MINERAL · CH21
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NIELSEN'S FOOD ANALYSIS · CHAPTER 21

礦物質分析

Mineral Analysis
食品分析　·　3 小時課程　·　含 6 個互動小遊戲
EDTA 滴定 · Mohr/Volhard · 比色法 · 離子選擇電極 · AAS/ICP
EDTAMohr/Volhard磷-鉬藍ISEAAS/ICP
先想一想
一瓶礦泉水裡的鈣，是怎麼量出來的？

礦物質是無機元素，不像蛋白脂肪可以「燒掉測差」。
關鍵在於——先把礦物質從食物基質中分離，再用合適方法測定。

營養標示水質硬度 加工功能重金屬安全摻假
21.1.1 飲食中的重要性

為什麼要分析礦物質

🏷️
營養標示
NLEA 強制標示 Na、Fe、Ca，新規再加 K
🦴
健康角色
鈣防骨鬆、鐵防貧血、鈉控血壓
🏭
加工功能
鹽調味/防腐、磷增保水、鈣促膠凝
☠️
毒性安全
重金屬(鉛汞鎘砷)需低於限量
21.1 分離 + 測定

礦物質分析的骨架

  • 巨量礦物：Ca、P、Na、K、Mg、Cl、S（每日 >100 mg）
  • 微量礦物：Fe、I、Zn、Cu、Mn… (mg/µg 級)
  • 分析 = 分離(專一/非專一) + 測定
  • 體積、吸光值等都是替代量(surrogate)，再換算成質量
關鍵：最終目標是礦物質的「質量」。
滴定體積、吸光度需透過化學計量或標準曲線換算回礦物質量。
21.1 食物中的含量

食物裡的鈣含量

資料：USDA SR-28，Ca（mg / 100 g 濕基）。
核心命題
先分離，再測定

傳統法多需先灰化把礦物質從有機基質游離出來，水樣則常可直接測。

替代量(體積/吸光) → 礦物質量
經化學計量或標準曲線換算
小遊戲 ①方法依「原理」分類0 / 7
每個方法的偵測原理是什麼？把 7 個方法分到三類。
方法全覽

傳統法 + 儀器法

💧
滴定法
EDTA 錯合(測鈣/硬度)、Mohr/Volhard 沉澱(測氯)
🎨
比色法
顯色劑 + Beer 定律(如磷-鉬藍)
🔌
電極法
離子選擇電極 ISE（Nernst 方程）
📡
光譜儀器
AAS、ICP-OES（多元素、痕量）
21.2.2 樣品前處理

灰化：游離礦物質

高溫灰化 550°C 燒掉有機質 強酸溶解 灰分 → 礦物離子 調整/遮蔽 控 pH·除干擾 測定 滴定/比色 前處理：灰化 → 溶解 → 測定
傳統法多需把礦物質從有機基質游離 → 多先灰化(Ch16)。最大隱憂是污染：用非金屬器具、酸洗玻璃、純水，必要時跑試劑空白。水樣常可直接測。
21.3.1 EDTA 錯合滴定

EDTA：測鈣與硬度

滴定管 標準 EDTA / AgNO₃ 樣品 + 指示劑 終點：顏色改變
  • EDTA 與金屬離子形成 1:1 穩定錯合物
  • 須在 pH 10(氨緩衝)；指示劑 Calmagite/EBT
  • 終點：粉紅 → 藍（金屬被 EDTA 奪走）
  • mol EDTA = mol (Ca + Mg) → 算硬度
主要應用：水的總硬度(Ca+Mg)，以 CaCO₃ mg/L 表示。
小遊戲 ②EDTA 與前處理即時測驗0 / 4
21.3.2 沉澱滴定

Mohr vs Volhard：測氯化物

➡️
Mohr 正滴定
AgNO₃ 直接滴 Cl⁻；K₂CrO₄ 為指示劑。過量 Ag⁺ 與鉻酸根生成磚紅色 Ag₂CrO₄為終點
⬅️
Volhard 反滴定
先加過量AgNO₃，再用 KSCN 回滴；Fe³⁺ 指示劑遇過量 SCN⁻ 變紅色
兩法都用 Ag⁺ 沉澱 Cl⁻；測得氯後 ×1.648 換算成食鹽 (NaCl)。配藥須用煮沸水除碳酸鹽干擾。
沉澱滴定的化學

Mohr 的兩步反應

Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓
白色混濁（先反應）
2Ag⁺ + CrO₄²⁻ → Ag₂CrO₄↓
磚紅（Cl⁻ 用盡後才出現＝終點）
關鍵：AgCl 的溶解度比 Ag₂CrO₄ 低 → Cl⁻先被沉澱完，多餘 Ag⁺ 才去找鉻酸根顯色。
小遊戲 ③灰化→鈣分析流程排序— / 7
用 ▲▼ 把「灰化後以 EDTA 測鈣」的 7 個步驟排成正確順序。
21.3.3 比色法

顏色 = 礦物質的訊號

🎨
原理
顯色劑(chromogen)與礦物反應生成有色錯合物，依 Beer 定律 A=εbc 定量
🔵
磷-鉬藍
磷 + 鉬酸銨 → 磷鉬酸，抗壞血酸還原成藍色，讀 700/880 nm
很專一、其他礦物多不干擾，常先灰化溶解；多用標準曲線定量。
21.3.4 離子選擇電極

ISE：直接讀離子

  • 原理同 pH 電極，依 Nernst 方程產生電位
  • 改變感應玻璃組成 → 對特定離子(Na⁺、Cl⁻、Ca²⁺…)專一
  • 電位(mV) ∝ 離子活度；用 ISA 緩衝固定離子強度
  • 以 mV vs log 濃度 標準曲線定量
優點：可直接測陰陽離子、不受濁度/顏色影響、設備便宜。
缺點：低濃度測不準、反應慢、電極須專一。
小遊戲 ④方法配對「測哪種礦物」0 / 7
同樣這些方法，換個角度——它們最常拿來測哪種礦物？分到三類。
21.4 快速鹽分析儀

現場測鹽：又快又準

⚗️
自動滴定
自動加 AgNO₃ + ISE 判終點；少主觀誤差
⚡
庫侖法
電流由銀絲原位產生 Ag⁺，無需標定滴定液
🔋
電導法
鹽解離成離子→電導 ∝ 濃度，並校正溫度
Quantab® 試紙、鹽度計/折射計也常用——多源自沉澱滴定或物理量原理。
21.5 vs 現代儀器

傳統法 vs AAS / ICP

🧪
傳統法
試劑器材常備、技術門檻低、單一元素便宜；但較耗人力、偵測限較高
📡
AAS / ICP
多元素、痕量(ppb)、線性廣；但儀器貴、需訓練、多需灰化
小型實驗室、樣品少時 → 傳統法合適；大量樣品/痕量/多元素 → AAS/ICP。
21.2.3 干擾與校正

讓數據可信的三招

🧫
試劑空白
扣掉試劑本身帶入的礦物污染
💉
加標(spike)
加已知量礦物，整合萃取損失與基質效應
📈
基質標準曲線
在含干擾離子的背景下配標準，貼近真實樣品
水須煮沸除碳酸鹽；可用選擇性沉澱/離子交換移除干擾離子。
小遊戲 ⑤決策挑戰：選對方法0 / 5
21.5 方法比較

一張表選方法（點欄位排序）

方法 ⇅原理/測什麼 ⇅靈敏度 ⇅主要應用 ⇅
靈敏度：★ 越多越靈敏(偵測限越低)。整合自 Table 21.3。
21.5 偵測限概念

各法的偵測範圍差很多

概念示意：ISE 約 1–10⁻⁶ M；ICP/AAS 可達 ppb。數值為數量級概念，非單一定值。
方法選擇

跟著決策樹走

你要測什麼？ 選擇礦物質分析方法 水的硬度? EDTA 滴定 測 Ca+Mg·pH 10 以 CaCO₃ mg/L 表示 鹽/氯化物? Mohr / Volhard AgNO₃ 沉澱滴定 高氯食品·乳酪 磷/微量元素? 比色法 磷-鉬藍·專一 需標準曲線 多元素·痕量? AAS / ICP ppb 級·靈敏 儀器貴·需灰化

下一頁實戰：用 EDTA 滴定算水的硬度 →

光譜法概念

AAS：火焰原子吸收

空心陰極燈 HCL 特定波長 火焰：原子化 樣品霧化 單光器 選波長 偵測器 吸收 ∝ 濃度 原子吸收光譜 AAS（火焰法）
火焰把樣品原子化，空心陰極燈發特定波長，原子吸收量正比於濃度。ICP-OES 則以電漿激發、測發射光，可多元素同時、線性更廣。
21.8 計算

EDTA 滴定：算水的硬度

硬度(mg/L) = VEDTA · MEDTA · 100090樣品體積 (L)
  • mol EDTA = mol (Ca+Mg)（1:1）
  • 以 CaCO₃ 表示，MW = 100.09 g/mol
  • ×1000 把 mol 換成 mg、×(1/L) 變濃度
  • 對照硬度等級：>120 ppm 為硬水
小遊戲 ⑥計算闖關未作答
取 50.0 mL 水樣，以 0.0100 M EDTA 滴定 Ca+Mg，滴定至終點共用 8.00 mL。求水的硬度（以 CaCO₃ 計，mg/L）。
mg/L
重點整理

今天的五個關鍵

  • 分析＝分離＋測定，傳統法多需先灰化
  • EDTA 滴定測 Ca/硬度（pH 10、粉紅→藍）
  • Mohr/Volhard 用 Ag⁺ 沉澱測氯 → 換算食鹽
  • 比色法(磷-鉬藍) 與 ISE 各有專長
  • 痕量/多元素用 AAS/ICP；防污染靠空白/加標/基質校正
自我檢核

今天結束，你應該會…

點一下打勾——確認自己真的會了。

下一步 · NEXT

把礦物質分析
用起來

📌 課後練習：Study Questions、Practice Problems
🔜 銜接章節：灰分分析 (Ch16)、原子光譜法 (Ch9)、離子層析 (Ch13)
🧪 思考：你要測硬度、測鹽、測磷、還是痕量多元素？該選哪種方法？
EDTAMohr/Volhard磷-鉬藍ISEAAS/ICP