8-羟基喹啉作为络合剂在食品中钙、镁离子测定的优化

钙、镁离子是食品中重要的矿物质元素，其含量不仅影响食品的营养价值（如乳制品、豆制品的钙含量是核心品质指标），还关联食品的加工特性（如硬水中钙、镁离子会影响饮料口感、豆制品凝固效果）。准确测定食品中钙、镁离子含量，对食品营养评估与质量控制至关重要。8-羟基喹啉（8-Hydroxyquinoline，8-HQ）作为经典络合剂，可与钙、镁离子形成稳定的螯合物，在重量法、分光光度法等测定方法中广泛应用。然而，食品基质复杂（含蛋白质、脂肪、有机酸等干扰成分），传统8-羟基喹啉络合测定法易受干扰，导致结果偏差。本文从它的络合机制出发，系统分析其在食品钙、镁离子测定中的干扰因素，提出针对性优化策略，为提升测定准确性提供实践参考。

一、与钙、镁离子的络合机制：测定的理论基础

8-羟基喹啉能作为钙、镁离子测定的络合剂，核心源于其分子结构的“O,N-双齿螯合”特性，可与钙、镁离子形成稳定的五元螯合环，为后续定量分析提供结构基础：

（一）络合反应特性：稳定螯合物的形成条件

8-羟基喹啉分子中，羟基氧（O）与吡啶环氮（N）为双配位位点，在适宜pH条件下，羟基解离为 O⁻，通过“O⁻→金属离子”与“N→金属离子”的配位作用，与钙、镁离子形成 1:2 型螯合物（金属离子：8-HQ=1:2）：

钙离子络合：Ca²⁺（离子半径 0.099 nm）与8-羟基喹啉形成的螯合物（Ca (C₉H₆NO)₂）稳定性较高，稳定常数 logK≈10.6，在pH8-10 的碱性条件下易析出白色沉淀（溶解度约 0.001 g/L，25℃），适合重量法测定；

镁离子络合：Mg²⁺（离子半径 0.072 nm）与8-羟基喹啉形成的螯合物（Mg (C₉H₆NO)₂）稳定常数 logK≈8.6，略低于钙离子螯合物，需在pH9-11 的强碱性条件下才能完全沉淀，且沉淀易与过量8-羟基喹啉形成胶体，需控制反应条件避免团聚；

二者的络合反应均具有一定选择性，但食品中的 Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺等金属离子与8-羟基喹啉的络合稳定常数更高（如 Fe³⁺的 logK≈26.3），易优先与其结合，成为主要干扰因素。

（二）传统测定原理：重量法与分光光度法的应用

基于8-羟基喹啉与钙、镁离子的络合特性，传统测定方法主要分为两类，但其准确性易受食品基质干扰：

重量法：在碱性条件下，向食品样品溶液中加入过量8-羟基喹啉，使钙、镁离子形成螯合物沉淀，过滤、烘干后称量沉淀质量，计算离子含量。该方法操作简单，但食品中的蛋白质、果胶会吸附在沉淀表面，导致沉淀重量偏大，结果偏高；

分光光度法：8-羟基喹啉与钙、镁离子的螯合物在紫外-可见区有特征吸收（如mg-8-HQ螯合物的 λmax≈380 nm），通过测定吸光度，结合标准曲线定量离子含量。该方法灵敏度较高（检出限约 0.1 μg/mL），但食品中的色素（如胡萝卜素、花青素）、有机酸（如柠檬酸、苹果酸）会产生背景吸收或与8-羟基喹啉竞争络合，导致吸光度偏差。

二、食品基质中8- 羟基喹啉测定钙、镁离子的主要干扰因素

食品基质成分复杂，从样品前处理到络合反应阶段，均存在影响8-羟基喹啉络合效率与测定准确性的干扰因素，主要可归为三类：

（一）基质干扰：蛋白质、脂肪、多糖的物理干扰

食品中的蛋白质、脂肪、多糖等大分子物质，虽不直接与8-羟基喹啉或钙、镁离子反应，但会通过物理作用影响测定：

蛋白质吸附：乳制品、肉制品中的蛋白质（如酪蛋白、肌球蛋白）在碱性条件下易变性，吸附在 8-HQ-钙/镁螯合物沉淀表面，形成“蛋白-沉淀”复合物，导致重量法中沉淀称重结果偏高（偏差可达 5%-10%），或分光光度法中螯合物分散不均，吸光度波动；

脂肪乳化：油脂含量高的食品（如坚果、油炸食品）若前处理不彻底，残留脂肪会在溶液中形成乳化液，阻碍8-羟基喹啉与钙、镁离子的接触，降低络合效率，同时脂肪的光散射作用会干扰分光光度法的吸光度测定；

多糖胶体形成：谷物、果蔬中的淀粉、果胶等多糖，在碱性条件下易形成胶体溶液，包裹钙、镁离子，使8-羟基喹啉无法充分络合，导致测定结果偏低（如未去除果胶的果汁样品，镁离子测定结果偏低 8%-12%）。

（二）离子干扰：竞争络合的金属离子与阴离子

食品中含有的其他金属离子与阴离子，会通过“竞争络合”或“形成沉淀”干扰8-羟基喹啉与钙、镁离子的反应：

高价金属离子竞争：Fe³⁺、Al³⁺、Cu²⁺等高价金属离子与8-羟基喹啉的络合稳定常数远高于钙、镁离子，会优先与其结合，导致它用量不足，钙、镁离子络合不完全 —— 例如，含铁量高的谷物样品（如燕麦）中，Fe³⁺会使钙、镁离子的络合率下降 15%-20%，测定结果偏低；

阴离子沉淀干扰：食品中的磷酸根（PO₄³⁻）、草酸根（C₂O₄²⁻）会与钙、镁离子形成难溶性盐（如Ca₃(PO₄)₂、MgC₂O₄），这些沉淀无法与8-羟基喹啉反应，导致游离钙、镁离子浓度降低，测定结果偏小 —— 例如，菠菜中的草酸根会使钙离子测定结果偏低 20%以上，豆制品中的磷酸根会干扰镁离子测定。

（三）反应条件干扰：pH、温度与8-羟基喹啉用量的影响

8-羟基喹啉与钙、镁离子的络合反应对条件敏感，食品样品中的有机酸（如乳酸、乙酸）会改变溶液pH，影响络合效率：

pH偏差：钙、镁离子需在特定pH范围才能与8-羟基喹啉完全络合，若食品中的有机酸导致溶液pH低于极佳值（如pH＜8），它的羟基解离不完全，络合能力下降；若pH过高（如pH＞11），钙、镁离子可能形成氢氧化物沉淀（如Ca (OH)₂），反而降低螯合物产量；

温度波动：8-羟基喹啉与钙、镁离子的络合反应为放热反应，温度过高（如＞35℃）会使螯合物溶解度增加（如Ca-8-HQ 螯合物在 40℃时溶解度比 25℃高3倍），导致重量法沉淀损失，或分光光度法吸光度下降；

用量不当：过量8-羟基喹啉会在碱性条件下形成自身沉淀（8-HQ 在pH＞9 时溶解度降低），导致重量法沉淀重量偏大；用量不足则无法完全络合钙、镁离子，结果偏低。

三、测定食品中钙、镁离子的优化策略

针对上述干扰因素，需从“样品前处理优化、干扰离子掩蔽、反应条件精准控制”三方面入手，提升8-羟基喹啉络合测定的准确性，适配不同类型食品基质。

（一）样品前处理优化：去除基质干扰，释放游离离子

前处理是消除食品基质干扰的关键，需根据食品类型选择合适的处理方法，确保蛋白质、脂肪、多糖完全去除，钙、镁离子充分释放：

蛋白质去除：乳制品、肉制品样品可采用“三氯乙酸沉淀法”（加入 10%三氯乙酸，离心（3000 r/min，10 min）去除沉淀）或“蛋白酶水解法”（加入胰蛋白酶，50℃水解2小时，使蛋白质分解为氨基酸），避免蛋白质吸附螯合物 —— 实验显示，经蛋白酶水解处理的牛奶样品，钙、镁离子测定结果的相对标准偏差（RSD）从 8.5%降至 3.2%；

脂肪去除：坚果、油炸食品等高脂样品需先经“索氏提取法”（用石油醚提取6小时）或“离心脱脂法”（6000 r/min 离心 20 min，去除上层油脂）脱脂，再进行后续处理，减少脂肪乳化与光散射干扰 —— 脱脂后的核桃样品，分光光度法测定镁离子的吸光度稳定性提升 40%；

多糖与有机酸处理：谷物、果蔬样品可采用“酸解-酶解结合法”：先用2mol/L 盐酸煮沸 30分钟，破坏淀粉、果胶结构，再加入淀粉酶（如 α- 淀粉酶）37℃酶解1小时，同时盐酸可中和部分有机酸，调节溶液pH至中性，为后续络合反应创造条件 —— 经该方法处理的苹果样品，钙离子测定结果与标准方法（原子吸收光谱法）的偏差从 12%降至 2.5%。

（二）干扰离子掩蔽：特异性阻断竞争反应

通过添加掩蔽剂，可特异性结合干扰离子，避免其与8-羟基喹啉竞争，同时不影响钙、镁离子的络合：

高价金属离子掩蔽：针对 Fe³⁺、Al³⁺干扰，可加入三乙醇胺（TEA）或氰化钾（KCN，需注意毒性，仅用于非食品直接接触的实验室测定）作为掩蔽剂 —— 三乙醇胺可与 Fe³⁺、Al³⁺形成稳定的络合物（logK≈20），且在pH8-10 范围内不与钙、镁离子反应；实验显示，向燕麦样品中加入 5%三乙醇胺后，Fe³⁺的干扰率从 20%降至 3%以下，钙、镁离子络合率恢复至 98%以上；

阴离子干扰消除：针对磷酸根、草酸根干扰，可加入过量盐酸（1:1，v/v）煮沸10分钟，使磷酸根转化为 H₃PO₄、草酸根转化为草酸（草酸可通过加热挥发去除），释放被结合的钙、镁离子 —— 例如，菠菜样品经盐酸处理后，草酸根含量从 1200mg/kg 降至 100mg/kg 以下，钙离子测定结果与标准值的偏差从 20%降至 3%；

掩蔽剂用量控制：掩蔽剂需适量，过量三乙醇胺会与8-羟基喹啉竞争钙、镁离子（高浓度三乙醇胺的羟基也可配位），建议按“样品溶液体积的 5%-10%”添加，确保干扰消除且不影响目标离子络合。

（三）反应条件精准控制：优化pH、温度与试剂用量

通过精准控制络合反应条件，确保8-羟基喹啉与钙、镁离子完全反应，减少系统误差：

pH精准调节：采用“缓冲溶液控温法”，根据测定目标离子选择缓冲体系：测定钙离子时，用氨-氯化铵缓冲液（pH9.0±0.1）；测定镁离子时，用硼砂缓冲液（pH10.0±0.1），避免食品基质pH波动影响；缓冲液需现配现用，浓度控制在0.1mol/L，确保pH稳定 —— 使用缓冲液后，溶液pH波动范围从±0.5缩小至±0.1，钙、镁离子络合率提升至99%以上；

温度控制：反应温度控制在25±2℃（可通过恒温水浴实现），避免温度过高导致螯合物溶解度增加；重量法中，沉淀烘干温度需控制在120±5℃（8-HQ-钙/镁螯合物在120℃以下稳定，超过150℃会分解），确保沉淀重量准确 —— 恒温水浴处理后，分光光度法吸光度的RSD从5%降至1.8%；

用量优化：按“钙、镁离子总摩尔数的1.2-1.5倍”计算8-羟基喹啉用量，避免过量或不足 —— 例如，若样品中钙、镁离子总浓度约为0.1mmol/L，取100mL样品溶液，需加入 0.012-0.015 mol/L 的8-羟基喹啉乙醇溶液10mL（乙醇可提升8-HQ溶解度，避免自身沉淀）；用量确定后，需通过空白实验（不加样品，其他步骤相同）扣除过量8-羟基喹啉的影响，确保结果准确。

四、优化方法的验证与应用场景

优化后的8-羟基喹啉络合测定法需通过“准确性、精密度、稳定性”验证，确保适用于不同食品基质，具体验证指标与应用场景如下：

准确性验证：采用“加标回收率”与“标准物质比对”：向已知浓度的食品样品（如标准奶粉）中加入不同浓度的钙、镁离子标准溶液，测定加标回收率，优化方法的回收率应在95%-105%范围内（传统方法回收率常为85%-115%）；同时与原子吸收光谱法（国标方法）比对，测定结果的相对偏差应＜5%—— 例如，优化后的方法测定牛奶中钙含量，与原子吸收光谱法的偏差仅2.1%，远优于传统方法的8.3%；

精密度验证：对同一样品（如豆腐）平行测定6次，计算RSD，优化方法的RSD应＜5%（传统方法RSD常为 8%-12%）—— 优化后测定豆腐中镁离子，6次平行测定的RSD为 2.8%，精密度显著提升；

应用场景适配：优化方法适用于多数食品类型：乳制品（牛奶、奶酪）可通过蛋白酶水解+氨-氯化铵缓冲液控制pH，提升准确性；谷物（燕麦、大米）需加入三乙醇胺掩蔽 Fe³⁺，并用酸解-酶解法去除淀粉；果蔬（菠菜、苹果）需经盐酸处理消除草酸根干扰，再用硼砂缓冲液调节pH测定镁离子。

8-羟基喹啉作为络合剂测定食品中钙、镁离子，其核心挑战在于食品基质的复杂干扰。通过“样品前处理优化（去除蛋白质、脂肪、多糖）、干扰离子掩蔽（三乙醇胺掩蔽高价金属离子，盐酸消除阴离子）、反应条件精准控制（缓冲液控pH、恒温水浴控温、优化8-HQ用量）”的协同策略，可有效提升测定准确性，使加标回收率稳定在95%-105%，RSD＜5%，满足食品营养评估与质量控制的需求。该优化方法操作成本低、无需复杂仪器（如原子吸收光谱仪），适合中小型食品企业与实验室应用。未来可进一步探索8-羟基喹啉衍生物（如5-磺酸基 -8-羟基喹啉，水溶性更强）的应用，减少有机溶剂使用，提升方法的环保性与便捷性，推动其在食品矿物质分析中的广泛应用。

本文来源于黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司官网 http://www.xnlxgroup.com/