基于向量角度转换和红外光谱对蔗糖—6—乙酸酯合成过程分析

粟晖 张景清 文毅 潘浩然 姚志湘

摘 要：研究应用基于向量角度转换提出一种新的近似线性定量方法，采用标准加入法分别向开环反应合成液和酰基转移反应液中加入不同量的蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A），经数据处理计算得出各样品与S-6-A对照品红外光谱的向量夹角，以夹角值和蔗糖-6-乙酸酯含量进行线性拟合，通过线性关系预测某反应时刻下合成溶液中蔗糖-6-乙酸酯的含量.结果表明，所建立标准曲线的决定系数R2均达到0.992 9以上，在两个反应过程中定量均得到令人满意的结果，相对误差均低于5.19%，所建立的分析方法可实现反应过程监测.

关键词：中红外光谱；向量夹角；蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A）

中图分类号：TQ281；O657.33 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.04.007

0 引言

三氯蔗糖是蔗糖的卤代衍生物，是一种新型的高甜度的甜味剂，其甜度约为蔗糖的650倍，在蔗糖工业领域，三氯蔗糖成为最有开发价值的物质[1].蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A）是单基团保护法合成三氯蔗糖最重要的中间体[2]，合成过程中蔗糖-6-乙酸酯的含量是影响合成产率的重要因素，所以，研究出一种快速有效的在线检测蔗糖-6-乙酸酯分析方法，对企业合成三氯蔗糖尤为重要.

近年来就合成三氯蔗糖过程中蔗糖-6-乙酸酯的分析研究，开展了大量工作，其中研究方法主要分为薄层色谱及液相色谱两类.喻理德等[3]采用薄层色谱法对合成过程中蔗糖-6-乙酸酯进行监控，结果表明采用丙酮-乙酸乙酯-冰乙酸-DMF做展开剂可以很好的分离蔗糖-6-乙酸酯.张英等[4]用反相高效液相色谱法检测蔗糖-6-乙酸酯的合成，结果表明在0.5～900 mg/L的范围内，蔗糖-6-乙酸酯与其分面积呈现良好的线性关系，建立的回归方程决定系数为0.991 2，检测限0.2 mg/L（S/N=2/1）.上述传统检测方法普遍具有耗时长、操作繁琐、仪器设备昂贵、危害环境等缺点，不易普及.因此，研究出具有普遍、快速、有效并且操作简便的检测方法，对检测合成过程中蔗糖-6-乙酸酯的含量具有非常重要的现实意义.

在过程工业新的发展背景下，由于多个学科领域的发展与交融，过程分析技术已经成了一个新兴的领域[5].基于光谱和化学计量学的现代过程分析技术成为多学科和多技术副合的成功典范之一[6-7].中红外ATR定量和基于多元统计的二次定量表明红外光谱是具有定量能力的[8-9].姚志湘等[10-11]前期通过角度度量转化思路，采用空间夹角结合光谱法提出了一种新的近似线性的定量方法，并进行了相关应用.本文利用红外光谱结合向量角度法对开环合成和酰基转移过程中的蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A）含量进行分析.采用KBr压片法，向待测样品中逐步加入待测组分得到混合样本.首先，对样本红外光谱信号进行一阶求导处理，消除基线对光谱的影响，提高光谱分辨率；然后，计算混合样本光谱与纯待测组分光谱的空间向量角度；最后，对夹角值与待测组分含量进行回归分析，建立标准曲线，实现定量.

1 基于角度转换的定量分析方法

红外光谱定量分析根据朗伯-比尔定律，光吸收量正比于光程中产生光吸收的分子数目，即仅考虑了分子对光的吸收.吸光度A是摩尔吸收系数K、光程b和吸光物质浓度c的函数：

[A=Kbc] （1）

对于KBr压片或者涂布，影响光能量检测除了样品内n种组分物质光吸收（[k=1nAk]）外，还受到克里斯坦森效应的影响，即包括来自KBr压片自身和其中分散固体颗粒的散射（S）.光能量E按照吸光度的透过率对数值定义，表示为：

[E=k=1nAk+S] （2）

考虑不同批次压片，由于制样存在光程差异，所以第j次的E为：

[Ej=k=1n（Ak）j+Sj?Ej=bj{k=1n（Kkckj）}+Sj] （3）

在不同的波长位置i上，保持同样关系.以向量表示[Ej=Eij]，[Aj=（Ai）j]，[Sj=（Si）j]，于是：

[Eij=k=1n（（Ak）i）j+（Si）j] （4）

若KBr及掺入样品的颗粒均匀，散射表现为平坦谱线，其一阶导数值非常小.可差分值代替，即：

[ΔEj=bjk=1n{ΔKkckj}] （5）

计算向量[Δ][Ej]和定义Aa为标准品，Aa的摩尔系数[ΔKa]的夾角余弦值D：

[cos（D）=ΔEj?ΔKaΔEjΔKa=bj（k=1n{ΔKkckj}）?ΔKabjk=1n{ΔKkckj}ΔKa=（k=1n{ΔKkckj}）?ΔKak=1n{ΔKkckj}ΔKa] （6）

若样品为二元混合组分，只含有两种物质待测物a与确定物质b，即此时有：

[cos（D）=（Kacaj+Kbcbj）?ΔKaKacaj+KbcbjΔKa] （7）

以浓度x代替c，若样品为多元混合组分，此时定义待测物质a在样品中的浓度为xa，此时物质b浓度换算为百分比浓度为xb=（1-xa），Kb=K（all-a），此时式（7）可改变为：

[cos（D）=Kaxaj+Kall-a（1-xa）j?ΔKaKaxaj+Kall-a（1-xa）jΔKa] （8）

根据式（8）推测将a物质作为待测物，b物质作为除了物质a外的其他物质，可推测出b也同样符合该公式.在式（8）中，除保留了含下标j的相对浓度xj，其他下标j的变量已经消除，即测量值已经不受批次制样差异影响.

因此，对于采用红外KBr压片和涂布法采集的红外光谱，将其进行一阶求导，除去加性误差，再将其转化为空间向量角度值，消除批次制样中光程b的差异，以百分比定义待测物样品的含量，则待测样品角度值与其中所含参照品含量成简单线性关系，即以计算结果角度值与含量作标准曲线，实现定量分析.

2 实验部分

2.1 实验仪器与试剂

傅里叶变换红外光谱仪（Frontier，美国Perkin Elmer公司），高效液相色谱仪（LC-20A，岛津），远红外快速干燥箱（WS70-1型，绍兴市泸越科学实验仪器厂），电子分析天平（CP214型，奥豪斯仪器（常州）有限公司）.

蔗糖（AR），蔗糖-6-乙酸酯对照品（纯度95.2%，HPLC测定），原乙酸三甲酯（AR），对甲苯磺酸（AR），二甲基甲酰胺DMF（AR），叔丁胺（AR），溴化钾（AR）.

2.2 系列样品制备

2.2.1 蔗糖-6-乙酸酯的合成

图1所示，为蔗糖-6-乙酸酯的合成路线图.以DMF为溶剂，蔗糖与原乙酸三甲酯在对甲苯磺酸的催化作用下发生缩醛化反应生成蔗糖-4，6-环酯，然后蔗糖-4，6-环酯在水作用下开环生成蔗糖-4-乙酸酯（S-4-A）和蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A），蔗糖-4-乙酸酯在酰基转移催化剂叔丁胺的作用下，4-位酯基转移到6位生成蔗糖-6-乙酸酯.

2.2.2 开环反应分析样品的制备

配制浓度为100.03 mg/mL蔗糖-6-乙酸酯对照品溶液，记为A1，取蔗糖-6-乙酸酯开环合成过程中15 min后的反应液（浓度2.65 mg/mL，HPLC测定），记为B1.分别取A1和B1溶液，在S-6-A浓度为2.65～95.16 mg/mL范围内梯度配比制样，记为C101—C110.取蔗糖-6-乙酸酯的合成反应在30 min、45 min、60 min、75 min的反应溶液，作为待测溶液，记为S101—S104.分别取A1、C101—C110和S101—S104溶液5 [μ]L均匀的涂抹在KBr片基的两面，并用吹风机吹干，制得蔗糖-6-乙酸酯开环合成过程中的组分样本、标准样本和待测样本.

2.2.3 酰基转移反应分析样品的制备

配制浓度为100.03 mg/mL蔗糖-6-乙酸酯对照品溶液，记为A2，取蔗糖-6-乙酸酯的合成过程中酰基转移反应30 min后的合成液（浓度19.875 mg/mL，HPLC测定），记为B2.分别取A2和B2溶液，在S-6-A的浓度为2.65～95.16 mg/mL范围内梯度配比制样，记为C201—C210.取蔗糖-6-乙酸酯的合成过程中酰基转移反应在30 min、45 min、60 min、75 min的反应溶液，作为待测溶液，记为S201—S204.分别取A2、C201—C210和S201—S204溶液5 [μ]L均匀涂抹在KBr片基的两面，并用吹风机吹干，制得酰基转移反应过程中的组分样本、标准样本和待测样本.

2.3 红外光谱数据采集

光谱采集范围为450～4 000 cm-1，分辨率为4 cm-1，数据间隔为1 cm-1，采集系列样品的中红外透射光谱数据.采集A集合样本光谱，作为组分光谱库；采集开环反应标准样本C1及酰基转移反应标准样本C2的红外光谱，作为标准光谱库，用来建立标准工作曲线；采集待测样本S1、S2，作为待测集样本库，检验所建立的标准曲线.

2.4 高效液相色谱分析

采用高效液相色谱作为合成检测过程检测S-6-A的参考方法，用参考值对本研究的预测值进行对比.条件如下：等梯度脱洗、AgilentC18柱、RID-10A示差折光检测器、柱温40 ℃流动相甲醇溶液、流速1.00 mL/min，进样量20 [μ]L.

2.5 数据处理方法

Step 1 将标准样品光谱数据C、目标组分A、待测样本S导入MATLAB，先对各样品光谱求一阶导数，进行滤波降噪实现基线校正，然后求取差分；

Step 2 以组分光谱的波长点数为参考，选取区间宽度（4 000～1 500 cm-1）的1/15作为移动窗口进行运算，窗口从组分光谱最小波数点开始逐步向最高波数点移动，分别计算组分光A与标准样本光谱C的夹角，得到对应窗口下的夹角值θi；

Step 3 选择相关系数k最大的移动窗口位置，计算出目标组分样本与标准样本的夹角值，并与其相对应的含量进行回归分析，建立标准曲线y=ax+b（y为目标组分含量，x为夹角值，a、b为常数）；

Step 4 计算待测样品光谱S与目标组分光谱A的θ值，并带入Step 3建立的标准曲线中，实现待测样品中目标组分的定量.

3 结果与讨论

3.1 开环反应样品分析

將标准样品光谱数据C1、目标组分A1、待测样本S1导入MATLAB，计算出目标组分样本与标准样本的夹角值，与每个混合样本中目标组分的含量进行回归分析，以蔗糖-6-乙酸酯含量为纵坐标，夹角值为横坐标，求出S-6-A在0～95 mg/mL范围内的标准曲线：y=111.3x+153.89，R2=0.994 6，如图2所示.

利用向量角度转换法对4个待测样本S101—S104进行S-6-A的含量分析，将标准光谱数据C1、目标组分A1、待测样本S1导入MATLAB，对待测样本利用向量角度转换法计算出待测样本S1与目标组分样本A1的夹角值，将该值带入S-6-A的标准工作曲线中，得待测样本中目标组分的含量，如表1所示.

3.2 酰基转移反应样品分析

将标准样品光谱数据C2、目标组分A2、待测样本S2导入MATLAB，计算出目标组分样本与标准样本的夹角值，与每个混合样本中目标组分的含量进行回归分析，以蔗糖-6-乙酸酯含量为纵坐标，夹角值为横坐标，求出酰基转移反应过程中S-6-A在0～95 mg/mL范围内的标准曲线：y=107.12x+156.74，R2=0.992 9，如图3所示.

利用向量角度转换法对制备的4个待测样本S201—S204进行S-6-A的含量分析，利用向量角度转换法计算出待测样本与目标组分样本的夹角值，带入酰基转移反应中S-6-A的标准工作曲线，得待测样本中目标组分的含量，如表2所示.

4 结论

将中红外光谱结合空间向量角算法，应用于蔗糖-6-乙酸酯合成过程中开环反应和酰基转移反应的蔗糖-6-乙酸酯含量分析：

1）建立了开环反应过程中S-6-A在0～95 mg/mL范围内的标准曲线，y=111.3x+153.89，R2=0.994 6.对待测样本进行检测，预测值与参考值的相对误差均小于4%；

2）建立的酰基转移反应过程中S-6-A在0～95 mg/mL范围内的标准曲线为：y=107.12x+156.74，R2=0.992 9.对待测样本进行分析，预测值与参考值的相对误差均在5.19%以内.

采用红外光谱法与向量角度转换法定量分析三氯蔗糖合成过程中的S-6-A是可行的，过程操作简单，分析速度快，极大地提高了检测效率，降低了检测成本，所建立的分析方法可为企业提供实时监测手段，对提高企业效益具有重大意义.

参考文献

[1]BINNS N M. Sucralose – all sweetness and light[J]. Nutrition Bulletin，2003，28（1）：53-58.

[2]吴红英，鲍宗必，张治国，等.甜味剂三氯蔗糖合成法的最新进展[J].化工进展，2016，35（1）：227-238.

[3]喻理德，黄绍华，胡晓波.蔗糖-6-乙酸酯合成过程的薄层层析研究[J].江西化工，2001（4）：34-36.

[4]张英，粟晖，韦异，等.反相高效液相色谱法监测蔗糖-6-乙酸酯合成[J].化学研究与应用，2004（2）：245-247.

[5]张秀萍，何书美. 红外光谱在定量分析中的应用[J]. 分析科学学报，2007，23（4）：484-488.

[6]陈智轩.基于空间变换和专家模糊技术的彩色图像对比度增强[J].广西科技大学学报，2018，29（3）：82-88.

[7]许伟，高远，范健文，等.基于遗传算法权值优化的汽车悬架最优模糊控制[J].广西科技大学学报，2014，25（4）：52-58.

[8]黄丽，李玲，冯玲，等. 基于多元统计方法进行水牛乳掺水定量鉴别[J]. 食品科学，2015，36（12）：205-208.

[9]姚志湘，粟晖，许文强，等.过程分析技术的理念与发展[J].广西工学院学报，2010，21（1）：4-10.

[10]胡祥均，刘柳，王捷，等.基于空间夹角判据测定水产品中孔雀石绿残留量[J].食品科学，2016，37（12）：222-225.

[11]姚志湘，孙增强，粟晖，等.通过向量角转换校正拉曼光谱中乘性干扰[J].光谱学与光谱分析，2016，36（2）：419-423.

Analysis of sucrose-6-acetate synthesis process based on vector angle

conversion and infrared spectroscopy

SU Hui1， 2， ZHANG Jingqing1， 2， WEN Yi1， 2， PAN Haoran1， 2， YAO Zhixiang*1， 2， 3

（1. School of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China； 2. Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China； 3. The Coordination Innovative Center of Sugar Industry of Guangxi， Nanning 530004， China）

Abstract： A new approximate linear quantitative method based on vector angle conversion was proposed. The standard addition method was used to add different amounts of sucrose-6-acetate to the ring-opening reaction synthesis solution and acyl transfer reaction solution （S-6-A）. According to the data processing， the vector angle of each sample and the infrared spectrum of the S-6-A reference product is calculated， and the angle is matched with the sucrose-6-acetate content to linearly fit， and the content of sucrose-6-acetate in the lower synthetic solution is predicted at a reaction time by linear relationship. The results show that the determination coefficient R2 of the established standard curve is above 0.992 9. The quantitative results are satisfactory in both reaction processes， and the relative error is less than 5.19%. The established analytical method can realize the reaction process monitoring.

Key words：mid-infrared spectroscopy； vector angle； sucrose-6-acetate（S-6-A）

（學科编辑：黎 娅）