食品专业动力学实验教学设计——胭脂红降解反应

林郑忠，欧光南，黄志勇，陈素艳，王 力，钟惠萍

(集美大学食品与生物工程学院，福建 厦门 361021)

基于以上想法，笔者研究了过硫酸钾-硝酸银-胭脂红的动力学性质，在此基础上设计了一套实验教学方案，并用于实际教学。通过该实验，学生可了解食品色素的稳定性，掌握色素降解动力学参数的测定方法，验证反应的速率方程式。实验方案能有效激发学生的兴趣，调动学生的积极性，培养学生创造性思维和解决专业实际问题的能力。

一 实验部分

(一)实验仪器：UV5500紫外-可见分光光度计，1cm比色皿

(二)试剂:胭脂红，过硫酸钾，硝酸银，硝酸钾，均为分析纯，来自国药集团，所有用水均为蒸馏水。

(三)溶液的配制

胭脂红(1.0 mg·mL-1，约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)，均为水溶液。

(四)胭脂红可见光光谱的测定

在25 mL比色管中加入0.50 mL 胭脂红溶液，加水定容至刻度，摇匀。润洗比色皿3次，测定460-550 nm范围内的可见光光谱，选取最大吸收波长为工作波长。

(五)胭脂红标准曲线的测定

在25 mL比色管中分别加入胭脂红溶液0.00 ml，0.10 ml，0.20 ml，0.40 ml，0.60 ml，0.80 ml，定容到刻度，在工作波长下测吸光度，绘制吸光度-浓度曲线，线性拟合测出摩尔吸光系数。

(六)测定不同反应溶液的吸光度动力学曲线

按照表1配置4份反应溶液，用水定容到25 mL，快速摇匀，并立刻计时。以水为空白，每隔2 min测吸光度。方案中K2S2O8浓度比其它物质高，因此反应体系的离子强度主要取决于K2S2O8，而3号反应液中K2S2O8的量减少了一半，需要额外加入KNO3，使其离子强度与其他反应液一致。

表1 四种不同反应液的配制

二 实验结果与讨论

(一)胭脂红的可见光光谱和标准曲线

胭脂红的可见光光谱列在图1。其最大吸收波长为508 nm。标准曲线如图2所示。线性拟合求出胭脂红的摩尔吸光系数为1.62×104L·mol-1·cm-1(R2=0.999 2)。

(二)反应速率的测定

根据反应速率的定义和Lambert-Beer定律可得：

v=-d[L]/dt=-dA/dt(εl)-1

(1)

v为反应速率(mol·L-1·min-1)，L为胭脂红，A为吸光度(无单位)，ε为摩尔吸光系数(L·mol-1·cm-1)，l为比色皿厚度(该实验l=1 cm)。

(三)级数和速率常数的确定

此反应体系中，K2S2O8比胭脂红过量很多，AgNO3

是催化剂，故它们的浓度在反应进行时基本不变，即

(2)

(3)

将式(3)两边取对数并移项整理后得到：

(4)

将v和各级数代入(2)，可求出平均速率常数k为2.83·10-3L·mol-1·min-1。

表2 反应液动力学拟合结果

表3 各反应物的级数

三 实验方案设计

根据动力学测试结果，设计了一套实验教学方案。

1.在一定波长范围内，测试胭脂红溶液的可见光光谱，确定工作波长。波长范围建议460-550 nm，每隔10 nm测一次吸光度，如果光度计支持连续波长扫描，范围可扩大。

2.加入不同用量(0.0-0.8 mL)的胭脂红溶液，定容到25 mL，测试标准曲线。

3.根据表1配制4份反应溶液，每隔2-4分钟测吸光度，每份溶液测量时长约30 min，在同一图中绘制A-t曲线。

4.根据A-t曲线计算v，n和k。

又因此制定了评价学生实验结果的标准。

1.工作波长应在510 nm附近，偏离不大于10 nm。

2.标准曲线R2大于0.99。

3.A-t曲线R2大于0.98。

4.级数测量值偏离理论值在±0.2之内。

5.k和v的测量值不建议作为评判标准，因为不同比色皿会得到不同的测量值。

四 新方案实施效果

表4 两种实验方案各环节的达标百分率

备注：按照“实验方案设计”的标准计算达标率。

两种实验方案的特性如表5所示。该方案中每份溶液在30 min基本都褪色完全，通过改变AgNO3溶液的起始浓度可以调节时长，而传统方案需要40 min以上吸光度的变化才比较明显(超过0.2)；该方案胭脂红浓度很低，反应物和产物毒性低，传统方案的反应物Cr3+和产物Cr6+都具有高毒性，且浓度高；该方案在反应时溶液保持澄清，吸光度变化稳定，而传统方案在反应时溶液略显浑浊(如图4所示)，因此吸光度变化不稳定；该方案吸光度变化范围大，测量结果准确，灵敏度高，传统方案由于Cr3+的摩尔吸光系数较小，吸光度变化不明显，误差较大；从传统方案转型到该方案只需替换一种试剂，实验器材不变，容易转型。综上所述，该方案优点明显，适合食工和其他相关专业的动力学实验教学。

表5 两种实验方案的指标对比

备注1：要求学生只用一个比色皿，因此4份溶液的测试时间为2 h左右。

备注2：指反应30min后的吸光度。

两种方案反应5, 10, 15, 25 min后溶液颜色的变化，左为传统方案，右为该方案。传统方案的溶液呈现浑浊。

五 结束语

对过硫酸钾-硝酸银-胭脂红体系的反应动力学进行了探索，根据过硫酸根离子、 银离子和胭脂红浓度对胭脂红分解速率的影响，求得3种反应物的级数分别为1，1，0。据此设计了一套实验教学方案。与传统的过硫酸钾-硝酸银-硫酸铬方案相比，该方案具有低毒性、低成本、高灵敏度、反应现象变化明显、专业适用面宽的优点。该方案已经在食品专业学生中实施，结果表明实验数据和结果都优于传统的动力学实验，且有效提高学生的学习兴趣。