甘蔗中蔗糖的提取及含量测定实验设计

（山西水利职业技术学院，山西 运城 044004）

蔗糖转化反应是大学物理化学需要掌握的重点，选择使用旋光仪测定旋光度，利用旋光度和被测物浓度之间的定量关系绘制标准曲线，将外推法得到的甘蔗提取液初始浓度代入，计算即可得到甘蔗的蔗糖含量。蔗糖作为人体必不可少的六大营养元素之一，其研究应用一直是化学实验的热门项目，不仅如此，医药方面的应用前景也极其广阔。综合实验设计不仅为学生自主研究提供了极大的可能性，学生的独立思考能力也得到很大提高。

1 综合实验设计

1.1 目的要求

（1）熟练掌握旋光度和蔗糖浓度之间标准曲线的绘制方法，了解反应物浓度和旋光度之间的关系。

（2）了解旋光仪的基本原理，掌握其使用方法。

1.2 实验原理

蔗糖在水中转化为葡萄糖和果糖，其反应式为：

这是一个二级反应，在纯水中反应很慢，通常需要在H+催化下进行，反应中水是大量的，尽管反应需要消耗水，但仍可认为反应中水的浓度不变。H+是催化剂，其浓度不变。因此，在溶液中进行的蔗糖转化的反应，可看作一级反应。

式中：c为t时刻的反应物浓度；k为反应速率常数。

积分（1）式，可得

式中：c0为反应开始时反应物的浓度。

溶液的旋光度与温度、液层厚度、溶剂、溶质的旋光性以及浓度有关。当除浓度以外的其他条件固定时，旋光度α与溶液的浓度c成正比，即

式中：β为比例常数。

将（3）带入（2）式，可得：

由（2）式不难看出，以lnc在对t作图可得一条直线，由其截距可求初始浓度c0。在动力学研究方面，要快速测出t时刻的浓度c，常采用的方法是测定随着反应的进程而变化的体系的物理性质，如吸光度、旋光度、压力等。本实验通过测定体系的旋光度来反映参加反应的物质的浓度。结合（4）式，测定t时刻的旋光度α，以lnα对t作图，外推以求得α0，在标准曲线上取点进而计算初始浓度。

本实验采取直接从新鲜甘蔗中榨取甘蔗汁，也就是粗提纯的蔗糖溶液，设定该条件下的蔗糖浓度为初始浓度，若根据上述方法求得初始浓度，即是提取液中的蔗糖浓度，再根据标准溶液的曲线可求得新鲜甘蔗中的蔗糖含量。

1.3 仪器和试剂

WXG-4旋光仪（改造）1台；磨口三角瓶（250ml）2个；烘箱、电子天平；容量瓶（500ml）3个；烧杯（50ml）3个；滴管1支；SHB-3循环水多用真空泵1台；移液管（25ml）公用；室温温度计（0～100℃）；甘蔗制样分解机1台；玻璃棒；布氏漏斗1个；滤纸；HCl（4.0mol／dm-3）；蔗糖（分析纯）；新鲜甘蔗、蒸馏水；秒表。

1.4 实验步骤

1.4.1 旋光仪的使用及读数

旋光仪的操作分以下4步：

（1）如图1所示，打开旋光仪的电源，罩上灯罩，1分钟后，移开遮光板，使透光孔对准起偏镜。从目镜右（或左）侧小孔观测，同时调节使读数为“10度”。（2）调节目镜颈部的调焦螺旋，使三分视野清晰可见。（3）调节细调旋钮，使三分视野消失，此时的读数即为“仪器零点”。（4）测试时，始终调整三分视野清晰可见，即可读数。

旋光仪的读数：旋光仪目镜左右两侧各有一个直径为5mm的读数放大镜，通过它可光测读数窗中的仪器刻度。读数方法：副尺的零刻度在主尺上过“几”就读“整数几”；副尺“那条刻度线”和主尺先对齐，该副尺刻度线的值即为读数的小数部分。副尺可读两位小数，第二位小数不是“0”即是“5”读数。

图1 旋光仪示意图

1.4.2 甘蔗中蔗糖的提取及测定步骤

（1）用电子天平称取新鲜甘蔗两份，记下它们的质量m1和m2。（2）削皮，用榨汁机将其榨汁备用。（3）将榨汁机中的甘蔗汁转移至已经用蒸馏水洗净的500ml烧杯中，标记烧杯号码为1和2。（4）分别将两个烧杯中的甘蔗汁反复抽滤3次。（5）将其分别用500ml容量瓶定容，定温备用。（6）5分钟后，用25ml移液管从1号容量瓶中移取25ml蔗糖溶液至三角瓶中。（7）一人用25ml HCl移液管4.0mol.dm-3HCl溶液于三角瓶中，另一人手持秒表，当HCl溶液加到一半（估计液面到移液管胖肚中部）时，开始计时。注意：实验中决不能停秒表。（8）迅速旋转摇匀蔗糖盐酸混合溶液（不低于20周）后，将其来回倒入样品管，但应低于管口0.5～1mm。盖上封盖（注意对准卡口），上好螺丝，以不漏水为度。用滤纸揩干样品管外壁，来回倾斜样品管，务必使气泡位于样品管粗部。保持此状，把样品管放入旋光仪。（9）移开遮光板，先调好焦距（以后不再动），使三分视野清晰可见。（10）两人配合：一人调节细调旋钮，使三分视野亮度一致时（暗视野），立即说“好”，放上遮光板。读出旋光仪的读数（为第一个α1）。另一个人看着秒表，当同伴说“好”时，（不能停秒表）立即记下时间（先秒后分）。然后，再亲自核查第一人的读数是否正确。从开始计时读得第一组数据，用的时间尽可能少。（11）仍从1号容量瓶中移取25ml蔗糖溶液，重复操作（7）～（10），得到其他三组数据。（12）从2号容量瓶中移取溶液，继续重复操作4次。（13）将八组数据分析处理，选择最精确适合实验数据的一组记录下来备用。以此计算新鲜甘蔗的含糖量。（14）用自来水，洗衣粉，蒸馏水洗净用过的玻璃仪器，并把它们放回原处。让旋光仪复原。

1.4.3 标准曲线的绘制

（1）用电子天平称取分析纯蔗糖3g、4.5g、6g、7.5g、9g、10.5g分别放入6个50ml烧杯中，用20ml蒸馏水溶解后再用50ml容量瓶标定，分别标号1、2、3、4、5、6。（2）将各容量瓶放入恒温槽定室温。（3）5分钟后，从1号容量瓶中用移液管移取25ml蔗糖溶液至三角瓶中，测定其旋光度，记为α1。（4）重复操作，测定其他容量瓶内蔗糖溶液的浓度，反应时间均为10分钟。（5）在室温下绘制c-α曲线，记为室温下反应进行10分钟时的标准曲线。

1.5 数据记录与处理

（1）数据记录（见表1）。

（2）数据处理。将表1的数据绘制成标准曲线，如图2和图3，结合标准曲线处理数据。

表1 不同反应时间下甘蔗提取液的旋光度对数记录

图2 旋光度对数lnα-反应时间t曲线

图3 旋光度α-蔗糖浓度标准曲线

由图2可知，反应时间和蔗糖提取液的旋光度对数之间存在良好线性关系，外推法可得到初始浓度的对数lnα0=5.19365，即α0=180.1343。

在温度和压强等条件都固定的情况下，以实验室分析纯蔗糖为标准物绘制不同浓度的蔗糖溶液，在酸的催化条件下，绘制相同反应时间下不同浓度的蔗糖溶液旋光度和时间的标准曲线如图3所示。

由图3可得，相同反应时间条件下，被测物浓度和旋光度之间存在良好的线性关系，将α0=180.1343代入可得c0=0.1811mol／l，最后代入公式为新鲜甘蔗的质量291.5343g，v为容量瓶的容积500ml，x为蔗糖的分子量342mol.g-1，计算得到w=10.62%。

2 分析与思考

（1）仪器的正确使用。实验的开展目的是期望能全面考察学生对所学知识的掌握和综合运用程度，培养学生的创新、分析和解决问题的能力。实验中使用了分析天平、烧杯、容量瓶、烘箱、旋光仪等实验设备，要求学生能熟练掌握常规实验仪器设备的正确使用方法，提高实验操作基本技能。

（2）实验结果的处理。实验完毕以后，进一步分析实验现象，寻找蔗糖中蔗糖含量与标准曲线之间的关系，并能用origin作图软件正确处理数据，绘制相应的关系曲线。这样有利于提高学生分析问题的能力，并逐步养成科学的思维方法。

（3）思考。通过实验训练之后，要求学生完成以下思考题，并递交实验报告，促使学生不断地去思索和探究。有如下思考题：①在绘制标准曲线的时候应该注意哪些问题？②测定旋光度时，为什么要在酸加入一半的时候就开始计时？③使用旋光仪准确测定旋光度的要点是什么？

总之，通过综合实验，对拓展学生的知识面、培养学生良好的思维方法、提高创新能力、培养高质量的人才是大有益处的。