡，金属鳌合物进入有机相，另一些组分仍留在水相中，从而达到提取分离的目的，这个方 法称为液一液溶剂萃取法。 萃取的方法可以有使用分液漏斗的常规液一液萃取法，连续液一液萃取法，逆流萃取 法等。其中连续葵取法以外理较低分配系数的蒸取操作，使用溶剂较少，获得较高的效率 图13一1为一种典型的连续液一液萃取器的结构图，使用比水重的有机溶剂进行萃取。进 行适当改进，也可以使用比水轻的有机溶剂
3 硒（以 Se 计） GB13105－1991 粮食（成品粮）、豆类及制品 蔬菜（包括薯类） 水果 肉类（畜、禽）、蛋类 鲜奶类 鱼类 肾 奶粉 ≤0.3 ≤0.1 ≤0.05 ≤0.5 ≤0.03 ≤1.0 ≤3.0 ≤0.15 铬（以 Cr 计） 粮食、豆类、肉类（包括肝、肾）、蛋类 薯类、蔬菜、水果 鱼贝类、奶粉 乳类（鲜） ≤1.0 ≤0.5 ≤2.0 ≤0.3 铝（以 Al 计） GB15202－1994 蒸制面制食品（干重计） 油炸面制食品（干重计） 烘烤面制食品（干重计） ≤100 表 13－2 《生活饮用水卫生标准》中无机元素限量标准 项目 标准（mg/l） 项目 标准（mg/l） 项目 标准（mg/l） 铁 锰 铜 锌 0.3 0.1 1.0 1.0 砷 硒 汞 镉 0.05 0.01 0.001 0.01 铬（六价） 铅 银 0.05 0.05 0.05 第二节 元素的提取与分离 食品中的无机元素，一般常与有机物质结合，以金属有机化合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，称之为有机物破坏法（参见 第二章第二节）。破坏有机物后得到的样液中，除含有待测元素外，通常还会有多种其他元 素。这些共存元素有的会干扰测定，故有时需要进一步分离或浓缩，处理的方法应根据最后 所采用的测定方法而定。 本节主要介绍金属鳌合物的溶剂萃取法 一、鳌合萃取原理 金属离子先与鳌合剂生成金属鳌合物，然后利用与水不相溶的有机溶剂同试液一起振 荡，金属鳌合物进入有机相，另一些组分仍留在水相中，从而达到提取分离的目的，这个方 法称为液－液溶剂萃取法。 萃取的方法可以有使用分液漏斗的常规液－液萃取法，连续液－液萃取法，逆流萃取 法等。其中连续萃取法可以处理较低分配系数的萃取操作，使用溶剂较少，获得较高的效率。 图 13－1 为一种典型的连续液－液萃取器的结构图，使用比水重的有机溶剂进行萃取。进 行适当改进，也可以使用比水轻的有机溶剂
热 图13一1连续液液萃取装置结构示意图 1一萃取溶剂收集器：2一气态溶剂：3一萃取溶剂：4一冷凝器： 5一萃取液：6一溶剂返回管：7一萃取溶剂返回到收集器 二、整合反应与亲水性 当金属离子与可提供二个或二个以上配位键的络合剂起反应，生成二个或二个以上环 状结构的络合物，称为鳌合物。鳌合物的环通常为五元环或六元环，结构比较稳定。例如 N+与丁二酮肟在碱性介质中起反应，生成四个环状结构的整合物，其中二个环为五元环， 二个为六元环： CH 0 CH,-C-NOH N2+2 +2H CH:-C-NOH CH, 按照整合物中提供的配价键原子的类型，常有“OO型”、“NN型”、“NO型”、“SO型” 4
4 图 13－1 连续液-液萃取装置结构示意图 1－萃取溶剂收集器；2－气态溶剂；3－萃取溶剂；4－冷凝器； 5－萃取液；6－溶剂返回管；7－萃取溶剂返回到收集器 二、鳌合反应与亲水性 当金属离子与可提供二个或二个以上配位键的络合剂起反应，生成二个或二个以上环 状结构的络合物，称为鳌合物。鳌合物的环通常为五元环或六元环，结构比较稳定。例如, Ni2＋ 与丁二酮肟在碱性介质中起反应，生成四个环状结构的鳌合物，其中二个环为五元环， 二个为六元环： H ┉ ╲ CH3 O O CH3 ╲ ↑ │ ╱ C═N N═C CH3─C═NOH ╲ Ni2+ + 2 │ Ni + 2H+ CH3─C═NOH ╲ C═N N═C ╱ │ ↓ ╲ CH3 O O CH3 ╲ ┉ H 按照鳌合物中提供的配价键原子的类型，常有“OO 型”、“NN 型”、“NO 型”、“SO 型
和“SN型”等，上例为“NN型”。 金屈离子在未起整合反应之前，受水分子极性的作用，电离成为带电荷的亲水性离子 进一步结合成为水合离子，如AI(H,O6,Zn(HO62,NiHO H-O CI等，它们易 溶 水而难溶 种性质称为亲水性。 为了从水溶液 萃 种 金属离子， 就必 须设法脱去水合离子中的水分子，并中和所带的电荷，使之变成极性很弱的可溶于有机溶剂 的化合物，也就是说，将亲水性的离子变成疏水性的化合物。选择适当的金属鳌合剂，可将 金属离子变成疏水性的金属整合物。 水分子是偶极分子，水分子之间以氢键相石缔合。物质对氨键的作用能力成形成氢键 的能力，是它的亲水性强弱的重要标 般无机盐类的亲水性之所以很强，是因为它们的 离子能拆开水分子之间的氢键，形成水合离子并溶于水中。含有氧原子的基团，如醇、醛 酮和羧酸等，大多也有亲水性，因为氧原子的电负性强，可与水分子中的氧原子形成氢健： R H-O-H -0 R' H-0-H 因此，分子量不大的醇、醛、酮和羧酸等可溶于水」 氨原子的电负性较氧小(O3.5:N3.0),也能与水分子形成氢键： R-N.H-O 因此低分子量的胺类可溶于水 硫原子的电负性较氧弱很多(S2.5),形成氢键的能力也弱得多，因此，当含氧的有机 化合物中的氧原子被硫置换后，它在水中的溶解度会降低。 烷烃和芳烃等有机化合物不能形成氢健，它们在水中的溶解度很小：烷烃的链越长， 芳经的环越多，它们在水中的溶解度越小。因此，这类基团通常称为疏水基团。 物质亲水性强弱的规律，可简单概括如下： L是离了 都有亲 物质含亲水基团越多，其亲水性越强。常见的亲水基团有：一OH,一SOH,一NH2, NH等： 3.物质含疏水基团越多，分子量越大，其疏水性越强。常见的疏水基团有：烷基如 CH、CH,等，卤代烷基，芳香基如苯基、茶基等 Ni"E 二酮肟的反应， 形成整合物后， )子中有一CH等疏水基团 ,因此可被CHC 等有机溶剂萃取。但分子中又有氧原子，又具有一定的亲水性，浓度很稀时也可溶于水中， 故在分析时，也可直接比色测定。 CCL4、CHC3是常用的非极性溶剂，根据“相似相溶”规则，是常用的非极性化合物抽 提剂。 三、萃取分离的基本原理 分配系数 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，可用下式表示： 5
5 和“SN 型”等，上例为“NN 型”。 金属离子在未起鳌合反应之前，受水分子极性的作用，电离成为带电荷的亲水性离子， 并进一步结合成为水合离子，如 Al(H2O)6 3+，Zn(H2O)6 2+，Ni(H2O)2+,Fe(H2O)2Cl－ 等，它们易 溶于水而难溶于有机溶剂，这种性质称为亲水性。为了从水溶液中萃取某种金属离子，就必 须设法脱去水合离子中的水分子，并中和所带的电荷，使之变成极性很弱的可溶于有机溶剂 的化合物，也就是说，将亲水性的离子变成疏水性的化合物。选择适当的金属鳌合剂，可将 金属离子变成疏水性的金属鳌合物。 水分子是偶极分子，水分子之间以氢键相互缔合。物质对氢键的作用能力或形成氢键 的能力，是它的亲水性强弱的重要标志。一般无机盐类的亲水性之所以很强，是因为它们的 离子能拆开水分子之间的氢键，形成水合离子并溶于水中。含有氧原子的基团，如醇、醛、 酮和羧酸等，大多也有亲水性，因为氧原子的电负性强，可与水分子中的氧原子形成氢键： R H－O－H ╲ ┊ C ═ O ╱ ┊ R′ H─O─H 因此，分子量不大的醇、醛、酮和羧酸等可溶于水。 氮原子的电负性较氧小（O3.5；N3.0），也能与水分子形成氢键： H R－N.H－O H H 因此低分子量的胺类可溶于水。 硫原子的电负性较氧弱很多（S 2.5）,形成氢键的能力也弱得多，因此，当含氧的有机 化合物中的氧原子被硫置换后，它在水中的溶解度会降低。 烷烃和芳烃等有机化合物不能形成氢键，它们在水中的溶解度很小；烷烃的链越长， 芳烃的环越多，它们在水中的溶解度越小。因此，这类基团通常称为疏水基团。 物质亲水性强弱的规律，可简单概括如下： 1. 凡是离子都有亲水性； 2. 物质含亲水基团越多，其亲水性越强。常见的亲水基团有：－OH，－SO2H，－NH2， NH 等； 3. 物质含疏水基团越多，分子量越大，其疏水性越强。常见的疏水基团有：烷基如－ CH3、C2H5等，卤代烷基，芳香基如苯基、萘基等。 Ni2+与丁二酮肟的反应，形成鳌合物后，分子中有－CH3 等疏水基团，因此可被 CHCI3 等有机溶剂萃取。但分子中又有氧原子，又具有一定的亲水性，浓度很稀时也可溶于水中， 故在分析时，也可直接比色测定。 CCl4、CHCl3是常用的非极性溶剂，根据“相似相溶”规则，是常用的非极性化合物抽 提剂。 三、萃取分离的基本原理 1. 分配系数 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，可用下式表示：