淀粉酸水解反應葡萄糖產率的探究

高洪芳 施志斌

摘要： 通過二硝基水楊酸（DNS）法測定淀粉水解的葡萄糖產率，并用響應面法建立硫酸濃度、淀粉濃度和水解時間等因素與葡萄糖產率之間的數學關系模型，得出硫酸濃度為4.52mol/L、水解時間為10.28min、淀粉濃度為23.5mg/mL時葡萄糖產率最高，計算值與實際值分別為82.48%和81.55%，二者相似程度達98.87%。

關鍵詞： 淀粉水解； 二硝基水楊酸法； 葡萄糖產率； 響應面法； 實驗探究

文章編號： 10056629（2018）8006905 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 引言

現行三個版本的高中化學必修、選修教材中，均多次出現淀粉水解實驗。該實驗通常還用于傳授實驗設計思想——完全不水解、部分水解和完全水解等不同情況的驗證實驗設計。但在實際演示過程中，往往容易發(fā)生“異常現象”，或不易出現“完全水解”的現象[1]。

淀粉在酸的催化作用下，先后生成糊精、低聚糖和麥芽糖等不完全水解產物，最終水解為葡萄糖[2]。根據淀粉完全水解的反應方程式為： （C6H10O5）n+nH2OnC6H12O6，筆者嘗試用二硝基水楊酸法（以下簡稱為DNS法）測定淀粉水解后的葡萄糖產率，通過響應面法考察反應條件對水解產率的影響，尋找實驗的最佳反應條件。

2 實驗探究

2.1 實驗原理簡介

2.1.1 DNS法

在堿性條件下，DNS與還原糖共熱后生成3氨基5硝基水楊酸，該產物顯棕紅色，且在一定濃度范圍內顏色深淺與還原糖含量成比例關系，可以用比色法測定還原糖含量。

2.1.2 響應面法

響應面法是通過DesignExpert軟件對反應條件與反應結果進行數學建模，找出最佳反應條件的實驗方法。響應面設計法可以建立連續(xù)變量與響應值的曲面模型，從而可以連續(xù)地對實驗的各個水平進行分析。其與正交設計等設計方法相比，具有實驗次數少、數學模型預測好、省時省力等優(yōu)勢[3～6]。

2.2 儀器、藥品及溶液制備

儀器： 分光光度計（島津UV1800型）、恒溫水浴鍋、電子天平（梅特勒托利多AL104型）

藥品： 可溶性淀粉（國藥集團AR級，下同）、3，5二硝基水楊酸、苯酚、酒石酸鉀鈉、濃硫酸、氫氧化鈉、碘

DNS試劑的制備： 準確稱取18.2g酒石酸鉀鈉，溶于50mL蒸餾水中，45℃水浴加熱，于熱溶液中依次加入3，5二硝基水楊酸0.63g，氫氧化鈉2.1g，苯酚0.5g，攪拌至完全溶解，冷卻后用蒸餾水定容至100mL，貯于棕色瓶中，室溫保存[7]。

標準葡萄糖溶液的制備： 分別精確稱取20、 30、 50、 70、 90、 100mg葡萄糖，用蒸餾水溶解后轉移至100mL容量瓶，配成標準葡萄糖溶液（濃度分別為0.20、 0.30、 0.50、 0.70、 0.90、 1.00，單位： mg/mL）。

2.3 實驗方法

精確稱取一定質量的淀粉，溶于10mL一定濃度的硫酸溶液中，水浴加熱一定時長后，用NaOH溶液調節(jié)溶液pH至中性，水定容至20mL。取定容后的溶液1mL，利用標準葡萄糖DNS比色法測定還原性糖含量，并計算葡萄糖產率。

葡萄糖產率=溶液中還原糖質量/水解所用淀粉質量×100%

2.3.1 標準曲線的建立

各取1mL葡萄糖標準溶液，加入3mL DNS試劑，沸水浴10min后取出，待其恢復至室溫時加蒸餾水補足至20mL，于波長540nm處測定吸光度值。建立還原糖標準曲線。

2.3.2 樣品中還原糖含量測定

將中和后的水解溶液稀釋若干倍，取1mL稀釋后樣品加入3mL DNS試劑，沸水浴10min取出至室溫，加入蒸餾水補足至20mL，于波長540nm處測定吸光值，根據還原糖標準曲線及稀釋倍數計算出水解后溶液中還原糖的含量。

2.3.3 響應面實驗設計

前期單因素實驗發(fā)現，硫酸濃度為4mol/L，水解時間為10min，淀粉濃度為25mg/mL時，葡萄糖產率較高。在單因素實驗基礎上，以A（硫酸濃度）、B（水解時間）和C（淀粉濃度）為自變量，以葡萄糖產率為響應值（Y），采用BoxBehnken設計3因素3水平實驗，因素編碼和水平如表1所示。

3 結果與討論

3.1 還原糖標準曲線的確立

在實驗條件下，以葡萄糖濃度（mg/mL）為橫坐標，以540nm波長處吸光度為縱坐標繪制標準曲線，得到回歸方程為y=0.820x-0.053， R2=0.9988，線性良好，標準曲線如圖1所示。

3.2 響應面實驗結果

3.2.1 模型擬合及顯著性檢驗

根據單因素實驗結果，選擇硫酸濃度、水解時間、淀粉濃度為響應因素，以水解率為響應值，利用BoxBehnken原理設計15組實驗，其中包括3個中心點實驗，實驗設計及結果見表2，以DesignExpert 8.0.6為例，打開軟件選擇Response Surface項下的BoxBehnken選項卡，輸入因素名稱、單位及水平，點擊Continue，輸入響應變量及單位，即完成實驗設計。

3.2.2 因素交互作用

通過BoxBehnken法所得到的多元二次回歸模型及其響應面圖和等高線圖，可用于評價單因素對葡萄糖產率影響的兩兩交互作用，可以確定各個因素之間的最佳水平范圍。在交互作用的分析中，我們可以結合響應面的3D圖和等高線圖來分析各個因子的交互作用以及單個因素的影響水平。其中，在等高線圖中，若等高線圖呈圓形說明兩者交互作用不顯著；若等高線圖呈橢圓形，說明兩者交互作用顯著。在3D曲面分析中，若某一因素坡度較陡，說明此因素影響顯著；若某一因素坡度較緩，說明此因素影響較小[8， 9]。

圖2～圖4直觀地給出了各個因子交互作用的響應面的3D和等高線分析圖，軟件操作中，我們仍選擇analysis選項下Model Graphs選項，即可顯示各個因子交互作用的響應面的3D和等高線分析圖。

由圖2可以看出，當硫酸濃度一定時，葡萄糖產率隨著水解時間增長呈現先升高后降低趨勢，當水解時間一定時，葡萄糖產率隨著硫酸濃度增高呈現先上升后降低趨勢。等高線圖成圓形，說明兩者交互作用不顯著，曲面圖中可以看出硫酸濃度曲面較陡峭，且硫酸濃度沿軸向等高線較為密集，說明硫酸濃度較水解時間顯著，與表3中數據相符。

采用同樣方法分析淀粉濃度與硫酸濃度，以及淀粉濃度與水解時間因素的交互作用。由圖3可以看出淀粉濃度與硫酸濃度兩者交互作用顯著，且硫酸濃度較淀粉濃度顯著。由圖4可以看出淀粉濃度與水解時間兩者交互作用顯著，且水解時間較淀粉濃度顯著。

3.2.3 驗證實驗

對擬合的回歸方程分別求解，得到最佳參數： 硫酸濃度為4.52mol/L、水解時間為10.28min、淀粉濃度為23.5mg/mL。在此條件下，葡萄糖產率為82.48%。

為方便起見，選擇4.5mol/L硫酸、23mg/mL淀粉溶液，水浴10min為實驗條件，進行5次驗證實驗。在5次驗證實驗的前后，均對淀粉溶液取樣并用碘水測試。水解前的淀粉溶液遇碘水變藍，水解后（冷卻至室溫）溶液則不變藍。葡萄糖實際產率為81.55±0.61%，與計算值接近程度達98.87%。

4 結語

按前述實驗條件進行淀粉水解的演示操作，可以順利得到理想的現象。但意外的是，葡萄糖產率不論是計算值，抑或實驗值，均大幅低于100%。可能的原因有很多，如淀粉水解過程發(fā)生副反應，或葡萄糖在加熱條件下轉化為糠醛、有機酸等物質……具體是何種原因所致，需要通過進一步實驗來檢驗，如液相色譜等。

中學化學教材中仍有一些演示現象不理想、多因素控制的反應，也可以運用相應面法進行條件優(yōu)選，如乙酸乙酯的制取、銅與濃硫酸的反應等。因此，本文通過響應面法探究淀粉水解實驗的條件優(yōu)化，希望能起到拋磚引玉的作用，與同行探討。

參考文獻：

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