张馥+康天泓+乔元桢+范雨美+于海鹰
摘要：对高中学生问卷调查，发现仅6%学生认为黑木耳中含丰富铁元素。比较了几种铁元素提取方法，仿照课本中“海带提碘”原理，将黑木耳灼烧灰化、盐酸提取，滤液遇硫氰化钾明显显红色，与白木耳对比后证实黑木耳中含铁丰富。灰分经浓硝酸/过氧化氢处理，在pH
4.7缓冲体系中用邻二氮菲法显色，经便携式三波长色度传感器测得铁的含量为（13.93±0.68）mg/100g，是菠菜含铁量的15～35倍。数据在专业文献报道范围内，与无数据来源的网络报道差异明显。
关键词：黑木耳；铁含量；色度传感器；实验探究
文章编号：1005–6629（2017）11–0062–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 前言
铁等常见金属的学习是上海市高中化学课程的必修内容，铁及铁的化合物在社会生产生活中非常有用[1]，并与人体健康息息相关，本节教学可从学生生活切入。在开展教学之前，我们对学生进行了问卷调查，以了解学生对人体铁元素的认识。问卷统计结果显示，学生对铁元素之于人体健康的重要性有一定了解，而且充分意识到可通过饮食补充铁元素。在菠菜、芝麻酱、猪肝和黑木耳四种补铁食物中，77%的学生选择菠菜来补铁，理由多是父母担心子女缺铁经常烧菠菜吃。6%的学生选择黑木耳，他们表示看过网络上的健康养生栏目，经常报道黑木耳含铁量是各种荤素食品中最多的，比菠菜高二三十倍[2]，比猪肝高好几倍。黑木耳药食同源，具有较高含量的粗蛋白、氨基酸、多糖，能起到清理消化道、降血压的作用[3，4]。可是毫不起眼的黑木耳真的含有大量的铁元素？网上说的含铁量高于菠菜的报道属实吗？学完金属一章后，我们决定引导学生用所学的化学知识进行黑木耳中铁元素的定性检验与定量测定实验。
将黑木耳固体中可能含有的铁元素转变成Fe3+进入溶液，就能用硫氰化钾试剂进行显色确定是否含铁。以蒸馏水或盐酸为溶剂直接浸提黑木耳固体均难以将铁元素溶出。回顾高一学生实验“海带提碘”，通过灼烧去除海带中的有机物，并将有机碘转变成无机碘离子形式而进入水中再进一步处理。参考该实验的操作原理，通过灼烧黑木耳粉末，对灰分进行酸浸、过滤后再用于铁离子检验，以白木耳作为对比，找到“铁”证。进一步查阅文献知道利用邻二氮菲与Fe2+的显色反应可以进行铁元素浓度的定量测定，检出限低。结合便携式三波长光源色度传感器连接数据采集系统及电脑，我们得出了市售黑木耳中铁元素的平均含量，发现网上报道的黑木耳中铁含量数据与本实验数据有明显出入。
2 实验试剂与仪器
2.1 药品与试剂
干黑木耳（产地黑龙江伊春），干白木耳（产地福建宁德），浓硝酸，30%过氧化氢，鹽酸，硫氰化钾溶液，六水合硫酸亚铁铵，邻二氮菲，盐酸羟胺，无水醋酸钠，冰醋酸
2.2 仪器
家用榨汁机（九阳），电子天平，三波长光源色度传感器（LW-C803，朗威数字化信息系统）
3 主要溶液配制
3.1 10μg/mL的铁标准溶液
称取0.3511g六水合硫酸亚铁铵，用15mL 2mol/L盐酸溶解，加水定容至500mL，从中取10.00mL加水定容至100mL。
3.2 100g/L的盐酸羟胺溶液
称取10g盐酸羟胺固体溶于水并定容至100mL。
3.3 1.5g/L的邻二氮菲溶液
称取0.15g邻二氮菲固体溶于50mL乙醇，再用水定容至100mL。
3.4 HAc-NaAc缓冲溶液（pH约为4.7）
取8.3g无水醋酸钠溶于水中，加入6mL冰醋酸，加水定容至100mL。以上溶液需现配现用，所用水均为蒸馏水。
4 主要实验过程
4.1 木耳中铁元素的提取
市售干木耳用家用榨汁机粉碎。称取一定质量粉碎木耳，在坩埚或蒸发皿中灼烧半小时至灰白色，将灰分转移至干燥器中冷却后，称取一定质量于小烧杯中。加入4mL浓硝酸，电热板上微热10min，逐滴加入1mL 30%的过氧化氢。反应1h后，加入10mL 4mol/L盐酸，过滤，并用少量盐酸洗涤烧杯与沉淀，滤液与洗涤液一并转移到50mL容量瓶，加水定容。
或者将灰分直接用15mL 4mol/L盐酸浸泡20h后过滤，滤液用于定性检验。
4.2 木耳中铁元素的定性验证
在白色点滴板中滴加四滴木耳盐酸提取液，再加一滴硫氰化钾溶液，观察现象。
4.3 木耳中铁元素的定量分析
在六个50mL容量瓶中，分别加入10μg/mL的铁标准溶液0.00、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mL，每个瓶中继续加入1mL盐酸羟胺，摇匀，放置2min后，继续加入5mL HAc-NaAc缓冲溶液和3mL邻二氮菲，加水定容至50mL，放置10min后用色度传感器测定吸光度。
从已定容至50mL的木耳提取液中取2.00mL，同上述方法加入试剂显色、加水定容至50mL并进行相同检测，平行三份。
绘制铁吸光度-浓度标准曲线，从线性拟合方程中计算提取液中铁元素浓度，并折算成100g市售木耳中所含的铁元素质量。
4.4 色度传感器的使用
将色度传感器、数据采集器、电脑正确连接，打开朗威DISlab8.0软件，选择“有色溶液浓度测定”界面。用1cm玻璃比色皿装入待测溶液，选择G波长（约565nm）光源，待稳定后读取吸光度数据并记录（见图1）。以加铁元素为零的容量瓶中溶液作为空白。
5 结果与讨论
5.1 黑木耳中铁元素的定性验证endprint
通过基础课学习，学生已知酸性条件下用KSCN试剂可以检验溶液中的Fe3+，生成一系列颜色深浅不同的血红色配离子[Fe（SCN）n]3-n（n=1～6），此反应检出限量为0.25μg，最低浓度为5μg/mL。
向2g打碎的黑木耳末中直接加入15mL水或4mol/L的盐酸浸泡20h，发现液体被木耳吸收。干木耳有较强的吸水性，直接提取需加大量溶液或减少木耳量。经水浸泡后，在点滴板上向滤液滴入KSCN，溶液仍接近无色。而盐酸提取液滴入KSCN后有极淡的红色出现，但本体溶液具有的明显黄色给显色带来干扰。学生初步尝试铁元素验证实验，结果失败，教师引导学生思考并分析可能的原因：（1）黑木耳中不含铁或含铁量太低；（2）铁元素没有进入溶液，仍在固体中；（3）进入溶液中的铁元素不是三价铁离子形式。
由于木耳等生物体含有大量多糖、胶质等有机物[5]，铁元素很可能以复杂的有机铁的形式存在于木耳中，直接浸取铁离子溶出率太低。如何将有机铁释放到溶液中呢？提示学生联系高一必修实验“海带提碘”，需要先将植物中的复杂有机碘转变为无机离子提取到溶液中再进行氧化、萃取等后续步骤，两个实验有相似之处。通过在酒精灯上灼烧，木耳中的有机物转变成二氧化碳与水，有机铁有望转变成无机铁离子。将木耳灼烧成灰分，取约0.2g灰分加盐酸浸泡后，滤液呈极浅的黄色，与KSCN反应后出现明显的红色，证明提取液中含有Fe3+，则原木耳中确证含有铁元素。实验中还发现，减少提取灰分的质量，则相同条件下呈现的红色变浅，这结果与该显色反应红色深浅与Fe3+离子浓度成正比一致[6]。
铁元素的鉴定也可以用邻二氮菲显色法。在pH<9的溶液中，Fe2+与邻二氮菲反应生成稳定的橙红色配离子。在加入显色剂前，用盐酸羟胺将Fe3+全部还原成Fe2+。用Fe2+标准溶液及黑木耳灰硝酸/H2O2提取液分别进行邻二氮菲显色反应，后者呈现出与前者相同的橙红色，再次证明了黑木耳中含有铁元素，并且能够通过邻二氮菲分光光度法测定具体含量（见下文）。
是不是木耳都含有较高的铁元素呢？将市售黑木耳与白木耳在相同条件下处理，其灰分的盐酸提取液用KSCN检验，对比如图2所示。与黑木耳提取液相比，白木耳提取液基本无色，加入KSCN后呈现极淡的红色，表明白木耳中所含铁元素远低于黑木耳。
5.2.1 实验测定原理
根据朗伯-比尔定律：A=abc，式中A为吸光度，b为溶液层厚度，c为溶液的浓度，a为吸光系数。其中吸光系数与溶液的本性、温度以及波长等因素有关。溶液中其他组分（如溶剂等）对光的吸收可用空白液扣除。由上式可知，当溶液层厚度b和吸光系数a固定时，吸光度A与溶液的浓度成线性关系，使用分光光度计或色度传感器可以读取溶液特定波长的吸光度。
食品中铁元素的测定方法有硫氰酸钾法、邻二氮菲法、原子吸收分光光度法等，邻二氮菲法灵敏度高、选择性好，显色物质稳定。而使用的色度传感器系列具有便携、性价比高的优点[7]，两者相结合可以准确快速测定试样中的微量铁。亚铁离子与邻二氮菲结合形成的有色物质在510nm处有最大吸收，本色度传感器有三种不同波长的单色光（B：蓝；G：绿；R：红）可以选择，本实验选用G波长使吸光度最大。显色时加入缓冲液使体系pH在5.0左右，使显色反应进行完全。
5.2.2 实验数据分析
铁标准溶液系列浓度与吸光度记录如表1，用Origin6.0软件作图并线性拟合如图3所示，标准曲线方程为y=0.38295x-0.01145，線性拟合常数R2=0.99985，表明在所测浓度范围内，在该波长下，铁元素浓度与吸光度具有良好的线性关系。将样品吸光度代入方程计算得到浓度数值，每100g干黑木耳中铁元素含量计算公式如下：
由表2可知，待测的市售黑木耳每100克平均含铁元素13.93±0.68毫克，专业文献报道的每百克黑木耳总铁含量一般在9.94～17.79毫克之间[8，9]，这表明本文的测定方法可行，数据可靠。文献报道利用类似方法测得每100克菠菜中铁元素平均含量为：叶子0.4毫克或0.9毫克，茎0.7毫克或0.9毫克[10，11]。与菠菜相比，本实验测得的黑木耳含铁量是其15～35倍（见图4），与本文开头所写的网络报道比菠菜高二三十倍一致。不同品种或产地的黑木耳含铁量，因菌种自身对铁的摄取能力及黑木耳的栽培环境差异而可能呈现不同。但通过网络搜索引擎发现不少网页上报道每百克黑木耳中铁含量高达185毫克（无数据来源），与本文及专业文献数据差异甚大，可能是以讹传讹，故对此网络数据表示质疑。
在定量测铁中，本实验使用的木耳灰提取体系是强氧化性的硝酸/过氧化氢混合体系。它能保证将所有存在的亚铁全部氧化成铁离子，再经盐酸羟胺全部还原成亚铁离子进行显色，在酸性环境中，铁离子或亚铁离子也不易水解。作为对比，改用4mol/L盐酸提取过夜，相同条件下测得每100克黑木耳含14.9毫克铁元素，两种对灰分的酸浸方式对结果影响并不大，可能是经过充分灼烧，二价铁已经完全被氧化成三价铁。
6 结论
通过实验对黑木耳中存在丰富铁元素进行了验证，并用邻二氮菲分光光度法结合色度传感器测得每百克黑木耳含铁13.93±0.68毫克，是菠菜叶的15～35倍，菠菜茎的20～35倍。实验结果出乎实验测定前高中生的意料，并对某些网络报道中黑木耳高达185毫克的含铁量提出质疑。通过本次课题探究，学生不但充分认识了化学与生活、社会的紧密联系，还深刻体会到，在科学研究与实践的过程当中，应不畏艰难困阻，积极、及时地进行反思与改进，大胆质疑“以讹传讹”、“来源可疑”的数据，勇敢地在通往真理的道路上前进。
参考文献：
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