基于向量角度轉(zhuǎn)換和紅外光譜對(duì)蔗糖—6—乙酸酯合成過程分析

粟暉 張景清 文毅 潘浩然 姚志湘

摘 要：研究應(yīng)用基于向量角度轉(zhuǎn)換提出一種新的近似線性定量方法，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法分別向開環(huán)反應(yīng)合成液和?；D(zhuǎn)移反應(yīng)液中加入不同量的蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A），經(jīng)數(shù)據(jù)處理計(jì)算得出各樣品與S-6-A對(duì)照品紅外光譜的向量夾角，以夾角值和蔗糖-6-乙酸酯含量進(jìn)行線性擬合，通過線性關(guān)系預(yù)測(cè)某反應(yīng)時(shí)刻下合成溶液中蔗糖-6-乙酸酯的含量.結(jié)果表明，所建立標(biāo)準(zhǔn)曲線的決定系數(shù)R2均達(dá)到0.992 9以上，在兩個(gè)反應(yīng)過程中定量均得到令人滿意的結(jié)果，相對(duì)誤差均低于5.19%，所建立的分析方法可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程監(jiān)測(cè).

關(guān)鍵詞：中紅外光譜；向量夾角；蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A）

中圖分類號(hào)：TQ281；O657.33 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.04.007

0 引言

三氯蔗糖是蔗糖的鹵代衍生物，是一種新型的高甜度的甜味劑，其甜度約為蔗糖的650倍，在蔗糖工業(yè)領(lǐng)域，三氯蔗糖成為最有開發(fā)價(jià)值的物質(zhì)[1].蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A）是單基團(tuán)保護(hù)法合成三氯蔗糖最重要的中間體[2]，合成過程中蔗糖-6-乙酸酯的含量是影響合成產(chǎn)率的重要因素，所以，研究出一種快速有效的在線檢測(cè)蔗糖-6-乙酸酯分析方法，對(duì)企業(yè)合成三氯蔗糖尤為重要.

近年來就合成三氯蔗糖過程中蔗糖-6-乙酸酯的分析研究，開展了大量工作，其中研究方法主要分為薄層色譜及液相色譜兩類.喻理德等[3]采用薄層色譜法對(duì)合成過程中蔗糖-6-乙酸酯進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果表明采用丙酮-乙酸乙酯-冰乙酸-DMF做展開劑可以很好的分離蔗糖-6-乙酸酯.張英等[4]用反相高效液相色譜法檢測(cè)蔗糖-6-乙酸酯的合成，結(jié)果表明在0.5～900 mg/L的范圍內(nèi)，蔗糖-6-乙酸酯與其分面積呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，建立的回歸方程決定系數(shù)為0.991 2，檢測(cè)限0.2 mg/L（S/N=2/1）.上述傳統(tǒng)檢測(cè)方法普遍具有耗時(shí)長(zhǎng)、操作繁瑣、儀器設(shè)備昂貴、危害環(huán)境等缺點(diǎn)，不易普及.因此，研究出具有普遍、快速、有效并且操作簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法，對(duì)檢測(cè)合成過程中蔗糖-6-乙酸酯的含量具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義.

在過程工業(yè)新的發(fā)展背景下，由于多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展與交融，過程分析技術(shù)已經(jīng)成了一個(gè)新興的領(lǐng)域[5].基于光譜和化學(xué)計(jì)量學(xué)的現(xiàn)代過程分析技術(shù)成為多學(xué)科和多技術(shù)副合的成功典范之一[6-7].中紅外ATR定量和基于多元統(tǒng)計(jì)的二次定量表明紅外光譜是具有定量能力的[8-9].姚志湘等[10-11]前期通過角度度量轉(zhuǎn)化思路，采用空間夾角結(jié)合光譜法提出了一種新的近似線性的定量方法，并進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)用.本文利用紅外光譜結(jié)合向量角度法對(duì)開環(huán)合成和?；D(zhuǎn)移過程中的蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A）含量進(jìn)行分析.采用KBr壓片法，向待測(cè)樣品中逐步加入待測(cè)組分得到混合樣本.首先，對(duì)樣本紅外光譜信號(hào)進(jìn)行一階求導(dǎo)處理，消除基線對(duì)光譜的影響，提高光譜分辨率；然后，計(jì)算混合樣本光譜與純待測(cè)組分光譜的空間向量角度；最后，對(duì)夾角值與待測(cè)組分含量進(jìn)行回歸分析，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，實(shí)現(xiàn)定量.

1 基于角度轉(zhuǎn)換的定量分析方法

紅外光譜定量分析根據(jù)朗伯-比爾定律，光吸收量正比于光程中產(chǎn)生光吸收的分子數(shù)目，即僅考慮了分子對(duì)光的吸收.吸光度A是摩爾吸收系數(shù)K、光程b和吸光物質(zhì)濃度c的函數(shù)：

[A=Kbc] （1）

對(duì)于KBr壓片或者涂布，影響光能量檢測(cè)除了樣品內(nèi)n種組分物質(zhì)光吸收（[k=1nAk]）外，還受到克里斯坦森效應(yīng)的影響，即包括來自KBr壓片自身和其中分散固體顆粒的散射（S）.光能量E按照吸光度的透過率對(duì)數(shù)值定義，表示為：

[E=k=1nAk+S] （2）

考慮不同批次壓片，由于制樣存在光程差異，所以第j次的E為：

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

在不同的波長(zhǎng)位置i上，保持同樣關(guān)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及摻入樣品的顆粒均勻，散射表現(xiàn)為平坦譜線，其一階導(dǎo)數(shù)值非常小.可差分值代替，即：

[ΔEj=bjk=1n{ΔKkckj}] （5）

計(jì)算向量[Δ][Ej]和定義Aa為標(biāo)準(zhǔn)品，Aa的摩爾系數(shù)[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）

若樣品為二元混合組分，只含有兩種物質(zhì)待測(cè)物a與確定物質(zhì)b，即此時(shí)有：

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

以濃度x代替c，若樣品為多元混合組分，此時(shí)定義待測(cè)物質(zhì)a在樣品中的濃度為xa，此時(shí)物質(zhì)b濃度換算為百分比濃度為xb=（1-xa），Kb=K（all-a），此時(shí)式（7）可改變?yōu)椋?/p>

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

根據(jù)式（8）推測(cè)將a物質(zhì)作為待測(cè)物，b物質(zhì)作為除了物質(zhì)a外的其他物質(zhì)，可推測(cè)出b也同樣符合該公式.在式（8）中，除保留了含下標(biāo)j的相對(duì)濃度xj，其他下標(biāo)j的變量已經(jīng)消除，即測(cè)量值已經(jīng)不受批次制樣差異影響.

因此，對(duì)于采用紅外KBr壓片和涂布法采集的紅外光譜，將其進(jìn)行一階求導(dǎo)，除去加性誤差，再將其轉(zhuǎn)化為空間向量角度值，消除批次制樣中光程b的差異，以百分比定義待測(cè)物樣品的含量，則待測(cè)樣品角度值與其中所含參照品含量成簡(jiǎn)單線性關(guān)系，即以計(jì)算結(jié)果角度值與含量作標(biāo)準(zhǔn)曲線，實(shí)現(xiàn)定量分析.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

傅里葉變換紅外光譜儀（Frontier，美國(guó)Perkin Elmer公司），高效液相色譜儀（LC-20A，島津），遠(yuǎn)紅外快速干燥箱（WS70-1型，紹興市瀘越科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器廠），電子分析天平（CP214型，奧豪斯儀器（常州）有限公司）.

蔗糖（AR），蔗糖-6-乙酸酯對(duì)照品（純度95.2%，HPLC測(cè)定），原乙酸三甲酯（AR），對(duì)甲苯磺酸（AR），二甲基甲酰胺DMF（AR），叔丁胺（AR），溴化鉀（AR）.

2.2 系列樣品制備

2.2.1 蔗糖-6-乙酸酯的合成

圖1所示，為蔗糖-6-乙酸酯的合成路線圖.以DMF為溶劑，蔗糖與原乙酸三甲酯在對(duì)甲苯磺酸的催化作用下發(fā)生縮醛化反應(yīng)生成蔗糖-4，6-環(huán)酯，然后蔗糖-4，6-環(huán)酯在水作用下開環(huán)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?；D(zhuǎn)移催化劑叔丁胺的作用下，4-位酯基轉(zhuǎn)移到6位生成蔗糖-6-乙酸酯.

2.2.2 開環(huán)反應(yīng)分析樣品的制備

配制濃度為100.03 mg/mL蔗糖-6-乙酸酯對(duì)照品溶液，記為A1，取蔗糖-6-乙酸酯開環(huán)合成過程中15 min后的反應(yīng)液（濃度2.65 mg/mL，HPLC測(cè)定），記為B1.分別取A1和B1溶液，在S-6-A濃度為2.65～95.16 mg/mL范圍內(nèi)梯度配比制樣，記為C101—C110.取蔗糖-6-乙酸酯的合成反應(yīng)在30 min、45 min、60 min、75 min的反應(yīng)溶液，作為待測(cè)溶液，記為S101—S104.分別取A1、C101—C110和S101—S104溶液5 [μ]L均勻的涂抹在KBr片基的兩面，并用吹風(fēng)機(jī)吹干，制得蔗糖-6-乙酸酯開環(huán)合成過程中的組分樣本、標(biāo)準(zhǔn)樣本和待測(cè)樣本.

2.2.3 ?；D(zhuǎn)移反應(yīng)分析樣品的制備

配制濃度為100.03 mg/mL蔗糖-6-乙酸酯對(duì)照品溶液，記為A2，取蔗糖-6-乙酸酯的合成過程中?；D(zhuǎn)移反應(yīng)30 min后的合成液（濃度19.875 mg/mL，HPLC測(cè)定），記為B2.分別取A2和B2溶液，在S-6-A的濃度為2.65～95.16 mg/mL范圍內(nèi)梯度配比制樣，記為C201—C210.取蔗糖-6-乙酸酯的合成過程中?；D(zhuǎn)移反應(yīng)在30 min、45 min、60 min、75 min的反應(yīng)溶液，作為待測(cè)溶液，記為S201—S204.分別取A2、C201—C210和S201—S204溶液5 [μ]L均勻涂抹在KBr片基的兩面，并用吹風(fēng)機(jī)吹干，制得?；D(zhuǎn)移反應(yīng)過程中的組分樣本、標(biāo)準(zhǔn)樣本和待測(cè)樣本.

2.3 紅外光譜數(shù)據(jù)采集

光譜采集范圍為450～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，數(shù)據(jù)間隔為1 cm-1，采集系列樣品的中紅外透射光譜數(shù)據(jù).采集A集合樣本光譜，作為組分光譜庫；采集開環(huán)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)樣本C1及?；D(zhuǎn)移反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)樣本C2的紅外光譜，作為標(biāo)準(zhǔn)光譜庫，用來建立標(biāo)準(zhǔn)工作曲線；采集待測(cè)樣本S1、S2，作為待測(cè)集樣本庫，檢驗(yàn)所建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線.

2.4 高效液相色譜分析

采用高效液相色譜作為合成檢測(cè)過程檢測(cè)S-6-A的參考方法，用參考值對(duì)本研究的預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比.條件如下：等梯度脫洗、AgilentC18柱、RID-10A示差折光檢測(cè)器、柱溫40 ℃流動(dòng)相甲醇溶液、流速1.00 mL/min，進(jìn)樣量20 [μ]L.

2.5 數(shù)據(jù)處理方法

Step 1 將標(biāo)準(zhǔn)樣品光譜數(shù)據(jù)C、目標(biāo)組分A、待測(cè)樣本S導(dǎo)入MATLAB，先對(duì)各樣品光譜求一階導(dǎo)數(shù)，進(jìn)行濾波降噪實(shí)現(xiàn)基線校正，然后求取差分；

Step 2 以組分光譜的波長(zhǎng)點(diǎn)數(shù)為參考，選取區(qū)間寬度（4 000～1 500 cm-1）的1/15作為移動(dòng)窗口進(jìn)行運(yùn)算，窗口從組分光譜最小波數(shù)點(diǎn)開始逐步向最高波數(shù)點(diǎn)移動(dòng)，分別計(jì)算組分光A與標(biāo)準(zhǔn)樣本光譜C的夾角，得到對(duì)應(yīng)窗口下的夾角值θi；

Step 3 選擇相關(guān)系數(shù)k最大的移動(dòng)窗口位置，計(jì)算出目標(biāo)組分樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本的夾角值，并與其相對(duì)應(yīng)的含量進(jìn)行回歸分析，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線y=ax+b（y為目標(biāo)組分含量，x為夾角值，a、b為常數(shù)）；

Step 4 計(jì)算待測(cè)樣品光譜S與目標(biāo)組分光譜A的θ值，并帶入Step 3建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線中，實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品中目標(biāo)組分的定量.

3 結(jié)果與討論

3.1 開環(huán)反應(yīng)樣品分析

將標(biāo)準(zhǔn)樣品光譜數(shù)據(jù)C1、目標(biāo)組分A1、待測(cè)樣本S1導(dǎo)入MATLAB，計(jì)算出目標(biāo)組分樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本的夾角值，與每個(gè)混合樣本中目標(biāo)組分的含量進(jìn)行回歸分析，以蔗糖-6-乙酸酯含量為縱坐標(biāo)，夾角值為橫坐標(biāo)，求出S-6-A在0～95 mg/mL范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)曲線：y=111.3x+153.89，R2=0.994 6，如圖2所示.

利用向量角度轉(zhuǎn)換法對(duì)4個(gè)待測(cè)樣本S101—S104進(jìn)行S-6-A的含量分析，將標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)C1、目標(biāo)組分A1、待測(cè)樣本S1導(dǎo)入MATLAB，對(duì)待測(cè)樣本利用向量角度轉(zhuǎn)換法計(jì)算出待測(cè)樣本S1與目標(biāo)組分樣本A1的夾角值，將該值帶入S-6-A的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線中，得待測(cè)樣本中目標(biāo)組分的含量，如表1所示.

3.2 酰基轉(zhuǎn)移反應(yīng)樣品分析

將標(biāo)準(zhǔn)樣品光譜數(shù)據(jù)C2、目標(biāo)組分A2、待測(cè)樣本S2導(dǎo)入MATLAB，計(jì)算出目標(biāo)組分樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本的夾角值，與每個(gè)混合樣本中目標(biāo)組分的含量進(jìn)行回歸分析，以蔗糖-6-乙酸酯含量為縱坐標(biāo)，夾角值為橫坐標(biāo)，求出?；D(zhuǎn)移反應(yīng)過程中S-6-A在0～95 mg/mL范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)曲線：y=107.12x+156.74，R2=0.992 9，如圖3所示.

利用向量角度轉(zhuǎn)換法對(duì)制備的4個(gè)待測(cè)樣本S201—S204進(jìn)行S-6-A的含量分析，利用向量角度轉(zhuǎn)換法計(jì)算出待測(cè)樣本與目標(biāo)組分樣本的夾角值，帶入?；D(zhuǎn)移反應(yīng)中S-6-A的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，得待測(cè)樣本中目標(biāo)組分的含量，如表2所示.

4 結(jié)論

將中紅外光譜結(jié)合空間向量角算法，應(yīng)用于蔗糖-6-乙酸酯合成過程中開環(huán)反應(yīng)和酰基轉(zhuǎn)移反應(yīng)的蔗糖-6-乙酸酯含量分析：

1）建立了開環(huán)反應(yīng)過程中S-6-A在0～95 mg/mL范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，y=111.3x+153.89，R2=0.994 6.對(duì)待測(cè)樣本進(jìn)行檢測(cè)，預(yù)測(cè)值與參考值的相對(duì)誤差均小于4%；

2）建立的?；D(zhuǎn)移反應(yīng)過程中S-6-A在0～95 mg/mL范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)曲線為：y=107.12x+156.74，R2=0.992 9.對(duì)待測(cè)樣本進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)值與參考值的相對(duì)誤差均在5.19%以內(nèi).

采用紅外光譜法與向量角度轉(zhuǎn)換法定量分析三氯蔗糖合成過程中的S-6-A是可行的，過程操作簡(jiǎn)單，分析速度快，極大地提高了檢測(cè)效率，降低了檢測(cè)成本，所建立的分析方法可為企業(yè)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)提高企業(yè)效益具有重大意義.

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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(xué)科編輯：黎 婭）