利用折射率衡量蔗糖水解反應的進程

種 晴，袁志峰，范 婷

(石河子大學 a.理學院；b.機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

利用折射率衡量蔗糖水解反應的進程

種 晴a，袁志峰b，范 婷a

(石河子大學 a.理學院；b.機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

利用旋光性溶液的折射率與旋光度的線性關聯，研究了不同濃度的蔗糖溶液經鹽酸水解過程中旋光度和折射率隨時間的變化. 實驗結果表明:在室溫環境下，0.20 g/mL和0.15 g/mL的蔗糖水解溶液分別經120 min和145 min的反應時間,折射率和旋光度同時趨于穩定. 實驗驗證了反應過程中,酸水解蔗糖溶液的折射率隨旋光度的變化成線性關系. 因此，利用水解過程中折射率或旋光度隨時間的變化關系可判定水解反應的進程.

蔗糖；酸水解；旋光度；折射率；反應進程

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、蔗糖明顯優越的商業價值和利用價值，所以需求日益增加. 另一方面，國外已有中轉化和全轉化蔗糖生產果葡萄漿的先例，并且其相關產品已大量生產，我國的一些科研部門也進行了這方面的開發工作，其中使用最多的方法是采用酸水解蔗糖生產果葡萄糖漿[2]. 因此，研究蔗糖酸水解的轉化進程顯得至關重要，本文立足于旋光性溶液的旋光度與折射率的線性關系以及酸水解過程中溶液旋光度的變化關系，探索酸水解蔗糖溶液過程中的折射率隨時間的變化關系，并通過這種關系判定酸水解蔗糖溶液的轉化進程，進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 酸水解蔗糖過程中的旋光度變化

蔗糖及其產物均為旋光物質，當反應進行時，如以1束偏振光通過溶液則可觀察到偏振面的轉移. 蔗糖是右旋物質，水解混合物中有左旋物質，所以偏振面將由右邊旋向左邊，偏振面的轉移角度為旋光度，以α表示，因此利用體系在反應過程中旋光度的改變來量度反應的進程[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，其比旋光度為-91.9°[4]. 因此，在反應的過程中，溶液的旋光度先是右旋，隨著反應的進行右旋角度不斷減小，過零后再變成左旋，直至蔗糖完全轉化，左旋角度達到最大值.

1.2 旋光性溶液的旋光度與折射率的關系

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，當溶液濃度一定時，折射率和旋光度應成線性關系.

1.3 邁克耳孫干涉儀測液體折射率

利用邁克耳孫干涉儀等傾干涉條紋法[6]通過圖1的裝置測量液體折射率，比色皿中分別裝有空氣、參照液體(水)、待測液體，調節干涉條紋，使視野BB′和CC′間出現m條暗條紋(本次實驗為3條暗條紋)，如圖2所示，記錄此時M1的位置讀數分別為d1,d2和d3，由此推導出待測液體的折射率：

(3)

式中n2為參照液體的折射率(n2=1.333 0).

圖1 實驗裝置

圖2 干涉圖樣

2 實驗材料與方法

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 實驗方法

在室溫環境下，采用3 mol/L的鹽酸水解蔗糖[7]，在配置溶液前，調節邁克耳孫干涉儀，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M1位置，然后配置蔗糖水解溶液，同時用旋光儀和邁克耳孫干涉儀分別測量旋光度和折射率，并每隔5 min記錄其變化.

實驗配置2種濃度0.20 g/mL和0.15 g/mL的蔗糖水解溶液，重復上述步驟，記錄2組實驗數據.

2.3 結果與討論

1)旋光度隨時間變化

旋光度隨時間變化曲線如圖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°，經過120 min的反應時間變化為-2.00°，并趨于穩定；0.15 g/mL的蔗糖溶液起始旋光度為5.95°，經過145 min的反應時間變化為-1.90°，并趨于穩定，如表1所示. 可見，不同濃度的蔗糖水解溶液的旋光度隨時間變化最后都會趨于穩定，表明此時蔗糖轉化成果葡萄糖的反應已進行完全，因而此時酸水解蔗糖的轉化率也達到最大值.

圖3 旋光度隨時間變化曲線

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

2)折射率隨時間變化

折射率隨時間變化曲線如圖4所示，由圖4可知，0.20 g/mL和0.15 g/mL的蔗糖溶液經酸水解，分別經過120 min和145 min的反應時間折射率達到穩定如表2所示，可見，酸水解蔗糖過程中，折射率與旋光度表現出相似的規律，并且在相同的時刻趨于穩定，說明折射率可類比于旋光度用來衡量酸水解蔗糖的反應進程.

表2 不同濃度蔗糖溶液趨于穩定后的折射率

3)折射率隨旋光度變化

折射率和旋光度的變化曲線如圖5所示，由圖5可知，0.20 g/mL的蔗糖溶液經酸水解過程中，折射率和旋光度的線性相關系數為0.990 72，滿足線性方程y=1.317 5-0.001 1x,0.15 g/mL的蔗糖水解溶液在反應過程中折射率與旋光度的線性相關系數為0.967 2，滿足線性方程y=1.298 2-0.001 8x. 由此可知，酸水解蔗糖轉化為果糖和葡萄糖的過程中，溶液的折射率和旋光度始終保持線性關系.

圖4 折射率n隨時間t變化曲線

圖5 折射率和旋光度的變化曲線

3 結 論

1) 在酸水解蔗糖過程中，雖然蔗糖水解溶液的濃度不同，但在水解過程中表現出的規律近似相同. 0.20 g/mL的蔗糖溶液經鹽酸水解過程中，旋光度和折射率經過120 min相同的反應時間趨于穩定； 0.15 g/mL的蔗糖溶液經145 min

的酸水解時間，折射率與旋光度同時達到穩定. 因此折射率同旋光度一樣可用于量度酸水解蔗糖的反應進程，提高蔗糖的利用率.

2) 蔗糖水解實驗研究中大多觀測水解反應過程中溶液的旋光度變化，但本次實驗探究考慮到測量液體折射率的方法[8]簡單多見，得到折射率同旋光度的相似規律，為工業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的蔗糖溶液分別經鹽酸水解過程中，折射率與旋光度滿足線性方程y=a+bx，且線性相關度高. 因此，雖然酸水解過程中，蔗糖及其轉化產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系仍然滿足只有一種旋光性物質溶液的理論模型——線性關系，對旋光性物質[10]的科研以及果葡萄漿的生產具有指導意義.

[1] 朱艷,楊文春,黨微. 鹽酸催化蔗糖水解中反應速率常數和鹽酸濃度等溫關系式[J]. 天然產物研究與開發,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,2005:3-69.

[3] 艾佑宏,吳慧敏,吳瓊. 蔗糖水解實驗數據處理方法的改進[J]. 化學研究,2007,18(1):80-83.

[4] 王金英,石秀梅,梁憶紅,等. 蔗糖比旋光度的測定實驗新設計[J]. 牡丹江醫學院學報,2004,25(6):44-46.

[5] 吳俊林,喬輝. 溶液的旋光性和折射率關系的理論分析和實驗研究[J]. 延安大學學報(自然科學版),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力學研究[J]. 應用化工,2013,42(12):2191-2193.

[8] 辛督強,朱民,解延雷,張濤. 測量液體折射率的幾種方法[J]. 大學物理,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,2007,(1):34-40.

[10] 高峻峰,孟玲菊. 物質的絕對構型與旋光性的關系[J]. 大學化學,2010,25(6):41-47.

[責任編輯：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

石河子大學教改項目(No.SJ-2015-03)；混合教改專項(No.BL2016017)

種 晴(1993-)，女，安徽宿州人，石河子大學理學院應用物理學專業2013級本科生.

范 婷(1978-)，女，陜西寶雞人，石河子大學理學院副教授，碩士，主要從事大學物理實驗教學與研究工作.

O436.3

A

1005-4642(2017)08-0048-03