蜂蜜水解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與研究

劉振華，聶煜茗，王 亞（上海海洋大學(xué)，上海 201306）

蜂蜜水解動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與研究

劉振華，聶煜茗，王 亞
（上海海洋大學(xué)，上海 201306）

本文采用旋光法對(duì)蜂蜜水解過(guò)程中的糖含量進(jìn)行測(cè)定，研究了水解的催化劑種類、催化劑濃度以及水解溫度對(duì)水解反應(yīng)速率的影響，并通過(guò)其水解動(dòng)力學(xué)機(jī)理計(jì)算反應(yīng)速率常數(shù)、分析數(shù)據(jù)，得出了各影響因素對(duì)反應(yīng)的影響情況及影響程度，最終獲得一個(gè)最佳水解條件。研究結(jié)果表明，（1）各因素的影響程度從大到小依次是催化劑種類、催化劑濃度、水解溫度。（2）不同催化劑催化下反應(yīng)速率大小：冰乙酸＜磷酸＜硫酸＜鹽酸，催化劑酸性越強(qiáng)，反應(yīng)越快。（3）不同濃度鹽酸催化下反應(yīng)速率大小：1mol/L＜2mol/L＜3mol/L＜4mol/L，反應(yīng)速率隨濃度增加而變大。（4）不同溫度條件下反應(yīng)速率大小：25℃＜35℃＜45℃＜55℃，一定范圍內(nèi)溫度越高，水解反應(yīng)速率越大。（5）最佳催化條件：加4mol/L鹽酸，55℃。反應(yīng)至90分鐘，可達(dá)到完全水解。

蜂蜜、蔗糖水解；旋光度；反應(yīng)速率；動(dòng)力學(xué)

1　引言

1.1檢測(cè)方法的基本概念及原理

蜂蜜組成復(fù)雜，主要成分為糖類，其中最重要的一為葡萄糖和果糖，兩者合稱還原糖，二為蔗糖。蜂蜜質(zhì)量的高低主要取決于葡萄糖、果糖及蔗糖的含量。葡萄糖、果糖和蔗糖都具有旋光性，可以通過(guò)測(cè)量其旋光度來(lái)確定各自的含量，達(dá)到食品工業(yè)中鑒別蜂蜜質(zhì)量?jī)?yōu)劣的目的。

1.2水解反應(yīng)原理及反應(yīng)速率的影響因素

1.2.1反應(yīng)原理

蔗糖水解反應(yīng)為：

教材中把此蔗糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)可以看作是準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)。

1.2.2反應(yīng)速率的影響因素

（1）催化劑的種類（2）催化劑的濃度（3）反應(yīng)溫度（4）水浴時(shí)間

1.2.3反應(yīng)速率常數(shù)

以ln（αt-α∞）對(duì)t作圖，則為一直線，由直線斜率即可求得反應(yīng)速率常數(shù)k。

以上為單純蔗糖溶液轉(zhuǎn)化時(shí)旋光度的變化及反應(yīng)速率常數(shù)的計(jì)算，蜂蜜中糖類組分有主要量的果糖、葡萄糖和少量的蔗糖。蜂蜜水解前為左旋，水解過(guò)程中左旋角度逐漸變大，反應(yīng)完畢時(shí)蜂蜜溶液仍呈左旋。雖說(shuō)旋轉(zhuǎn)方向不同但原理一致，故以上反應(yīng)速率常數(shù)k的計(jì)算原理與方式實(shí)際運(yùn)用至蜂蜜溶液時(shí)，仍可用ln（αt-α∞）對(duì)t作圖，由該直線斜率可得反應(yīng)速率常數(shù)k。

式中：k—反應(yīng)速率常數(shù)

C0—反應(yīng)初始時(shí)間的反應(yīng)物濃度

Ct—反應(yīng)時(shí)間為t時(shí)的反應(yīng)物濃度

在蔗糖的水解反應(yīng)中，反應(yīng)物蔗糖是右旋性物質(zhì)，其比旋度

2　材料與方法

2.1材料與儀器

2.1.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象

康維他麥盧卡花蜂蜜（5+）500克/瓶（新西蘭原裝進(jìn)口）

2.1.2實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

沙多利斯電子天平（精確到0.0001g）；上海儀電SGW-3自動(dòng)旋光儀；CH10158超級(jí)恒溫槽

澄清劑Ⅰ（稱取15.00克亞鐵氰化鉀溶于水中，稀釋定容至100毫升容量瓶，備用）

澄清劑Ⅱ（稱取30.00克乙酸鋅溶于水中，稀釋定容至100毫升容量瓶，備用）

鹽酸、濃硫酸、冰乙酸、磷酸（以上均為分析純）

2.2方法［1-2］

2.2.1測(cè)定蜂蜜水解前旋光度［3］

稱取10.00克蜂蜜于燒杯中，加少許蒸餾水充分?jǐn)嚢杈鶆颍⒂谜麴s水少量多次將蜂蜜移入100毫升容量瓶中，用刻度移液管移取澄清劑Ⅰ和澄清劑Ⅱ各0.5毫升，加蒸餾水定容至刻度線，搖勻。用漏斗過(guò)濾，棄去5毫升初濾液，收集濾液于錐形瓶中。精確移取上述濾液20毫升，加入10毫升蒸餾水，混勻。用所得待測(cè)液潤(rùn)洗旋光儀樣品管3次，裝樣，放入旋光儀內(nèi)，插上溫控線，設(shè)置在20℃恒溫條件下測(cè)定其旋光度α0。同時(shí)做平行試驗(yàn)。

2.2.2測(cè)定蜂蜜水解后旋光度

精確移取2.2.1中濾液20毫升，加入10毫升催化劑（酸溶液），混勻，置于恒溫槽中恒溫水浴，待蔗糖全部水解后，取出冷卻。用所得待測(cè)液潤(rùn)洗旋光儀樣品管3次，裝樣，放入旋光儀內(nèi)，插上溫控線，設(shè)置在20℃恒溫條件下測(cè)定其旋光度α∞。同時(shí)做平行試驗(yàn)。

2.2.3不同水解條件下旋光度的測(cè)定及反應(yīng)速率常數(shù)的計(jì)算

（1）催化劑種類不同（不同的酸），H+離子濃度、水解溫度與時(shí)間相同［4］。

取濾液4份各20毫升于錐形瓶在50℃下恒溫水浴，待恒溫后，第一份加10毫升3mol/L鹽酸溶液，第二份加10毫升3mol/L冰乙酸溶液，第三份加10毫升1.5mol/L硫酸溶液，第四份加10毫升1mol/L磷酸（四份的加酸催化需同步操作），振蕩搖勻，繼續(xù)水浴，待時(shí)間為10分鐘時(shí)迅速取少量待測(cè)液，潤(rùn)洗3次后注滿樣品管，進(jìn)行第一次測(cè)定，之后每隔10分鐘測(cè)定一次，測(cè)至60分鐘，共24個(gè)測(cè)定值。對(duì)剩余濾液繼續(xù)加熱至3小時(shí)，擬定該時(shí)刻的旋光度為水解反應(yīng)完全時(shí)的旋光度α∞。

（2）同一酸，濃度不同，水解溫度、水解時(shí)間恒定［5］。

選擇（1）中測(cè)定得出催化能力最強(qiáng)的酸作為催化劑，配制濃度分別為1、2、3、4和5mol/L的酸。取濾液5份各20毫升于錐形瓶在50℃下恒溫水浴，待恒溫后，同步加入不同濃度的酸各10毫升催化水解，后續(xù)操作同（1），共30個(gè)測(cè)定值。對(duì)剩余濾液繼續(xù)加熱至3小時(shí)，擬定該時(shí)刻的旋光度為水解反應(yīng)完全時(shí)的旋光度α∞。

（3）水解溫度不同，同一酸、濃度一定且水解時(shí)間不變［6］。

選擇（1）和（2）中計(jì)算得出具有最佳催化效果的濃度和催化劑，取濾液5份各20毫升，同時(shí)加10毫升酸后，分別于25、35、45、55和60℃下恒溫水浴，同樣每隔10分鐘測(cè)得一次旋光度讀數(shù)，至60分鐘，共30個(gè)測(cè)定值。對(duì)剩余濾液繼續(xù)加熱至3小時(shí)，擬定該時(shí)刻的旋光度為水解反應(yīng)完全時(shí)的旋光度α∞。

（4）水解時(shí)間逐漸增加，同一酸、酸濃度與水解溫度恒定。選擇（1）、（2）、（3）中得到的最適濃度的最佳催化劑，在最適宜溫度下水解，每10分鐘觀測(cè)一次旋光度讀數(shù)，直至數(shù)值在某一時(shí)刻后不再有明顯變化，那么該時(shí)刻便是水解反應(yīng)完全的時(shí)間。

（5）反應(yīng)速率常數(shù)的計(jì)算［7-8］

得出測(cè)定值后作出ln（αt-α∞）～t曲線，由斜率計(jì)算出反應(yīng)速率常數(shù)k。

2.2.4統(tǒng)計(jì)方法——正交試驗(yàn)［9-10］

采用正交試驗(yàn)極差分析的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定各因素的影響水平，優(yōu)水平和最優(yōu)水平組合，并繪制因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖。可簡(jiǎn)明、直觀地得到最佳水解條件，得到該條件下反應(yīng)速率常數(shù)k，最終可推導(dǎo)確立動(dòng)力學(xué)方程式。

3　結(jié)果與分析

3.1催化劑種類對(duì)水解反應(yīng)速率的影響

將4種酸催化下的水解快慢情況放入同一圖表中，可直觀地觀察不同的酸水解反應(yīng)速率的大小。

由表1和圖1可知，k（CH3COOH）＜k（H3PO4）＜k（H2SO4）＜k（HCl）。本實(shí)驗(yàn)所用4種酸中總共可解離的氫離子濃度相同，但不同的酸，其酸性強(qiáng)度不一，本身電離氫離子的能力不同，酸性越強(qiáng)，同等時(shí)間內(nèi)解離的氫離子越多，所顯示的催化能力也越強(qiáng)，故這4種酸催化的反應(yīng)速率會(huì)不同。由此可證，蔗糖水解過(guò)程中能起到催化作用的是催化劑中的氫離子。以上數(shù)據(jù)得出結(jié)論，鹽酸催化下反應(yīng)速率相對(duì)較快，催化能力較強(qiáng)，則選用鹽酸作進(jìn)一步研究。

表1　四種不同酸催化下各時(shí)刻的旋光度

圖1　四種酸催化下的水解曲線

3.2催化劑濃度對(duì)水解反應(yīng)速率的影響

將4個(gè)濃度的鹽酸催化下的水解曲線放入同一圖表中，可直觀地觀察不同的濃度催化劑下水解反應(yīng)速率的大小。

由表2和圖2可得出結(jié)論，k（1mol/L）＜k（2mol/L）＜k（3mol/L）＜k（4mol/L），水解的反應(yīng)速率隨催化劑濃度的增加而增大，且由于用5mol/L的鹽酸催化時(shí)，ln（αt-α∞）與時(shí)間t之間不再呈線性關(guān)系，故不列入考慮選擇的范圍。選用濃度為4mol/L的鹽酸進(jìn)行下一步研究實(shí)驗(yàn)。

表2　四個(gè)濃度的鹽酸催化下各時(shí)刻的旋光度

圖2　四個(gè)濃度的鹽酸催化下的水解曲線

3.3催化溫度對(duì)水解反應(yīng)速率的影響

將4個(gè)溫度催化下的水解曲線放入同一圖表中，可直觀地觀察不同溫度催化下水解反應(yīng)速率的大小。

由表3和圖3可得出結(jié)論，k（25℃）＜k（35℃）＜k（45℃）＜k（55℃），可見水解溫度可影響水解的反應(yīng)速率，且在一定范圍內(nèi)溫度越高，水解的反應(yīng)速率越大，反應(yīng)進(jìn)行越快。但溫度高達(dá)某一程度，旋光度值難以穩(wěn)定測(cè)得。且觀察所得水解液顏色，發(fā)現(xiàn)60℃下的水解液顏色偏深（實(shí)驗(yàn)所得蜂蜜的水解液均為澄清透明黃色，深淺不一）。分析其原因，可能是由于蔗糖是由葡萄糖的苷羥基與果糖的苷羥基之間縮合而成的雙糖。在H+離子催化下，除了苷鍵斷裂進(jìn)行轉(zhuǎn)化外，由于高溫還有脫水反應(yīng)，這就會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。主觀表現(xiàn)為溶液顏色變黃（深），旋光管中的待測(cè)溶液需澄清透明無(wú)雜質(zhì)，顏色也不能過(guò)深，否則會(huì)影響光的透過(guò)和旋光度的測(cè)量，也可能導(dǎo)致讀數(shù)的不穩(wěn)定性，故60℃的水解溫度不被列入選擇范圍。

表3　四個(gè)溫度催化下各時(shí)刻的旋光度

圖3　四個(gè)溫度催化下的水解曲線

綜上所述，溫度選擇55℃為較佳水解條件。

3.4正交試驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)3.1、3.2和3.3中所嘗試的幾種因素及其水平，做正交試驗(yàn)，用極差分析的統(tǒng)計(jì)學(xué)方式得出各因素對(duì)反應(yīng)速率有何種影響以及影響程度，從而獲得蜂蜜中蔗糖水解的最佳組合條件，目的是為了能更簡(jiǎn)單、直接和科學(xué)系統(tǒng)地獲得最終結(jié)果。

試驗(yàn)因素：催化劑種類，催化劑濃度，水解環(huán)境溫度

試驗(yàn)水平：催化劑種類——鹽酸、硫酸、磷酸、冰乙酸

催化劑濃度——1、2、3、4mol/L

水解溫度——25、35、45、55℃

由試驗(yàn)因素和試驗(yàn)水平列出因素水平表，本實(shí)驗(yàn)為三因素四水平，故選用L16（43）正交表，。

表4　因素水平表（三因素四水平）

由表5可知，反應(yīng)速率常數(shù)：k（CH3COOH）＜k（H3PO4）＜k（H2SO4）＜k（HCl）；k（1mol/L）＜k（2mol/L）＜k（3mol/L）＜k（4mol/L）；k（25℃）＜k（35℃）＜k（45℃）＜k（55℃）。三因素對(duì)水解反應(yīng)速率的影響大小順序?yàn)锳＞B＞C，即催化劑種類對(duì)蜂蜜中蔗糖水解的反應(yīng)速率影響最大，其次為催化劑濃度，而催化溫度對(duì)反應(yīng)的速率影響相對(duì)最小，最終得到最佳工藝組合為A1B4C4，即以濃度為4mol/L的鹽酸做催化劑，催化溫度為55℃時(shí)為最佳水解條件。此時(shí)，反應(yīng)速率常數(shù)k=0.03651。

表5　正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

接著可根據(jù)最佳水解條件再得出水解完成時(shí)間。表6為加入4mol/L的鹽酸55℃下催化時(shí)每10分鐘旋光度的變化。

由表6可知，從90分鐘開始，蜂蜜的旋光度不再大幅度變化，可由此判斷在該時(shí)刻附近蜂蜜中蔗糖達(dá)到完全水解，即實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，水解時(shí)間約為90分鐘。所以，可得最終最適宜的水解條件：加入4mol/L鹽酸，55℃水浴90分鐘。且反應(yīng)速率常數(shù)k=0.03651。

表6　最佳水解條件下旋光度隨時(shí)間變化

4　討論

本文針對(duì)蜂蜜水解過(guò)程中的影響因素及影響情況進(jìn)行逐個(gè)研究，最終通過(guò)動(dòng)力學(xué)機(jī)理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，綜合得出一個(gè)最佳水解條件是：催化劑為鹽酸，濃度為4mol/L，催化溫度為55℃，反應(yīng)時(shí)間為90分鐘。希望能為今后旋光測(cè)蜂蜜中糖類含量的實(shí)驗(yàn)方法提供改進(jìn)的依據(jù)，也為大學(xué)本科教學(xué)在動(dòng)力學(xué)方面開設(shè)應(yīng)用性的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)打下了扎實(shí)的材料支撐。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.031