拉曼光譜快速跟蹤蔗糖水解過(guò)程組分含量及動(dòng)力學(xué)研究

粟 暉， 馬金鴿， 忻 欣， 韓 瑩， 黃火蘭， 黃曉程， 姚志湘， 3*

1. 廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院, 廣西 柳州 545006 2. 西派特(北京)科技有限公司， 北京 100029 3. 廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心， 廣西 南寧 530004

引 言

傳統(tǒng)的多組分含量定性定量分析， 大多都是在離線(xiàn)下測(cè)量一些物理量來(lái)實(shí)現(xiàn)組分濃度的測(cè)定。 例如蔗糖的水解， 是高校普遍采用的一個(gè)典型的動(dòng)力學(xué)物化實(shí)驗(yàn)。 目前國(guó)內(nèi)外多采用旋光法測(cè)定蔗糖水解， 使用旋光儀測(cè)定其反應(yīng)過(guò)程， 但旋光法只適用于具有旋光性的溶液， 在時(shí)間間隔下測(cè)量會(huì)丟失數(shù)據(jù)點(diǎn)， 且容易產(chǎn)生較大的視差[1-2]。 此外糖含量分析也可采用色譜法， 包括液相色譜法[3]和氣相色譜法[4]， 這兩種方法靈敏度高， 可用于定性及定量分析， 但需對(duì)糖進(jìn)行衍生化處理。 這些傳統(tǒng)方法應(yīng)用相對(duì)廣泛， 但操作繁瑣， 誤差較大， 測(cè)量不連續(xù)， 難以實(shí)現(xiàn)多組分含量的在線(xiàn)快速分析。 近年來(lái)拉曼光譜成為實(shí)現(xiàn)樣品的非接觸定量分析的一種良好手段[5]， Ozbalci等[6]采用拉曼光譜法快速測(cè)定蜂蜜樣品中葡萄糖、 果糖、 蔗糖和麥芽糖的含量。

但拉曼光譜存在譜帶重疊、 熒光效應(yīng)等情況， 影響了光譜可辨識(shí)性和信號(hào)質(zhì)量， Widjaja[7]等采用BTEM(目標(biāo)波段熵最小化)來(lái)識(shí)別純組分及其相對(duì)濃度， 跟蹤乙酸酐水解過(guò)程。 姚志湘等[8]發(fā)現(xiàn)， 如果被關(guān)注向量和其他向量子空間關(guān)系確定， 體系總體誤差呈正態(tài)分布， 那么被關(guān)注向量上誤差也是正態(tài)分布， 即可通過(guò)向量空間角的轉(zhuǎn)換來(lái)消除光譜差異。 利用向量的方向確定性， 將信號(hào)的強(qiáng)度量轉(zhuǎn)換成向量空間角， 提出一種消除乘性效應(yīng)的方法， 在葡萄糖發(fā)酵液[9]、 聚氨酯預(yù)聚物聚合過(guò)程[10]等體系的定量分析中得到驗(yàn)證， 并進(jìn)一步通過(guò)討論光通道和背景影響的光譜強(qiáng)度的變化情況以及蘊(yùn)藏其中的定量的關(guān)系， 提出一種基于角度轉(zhuǎn)換的近似線(xiàn)性定量方法， 實(shí)現(xiàn)采用中紅外光譜結(jié)合向量夾角直接定量三氯蔗糖， 該方法無(wú)需大數(shù)據(jù)建模， 不依賴(lài)光譜特征響應(yīng)， 為過(guò)程在線(xiàn)分析檢測(cè)提供了參考。

本文以蔗糖水解為例， 利用角度轉(zhuǎn)換方法， 建立蔗糖水解體系中拉曼光譜和蔗糖組分含量和關(guān)聯(lián)模型， 并應(yīng)用于該多元反應(yīng)不同水解條件下的組分含量快速分析和水解過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品與儀器

蔗糖(AR)， 果糖(AR)， 葡萄糖(AR)， 鹽酸(AR)。

拉曼光譜儀(ExR610， 西派特(北京)有限公司)， 分析天平(AR124CN， 奧豪斯儀器有限公司)， 圓盤(pán)旋光儀(WXG-4， 上?？萍忌旯庥邢薰?， 恒溫水浴鍋(DC-2015， 寧波新芝生物科技有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 建模樣本配制和拉曼光譜采集

根據(jù)蔗糖水解反應(yīng)中的計(jì)量數(shù)關(guān)系， 以物質(zhì)的量變化值為1∶1∶1的配比， 蔗糖濃度為1～0 mol·L-1， 果糖、 葡萄糖濃度分別為0～1 mol·L-1， 每隔0.05 mol·L-1配制21份不同濃度梯度的蔗糖、 果糖、 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)混合溶液， 將樣本S1—S21分別置于測(cè)量瓶中， 分別采集標(biāo)準(zhǔn)液的拉曼數(shù)據(jù)， 每份采集3次。

拉曼光譜采集參數(shù)： 光譜積分時(shí)間10 s； 平滑點(diǎn)數(shù)0； 中心波長(zhǎng)532 nm； 功率等級(jí)8， 拉曼位移范圍為300～3 500 cm-1。

1.2.2 模型建立及樣本組分含量分析

分析模型建立及蔗糖水解過(guò)程中蔗糖組分含量變化測(cè)定的流程如圖1所示。

圖1 研究流程圖

1.2.3 不同條件下的蔗糖水解過(guò)程拉曼光譜分析

分別進(jìn)行不同蔗糖濃度、 HCl濃度、 溫度下的蔗糖水解過(guò)程分析。 取100 mL錐形瓶， 放入反應(yīng)液； 將拉曼探頭從瓶口伸入直射液面， 使激光聚焦在溶液內(nèi)， 每隔3 min采集一次拉曼數(shù)據(jù)， 當(dāng)反應(yīng)至30 min后， 每隔5 min采集一次拉曼數(shù)據(jù)。

在26.5 ℃下， 測(cè)定0.5 mol·L-1的鹽酸分別催化濃度為0.625， 0.75， 0.875和1.00 mol·L-1的蔗糖溶液水解過(guò)程； 分別測(cè)定0.625， 0.75， 0.875和1.00 mol·L-1的鹽酸溶液催化0.75 mol·L-1的蔗糖溶液過(guò)程； 分別測(cè)定在26.5， 30和40 ℃下0.75 mol·L-1的蔗糖溶液與0.75 mol·L-1鹽酸溶液反應(yīng)過(guò)程。

1.2.4 旋光法分析蔗糖水解過(guò)程

在26.5 ℃下， 分別取25 mL的0.75 mol·L-1的蔗糖溶液與1.00 mol·L-1鹽酸溶液， 放入50 mL旋光管中， 反應(yīng)65 min， 每間隔3 min記錄反應(yīng)過(guò)程中的旋光度。

1.2.5 反應(yīng)速率常數(shù)及活化能的計(jì)算

(1)拉曼光譜法測(cè)定反應(yīng)速率常數(shù)

將采集的拉曼光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 得到的夾角值方差代入分析標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)中， 得到反應(yīng)過(guò)程蔗糖濃度， 繪制蔗糖濃度與反應(yīng)的時(shí)間關(guān)系圖， 由線(xiàn)性方程斜率求得水解速率常數(shù)。

(2)反應(yīng)活化能Ea的計(jì)算

2 結(jié)果與討論

2.1 建立分析模型

蔗糖對(duì)照品、 果糖、 葡萄糖及建模樣本S10的拉曼光譜圖如圖2所示。

圖2 建模樣品S10、 蔗糖對(duì)照品、 葡萄糖及果糖的原始譜圖

截取掉1 732～2 667 cm-1之間的無(wú)特征峰信號(hào)區(qū)域， 由圖可見(jiàn)特征峰集中出現(xiàn)在拉曼位移為279～1 731和2 668～3 098 cm-1的區(qū)域， 選擇該區(qū)域作為光譜區(qū)間。 將所測(cè)得的建模樣本拉曼光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB2018b計(jì)算平臺(tái)中， 取其中S1， S3， S5， S7， S9， S11， S13， S15， S17， S19和S21共11個(gè)樣品， 選取279～1 731和2 668～3 098 cm-1區(qū)域處的光譜數(shù)據(jù)， 經(jīng)過(guò)二階求導(dǎo)平滑降噪。 設(shè)置此區(qū)間波長(zhǎng)的的1/11寬度為移動(dòng)窗口， 從最小波數(shù)點(diǎn)279 cm-1開(kāi)始， 計(jì)算樣本光譜與蔗糖對(duì)照品光譜的系列夾角方差值Dxi， 建立樣本中蔗糖含量與Dxi的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)為y=-1.604 5x+1.631， 相關(guān)系數(shù)r=0.997 0。

同理， 計(jì)算其余樣本的夾角方差值， 帶入標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)中， 得到預(yù)測(cè)濃度及誤差分析見(jiàn)表1， 相對(duì)誤差范圍在-3.390%～7.333%之間。 通過(guò)表1結(jié)果可知， 研究建立的模型預(yù)測(cè)效果良好， 適用于多組分含量的快速分析。

表1 蔗糖的預(yù)測(cè)濃度與誤差分析結(jié)果

2.2 拉曼光譜分析不同條件下的蔗糖水解過(guò)程

采集不同蔗糖初始濃度、 不同鹽酸初始濃度、 不同溫度下的蔗糖水解過(guò)程的拉曼光譜， 將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB2018b計(jì)算平臺(tái)中； 參照建模過(guò)程數(shù)據(jù)處理?xiàng)l件， 計(jì)算得到水解過(guò)程拉曼光譜與蔗糖對(duì)照品拉曼光譜的夾角方差值Db， 代入2.1節(jié)建立好的模型中， 求得不同反應(yīng)條件下的蔗糖的濃度值。

不同水解條件下體系的蔗糖濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化見(jiàn)圖3所示。

圖3 不同條件下蔗糖濃度隨時(shí)間變化圖

計(jì)算得到不同初始蔗糖濃度的水解過(guò)程的反應(yīng)速率見(jiàn)表2。

表2 不同初始蔗糖濃度下反應(yīng)速率結(jié)果表

蔗糖水解的反應(yīng)速率常數(shù)公式可寫(xiě)為式(4)形式

(4)

2.3 反應(yīng)速率常數(shù)及活化能的計(jì)算

在26.5和40 ℃下， 使用拉曼光譜法和旋光法分別測(cè)定1.0 mol·L-1HCl催化0.75 mol·L-1蔗糖的水解反應(yīng)， 并計(jì)算相應(yīng)的反應(yīng)速率K及活化能Ea。

采用拉曼光譜法測(cè)量反應(yīng)， 得到26.5 ℃下反應(yīng)時(shí)間t與lnc的關(guān)系方程為y=-0.031x-0.284 1， 得到反應(yīng)速率常數(shù)K1=0.031， 由lnc0=-0.284 1可反推出蔗糖初始濃度測(cè)量值c0=0.75 mol·L-1， 與反應(yīng)體系蔗糖初始濃度真實(shí)值相吻合。 同理， 計(jì)算出40 ℃下反應(yīng)速率常數(shù)K2=0.197 8。 帶入數(shù)值到阿侖尼烏斯方程， 求得活化能Ea=107.1 kJ·mol-1， 與文獻(xiàn)值[11]吻合。

26.5 ℃下， 隨著反應(yīng)不斷記錄不同時(shí)間下的旋光度α。 在該反應(yīng)體系下α∞=-8.15， 旋光管長(zhǎng)度d=10 cm。 作時(shí)間t與ln(α-α∞)的關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 旋光法測(cè)得的時(shí)間t與ln(α-α∞)的關(guān)系圖

由圖4可見(jiàn)， 時(shí)間t與ln(α-α∞)的關(guān)系方程為y=-0.031 5x+3.945 9， 得到蔗糖水解的速率常數(shù)K=0.031 5。 將26.5 ℃下拉曼光譜法計(jì)算得到的水解反應(yīng)速率常數(shù)與旋光法的反應(yīng)速率常數(shù)進(jìn)行對(duì)比， 絕對(duì)誤差為0.000 5， 表明拉曼光譜結(jié)合角度轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究是可行的。

3 結(jié) 論

使用拉曼光譜儀采集蔗糖水解過(guò)程中的光譜數(shù)據(jù)， 通過(guò)角度轉(zhuǎn)換法建立含量-角度值模型， 模型的線(xiàn)性方程相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.997， 準(zhǔn)確度較高； 通過(guò)監(jiān)測(cè)水解過(guò)程中蔗糖濃度隨時(shí)間的變化而獲得水解反應(yīng)速率常數(shù)， 改變蔗糖濃度、 鹽酸濃度和溫度等條件， 分析蔗糖的水解過(guò)程， 將計(jì)算得到的水解反應(yīng)速率常數(shù)與旋光法進(jìn)行對(duì)比， 絕對(duì)誤差為0.000 5。 該法無(wú)需進(jìn)行樣品前處理即可實(shí)現(xiàn)蔗糖水解過(guò)程中組分含量的在線(xiàn)追蹤， 進(jìn)而進(jìn)行反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究， 簡(jiǎn)單快捷， 為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究提供一種新型高效的研究方法。