學生營養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，利用數字化手持技術測定某校高中學生營養午餐中的鐵元素含量，對一定時間周期內學生營養午餐中的鐵元素含量分布進行跟蹤統計，得出豆制品食物對營養午餐中的鐵元素含量水平有著重要的影響，同時從含鐵量角度提出“最優化的午餐組合”。

關鍵詞： 營養午餐； 鐵元素含量； 吸光光度法； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2018）7-0070-05 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： 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走二氧化碳起到至關重要的作用。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，可通過攝取食物進行補充。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育期的高中生午餐中鐵元素含量的測定具有重要的醫學和營養學的意義。通過對某校高中食堂配備的學生午餐中鐵元素含量的測定和統計分析，有利于督促食堂改進學生午餐的營養結構，提升學生午餐的質量。

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-朗伯定律實現微量鐵元素含量的測定。隨著數字化手持技術的快速發展，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律轉換成可用輸出信號，再通過數據采集器轉變為數字信號、模擬信號輸出并由配套軟件計算實驗結果，同步進行數據分析，并將測量結果通過人機交互方式實時顯示，從而實現鐵元素含量的實時快速測定。

2 實驗儀器及試劑

VENIER LAB QUEST MINI數據采集器、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 實驗原理

3.1 比爾-朗伯定律

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

比爾-朗伯定律數學表達式為： A=lg（1/T）=Kbc，其中

A為吸光度（又稱吸收率）；

T為透光率，是透射光強度與入射光強度之比；

K為摩爾吸收系數，它與吸收物質的性質及入射光的波長λ有關；

b為吸收層厚度；

c為吸光物質的濃度。

其物理意義是當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時，其吸光度A與吸光物質的濃度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。

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，使其中的鐵元素轉化為含Fe3+的溶液，Fe3+可與KSCN發生特征反應，生成深紅色的[Fe（SCN）]2+。[Fe（SCN）]2+可以吸收藍色光，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+標準溶液，放入數字式光度儀中，利用色度傳感器測量它們的透光率T，并計算出相應的吸光度A值，通過計算機的數字化擬合，繪制吸光度-濃度（A-c）曲線，并得到該標準曲線的數學表達式。測定由食物轉化得到的[Fe（SCN）]2+溶液的透光率（T），計算相應吸光度（A），最終可通過計算機程序在A-c標準曲線上得到對應的鐵元素的濃度。

4 實驗過程和實驗數據

4.1 數據采集器的設置與光度儀的校正

連接光度儀和數據采集器，光度儀采用藍色濾光片，在比色皿中加入蒸餾水，放入光度儀中，調節光度儀旋鈕，使數據采集器示數為100%。

4.2 標準曲線的建立

（1） 在1～5號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+標準溶液。

（2） 將以上標準溶液分別裝入比色皿中，放入光度儀，測量其透光率。并由計算機自動計算該標準溶液的吸光度。

（3） 每種濃度的標準溶液分別測量3次，取平均值，即為該濃度標準溶液的吸光度。具體數據見表1。

（4） 繪制吸光度-濃度曲線（見圖1）。

（5） 通過計算機數字化擬合形成吸光度-濃度曲線的的數學表達式： 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 學生午餐中食物的鐵元素含量標準測定步驟的確定

根據文獻[1～4]，有多種方法可以將各種藥物、食品，包括學生午餐中的食物等轉化為[Fe（SCN）]2+待測溶液。本課題首先采用被廣泛認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行處理，然后分別進行鐵元素含量的測定并進行對比，以確定鐵元素含量標準測定步驟。

4.3.1 攪拌粉碎法

（1） 從學生的營養午餐中稱取50g菠菜，用榨汁機將其打碎取汁，過濾。

（2） 向濾液中加入5～10mL 2mol/L的硝酸溶液，再轉移到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（與配制標準溶液時加入的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干擾，故放棄使用此方法。

4.3.2 高溫炭化法

（1） 從學生的營養午餐中稱取50g菠菜，撕成小塊，放入坩堝內用電爐灼燒，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（與配制標準溶液時加入的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，并通過計算機自動計算其吸光度。

（5） 以上步驟重復3次，其吸光度數據基本平行（見表2）。計算其吸光度平均值，通過吸光度-濃度曲線（A-c標準曲線）或通過吸光度-濃度曲線方程的計算得到鐵元素的濃度，然后計算樣本菠菜中的鐵元素總量。

根據以上數據計算得到菠菜樣品的鐵元素含量為1.456mg/100g，基本符合實際情況。因此，擬采用高溫炭化法對本校學生午餐中鐵元素的含量進行測定。

4.4 本校一周內學生營養午餐鐵元素含量測定的數據

按照以上樣品的處理步驟和鐵元素含量的標準測定方法，測量了一周內學生營養午餐中不同食物的鐵元素含量（見表3）。

5 學生營養午餐中鐵元素含量測定數據的統計和分析

5.1 每日學生營養午餐中鐵元素總量的統計和分析

對一周內每日學生午餐的食物進行分類稱量后測定鐵元素含量，并統計出每日學生午餐中鐵元素總量和一周內每日學生午餐鐵元素總量的平均值（見表5）。

根據國家衛生部頒布的“學生營養午餐供給量”標準（衛生部WS/T100-1998）和“中國居民膳食指南（2014版）”的標準，高中學生的午餐鐵元素的攝入量應為7.2mg左右，而本校學生營養午餐的鐵元素總量平均值為8.341mg，可以滿足高中學生午餐的鐵元素攝入量需求。但是通過統計數據也發現，在一周內每日學生營養午餐的鐵元素總量存在一定的波動。

5.2 不同種類食物的鐵元素含量的統計和分析

學生營養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生午餐的營養結構有著重要的影響。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，分別統計每種食物中鐵元素含量占總鐵元素量的比例（見表6）。

從以上數據可以發現，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，它們提供了學生營養午餐中絕大部分的鐵元素。

5.3 學生營養午餐中不同種類食物中鐵元素“貢獻指數”的統計和分析

為了精確比較學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“貢獻指數”進行統計和比較，鐵元素“貢獻指數”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“貢獻指數”越高，說明對學生午餐中鐵元素含量水平的影響越大。其統計數據見圖2。

從以上數據可以看出，豆制品類食物的鐵元素“貢獻指數”遠遠高于其他四類食物，說明豆制品類食物對于學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生，可以適當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

（1） 通過實驗，證明了采用吸光光度法、利用數字化手持技術測定學生營養午餐中鐵元素含量的方法是可行的。該方法具有實時、直觀、定量的特點。

（2） 通過對一定時間周期內學生營養午餐中鐵元素含量的跟蹤統計，并以國家行業標準和中國居民膳食指南為分析依據，發現本校學生營養午餐中鐵元素的含量可以基本滿足處于生長發育期的高中生的攝入需求，同時也發現每日學生營養午餐的鐵元素含量水平有一定的波動性，但基本屬于正常范圍。

（3） 通過對于一定時間周期內學生營養午餐的鐵元素含量水平的統計分析發現營養午餐中的谷物、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驗發現，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。同時還發現即使對于同種食物，由于個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。

參考文獻：

[1]魏瑞， 王磊， 劉強. 含鐵物質中鐵元素含量的測定——基于傳感技術的實驗設計[J]. 化學教育， 2006， （7）： 50～54.

[2]張馥， 康天泓， 喬元楨， 范雨美， 于海鷹. 黑木耳含鐵量測定的實驗探索[J]. 化學教學， 2017， （11）： 62～64.

[3]董金水. 利用DIS測定黑木耳中鐵元素的含量[J]. 化學教學， 2011， （9）： 40～41.

[4]李欣， 張健， 楊焱媛. 利用傳感器技術測定琥珀酸亞鐵片中鐵元素的含量[J]. 化學教學， 2017， （10）： 65～66.