CC BY
351
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 (пираноз-ных и фуранозных) и открытой (с оксо-группой) форм, реактив, главными компонентами которого являются сульфат меди(П), гидроксид натрия и сегнетова соль [1].
В ходе реакции Фелинга альдегидная группа, окисляясь до карбоксильной, восстанавливает медь(П) до меди®. При этом выпадает осадок оксида меди® кирпично-красного цвета. В конце XIX в. эту реакцию начинают использовать для количественного определения сахаров. Первоначально осадок оксида меди® 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® и затем растворять его в растворе сульфата железа(Ш), подкисленном серной кислотой. При этом происходит окисление меди®, а количество образовавшегося железа(П) определяют перманганатометрически.
Недостатками метода Бертрана являются: большое число операций (проведение реакции при нагревании, отделение осадка оксида меди®, последующее его растворение и титрование), свободный доступ кислорода воздуха к реагирующей жидкости, в результате чего окисляется оксид меди® 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.
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(1), мешающего фиксировать конец титрования, - желтая кровяная соль, образующая с медью(1) 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 эбулио-статическом 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 Метод Бертрана Эбулиостатический метод Фотометрический метод
Продолжительность нагревания, 3 2 3
мин (+ время до начала (+ время до начала
кипения) кипения)
Определяемая концентрация РВ, 0,025... 2,5 0,5.1,3 0,5.1,5
мг/мл
Объем анализируемого раствора, 20 = 10.26 4,0
Точность анализа, мг/мл ± 0,01 ±0,01
Расход реагентов, г:
СиБ04-5Н20 0,80 0,10 0,0692
Метиленовый голубой - 0,0004 -
Сегнетова соль 4,0 0,50 0,20
ЫаОН 3,0 0,75 0,30
К4[Ре(СК)б]-3И20 - 0,040 0,016
ВД^е (Б04)2-12Н20 2,0 - -
н2бо4 7,45 - -
КМп04 = 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.
Реактивы. В работе были использованы реактивы следующих квалификаций: .О-глюкоза, .О-ксилоза, О-манноза, серная кислота, пентагидрат сульфата меди(11) - ч.; гидроксид натрия, железоаммонийные квасцы (додекагидрат сульфата железа(Ш)-аммония), метиленовый голубой - ч.д.а.; желтая кровяная соль (три-гидрат гексцианоферрата(П) калия), перманганат калия, сегнетова соль (тетрагидрат тартрата калия-натрия) - 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(11) 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
+ 0,012
РВ' = ■
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 = Я-РВ',
где Я - 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.
Таблица 2. Результаты определения РВ классическими и фотометрическим методами в пересчете
на глюкозу
Объект R Концентрация РВ, мг/мл, определенная методом
Бертрана эбулиостатическим фотометрическим
Раствор глюкозы - 0,89 0,91 0,88
Раствор маннозы - 1,05 1,03
Раствор ксилозы - 0,89 0,89
Гидролизат (береза) 2,50 0,98 0,98 0,98
Гидролизат (осина) 2,50 0,89 0,89 0,90
Гидролизат (ель) 2,00 1,01 1,01
Гидролизат (сосна) 2,00 1,02 1,01
Сульфитный щелок 1 50,0 0,99 1,04 0,97
Сульфитный щелок 2 50,0 1,05 1,10 1,05
Сульфитный щелок 3 66,7 0,86 0,94 0,87
Сульфитный щелок 4 50,0 0,86 0,78
Сульфитный щелок 5 50,0 0,93 0,86
Сульфитный щелок 6 50,0 1,04 1,00
Сульфитный щелок 7 50,0 0,78 0,85 0,80
Сульфит-спиртовая барда 8,33 0,68 0,94 0,57
Последрожжевая бражка 10,0 0,82 1,00 0,77
Бисульфитный щелок 1 16,7 0,63 0,87 0,74
Бисульфитный щелок 2 16,7 0,49 0,67 *
*при нагревании выпал осадок
Таблица 3. Результаты определения РВ классическими и фотометрическим методами в пересчете на глюкозу по схеме «введено-найдено»
Концентрация РВ, мг/мл, определенная методом
Объект «введено» Бертрана эбулиостатическим фотометрическим
определено «найдено» определено «найдено» определено «найдено»
Раствор глюкозы - 0,89 - 0,91 - 0,88 -
0,10 0,99 0,10 1,00 0,09 0,98 0,10
0,20 1,11 0,22 1,11 0,20 1,09 0,21
Сульфитный - 0,88 - 0,95 - 0,85 -
щелок 3 0,10 0,99 0,11 1,03 0,08 0,93 0,08
0,20 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. Химия: энциклопедия / под ред. И. Л. Кнунянц. М., 2003. 972 с.
2. Оболенская А.В, Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. М., 1991. 320 с.
3. Bertrand M. Le dosage des sucres reducteurs // Memoires presentes a la societe chimique. 1906. P. 1285-1299.
4. 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.
5. Низовкин В.К., Емельянова И.З. Эбулиостатический метод определения редуцирующих сахаров // Журнал прикладной химии. 1959. Т. 32. №11. С. 2516-2521.
6. Емельянова И.3. Химико-технический контроль гидролизного производства. М., 1976. 322 с.
7. Инструкция по химико-техническому контролю биохимической переработки сульфитных щелоков, предгидролиза-тов и гидролизатов (срок введения 1 июля 1982 г.). Пермь, 1982. 180 с.
8. 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.
