СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕДУЦИРУЮЩИХ

ХИМИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ. 2008. №4. С. 47–50.
УДК 543.635.2: 547.455
СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕДУЦИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ:
МЕТОД БЕРТРАНА, ЭБУЛИОСТАТИЧЕСКИЙ И ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ
МЕТОДЫ
©
В.А. Вешняков, Ю.Г. Хабаров*, Н.Д. Камакина
Архангельский государственный технический университет, наб. Северной
Двины, 17, Архангельск, 162002 (Россия). E-mail: [email protected]
На примере растворов моносахаридов, гидролизатов после определения легкогидролизуемых углеводов в древесине
разных пород и жидких сред сульфит-целлюлозного производства проведено экспериментальное сравнение трех методов определения редуцирующих веществ (Бертрана, эбулиостатического и нового фотометрического). Установлено, что
они позволяют получать сопоставимые результаты. Фотометрический метод по сравнению с классическими обладает
рядом преимуществ: меньшая трудоемкость, экспрессность и меньший расход реагентов.
Ключевые слова: Редуцирующие вещества, углеводы, моносахариды, медно-щелочной раствор, реактив Фелинга,
метод Бертрана, эбулиостатический метод, фотометрия, гидролизаты, сульфитные щелока.
Введение
Для определения сахаров уже более 150 лет используют так называемый медно-щелочной раствор, представляющий собой реактив Фелинга, состав которого в зависимости от способа определения редуцирующих
веществ (РВ) может несколько различаться. В 1849 г. Г. Фелинг предложил для качественного определения
восстанавливающих сахаров, для которых в растворах устанавливается равновесие циклических (пиранозных и фуранозных) и открытой (с оксо-группой) форм, реактив, главными компонентами которого являются
сульфат меди(II), гидроксид натрия и сегнетова соль [1].
В ходе реакции Фелинга альдегидная группа, окисляясь до карбоксильной, восстанавливает медь(II) до
меди(I). При этом выпадает осадок оксида меди(I) кирпично-красного цвета. В конце XIX в. эту реакцию
начинают использовать для количественного определения сахаров. Первоначально осадок оксида меди(I)
взвешивали [2]. Однако вскоре на смену гравиметрии пришла титриметрия. Широко известным и распространенным методом определения РВ стал метод, разработанный в 1906 г Бертраном [3, 4]. Он предложил
отделять осадок оксида меди(I) и затем растворять его в растворе сульфата железа(III), подкисленном серной кислотой. При этом происходит окисление меди(I), а количество образовавшегося железа(II) определяют перманганатометрически.
Недостатками метода Бертрана являются: большое число операций (проведение реакции при нагревании,
отделение осадка оксида меди(I), последующее его растворение и титрование), свободный доступ кислорода
воздуха к реагирующей жидкости, в результате чего окисляется оксид меди(I) и результаты искажаются,
отсутствие возможности точно учитывать поправку на самовосстановление медно-щелочного раствора и
необходимость использования эмпирических таблиц. Это приводит к затруднению воспроизведения условий анализа и тем самым снижает точность определения [4].
В 1959 г. был предложен эбулиостатический метод определения РВ, разработанный В.К. Низовкиным и
И.З. Емельяновой [5]. В работе [4] отмечается, что эбулиостатический метод лишен недостатков метода
Бертрана. Большое число операций было заменено непосредственным титрованием медно-щелочного раствора анализируемым раствором, т.е. стадия определения была совмещена с проведением реакции. Для исключения контакта кислорода воздуха с медно-щелочным раствором титрование производится в специаль*
Автор, с которым следует вести переписку.
48
В.А. ВЕШНЯКОВ, Ю.Г. ХАБАРОВ, Н.Д. КАМАКИНА
ном устройстве – эбулиостате, из которого атмосферный воздух вытесняется паром. Кроме того, при определении РВ эбулиостатическим методом не требуется использование эмпирических таблиц. В качестве индикатора в медно-щелочной раствор включен метиленовый голубой, а во избежание образования осадка
оксида меди(I), мешающего фиксировать конец титрования, – желтая кровяная соль, образующая с медью(I)
растворимый бесцветный комплекс.
Эбулиостатический метод определения РВ сразу же был «принят в качестве стандартного метода определения редуцирующих сахаров в полупродуктах гидролизных и сульфитно-спиртовых заводов» [5]. В связи
с чем он получил большое распространение в СССР [2, 4, 6, 7] и используется до сих пор.
Если говорить о недостатках эбулиостатического метода, то можно выделить следующие: необходимо проводить ориентировочное титрование, так как его результат используют для выполнения окончательного титрования, необходимо строго выдерживать скорость титрования (1 капля/2 с при ориентировочном и 1 капля/6…7 с
при окончательном титровании), так как отклонения будут завышать (при большей скорости) или занижать результаты. Кроме того, для анализа приходится использовать специальный прибор – эбулиостат.
Оба метода, как метод Бертрана, так и эбулиостатический, являются достаточно трудоемкими: первый –
главным образом из-за большого числа операций, а второй – из-за строгости поддержания постоянства скорости титрования.
В 2008 г. в Архангельском государственном техническом университете авторами был разработан новый
фотометрический метод определения РВ [8]. Метод отличается от двух классических, представленных выше, простотой выполнения, так как вместо титрования используется фотометрия.
Новый фотометрический метод основан на измерении светопоглощения при 670 нм медно-щелочного
раствора с добавкой анализируемого раствора сахаров до и после проведения реакции в течение 3 мин на
кипящей водяной бане. По результатам холостого и рабочего определений по уравнению градуировочного
графика вычисляют величину РВ. Используется такой же состав медно-щелочного раствора, как и в эбулиостатическом методе, но исключен индикатор метиленовый голубой.
В таблице 1 представлены исходные характеристики рассматриваемых методов: метода Бертрана по [4],
эбулиостатического по [5] и фотометрического по [8].
Как видно из таблицы 1, фотометрический метод является менее затратным: расход реагентов для него
почти в 2 раза меньше, чем для эбулиостатического, и на порядок меньше, чем в методе Бертрана.
Для экспериментального сравнения рассматриваемых методов были определены величины РВ в различных объектах.
Таблица 1. Некоторые характеристики классических и фотомтерического методов определения РВ
Характеристики
Продолжительность нагревания,
мин
Определяемая концентрация РВ,
мг/мл
Объем анализируемого раствора,
мл
Точность анализа, мг/мл
Метод Бертрана
3
(+ время до начала
кипения)
0,025…2,5
Эбулиостатический метод
2
(+ время до начала
кипения)
0,5…1,3
Фотометрический метод
3
20
≈ 10…26
4,0
0,5…1,5
…
± 0,01
±0,01
Расход реагентов, г:
CuSO4·5H2O
0,80
0,10
0,0692
Метиленовый голубой
–
0,0004
–
Сегнетова соль
4,0
0,50
0,20
NaOH
3,0
0,75
0,30
K4[Fe(CN)6]·3H2O
–
0,040
0,016
NH4Fe (SO4)2·12H2O
2,0
–
–
H2SO4
7,45
–
–
KMnO4
≈ 0,013…0,050
–
–
Примечание: все характеристики приведены в расчете на 1 определение, т.е., включая ориентировочное – для эбулиостатического и холостое – для фотометрического методов.
Экспериментальная часть
Оборудование. Оптическую плотность растворов при 670 нм измеряли на фотоколориметре КФК-2МП в
кюветах с толщиной рабочего слоя 1 см относительно дистиллированной воды.
СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕДУЦИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ …
49
Реактивы. В работе были использованы реактивы следующих квалификаций: D-глюкоза, D-ксилоза,
D-манноза, серная кислота, пентагидрат сульфата меди(II) – ч.; гидроксид натрия, железоаммонийные квасцы (додекагидрат сульфата железа(III)-аммония), метиленовый голубой – ч.д.а.; желтая кровяная соль (тригидрат гексцианоферрата(II) калия), перманганат калия, сегнетова соль (тетрагидрат тартрата калиянатрия) – х.ч.; вода – дистиллированная.
Методика определения РВ фотометрическим способом
Приготовление реактивов. В работе использовали 2 раствора: раствор 1 объемом 500 мл готовили растворением 8,650 г пентагидрата сульфата меди(II) в дистиллированной воде; раствор 2 объемом 500 мл готовили растворением 25,00 г сегнетовой соли, 2,00 г желтой кровяной соли и 37,5 г гидроксида натрия в
дистиллированной воде.
Проведение фотометрической реакции. В пробирке смешивали по 2,00 мл растворов 1 и 2 и 2,00 мл рабочего раствора, содержание РВ в котором находится в диапазоне 0,5…1,5 мг/мл (при необходимости рабочий раствор готовили разбавлением анализируемого раствора). Затем пробирку с реакционной смесью нагревали на кипящей водяной бане в течение 3 мин.
Измерение оптических плотностей рабочего и холостого определений. Реакционную смесь, полученную
после проведения реакции, сразу же переносили в кювету и измеряли оптическую плотность при 670 нм
(рабочее определение). Также измеряли оптическую плотность при 670 нм аналогичной реакционной смеси,
не подвергнутой нагреванию (холостое определение).
Расчет концентрации РВ. Концентрацию РВ, мг/мл, в рабочем растворе вычисляли по формуле
РВ' =
Ахол - А раб + 0,012
0,2946
,
где Ахол, Араб – оптические плотности при 670 нм, полученные в ходе соответственно холостого и рабочего
определений; 0,012 – поправка, связанная с увеличением поглощения при 670 нм собственно меднощелочного раствора при нагревании в течение 3 мин; 0,2946 – абсолютное значение тангенса угла наклона
градуировочной кривой.
Расчет концентрации РВ (мг/мл) в анализируемом растворе производят с учетом степени разбавления:
РВ = R·РВ',
где R – степень разбавления исходного объекта.
Объекты исследований. В качестве объектов исследования были использованы растворы глюкозы,
маннозы и ксилозы, 4 гидролизата, полученных при определении легкогидролизуемых полисахаридов [2] в
древесине березы, осины, ели и сосны, 7 производственных сульфитных щелоков, сульфит-спиртовая барда
и последрожжевая бражка и 2 бисульфитных щелока.
Обсуждение результатов
В таблице 2 представлены средние значения величин РВ в чистых растворах глюкозы, маннозы, ксилозы,
гидролизатах и производственных жидкостях сульфит-целлюлозного производства, определенные методами
Бертрана, эбулиостатическим и новым фотометрическим. Каждое определение проведено с 2 параллельными. Отклонение результатов параллельных определений от среднего значения для всех методов не превышало ± 0,01 мг/мл, что соответствует указанной в [3] точности.
Как видно из таблицы 2, все три метода дали одинаковые результаты при определении РВ в чистых растворах сахаров и в гидролизатах. В случае с жидкими средами сульфит-целлюлозного производства результаты немного различаются: эбулиостатический метод дает несколько завышенные результаты по сравнению
с фотометрическим и методом Бертрана. Также стоит отметить, что результаты определения РВ в сульфитных щелоках фотометрическим методом и методом Бертрана практически полностью совпали. При использовании сульфит-спиртовой барды и последрожжевой бражки методы дали отличающиеся друг от друга
результаты, что, по-видимому, связано с тем, что доля углеводов в сухих веществах этих растворов значительно снижена. Расхождение результатов определения РВ в бисульфитных щелоках также, вероятно, связано с низким содержанием моносахаридов и большим содержанием олигосахаридов и гемицеллюлоз.
В подтверждение приведенных выше результатов и их объяснения был использован метод добавок. Были
проанализированы растворы глюкозы и щелока, в которые предварительно внесли известное количество
глюкозы. Результаты определения представлены в таблице 3, из которой видно, что все три метода позволили с большой точностью определить величину добавки глюкозы. Поэтому расхождение результатов (табл. 2)
обусловлено поведением неуглеводных компонентов в условиях анализа.
50
В.А. ВЕШНЯКОВ, Ю.Г. ХАБАРОВ, Н.Д. КАМАКИНА
Таблица 2. Результаты определения РВ классическими и фотометрическим методами в пересчете
на глюкозу
Объект
R
Раствор глюкозы
Раствор маннозы
Раствор ксилозы
Гидролизат (береза)
Гидролизат (осина)
Гидролизат (ель)
Гидролизат (сосна)
Сульфитный щелок 1
Сульфитный щелок 2
Сульфитный щелок 3
Сульфитный щелок 4
Сульфитный щелок 5
Сульфитный щелок 6
Сульфитный щелок 7
Сульфит-спиртовая барда
Последрожжевая бражка
Бисульфитный щелок 1
Бисульфитный щелок 2
*при нагревании выпал осадок
–
–
–
2,50
2,50
2,00
2,00
50,0
50,0
66,7
50,0
50,0
50,0
50,0
8,33
10,0
16,7
16,7
Концентрация РВ, мг/мл, определенная методом
Бертрана
эбулиостатическим
фотометрическим
0,89
0,91
0,88
…
1,05
1,03
…
0,89
0,89
0,98
0,98
0,98
0,89
0,89
0,90
…
1,01
1,01
…
1,02
1,01
0,99
1,04
0,97
1,05
1,10
1,05
0,86
0,94
0,87
…
0,86
0,78
…
0,93
0,86
…
1,04
1,00
0,78
0,85
0,80
0,68
0,94
0,57
0,82
1,00
0,77
0,63
0,87
0,74
0,49
0,67
*
Таблица 3. Результаты определения РВ классическими и фотометрическим методами в пересчете
на глюкозу по схеме «введено-найдено»
Объект
«введено»
Раствор глюкозы
Сульфитный
щелок 3
–
0,10
0,20
–
0,10
0,20
Концентрация РВ, мг/мл, определенная методом
Бертрана
эбулиостатическим
фотометрическим
определено
«найдено»
определено
«найдено»
определено
«найдено»
0,89
–
0,91
–
0,88
–
0,99
0,10
1,00
0,09
0,98
0,10
1,11
0,22
1,11
0,20
1,09
0,21
0,88
–
0,95
–
0,85
–
0,99
0,11
1,03
0,08
0,93
0,08
1,09
0,21
1,12
0,17
1,04
0,19
Выводы
Метод Бертрана, эбулиостатический и новый фотометрический методы дают близкие результаты при определении РВ в чистых растворах сахаров и гидролизатах. Они обладают одинаковой воспроизводимостью:
отклонение параллельных определений от среднего составляет ± 0,01 мг/мл.
Преимуществом нового фотометрического метода является простота выполнения анализа и небольшой
расход реагентов.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Химия: энциклопедия / под ред. И.Л. Кнунянц. М., 2003. 972 с.
Оболенская А.В, Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М., 1991. 320 с.
Bertrand M. Le dosage des sucres réducteurs // Mémoires presentes a la societe chimique. 1906. P. 1285–1299.
Оболенская А.В., Щеголев В.П., Аким Г.Л, Аким Э.Л., Коссович Н.Л., Емельянова И.З. Практические работы по
химии древесины и целлюлозы. М., 1965. 412 с.
Низовкин В.К., Емельянова И.З. Эбулиостатический метод определения редуцирующих сахаров // Журнал прикладной химии. 1959. Т. 32. №11. С. 2516–2521.
Емельянова И.3. Химико-технический контроль гидролизного производства. М., 1976. 322 с.
Инструкция по химико-техническому контролю биохимической переработки сульфитных щелоков, предгидролизатов и гидролизатов (срок введения 1 июля 1982 г.). Пермь, 1982. 180 с.
Хабаров Ю.Г., Камакина Н.Д., Вешняков В.А. Фотометрический метод определения редуцирующих веществ // Известия вузов. Лесной журнал. 2009 (в печати).
Поступило в редакцию 29 сентября 2008 г.