利用折射率衡量蔗糖水解反应的进程

种 晴，袁志峰，范 婷

(石河子大学 a.理学院；b.机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

利用折射率衡量蔗糖水解反应的进程

种 晴a，袁志峰b，范 婷a

(石河子大学 a.理学院；b.机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

利用旋光性溶液的折射率与旋光度的线性关联，研究了不同浓度的蔗糖溶液经盐酸水解过程中旋光度和折射率随时间的变化. 实验结果表明:在室温环境下，0.20 g/mL和0.15 g/mL的蔗糖水解溶液分别经120 min和145 min的反应时间,折射率和旋光度同时趋于稳定. 实验验证了反应过程中,酸水解蔗糖溶液的折射率随旋光度的变化成线性关系. 因此，利用水解过程中折射率或旋光度随时间的变化关系可判定水解反应的进程.

蔗糖；酸水解；旋光度；折射率；反应进程

蔗糖是由葡萄糖和果糖以糖苷键连接的二糖，将该糖苷键打开可获得果糖和葡萄糖各50%的果葡萄浆[1-2]. 一方面，由于果葡萄浆具有比葡萄糖、蔗糖明显优越的商业价值和利用价值，所以需求日益增加. 另一方面，国外已有中转化和全转化蔗糖生产果葡萄浆的先例，并且其相关产品已大量生产，我国的一些科研部门也进行了这方面的开发工作，其中使用最多的方法是采用酸水解蔗糖生产果葡萄糖浆[2]. 因此，研究蔗糖酸水解的转化进程显得至关重要，本文立足于旋光性溶液的旋光度与折射率的线性关系以及酸水解过程中溶液旋光度的变化关系，探索酸水解蔗糖溶液过程中的折射率随时间的变化关系，并通过这种关系判定酸水解蔗糖溶液的转化进程，进而提高蔗糖的利用率，减少原料的投入以获得高收益的果葡萄糖浆.

1 理论原理

1.1 酸水解蔗糖过程中的旋光度变化

蔗糖及其产物均为旋光物质，当反应进行时，如以1束偏振光通过溶液则可观察到偏振面的转移. 蔗糖是右旋物质，水解混合物中有左旋物质，所以偏振面将由右边旋向左边，偏振面的转移角度为旋光度，以α表示，因此利用体系在反应过程中旋光度的改变来量度反应的进程[3]. 蔗糖的比旋光度为66.6°，葡萄糖的比旋光度为52.5°，果糖是左旋物质，其比旋光度为-91.9°[4]. 因此，在反应的过程中，溶液的旋光度先是右旋，随着反应的进行右旋角度不断减小，过零后再变成左旋，直至蔗糖完全转化，左旋角度达到最大值.

1.2 旋光性溶液的旋光度与折射率的关系

由旋光性溶液折射率n与旋光度α的理论分析可得[5]：

(1)

α=An+B,

(2)

因此，当溶液浓度一定时，折射率和旋光度应成线性关系.

1.3 迈克耳孙干涉仪测液体折射率

利用迈克耳孙干涉仪等倾干涉条纹法[6]通过图1的装置测量液体折射率，比色皿中分别装有空气、参照液体(水)、待测液体，调节干涉条纹，使视野BB′和CC′间出现m条暗条纹(本次实验为3条暗条纹)，如图2所示，记录此时M1的位置读数分别为d1,d2和d3，由此推导出待测液体的折射率：

(3)

式中n2为参照液体的折射率(n2=1.333 0).

图1 实验装置

图2 干涉图样

2 实验材料与方法

2.1 试剂与仪器

分析纯蔗糖、3 mol/L盐酸、蒸馏水、WG-4圆盘旋光仪、EL-320S电子天平、迈克耳孙干涉仪、He-Ne激光器、比色皿.

2.2 实验方法

在室温环境下，采用3 mol/L的盐酸水解蔗糖[7]，在配置溶液前，调节迈克耳孙干涉仪，使干涉条纹明显，分别记录比色皿盛有空气和参照液体(水)时M1位置，然后配置蔗糖水解溶液，同时用旋光仪和迈克耳孙干涉仪分别测量旋光度和折射率，并每隔5 min记录其变化.

实验配置2种浓度0.20 g/mL和0.15 g/mL的蔗糖水解溶液，重复上述步骤，记录2组实验数据.

2.3 结果与讨论

1)旋光度随时间变化

旋光度随时间变化曲线如图3所示，由图3可知，0.20 g/mL的水解蔗糖溶液起始旋光度为6.50°，经过120 min的反应时间变化为-2.00°，并趋于稳定；0.15 g/mL的蔗糖溶液起始旋光度为5.95°，经过145 min的反应时间变化为-1.90°，并趋于稳定，如表1所示. 可见，不同浓度的蔗糖水解溶液的旋光度随时间变化最后都会趋于稳定，表明此时蔗糖转化成果葡萄糖的反应已进行完全，因而此时酸水解蔗糖的转化率也达到最大值.

图3 旋光度随时间变化曲线

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

2)折射率随时间变化

折射率随时间变化曲线如图4所示，由图4可知，0.20 g/mL和0.15 g/mL的蔗糖溶液经酸水解，分别经过120 min和145 min的反应时间折射率达到稳定如表2所示，可见，酸水解蔗糖过程中，折射率与旋光度表现出相似的规律，并且在相同的时刻趋于稳定，说明折射率可类比于旋光度用来衡量酸水解蔗糖的反应进程.

表2 不同浓度蔗糖溶液趋于稳定后的折射率

3)折射率随旋光度变化

折射率和旋光度的变化曲线如图5所示，由图5可知，0.20 g/mL的蔗糖溶液经酸水解过程中，折射率和旋光度的线性相关系数为0.990 72，满足线性方程y=1.317 5-0.001 1x,0.15 g/mL的蔗糖水解溶液在反应过程中折射率与旋光度的线性相关系数为0.967 2，满足线性方程y=1.298 2-0.001 8x. 由此可知，酸水解蔗糖转化为果糖和葡萄糖的过程中，溶液的折射率和旋光度始终保持线性关系.

图4 折射率n随时间t变化曲线

图5 折射率和旋光度的变化曲线

3 结 论

1) 在酸水解蔗糖过程中，虽然蔗糖水解溶液的浓度不同，但在水解过程中表现出的规律近似相同. 0.20 g/mL的蔗糖溶液经盐酸水解过程中，旋光度和折射率经过120 min相同的反应时间趋于稳定； 0.15 g/mL的蔗糖溶液经145 min

的酸水解时间，折射率与旋光度同时达到稳定. 因此折射率同旋光度一样可用于量度酸水解蔗糖的反应进程，提高蔗糖的利用率.

2) 蔗糖水解实验研究中大多观测水解反应过程中溶液的旋光度变化，但本次实验探究考虑到测量液体折射率的方法[8]简单多见，得到折射率同旋光度的相似规律，为工业上获得高收益的果葡萄浆提供新的判定方法[9].

3) 0.20 g/mL和0.15 g/mL的蔗糖溶液分别经盐酸水解过程中，折射率与旋光度满足线性方程y=a+bx，且线性相关度高. 因此，虽然酸水解过程中，蔗糖及其转化产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与旋光度关系仍然满足只有一种旋光性物质溶液的理论模型——线性关系，对旋光性物质[10]的科研以及果葡萄浆的生产具有指导意义.

[1] 朱艳,杨文春,党微. 盐酸催化蔗糖水解中反应速率常数和盐酸浓度等温关系式[J]. 天然产物研究与开发,2007，19(6):1067-1069.

[2] 吴文剑. 以蔗糖为原料制取高果糖浆工艺的研究[D]. 昆明:昆明理工大学,2005:3-69.

[3] 艾佑宏,吴慧敏,吴琼. 蔗糖水解实验数据处理方法的改进[J]. 化学研究,2007,18(1):80-83.

[4] 王金英,石秀梅,梁忆红,等. 蔗糖比旋光度的测定实验新设计[J]. 牡丹江医学院学报,2004,25(6):44-46.

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[6] 陈淑清. 迈克尔逊干涉仪等倾干涉条纹法测液体折射率[J]. 广西物理,2003,(1):28-29.

[7] 赵金和,兰翠玲,苏钦芳,等. 酸催化蔗糖水解的动力学研究[J]. 应用化工,2013,42(12):2191-2193.

[8] 辛督强,朱民,解延雷,张涛. 测量液体折射率的几种方法[J]. 大学物理,2007,26(1):34-37.

[9] 范家恒,吴文剑,周文英. 蔗糖制果糖及葡萄糖的工艺探索[J]. 甘蔗糖业,2007,(1):34-40.

[10] 高峻峰,孟玲菊. 物质的绝对构型与旋光性的关系[J]. 大学化学,2010,25(6):41-47.

[责任编辑：郭 伟]

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

石河子大学教改项目(No.SJ-2015-03)；混合教改专项(No.BL2016017)

种 晴(1993-)，女，安徽宿州人，石河子大学理学院应用物理学专业2013级本科生.

范 婷(1978-)，女，陕西宝鸡人，石河子大学理学院副教授，硕士，主要从事大学物理实验教学与研究工作.

O436.3

A

1005-4642(2017)08-0048-03