食品專業(yè)動力學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計
——胭脂紅降解反應(yīng)

林鄭忠，歐光南，黃志勇，陳素艷，王 力，鐘惠萍

(集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

基于以上想法，筆者研究了過硫酸鉀-硝酸銀-胭脂紅的動力學(xué)性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一套實驗教學(xué)方案，并用于實際教學(xué)。通過該實驗，學(xué)生可了解食品色素的穩(wěn)定性，掌握色素降解動力學(xué)參數(shù)的測定方法，驗證反應(yīng)的速率方程式。實驗方案能有效激發(fā)學(xué)生的興趣，調(diào)動學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和解決專業(yè)實際問題的能力。

一 實驗部分

(一)實驗儀器：UV5500紫外-可見分光光度計，1cm比色皿

(二)試劑:胭脂紅，過硫酸鉀，硝酸銀，硝酸鉀，均為分析純，來自國藥集團(tuán)，所有用水均為蒸餾水。

(三)溶液的配制

胭脂紅(1.0 mg·mL-1，約1.66×10-3mol·L-1)，K2S2O8( 0.05 mol·L-1)，AgNO3(0.02 mol·L-1)和KNO3(0.15 mol·L-1)，均為水溶液。

(四)胭脂紅可見光光譜的測定

在25 mL比色管中加入0.50 mL 胭脂紅溶液，加水定容至刻度，搖勻。潤洗比色皿3次，測定460-550 nm范圍內(nèi)的可見光光譜，選取最大吸收波長為工作波長。

(五)胭脂紅標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定

在25 mL比色管中分別加入胭脂紅溶液0.00 ml，0.10 ml，0.20 ml，0.40 ml，0.60 ml，0.80 ml，定容到刻度，在工作波長下測吸光度，繪制吸光度-濃度曲線，線性擬合測出摩爾吸光系數(shù)。

(六)測定不同反應(yīng)溶液的吸光度動力學(xué)曲線

按照表1配置4份反應(yīng)溶液，用水定容到25 mL，快速搖勻，并立刻計時。以水為空白，每隔2 min測吸光度。方案中K2S2O8濃度比其它物質(zhì)高，因此反應(yīng)體系的離子強度主要取決于K2S2O8，而3號反應(yīng)液中K2S2O8的量減少了一半，需要額外加入KNO3，使其離子強度與其他反應(yīng)液一致。

表1 四種不同反應(yīng)液的配制

二 實驗結(jié)果與討論

(一)胭脂紅的可見光光譜和標(biāo)準(zhǔn)曲線

胭脂紅的可見光光譜列在圖1。其最大吸收波長為508 nm。標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖2所示。線性擬合求出胭脂紅的摩爾吸光系數(shù)為1.62×104L·mol-1·cm-1(R2=0.999 2)。

(二)反應(yīng)速率的測定

根據(jù)反應(yīng)速率的定義和Lambert-Beer定律可得：

v=-d[L]/dt=-dA/dt(εl)-1

(1)

v為反應(yīng)速率(mol·L-1·min-1)，L為胭脂紅，A為吸光度(無單位)，ε為摩爾吸光系數(shù)(L·mol-1·cm-1)，l為比色皿厚度(該實驗l=1 cm)。

(三)級數(shù)和速率常數(shù)的確定

此反應(yīng)體系中，K2S2O8比胭脂紅過量很多，AgNO3

是催化劑，故它們的濃度在反應(yīng)進(jìn)行時基本不變，即

(2)

(3)

將式(3)兩邊取對數(shù)并移項整理后得到：

(4)

將v和各級數(shù)代入(2)，可求出平均速率常數(shù)k為2.83·10-3L·mol-1·min-1。

表2 反應(yīng)液動力學(xué)擬合結(jié)果

表3 各反應(yīng)物的級數(shù)

三 實驗方案設(shè)計

根據(jù)動力學(xué)測試結(jié)果，設(shè)計了一套實驗教學(xué)方案。

1.在一定波長范圍內(nèi)，測試胭脂紅溶液的可見光光譜，確定工作波長。波長范圍建議460-550 nm，每隔10 nm測一次吸光度，如果光度計支持連續(xù)波長掃描，范圍可擴(kuò)大。

2.加入不同用量(0.0-0.8 mL)的胭脂紅溶液，定容到25 mL，測試標(biāo)準(zhǔn)曲線。

3.根據(jù)表1配制4份反應(yīng)溶液，每隔2-4分鐘測吸光度，每份溶液測量時長約30 min，在同一圖中繪制A-t曲線。

4.根據(jù)A-t曲線計算v，n和k。

又因此制定了評價學(xué)生實驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)。

1.工作波長應(yīng)在510 nm附近，偏離不大于10 nm。

2.標(biāo)準(zhǔn)曲線R2大于0.99。

3.A-t曲線R2大于0.98。

4.級數(shù)測量值偏離理論值在±0.2之內(nèi)。

5.k和v的測量值不建議作為評判標(biāo)準(zhǔn)，因為不同比色皿會得到不同的測量值。

四 新方案實施效果

表4 兩種實驗方案各環(huán)節(jié)的達(dá)標(biāo)百分率

備注：按照“實驗方案設(shè)計”的標(biāo)準(zhǔn)計算達(dá)標(biāo)率。

兩種實驗方案的特性如表5所示。該方案中每份溶液在30 min基本都褪色完全，通過改變AgNO3溶液的起始濃度可以調(diào)節(jié)時長，而傳統(tǒng)方案需要40 min以上吸光度的變化才比較明顯(超過0.2)；該方案胭脂紅濃度很低，反應(yīng)物和產(chǎn)物毒性低，傳統(tǒng)方案的反應(yīng)物Cr3+和產(chǎn)物Cr6+都具有高毒性，且濃度高；該方案在反應(yīng)時溶液保持澄清，吸光度變化穩(wěn)定，而傳統(tǒng)方案在反應(yīng)時溶液略顯渾濁(如圖4所示)，因此吸光度變化不穩(wěn)定；該方案吸光度變化范圍大，測量結(jié)果準(zhǔn)確，靈敏度高，傳統(tǒng)方案由于Cr3+的摩爾吸光系數(shù)較小，吸光度變化不明顯，誤差較大；從傳統(tǒng)方案轉(zhuǎn)型到該方案只需替換一種試劑，實驗器材不變，容易轉(zhuǎn)型。綜上所述，該方案優(yōu)點明顯，適合食工和其他相關(guān)專業(yè)的動力學(xué)實驗教學(xué)。

表5 兩種實驗方案的指標(biāo)對比

備注1：要求學(xué)生只用一個比色皿，因此4份溶液的測試時間為2 h左右。

備注2：指反應(yīng)30min后的吸光度。

兩種方案反應(yīng)5, 10, 15, 25 min后溶液顏色的變化，左為傳統(tǒng)方案，右為該方案。傳統(tǒng)方案的溶液呈現(xiàn)渾濁。

五 結(jié)束語

對過硫酸鉀-硝酸銀-胭脂紅體系的反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行了探索，根據(jù)過硫酸根離子、 銀離子和胭脂紅濃度對胭脂紅分解速率的影響，求得3種反應(yīng)物的級數(shù)分別為1，1，0。據(jù)此設(shè)計了一套實驗教學(xué)方案。與傳統(tǒng)的過硫酸鉀-硝酸銀-硫酸鉻方案相比，該方案具有低毒性、低成本、高靈敏度、反應(yīng)現(xiàn)象變化明顯、專業(yè)適用面寬的優(yōu)點。該方案已經(jīng)在食品專業(yè)學(xué)生中實施，結(jié)果表明實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果都優(yōu)于傳統(tǒng)的動力學(xué)實驗，且有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。