學(xué)生營養(yǎng)午餐中鐵元素含量的測定

榮鳳娜 姚澄

摘要： 以比爾-朗伯定律為原理，采用吸光光度法，利用數(shù)字化手持技術(shù)測定某校高中學(xué)生營養(yǎng)午餐中的鐵元素含量，對一定時(shí)間周期內(nèi)學(xué)生營養(yǎng)午餐中的鐵元素含量分布進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，得出豆制品食物對營養(yǎng)午餐中的鐵元素含量水平有著重要的影響，同時(shí)從含鐵量角度提出“最優(yōu)化的午餐組合”。

關(guān)鍵詞： 營養(yǎng)午餐； 鐵元素含量； 吸光光度法； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）7-0070-05 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題提出

鐵元素是人體健康不可缺少的微量元素，是人體中血紅蛋白的重要組成部分，對血紅蛋白輸送氧氣和運(yùn)走二氧化碳起到至關(guān)重要的作用。人體中的血液是紅色的，也是由于血紅蛋白中含有鐵元素。人體內(nèi)由于新陳代謝每天損失的鐵元素約有1mg，可通過攝取食物進(jìn)行補(bǔ)充。對于人體攝取食物中鐵元素含量的測定，特別是對處于生長發(fā)育期的高中生午餐中鐵元素含量的測定具有重要的醫(yī)學(xué)和營養(yǎng)學(xué)的意義。通過對某校高中食堂配備的學(xué)生午餐中鐵元素含量的測定和統(tǒng)計(jì)分析，有利于督促食堂改進(jìn)學(xué)生午餐的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生午餐的質(zhì)量。

食物中鐵元素含量的測定一般有原子吸收法、吸光光度法、絡(luò)合滴定法等。其中吸光光度法的原理主要基于比爾-朗伯定律實(shí)現(xiàn)微量鐵元素含量的測定。隨著數(shù)字化手持技術(shù)的快速發(fā)展，使得采用吸光光度法快速簡便地測試食物中的鐵元素含量成為可能。其中色度傳感器能感受被測量元素溶液光照色度的變化并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，再通過數(shù)據(jù)采集器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)輸出并由配套軟件計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將測量結(jié)果通過人機(jī)交互方式實(shí)時(shí)顯示，從而實(shí)現(xiàn)鐵元素含量的實(shí)時(shí)快速測定。

2 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

VENIER LAB QUEST MINI數(shù)據(jù)采集器、VENIER Colorimetre光度儀、2mol/L的硝酸、硫氰化鉀（KSCN）飽和溶液、蒸餾水、燒杯、容量瓶、移液管

3 實(shí)驗(yàn)原理

3.1 比爾-朗伯定律

物質(zhì)對光吸收的定量關(guān)系很早就受到了科學(xué)家的注意并進(jìn)行了研究。皮埃爾·布格（Pierre Bouguer）和約翰·海因里?！だ什↗ohann Heinrich Lambert）分別在1729年和1760年闡明了物質(zhì)對光的吸收程度和吸收介質(zhì)厚度之間的關(guān)系。1852年奧古斯特·比爾（August Beer）又提出光的吸收程度和吸光物質(zhì)的濃度也具有類似關(guān)系，兩者結(jié)合起來就得到有關(guān)光吸收的基本定律——布格-朗伯-比爾定律，簡稱比爾-朗伯定律。

比爾-朗伯定律數(shù)學(xué)表達(dá)式為： A=lg（1/T）=Kbc，其中

A為吸光度（又稱吸收率）；

T為透光率，是透射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比；

K為摩爾吸收系數(shù)，它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長λ有關(guān)；

b為吸收層厚度；

c為吸光物質(zhì)的濃度。

其物理意義是當(dāng)一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度b成正比。

比爾-朗伯定律是吸光光度法定量測定的理論基礎(chǔ)。

3.2 用吸光光度法測定食物中鐵元素含量

將食物樣品溶解于一定濃度的硝酸中，使其中的鐵元素轉(zhuǎn)化為含F(xiàn)e3+的溶液，F(xiàn)e3+可與KSCN發(fā)生特征反應(yīng)，生成深紅色的[Fe（SCN）]2+。[Fe（SCN）]2+可以吸收藍(lán)色光，因此[Fe（SCN）]2+的濃度越大，其透光率（T）越小，對光的吸收程度（吸光度A）越大。

用比色皿分別盛裝濃度不同的[Fe（SCN）]2+標(biāo)準(zhǔn)溶液，放入數(shù)字式光度儀中，利用色度傳感器測量它們的透光率T，并計(jì)算出相應(yīng)的吸光度A值，通過計(jì)算機(jī)的數(shù)字化擬合，繪制吸光度-濃度（A-c）曲線，并得到該標(biāo)準(zhǔn)曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。測定由食物轉(zhuǎn)化得到的[Fe（SCN）]2+溶液的透光率（T），計(jì)算相應(yīng)吸光度（A），最終可通過計(jì)算機(jī)程序在A-c標(biāo)準(zhǔn)曲線上得到對應(yīng)的鐵元素的濃度。

4 實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.1 數(shù)據(jù)采集器的設(shè)置與光度儀的校正

連接光度儀和數(shù)據(jù)采集器，光度儀采用藍(lán)色濾光片，在比色皿中加入蒸餾水，放入光度儀中，調(diào)節(jié)光度儀旋鈕，使數(shù)據(jù)采集器示數(shù)為100%。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

（1） 在1～5號(hào)燒杯中配制不同濃度的FeCl3水溶液（蒸餾水），各取10mL，并分別加入相同量（2～3滴）KSCN飽和溶液，混合均勻，配制成不同濃度的[Fe（SCN）]2+標(biāo)準(zhǔn)溶液。

（2） 將以上標(biāo)準(zhǔn)溶液分別裝入比色皿中，放入光度儀，測量其透光率。并由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算該標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度。

（3） 每種濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液分別測量3次，取平均值，即為該濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度。具體數(shù)據(jù)見表1。

（4） 繪制吸光度-濃度曲線（見圖1）。

（5） 通過計(jì)算機(jī)數(shù)字化擬合形成吸光度-濃度曲線的的數(shù)學(xué)表達(dá)式： A=Kc+B。c為溶液濃度（mol/L）， A為吸光度（吸收率）， K=634， B=0.061。

4.3 學(xué)生午餐中食物的鐵元素含量標(biāo)準(zhǔn)測定步驟的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[1～4]，有多種方法可以將各種藥物、食品，包括學(xué)生午餐中的食物等轉(zhuǎn)化為[Fe（SCN）]2+待測溶液。本課題首先采用被廣泛認(rèn)為鐵含量豐富的菠菜作為食品樣本，分別選擇攪拌粉碎法和高溫炭化法對其進(jìn)行處理，然后分別進(jìn)行鐵元素含量的測定并進(jìn)行對比，以確定鐵元素含量標(biāo)準(zhǔn)測定步驟。

4.3.1 攪拌粉碎法

（1） 從學(xué)生的營養(yǎng)午餐中稱取50g菠菜，用榨汁機(jī)將其打碎取汁，過濾。

（2） 向?yàn)V液中加入5～10mL 2mol/L的硝酸溶液，再轉(zhuǎn)移到100mL的容量瓶中定容。

（3） 取出10mL樣品溶液，滴加幾滴KSCN飽和溶液（與配制標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)加入的KSCN溶液的量相同），混合均勻。

觀察到溶液顏色未有明顯變化。在潔凈的比色皿中裝入待測溶液，放入光度儀中也未能測定出其透光率。推測采用該種處理方法后依舊有部分可溶性雜質(zhì)干擾，故放棄使用此方法。

4.3.2 高溫炭化法

（1） 從學(xué)生的營養(yǎng)午餐中稱取50g菠菜，撕成小塊，放入坩堝內(nèi)用電爐灼燒，使之完全炭化。

（2） 用5～10mL 2mol/L的硝酸溶液將炭化后的食物溶解、過濾，再用少量的稀硝酸洗滌、過濾2～3次，最后將溶液轉(zhuǎn)移到100mL的容量瓶中定容。

（3） 取出10mL樣品溶液，再滴加幾滴KSCN飽和溶液（與配制標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)加入的KSCN溶液的量相同），混合均勻。

（4） 在潔凈的比色皿中裝入待測液，放入光度儀，可測得其透光率，并通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算其吸光度。

（5） 以上步驟重復(fù)3次，其吸光度數(shù)據(jù)基本平行（見表2）。計(jì)算其吸光度平均值，通過吸光度-濃度曲線（A-c標(biāo)準(zhǔn)曲線）或通過吸光度-濃度曲線方程的計(jì)算得到鐵元素的濃度，然后計(jì)算樣本菠菜中的鐵元素總量。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算得到菠菜樣品的鐵元素含量為1.456mg/100g，基本符合實(shí)際情況。因此，擬采用高溫炭化法對本校學(xué)生午餐中鐵元素的含量進(jìn)行測定。

4.4 本校一周內(nèi)學(xué)生營養(yǎng)午餐鐵元素含量測定的數(shù)據(jù)

按照以上樣品的處理步驟和鐵元素含量的標(biāo)準(zhǔn)測定方法，測量了一周內(nèi)學(xué)生營養(yǎng)午餐中不同食物的鐵元素含量（見表3）。

5 學(xué)生營養(yǎng)午餐中鐵元素含量測定數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析

5.1 每日學(xué)生營養(yǎng)午餐中鐵元素總量的統(tǒng)計(jì)和分析

對一周內(nèi)每日學(xué)生午餐的食物進(jìn)行分類稱量后測定鐵元素含量，并統(tǒng)計(jì)出每日學(xué)生午餐中鐵元素總量和一周內(nèi)每日學(xué)生午餐鐵元素總量的平均值（見表5）。

根據(jù)國家衛(wèi)生部頒布的“學(xué)生營養(yǎng)午餐供給量”標(biāo)準(zhǔn)（衛(wèi)生部WS/T100-1998）和“中國居民膳食指南（2014版）”的標(biāo)準(zhǔn)，高中學(xué)生的午餐鐵元素的攝入量應(yīng)為7.2mg左右，而本校學(xué)生營養(yǎng)午餐的鐵元素總量平均值為8.341mg，可以滿足高中學(xué)生午餐的鐵元素?cái)z入量需求。但是通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)，在一周內(nèi)每日學(xué)生營養(yǎng)午餐的鐵元素總量存在一定的波動(dòng)。

5.2 不同種類食物的鐵元素含量的統(tǒng)計(jì)和分析

學(xué)生營養(yǎng)午餐中包含不同種類的食物，這些食物的鐵元素含量水平對學(xué)生午餐的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)有著重要的影響。我們將食物分類為谷物類、肉蛋類、蔬菜類、豆制品類、水果類五大類，分別統(tǒng)計(jì)每種食物中鐵元素含量占總鐵元素量的比例（見表6）。

從以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，谷物類、蔬菜類、肉蛋類、豆制品類食物具有比較接近的鐵元素總量分布比例，它們提供了學(xué)生營養(yǎng)午餐中絕大部分的鐵元素。

5.3 學(xué)生營養(yǎng)午餐中不同種類食物中鐵元素“貢獻(xiàn)指數(shù)”的統(tǒng)計(jì)和分析

為了精確比較學(xué)生午餐中五種類型食物對鐵元素總量的影響，我們采用了鐵元素“貢獻(xiàn)指數(shù)”進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較，鐵元素“貢獻(xiàn)指數(shù)”K=A/B （A為每種食物的鐵元素總量占午餐鐵元素總量的百分比，B為每種食物的總重量占午餐總重量的百分比）。某類食物的鐵元素“貢獻(xiàn)指數(shù)”越高，說明對學(xué)生午餐中鐵元素含量水平的影響越大。其統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見圖2。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，豆制品類食物的鐵元素“貢獻(xiàn)指數(shù)”遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他四類食物，說明豆制品類食物對于學(xué)生午餐中鐵元素含量水平有著重要的影響。對于一些患有缺鐵性疾病的學(xué)生，可以適當(dāng)增加豆制品的攝入量，既不增加膳食成本，又能大幅度提高鐵元素的攝入量。

6 總結(jié)

（1） 通過實(shí)驗(yàn)，證明了采用吸光光度法、利用數(shù)字化手持技術(shù)測定學(xué)生營養(yǎng)午餐中鐵元素含量的方法是可行的。該方法具有實(shí)時(shí)、直觀、定量的特點(diǎn)。

（2） 通過對一定時(shí)間周期內(nèi)學(xué)生營養(yǎng)午餐中鐵元素含量的跟蹤統(tǒng)計(jì)，并以國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和中國居民膳食指南為分析依據(jù)，發(fā)現(xiàn)本校學(xué)生營養(yǎng)午餐中鐵元素的含量可以基本滿足處于生長發(fā)育期的高中生的攝入需求，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)每日學(xué)生營養(yǎng)午餐的鐵元素含量水平有一定的波動(dòng)性，但基本屬于正常范圍。

（3） 通過對于一定時(shí)間周期內(nèi)學(xué)生營養(yǎng)午餐的鐵元素含量水平的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)午餐中的谷物、豆制品、蔬菜提供了大部分的鐵元素。其中豆制品類食物對于營養(yǎng)午餐中的鐵元素含量水平有著重要的影響，并從含鐵量角度提出了“最優(yōu)化的午餐組合”。

（4） 通過對于不同食物中鐵元素含量的測定實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同種類的食物所含的鐵元素含量差別較大。如豆制品、海帶、豇豆等的含鐵量較高，而某些傳統(tǒng)觀念中富含鐵元素的食物如菠菜、牛肉并不具有比其他食物更高的含鐵量。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)即使對于同種食物，由于個(gè)體差異和烹飪方法的不同，其鐵元素含量也存在較大的差異。

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