一、炭化和灰化

炭化同碳化，一般指生物质在缺氧或贫氧条件下的一种热解技术，在灰分测定过程中，为了防止样品在高温灰化时由于反应过度剧烈而导致灰分损失而采取的步骤。

准确称取一定量已处理好的样品至坩埚中，半盖坩埚盖，用电炉或煤气灯加热，样品逐渐炭化，直至无黑烟产生。炭化时要注意热源强度，缓慢进行，干馏时会产生大量气体，如温度升高太急，会急速产生气体将颗粒带走。对易膨胀、发泡的如含糖、蛋白多的样品，可在样品上加数滴辛醇或纯植物油，再进行炭化。

炭化处理的目的是：①防止在直接高温灼烧时，因灼烧温度过高，试样中的水分急剧蒸发，而使试样飞扬损失；②防止糖、蛋白质、淀粉等易发泡膨胀的物质在高温灼烧时发泡膨胀而溢出坩埚；③不经炭化而直接灰化时，碳粒易被包裹住，导致灰化不完全。

炭化后，把坩埚移入已达规定温度（500-600℃）的高温炉炉口处，稍停留片刻，再慢慢地移入炉膛内，坩埚盖斜倚在坩埚口，关闭炉门。灼烧时间视样品种类、性状而异，至灰中无碳粒存在即可。打开炉门，将坩埚移至炉口处冷却至200℃左右，移入干燥器中冷却至室温，准确称重，再灼烧、冷却、称重，直至达到恒重，该过程称为灰化。

食品在灰化过程中发生的化学变化。

(1)有机物中脂肪、蛋白质、碳水化合物等首先脱水，炭化，然后碳与空气中氧气生成CO2，一部分逸散。

(2）蛋白质中的氮生成N2或NH3，逸散。

(3)有机酸盐转变成无机酸盐，如植物性食品中常含有草酸钙，经高温加热分解成CaCO3，进一步加热分解为CaO。

(4）含S、P的氨基酸生成含S、P的盐类，如硫酸根离子和磷酸根离子。

(5)磷酸盐在阴离子多的情况下产生P2O5。

(6)砷在100℃以上直接挥发。

二、灼烧条件选择

灼烧温度通常控制在500-700℃，选择原则是经过高温灼烧后，样品中的有机成分被去除而无机成分保留。灼烧温度较低时，灰化时间则较长。为了缩短灰化时间，可采用快速灰化方法，即选择灼烧温度为700℃，但是在快速灰化过程中需要加入固定剂，使无机成分不易因温度过高而有所损失。

在快速灰化过程中，有机物会发生以下的变化：碳水化合物，一般在330~350℃易发生分解，以二氧化碳气体和水蒸气形式逸出坩埚(CO2↑十H2O↑）；对于高糖或胶体食品，可能产生炭化，从而引起发泡或膨胀，使样品逸出，引起损失，所以这类物质应缓慢加热，控制发泡，或者加1滴植物油。脂肪在350℃冒烟，此时要控制温度，防止脂肪着火，否则脂肪燃烧后可能使部分微粒散失。蛋白质在350℃冒烟，不采用灼烧的方式，往往采用湿法灰化。蛋白质在350℃时易分解，但赖氨酸不易分解，故蛋白质中赖氨酸含量较大时，应延长消化时间。蛋白质中组氨酸、色氨酸都含有杂环，也不易分解。若用干法灰化，动物蛋白质需要在高温(550一600℃）下才能灰化。

灼烧时间一般不固定，而是通过观察残留物（灰分）的颜色是否为全白色或浅灰色，内部无残留的碳块，并是否达到恒重为止，即两次结果相差＜0.5mg进行判断。

若样品灰化完全，残灰一般呈白色或浅灰色。若残留物（灰分）的颜色呈红褐色，则说明食品中含有大量的Fe2O3；若残留物（灰分）的颜色呈蓝绿色，说明食品中存在较高含量的锰盐和铜盐。有时即使残留物（灰分）的表面呈白色，内部仍残留有黑色的碳块，则表明灼烧时间不足，应继续高温灼烧。所以，应根据样品的组成、性状注意观察残灰的颜色，正确判断灰化程度。

对于已做过多次测定或常规灰分项目的样品，可根据经验限定灰化时间。总的灰化时间一般为2一5h，要注意灰化时间一般是从指定的温度开始计时。

三、坩埚

测定灰分通常以坩埚作为灰化容器，个别情况下也可使用蒸发皿。坩埚盖子与埚要配套。坩埚材质分为素烧瓷坩埚、铂坩埚、石英坩埚、铁坩埚和镍坩埚等。

素烧瓷坩埚的优点是耐高温，灼烧温度可达1200℃，内壁光滑，耐酸，价格低廉。缺点是耐碱性差，灰化成碱性食品如水果、蔬菜、豆类等时，坩埚内壁的釉质会部分溶解，经反复多次使用后，往往难以得到恒重。如将坩埚移入预热高温炉时或者将坩埚从经高温灼烧的高温炉中移出时，由于温度骤变易炸裂破碎。

铂坩埚的优点是耐高温，灼烧温度可高达1773℃，导热性良好，耐碱，耐HF,吸湿性小。其缺点是价格昂贵，约为黄金的9倍，需有专人保管，以免丢失；使用不当会腐蚀或发脆。

近年来，一些国家采用铝箔杯作灰化容器。它自身质量轻，在525-600℃范围内使用稳定、冷却效果好，在一般温度下没有吸湿性；如果将铝箔杯上缘折叠封口，具有良好的密封性；冷却阶段，铝箔杯可不放入干燥器内，几分钟后就可以降到室温，缩短了冷却时间。

灰化容器的大小要根据试样的性状选用，需要前处理的液态样品、加热易膨胀的样品及灰分含量低、取样量较大的样品，需选用稍大的坩埚；或选用蒸发皿，但灰化容器过大会使称量误差增大。

使用坩埚时要注意：放入高温炉或从炉中取出时，要放在炉口停留片刻，使坩埚预热或冷却，防止因温度剧变而使坩埚破裂。从干燥器中取出冷却后的坩埚时，因内部成真空，开盖恢复常压时应让空气缓缓进入，以防残灰飞散。使用过的坩埚，应把残灰及时倒掉，初步洗刷后，用粗（废）HCl浸泡10一20min，再用水冲刷洗净。

四、高温炉

高温炉，又名马弗炉、电阻炉、箱式回火炉、箱式电阻炉，用于金属熔融、有机物灰化及重量分析沉淀的灼烧等。高温炉由加热、保温、测温等部分组成，有配套的自动控温仪设定、控制、测量炉内的温度。

高温炉的最高使用温度可达到1000℃左右，炉膛以传热性能良好、耐高温而无胀碎裂性的炭化硅材料制成，外壁有形槽，槽内嵌入电阻丝以供加热。耐火材料外围包裹着一层很厚的绝缘耐热镁砖石棉纤维，以减少热量损失。钢质外壳以铁架支撑。炉门以绝缘耐火材料垫衬，正中有一孔以透明云母片封闭用做观察炉膛的加热情况。伸入炉膛中心的是一支热电偶，做测定温度用。热电偶的冷端与高温计输人端连接，构成一套温度指示和自动控温系统。

使用时，先用毛刷仔细扫清炉膛内的灰尘和机械性杂质，放入已经炭化完全的盛有样品的坩埚，关闭炉门。开启电源，指示灯亮，将高温计的黑色指针拨至所需的灼烧温度。随着炉膛温度的升高，高温计上指示温度的红针向黑针移动，当红针与黑针对准时，控温系统自动断电；当炉膛温度降低，红针偏离与黑针对准的位置时，电路自动导通，如此实现自动恒温。达到所需要的灼烧时间后，切断电源。待炉膛温度降低至200℃左右，开启炉门，用长柄坩埚钳取出灼烧样品，在炉门口放置片刻，进一步冷却后置于干燥器内保存备用。关闭炉门，做好整理工作。

马弗炉和控制器必须在相对湿度不超过85%、没有导电尘埃、爆炸性气体或腐蚀性气体的场所工作。凡有油脂之类需进行加热时，有大量挥发性气体将影响和腐蚀电热元件表面，使之销毁和缩短寿命。因此，加热时应及时预防和做好密封容器或适当开孔加以排除。

五、操作步骤

总灰分测定的流程如下：

马弗炉的准备→坩埚的准备→称样→样品炭化→灰化1h→取出→移入干燥器冷却→恒重→结果计算

(1)马弗炉（高温炉）的准备。接通电源，设定使用温度，开启加热开关，预热至设定温度。

(2)坩埚的准备。常用瓷坩埚，无论是新购或者陈旧的坩埚，均用HC1(1:4)煮沸1一2h，洗净凉干。用0.5%氯化铁与蓝墨水的混合物在坩埚外壁及盖子上编号。打开马弗炉，用长柄坩埚钳夹住瓷坩埚，先移放在炉口预热，置于马弗炉中灼烧1h，移至炉口稍冷，然后移至干燥器中冷却至室温，准确称重。然后再至马弗炉中灼烧0.5h，冷却干燥后称重，恒重（两次称重之差不大于0.5mg）后，此为空坩埚质量。

炉内各部位的温度有差异，假如设定550℃，炉内热电偶附近为550℃±10℃，中间部位为540℃±10℃，前面部分为510℃±10℃，无论炉子大小，门口部分温度均为最低，因此，应尽量将坩埚入炉膛内部。每次放取时，都要放在门口缓冲一下温差，否则由于温差过大会导致瓷坩埚破裂。坩埚盖侧盖锅体上。

(3)结果计算。

灰分=(m3-m1)/(m2-m1)×100%

如有空白试验，则为灰分＝(m3-m1-B)/m2-m1)×100%

式中：m1—空坩埚质量，g;

m2—样品＋空坩埚质量，g;

m3—残灰＋空坩埚质量，g:

B—空白试验残灰重，g。

六、加速灰化的方法

贝类、内脏、种子等含有大量蛋白质和磷，灰化时间较长，需加速，可采用以下方法。

(1)添加灰化助剂。初步灼烧后，放冷，加入几滴氧化剂（1：1硝酸或30%双氧水），蒸干后再灼烧至恒重，氧化速率大大加快。若食盐较多，则可添加30%双氧水。糖类样品残灰中加入硫酸，可以进一步加速。

疏松剂（固定剂）如10%(NH4)2CO3等，在灼烧时分解为气体逸出，使灰分呈松散状态，促进灰化。MgAc2、Mg(NO3)2等助灰化剂随灰化分解，与过剩的磷酸结合，残灰不熔融而呈松散状态，避免碳粒被包裹，可缩短灰化时间。但生成的MgO会导致结果偏高，应做空白试验。添加MgO、CaCO3等惰性不熔物质，与灰分混杂，产生疏松作用，使氧能完全进入样品内部，使碳完全氧化。这些盐不挥发，保留在样品内，使残灰增重，应做空白试验。

(2）采用二步法。首先按常压法炭化，取出，冷却，从灰化容器边缘慢慢加入少量无离子水，使残灰充分湿润（不可直接洒在残灰上，以防残灰飞扬损失），用玻璃棒研碎，使水溶性盐类溶解，被包住的碳粒暴露出来，把玻璃棒上的黏着物用水冲进容器里，在水浴上蒸发至干，然后在120一130℃烘箱内干燥，再灼烧灰化至恒重。