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(cè)定某校高中學(xué)生營(yíng)養(yǎng)午餐中的鐵元素含量，對(duì)一定時(shí)間周期內(nèi)學(xué)生營(yíng)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(duì)營(yíng)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(yíng)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(duì)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(duì)于人體攝取食物中鐵元素含量的測(cè)定，特別是對(duì)處于生長(zhǎng)發(fā)育期的高中生午餐中鐵元素含量的測(cè)定具有重要的醫(yī)學(xué)和營(yíng)養(yǎng)學(xué)的意義。通過對(duì)某校高中食堂配備的學(xué)生午餐中鐵元素含量的測(cè)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(yíng)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(cè)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(cè)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(jiǎn)便地測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(zhǎng)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(cè)定的理論基礎(chǔ)。

3.2 用吸光光度法測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)其進(jìn)行處理，然后分別進(jìn)行鐵元素含量的測(cè)定并進(jìn)行對(duì)比，以確定鐵元素含量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定步驟。

4.3.1 攪拌粉碎法

（1） 從學(xué)生的營(yíng)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(cè)溶液，放入光度儀中也未能測(cè)定出其透光率。推測(cè)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(yíng)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(cè)液，放入光度儀，可測(cè)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(duì)本校學(xué)生午餐中鐵元素的含量進(jìn)行測(cè)定。

4.4 本校一周內(nèi)學(xué)生營(yíng)養(yǎng)午餐鐵元素含量測(cè)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(cè)定方法，測(cè)量了一周內(nèi)學(xué)生營(yíng)養(yǎng)午餐中不同食物的鐵元素含量（見表3）。

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

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

對(duì)一周內(nèi)每日學(xué)生午餐的食物進(jìn)行分類稱量后測(cè)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(guó)家衛(wèi)生部頒布的“學(xué)生營(yíng)養(yǎng)午餐供給量”標(biāo)準(zhǔn)（衛(wèi)生部WS/T100-1998）和“中國(guó)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(yíng)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(yíng)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(yíng)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(duì)學(xué)生午餐的營(yíng)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(yíng)養(yǎng)午餐中絕大部分的鐵元素。

5.3 學(xué)生營(yíng)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(duì)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(duì)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(duì)于學(xué)生午餐中鐵元素含量水平有著重要的影響。對(duì)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(cè)定學(xué)生營(yíng)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(duì)一定時(shí)間周期內(nèi)學(xué)生營(yíng)養(yǎng)午餐中鐵元素含量的跟蹤統(tǒng)計(jì)，并以國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)居民膳食指南為分析依據(jù)，發(fā)現(xiàn)本校學(xué)生營(yíng)養(yǎng)午餐中鐵元素的含量可以基本滿足處于生長(zhǎng)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(yíng)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(duì)于一定時(shí)間周期內(nèi)學(xué)生營(yíng)養(yǎng)午餐的鐵元素含量水平的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)營(yíng)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(duì)于營(yíng)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(duì)于不同食物中鐵元素含量的測(cè)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(duì)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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