投稿類別 : 化學類 篇名 食品中鈣含量測定之 重 容 分析之探討 陳宇嵐 國立員林高級農工職業學校 食品加工科三年甲班 江惠錡 國立員林高級農工職業學校 食品加工科三年甲班 指導老師 : 李玉環老師
壹 前言 一 研究動機 在課程中, 我們知道食品中鈣含量的測定方法有重量分析法 ( 沉澱法 ) 和容量分析法 (KMnO4 氧化還原滴定 EDTA 錯化合物滴定 ) 分光光度計法等分析方法, 我們想比較同樣是測定食品中鈣含量而這些方法對於分析的結果有什麼差別? 於是我們選擇鈣含量豐富的奶粉作為分析樣品, 來進行重量分析 ( 沉澱法 ) 與容量分析 (KMnO4 氧化還原滴定 EDTA 錯化合物滴定 ) 貳 正文 一 重量分析 ( 沉澱法 ) ( 一 ) 實驗原理 利用原子不滅原理, 加入飽和草酸銨使鈣離子降低溶解度, 產生不易溶解的沉澱物, 再利用測重因子將不同沉澱物中的鈣含量計算出來, 得到食品中含鈣量 因為物質間的共同離子效應, 所以過量沉澱劑可使沉澱更加完全, 故通常需比理論量再多 10%, 以促使沉澱完全, 但是勿過多, 因有些沉澱物可與沉澱劑發生共沉現象, 將溶液中其他雜質一同沉澱, 導致沉澱物重量增加, 造成實驗數據誤差 共同離子效應 : 沉澱物的溶解度, 會因共同離子的存在而降低, 促使鈣離子完全 沉澱 共沉現象 : 當沉澱物形成時, 將原本不該沉澱的其他成分, 一同析出的現象, 使 欲分析物質的沉澱物純度下降 反應式 : CaCO3 (s) + 2HCl(aq) CaCl2 (aq) + H2O(l) + CO2(g) (NH4)2C2O4 (aq ) + CaCl2 (aq ) CaC2O4 (s) + 2 NH4Cl(aq) CaC2O4 H2O 200 CaC2O4 (s ) 550 CaCO3 1000 CaO(s) 1
( 二 ) 藥品 器具與儀器 食品中鈣含量測定之 重 容 分析之探討 鹽酸 (HCl) 溶液 氨水 (NH4OH) 溶液 飽和草酸銨 (NH4)2C2O4 溶液 甲基橙指 示劑 坩堝 坩堝夾 乾燥器 電熱板 定量瓶 球型吸管 水浴鍋 濾紙 (9 公 分 ) 精密天平 ( 感度 0.1mg) 烘箱 灰化爐 漏斗 燒杯 ( 三 ) 實驗步驟 精秤 2 克奶粉樣品 灰化 加 HCl 溶液至澄清 以電熱板加熱蒸發 加蒸餾水稀釋至定量 精取分析量 加入甲基橙 以 NH4OH 溶液滴至黃色即呈鹼性 加飽和 (NH4)2C2O4 溶液至完全沉澱 水浴加熱使沉澱物變大 濾紙秤重 過濾沉澱物 以熱水多次洗滌沉澱物至不呈鹼性 將沉澱物連同無灰濾紙放入坩鍋內 經 200 乾燥 移入乾燥器使溫度降至室溫 秤重 550 灰化 移入乾燥器使溫度降至室溫 秤重 利用測重因子計算 Ca 於沉澱物 (CaC2O4) 之含量 重量分析 ( 沉澱法 ) 的步驟圖解 : 圖一加 HCl 溶液至澄清 圖二倒入燒杯 圖三加入甲基橙 圖四加 NH4OH 至呈黃 色即為鹼性 圖五 加飽和 (NH4)2C2O4 溶液使鈣沉澱 圖六水浴加熱使沉澱物 變大 圖七水浴後的樣子圖八過濾沉澱物圖九 200 乾燥 2
( 四 ) 計算公式 食品中鈣含量 (%)= 測重因子 秤量物質的重量 試料重量 100% 測重因子 : 待測物的分子量 沉澱物的分子量 a b a: 沉澱物中的鈣原子數目 b: 待測物中的鈣原子數目 二 容量分析 (KMnO4 氧化還原法 ) ( 一 ) 實驗原理 為一種間接分析食品中鈣含量之 KMnO4 氧化還原滴定法, 利用當量數相等, 由 已知濃度的 KMnO4 標準溶液滴定毫升數, 推算出食品中鈣含量 反應式 : CaCO3(s) + 2 HCl(aq) CaCl2 (aq) + H2O(l) + CO2(g) (NH4)2C2O4 (aq) + CaCl2(aq) CaC2O4 (s) + 2 NH4Cl(aq) CaC2O4(s) + H2SO4(aq) H2C2O4 (aq) + CaSO4(aq) H2C2 O4(aq) + 2 KMnO4(aq) + H2SO4(aq) K2SO4(aq) + 2 MnSO4(aq) + 10 CO2(g) + 8 H2O(l) 1 mole 5 KMnO4 1 mole 2 H2C2 O4 1 mole 2 CaC2 O4 1 mole 2 Ca2 + 1 克當量 ( 二 ) 藥品 器具 鹽酸 (HCl) 溶液 氨水 (NH4OH) 溶液 飽和草酸銨 (NH4)2C2O4 溶液 硫酸(H2SO4) 溶液 甲基橙指示劑 已知濃度之高錳酸鉀標準溶液 (KMnO4) 坩鍋 坩堝夾 乾燥器 定量瓶 球型吸管 水浴鍋 電熱板 三角瓶 濾紙 (9 公分 ) 漏斗 燒杯 3
( 三 ) 實驗步驟 精秤 2 克奶粉樣品 灰化 以 HCl 溶液滴至澄清 加蒸餾水至定量 精取適當量 加入甲基橙 以 NH4OH 溶液滴至呈黃色即為鹼性 加飽和 (NH4)2C2O4 溶液至完全沉澱 水浴加熱使沉澱物變大 過濾 以熱水多次充分洗滌沉澱物至中性 將沉澱物移至三角瓶 濾紙戳洞 以 H2SO4 溶液將沉澱物溶解至三角瓶內 加熱至 80 趁熱以 KMnO4 標準溶液滴定至紫紅色即為終點 三重覆試驗並做空白試驗 圖十加 HCl 溶液至澄清圖十一倒入燒杯圖十二加入甲基橙 圖十三加 NH4OH 至呈黃 色即為鹼性 圖十四加飽和 (NH4)2C2O4 溶液使鈣沉澱 圖十五 水浴加熱使沉澱物顆粒變 大 圖十六水浴後 圖十七 過濾沉澱物, 洗滌沉澱物 圖十八濾紙戳洞 圖十九 H2SO4 溶液 溶解沉澱物 圖二十加熱至 80 圖二十一滴定至終點 4
( 四 ) 計算公式 食品中鈣含量 (%) = a f d 1 D 100% s ml a: KMnO4 標準溶液滴定毫升數 (ml) f: KMnO4 標準溶液之力價 d: KMnO4 標準溶液 1 毫升相當於 Ca 含量 (g) s: 奶粉樣品秤取量 (g) D: 奶粉樣品稀釋液總量 (ml) ml: 奶粉樣品稀釋液取量 (ml) 三 容量分析 (EDTA 錯化合物滴定 ) ( 一 ) 實驗原理 在 EDTA 錯化合物滴定中,EDTA 與不同金屬離子恆以 1 莫耳與 1 莫耳的比例結合, EDTA 以 4 個羰基中的氧原子及兩個氮原子作為配位原子與金屬離子的配位基螯合, 通常此實驗 ph 值會控制在 10 以上, 因為在鹼性條件下,EDTA 以 Y 4- 的離子形式存在, 可與 +1 價以外的金屬離子形成安定的水溶性錯化合物 但 EDTA 標準溶液與金屬離子螯合時, 我們肉眼無法看見, 必須配合指示劑的使用, 我們選擇鈣指示劑 (Hydroxynaphthol blue,nn) 因 NN 指示劑在 ph12~13 呈藍色, 遇鈣離子則呈紅色, 所以可用於鈣 鎂混和物中針對鈣離子的測定 EDTA (ethylene diamine tetracetic acid) 之結構式 : HOOCH2C HOOCH2C N CH2 CH2 N CH2COOH CH2COOH 反應式 : M n+ + Y 4- MY (4-n) + H + ( 金屬離子以 M n+,edta 離子 Y 4- 以表示 ) NN( 藍色 ) + Ca 2+ NN- Ca ( 紫紅色 ) NN- Ca ( 紫紅色 ) + EDTA NN( 藍色 ) + Ca EDTA 5
( 二 ) 藥品 器具 鹽酸 (HCl) 溶液 氨水 (NH4OH) 溶液 氫氧化鉀 (KOH) 溶液 0.01M EDTA 標準 溶液 甲基橙指示劑 NN 指示劑 坩鍋 坩堝夾 乾燥器 定量瓶 球型吸管 三角瓶 漏斗 燒杯 ( 三 ) 實驗步驟 精秤 2 克奶粉樣品 灰化 以 HCl 溶液滴至澄清 加入甲基橙 以 NH4OH 溶液滴至呈黃色即為鹼性 加蒸餾水至定量 精取適當量入三角瓶 加 KOH 溶液 加 NN 指示劑 以 0.01M EDTA 標準溶液滴至呈藍色即為終點 並做空白試驗 圖二十二加 HCl 溶液至澄 清 圖二十三加入甲基橙 圖二十四 加入 NH4OH 溶液至呈 黃色即為鹼性 圖二十五滴定前圖二十六滴定中圖二十七滴定終點 ( 四 ) 計算公式 食品中鈣含量 (%) = 0.01 f a 40 D ml s 100% 0.01:EDTA 標準溶液之體積莫耳濃度 (M) f:0.01m EDTA 標準溶液之力價 a:0.01m EDTA 標準溶液滴定毫升數 (ml) 40: 鈣的分子量 s: 奶粉樣品秤取量 (g) D: 奶粉樣品稀釋液總量 (ml) ml: 奶粉樣品稀釋液取量 (ml) 6
四 鈣含量 (%) 次數 實驗驗項目 表一 重量分析與容量分析的結果重量分析容量分析草酸鈣碳酸鈣氧化還原螯合滴定 第一次 2.1019 2.1226 2.1105 2.1435 第二次 2.1386 2.1707 2.1138 2.1435 第三次 2.1213 2.1408 2.1117 2.1357 平均 ± 標準差 (SD) 2.1206± 0.01836 2.1447± 0.02429 2.1120±0.00167 2.1409±0.00637 已知營養標示奶粉樣品每 100g 中含鈣 2000mg (2%) 圖二十八奶粉樣品之營養標示 參 結論 透過重量分析 ( 沉澱法 ) 與容量分析 (KMnO4 氧化還原滴定 EDTA 錯化合物滴定 ) 之數值, 我們可以清楚了解, 雖然實驗的方法不同, 但奶粉樣品中檢驗出的鈣含量卻很相近, 因此可以證明同樣是測定食品中的鈣含量但不同的分析方法, 並不會對我們的實驗結果造成差異性 經過這次的實驗, 讓我們學到更多測定食品中鈣含量的分析方法, 也更加了解實驗步驟及原理, 未來如果有機會我們想利用更多不同的分析方法, 去測定食品中鈣含量, 例如將沉澱物用 1000 灼燒後得到 CaO 沉澱, 計算出食品中的鈣含量與 200 和 550 時測定的鈣含量之數值進行比較其差異性, 觀察在更高的溫度下是否會對結果造成影響, 或是使用分光光度計法製作出標準的檢量線, 並換算出樣品中的鈣含量 7
肆 引註資料 一 李玫琳余豐任何淇義 (2014) 食品化學與分析 Ⅰ 復文圖書 二 賴金泉王昭君 (2015) 食品化學與分析實習 Ⅰ 台科大圖書股份有限公司 三 李玫琳余豐任何淇義 (2014) 食品化學與分析 Ⅱ 復文圖書 四 吳啟瑞 食品化學與分析實習 Ⅱ (2015) 台科大圖書股份有限公司 五 鄭清和 食品化學 (2012) 復文圖書 六 鄭清和 食品分析與檢驗 (2013) 復文圖書 七 馬宗能林宏周 (2015) 食品化學與分析實習 Ⅰ 復文圖書 八 馬宗能林宏周 (2015) 食品化學與分析實習 Ⅱ 復文圖書 九 李秀賴茲漢柯文慶 (2000) 食品檢驗與分析 富林出版社 8