指示剂法测量白酒中总酯含量的不确定度评定

2020-11-02左惠君姜艳丽张露月邱怡筠

酿酒科技 2020年9期

都芸，左惠君，姜艳丽，张露月，邱怡筠

（1.烟台市食品药品检验检测中心，山东烟台 264000；2.烟台市牟平区食品药品检验检测中心，山东烟台 264000）

白酒作为中国的国酒，具有悠久的历史和深厚的文化底蕴，并深受广大群众的喜爱[1]，酯类物质是白酒中香气的主要来源，不同香型酒的特征也往往都体现在酯类的分布和数量上[2]，其中浓香型白酒的主体香味物质是己酸乙酯，其含量的高低直接影响着浓香型白酒的质量[3]。因此，酯类物质是评价白酒品质高低的一项重要的理化指标。通过对白酒中总酯的测量不确定度评定，来评价检验结果的可靠性。可为实验室在该项目检测过程中提高数据结果的准确性作一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂及仪器

酒样：市售某品牌白酒。

氢氧化钠标准滴定溶液：[c(NaOH)=0.1000mol/L]，产品编号：GBW(E)081126，扩展相对不确定度=0.2%，厂家：深圳市博林达科技有限公司。

无水乙醇：分析纯，厂家：国药集团化学试剂有限公司。

仪器与设备：25 mL（A 级）酸式滴定管，25 mL（A 级）单标吸量管，50 mL（A 级）单标吸量管，天津市天玻玻璃仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 测量依据

用碱中和样品中的酸，再准确加入一定量的碱，加热回流使酯类皂化，用酸滴定过量的碱，通过消耗碱的量计算出总酯的含量[4]，根据标准要求实验室环境温度控制在（20±2）℃。

1.2.2 样品处理及测定

吸取白酒样品50.0 mL 于250 mL 回流瓶中，加2 滴酚酞指示剂，用氢氧化钠标准滴定溶液滴定至粉红色（切勿过量，过量1 滴氢氧化钠标准溶液，结果偏差0.01 g/L[5]），中和白酒中的总酸。再准确加入氢氧化钠标准滴定溶液25.00 mL，摇匀，沸水浴上回流30 min（或静置皂化24 h以上[6]），取下冷却，用硫酸标准滴定溶液进行滴定，使红色刚好完全消失为其终点，记录消耗硫酸标准滴定溶液的体积V1。

1.2.3 空白测定

吸取40 %（v/v）乙醇（无酯）溶液50.0 mL，加2滴酚酞指示剂，直接准确加入氢氧化钠标准滴定溶液25.00 mL，按照上述步骤进行操作，记录消耗硫酸标准滴定溶液的体积V0（经试验得出，50.0 mL乙醇（无酯）溶液加入1/4 滴氢氧化钠标准溶液就发生变色，忽略乙醇溶液的酸中和体积）。

1.2.4 计算公式

式中：X——白酒样品中总酯的质量浓度（以乙酸乙酯计），g/L；

C——硫酸标准滴定溶液的浓度，mol/L；

V0——空白试验消耗硫酸标准滴定溶液的体积，mL；

V1——白酒样品消耗硫酸标准滴定溶液的体积，mL；

88——乙酸乙酯（CH3COOC2H5）的摩尔质量的数值，g/mol。

2 结果与分析

2.1 测量数据及测量结果（表1）

表1 测量数据及测量结果

2.2 测量不确定度来源分析

根据《化学分析测量不确定度评定》[7]规则及白酒中总酯的计算公式可知，指示剂法测量白酒中总酯的含量不确定度来源主要有总酯测量重复性（A类不确定度）、取样体积、滴定体积、标准滴定溶液浓度、乙酸乙酯摩尔质量。具体组成见图1。

3 测量不确定度的评定

3.1 评定A类不确定度

图1 总酯测定不确定度来源图示

A 类不确定度即为测量重复性不确定度，等于测量结果平均值的标准偏差[8]。

8次测量结果的标准偏差：

3.2 评定取样体积V的不确定度u（V）

3.2.1 单标吸量管容量引入的不确定度u1（V）

50 mL A级单标吸量管容量允差[9]为±0.05 mL，按平均分布得：

3.2.2 温度波动对单标吸量管引入的不确定度u2（V）

白酒样品的实测酒精度为45.1 %vol，其体积膨胀系数：根据《新编酒精密度浓度和温度常数数据表》[10]中表Ⅱ“酒精溶液密度与温度和体积浓度关系表”，45%vol酒精在20 ℃附近的密度见表2。

表2 45%vol酒精在不同温度下的密度

根据表2 求得45 %vol 酒精溶液体积膨胀系数:7.7×10-4/℃；实验室环境温度变化为20 ℃±2 ℃，温度波动按均匀分布k=，则温度波动产生的不确定度：

3.2.3 评定取样体积的不确定度u（V）

容量和温度对取样体积的不确定度是互相独立的，合成二者得到取样体积的不确定度：

3.3 评定滴定体积（V0-V1）引入的不确定度

根据试验，酯类皂化消耗的碱由酸的滴定体积（V0-V1）计算，滴定体积（V0-V1）的不确定度由样品滴定体积V1、空白滴定体积V0引入，V1和V0可认为互相独立。

3.3.1 评定样品滴定体积的不确定度u（V1）

样品滴定体积V1的不确定度来源有中和酸过程、氢氧化钠标准溶液的吸取体积、滴定管的容量允差、温度波动、指示剂变色区间、读数误差6 个方面。

3.3.1.1 中和酸时体积引入的不确定度u中（V1）

中和酸时体积的不确定度来源于指示剂的变色区间，临近终点时，采用半滴技术滴定，指示剂变色区间为半滴的体积0.025 mL，中间值为最佳中和体积，如图2所示。

图2 指示剂变色区间示意图

3.3.1.2 吸取25 mL氢氧化钠标准溶液引入的不确定度u1（V1）

（1）温度波动对单标吸量管引入的不确定度u11（V1）

实验室环境温度变化为20 ℃±2 ℃，0.1000 mol/L氢氧化钠溶液膨胀系数取水的膨胀系数为2.1×10-4/℃[11]，温度波动按均匀分布，则温度波动产生的不确定度：

（2）单标吸量管体积测量的不确定度u12（V1）

试验中样品和空白溶液所加氢氧化钠标准溶液用同1 只25 mL 单标吸量管量取，其体积测量的不确定度来源于25 mL 单标吸量管测量体积的重复性，与容量允差无关。相同温度下重复测量单标吸量管中纯水的质量，以纯水质量的标准偏差来近似得到单标吸量管体积测量的重复性偏差[12]。10次测量结果见表3。

表3 相同温度下25 mL单标吸量管纯水质量

（3）吸取25 mL 氢氧化钠标准溶液引入的不确定度u1（V1）由温度波动和单标吸量管体积测量的重复性互相独立的两部分组成。

3.3.1.3 滴定管容量允差引入的不确定度u2（V1）

25 mL A级滴定管容量允差[9]为±0.04 mL，而实际滴定体积约为11.5 mL，参照GB 12807—1991《实验室玻璃仪器分度吸量管》[13]，11 mL 的容量偏差约为±0.02 mL，按均匀分布，得：

3.3.1.4 温度波动引入的不确定度u3（V1）

实验室环境温度变化为20 ℃±2 ℃，水的膨胀系数为2.1×10-4/℃，温度波动按均匀分布k=，则温度波动产生的不确定度：

3.3.1.5 终点指示剂的变色区间引入的不确定度u4（V1）

具体评定过程见3.3.1.1。

指示剂的变色区间引入的不确定度为u4（V1）=

3.3.1.6 读数时引入的不确定度u5（V1）

操作人员的眼睛分辨力可达0.1 mm 左右，其引起的质量误差为±1.0×10-2g[14]，滴定溶液的密度近似为20 ℃下蒸馏水的密度ρ=998.20 g/L，25 mL滴定管读数误差约为0.01 mL，按均匀分布k=计算：

3.3.1.7 合成样品滴定体积引入的不确定度u（V1）

样品滴定体积由u中（V1）、u1（V1）、u2（V1）、u3（V1）、u4（V1）、u5（V1）6 个相互独立的部分组成。合成得样品滴定体积的不确定度u（V1）。

3.3.2 空白滴定体积引入的不确定度u（V0）

空白滴定过程中和酸所用氢氧化钠标准滴定溶液的体积忽略不计，不进行评定。空白滴定过程中主要的不确定度分量有氢氧化钠标准溶液的吸取体积、滴定管的容量允差、温度、指示剂变色区间、读数误差、测量的重复性6个方面。

3.3.2.1 滴定管容量允差引入的不确定度u1（V0）

25 mL A级滴定管容量允差[9]为±0.04 mL，按均匀分布得：

3.3.2.2 温度波动引入的不确定度u2（V0）

实验室环境温度变化为20 ℃±2 ℃，水的膨胀系数为2.1×10-4/℃，温度波动按均匀分布k=，3次空白滴定体积为V0：24.10 mL、24.09 mL、24.12 mL，为24.10，则温度波动产生的不确定度：

3.3.2.3 3次测量平均值的标准偏差

3 次空白滴定体积为V0分别为24.10 mL、24.09 mL、24.12 mL，为24.10 mL，根据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》[15]运用极差法来计算引入的不确定度u3（V0），3 次测量极差系数

3.3.2.4 吸取25 mL氢氧化钠标准溶液引入的不确定度u4（V0）

具体评定过程见3.3.1.2，u4（V0）=0.0105 mL

3.3.2.5 指示剂的变色区间引入的不确定度u5（V0）

具体评定过程见3.3.1.5，u5（V0）=0.00722 mL

3.3.2.6 读数时引入的不确定度u6（V0）

具体评定过程见3.3.1.6，u6（V0）==0.00577 mL

3.3.2.7 合成空白滴定体积引入的不确定度u（V0）

空白滴定体积由u1（V0）、u2（V0）、u3（V0）、u4（V0）、u5（V0）、u6（V0）6 个相互独立的部分组成。合成得空白滴定体积的不确定度。

3.3.3 评定滴定体积（V0-V1）的不确定度u（V0-V1）

滴定体积（V0-V1）相对不确定度：ur（V0-V1）=

3.4 评定乙酸乙酯（C4H8O2=88）摩尔质量的不确定度

国际原子量由IUPAC(国际纯粹与应用化学联合会)每两年公布一次，目前最新的版本是2017版。碳、氢、氧3 种元素均以原子量“区间”[a,b]表示其原子量范围。根据IUPAC 发布的技术报告[19]，按均匀分布计算元素的标准不确定度，即u(Ar)=；在一般应用中，以a,b 平均值为元素的原子量值。具体数值见表4。

3.4.1 根据表4计算乙酸乙酯的不确定度u1（M）

表4 碳、氢、氧原子量数值

3.4.2 乙酸乙酯修约的不确定度u2（M）

公式中乙酸乙酯摩尔质量修约为88，存在修约的不确定度。

3.4.3 合成乙酸乙酯（C4H8O2=88）摩尔质量的不确定度

3.5 评定硫酸标准滴定溶液的不确定度ur（c）

硫酸标准滴定溶液c（1/2H2SO4）=0.1004 mol/L（GBW(E)081602），标准物质认定证书提供，扩展不确定度为0.2 %，则相对不确定度：ur（c）=0.001。

3.6 评定标准测量不确定度

根据评定过程可知，总酯测量重复性、取样体积、滴定体积、标准滴定溶液浓度、乙酸乙酯摩尔质量这五部分互相独立，因此合成相对不确定如下：

4 扩展不确定度及不确定度报告

取包含因子k=2，相对扩展不确定度Ur=k×ur=2×0.00491=0.00982≈1.0%。

白酒中总酯的结果：2.22（1±1.0%）g/L，k=2，式中正负号后的数为相对扩展不确定度Ur的值。

当以扩展不确定度U 表示时，U=0.022 g/L≈0.03 g/L，白酒中总酯的结果：（2.22±0.03）g/L，k=2，各类相对不确定度主要分量及贡献见表5及图3。

5 结果讨论与分析

5.1 从表5 可以看出，指示剂法测量白酒总酯中乙酸乙酯的不确定度评定中乙酸乙酯摩尔质量、滴定体积（V0-V1）的贡献最大，分别达到44.7 %和33.0%，次之为测量重复性占13.5%。乙酸乙酯摩尔质量的修约是其不确定度主要来源，究其原因在于摩尔质量修约保留的有效位数过少。因此在测定过程中检测人员需要正确的进行实验操作，控制好滴定速度，并可以通过增加平行测定次数来提高检测结果的准确性[16]，其次通过王运霄[17]、崔健[18]等研究人员的研究表明，氢氧化钠标准溶液的加入剂量及皂化时间对检测结果有一定的影响。

5.2 本文摩尔质量评定部分中的原子量采用IUPAC(国际纯粹与应用化学联合会)发布的最新版本（2017 版）。2017 版中包括碳、氢、氧等13 种元素以原子量“区间”[a,b]表示其原子量范围，71 个元素用Ar(U[Ar(E)])中心值后括号内带1 位不确定度值数据表示标准原子量。在IUPAC 发布的技术报告Atomic weights of the elements 2009[20]和Interpreting and propagating the uncertainty of the standard atomic weights（2018 版）[19]认为U[Ar(E)]是“a decisional uncertainty,或decisional expanded uncertainty”，可译为决策的扩展不确定度，因此括号内的不确定度不是标准不确定度；也不是一般意义的扩展不确定度，不能按扩展因子k=2 或3 来计算标准不确定度。技术报告规定“If there is no specific statement on the distribution of possible values,then the distribution should be regarded as a rectangular distribution”，译为“如果没有具体说明可能值的分布，则分布应视为矩形分布”，在其示例中亦按矩形分布评定。因此，的标准不确定度应按矩形分布评定，u。国内的文献中如CNASGL06《化学分析中不确定度的评估指南》[21]亦引用上述规定。而在JJF 1059.1—2012 中认为“基础计量学研究，基本物理常量测量通常使用合成标准不确定度”[15]，国际原子量中括号内为标准不确定度的值，并且在评定示例中引用这一规定，如Ar(K)=39.0983（1），钾的标准不确定度u[Ar(K)]=0.0001，这种观点似有不妥。