周龙龙 牛增元 陈春光 刘泉 张莉 王妍婷 王卫锋 孙鑫

摘 要 本研究建立了饲料产品中添加矿物质的定性和定量检测方法。该方法基于X射线衍射法（X-ray diffraction，XRD）鉴定饲料产品中添加矿物质种类，电感耦合等离子体发射光谱法（Inductively coupled plasma emission spectrometry，ICP）定量。样品置于马弗炉中灰化，用XRD分析灰分中矿物质成分；另取样品置于离心管中，加入（1+5, v/v）甲酸震荡提取。提取液通过离心净化后，取上层清液过0.22 μm滤膜，用水定容后用ICP检测，外标法定量。最后，根据XRD结果推算矿物质的含量。本研究以添加碳酸钙、碳酸钙镁为例进行鉴别，结果表明，XRD检测低限可以鉴别0.1%的添加矿物质，ICP定量方法中Ca和Mg在0.1～10.0 mg/L浓度范围内呈良好线性，线性回归系数r²＞0.9997，空白样品加标回收率为86.7%～102%，相对标准偏差（RSD，n = 6）为0.6%～1.8%。该方法准确、高效，前处理操作简单，可准确测定饲料产品中添加矿物质含量，并成功用于实际的样品测定和关税归类化验工作。

关键词 饲料；添加矿物质；X射线衍射法（XRD）；电感耦合等离子体发射光谱（ICP）；归类化验

A Study on Qualitative and Quantitative Analysis Methods of Added Mineral in Feed Products

ZHOU Long-Long¹ NIU Zeng-Yuan^1* CHEN Chun-Guang¹ LIU Quan¹

ZHANG Li² WANG Yan-Ting¹ WANG Wei-Feng² SUN Xin³

Abstract In this study, we develop a qualitative and quantitative detection method for added minerals in feed products. The approach utilizes X-ray diffraction (XRD) to identify the types of added minerals, and inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP) for quantification. The sample was ashed in muffle furnace, and the mineral components in the resulting ash were analyzed using XRD. Another set of samples was placed in centrifuge tubes, and a solution of (1+5, v/v) formic acid was added for shaking extraction. After purification by centrifugation, the upper clear liquid was filtered through a 0.22 μm membrane, diluted with water, and analyzed using ICP. Quantification employs an external standard method, and the mineral content was deduced based on XRD results. The study validates the method using samples with added calcium carbonate and magnesium carbonate. Results indicate that the XRD detection limit can identify added minerals at a concentration as low as 0.1%. In the ICP quantitative method, calcium and magnesium exhibit good linearity in the concentration range of 0.1 mg/L to 10.0 mg/L, with linear regression coefficients (r²) greater than 0.9997. The recovery rates for spiked blank samples range from 86.7% to 102%, and the relative standard deviations (RSD, n = 6) are between 0.6% and 1.8%. The method proves to be accurate and efficient, with simple pre-treatment operations. It can accurately determine the mineral content in feed products and has been successfully applied to both the testing of actual samples and customs classification analysis.

Keywords feed products; added minerals; x-ray diffraction (XRD); inductively coupled plasma (ICP); customs classification analysis

第一作者：周龙龙（1991—），男，汉族，山东青岛人，本科，工程师，主要从事进出口商品检验及属性鉴定研究工作，E-mail: 463647053@qq.com

通信作者：牛增元（1964—），男，汉族，河北武安人，博士，研究员，主要从事进出口商品检验及属性鉴定研究工作，E-mail: zyniuqd@163.com

1. 青岛海关技术中心 青岛 266000

2. 青岛海关 青岛 266000

3. 天津海关化矿金属材料检测中心 天津 300457

1. Technical Center of Qingdao Customs, Qingdao 266000

2. Qingdao Customs, Qingdao 266000

3. Chemicals, Minerals and Metallic Materials Inspection Center of Tianjin Customs, Tianjin 300457

矿物质是动物体生长不可缺少的营养物质，也是动物体器官和组织构成的重要组成部分，具有维持酸碱平衡、渗透压平衡、肌肉功能等作用^[1-3]，在配合饲料中常添加适量的矿物质以更好地实现饲料功能，提高产品质量^[4-5]。常见添加矿物质有石粉、碳酸钙、磷酸钙等^[6-7]。除了在农业生产方面有着重要应用外，饲料产品进出口也在一定程度上对我国粮食市场平稳运行有着重要影响。我国对进口的玉米、小麦等粮食作物实行贸易配额制，部分商家在进口环节，申报材料内注明产品已添加碳酸钙、米糠等成分，将粮食伪装成饲料，从而偷逃配额，对我国粮食经济安全和农民利益造成不良影响。添加矿物质是生产和配制饲料的重要工序，也是判定产品税率的重要指标。以玉米饲料产品为例，根据《进出口税则商品及品目注释》，若进口饲料成分申报以玉米为主成分，并且淀粉含量高于45%，除去添加矿物质含量的样品灰分小于2%，则商品根据粗细度应归入税目1102.2000（玉米细粒及细粉）或1103.1300（玉米粗粒及粗粉），配额外的进口税率为65%；若除去添加矿物质含量的样品灰分大于2%，则商品应归入税目2309.9090（其他配制的动物饲料），进口税率为6.5%，二者税率相差较大，因此准确测定常量添加的矿物质具有重要意义。

目前国内外的文献报道仅限于对饲料中矿物元素含量的测定，主流检测方法多为滴定法^[8]、紫外分光光度法^[9-10]、原子吸收分光光度法^[11-12]和电感耦合等离子体发射光谱法^[13-14]，近年来还报道了微波离子体—原子发射光谱法^[15]、X荧光光谱法等^[16]，但饲料中添加矿物质的测定却鲜有报道。因此，本研究基于X射线衍射法（X-ray diffraction，XRD）和电感耦合等离子体发射光谱法（Inductively coupled plasma，ICP），建立了饲料产品中添加矿物质的定性和定量鉴别方法。该方法首先将样品灰化，用XRD定性分析灰分中的成分，判断样品中添加矿物质种类；进而用酸溶法对样品进行溶解，通过ICP测定矿物元素含量，并根据衍射结果推算相应矿物质含量。本方法较传统测定方法（如GB/T 6436—2018《饲料中钙的测定》、GB/T 13885—2017《饲料中钙、铜、铁、镁、锰、钾、钠和锌含量的测定原子吸收光谱法》等）有如下优点：一是传统方法仅测定产品中目标元素的总含量，无法得知其中添加的矿物质种类，通过本方法可以对产品的工艺和配方进行确证。二是传统方法对目标元素的提取多使用盐酸、高氯酸、硫酸等易制毒、易制爆的管控试剂，使用成本高，而本方法通过对不同种类的酸进行验证和优化，发现甲酸在合适的条件下也可以进行矿物质提取，替代了易制毒、易制爆试剂的使用，降低了检测成本，提高了检测效率，加速了商品通关速度。通过本方法可以准确判断饲料添加的矿物质种类及含量，可为进口饲料的属性鉴定和海关归类化验提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

碳酸钙、磷酸氢钙、盐酸、甲酸、硝酸（分析纯，国药集团），碳酸钙镁（分析纯，麦克林）；Ca、Mg等元素标准品（100 μg/mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心）。

无水乙醇、盐酸、亚铁氰化钾、乙酸锌均采购于国药集团。

1.2 仪器与设备

X射线衍射仪（荷兰帕纳科公司，型号：X’pert Powder），数据处理系统为Highscore；电感耦合等离子体发射光谱仪（美国赛默飞公司，型号：iCAP 6300）；M204型分析天平（瑞士Mettler Toledo公司）；SHO-1D圆周振荡摇床（韩国DAIHAN公司）；超声波发生器（昆山市超声仪器有限公司）；ST8离心机（美国赛默飞公司）；超纯水机（德国默克公司，型号：MilliQ）。

1.3 实验方法

1.3.1 XRD设备条件

配Cu衍射钯，K_α辐射，扫描范围10º～70º，连续扫描模式，扫描速度0.3º/s，步长0.02º，扫描电压40 kV，扫描电流30 mA。

XRD定性分析：将所得灰分在研钵中充分研磨混匀，放入玻璃样品板的凹槽中，用载玻片将其均匀压实，压实后的样品表面要尽可能均一、平整且与样品架边缘在同一水平面上。

1.3.2 ICP设备条件

射频功率1150 W，辅助气流量0.5 L/min，雾化气流量0.7 L/min，冲洗泵速100 r/min，分析泵速50 r/min，泵稳定时间5 s，光室温度34℃，Ca特征谱线393.366 nm，Mg特征谱线279.553 nm，等离子观测方式：水平观测，绘制工作曲线并计算各元素的含量。

ICP定量分析：准确称取（2±0.0001）g 粉碎后的样品于50 mL离心管中，加入20 mL（1+5，v/v）甲酸，震荡提取10 min，静置待净化。

将离心管以8000 r/min的速率离心6 min，取1 mL上清液，过0.22 μm孔径的水系滤膜，用水定容至50 mL后上机检测。

1.3.3 样品制备

参照GB/T20195—2006《动物饲料 试样的制备》。将样品研磨并全部过1 mm筛，用分样器或四分法将样品缩分至适宜的质量待测，余样留存。

1.3.4 阳性样品制备

实际样品中多数添加矿物质为碳酸钙、石粉（主要成分为碳酸钙和碳酸钙镁）等，本方法将88%玉米粉、11%米糠粉、0.5%碳酸钙和0.5%碳酸镁钙在研磨机中充分混匀，并过3次1 mm筛^[17]。

1.3.5 样品灰化

参照GB/T 6438—2007《饲料中粗灰分的测定》进行灰分测定，或根据添加矿物质种类调整灰化温度，以保证所添加矿物质不会热分解，所得灰分放置在干燥器内待测。

1.4 添加矿物质含量计算

饲料中添加矿物质含量计算见式（1）：

(1)

式（1）中，ω为添加矿物质浓度，单位为%；f为提取液稀释倍数；V为定容体积，单位为L；c为ICP测定元素含量，单位为mg/L；m为样品质量，单位为mg；M₁为矿物质分子摩尔质量，M₂为矿物质分子中测定元素的摩尔质量。

2 结果与讨论

2.1 ICP测定前处理条件优化

由于饲料产品中添加矿物质种类较多，酸性越强则方法适用范围越广，实际添加矿物质可能有碳酸盐、磷酸盐等，因此本研究考察了盐酸、硝酸、甲酸等不同酸的溶解效率。分别在已知添加矿物质含量的样品中，加入20 mL的盐酸、硝酸、甲酸，酸的浓度均为（1+5，v/v），震荡提取10 min。结果表明，盐酸、硝酸、甲酸对碳酸盐的提取效率相当，回收率范围为101%～117%，盐酸和硝酸适用范围更广，但处理后的溶液较难过滤膜，过滤后溶液依旧浑浊，且二者属易制毒、易制爆试剂，采购、使用等环节成本较高；甲酸成本低，但酸性较弱，由酸碱质子理论可推断甲酸对磷酸盐类矿物质的溶解效率较差，通过实验也发现，甲酸（1+5，v/v）对不同添加浓度的磷酸氢钙回收率均为70%以下，因此实际工作中可根据XRD结果、申报材料等信息调整酸的种类。

然后研究酸的浓度对提取效率的影响。本研究分别按体积比（v/v）配制浓度为（1+1）、（1+3）、（1+5）、（1+7）、（1+9）的甲酸，样品用20 mL酸溶解，震荡提取10 min，结果表明，随着酸浓度升高，大于等于（1+5）浓度的酸提取效率相似，回收率范围在96%～106%之间，而低浓度的酸回收率低于70%，本研究最终选取（1+5）的甲酸作为提取溶剂。

2.2 X射线衍射分析

仅通过元素含量无法得知样品中矿物质种类，本研究借助XRD技术，通过物相分析进行添加矿物质鉴别。矿物质的添加量较低，样品直接使用XRD分析则较难准确识别，若矿物质在灰化条件下不分解，则灰化处理相当于对矿物质进行浓缩，浓缩倍数，但不同矿物的热分解温度不同，实际工作中也需要根据添加矿物质特性确定矿物质种类，如磷酸氢钙在203℃会分解生成磷酸钙，如果样品参照GB/T 6438—2007在550℃下灰化后检出磷酸钙，则可以根据工艺和配方中的添加矿物质种类计算其含量。本方法可以对碳酸钙（图1a）、碳酸钙和碳酸钙镁（图1b）、磷酸氢钙（图1c）、磷酸钙（图1d）等添加矿物质进行测定，如图1所示。

2.3 校准曲线和测定范围

用纯水逐级稀释标准储备溶液，配制成浓度为0.1 mg/L、0.5 mg/L、1 mg/L、5 mg/L、10 mg/L的标准工作液，现用现配。在设定的仪器工作条件下，按照实验方法对校准系列标准溶液进行测定，以待测元素浓度为横坐标，发射光谱强度为纵坐标绘制校准曲线，实验结果表明，Ca和Mg在0.1～10 mg/L范围内呈较好的线性，相关系数r²均大于0.9997，方法检出限为0.005%，可满足实际的检测需求，若提取液中待测元素超出校准曲线范围，则对试样进行适当的稀释。

2.4 回收率与精密度

向不添加矿物质的饲料中定量添加低、中、高3个水平的碳酸钙和碳酸钙镁（1+1，ω/ω），用本方法进行测定，每个加标水平平行测定6次。结果表明，本方法对于目标物的回收率范围在86.7%～102%之间，相对标准偏差（RSD，n = 6）在0.6%～1.8%的范围内，回收率和精密度数据见表1。

表1 回收率和精密度

Table 1 Recoveries and precision

3 实际样品测定

应用本方法对实际样品进行测定，共测定样品20批，其中3批样品归类与实际申报不符。1号和14号样品申报材料中说明产品添加碳酸钙、米糠等物质，但实际测定发现扣除添加矿物质后灰分小于2 %，结合粗细度，按1103.1300（玉米粗粒及粗粉）归类；11号样品申报材料中说明产品添加碳酸钙，但实际测定时未发现碳酸钙成分，且灰分小于2%，最终也作为1103.1300（玉米粗粒及粗粉）进行归类。样品检测情况见表2。

4 结论

本研究建立了饲料产品中添加矿物质的定性和定量测定方法，通过X射线衍射法分析样品灰分中添加矿物质种类；用（1+5, v/v）甲酸震荡提取的方式溶解样品中矿物质，离心过滤净化后用电感耦合等离子体发射光谱外标定量测定元素含量，并根据XRD结果推算矿物质含量。本研究准确、简便，为饲料产品中添加矿物质含量判定提供了技术思路，通过本方法可以为饲料产品海关归类化验和打击粮食走私提供技术支持和参考。

参考文献

[1]陈志勇,张丽阳,马雪莲, 等.我国畜禽饲料资源中常量元素钙含量分布的调查[J].中国农业科学, 2019, 52(11): 1973-1981.

[2]安文强,黎文伟,谭北平, 等.凡纳滨对虾对饲料中钙、磷的营养需求[J].水产科学, 2020, 39(1): 1-11.

[3]兰月冬.矿物质元素在饲料中的合理应用[J].农业开发与装备, 2016, 2: 86.

[4]陈明,殷洁鑫,葛晶, 等.饲料中钙含量测定方法的研究进展[J].畜牧与饲料科学, 2016, 37(12): 40-42.

[5]张琦,苏布道,斯庆图娅.中蒙饲料中钙含量测定方法比对分析[J].中国标准化, 2018(9): 107-110+114.

[6]吕鑫,姬红波.矿物质饲料添加剂安全性问题[J].今日畜牧兽医, 2019, 35(8): 68-69.

[7] S.A.Lee, L.V.Lagos, H.H.Stein. 饲料钙含量及组成对生长猪增重表现的影响[J].饲料工业, 2020, 41(16): 58-64.

[8] GB/T 6436—2018饲料中钙的测定[S]. 北京:中国标准出版社, 2018.

[9]吴方琼.钙指示剂分光光度法测定饲料中的钙[J].黑龙江畜牧兽医, 2014(9): 205-206.

[10]李琼芳,张穗娟,蒋海涛, 等.分光光度法(MSA-DBM显色法)测定饲料中的钙[J].中国饲料, 2007(10): 27-28.

[11]黎浩劲.用原子吸收火焰分光光度法测定饲料中钙的含量[J].吉林农业, 2011(6): 96.

[12]刘红云,郑举.原子吸收分光光度法测定饲料中钙的含量[J].兽药与饲料添加剂, 2008(2): 27-28.

[13]赵玉英,孙福祥,张良, 等. ICP-AES法对玉米和大麦中元素含量的比较研究[J].内蒙古民族大学学报(自然科学版), 2015, 30(3): 199-201.

[14]王丽萍,汪武萍. ICP-AES测定饲料级磷酸氢钙中的磷、镁、铁、铝、硅、钙、铬[J].云南化工, 2021, 48(1): 62-64.

[15] Ozbek N, Akman S. Method development for the determination of calcium, copper, magnesium, manganese, iron, potassium, phosphorus and zinc in different types of breads by microwave induced plasma-atomic emission spectrometry[J]. Food Chemistry, 2016, 200: 245-248.

[16] Chan J C, Palmer P T. Determination of calcium in powdered milk via X-ray fluorescence using external standard and standard addition based methods[J]. Journal of Chemical Education, 2013, 90(9): 1218-1221.

[17] GB/T 20195—2006动物饲料 试样的制备[S]. 北京:中国标准出版社, 2006.

Counts

图1 不同添加矿物质衍射谱图

Fig.1 XRD patterns of different added minerals

表2 实际样品测定结果

Table 2 Test results of actual samples