面向食品類專業的基礎化學綜合實驗設計

王秀霞，王艷麗，王修中

（青島農業大學化學與藥學院，山東青島 266109）

0 引言

實驗教學對培養學生實踐能力、創新能力、分析問題和解決問題能力至關重要，是高校培養創新型人才的重要環節［1］?；A化學實驗是高等農、林院校有關專業重要必修基礎課，其教學任務不僅僅是讓學生獲得有關化學實驗的基本理論和基本操作技能，培養學生嚴肅、嚴密、嚴格的科學態度和良好的實驗素養，更重要的是通過本課程的教學活動，培養其分析和解決實際問題的能力，為后續課程和將來從事的專業工作奠定堅實的基礎［2］。我校的基礎化學實驗教學輻射范圍廣，面向全校生物類本科學生，如植物保護、農學、生物科學、動物科學、水產養殖、園藝、食品科學與工程和食品質量與安全等20 多個專業，但以往各專業開設實驗內容千篇一律，缺少與各專業特點相適應的個性化實驗，對后續專業課缺少足夠強度的支撐，學生普遍覺得實驗課枯燥乏味，因此，學習的積極性不高，普遍存在抄襲實驗報告，應付任課老師等現象，不利于學生綜合能力和創新能力的培養。隨著我校食品科學與工程學院的食品科學與工程和食品質量與安全兩個專業分別獲批國家級和省級一流本科專業建設點，做強一流本科、建設一流專業、培養一流人才需要一流的本科課程作為基礎和支撐已成共識。因此，針對不同的專業設置緊貼專業培養目標的實驗項目，推進基礎化學實驗課程的教學改革，增強大學生分析和解決實際問題的能力，解決課程建設與學生需求的矛盾已迫在眉睫［3］。為此，將大學生科技創新項目成果應用于本科生實驗課程的教學改革，以食品學院兩個一流專業為試點，為他們量身定制了龍膽紫褪色法檢測食品中亞硝酸鹽的含量這一基礎綜合化學實驗。開設兩年來學生普遍對這種與生活和應用密切相關的實驗表現出了極大的學習興趣和熱情，取得了良好的教學效果。

1 實驗設計思路與安排

1.1 設計思路

亞硝酸鹽是食品中普遍存在的一種無機含氮鹽，其主要來源：①蔬菜的腌制過程中富集的硝酸鹽經硝酸鹽還原酶大批轉化為亞硝酸鹽；②人為添加到食品中作為食物的發色劑和防腐劑。亞硝酸鹽具有很強的毒性和致癌性，食入0.3～0.5 g的亞硝酸鹽即可引起中毒，3 g即可導致死亡。2017 年10 月27 日，世界衛生組織國際癌癥研究機構將其列入2A 類致癌物清單中［4］。隨著人們對食品安全和人體健康的關注程度越來越高，檢測食品中的亞硝酸鹽含量具有至關重要的意義。

本文利用龍膽紫褪色反應［5］，研究了NO2-作為催化劑對碘酸鉀氧化龍膽紫褪色反應的催化作用及其動力學條件，建立了催化動力學光度法測定痕量亞硝酸根的新方法。該方法具有較好的準確性和較高的靈敏度，操作方便、快速、分析成本低、便于推廣等綜合優點。在食品類專業中用該實驗代替原有的鄰二氮菲吸光光度法測鐵實驗，在掌握分光光度法的實驗原理、標準曲線的繪制和儀器設備的操作技能基礎上，還能解決與生活息息相關的重要復雜問題，從而激發學生的學習興趣，培養學生的創新意識，讓教與學同專業特色掛鉤，有的放矢，為學生后續專業課的學習以及大四的畢業設計打下堅實的基礎，也為學生將來從事專業相關的工作提供幫助。

1.2 實驗教學安排

實驗前，要求學生通過查閱文獻了解食品中亞硝酸鹽的來源、危害及其測定方法；通過觀看書本或視頻等回顧之前基礎化學實驗中學過的分析天平稱量、配制溶液、樣品前處理、抽濾等基本操作；通過查閱文獻或觀看視頻了解紫外-可見分光光度計的測定原理和操作方法。實驗過程中，要求學生能熟練配制各種溶液和操作儀器，準確記錄各項實驗數據，對可疑數據進行科學分析和取舍。實驗結束后，學生根據測得的數據進行計算分析和討論并撰寫完整的實驗報告［6-7］。實驗學時以4～6 學時為宜，亞硝酸鹽、龍膽紫和碘酸鉀的儲備液可以由實驗員提前配制好備用，也可以由學生實驗開始時配制，可根據教學計劃等因素靈活安排［8］。

2 實驗目的

2.1 實驗目的

（1）了解食品中亞硝酸鹽的來源、危害及其測定方法。

（2）鞏固和加強基礎化學實驗中配制溶液、樣品前處理等操作技能。

（3）掌握紫外-可見分光光度計的測定原理和操作方法。

（4）具備合理分析和解釋實驗數據的能力，并能綜合信息得到合理有效的結論。

2.2 實驗原理

測定亞硝酸鹽的方法很多，催化動力學分光光度法是較為常用的一種，此法是在普通分光光度法的基礎上發展起來的新型分光光度法。根據待測物質對某些化學反應的催化作用，通過測定與反應速率成正比例關系的吸光度變化，計算待測物質的濃度［9-10］。此法靈敏度高、操作簡便、分析成本低。

龍膽紫，又稱甲基紫、結晶紫，是一種堿性陽離子染料［11］。在磷酸介質中，亞硝酸根對碘酸鉀氧化龍膽紫褪色反應具有較高的催化活性，在最大吸收波長535 nm處，亞硝酸根的濃度與體系吸光度呈良好線性關系，適用于食品中亞硝酸鹽含量的測定。其原理如圖1 所示，未加入亞硝酸鹽時，龍膽紫分子本身醌式結構在535 nm處具有明顯的吸收峰，加入催化劑之后，發現535 nm處光吸收強度明顯減弱甚至消失，表明其分子的醌式結構已被氧化破壞［12］。該波長處吸光度的變化與加入的催化劑在一定濃度范圍內具有定量關系，據此實現對亞硝酸根含量的測定。

圖1 催化反應原理圖

3 實驗儀器、試劑及實驗內容

3.1 實驗儀器

紫外-可見分光光度計（UV-1601），超聲波清洗器（E60H），酸度計（PB-10），真空泵（SHB-B88），臺式離心機（TGL-16C），恒溫水浴鍋（XMTD-8222），電子分析天平（BSA12-4S）。

3.2 實驗試劑

實驗中所用試劑龍膽紫，鹽酸，硫酸，磷酸，氫氧化鈉，亞硝酸鈉，碘酸鉀，硫酸鋅全部為分析純，實驗用水均為二次去離子水。

3.3 實驗內容

（1）亞硝酸鹽溶液。將分析純亞硝酸鈉置于110℃烘箱中烘干2 h，放入干燥器中冷卻至室溫，用分析天平準確稱取0.5 g 于燒杯中，加少量二次去離子水使其溶解，然后轉移到500 mL 容量瓶中，定容，搖勻，配置成約1.0 g／L 的儲備液室溫保存，使用時適當稀釋。

（2）龍膽紫溶液。準確稱取0.02 g 龍膽紫粉末于燒杯中，加適量二次去離子水，超聲至完全溶解，然后轉移到500 mL容量瓶中，定容，搖勻，配制成約0.1 mmol／L的儲備液保存備用。

（3）碘酸鉀溶液。準確稱取0.21 g 的碘酸鉀于燒杯中，加適量二次去離子水完全溶解后轉移至100 mL容量瓶中，定容，搖勻，配制成約0.1 mol／L的儲備液保存備用。

（4）實驗方法。根據參考文獻［13］的方法，稍加改進，取兩支比色管，分別依次加入0.2 mol／L 磷酸0.8 mL、0.1 mol／L的碘酸鉀0.5 mL，第1 支作為空白對照，第2 支加入一定量的亞硝酸鹽標準溶液。然后分別向兩個比色管中加入0.1 mmol／L 的龍膽紫溶液0.1 mL，二次去離子水定容，充分搖勻，60 ℃水浴中恒溫加熱5 min，冷卻至室溫，在波長535 nm 處用1 cm比色皿測定溶液的吸光度。

（5）樣品溶液的處理和測定。將從當地超市中購買的普通火腿腸隨機取樣，準確稱取10 g 左右，用研缽研磨成勻漿，然后完全轉移至燒杯，加入0.25 mol／L氫氧化鈉20 mL，轉移至100 mL 容量瓶中，加入0.40 mol／L硫酸鋅5 mL沉淀蛋白質，二次去離子水25 mL，混勻［14］。置于50 ℃水浴恒溫15 min，定容至100 mL，放置1 h，真空抽濾，收集濾液。每次取適量作為分析液，用紫外-可見分光光度計測定其吸光度。

4 實驗結果與討論

4.1 測量波長的選擇

用紫外-可見分光光度計在495～555 nm 波長范圍內，分別掃描加入亞硝酸根前后體系的吸光度，分別記作A0和A，繪制ΔA（A-A0）—λ 曲線。如圖2 所示，吸收曲線在535 nm處出現峰值，所以，測量波長選擇535 nm。

4.2 酸性介質及其用量的選擇

該實驗只能在酸性介質中進行，分別選擇0.2 mol／L的鹽酸、硫酸和磷酸溶液作為反應介質。在磷酸介質中，龍膽紫的褪色效果最為明顯。實驗測試了0.2 mol／L的磷酸溶液用量在0.2～1.2 mL 內ΔA的變化情況。如圖3 所示，當磷酸溶液用量超過0.8 mL時ΔA達到最大值且基本平穩，實驗選擇0.8 mL磷酸溶液用量。

圖3 磷酸溶液用量對反應體系吸光度的影響

4.3 碘酸鉀溶液用量的選擇

實驗測試了0.1 mol／L 碘酸鉀溶液用量分別為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 mL 時反應體系ΔA的變化情況。實驗結果如圖4 所示，當碘酸鉀溶液用量大于0.5 mL時ΔA達到最大值且不再增加，所以實驗中碘酸鉀溶液用量選擇0.5 mL。

圖4 碘酸鉀溶液用量對反應體系吸光度的影響

4.4 反應溫度的選擇

實驗測試了反應溫度分別為20～100 ℃時反應體系ΔA的變化情況。實驗結果如圖5 所示，從圖中可見溫度達到60 ℃之后ΔA變化趨緩，當溫度超過90℃以后顏色會急劇加深，不符合該反應規律，所以選取最佳反應溫度為60 ℃。

圖5 溫度對反應體系吸光度的影響

4.5 加熱時間的選擇

實驗測試了加熱時間分別為1～9 min 時反應體系ΔA的變化情況。實驗結果如圖6 所示，水浴加熱時間超過5 min 之后龍膽紫溶液褪色變化基本不變，所以加熱時間選取5 min。

圖6 加熱時間對反應體系吸光度的影響

4.6 龍膽紫用量的選擇

實驗測試了0.1 mmol／L 的龍膽紫溶液用量分別為0.1～0.8 mL 時反應體系ΔA的變化情況，實驗結果如圖7 所示。通過實驗結果可見龍膽紫溶液用量為0.5 mL時，ΔA最大。因此0.1 mmol／L的龍膽紫溶液最佳用量為0.5 mL。

圖7 龍膽紫溶液用量對反應體系吸光度的影響

4.7 標準曲線的繪制

加入不同體積的亞硝酸根標準溶液，對應亞硝酸根濃度分別為：5.0 ×10-5，1.0 ×10-4，5.0 ×10-4，1.0×10-3，2.0 ×10-3，3.0 ×10-3，4.0 ×10-3，5.0 ×10-3g／L。作標準曲線，如圖8 所示，該方法在亞硝酸根濃度5.0 ×10-5～5.0 ×10-3g／L范圍內呈良好的線性關系，線性方程為：ΔA＝64.741c+0.108 9，R2＝0.999 4。根據11 次空白實驗測定值的標準偏差計算其檢出限為3.5 μg／L。

圖8 亞硝酸鹽濃度和吸光度變化的線性關系

4.8 樣品測定結果

當地超市購買兩種不同品牌火腿腸，準確稱取適量，處理樣品和制備待測液，測定體系的吸光度，分別平行測定3 次取平均值，實驗結果平均值為0.186 和0.210，計算出兩種火腿腸的亞硝酸根含量分別為12.00 mg／kg和13.56 mg／kg，均低于國家標準。所作回收率實驗的回收率分別為101.7%和102.6%，方法可靠，結果如表1 所示。

表1 樣品中亞硝酸鹽含量的分析結果

5 結語

本文探討了我校將大學生的科技創新成果應用于本科生基礎化學實驗課程的教學改革實踐。本實驗以分析化學課程中的分光光度法為理論基礎，以紫外-可見分光光度計作為操作儀器來測定食品中亞硝酸鹽含量，尤其適合食品類專業二年級本科生基礎化學實驗的教學。

本實驗的教學已經在2019 和2020 學年食品科學與工程和食品質量與安全兩個專業的二年級第一學期試開展，通過對多名學生的調研得知，學生認為本實驗是基礎化學實驗項目中最貼合我校食品學院的專業特點和學科特色，側重實際應用的實驗，也是最能提高學生實驗興趣，引導學生運用所學知識解決實際問題的實驗，學生希望可以多設置一些此類實驗。

本實驗的開展也為基礎化學實驗結合其他專業的特點進行個性化實驗設置具有參考和借鑒意義［15-16］。比如在農學專業開展土壤的相關測定實驗，在資源與環境專業開展水質的相關測定實驗，在動物科學專業開展與動物健康密切相關的幾種化學成分的測定（如血液中鈣的含量）、動物飼料營養成分的測定等。根據不同的專業設置不同的實驗內容，改變過去各專業授課內容完全一致的局面，使課程內容更加滿足各專業不同的需求，必將會收到積極的效果。