淀粉酸水解反应葡萄糖产率的探究

高洪芳 施志斌

摘要： 通过二硝基水杨酸（DNS）法测定淀粉水解的葡萄糖产率，并用响应面法建立硫酸浓度、淀粉浓度和水解时间等因素与葡萄糖产率之间的数学关系模型，得出硫酸浓度为4.52mol/L、水解时间为10.28min、淀粉浓度为23.5mg/mL时葡萄糖产率最高，计算值与实际值分别为82.48%和81.55%，二者相似程度达98.87%。

关键词： 淀粉水解； 二硝基水杨酸法； 葡萄糖产率； 响应面法； 实验探究

文章编号： 10056629（2018）8006905 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 引言

现行三个版本的高中化学必修、选修教材中，均多次出现淀粉水解实验。该实验通常还用于传授实验设计思想——完全不水解、部分水解和完全水解等不同情况的验证实验设计。但在实际演示过程中，往往容易发生“异常现象”，或不易出现“完全水解”的现象[1]。

淀粉在酸的催化作用下，先后生成糊精、低聚糖和麦芽糖等不完全水解产物，最终水解为葡萄糖[2]。根据淀粉完全水解的反应方程式为： （C6H10O5）n+nH2OnC6H12O6，笔者尝试用二硝基水杨酸法（以下简称为DNS法）测定淀粉水解后的葡萄糖产率，通过响应面法考察反应条件对水解产率的影响，寻找实验的最佳反应条件。

2 实验探究

2.1 实验原理简介

2.1.1 DNS法

在碱性条件下，DNS与还原糖共热后生成3氨基5硝基水杨酸，该产物显棕红色，且在一定浓度范围内颜色深浅与还原糖含量成比例关系，可以用比色法测定还原糖含量。

2.1.2 响应面法

响应面法是通过DesignExpert软件对反应条件与反应结果进行数学建模，找出最佳反应条件的实验方法。响应面设计法可以建立连续变量与响应值的曲面模型，从而可以连续地对实验的各个水平进行分析。其与正交设计等设计方法相比，具有实验次数少、数学模型预测好、省时省力等优势[3～6]。

2.2 仪器、药品及溶液制备

仪器： 分光光度计（岛津UV1800型）、恒温水浴锅、电子天平（梅特勒托利多AL104型）

药品： 可溶性淀粉（国药集团AR级，下同）、3，5二硝基水杨酸、苯酚、酒石酸钾钠、浓硫酸、氢氧化钠、碘

DNS试剂的制备： 准确称取18.2g酒石酸钾钠，溶于50mL蒸馏水中，45℃水浴加热，于热溶液中依次加入3，5二硝基水杨酸0.63g，氢氧化钠2.1g，苯酚0.5g，搅拌至完全溶解，冷却后用蒸馏水定容至100mL，贮于棕色瓶中，室温保存[7]。

标准葡萄糖溶液的制备： 分别精确称取20、 30、 50、 70、 90、 100mg葡萄糖，用蒸馏水溶解后转移至100mL容量瓶，配成标准葡萄糖溶液（浓度分别为0.20、 0.30、 0.50、 0.70、 0.90、 1.00，单位： mg/mL）。

2.3 实验方法

精确称取一定质量的淀粉，溶于10mL一定浓度的硫酸溶液中，水浴加热一定时长后，用NaOH溶液调节溶液pH至中性，水定容至20mL。取定容后的溶液1mL，利用标准葡萄糖DNS比色法测定还原性糖含量，并计算葡萄糖产率。

葡萄糖产率=溶液中还原糖质量/水解所用淀粉质量×100%

2.3.1 标准曲线的建立

各取1mL葡萄糖标准溶液，加入3mL DNS试剂，沸水浴10min后取出，待其恢复至室温时加蒸馏水补足至20mL，于波长540nm处测定吸光度值。建立还原糖标准曲线。

2.3.2 样品中还原糖含量测定

将中和后的水解溶液稀释若干倍，取1mL稀释后样品加入3mL DNS试剂，沸水浴10min取出至室温，加入蒸馏水补足至20mL，于波长540nm处测定吸光值，根据还原糖标准曲线及稀释倍数计算出水解后溶液中还原糖的含量。

2.3.3 响应面实验设计

前期单因素实验发现，硫酸浓度为4mol/L，水解时间为10min，淀粉浓度为25mg/mL时，葡萄糖产率较高。在单因素实验基础上，以A（硫酸浓度）、B（水解时间）和C（淀粉浓度）为自变量，以葡萄糖产率为响应值（Y），采用BoxBehnken设计3因素3水平实验，因素编码和水平如表1所示。

3 结果与讨论

3.1 还原糖标准曲线的确立

在实验条件下，以葡萄糖浓度（mg/mL）为横坐标，以540nm波长处吸光度为纵坐标绘制标准曲线，得到回归方程为y=0.820x-0.053， R2=0.9988，线性良好，标准曲线如图1所示。

3.2 响应面实验结果

3.2.1 模型拟合及显著性检验

根据单因素实验结果，选择硫酸浓度、水解时间、淀粉浓度为响应因素，以水解率为响应值，利用BoxBehnken原理设计15组实验，其中包括3个中心点实验，实验设计及结果见表2，以DesignExpert 8.0.6为例，打开软件选择Response Surface项下的BoxBehnken选项卡，输入因素名称、单位及水平，点击Continue，输入响应变量及单位，即完成实验设计。

3.2.2 因素交互作用

通过BoxBehnken法所得到的多元二次回归模型及其响应面图和等高线图，可用于评价单因素对葡萄糖产率影响的两两交互作用，可以确定各个因素之间的最佳水平范围。在交互作用的分析中，我们可以结合响应面的3D图和等高线图来分析各个因子的交互作用以及單个因素的影响水平。其中，在等高线图中，若等高线图呈圆形说明两者交互作用不显著；若等高线图呈椭圆形，说明两者交互作用显著。在3D曲面分析中，若某一因素坡度较陡，说明此因素影响显著；若某一因素坡度较缓，说明此因素影响较小[8， 9]。

图2～图4直观地给出了各个因子交互作用的响应面的3D和等高线分析图，软件操作中，我们仍选择analysis选项下Model Graphs选项，即可显示各个因子交互作用的响应面的3D和等高线分析图。

由图2可以看出，当硫酸浓度一定时，葡萄糖产率随着水解时间增长呈现先升高后降低趋势，当水解时间一定时，葡萄糖产率随着硫酸浓度增高呈现先上升后降低趋势。等高线图成圆形，说明两者交互作用不显著，曲面图中可以看出硫酸浓度曲面较陡峭，且硫酸浓度沿轴向等高线较为密集，说明硫酸浓度较水解时间显著，与表3中数据相符。

采用同样方法分析淀粉浓度与硫酸浓度，以及淀粉浓度与水解时间因素的交互作用。由图3可以看出淀粉浓度与硫酸浓度两者交互作用显著，且硫酸浓度较淀粉浓度显著。由图4可以看出淀粉浓度与水解时间两者交互作用显著，且水解时间较淀粉浓度显著。

3.2.3 验证实验

对拟合的回归方程分别求解，得到最佳参数： 硫酸浓度为4.52mol/L、水解时间为10.28min、淀粉浓度为23.5mg/mL。在此条件下，葡萄糖产率为82.48%。

为方便起见，选择4.5mol/L硫酸、23mg/mL淀粉溶液，水浴10min为实验条件，进行5次验证实验。在5次验证实验的前后，均对淀粉溶液取样并用碘水测试。水解前的淀粉溶液遇碘水变蓝，水解后（冷却至室温）溶液则不变蓝。葡萄糖实际产率为81.55±0.61%，与计算值接近程度达98.87%。

4 结语

按前述实验条件进行淀粉水解的演示操作，可以顺利得到理想的现象。但意外的是，葡萄糖产率不论是计算值，抑或实验值，均大幅低于100%。可能的原因有很多，如淀粉水解过程发生副反应，或葡萄糖在加热条件下转化为糠醛、有机酸等物质……具体是何种原因所致，需要通过进一步实验来检验，如液相色谱等。

中学化学教材中仍有一些演示现象不理想、多因素控制的反应，也可以运用相应面法进行条件优选，如乙酸乙酯的制取、铜与浓硫酸的反应等。因此，本文通过响应面法探究淀粉水解实验的条件优化，希望能起到抛砖引玉的作用，与同行探讨。

参考文献：

[1]王俏俏.实验现象“异常”： 非失败，而是不可预测——以探究“淀粉水解实验”中的“异常”现象为例[J].化学教与学， 2017，（10）： 54，85～86.

[2]李东军.微波条件下淀粉酸水解制备葡萄糖的研究[D].北京： 中国农业大学食品科学与营养工程学院硕士学位论文，2004： 3～6.

[3]张南生，孙卫军，郭虹等.BoxBehnken Design效应面法在制剂处方优化中的应用[J].中国医药导报，2015，（23）： 34～37.

[4]余小翠，刘高峰.响应面分析法在中药提取和制备工艺中的应用[J].中药材， 2010，（10）： 1651～1655.

[5]杨文雄，高彦祥.响应面法及其在食品工业中的应用[J].中国食品添加剂， 2005，（02）： 68～71.

[6]田泱源，李瑞芳.响应面法在生物过程优化中的应用[J].食品工程， 2010，（02）： 8～11，53.

[7]王鹏亭，赵宗杰，周荣灵等.3，5二硝基水杨酸法测定樟芝中多糖的含量[J].食品研究与开发，2016，（09）： 163～167.

[8]李莉，张赛，何强等.响应面法在试验设计与优化中的应用[J].实验室研究与探索， 2015，（08）： 41～45.

[9]聶小伟，何粉霞，陈志兵等.响应面优化海带岩藻聚糖硫酸酯的提取工艺研究[J].食品研究与开发，2017，（23）： 44～49，99.