指示劑法測量白酒中總酯含量的不確定度評定

都 蕓，左惠君，姜艷麗，張露月，邱怡筠

（1.煙臺市食品藥品檢驗檢測中心，山東煙臺 264000；2.煙臺市牟平區食品藥品檢驗檢測中心，山東煙臺 264000）

白酒作為中國的國酒，具有悠久的歷史和深厚的文化底蘊，并深受廣大群眾的喜愛[1]，酯類物質是白酒中香氣的主要來源，不同香型酒的特征也往往都體現在酯類的分布和數量上[2]，其中濃香型白酒的主體香味物質是己酸乙酯，其含量的高低直接影響著濃香型白酒的質量[3]。因此，酯類物質是評價白酒品質高低的一項重要的理化指標。通過對白酒中總酯的測量不確定度評定，來評價檢驗結果的可靠性。可為實驗室在該項目檢測過程中提高數據結果的準確性作一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

酒樣：市售某品牌白酒。

氫氧化鈉標準滴定溶液：[c(NaOH)=0.1000mol/L]，產品編號：GBW(E)081126，擴展相對不確定度=0.2%，廠家：深圳市博林達科技有限公司。

無水乙醇：分析純，廠家：國藥集團化學試劑有限公司。

儀器與設備：25 mL（A 級）酸式滴定管，25 mL（A 級）單標吸量管，50 mL（A 級）單標吸量管，天津市天玻玻璃儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 測量依據

用堿中和樣品中的酸，再準確加入一定量的堿，加熱回流使酯類皂化，用酸滴定過量的堿，通過消耗堿的量計算出總酯的含量[4]，根據標準要求實驗室環境溫度控制在（20±2）℃。

1.2.2 樣品處理及測定

吸取白酒樣品50.0 mL 于250 mL 回流瓶中，加2 滴酚酞指示劑，用氫氧化鈉標準滴定溶液滴定至粉紅色（切勿過量，過量1 滴氫氧化鈉標準溶液，結果偏差0.01 g/L[5]），中和白酒中的總酸。再準確加入氫氧化鈉標準滴定溶液25.00 mL，搖勻，沸水浴上回流30 min（或靜置皂化24 h以上[6]），取下冷卻，用硫酸標準滴定溶液進行滴定，使紅色剛好完全消失為其終點，記錄消耗硫酸標準滴定溶液的體積V1。

1.2.3 空白測定

吸取40 %（v/v）乙醇（無酯）溶液50.0 mL，加2滴酚酞指示劑，直接準確加入氫氧化鈉標準滴定溶液25.00 mL，按照上述步驟進行操作，記錄消耗硫酸標準滴定溶液的體積V0（經試驗得出，50.0 mL乙醇（無酯）溶液加入1/4 滴氫氧化鈉標準溶液就發生變色，忽略乙醇溶液的酸中和體積）。

1.2.4 計算公式

式中：X——白酒樣品中總酯的質量濃度（以乙酸乙酯計），g/L；

C——硫酸標準滴定溶液的濃度，mol/L；

V0——空白試驗消耗硫酸標準滴定溶液的體積，mL；

V1——白酒樣品消耗硫酸標準滴定溶液的體積，mL；

88——乙酸乙酯（CH3COOC2H5）的摩爾質量的數值，g/mol。

2 結果與分析

2.1 測量數據及測量結果（表1）

表1 測量數據及測量結果

2.2 測量不確定度來源分析

根據《化學分析測量不確定度評定》[7]規則及白酒中總酯的計算公式可知，指示劑法測量白酒中總酯的含量不確定度來源主要有總酯測量重復性（A類不確定度）、取樣體積、滴定體積、標準滴定溶液濃度、乙酸乙酯摩爾質量。具體組成見圖1。

3 測量不確定度的評定

3.1 評定A類不確定度

圖1 總酯測定不確定度來源圖示

A 類不確定度即為測量重復性不確定度，等于測量結果平均值的標準偏差[8]。

8次測量結果的標準偏差：

3.2 評定取樣體積V的不確定度u（V）

3.2.1 單標吸量管容量引入的不確定度u1（V）

50 mL A級單標吸量管容量允差[9]為±0.05 mL，按平均分布得：

3.2.2 溫度波動對單標吸量管引入的不確定度u2（V）

白酒樣品的實測酒精度為45.1 %vol，其體積膨脹系數：根據《新編酒精密度濃度和溫度常數數據表》[10]中表Ⅱ“酒精溶液密度與溫度和體積濃度關系表”，45%vol酒精在20 ℃附近的密度見表2。

表2 45%vol酒精在不同溫度下的密度

根據表2 求得45 %vol 酒精溶液體積膨脹系數:7.7×10-4/℃；實驗室環境溫度變化為20 ℃±2 ℃，溫度波動按均勻分布k=，則溫度波動產生的不確定度：

3.2.3 評定取樣體積的不確定度u（V）

容量和溫度對取樣體積的不確定度是互相獨立的，合成二者得到取樣體積的不確定度：

3.3 評定滴定體積（V0-V1）引入的不確定度

根據試驗，酯類皂化消耗的堿由酸的滴定體積（V0-V1）計算，滴定體積（V0-V1）的不確定度由樣品滴定體積V1、空白滴定體積V0引入，V1和V0可認為互相獨立。

3.3.1 評定樣品滴定體積的不確定度u（V1）

樣品滴定體積V1的不確定度來源有中和酸過程、氫氧化鈉標準溶液的吸取體積、滴定管的容量允差、溫度波動、指示劑變色區間、讀數誤差6 個方面。

3.3.1.1 中和酸時體積引入的不確定度u中（V1）

中和酸時體積的不確定度來源于指示劑的變色區間，臨近終點時，采用半滴技術滴定，指示劑變色區間為半滴的體積0.025 mL，中間值為最佳中和體積，如圖2所示。

圖2 指示劑變色區間示意圖

3.3.1.2 吸取25 mL氫氧化鈉標準溶液引入的不確定度u1（V1）

（1）溫度波動對單標吸量管引入的不確定度u11（V1）

實驗室環境溫度變化為20 ℃±2 ℃，0.1000 mol/L氫氧化鈉溶液膨脹系數取水的膨脹系數為2.1×10-4/℃[11]，溫度波動按均勻分布，則溫度波動產生的不確定度：

（2）單標吸量管體積測量的不確定度u12（V1）

試驗中樣品和空白溶液所加氫氧化鈉標準溶液用同1 只25 mL 單標吸量管量取，其體積測量的不確定度來源于25 mL 單標吸量管測量體積的重復性，與容量允差無關。相同溫度下重復測量單標吸量管中純水的質量，以純水質量的標準偏差來近似得到單標吸量管體積測量的重復性偏差[12]。10次測量結果見表3。

表3 相同溫度下25 mL單標吸量管純水質量

（3）吸取25 mL 氫氧化鈉標準溶液引入的不確定度u1（V1）由溫度波動和單標吸量管體積測量的重復性互相獨立的兩部分組成。

3.3.1.3 滴定管容量允差引入的不確定度u2（V1）

25 mL A級滴定管容量允差[9]為±0.04 mL，而實際滴定體積約為11.5 mL，參照GB 12807—1991《實驗室玻璃儀器分度吸量管》[13]，11 mL 的容量偏差約為±0.02 mL，按均勻分布，得：

3.3.1.4 溫度波動引入的不確定度u3（V1）

實驗室環境溫度變化為20 ℃±2 ℃，水的膨脹系數為2.1×10-4/℃，溫度波動按均勻分布k=，則溫度波動產生的不確定度：

3.3.1.5 終點指示劑的變色區間引入的不確定度u4（V1）

具體評定過程見3.3.1.1。

指示劑的變色區間引入的不確定度為u4（V1）=

3.3.1.6 讀數時引入的不確定度u5（V1）

操作人員的眼睛分辨力可達0.1 mm 左右，其引起的質量誤差為±1.0×10-2g[14]，滴定溶液的密度近似為20 ℃下蒸餾水的密度ρ=998.20 g/L，25 mL滴定管讀數誤差約為0.01 mL，按均勻分布k=計算：

3.3.1.7 合成樣品滴定體積引入的不確定度u（V1）

樣品滴定體積由u中（V1）、u1（V1）、u2（V1）、u3（V1）、u4（V1）、u5（V1）6 個相互獨立的部分組成。合成得樣品滴定體積的不確定度u（V1）。

3.3.2 空白滴定體積引入的不確定度u（V0）

空白滴定過程中和酸所用氫氧化鈉標準滴定溶液的體積忽略不計，不進行評定。空白滴定過程中主要的不確定度分量有氫氧化鈉標準溶液的吸取體積、滴定管的容量允差、溫度、指示劑變色區間、讀數誤差、測量的重復性6個方面。

3.3.2.1 滴定管容量允差引入的不確定度u1（V0）

25 mL A級滴定管容量允差[9]為±0.04 mL，按均勻分布得：

3.3.2.2 溫度波動引入的不確定度u2（V0）

實驗室環境溫度變化為20 ℃±2 ℃，水的膨脹系數為2.1×10-4/℃，溫度波動按均勻分布k=，3次空白滴定體積為V0：24.10 mL、24.09 mL、24.12 mL，為24.10，則溫度波動產生的不確定度：

3.3.2.3 3次測量平均值的標準偏差

3 次空白滴定體積為V0分別為24.10 mL、24.09 mL、24.12 mL，為24.10 mL，根 據JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》[15]運用極差法來計算引入的不確定度u3（V0），3 次測量極差系數

3.3.2.4 吸取25 mL氫氧化鈉標準溶液引入的不確定度u4（V0）

具體評定過程見3.3.1.2，u4（V0）=0.0105 mL

3.3.2.5 指示劑的變色區間引入的不確定度u5（V0）

具體評定過程見3.3.1.5，u5（V0）=0.00722 mL

3.3.2.6 讀數時引入的不確定度u6（V0）

具體評定過程見3.3.1.6，u6（V0）==0.00577 mL

3.3.2.7 合成空白滴定體積引入的不確定度u（V0）

空白滴定體積由u1（V0）、u2（V0）、u3（V0）、u4（V0）、u5（V0）、u6（V0）6 個相互獨立的部分組成。合成得空白滴定體積的不確定度。

3.3.3 評定滴定體積（V0-V1）的不確定度u（V0-V1）

滴定體積（V0-V1）相對不確定度：ur（V0-V1）=

3.4 評定乙酸乙酯（C4H8O2=88）摩爾質量的不確定度

國際原子量由IUPAC(國際純粹與應用化學聯合會)每兩年公布一次，目前最新的版本是2017版。碳、氫、氧3 種元素均以原子量“區間”[a,b]表示其原子量范圍。根據IUPAC 發布的技術報告[19]，按均勻分布計算元素的標準不確定度，即u(Ar)=；在一般應用中，以a,b 平均值為元素的原子量值。具體數值見表4。

3.4.1 根據表4計算乙酸乙酯的不確定度u1（M）

表4 碳、氫、氧原子量數值

3.4.2 乙酸乙酯修約的不確定度u2（M）

公式中乙酸乙酯摩爾質量修約為88，存在修約的不確定度。

3.4.3 合成乙酸乙酯（C4H8O2=88）摩爾質量的不確定度

3.5 評定硫酸標準滴定溶液的不確定度ur（c）

硫酸標準滴定溶液c（1/2H2SO4）=0.1004 mol/L（GBW(E)081602），標準物質認定證書提供，擴展不確定度為0.2 %，則相對不確定度：ur（c）=0.001。

3.6 評定標準測量不確定度

根據評定過程可知，總酯測量重復性、取樣體積、滴定體積、標準滴定溶液濃度、乙酸乙酯摩爾質量這五部分互相獨立，因此合成相對不確定如下：

4 擴展不確定度及不確定度報告

取包含因子k=2，相對擴展不確定度Ur=k×ur=2×0.00491=0.00982≈1.0%。

白酒中總酯的結果：2.22（1±1.0%）g/L，k=2，式中正負號后的數為相對擴展不確定度Ur的值。

當以擴展不確定度U 表示時，U=0.022 g/L≈0.03 g/L，白酒中總酯的結果：（2.22±0.03）g/L，k=2，各類相對不確定度主要分量及貢獻見表5及圖3。

5 結果討論與分析

5.1 從表5 可以看出，指示劑法測量白酒總酯中乙酸乙酯的不確定度評定中乙酸乙酯摩爾質量、滴定體積（V0-V1）的貢獻最大，分別達到44.7 %和33.0%，次之為測量重復性占13.5%。乙酸乙酯摩爾質量的修約是其不確定度主要來源，究其原因在于摩爾質量修約保留的有效位數過少。因此在測定過程中檢測人員需要正確的進行實驗操作，控制好滴定速度，并可以通過增加平行測定次數來提高檢測結果的準確性[16]，其次通過王運霄[17]、崔健[18]等研究人員的研究表明，氫氧化鈉標準溶液的加入劑量及皂化時間對檢測結果有一定的影響。

5.2 本文摩爾質量評定部分中的原子量采用IUPAC(國際純粹與應用化學聯合會)發布的最新版本（2017 版）。2017 版中包括碳、氫、氧等13 種元素以原子量“區間”[a,b]表示其原子量范圍，71 個元素用Ar(U[Ar(E)])中心值后括號內帶1 位不確定度值數據表示標準原子量。在IUPAC 發布的技術報告Atomic weights of the elements 2009[20]和Interpreting and propagating the uncertainty of the standard atomic weights（2018 版）[19]認為U[Ar(E)]是“a decisional uncertainty,或decisional expanded uncertainty”，可譯為決策的擴展不確定度，因此括號內的不確定度不是標準不確定度；也不是一般意義的擴展不確定度，不能按擴展因子k=2 或3 來計算標準不確定度。技術報告規定“If there is no specific statement on the distribution of possible values,then the distribution should be regarded as a rectangular distribution”，譯為“如果沒有具體說明可能值的分布，則分布應視為矩形分布”，在其示例中亦按矩形分布評定。因此，的標準不確定度應按矩形分布評定，u。國內的文獻中如CNASGL06《化學分析中不確定度的評估指南》[21]亦引用上述規定。而在JJF 1059.1—2012 中認為“基礎計量學研究，基本物理常量測量通常使用合成標準不確定度”[15]，國際原子量中括號內為標準不確定度的值，并且在評定示例中引用這一規定，如Ar(K)=39.0983（1），鉀的標準不確定度u[Ar(K)]=0.0001，這種觀點似有不妥。

表5 各類相對不確定度主要分量及貢獻

圖3 各類不確定度主要分量占比示意圖

5.3 樣品滴定過程，加入氫氧化鉀溶液前的指示劑顏色與滴定終點指示劑顏色不一致，導致系統誤差，屬測量方法的不確定度，不予評定。

5.4 樣品滴定體積V1的重復性合并在測量結果重復性不確定度評定中，不必在滴定體積V1中評定，而空白滴定體積V0的重復性不能合并在測量結果重復性中，需在空白滴定體積V0不確定度中進行評定。