張馥+康天泓+喬元楨+范雨美+于海鷹

摘要：對(duì)高中學(xué)生問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)僅6%學(xué)生認(rèn)為黑木耳中含豐富鐵元素。比較了幾種鐵元素提取方法，仿照課本中“海帶提碘”原理，將黑木耳灼燒灰化、鹽酸提取，濾液遇硫氰化鉀明顯顯紅色，與白木耳對(duì)比后證實(shí)黑木耳中含鐵豐富。灰分經(jīng)濃硝酸/過氧化氫處理，在pH 4.7緩沖體系中用鄰二氮菲法顯色，經(jīng)便攜式三波長(zhǎng)色度傳感器測(cè)得鐵的含量為（13.93±0.68）mg/100g，是菠菜含鐵量的15～35倍。數(shù)據(jù)在專業(yè)文獻(xiàn)報(bào)道范圍內(nèi)，與無數(shù)據(jù)來源的網(wǎng)絡(luò)報(bào)道差異明顯。

關(guān)鍵詞：黑木耳；鐵含量；色度傳感器；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2017）11–0062–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 前言

鐵等常見金屬的學(xué)習(xí)是上海市高中化學(xué)課程的必修內(nèi)容，鐵及鐵的化合物在社會(huì)生產(chǎn)生活中非常有用[1]，并與人體健康息息相關(guān)，本節(jié)教學(xué)可從學(xué)生生活切入。在開展教學(xué)之前，我們對(duì)學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，以了解學(xué)生對(duì)人體鐵元素的認(rèn)識(shí)。問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)鐵元素之于人體健康的重要性有一定了解，而且充分意識(shí)到可通過飲食補(bǔ)充鐵元素。在菠菜、芝麻醬、豬肝和黑木耳四種補(bǔ)鐵食物中，77%的學(xué)生選擇菠菜來補(bǔ)鐵，理由多是父母擔(dān)心子女缺鐵經(jīng)常燒菠菜吃。6%的學(xué)生選擇黑木耳，他們表示看過網(wǎng)絡(luò)上的健康養(yǎng)生欄目，經(jīng)常報(bào)道黑木耳含鐵量是各種葷素食品中最多的，比菠菜高二三十倍[2]，比豬肝高好幾倍。黑木耳藥食同源，具有較高含量的粗蛋白、氨基酸、多糖，能起到清理消化道、降血壓的作用[3，4]。可是毫不起眼的黑木耳真的含有大量的鐵元素？網(wǎng)上說的含鐵量高于菠菜的報(bào)道屬實(shí)嗎？學(xué)完金屬一章后，我們決定引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)的化學(xué)知識(shí)進(jìn)行黑木耳中鐵元素的定性檢驗(yàn)與定量測(cè)定實(shí)驗(yàn)。

將黑木耳固體中可能含有的鐵元素轉(zhuǎn)變成Fe3+進(jìn)入溶液，就能用硫氰化鉀試劑進(jìn)行顯色確定是否含鐵。以蒸餾水或鹽酸為溶劑直接浸提黑木耳固體均難以將鐵元素溶出?；仡櫢咭粚W(xué)生實(shí)驗(yàn)“海帶提碘”，通過灼燒去除海帶中的有機(jī)物，并將有機(jī)碘轉(zhuǎn)變成無機(jī)碘離子形式而進(jìn)入水中再進(jìn)一步處理。參考該實(shí)驗(yàn)的操作原理，通過灼燒黑木耳粉末，對(duì)灰分進(jìn)行酸浸、過濾后再用于鐵離子檢驗(yàn)，以白木耳作為對(duì)比，找到“鐵”證。進(jìn)一步查閱文獻(xiàn)知道利用鄰二氮菲與Fe2+的顯色反應(yīng)可以進(jìn)行鐵元素濃度的定量測(cè)定，檢出限低。結(jié)合便攜式三波長(zhǎng)光源色度傳感器連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及電腦，我們得出了市售黑木耳中鐵元素的平均含量，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)上報(bào)道的黑木耳中鐵含量數(shù)據(jù)與本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有明顯出入。

2 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

2.1 藥品與試劑

干黑木耳（產(chǎn)地黑龍江伊春），干白木耳（產(chǎn)地福建寧德），濃硝酸，30%過氧化氫，鹽酸，硫氰化鉀溶液，六水合硫酸亞鐵銨，鄰二氮菲，鹽酸羥胺，無水醋酸鈉，冰醋酸

2.2 儀器

家用榨汁機(jī)（九陽(yáng)），電子天平，三波長(zhǎng)光源色度傳感器（LW-C803，朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)）

3 主要溶液配制

3.1 10μg/mL的鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液

稱取0.3511g六水合硫酸亞鐵銨，用15mL 2mol/L鹽酸溶解，加水定容至500mL，從中取10.00mL加水定容至100mL。

3.2 100g/L的鹽酸羥胺溶液

稱取10g鹽酸羥胺固體溶于水并定容至100mL。

3.3 1.5g/L的鄰二氮菲溶液

稱取0.15g鄰二氮菲固體溶于50mL乙醇，再用水定容至100mL。

3.4 HAc-NaAc緩沖溶液（pH約為4.7）

取8.3g無水醋酸鈉溶于水中，加入6mL冰醋酸，加水定容至100mL。以上溶液需現(xiàn)配現(xiàn)用，所用水均為蒸餾水。

4 主要實(shí)驗(yàn)過程

4.1 木耳中鐵元素的提取

市售干木耳用家用榨汁機(jī)粉碎。稱取一定質(zhì)量粉碎木耳，在坩堝或蒸發(fā)皿中灼燒半小時(shí)至灰白色，將灰分轉(zhuǎn)移至干燥器中冷卻后，稱取一定質(zhì)量于小燒杯中。加入4mL濃硝酸，電熱板上微熱10min，逐滴加入1mL 30%的過氧化氫。反應(yīng)1h后，加入10mL 4mol/L鹽酸，過濾，并用少量鹽酸洗滌燒杯與沉淀，濾液與洗滌液一并轉(zhuǎn)移到50mL容量瓶，加水定容。

或者將灰分直接用15mL 4mol/L鹽酸浸泡20h后過濾，濾液用于定性檢驗(yàn)。

4.2 木耳中鐵元素的定性驗(yàn)證

在白色點(diǎn)滴板中滴加四滴木耳鹽酸提取液，再加一滴硫氰化鉀溶液，觀察現(xiàn)象。

4.3 木耳中鐵元素的定量分析

在六個(gè)50mL容量瓶中，分別加入10μg/mL的鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mL，每個(gè)瓶中繼續(xù)加入1mL鹽酸羥胺，搖勻，放置2min后，繼續(xù)加入5mL HAc-NaAc緩沖溶液和3mL鄰二氮菲，加水定容至50mL，放置10min后用色度傳感器測(cè)定吸光度。

從已定容至50mL的木耳提取液中取2.00mL，同上述方法加入試劑顯色、加水定容至50mL并進(jìn)行相同檢測(cè)，平行三份。

繪制鐵吸光度-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，從線性擬合方程中計(jì)算提取液中鐵元素濃度，并折算成100g市售木耳中所含的鐵元素質(zhì)量。

4.4 色度傳感器的使用

將色度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦正確連接，打開朗威DISlab8.0軟件，選擇“有色溶液濃度測(cè)定”界面。用1cm玻璃比色皿裝入待測(cè)溶液，選擇G波長(zhǎng)（約565nm）光源，待穩(wěn)定后讀取吸光度數(shù)據(jù)并記錄（見圖1）。以加鐵元素為零的容量瓶中溶液作為空白。

5 結(jié)果與討論

5.1 黑木耳中鐵元素的定性驗(yàn)證endprint

通過基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)，學(xué)生已知酸性條件下用KSCN試劑可以檢驗(yàn)溶液中的Fe3+，生成一系列顏色深淺不同的血紅色配離子[Fe（SCN）n]3-n（n=1～6），此反應(yīng)檢出限量為0.25μg，最低濃度為5μg/mL。

向2g打碎的黑木耳末中直接加入15mL水或4mol/L的鹽酸浸泡20h，發(fā)現(xiàn)液體被木耳吸收。干木耳有較強(qiáng)的吸水性，直接提取需加大量溶液或減少木耳量。經(jīng)水浸泡后，在點(diǎn)滴板上向?yàn)V液滴入KSCN，溶液仍接近無色。而鹽酸提取液滴入KSCN后有極淡的紅色出現(xiàn)，但本體溶液具有的明顯黃色給顯色帶來干擾。學(xué)生初步嘗試鐵元素驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果失敗，教師引導(dǎo)學(xué)生思考并分析可能的原因：（1）黑木耳中不含鐵或含鐵量太低；（2）鐵元素沒有進(jìn)入溶液，仍在固體中；（3）進(jìn)入溶液中的鐵元素不是三價(jià)鐵離子形式。

由于木耳等生物體含有大量多糖、膠質(zhì)等有機(jī)物[5]，鐵元素很可能以復(fù)雜的有機(jī)鐵的形式存在于木耳中，直接浸取鐵離子溶出率太低。如何將有機(jī)鐵釋放到溶液中呢？提示學(xué)生聯(lián)系高一必修實(shí)驗(yàn)“海帶提碘”，需要先將植物中的復(fù)雜有機(jī)碘轉(zhuǎn)變?yōu)闊o機(jī)離子提取到溶液中再進(jìn)行氧化、萃取等后續(xù)步驟，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)有相似之處。通過在酒精燈上灼燒，木耳中的有機(jī)物轉(zhuǎn)變成二氧化碳與水，有機(jī)鐵有望轉(zhuǎn)變成無機(jī)鐵離子。將木耳灼燒成灰分，取約0.2g灰分加鹽酸浸泡后，濾液呈極淺的黃色，與KSCN反應(yīng)后出現(xiàn)明顯的紅色，證明提取液中含有Fe3+，則原木耳中確證含有鐵元素。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，減少提取灰分的質(zhì)量，則相同條件下呈現(xiàn)的紅色變淺，這結(jié)果與該顯色反應(yīng)紅色深淺與Fe3+離子濃度成正比一致[6]。

鐵元素的鑒定也可以用鄰二氮菲顯色法。在pH<9的溶液中，F(xiàn)e2+與鄰二氮菲反應(yīng)生成穩(wěn)定的橙紅色配離子。在加入顯色劑前，用鹽酸羥胺將Fe3+全部還原成Fe2+。用Fe2+標(biāo)準(zhǔn)溶液及黑木耳灰硝酸/H2O2提取液分別進(jìn)行鄰二氮菲顯色反應(yīng)，后者呈現(xiàn)出與前者相同的橙紅色，再次證明了黑木耳中含有鐵元素，并且能夠通過鄰二氮菲分光光度法測(cè)定具體含量（見下文）。

是不是木耳都含有較高的鐵元素呢？將市售黑木耳與白木耳在相同條件下處理，其灰分的鹽酸提取液用KSCN檢驗(yàn)，對(duì)比如圖2所示。與黑木耳提取液相比，白木耳提取液基本無色，加入KSCN后呈現(xiàn)極淡的紅色，表明白木耳中所含鐵元素遠(yuǎn)低于黑木耳。

5.2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)定原理

根據(jù)朗伯-比爾定律：A=abc，式中A為吸光度，b為溶液層厚度，c為溶液的濃度，a為吸光系數(shù)。其中吸光系數(shù)與溶液的本性、溫度以及波長(zhǎng)等因素有關(guān)。溶液中其他組分（如溶劑等）對(duì)光的吸收可用空白液扣除。由上式可知，當(dāng)溶液層厚度b和吸光系數(shù)a固定時(shí)，吸光度A與溶液的濃度成線性關(guān)系，使用分光光度計(jì)或色度傳感器可以讀取溶液特定波長(zhǎng)的吸光度。

食品中鐵元素的測(cè)定方法有硫氰酸鉀法、鄰二氮菲法、原子吸收分光光度法等，鄰二氮菲法靈敏度高、選擇性好，顯色物質(zhì)穩(wěn)定。而使用的色度傳感器系列具有便攜、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)[7]，兩者相結(jié)合可以準(zhǔn)確快速測(cè)定試樣中的微量鐵。亞鐵離子與鄰二氮菲結(jié)合形成的有色物質(zhì)在510nm處有最大吸收，本色度傳感器有三種不同波長(zhǎng)的單色光（B：藍(lán)；G：綠；R：紅）可以選擇，本實(shí)驗(yàn)選用G波長(zhǎng)使吸光度最大。顯色時(shí)加入緩沖液使體系pH在5.0左右，使顯色反應(yīng)進(jìn)行完全。

5.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液系列濃度與吸光度記錄如表1，用Origin6.0軟件作圖并線性擬合如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.38295x-0.01145，線性擬合常數(shù)R2=0.99985，表明在所測(cè)濃度范圍內(nèi)，在該波長(zhǎng)下，鐵元素濃度與吸光度具有良好的線性關(guān)系。將樣品吸光度代入方程計(jì)算得到濃度數(shù)值，每100g干黑木耳中鐵元素含量計(jì)算公式如下：

由表2可知，待測(cè)的市售黑木耳每100克平均含鐵元素13.93±0.68毫克，專業(yè)文獻(xiàn)報(bào)道的每百克黑木耳總鐵含量一般在9.94～17.79毫克之間[8，9]，這表明本文的測(cè)定方法可行，數(shù)據(jù)可靠。文獻(xiàn)報(bào)道利用類似方法測(cè)得每100克菠菜中鐵元素平均含量為：葉子0.4毫克或0.9毫克，莖0.7毫克或0.9毫克[10，11]。與菠菜相比，本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的黑木耳含鐵量是其15～35倍（見圖4），與本文開頭所寫的網(wǎng)絡(luò)報(bào)道比菠菜高二三十倍一致。不同品種或產(chǎn)地的黑木耳含鐵量，因菌種自身對(duì)鐵的攝取能力及黑木耳的栽培環(huán)境差異而可能呈現(xiàn)不同。但通過網(wǎng)絡(luò)搜索引擎發(fā)現(xiàn)不少網(wǎng)頁(yè)上報(bào)道每百克黑木耳中鐵含量高達(dá)185毫克（無數(shù)據(jù)來源），與本文及專業(yè)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)差異甚大，可能是以訛傳訛，故對(duì)此網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)表示質(zhì)疑。

在定量測(cè)鐵中，本實(shí)驗(yàn)使用的木耳灰提取體系是強(qiáng)氧化性的硝酸/過氧化氫混合體系。它能保證將所有存在的亞鐵全部氧化成鐵離子，再經(jīng)鹽酸羥胺全部還原成亞鐵離子進(jìn)行顯色，在酸性環(huán)境中，鐵離子或亞鐵離子也不易水解。作為對(duì)比，改用4mol/L鹽酸提取過夜，相同條件下測(cè)得每100克黑木耳含14.9毫克鐵元素，兩種對(duì)灰分的酸浸方式對(duì)結(jié)果影響并不大，可能是經(jīng)過充分灼燒，二價(jià)鐵已經(jīng)完全被氧化成三價(jià)鐵。

6 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)黑木耳中存在豐富鐵元素進(jìn)行了驗(yàn)證，并用鄰二氮菲分光光度法結(jié)合色度傳感器測(cè)得每百克黑木耳含鐵13.93±0.68毫克，是菠菜葉的15～35倍，菠菜莖的20～35倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎實(shí)驗(yàn)測(cè)定前高中生的意料，并對(duì)某些網(wǎng)絡(luò)報(bào)道中黑木耳高達(dá)185毫克的含鐵量提出質(zhì)疑。通過本次課題探究，學(xué)生不但充分認(rèn)識(shí)了化學(xué)與生活、社會(huì)的緊密聯(lián)系，還深刻體會(huì)到，在科學(xué)研究與實(shí)踐的過程當(dāng)中，應(yīng)不畏艱難困阻，積極、及時(shí)地進(jìn)行反思與改進(jìn)，大膽質(zhì)疑“以訛傳訛”、“來源可疑”的數(shù)據(jù)，勇敢地在通往真理的道路上前進(jìn)。

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