激光拉曼光谱仪在A-K糖冷却结晶中的应用研究

向蕾蕾，朱亮，沙作良

（天津市海洋资源与化学重点实验室，天津科技大学海洋科学与工程学院，天津300457）

激光拉曼光谱仪在A-K糖冷却结晶中的应用研究

向蕾蕾，朱亮*，沙作良

（天津市海洋资源与化学重点实验室，天津科技大学海洋科学与工程学院，天津300457）

采用激光拉曼光谱法对水中A-K糖的浓度进行测定。通过比较纯水和加了A-K糖后溶液之间拉曼谱图的变化找到了A-K糖特征峰位置为1 657 cm-1，以1 657 cm-1与水的拉曼光谱特征峰3 427 cm-1的相对强度比值和溶液浓度建立线性关系，从而建立校准模型。经验证此法可简单快速测定溶液浓度，最终利用此标准曲线实现对A-K糖在水中的冷却结晶的实时监测，这对研究A-K糖工业化生产过程的在线监控有着重大意义。

拉曼光谱；A-K糖；标准曲线；实时监测

A-K糖又称安赛蜜，化学名为乙酰磺胺酸钾，是世界上第四代合成甜味剂。A-K糖是近代发展起来的一种功能性甜味剂，它的甜度较高，为蔗糖的200倍，在体内不代谢故完全无热量。由于A-K糖在代谢中不需要胰岛素的促进，因而不会造成糖尿病患者血糖值的增加，是糖尿病患者很好的辅助治疗剂，同时也是许多功能性食品中重要的基料，其广泛应用于各种食品、饮料、口腔卫生、化妆品以及药剂上以遮盖苦味［1-2］。

激光拉曼光谱法是一种新型的检测技术，其快速、方便、无损等特点使拉曼光谱应用于广泛的领域［3-4］。理论上，在实验条件不变的情况下，拉曼信号的强度与被激发的分子键数成正比，即与溶液中溶质的浓度成正比。因此，可以通过样品的拉曼峰强度的变化来确定其浓度。此种定量分析方法称为标准曲线法［5］。本文利用拉曼光谱法测定了A-K糖在水中的浓度，经过对光谱原始数据的预处理，运用标准曲线法得到浓度的校准模型，经验证此法准确可用，并结合校准模型对A-K糖在水中的冷却结晶过程进行实时监测，其研究结论为利用拉曼光谱仪实现对A-K糖工业化生产过程的在线监控提供了参考。

1材料与仪器

1.1 材料与试剂

A-K糖（郑州景德化工产品有限公司）；实验室所用水为自制超纯水（18.3 MΩ·cm）。

1.2 仪器与设备

Lab RAM HR800激光显微共聚焦拉曼光谱仪（法国Horiba JOBIN YVON公司）。激发光源：20 mW，He-Ne 532.157 nm激光器；偏振度：500∶1；光栅刻线数：600 mm-1；共聚焦孔径：150 μm；Super Head激光探头。

Huber经济型恒温水油浴，型号K6-CC-NR：德国HUBER有限公司；规格100 mL的夹套式玻璃结晶器：自制；JB-3定时双向磁力恒温搅拌器：江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司。

2方法与结果

将待测样品溶液盛于结晶器中，使拉曼Super Head的激光探头浸入溶液液面以下约7 mm处，激光探头顶端发光处即激光聚焦焦点。光信号采集积分时间为5 s，积分2次平均。

2.1 A-K糖特征峰的选择

将纯水的拉曼光谱图与加入A-K糖后的A-K糖水溶液谱图进行比较（见图1），可以找到在约1657cm-1处有A-K糖的特征峰（C=O伸缩振动），且水在此位置没有拉曼特征峰，故可选择1 657 cm-1作为A-K糖的定量峰。同时，选择水在约3 427 cm-1处的特征峰（-CCO面内伸缩振动）作为溶剂的定量峰［6］。

图1 A-K糖水溶液与纯水的拉曼光谱图Fig.1Raman spectra of A-K solution and water

2.2 标准曲线的绘制

采用了20℃下浓度变化范围在0mg/mL～150mg/mL的9组水—A-K糖二元体系的标准溶液来建立拉曼校准模型，每个溶液重复测量5次。

对采集到的光谱数据的拉曼光谱数据运用Lab RAM HR800拉曼光谱仪上的自带软件NGS Lab-Spec进行预处理［7-10］：首先分别截取A-K糖1 657cm-1特征峰所在的1 620 cm-1～1 700 cm-1和水3 427cm-1特征峰所在的3 040 cm-1～3 800 cm-1两段光谱作为平滑窗口，用Savitzky-Golay法对光谱进行二级平滑（平滑窗口为17），对截取的光谱自动扣除背底，然后经过寻峰、近似、拟合的操作，读取软件中显示的处理后的A-K糖和水的特征峰强值Ia和Iw。计算相对强度R=Ia/Iw（见表1），在相对强度和浓度之间建立回归方程，可得到如图2的标准曲线方程y=347.906 1x-0.214 4，线性相关系数为0.998 1。

表1 不同浓度标准溶液的拉曼特征峰强比值数据表Table 1Concentration and ratio of characteristic peak

图2 A-K糖溶液浓度随光谱信息变化的标准曲线Fig.2Solution calibration curve showing A-K concentration as a function of the Raman response（n=5）

2.3 实样的测定

配制浓度分别为40、60 mg/mL的样品Ⅰ和样品Ⅱ两个样品溶液，用上述实验方法测定两个样品溶液的浓度，实测结果如表2中所示，平均浓度分别为40.47、60.76 mg/mL，RSD分别为0.812%、1.87%，实验表明本文所用标准曲线法所得的校准模型可以比较快速准确的测定溶液浓度。

表2 样品测定结果Table 2Analytical results of samples

2.4 冷却结晶过程的实时监测

将40 mL的纯水和22 g的A-K糖固体置于结晶器中，磁力搅拌速度固定为400 r/min，循环水浴温度控制在20℃，设置水浴的控温程序使其温度变化趋势如图3中所示。

图3 随时间的变化的A-K溶液浓度Fig.3Obtained A-K concentration profile for a batch time of 120 minutes.The batch temperature profile is overlaid

在控温程序开始运行的同时，开始采集溶液的拉曼光谱信息，时间间隔设为1 min，实验结束时共采集121个图谱。这些图谱数据经过如同上文的预处理后计算出峰强比值R，运用上述校准模型可得到溶液浓度随时间的变化图。

此外，在开始采集信息后的第30分、第66分和第90分时，各取出少量澄清溶液，用重量分析法测定其离线浓度。

如图3中所示，A-K糖在水中的浓度随时间变化，在开始的10分钟A-K糖在水中的溶解度随温度的上升而逐渐增大，所以溶液浓度在不断上升，直至A-K糖完全溶解于溶液中。接着拉曼信号出现了一段平台，此段时间里温度恒定不变，之后温度降低，随着温度降低溶液达到过饱和状态，有晶体析出，溶液浓度相应减小，直至达到固液平衡，不再有晶体析出。第66分钟和第90分钟时所取溶液的离线浓度均略小于拉曼信号所得浓度，这是由于溶液中有析出的悬浮粒子存在，对拉曼光谱仪的测量产生了影响。

3结论

本文中的实验结果表明运用标准曲线法可以在拉曼光谱的特征峰强度比值和标准溶液浓度之间建立起线性关系，得到校准模型，经实际样品验证证明此校准模型比较准确，从而证明标准曲线法是一种可通过拉曼光谱仪准确快速测定A-K糖水溶液浓度的方法。此外，本文利用拉曼光谱法对A-K糖水溶液进行了实时监测，在这段时间内，随着温度变化，溶液中产生溶解或结晶，使溶液浓度相应的产生变化，拉曼信号对这些变化有着较好的反应，从而证明利用拉曼光谱仪可以实现对A-K糖工业化生产的在线监控。

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Measurement of the Concentration of Acesulfame-K in Water Solvent and in Situ Monitoring of Cooling Crystallization with Raman Spectroscopy

XIANG Lei-lei，ZHU Liang*，SHA Zuo-liang
（Tianjin Key Laboratory of Marine Resources and Chemistry，College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300457，China）

Determine the concentration of Acesulfame-K in water solvent by using laser Raman spectroscopy. Through comparing the Raman spectra between the water solvent and the Acesulfame-K solvent，we find the characteristic peak position of Acesulfame-K is at 1 657 cm-1.We make a linear relationship between the relative intensity and solution concentration.Being validated，the standard curves is available to determination solution concentration simply and rapidly.At the last of this study，we monitor in situ the cooling crystallization of Acesulfame-K in water solvent with this standard curves.

Raman spectroscopy；Acesulfame-K；standard curves；in situ monitoring

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.09.024

2013-05-29

国家自然科学基金（No.21076157）资助项目；高等学校博士学科点专项科研基金（No.20121208120001）

向蕾蕾（1986—），女（汉），在读硕士，研究方向：仪器分析化学。

*通信作者