荣凤娜 姚澄

摘要： 以比尔-朗伯定律为原理，采用吸光光度法，利用数字化手持技术测定某校高中学生营养午餐中的铁元素含量，对一定时间周期内学生营养午餐中的铁元素含量分布进行跟踪统计，得出豆制品食物对营养午餐中的铁元素含量水平有着重要的影响，同时从含铁量角度提出“最优化的午餐组合”。

关键词： 营养午餐； 铁元素含量； 吸光光度法； 实验探究

文章编号： 1005-6629（2018）7-0070-05 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题提出

铁元素是人体健康不可缺少的微量元素，是人体中血红蛋白的重要组成部分，对血红蛋白输送氧气和运走二氧化碳起到至关重要的作用。人体中的血液是红色的，也是由于血红蛋白中含有铁元素。人体内由于新陈代谢每天损失的铁元素约有1mg，可通过摄取食物进行补充。对于人体摄取食物中铁元素含量的测定，特别是对处于生长发育期的高中生午餐中铁元素含量的测定具有重要的医学和营养学的意义。通过对某校高中食堂配备的学生午餐中铁元素含量的測定和统计分析，有利于督促食堂改进学生午餐的营养结构，提升学生午餐的质量。

食物中铁元素含量的测定一般有原子吸收法、吸光光度法、络合滴定法等。其中吸光光度法的原理主要基于比尔-朗伯定律实现微量铁元素含量的测定。随着数字化手持技术的快速发展，使得采用吸光光度法快速简便地测试食物中的铁元素含量成为可能。其中色度传感器能感受被测量元素溶液光照色度的变化并按照一定的规律转换成可用输出信号，再通过数据采集器转变为数字信号、模拟信号输出并由配套软件计算实验结果，同步进行数据分析，并将测量结果通过人机交互方式实时显示，从而实现铁元素含量的实时快速测定。

2 实验仪器及试剂

VENIER LAB QUEST MINI数据采集器、VENIER Colorimetre光度仪、2mol/L的硝酸、硫氰化钾（KSCN）饱和溶液、蒸馏水、烧杯、容量瓶、移液管

3 实验原理

3.1 比尔-朗伯定律

物质对光吸收的定量关系很早就受到了科学家的注意并进行了研究。皮埃尔·布格（Pierre Bouguer）和约翰·海因里希·朗伯（Johann Heinrich Lambert）分别在1729年和1760年阐明了物质对光的吸收程度和吸收介质厚度之间的关系。1852年奥古斯特·比尔（August Beer）又提出光的吸收程度和吸光物质的浓度也具有类似关系，两者结合起来就得到有关光吸收的基本定律——布格-朗伯-比尔定律，简称比尔-朗伯定律。

比尔-朗伯定律数学表达式为： A=lg（1/T）=Kbc，其中

A为吸光度（又称吸收率）；

T为透光率，是透射光强度与入射光强度之比；

K为摩尔吸收系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关；

b为吸收层厚度；

c为吸光物质的浓度。

其物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比。

比尔-朗伯定律是吸光光度法定量测定的理论基础。

3.2 用吸光光度法测定食物中铁元素含量

将食物样品溶解于一定浓度的硝酸中，使其中的铁元素转化为含Fe3+的溶液，Fe3+可与KSCN发生特征反应，生成深红色的[Fe（SCN）]2+。[Fe（SCN）]2+可以吸收蓝色光，因此[Fe（SCN）]2+的浓度越大，其透光率（T）越小，对光的吸收程度（吸光度A）越大。

用比色皿分别盛装浓度不同的[Fe（SCN）]2+标准溶液，放入数字式光度仪中，利用色度传感器测量它们的透光率T，并计算出相应的吸光度A值，通过计算机的数字化拟合，绘制吸光度-浓度（A-c）曲线，并得到该标准曲线的数学表达式。测定由食物转化得到的[Fe（SCN）]2+溶液的透光率（T），计算相应吸光度（A），最终可通过计算机程序在A-c标准曲线上得到对应的铁元素的浓度。

4 实验过程和实验数据

4.1 数据采集器的设置与光度仪的校正

连接光度仪和数据采集器，光度仪采用蓝色滤光片，在比色皿中加入蒸馏水，放入光度仪中，调节光度仪旋钮，使数据采集器示数为100%。

4.2 标准曲线的建立

（1） 在1～5号烧杯中配制不同浓度的FeCl3水溶液（蒸馏水），各取10mL，并分别加入相同量（2～3滴）KSCN饱和溶液，混合均匀，配制成不同浓度的[Fe（SCN）]2+标准溶液。

（2） 将以上标准溶液分别装入比色皿中，放入光度仪，测量其透光率。并由计算机自动计算该标准溶液的吸光度。

（3） 每种浓度的标准溶液分别测量3次，取平均值，即为该浓度标准溶液的吸光度。具体数据见表1。

（4） 绘制吸光度-浓度曲线（见图1）。

（5） 通过计算机数字化拟合形成吸光度-浓度曲线的的数学表达式： A=Kc+B。c为溶液浓度（mol/L）， A为吸光度（吸收率）， K=634， B=0.061。

4.3 学生午餐中食物的铁元素含量标准测定步骤的确定

根据文献[1～4]，有多种方法可以将各种药物、食品，包括学生午餐中的食物等转化为[Fe（SCN）]2+待测溶液。本课题首先采用被广泛认为铁含量丰富的菠菜作为食品样本，分别选择搅拌粉碎法和高温炭化法对其进行处理，然后分别进行铁元素含量的测定并进行对比，以确定铁元素含量标准测定步骤。

4.3.1 搅拌粉碎法

（1） 从学生的营养午餐中称取50g菠菜，用榨汁机将其打碎取汁，过滤。

（2） 向滤液中加入5～10mL 2mol/L的硝酸溶液，再转移到100mL的容量瓶中定容。

（3） 取出10mL样品溶液，滴加几滴KSCN饱和溶液（与配制标准溶液时加入的KSCN溶液的量相同），混合均匀。

观察到溶液颜色未有明显变化。在洁净的比色皿中装入待测溶液，放入光度仪中也未能测定出其透光率。推测采用该种处理方法后依旧有部分可溶性杂质干扰，故放弃使用此方法。

4.3.2 高温炭化法

（1） 从学生的营养午餐中称取50g菠菜，撕成小块，放入坩埚内用电炉灼烧，使之完全炭化。

（2） 用5～10mL 2mol/L的硝酸溶液将炭化后的食物溶解、过滤，再用少量的稀硝酸洗涤、过滤2～3次，最后将溶液转移到100mL的容量瓶中定容。

（3） 取出10mL样品溶液，再滴加几滴KSCN饱和溶液（与配制标准溶液时加入的KSCN溶液的量相同），混合均匀。

（4） 在洁净的比色皿中装入待测液，放入光度仪，可测得其透光率，并通过计算机自动计算其吸光度。

（5） 以上步骤重复3次，其吸光度数据基本平行（见表2）。计算其吸光度平均值，通过吸光度-浓度曲线（A-c标准曲线）或通过吸光度-浓度曲线方程的计算得到铁元素的浓度，然后计算样本菠菜中的铁元素总量。

根据以上数据计算得到菠菜样品的铁元素含量为1.456mg/100g，基本符合实际情况。因此，拟采用高温炭化法对本校学生午餐中铁元素的含量进行测定。

4.4 本校一周内学生营养午餐铁元素含量测定的数据

按照以上样品的处理步骤和铁元素含量的标准测定方法，测量了一周内学生营养午餐中不同食物的铁元素含量（见表3）。

5 学生营养午餐中铁元素含量测定数据的统计和分析

5.1 每日学生营养午餐中铁元素总量的统计和分析

对一周内每日学生午餐的食物进行分类称量后测定铁元素含量，并统计出每日学生午餐中铁元素总量和一周内每日学生午餐铁元素总量的平均值（见表5）。

根据国家卫生部颁布的“学生营养午餐供给量”标准（卫生部WS/T100-1998）和“中国居民膳食指南（2014版）”的标准，高中学生的午餐铁元素的摄入量应为7.2mg左右，而本校学生营养午餐的铁元素总量平均值为8.341mg，可以满足高中学生午餐的铁元素摄入量需求。但是通过统计数据也发现，在一周内每日学生营养午餐的铁元素总量存在一定的波动。

5.2 不同种类食物的铁元素含量的统计和分析

学生营养午餐中包含不同种类的食物，这些食物的铁元素含量水平对学生午餐的营养结构有着重要的影响。我们将食物分类为谷物类、肉蛋类、蔬菜类、豆制品类、水果类五大类，分别统计每种食物中铁元素含量占总铁元素量的比例（见表6）。

从以上数据可以发现，谷物类、蔬菜类、肉蛋类、豆制品类食物具有比较接近的铁元素总量分布比例，它们提供了学生营养午餐中绝大部分的铁元素。

5.3 学生营养午餐中不同种类食物中铁元素“贡献指数”的统计和分析

為了精确比较学生午餐中五种类型食物对铁元素总量的影响，我们采用了铁元素“贡献指数”进行统计和比较，铁元素“贡献指数”K=A/B （A为每种食物的铁元素总量占午餐铁元素总量的百分比，B为每种食物的总重量占午餐总重量的百分比）。某类食物的铁元素“贡献指数”越高，说明对学生午餐中铁元素含量水平的影响越大。其统计数据见图2。

从以上数据可以看出，豆制品类食物的铁元素“贡献指数”远远高于其他四类食物，说明豆制品类食物对于学生午餐中铁元素含量水平有着重要的影响。对于一些患有缺铁性疾病的学生，可以适当增加豆制品的摄入量，既不增加膳食成本，又能大幅度提高铁元素的摄入量。

6 总结

（1） 通过实验，证明了采用吸光光度法、利用数字化手持技术测定学生营养午餐中铁元素含量的方法是可行的。该方法具有实时、直观、定量的特点。

（2） 通过对一定时间周期内学生营养午餐中铁元素含量的跟踪统计，并以国家行业标准和中国居民膳食指南为分析依据，发现本校学生营养午餐中铁元素的含量可以基本满足处于生长发育期的高中生的摄入需求，同时也发现每日学生营养午餐的铁元素含量水平有一定的波动性，但基本属于正常范围。

（3） 通过对于一定时间周期内学生营养午餐的铁元素含量水平的统计分析发现营养午餐中的谷物、豆制品、蔬菜提供了大部分的铁元素。其中豆制品类食物对于营养午餐中的铁元素含量水平有着重要的影响，并从含铁量角度提出了“最优化的午餐组合”。

（4） 通过对于不同食物中铁元素含量的测定实验发现，不同种类的食物所含的铁元素含量差别较大。如豆制品、海带、豇豆等的含铁量较高，而某些传统观念中富含铁元素的食物如菠菜、牛肉并不具有比其他食物更高的含铁量。同时还发现即使对于同种食物，由于个体差异和烹饪方法的不同，其铁元素含量也存在较大的差异。

参考文献：

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[2]张馥， 康天泓， 乔元桢， 范雨美， 于海鹰. 黑木耳含铁量测定的实验探索[J]. 化学教学， 2017， （11）： 62～64.

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