種 晴，袁志峰，范 婷

(石河子大學(xué) a.理學(xué)院；b.機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

利用折射率衡量蔗糖水解反應(yīng)的進(jìn)程

種 晴a，袁志峰b，范 婷a

(石河子大學(xué) a.理學(xué)院；b.機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

利用旋光性溶液的折射率與旋光度的線(xiàn)性關(guān)聯(lián)，研究了不同濃度的蔗糖溶液經(jīng)鹽酸水解過(guò)程中旋光度和折射率隨時(shí)間的變化. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在室溫環(huán)境下，0.20 g/mL和0.15 g/mL的蔗糖水解溶液分別經(jīng)120 min和145 min的反應(yīng)時(shí)間,折射率和旋光度同時(shí)趨于穩(wěn)定. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了反應(yīng)過(guò)程中,酸水解蔗糖溶液的折射率隨旋光度的變化成線(xiàn)性關(guān)系. 因此，利用水解過(guò)程中折射率或旋光度隨時(shí)間的變化關(guān)系可判定水解反應(yīng)的進(jìn)程.

蔗糖；酸水解；旋光度；折射率；反應(yīng)進(jìn)程

蔗糖是由葡萄糖和果糖以糖苷鍵連接的二糖，將該糖苷鍵打開(kāi)可獲得果糖和葡萄糖各50%的果葡萄漿[1-2]. 一方面，由于果葡萄漿具有比葡萄糖、蔗糖明顯優(yōu)越的商業(yè)價(jià)值和利用價(jià)值，所以需求日益增加. 另一方面，國(guó)外已有中轉(zhuǎn)化和全轉(zhuǎn)化蔗糖生產(chǎn)果葡萄漿的先例，并且其相關(guān)產(chǎn)品已大量生產(chǎn)，我國(guó)的一些科研部門(mén)也進(jìn)行了這方面的開(kāi)發(fā)工作，其中使用最多的方法是采用酸水解蔗糖生產(chǎn)果葡萄糖漿[2]. 因此，研究蔗糖酸水解的轉(zhuǎn)化進(jìn)程顯得至關(guān)重要，本文立足于旋光性溶液的旋光度與折射率的線(xiàn)性關(guān)系以及酸水解過(guò)程中溶液旋光度的變化關(guān)系，探索酸水解蔗糖溶液過(guò)程中的折射率隨時(shí)間的變化關(guān)系，并通過(guò)這種關(guān)系判定酸水解蔗糖溶液的轉(zhuǎn)化進(jìn)程，進(jìn)而提高蔗糖的利用率，減少原料的投入以獲得高收益的果葡萄糖漿.

1 理論原理

1.1 酸水解蔗糖過(guò)程中的旋光度變化

蔗糖及其產(chǎn)物均為旋光物質(zhì)，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，如以1束偏振光通過(guò)溶液則可觀察到偏振面的轉(zhuǎn)移. 蔗糖是右旋物質(zhì)，水解混合物中有左旋物質(zhì)，所以偏振面將由右邊旋向左邊，偏振面的轉(zhuǎn)移角度為旋光度，以α表示，因此利用體系在反應(yīng)過(guò)程中旋光度的改變來(lái)量度反應(yīng)的進(jìn)程[3]. 蔗糖的比旋光度為66.6°，葡萄糖的比旋光度為52.5°，果糖是左旋物質(zhì)，其比旋光度為-91.9°[4]. 因此，在反應(yīng)的過(guò)程中，溶液的旋光度先是右旋，隨著反應(yīng)的進(jìn)行右旋角度不斷減小，過(guò)零后再變成左旋，直至蔗糖完全轉(zhuǎn)化，左旋角度達(dá)到最大值.

1.2 旋光性溶液的旋光度與折射率的關(guān)系

由旋光性溶液折射率n與旋光度α的理論分析可得[5]：

(1)

α=An+B,

(2)

因此，當(dāng)溶液濃度一定時(shí)，折射率和旋光度應(yīng)成線(xiàn)性關(guān)系.

1.3 邁克耳孫干涉儀測(cè)液體折射率

利用邁克耳孫干涉儀等傾干涉條紋法[6]通過(guò)圖1的裝置測(cè)量液體折射率，比色皿中分別裝有空氣、參照液體(水)、待測(cè)液體，調(diào)節(jié)干涉條紋，使視野BB′和CC′間出現(xiàn)m條暗條紋(本次實(shí)驗(yàn)為3條暗條紋)，如圖2所示，記錄此時(shí)M1的位置讀數(shù)分別為d1,d2和d3，由此推導(dǎo)出待測(cè)液體的折射率：

(3)

式中n2為參照液體的折射率(n2=1.333 0).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 干涉圖樣

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 試劑與儀器

分析純蔗糖、3 mol/L鹽酸、蒸餾水、WG-4圓盤(pán)旋光儀、EL-320S電子天平、邁克耳孫干涉儀、He-Ne激光器、比色皿.

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

在室溫環(huán)境下，采用3 mol/L的鹽酸水解蔗糖[7]，在配置溶液前，調(diào)節(jié)邁克耳孫干涉儀，使干涉條紋明顯，分別記錄比色皿盛有空氣和參照液體(水)時(shí)M1位置，然后配置蔗糖水解溶液，同時(shí)用旋光儀和邁克耳孫干涉儀分別測(cè)量旋光度和折射率，并每隔5 min記錄其變化.

實(shí)驗(yàn)配置2種濃度0.20 g/mL和0.15 g/mL的蔗糖水解溶液，重復(fù)上述步驟，記錄2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.3 結(jié)果與討論

1)旋光度隨時(shí)間變化

旋光度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖3所示，由圖3可知，0.20 g/mL的水解蔗糖溶液起始旋光度為6.50°，經(jīng)過(guò)120 min的反應(yīng)時(shí)間變化為-2.00°，并趨于穩(wěn)定；0.15 g/mL的蔗糖溶液起始旋光度為5.95°，經(jīng)過(guò)145 min的反應(yīng)時(shí)間變化為-1.90°，并趨于穩(wěn)定，如表1所示. 可見(jiàn)，不同濃度的蔗糖水解溶液的旋光度隨時(shí)間變化最后都會(huì)趨于穩(wěn)定，表明此時(shí)蔗糖轉(zhuǎn)化成果葡萄糖的反應(yīng)已進(jìn)行完全，因而此時(shí)酸水解蔗糖的轉(zhuǎn)化率也達(dá)到最大值.

圖3 旋光度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

c/(g·mL-1)α0/(°)α/(°)t/min0.206.50-2.001200.155.95-1.90145

2)折射率隨時(shí)間變化

折射率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖4所示，由圖4可知，0.20 g/mL和0.15 g/mL的蔗糖溶液經(jīng)酸水解，分別經(jīng)過(guò)120 min和145 min的反應(yīng)時(shí)間折射率達(dá)到穩(wěn)定如表2所示，可見(jiàn)，酸水解蔗糖過(guò)程中，折射率與旋光度表現(xiàn)出相似的規(guī)律，并且在相同的時(shí)刻趨于穩(wěn)定，說(shuō)明折射率可類(lèi)比于旋光度用來(lái)衡量酸水解蔗糖的反應(yīng)進(jìn)程.

表2 不同濃度蔗糖溶液趨于穩(wěn)定后的折射率

3)折射率隨旋光度變化

折射率和旋光度的變化曲線(xiàn)如圖5所示，由圖5可知，0.20 g/mL的蔗糖溶液經(jīng)酸水解過(guò)程中，折射率和旋光度的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.990 72，滿(mǎn)足線(xiàn)性方程y=1.317 5-0.001 1x,0.15 g/mL的蔗糖水解溶液在反應(yīng)過(guò)程中折射率與旋光度的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.967 2，滿(mǎn)足線(xiàn)性方程y=1.298 2-0.001 8x. 由此可知，酸水解蔗糖轉(zhuǎn)化為果糖和葡萄糖的過(guò)程中，溶液的折射率和旋光度始終保持線(xiàn)性關(guān)系.

圖4 折射率n隨時(shí)間t變化曲線(xiàn)

圖5 折射率和旋光度的變化曲線(xiàn)

3 結(jié) 論

1) 在酸水解蔗糖過(guò)程中，雖然蔗糖水解溶液的濃度不同，但在水解過(guò)程中表現(xiàn)出的規(guī)律近似相同. 0.20 g/mL的蔗糖溶液經(jīng)鹽酸水解過(guò)程中，旋光度和折射率經(jīng)過(guò)120 min相同的反應(yīng)時(shí)間趨于穩(wěn)定； 0.15 g/mL的蔗糖溶液經(jīng)145 min

的酸水解時(shí)間，折射率與旋光度同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定. 因此折射率同旋光度一樣可用于量度酸水解蔗糖的反應(yīng)進(jìn)程，提高蔗糖的利用率.

2) 蔗糖水解實(shí)驗(yàn)研究中大多觀測(cè)水解反應(yīng)過(guò)程中溶液的旋光度變化，但本次實(shí)驗(yàn)探究考慮到測(cè)量液體折射率的方法[8]簡(jiǎn)單多見(jiàn)，得到折射率同旋光度的相似規(guī)律，為工業(yè)上獲得高收益的果葡萄漿提供新的判定方法[9].

3) 0.20 g/mL和0.15 g/mL的蔗糖溶液分別經(jīng)鹽酸水解過(guò)程中，折射率與旋光度滿(mǎn)足線(xiàn)性方程y=a+bx，且線(xiàn)性相關(guān)度高. 因此，雖然酸水解過(guò)程中，蔗糖及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物果糖和葡萄糖的旋光能力不同，但是蔗糖水解溶液的折射率與旋光度關(guān)系仍然滿(mǎn)足只有一種旋光性物質(zhì)溶液的理論模型——線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)旋光性物質(zhì)[10]的科研以及果葡萄漿的生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義.

[1] 朱艷,楊文春,黨微. 鹽酸催化蔗糖水解中反應(yīng)速率常數(shù)和鹽酸濃度等溫關(guān)系式[J]. 天然產(chǎn)物研究與開(kāi)發(fā),2007，19(6):1067-1069.

[2] 吳文劍. 以蔗糖為原料制取高果糖漿工藝的研究[D]. 昆明:昆明理工大學(xué),2005:3-69.

[3] 艾佑宏,吳慧敏,吳瓊. 蔗糖水解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)[J]. 化學(xué)研究,2007,18(1):80-83.

[4] 王金英,石秀梅,梁憶紅,等. 蔗糖比旋光度的測(cè)定實(shí)驗(yàn)新設(shè)計(jì)[J]. 牡丹江醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào),2004,25(6):44-46.

[5] 吳俊林,喬輝. 溶液的旋光性和折射率關(guān)系的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[J]. 延安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(2):86-88.

[6] 陳淑清. 邁克爾遜干涉儀等傾干涉條紋法測(cè)液體折射率[J]. 廣西物理,2003,(1):28-29.

[7] 趙金和,蘭翠玲,蘇欽芳,等. 酸催化蔗糖水解的動(dòng)力學(xué)研究[J]. 應(yīng)用化工,2013,42(12):2191-2193.

[8] 辛督強(qiáng),朱民,解延雷,張濤. 測(cè)量液體折射率的幾種方法[J]. 大學(xué)物理,2007,26(1):34-37.

[9] 范家恒,吳文劍,周文英. 蔗糖制果糖及葡萄糖的工藝探索[J]. 甘蔗糖業(yè),2007,(1):34-40.

[10] 高峻峰,孟玲菊. 物質(zhì)的絕對(duì)構(gòu)型與旋光性的關(guān)系[J]. 大學(xué)化學(xué),2010,25(6):41-47.

[責(zé)任編輯：郭 偉]

Measuring the reaction process of sucrose hydrolysis by refractive index

CHONG Qinga, YUAN Zhi-fengb, FAN Tinga

(a.Department of Physics, b.Department of Mechanical and Electrical engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

The correlations between refractive index and optical rotation in the hydrolyzes process of different concentrations of sucrose solutions by hydrochloric acid were studied. The experimental results showed that, at room temperature, the optical rotations and refractive indexes of 0.20 g/mL and 0.15 g/mL sucrose hydrolysis solution stabilized after 120 min and 145 min of reaction, respectively. A linear relationship between the refractive index and optical rotation of sucrose hydrolysis solution was proved by experiment. Therefore, the reaction process of hydrolysis could be measured by the changes of refractive index or optical rotation.

sucrose; acid hydrolysis; optical rotation; refractive index; reaction process

2017-02-17

石河子大學(xué)教改項(xiàng)目(No.SJ-2015-03)；混合教改專(zhuān)項(xiàng)(No.BL2016017)

種 晴(1993-)，女，安徽宿州人，石河子大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)專(zhuān)業(yè)2013級(jí)本科生.

范 婷(1978-)，女，陜西寶雞人，石河子大學(xué)理學(xué)院副教授，碩士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究工作.

O436.3

A

1005-4642(2017)08-0048-03