鐘宏星，張 晶，陸劍華，曾史俊

(1廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所) 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510316；2國家糖業(yè)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東廣州510316)

0 前言

赤砂糖按理化要求的規(guī)定分為一級(jí)和二級(jí)共 2個(gè)級(jí)別?？偺欠质浅嗌疤琴|(zhì)量分級(jí)的重要指標(biāo)之一，總糖分含量≥925 g/kg為一級(jí)，900～925 g/kg為二級(jí)[1]。總糖分由蔗糖分和還原糖分構(gòu)成，赤砂糖的總糖分較高，其中90%以上是蔗糖分，因此蔗糖分測(cè)量值的準(zhǔn)確性顯得尤為重要。蔗糖分的測(cè)定采用二次旋光法，前處理步驟繁瑣[2]，容易引入較大的測(cè)量誤差。為了檢查測(cè)定結(jié)果質(zhì)量、度量分析結(jié)果可信性[3]，有必要對(duì)赤砂糖蔗糖分測(cè)定進(jìn)行不確定度評(píng)定。通過不確定度評(píng)定，可以有效地分析檢驗(yàn)過程各種影響結(jié)果準(zhǔn)確性的因素，提出避免引入測(cè)量誤差或不確定性的方法，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量管理[4-5]。

本文根據(jù)新國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 35884-2018《赤砂糖》的規(guī)定，利用二次旋光法對(duì)赤砂糖樣品的蔗糖分進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)國家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF 1059-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》的要求對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)定[6-7]，通過建立數(shù)學(xué)模型對(duì)各個(gè)不確定度分量進(jìn)行計(jì)算，找出影響二次旋光法測(cè)定蔗糖分檢測(cè)準(zhǔn)確性的主要因素。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備與試劑

主要儀器：Saccharomat旋光儀(精確度±0.002oZ，德國SCHMIDT+HAENSCH公司)；旋光觀測(cè)管(長(zhǎng)度 200 mm±0.02 mm)；SQP 電子天平(精度值0.0001 g，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)；容量瓶(250 mL，A級(jí)；100 mL，A級(jí))；精密溫度計(jì)(0～50℃，分度0.1℃；0～100℃，分度0.1℃)；恒溫水浴鍋；250 mL容量瓶(A級(jí))；100 mL容量瓶(A級(jí))；50 mL移液管(A級(jí))。

主要試劑：堿式醋酸鉛(糖用)Pb(CH3COO)2·P(OH)2；24.85°Bx 鹽酸溶液；231.5 g/L氯化鈉溶液。

1.2 測(cè)定方法

稱取樣品65.000 g±0.002 g于干燥、潔凈的200 mL燒杯中，加入適量蒸餾水使其完全溶解后定容于250 mL容量瓶中。將樣液倒入三角瓶?jī)?nèi)，加入堿式醋酸鉛粉約2 g，迅速搖勻，過濾，用移液管吸取2份50 mL濾液，分別移入2個(gè)100 mL容量瓶中。其中一瓶加231.5 g/L氯化鈉溶液10 mL，然后加蒸餾水至刻度，搖勻，過濾，濾液用200 mm觀測(cè)管測(cè)其旋光讀數(shù)，以此讀數(shù)乘以2即得到直接旋光讀數(shù)P，并記錄讀數(shù)時(shí)樣液溫度t。在另一容量瓶中先加入蒸餾水20 mL，再加入24.85°Bx鹽酸10 mL，插入溫度計(jì)，在水浴中準(zhǔn)確加熱至60℃，并在此溫度下保持10 min(在最初3 min內(nèi)應(yīng)不斷搖蕩)。取出，浸入冷水中，迅速冷卻至讀取直接旋光讀數(shù)時(shí)的溫度，用少量蒸餾水沖洗粘在溫度計(jì)上的糖液于容量瓶?jī)?nèi)，并取出溫度計(jì)，加水至刻度，充分搖勻，過濾，用200 mm觀測(cè)管測(cè)其旋光讀數(shù)，以此讀數(shù)乘以2得到轉(zhuǎn)化旋光度讀數(shù)P′，并用溫度計(jì)測(cè)出讀數(shù)時(shí)的樣液溫度t′。

2 建立數(shù)學(xué)模型

直接旋光讀數(shù)P和轉(zhuǎn)化旋光度讀數(shù)P′數(shù)值主要由旋光儀讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較得出，計(jì)算公式見式⑴、式⑵。

式中：αi—樣液的直接旋光值讀數(shù)(oZ)；αi′—樣液的轉(zhuǎn)化旋光值讀數(shù)(oZ)；n—重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)；34.626—在黃色納光波長(zhǎng)下，相當(dāng)于100 oZ的旋光度；Pi+—樣液直接旋光值(oZ)；Pi-—樣液轉(zhuǎn)化旋光值(oZ)。

由于稱樣量、定容體積、旋光儀精度、旋光管長(zhǎng)度和溫度對(duì)結(jié)果都有一定的影響，為了考慮附加影響量，公式中需加入各自對(duì)結(jié)果的修正因子f，公式擴(kuò)大為式⑶、⑷。

3 測(cè)量赤砂糖蔗糖分的不確定度來源分析

圖1 測(cè)量赤砂糖蔗糖分的不確定度來源

測(cè)量不確定度是與測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，它合理地賦予被測(cè)值的分散性。該分散性主要涉及 A類不確定度、B類不確定度和合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[3]。如圖1所示，根據(jù)數(shù)學(xué)模型和測(cè)量過程，赤砂糖蔗糖分的不確定度來源包括：①重復(fù)測(cè)量引入的不確定度 urel(n)，屬于A類不確定度；②稱樣過程引入的不確定度urel(m)，來源于電子天平的精度，屬于B類不確定度；③定容過程引入的不確定度 urel(V)，包括定容容器的體積誤差、讀數(shù)誤差、環(huán)境溫度的影響，屬于B類不確定度；④旋光儀精度的不確定度urel(P)，屬于B類不確定度；⑤旋光管長(zhǎng)度的不確定度urel(l)，屬于B類不確定度。

4 不確定度分量評(píng)定

4.1 重復(fù)測(cè)量引入的不確定度urel(ci)

對(duì)同一赤砂糖樣品重復(fù)測(cè)定8次，結(jié)果見表1。

表1 樣品蔗糖分測(cè)定結(jié)果

由貝塞爾公式求得單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差s(ci)為：

即直接旋光讀數(shù)和轉(zhuǎn)化旋光讀數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為：urel(ci+)+=0.00189÷89.64=0.0000211；urel(ci-)-=0.00267÷32.71=0.0000816。

因此，重復(fù)測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.2 稱樣的不確定度urel(m)

樣品質(zhì)量m引入的不確定度主要來自天平自身存在的系統(tǒng)誤差，屬于B類不確定度。由檢定證書得知最大允許誤差為±0.0002 g，按均勻分布考慮，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.0002÷ 3=1.15×10-4g，樣品質(zhì)量平均值為65.0002 g，因此其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.3 樣品定容引入的不確定度urel(V)

體積V引入的不確定度主要來源于定容使用的250 mL和2個(gè)100 mL容量瓶。該不確定度分量主要包括3個(gè)部分：①容量瓶體積：使用A級(jí)容量瓶，由檢定證書得知實(shí)驗(yàn)使用的容量瓶精度為(250±0.003) mL、(100±0.001) mL、(100±0.002) mL，按均勻分布計(jì)算，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.003÷ 3=1.73×10-3mL，0.001÷ 3=5.77×10-4mL，0.002÷ 3=1.15×10-3mL。②校準(zhǔn)溫度與實(shí)驗(yàn)室溫度不同產(chǎn)生的不確定度：儀器的校準(zhǔn)溫度為20℃，而當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室的溫度為20.5℃，按均勻分布計(jì)算，250 mL容量瓶體積變化的不確定度為 2.1×10-4×0.5×250÷ 3=1.52×10-2mL，100 mL容量瓶體積變化的不確定度為 2.1×10-4×0.5×100÷ 3=6.06×10-3mL。③定容時(shí)的估讀誤差±0.005 mL，引起的不確定度為0.005÷ 3=2.89×10-3mL。④移液體積：使用50 mL A級(jí)移液管，由國家標(biāo)物中心提供其允差為±0.005 mL，按均勻分布計(jì)算，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.005÷ 3=2.89×10-3mL。

合成以上3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度如式⑾、⑿、⒀所示。

即其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為：

4.4 旋光儀精度的不確定度urel(P)

儀器檢定證書給出儀器的精度為±0.002 oZ，樣品的直接旋光讀數(shù)和轉(zhuǎn)化旋光讀數(shù)平均值分別為89.64%、32.71%，假設(shè)為均勻分布，即相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為：

4.5 旋光管長(zhǎng)度的不確定度urel(l)

由儀器檢定證書得，此旋光測(cè)定管(200 mm)的校準(zhǔn)誤差為0.003 mm，假設(shè)為均勻分布，換算成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.6 計(jì)算合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel

各個(gè)不確定度分量計(jì)算值如表2所示，樣品定容的數(shù)值最高，為2.095×10-4；其次是重復(fù)性測(cè)量，為1.027×10-4；樣品稱量數(shù)值最低，為1.769×10-6。

表2 赤砂糖蔗糖分測(cè)定相對(duì)不確定分量評(píng)定結(jié)果

樣品定容和重復(fù)性測(cè)量過程是不確定度引入的 主要來源。合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度如式(19)所示。

4.7 擴(kuò)展不確定度U

赤砂糖中蔗糖分平均值為93.03%，即其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u=0.000238×93.03%=0.022%，在95%置信水平下，包含因子取 k=2，擴(kuò)展不確定度為：U=ku=0.044%，實(shí)際赤砂糖樣品的測(cè)定結(jié)果可表示為：93.03%±0.044%。

5 結(jié)論

采用二次旋光法測(cè)定赤砂糖蔗糖分的過程中，影響蔗糖分測(cè)定的不確定度主要來源是樣品定容過程和重復(fù)性測(cè)量引入的不確定度分量。在本次實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.022%，在95%置信水平下，包含因子取 k=2，擴(kuò)展不確定度為0.044%，赤砂糖糖樣品中的蔗糖分測(cè)定結(jié)果可表示為：93.03%±0.044%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 35884-2018《赤砂糖》蔗糖分檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)要求。