微波消化微量滴定法測定牛乳中的鈣含量

杜建中，楊美波，朱永斌，丁 玎

(1.湛江師范學(xué)院 廣東高校新材料工程技術(shù)開發(fā)中心，廣東 湛江 524048；2.圣地亞哥州立大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，美國 圣地亞哥 92123；3.加州大學(xué)圣地亞哥分校預(yù)防醫(yī)學(xué)系，美國 圣地亞哥 92037)

微波消化微量滴定法測定牛乳中的鈣含量

杜建中1，楊美波1，朱永斌1，丁 玎2,3

(1.湛江師范學(xué)院 廣東高校新材料工程技術(shù)開發(fā)中心，廣東 湛江 524048；2.圣地亞哥州立大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，美國 圣地亞哥 92123；3.加州大學(xué)圣地亞哥分校預(yù)防醫(yī)學(xué)系，美國 圣地亞哥 92037)

應(yīng)用微波消化及微量滴定技術(shù)，對牛乳中的鈣含量進(jìn)行測定。結(jié)果表明：用5mL濃HNO3、3mL H2O2的混合液對10.00mL樣品進(jìn)行消化，加入0.4mL三乙醇胺消除Al3+、Fe3+對鈣離子測定的影響，取得了較好的測定效果。伊利純牛奶和高鈣奶的EDTA標(biāo)準(zhǔn)液消耗體積平均值分別為1.616、1.450mL，RSD分別為0.16%和0.32%，7次測定的回收率為98%～101.5%。與傳統(tǒng)的消化方法及常量滴定法相比，該法具有簡單、快速、節(jié)省試劑、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。

鈣；微量滴定法；微波消化；牛乳

牛奶中富含鈣、VD及人體生長發(fā)育所需的氨基酸等，消化率可高達(dá)98%，是非常適合大眾食用的優(yōu)良食品。在牛奶品質(zhì)分析中，鈣含量也是重要的指標(biāo)之一。國家標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法采用原子吸收法和EDTA滴定法[1]。此外，還有分光光度法[2]、等離子體發(fā)射光譜法[3-4]、滴定法[5-8]、火焰原子吸收光度法[9-10]和離子選擇電極法[11-12]等。測定食品中的鈣含量，需將樣品消化，以破壞樣品中的有機(jī)物。傳統(tǒng)消化方式是在加熱的條件下，用硝酸、硫酸、高氯酸等分解有機(jī)物，消化過程中會產(chǎn)生酸霧，污染環(huán)境，危害工作人員的健康。本實驗采用微波消化方法，以較好地克服上述缺點(diǎn)。此外，設(shè)計了一套簡易的微型化滴定裝置，對牛奶中鈣含量進(jìn)行測定，通過F檢驗和t檢驗測定結(jié)果的精密度及準(zhǔn)確度均和常量滴定法測定結(jié)果相當(dāng)。是一種節(jié)省試劑、環(huán)境污染小的測定牛奶中鈣含量的方法。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

樣品為市售液態(tài)牛奶和發(fā)酵牛奶。

硝酸、過氧化氫 廣州化學(xué)試劑廠；氫氧化鈉 廣東汕頭市西隴化工廠；三乙醇胺 天津市大茂化學(xué)試劑廠；鹽酸 衡陽市凱信化工試劑有限公司；碳酸鈣、鈣指示劑 天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。以上試劑均為分析純，實驗所用水均為去離子水。

WRT-A1微波樣品處理系統(tǒng) 北京美誠公司；AY120電子分析天平 日本島津公司；7s-2雙向磁力攪拌器 金壇市富華儀器有限公司(普通磁攪拌子太大，自制0.2cm×1cm磁攪拌子)；自制微量滴定裝置(在最小刻度為0.01mL的2mL刻度移液管的尖處接一次性7號靜脈輸液針，對其針頭部位作了磨平處理，使滴出的液滴更小)，見圖1。

圖1 滴定裝置圖Fig.1 The titration device

1.2 方法

1.2.1 微波消化

在微波爐電磁場作用下，樣品與試劑通過吸收微波能量，從而在介質(zhì)內(nèi)部發(fā)熱，同時使介質(zhì)中的分子產(chǎn)生極化，極化分子的快速轉(zhuǎn)動和重新快速定向排列引起張力，這種綜合作用的結(jié)果，使樣品溶液表面層發(fā)生攪動、破裂，又不斷地產(chǎn)生新的表面與試劑反應(yīng)，最終使樣品迅速分解[14]。

影響牛奶樣品微波消化是否完全的因素較多，目前，尚無法根據(jù)理論研究來確定消化的各種條件，實際工作中往往是根據(jù)實驗對消化條件進(jìn)行選擇，得出最佳的實驗條件。

本實驗微波消化牛奶的最佳條件為移取10.00mL待測樣品，加入5mL濃HNO3、3mL H2O2，在80℃消化8min，升溫至100℃消化7min，再升溫至120℃消化5min，繼續(xù)升溫130℃消化5min，最后升至135℃消化5min。

1.2.2 EDTA濃度的標(biāo)定

微量法：準(zhǔn)確吸取0.02000mol/L的標(biāo)準(zhǔn)鈣液1.000mL于鉗鍋中，加入2mL水，用0.1mol/L的NaOH將溶液pH值調(diào)至12～13，滴加2g/L鈣指示劑2滴，在不斷攪拌條件下，用EDTA溶液滴定至溶液由酒紅色變?yōu)樗{(lán)色為終點(diǎn)，測定濃度為0.01585mol/L。

常量法：準(zhǔn)確移取0.02000mol/L的標(biāo)準(zhǔn)鈣液20.00mL于錐形瓶中，用1mol/L的NaOH將溶液pH值調(diào)至12～13，加入2g/L鈣指示劑10滴，用EDTA溶液滴定至溶液由酒紅色變?yōu)樗{(lán)色為終點(diǎn)，測定濃度為0.01587mol/L。經(jīng)F檢驗和t檢驗[12]，兩種方法標(biāo)定EDTA的濃度無顯著性差異。

本實驗EDTA濃度為0.01585mol/L。

1.2.3 準(zhǔn)確度實驗

為考察方法的準(zhǔn)確度，用本法與國標(biāo)EDTA滴定法及常量滴定法進(jìn)行了對照實驗。

國標(biāo)法：移取純牛奶和高鈣奶各4.00mL，按GB/T 5009.92—2003《食品中鈣的測定》中試樣消化的方法對其進(jìn)行消化，分別移取純牛奶消化液2.000mL、高鈣牛奶消化液1.500mL及空白溶液于坩堝中，按國標(biāo)試樣測定方法對樣品進(jìn)行測定。

本法：準(zhǔn)確移取純牛奶微波消化液2.000mL，高鈣牛微波奶消化液1.500mL，按樣品測定方法對樣品進(jìn)行測定。

常量法：移取純牛奶消化液20.00mL或高鈣牛奶消化液20.00mL，2g/L鈣指示劑10滴，體積分?jǐn)?shù)50%的三乙醇胺溶液4mL，按常量滴定方法操作。對照實驗的結(jié)果見表1。

表1 漏定方法對照實驗Table 1 Comparisons of calcium concentrations of two different brands of pure milk and high calcium milk determined by the method and the national standard method

以國標(biāo)法測定值為標(biāo)準(zhǔn)，本法測定結(jié)果的平均相對誤差為+0.3%，以常量法測定結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，本法測定結(jié)果的平均相對誤差為+0.2%，本法與國標(biāo)EDTA滴定法及常量法測定結(jié)果基本一致。以本法和國標(biāo)法測定伊利純牛奶數(shù)據(jù)進(jìn)行F檢驗，F(xiàn)=1.48＜F0.05(4,4)，兩組測定數(shù)據(jù)的精密度無顯著性差異。t檢驗結(jié)果t=1.22＜t0.05(8)，兩組測定數(shù)據(jù)之間不存在系統(tǒng)誤差，測定結(jié)果之間無顯著性差異。F檢驗和t檢驗結(jié)果證明，本法與常量法也無顯著性差異[13]。故本法可代替國標(biāo)法和常量法用于牛乳中鈣含量的測定。

1.2.4 樣品測定

準(zhǔn)確移取待測牛奶10.00mL或稱取酸牛奶10.00g置于聚四氟乙烯微波消化罐中，按最佳消化條件對其進(jìn)行消化。消化后的消化液全部轉(zhuǎn)移至25.00mL容量瓶中，加水定容，搖勻。

準(zhǔn)確移取一定量消化液(純牛奶消化液2.000mL，酸牛奶消化液2.000mL，高鈣奶消化液1.500mL，酸酸乳消化液4.00mL)于坩堝中，加入體積分?jǐn)?shù)50%三乙醇胺溶液0.4mL，用NaOH溶液將pH值調(diào)至12～13加入2g/L鈣指示劑2滴，將坩堝置于磁力攪拌器上，放入轉(zhuǎn)子，在不斷攪拌條件下，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液由橙紅色變?yōu)榫G色為終點(diǎn)，根據(jù)EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液消耗的體積，計算待測試樣中鈣的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳消化條件的確定

本研究的消化過程采用分步升溫方式，固定升溫速率(6℃/min)。準(zhǔn)確量取一定體積的牛奶樣品，置于聚四氟乙烯微波消化罐中，加入適量的濃硝酸和過氧化氫，搖勻，蓋緊罐蓋并將其外套擰緊，置于微波消化裝置中在不同溫度下進(jìn)行消化。各消化罐樣品及試劑組成為：1#、2#、3#消化罐：20.00mL樣品+5mL濃HNO3+2mL H2O2；4#、5#消化罐：10.00mL樣品+5mL濃HNO3+2mL H2O2；6#消化罐：10.00mL樣品+6mL濃HNO3+2mL H2O2；7#消化罐：10.00mL樣品+5mL濃HNO3+3mL H2O2。實驗結(jié)果見表2，用5mL濃HNO3、3mL H2O2的混合液對10.00mL樣品進(jìn)行消化，經(jīng)80℃保溫8min，100℃保溫7min，120、130、135℃分別保溫5min后的消化效果最好。

表2 消化條件實驗Table 2 Screening for optimal digestion solution composition

2.2 干擾離子的去除

加入NaOH使溶液pH＞12，Mg2+形成Mg(OH)2沉淀；加入三乙醇胺可掩蔽Al3+、Fe3+，從而消除上述離子對鈣離子測定的影響。

2.3 三乙醇胺的用量

固定移取蒙牛純牛奶(20081104ZA 11308B/Tck)消化液2.000mL，改變?nèi)掖及返挠昧?，溶液pH值調(diào)至12～13，加入2g/L鈣指示劑2滴，用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液由橙紅色變?yōu)榫G色為終點(diǎn)，結(jié)果見表3。

表3 三乙醇胺的用量Table 3 Effect of triethanolamine load on elimination of interference from other ions

由表3可知，牛奶消化溶液中確實存在能與EDTA發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的干擾離子，加入三乙醇胺與其絡(luò)合，隨三乙醇胺的用量增加，干擾逐漸減小，當(dāng)加入體積在0.4mL和0.6mL時，消耗的EDTA體積已保持不變，說明干擾離子全部被絡(luò)合，干擾被消除。實驗中加入0.4mL三乙醇胺。

2.4 精密度實驗

移取伊利純牛奶(20090301A 0301142658)消化液2.000mL和伊利高鈣奶(20081127M4 0302MO149)消化液1.500mL，按樣品測定方法操作，結(jié)果見表4。

表4 精密度試驗結(jié)果(n=11)Table 4 Results of precision test (n=11)

2.5 樣品含量的測定

表5 奶制品中鈣含量測定結(jié)果(n=5)Table 5 Calcium concentrations of selected batches of selected brands of pure milk and milk products determined by the method (n=5)

按樣品測定方法對市售的部分牛奶、酸牛奶及酸酸乳中鈣含量進(jìn)行了測定，結(jié)果如表5。2.6 回收實驗

在待測樣品中加入一定體積的鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液，經(jīng)微波消化后，做加標(biāo)回收實驗，7次測定的回收率均在98%～101.5%之間。結(jié)果表明本方法具有較高的準(zhǔn)確度，可滿足牛奶中Ca2+含量的測定。

3 結(jié)論與討論

微波消化難以破壞苯環(huán)中的π鍵[15]，而牛奶中含有的苯丙氨酸，色氨酸，酪氨酸都帶有苯環(huán)，消化過程中，苯環(huán)與濃硝酸發(fā)生黃蛋白反應(yīng)，生成黃色的芳香硝基化合物，使消化液帶有黃色，該化合物在堿性溶液中進(jìn)一步生成硝醌酸鈉，溶液黃色加深[16]。終點(diǎn)前，指示劑與鈣絡(luò)合后的酒紅色和溶液自身的黃色混合，溶液呈現(xiàn)紅橙色，終點(diǎn)時，游離鈣指示劑顯示的藍(lán)色與溶液的黃色混合，呈現(xiàn)出綠色。

本法采用的微波消化法與傳統(tǒng)消化方式相比，減少了對環(huán)境、操作者的危害，與國標(biāo)EDTA滴定法相比，省去了劇毒物質(zhì)氰化鈉的使用。具有滴定裝置簡單，試劑用量少、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色化學(xué)的理念。是一種測定牛乳中鈣含量的行之有效的方法。

[1] GB/T 5009.92—2003 食品中鈣的測定[S].

[2] 湯家華, 錢德勝. 分光光度法測定食品和水中鈣[J]. 巢湖學(xué)院學(xué)報,2004, 6(3): 88-89.

[3] 張遴, 趙收創(chuàng), 王昌釗, 等. 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法同時測定奶粉中鈣銅鐵鉀鎂錳鈉鋅和磷[J]. 理化檢驗: 化學(xué)分冊, 2007, 43(6): 465-467.

[4] 范柯, 王鮮俊. 端視等離子發(fā)射光譜法測定奶粉中Fe、Zn、Ca、Mg、Na、K、Pb、As、Cu[J]. 現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué), 2001, 28(2): 201-202.

[5] 胡曙光, 梁春穗, 王靜, 等. 自動電位滴定法測定高鈣食品中鈣的方法研究[J]. 中國衛(wèi)生檢驗雜志, 2006, 16(1): 57-58.

[6] 陳妙蘭. 高錳酸鉀滴定法測定鈣片中的鈣含量[J]. 生命科學(xué)儀器,2008, 6(12): 39-40.

[7] 凌育趙. 兩點(diǎn)電位滴定法測定鈣奶中鈣含量[J]. 中國乳品工業(yè), 2005,33(6): 58-60.

[8] 姚長斌. 電位滴定法測定鈣奶中鈣含量[J]. 天津化工, 2002, 15(3):30-31.

[9] 邱平, 周備, 趙國太. 火焰原子吸收分光光度法測定奶粉中鋅、鐵、銅、鈣[J]. 現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué), 2002, 29(4): 588-589.

[10] 李淑新. 直接進(jìn)樣FAAS法測定奶制品中鈣的含量[J]. 光譜實驗室,2004, 21(4): 793-794.

[11] 沈靜薇. 鈣離子選擇電極測定奶粉中鈣的方法探討[J]. 上海預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志, 2003, 15(7): 343-344.

[12] 李惠荔, 劉煥云, 苑艷輝, 等. 離子選擇性電極法測定食品中鈣的含量[J]. 食品與藥物, 2005, 7(4): 57-59.

[13] 華中師范大學(xué), 東北師范大學(xué), 陜西師范大學(xué), 等. 分析化學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005: 62-63.

[14] 尚瑛達(dá). 淺談糧油食品分析微波消化技術(shù)[J]. 四川糧油科技, 2001(4): 54-55.

[15] 但德忠. 分析測試中的現(xiàn)代微波制樣技術(shù)[M]. 成都: 四川大學(xué)出版社, 2003: 114.

[16] 莫重文. 蛋白質(zhì)化學(xué)與工藝學(xué)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007: 28-30.

Determination of Calcium Concentration in Milk by Microwave Digestion and Micro-titration

DU Jian-zhong1，YANG Mei-bo1，ZHU Yong-bin1，DING Ding2,3
(1. Development Center for New Materials Engineering and Technology in Universities of Guangdong, Zhanjiang Normal University,Zhanjiang 524048, China；2. Graduate School of Public Health, San Diego State University, San Diego 92123, USA；
3. Department of Family and Preventive Medicine, University of California, San Diego 92037, USA)

The determination of calcium concentration in milk was achieved using microwave digestion and micro-titration.Satisfying results of determining Ca2+concentration in milk were obtained when a 10.00 mL sample of milk was digested with a mixture consisting of 5 mL of 98% HNO3 and 3 mL of H2O2 fortified with 0.4 mL of triethanolamine for eliminating the interference from Al3+and Fe3+. The average consumptions of EDTA standard solution for Yili branded pure milk and high calcium milk were 1.616 mL and 1.450 mL with RSDs of 0.16% and 0.32%, respectively. The average spike recovery rate of seven replicate determinations was in the range of 98% to 101.5%. The accuracy and precision of the micro-titration method were both comparable to those of the traditional digestion and titration methods. This method is a simple, rapid, reagent-saving and environmentally friendly.

calcium；micro-titration；microwave digestion；milk

O658.2

A

1002-6630(2010)20-0351-04

2009-12-08

湛江師范學(xué)院科學(xué)研究基金資助項目(L0514)

杜建中(1956—)，男，教授，學(xué)士，主要從事分析化學(xué)教學(xué)及微量組分分析研究。E-mail：djz560119@126.com