基于向量角度轉換和紅外光譜對蔗糖—6—乙酸酯合成過程分析

粟暉 張景清 文毅 潘浩然 姚志湘

摘 要：研究應用基于向量角度轉換提出一種新的近似線性定量方法，采用標準加入法分別向開環反應合成液和酰基轉移反應液中加入不同量的蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A），經數據處理計算得出各樣品與S-6-A對照品紅外光譜的向量夾角，以夾角值和蔗糖-6-乙酸酯含量進行線性擬合，通過線性關系預測某反應時刻下合成溶液中蔗糖-6-乙酸酯的含量.結果表明，所建立標準曲線的決定系數R2均達到0.992 9以上，在兩個反應過程中定量均得到令人滿意的結果，相對誤差均低于5.19%，所建立的分析方法可實現反應過程監測.

關鍵詞：中紅外光譜；向量夾角；蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A）

中圖分類號：TQ281；O657.33 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.04.007

0 引言

三氯蔗糖是蔗糖的鹵代衍生物，是一種新型的高甜度的甜味劑，其甜度約為蔗糖的650倍，在蔗糖工業領域，三氯蔗糖成為最有開發價值的物質[1].蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A）是單基團保護法合成三氯蔗糖最重要的中間體[2]，合成過程中蔗糖-6-乙酸酯的含量是影響合成產率的重要因素，所以，研究出一種快速有效的在線檢測蔗糖-6-乙酸酯分析方法，對企業合成三氯蔗糖尤為重要.

近年來就合成三氯蔗糖過程中蔗糖-6-乙酸酯的分析研究，開展了大量工作，其中研究方法主要分為薄層色譜及液相色譜兩類.喻理德等[3]采用薄層色譜法對合成過程中蔗糖-6-乙酸酯進行監控，結果表明采用丙酮-乙酸乙酯-冰乙酸-DMF做展開劑可以很好的分離蔗糖-6-乙酸酯.張英等[4]用反相高效液相色譜法檢測蔗糖-6-乙酸酯的合成，結果表明在0.5～900 mg/L的范圍內，蔗糖-6-乙酸酯與其分面積呈現良好的線性關系，建立的回歸方程決定系數為0.991 2，檢測限0.2 mg/L（S/N=2/1）.上述傳統檢測方法普遍具有耗時長、操作繁瑣、儀器設備昂貴、危害環境等缺點，不易普及.因此，研究出具有普遍、快速、有效并且操作簡便的檢測方法，對檢測合成過程中蔗糖-6-乙酸酯的含量具有非常重要的現實意義.

在過程工業新的發展背景下，由于多個學科領域的發展與交融，過程分析技術已經成了一個新興的領域[5].基于光譜和化學計量學的現代過程分析技術成為多學科和多技術副合的成功典范之一[6-7].中紅外ATR定量和基于多元統計的二次定量表明紅外光譜是具有定量能力的[8-9].姚志湘等[10-11]前期通過角度度量轉化思路，采用空間夾角結合光譜法提出了一種新的近似線性的定量方法，并進行了相關應用.本文利用紅外光譜結合向量角度法對開環合成和酰基轉移過程中的蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A）含量進行分析.采用KBr壓片法，向待測樣品中逐步加入待測組分得到混合樣本.首先，對樣本紅外光譜信號進行一階求導處理，消除基線對光譜的影響，提高光譜分辨率；然后，計算混合樣本光譜與純待測組分光譜的空間向量角度；最后，對夾角值與待測組分含量進行回歸分析，建立標準曲線，實現定量.

1 基于角度轉換的定量分析方法

紅外光譜定量分析根據朗伯-比爾定律，光吸收量正比于光程中產生光吸收的分子數目，即僅考慮了分子對光的吸收.吸光度A是摩爾吸收系數K、光程b和吸光物質濃度c的函數：

[A=Kbc] （1）

對于KBr壓片或者涂布，影響光能量檢測除了樣品內n種組分物質光吸收（[k=1nAk]）外，還受到克里斯坦森效應的影響，即包括來自KBr壓片自身和其中分散固體顆粒的散射（S）.光能量E按照吸光度的透過率對數值定義，表示為：

[E=k=1nAk+S] （2）

考慮不同批次壓片，由于制樣存在光程差異，所以第j次的E為：

[Ej=k=1n（Ak）j+Sj?Ej=bj{k=1n（Kkckj）}+Sj] （3）

在不同的波長位置i上，保持同樣關系.以向量表示[Ej=Eij]，[Aj=（Ai）j]，[Sj=（Si）j]，于是：

[Eij=k=1n（（Ak）i）j+（Si）j] （4）

若KBr及摻入樣品的顆粒均勻，散射表現為平坦譜線，其一階導數值非常小.可差分值代替，即：

[ΔEj=bjk=1n{ΔKkckj}] （5）

計算向量[Δ][Ej]和定義Aa為標準品，Aa的摩爾系數[ΔKa]的夾角余弦值D：

[cos（D）=ΔEj?ΔKaΔEjΔKa=bj（k=1n{ΔKkckj}）?ΔKabjk=1n{ΔKkckj}ΔKa=（k=1n{ΔKkckj}）?ΔKak=1n{ΔKkckj}ΔKa] （6）

若樣品為二元混合組分，只含有兩種物質待測物a與確定物質b，即此時有：

[cos（D）=（Kacaj+Kbcbj）?ΔKaKacaj+KbcbjΔKa] （7）

以濃度x代替c，若樣品為多元混合組分，此時定義待測物質a在樣品中的濃度為xa，此時物質b濃度換算為百分比濃度為xb=（1-xa），Kb=K（all-a），此時式（7）可改變為：

[cos（D）=Kaxaj+Kall-a（1-xa）j?ΔKaKaxaj+Kall-a（1-xa）jΔKa] （8）

根據式（8）推測將a物質作為待測物，b物質作為除了物質a外的其他物質，可推測出b也同樣符合該公式.在式（8）中，除保留了含下標j的相對濃度xj，其他下標j的變量已經消除，即測量值已經不受批次制樣差異影響.

因此，對于采用紅外KBr壓片和涂布法采集的紅外光譜，將其進行一階求導，除去加性誤差，再將其轉化為空間向量角度值，消除批次制樣中光程b的差異，以百分比定義待測物樣品的含量，則待測樣品角度值與其中所含參照品含量成簡單線性關系，即以計算結果角度值與含量作標準曲線，實現定量分析.

2 實驗部分

2.1 實驗儀器與試劑

傅里葉變換紅外光譜儀（Frontier，美國Perkin Elmer公司），高效液相色譜儀（LC-20A，島津），遠紅外快速干燥箱（WS70-1型，紹興市瀘越科學實驗儀器廠），電子分析天平（CP214型，奧豪斯儀器（常州）有限公司）.

蔗糖（AR），蔗糖-6-乙酸酯對照品（純度95.2%，HPLC測定），原乙酸三甲酯（AR），對甲苯磺酸（AR），二甲基甲酰胺DMF（AR），叔丁胺（AR），溴化鉀（AR）.

2.2 系列樣品制備

2.2.1 蔗糖-6-乙酸酯的合成

圖1所示，為蔗糖-6-乙酸酯的合成路線圖.以DMF為溶劑，蔗糖與原乙酸三甲酯在對甲苯磺酸的催化作用下發生縮醛化反應生成蔗糖-4，6-環酯，然后蔗糖-4，6-環酯在水作用下開環生成蔗糖-4-乙酸酯（S-4-A）和蔗糖-6-乙酸酯（S-6-A），蔗糖-4-乙酸酯在酰基轉移催化劑叔丁胺的作用下，4-位酯基轉移到6位生成蔗糖-6-乙酸酯.

2.2.2 開環反應分析樣品的制備

配制濃度為100.03 mg/mL蔗糖-6-乙酸酯對照品溶液，記為A1，取蔗糖-6-乙酸酯開環合成過程中15 min后的反應液（濃度2.65 mg/mL，HPLC測定），記為B1.分別取A1和B1溶液，在S-6-A濃度為2.65～95.16 mg/mL范圍內梯度配比制樣，記為C101—C110.取蔗糖-6-乙酸酯的合成反應在30 min、45 min、60 min、75 min的反應溶液，作為待測溶液，記為S101—S104.分別取A1、C101—C110和S101—S104溶液5 [μ]L均勻的涂抹在KBr片基的兩面，并用吹風機吹干，制得蔗糖-6-乙酸酯開環合成過程中的組分樣本、標準樣本和待測樣本.

2.2.3 酰基轉移反應分析樣品的制備

配制濃度為100.03 mg/mL蔗糖-6-乙酸酯對照品溶液，記為A2，取蔗糖-6-乙酸酯的合成過程中酰基轉移反應30 min后的合成液（濃度19.875 mg/mL，HPLC測定），記為B2.分別取A2和B2溶液，在S-6-A的濃度為2.65～95.16 mg/mL范圍內梯度配比制樣，記為C201—C210.取蔗糖-6-乙酸酯的合成過程中酰基轉移反應在30 min、45 min、60 min、75 min的反應溶液，作為待測溶液，記為S201—S204.分別取A2、C201—C210和S201—S204溶液5 [μ]L均勻涂抹在KBr片基的兩面，并用吹風機吹干，制得酰基轉移反應過程中的組分樣本、標準樣本和待測樣本.

2.3 紅外光譜數據采集

光譜采集范圍為450～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，數據間隔為1 cm-1，采集系列樣品的中紅外透射光譜數據.采集A集合樣本光譜，作為組分光譜庫；采集開環反應標準樣本C1及酰基轉移反應標準樣本C2的紅外光譜，作為標準光譜庫，用來建立標準工作曲線；采集待測樣本S1、S2，作為待測集樣本庫，檢驗所建立的標準曲線.

2.4 高效液相色譜分析

采用高效液相色譜作為合成檢測過程檢測S-6-A的參考方法，用參考值對本研究的預測值進行對比.條件如下：等梯度脫洗、AgilentC18柱、RID-10A示差折光檢測器、柱溫40 ℃流動相甲醇溶液、流速1.00 mL/min，進樣量20 [μ]L.

2.5 數據處理方法

Step 1 將標準樣品光譜數據C、目標組分A、待測樣本S導入MATLAB，先對各樣品光譜求一階導數，進行濾波降噪實現基線校正，然后求取差分；

Step 2 以組分光譜的波長點數為參考，選取區間寬度（4 000～1 500 cm-1）的1/15作為移動窗口進行運算，窗口從組分光譜最小波數點開始逐步向最高波數點移動，分別計算組分光A與標準樣本光譜C的夾角，得到對應窗口下的夾角值θi；

Step 3 選擇相關系數k最大的移動窗口位置，計算出目標組分樣本與標準樣本的夾角值，并與其相對應的含量進行回歸分析，建立標準曲線y=ax+b（y為目標組分含量，x為夾角值，a、b為常數）；

Step 4 計算待測樣品光譜S與目標組分光譜A的θ值，并帶入Step 3建立的標準曲線中，實現待測樣品中目標組分的定量.

3 結果與討論

3.1 開環反應樣品分析

將標準樣品光譜數據C1、目標組分A1、待測樣本S1導入MATLAB，計算出目標組分樣本與標準樣本的夾角值，與每個混合樣本中目標組分的含量進行回歸分析，以蔗糖-6-乙酸酯含量為縱坐標，夾角值為橫坐標，求出S-6-A在0～95 mg/mL范圍內的標準曲線：y=111.3x+153.89，R2=0.994 6，如圖2所示.

利用向量角度轉換法對4個待測樣本S101—S104進行S-6-A的含量分析，將標準光譜數據C1、目標組分A1、待測樣本S1導入MATLAB，對待測樣本利用向量角度轉換法計算出待測樣本S1與目標組分樣本A1的夾角值，將該值帶入S-6-A的標準工作曲線中，得待測樣本中目標組分的含量，如表1所示.

3.2 酰基轉移反應樣品分析

將標準樣品光譜數據C2、目標組分A2、待測樣本S2導入MATLAB，計算出目標組分樣本與標準樣本的夾角值，與每個混合樣本中目標組分的含量進行回歸分析，以蔗糖-6-乙酸酯含量為縱坐標，夾角值為橫坐標，求出酰基轉移反應過程中S-6-A在0～95 mg/mL范圍內的標準曲線：y=107.12x+156.74，R2=0.992 9，如圖3所示.

利用向量角度轉換法對制備的4個待測樣本S201—S204進行S-6-A的含量分析，利用向量角度轉換法計算出待測樣本與目標組分樣本的夾角值，帶入酰基轉移反應中S-6-A的標準工作曲線，得待測樣本中目標組分的含量，如表2所示.

4 結論

將中紅外光譜結合空間向量角算法，應用于蔗糖-6-乙酸酯合成過程中開環反應和酰基轉移反應的蔗糖-6-乙酸酯含量分析：

1）建立了開環反應過程中S-6-A在0～95 mg/mL范圍內的標準曲線，y=111.3x+153.89，R2=0.994 6.對待測樣本進行檢測，預測值與參考值的相對誤差均小于4%；

2）建立的酰基轉移反應過程中S-6-A在0～95 mg/mL范圍內的標準曲線為：y=107.12x+156.74，R2=0.992 9.對待測樣本進行分析，預測值與參考值的相對誤差均在5.19%以內.

采用紅外光譜法與向量角度轉換法定量分析三氯蔗糖合成過程中的S-6-A是可行的，過程操作簡單，分析速度快，極大地提高了檢測效率，降低了檢測成本，所建立的分析方法可為企業提供實時監測手段，對提高企業效益具有重大意義.

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Analysis of sucrose-6-acetate synthesis process based on vector angle

conversion and infrared spectroscopy

SU Hui1， 2， ZHANG Jingqing1， 2， WEN Yi1， 2， PAN Haoran1， 2， YAO Zhixiang*1， 2， 3

（1. School of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China； 2. Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545006， China； 3. The Coordination Innovative Center of Sugar Industry of Guangxi， Nanning 530004， China）

Abstract： A new approximate linear quantitative method based on vector angle conversion was proposed. The standard addition method was used to add different amounts of sucrose-6-acetate to the ring-opening reaction synthesis solution and acyl transfer reaction solution （S-6-A）. According to the data processing， the vector angle of each sample and the infrared spectrum of the S-6-A reference product is calculated， and the angle is matched with the sucrose-6-acetate content to linearly fit， and the content of sucrose-6-acetate in the lower synthetic solution is predicted at a reaction time by linear relationship. The results show that the determination coefficient R2 of the established standard curve is above 0.992 9. The quantitative results are satisfactory in both reaction processes， and the relative error is less than 5.19%. The established analytical method can realize the reaction process monitoring.

Key words：mid-infrared spectroscopy； vector angle； sucrose-6-acetate（S-6-A）

（學科編輯：黎 婭）