吳俊慷，劉 博，劉 鵬，張建華

(浙江大學(xué)，浙江 杭州 310027)

食用油作為人類生產(chǎn)生活中重要的液體，與人類的身體健康水平有著密切的關(guān)系，在任何時間與任何地域的人類社會生活中都具有十分重要的地位。然而，現(xiàn)在對食用油物理性質(zhì)的研究還不夠細(xì)致，例如對其折射率的大小、折射率與溫度的關(guān)系、不同品種食用油的折射率隨溫度變化關(guān)系的區(qū)別與聯(lián)系等等問題還沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的研究。

而且當(dāng)今社會食品安全問題層出不窮，特別是與人們的生活聯(lián)系最為緊密的食用油安全問題，地溝油、變質(zhì)油橫行，人們在購買的時候往往無法準(zhǔn)確分辨是正品油還是變質(zhì)油，從而在不知情的情況下深受其害?，F(xiàn)在急需對正品食用油與變質(zhì)油的折射率進(jìn)行研究，分辨其不同，從而尋求鑒別食用油品質(zhì)的簡便易行的新方法。

根據(jù)透明液體折射率隨溫度改變的物理現(xiàn)象，本研究利用物理實(shí)驗(yàn)室與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室擁有的一些專業(yè)儀器，通過準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)方法與耐心的試驗(yàn)，對過期1年的變質(zhì)油以及市面上常見的正品油逐個進(jìn)行分析，從而得出其折射率隨溫度改變的一般規(guī)律，得出變質(zhì)油折射率隨溫度變化的規(guī)律與正品油折射率隨溫度變化規(guī)律的相同與不同，從而達(dá)到區(qū)分正品油與變質(zhì)油的目的。并且得到相關(guān)油類在一定溫度范圍內(nèi)的折射率。

1 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用精確靈敏的阿貝折射儀配合可控溫的恒溫水浴箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，阿貝折射儀是能測定透明、半透明液體或固體的折射率nD和平均色散nF－nC的儀器(其中以測透明液體為主)，儀器上接恒溫器，可測定溫度為0℃ ～70℃內(nèi)的折射率nD。阿貝折射儀的折射率測量范圍是1.300 0 ～1.700 0，精度為0.000 1，可見阿貝折射儀在其折射率范圍及溫度范圍內(nèi)是十分精確的［1-6］。

將阿貝折射儀與恒溫水浴缸搭設(shè)好后便可以測量不同溫度下液體折射率的了。此次實(shí)驗(yàn)的材料包括在超市購買的金龍魚調(diào)和油、金龍魚玉米油、福臨門調(diào)和油以及保存完好的過期1年金龍魚調(diào)和油。通過耐心細(xì)致的測量，我們最終獲得了四種實(shí)驗(yàn)材料在15℃至60℃之間每1℃的折射率數(shù)據(jù)，精度為阿貝折射儀的精度，即0.000 1。為了增加數(shù)據(jù)的可信度，我們將每種材料重復(fù)測量3次，取其平均值，減小了實(shí)驗(yàn)的誤差。

另外，為了與油類材料作對比，并且更加確定利用阿貝折射儀法測量液體折射率隨溫度改變情況的可靠性，我們同樣的分析了去離子水在相同條件下，相同溫度范圍內(nèi)的折射率變化情況，同樣得到了去離子水的折射率數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

(1)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

室溫:約10℃

壓強(qiáng):約 102.70 kPa

光源:589.3 nm

(2)去離子水折射率隨溫度變化情況去離子水折射率如圖1所示。

圖1 去離子水的折射率

可見，去離子水的折射率隨溫度的升高而減小，在40℃左右折射率為1.330 0，而從15℃至60℃的溫度變化所引起的折射率改變非常小，僅約0.007 5，這充分體現(xiàn)了阿貝折射儀的高精度在本實(shí)驗(yàn)中的重要性。

另外，若對去離子水的折射率隨溫度變化曲線進(jìn)行擬合，可得到如圖2所示結(jié)果。

圖2 去離子水的折射率變化的擬合曲線

由圖2可知，去離子水的折射率隨溫度升高而減小不是線性的，而是隨者溫度的升高，折射率減小加劇。

以上對去離子水折射率的分析與已有知識匹配，證明了利用阿貝折射儀對液體折射率隨溫度改變進(jìn)行研究的可靠性，同時其精度也得到保證。

(3)四種油折射率隨溫度變化的比較

四種油的折射率如圖3所示。

從圖3可以得知，這四種食用油折射率均隨溫度的升高而減小，這是因?yàn)闇囟鹊纳呤沟靡后w分子熱運(yùn)動加劇，分子間距增大，導(dǎo)致折射率減小。

圖3 四種油的折射率

另外，這四種油折射率隨溫度升高而基本成線性減小，這是因?yàn)槭秤糜突臼怯捎袡C(jī)大分子組成，溫度升高使得分子熱運(yùn)動加劇的效果并不會隨溫度的升高而變得更加明顯，也就是在高溫時升高一定溫度導(dǎo)致的折射率降低與低溫時升高相同溫度導(dǎo)致的折射率降低基本相同。用水的折射率隨溫度改變與之相比較，可見，雖然水的折射率也是隨著溫度的升高而減小，但是由于水分子是小分子，所以升溫導(dǎo)致折射率減小的效果會隨著溫度的升高而加劇，即高溫時升高一定溫度導(dǎo)致的折射率減小大于低溫時升高相同溫度導(dǎo)致的折射率減小，即水的折射率在高溫區(qū)隨溫度減小更迅速，表現(xiàn)在n～T圖上即是曲線向下彎曲，不成線性減小規(guī)律。

同理，由得到的四種油折射率隨溫度升高而減小的曲線斜率基本相等可知，四種油的分子大小基本相同。參考其他資料可知，植物油基本上都是由不飽和脂肪酸與甘油化合而成，以此驗(yàn)證了其分子大小基本相等的結(jié)論。

最后，雖然這四種油折射率大小不同，但其折射率絕對值十分接近，若不是用高分辨率儀器(如阿貝折射儀)對其進(jìn)行分析，幾乎不能分辨其大小?？偟膩碚f，食用油類在溫度從15℃升至60℃時，其折射率大約都是從1.475減小到1.457，改變量約為0.018。與去離子水相對比，食用油類的折射率大于去離子水的折射率(1.33左右)，且差值較為明顯，這是因?yàn)榻M成食用油類的有機(jī)大分子比水分子大得多，并且油的分子間距也比水的分子間距小。另外，相同溫度改變下，食用油類折射率的降低量也比去離子水折射率的降低量大得多，前者約為后者的兩倍。這是由于油類的折射率基數(shù)比去離子水大，所以外界環(huán)境的改變使得油類折射率改變的絕對數(shù)值比去離子水折射率改變的絕對數(shù)值大。

(4)金龍魚調(diào)和油與金龍魚玉米油的折射率隨溫度變化的比較

金龍魚調(diào)和油與金龍魚玉米油的折射率如圖4所示。

圖4 金龍魚調(diào)和油與金龍魚玉米油的折射率

根據(jù)圖4，金龍魚調(diào)和油的折射率比金龍魚玉米油的折射率大，這是因?yàn)榻瘕堲~調(diào)和油含大豆油、玉米油、菜籽油、葵花籽油、花生油、芝麻油、亞麻籽油、紅花籽油等八種原料，所以金龍魚調(diào)和油所含成分比金龍魚玉米油豐富，這能使金龍魚調(diào)和油的分子間隙比金龍魚玉米油小，導(dǎo)致金龍魚調(diào)和油折射率高于金龍魚玉米油。

定量地看，在這三組油類對照實(shí)驗(yàn)中，以未過期金龍魚調(diào)和油為參照對象。其在15℃至60℃的溫度范圍內(nèi)，其折射率從1.476 0降至1.457 9。而本組對照，金龍魚玉米油的折射率變化為，從1.475 2降至1.457 4。可見金龍魚調(diào)和油與金龍魚玉米油的折射率相差非常小，以此三組對照實(shí)驗(yàn)來看，這兩種材料的折射率相差是最小的。雖然相差非常小，但金龍魚調(diào)和油的折射率在所測溫度范圍內(nèi)一直大于金龍魚玉米油的折射率，這也反映了本次實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性與可靠性。

(5)金龍魚調(diào)和油與福臨門調(diào)和油的折射率隨溫度變化的比較

金龍魚調(diào)和油與福臨門調(diào)和油的折射率如圖5所示。

根據(jù)圖5，金龍魚調(diào)和油的折射率大于福臨門調(diào)和油的折射率，福臨門調(diào)和油含小麥胚芽油、米糠油、玉米胚芽油等成分，不如金龍魚調(diào)和油豐富，故金龍魚調(diào)和油的分子間距更大，折射率更大。

圖5 金龍魚調(diào)和油與福臨門調(diào)和油的折射率

定量地看，本組對照福臨門調(diào)和油的折射率從1.475 0降至1.457 0，折射率也是一直比金龍魚調(diào)和油小。不過雖然兩者皆為調(diào)和油，但其間差值比金龍魚調(diào)和油與金龍魚玉米油之間的差值大，這是因?yàn)榻瘕堲~食用油生產(chǎn)廠家與福臨門食用油生產(chǎn)廠家所采用的生產(chǎn)工藝有所不同，導(dǎo)致其產(chǎn)品的性質(zhì)有所差異。不過這樣的差異十分不明顯，沒有大于0.001，只有在0.000 1的精度下才能分辨，所以并不存在太大的不同。

(6)金龍魚調(diào)和油與過期金龍魚調(diào)和油的折射率隨溫度變化的比較

金龍魚調(diào)和油與過期金龍魚調(diào)和油的折射率如圖6所示。

圖6 金龍魚調(diào)和油與過期金龍魚調(diào)和油的折射率

根據(jù)圖6，金龍魚調(diào)和油的折射率大于過期金龍魚調(diào)和油，因?yàn)槭秤糜徒?jīng)過了長時間的存放過程，油脂里的亞油酸與空氣里的氧發(fā)生氧化，經(jīng)過一系列的水解、過氧化等反應(yīng)，會生成有特殊氣味的小分子醛、酮、羧酸等氧化物、過氧化物以及其他分解產(chǎn)物，這個過程稱作油脂的酸敗。酸敗后的油脂大分子大都氧化斷裂，所以分子比未酸敗的油小，折射率相應(yīng)的比未酸敗的油小。值得指出的是，油脂酸敗后的產(chǎn)物對人有害，食用過后甚至?xí)?dǎo)致人中毒，所以必須時時警惕食用油的安全性。

而且，金龍魚調(diào)和油與過期的金龍魚調(diào)和油之間的折射率差值在三組對照實(shí)驗(yàn)中是最大的，過期油的折射率從1.475 0降至1.456 9。從數(shù)據(jù)上看雖然和福臨門調(diào)和油的折射率數(shù)據(jù)相似，但福臨門調(diào)和油與過期金龍魚調(diào)和油之間不存在對照關(guān)系。過期金龍魚調(diào)和油僅僅因?yàn)榇娣艜r間過長，折射率便減小了0.001，這也從一個方面反映了食用油發(fā)生油脂酸敗后的嚴(yán)重變化。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)得到了金龍魚調(diào)和油、金龍魚玉米油、福臨門調(diào)和油、過期金龍魚調(diào)和油以及去離子水從15℃至60℃每攝氏度的折射率數(shù)據(jù)，并且通過對比，得到了以下結(jié)論:

(1)五種實(shí)驗(yàn)材料的折射率均隨溫度的升高而減小;

(2)去離子水的折射率隨溫度的升高而加速減小;

(3)四種油折射率隨溫度升高而降低的速率基本相同，且基本成線性;

(4)金龍魚調(diào)和油的折射率大于金龍魚玉米油，金龍魚調(diào)和油的折射率大于福臨門調(diào)和油，金龍魚調(diào)和油的折射率大于過期的金龍魚調(diào)和油。

總的來說，液體分子尺寸以及分子間距是引起透明液體折射率改變的主要因素，組成液體的分子越大，液體的折射率越大;液體的分子間距越小，液體折射率也越大。

［1］物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.浙江大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心［Z］.

［2］孫桂林.一種折射率測量新方法［J］.應(yīng)用光學(xué)，1995，16(1):58-61.

［3］王玉平.用牛頓環(huán)產(chǎn)生的干涉條紋測量液體的折射率［J］.大學(xué)物理，2001(10).

［4］張宏，萬葆紅.測量液體折射率隨溫度的變化［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，1998.

［5］陳泉霖.用光速測量儀探究純堿溶液折射率與濃度的關(guān)系［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，5(1):1-5.

［6］袁霞.阿貝成像原理與空間濾波實(shí)驗(yàn)教學(xué)［J］.大學(xué)物量實(shí)驗(yàn)，2013(5):51-53.