维生素C有效期测定及动力学性质

2023-12-04 理论教育版权反馈

【摘要】：食物中的维生素C一旦被人体小肠上段吸收，就分布到体内所有的水溶性结构中。正常成人体内的维生素C代谢活性池中约有1500mg维生素C，最高储存峰值为3000mg维生素。人体内维生素C的缺乏会导致坏血病。富含维生素C的食物有花菜、青辣椒、橙子、葡萄汁、西红柿等。随着维生素C制剂的应用日益广泛，简便地预测维生素C药物的稳定性就显得尤为重要。利用这一水解反应来测定维生素C在酸性溶液中变成多羟基酸的动力学性质。

维生素C有效期的测定

武汉东湖学院生命科学与化学学院

李会荣，李　鑫，程时劲，王莹莹，安从俊

为测定药物维生素C的有效期，我们用旋光度法研究了药物维生素C在3.7mol/L硫酸催化下的水解反应，通过作图尝试法确定了该水解反应的反应级数和速率常数，考察了温度对水解反应的反应级数、反应速率常数及维生素C的影响。结果表明，维生素C在3.7mol/L硫酸催化下的水解反应为一级反应，在T＝298.15 K 时，速率常数k =4.8×10^-8min^-1， t_0.9=2.2×10⁶min。在298.15K—318.15K 的温度范围内，水解反应的反应级数不随温度改变，水解反应的速率常数随温度的升高而增加，有效期随温度的升高而减小。因此得出，维生素C不利于高温保存，而适合在低温中保存。

一、前言

维生素C（Vitamin C，Ascorbic Acid）又称L-抗坏血酸，是一种水溶性维生素。食物中的维生素C一旦被人体小肠上段吸收，就分布到体内所有的水溶性结构中。正常成人体内的维生素C代谢活性池中约有1500mg维生素C，最高储存峰值为3000mg维生素。C正常情况下，维生素C绝大部分在体内经代谢分解成草酸或与硫酸结合生成抗坏血酸-2-硫酸由尿排出；另一部分可直接由尿排出体外。人体内维生素C的缺乏会导致坏血病。富含维生素C的食物有花菜、青辣椒、橙子、葡萄汁、西红柿等。全世界专家们的研究清楚地表明，每天吃新鲜水果，特别是柑桔类水果，胃癌、食管癌、咽癌及宫颈癌的发病率会大大降低；还有些研究指出，含维生素C丰富的水果有助于预防结肠癌和肺癌。

随着维生素C制剂的应用日益广泛，简便地预测维生素C药物的稳定性就显得尤为重要。有效期是衡量药物稳定性的重要参数之一，药物的有效期实际就是指药物消耗10%所需要的时间，通常用t_0.9来表示。旋光度法是近年内国际上发展较快的一种新的采样分析方法，主要是方便快速，适应医院制剂快速分析研究。药物在贮存过程中，按照一定的速率降解是药物固有的化学性质。药物制剂的稳定性试验方法可分为两类，即室温留样观察和加速试验法。本文采用的就是加速试验法，根据一级动力学模型来计算有效期。

二、实验部分

（一）仪器与试剂

超级恒温水槽(SY-15B，南京桑力电子设备厂)；旋光光度计(WXG-4，上海世溶物理光学仪器有限公司)；维生素C（分析纯）；98%硫酸（分析纯）。

（二）实验方法

1.溶液配制

称取0.5g 维生素C放入50ml的烧杯中，用移液管移取30ml的蒸馏水到烧杯中，用玻璃棒搅拌使其溶解（每次使用都重新配制）。量取50ml98%的浓硫酸配制成250ml溶液。

2.旋光仪测定

让旋光仪预热10min，用蒸馏水校正旋光仪的零点。向配制的30ml维生素C药物溶液中，一次性加入20ml 3.7mol/L的硫酸，加至一半开始计时，此时为开始反应时间。测定溶液不同t时的旋光度a_t；将剩下的反应溶液在343.15K的水浴中恒温10min，然后冷至原来的温度，测其旋光度为a_∞；实验完毕，用蒸馏水反复洗旋光管多次，使仪器零点复原。

（三）数据处理

从维生素C的结构式可见维生素C药物有一个内酯键。其水解反应式如下：

在维生素C结构式中，由于酯基的存在，在酸的作用下水解会导致其旋光度的改变，水解的多少直接影响其旋光度大小。

维生素C在酸性溶液中变成多羟基酸的反应，其旋光度a与多羟基酸的浓度呈函数关系。利用这一水解反应来测定维生素C在酸性溶液中变成多羟基酸的动力学性质。

根据一级反应动力学方程式

则

式中：c₀—0=t时反应物的浓度，单位mol·L^·

　　c—反应到时间t时反应物的浓度，单位mol·L^·

设x为经过t时间后，反应物消耗掉的浓度，因此，有₀ccx=-，代入式（1-2）可得：

在酸性条件下，测定溶液旋光度的变化，用a_∞表示维生素C完全水解变成多羟基酸的旋光度，a_t代表在时间t时部分维生素C变成多羟基酸的旋光度。则公式中可用a_∞代替c₀，（a_∞－a_t）代替（c₀－x），即

根据以上原理，用ln（a_∞－a_t）对t作图，得一直线，从直线斜率可求出速率常数k。实验可在不同温度下进行，测得不同温度下的速率常数k值，依据阿伦尼乌斯公式，用lnK对作图，得一直线，在直线上找出对应于点时lnK的值。据此可计算出维生素C药物的室温（298.15K）的有效期，即

（1-5）式中，t_0.9表示药物有效期，指药物消耗10%所需要的时间，k_25℃表示298.15K时的速率常数。

三、结果与分析(www.chuimin.cn)

（一）维生素C水解反应级数确定

在313.15K条件下，维生素C的初始浓度为16.7mg/ml，硫酸的浓度为3.7mol/L。测定不同时刻维生素C水溶液的旋光度a_t，以及lg（a_t—a_∞）对时间t作图并进行线性拟和得到速率常数和相关系数，平行测定三次，结果见表1。

表1　313.15K时的维生素C水解反应速率常数和相关系数

从表1可知，lg（a_t—a_∞）对时间t作图，三次平行试验的线性相关系数R均在0.99以上，而且反应速率常数k的数据也很吻合，由此判断，维生素C在该酸性条件下的水解反应为一级反应，反应速率常数为0.0012 min^·。

（二）温度对反应级数和反应速率常数的影响

固定维生素C的初始浓度为16.67mg/ml，硫酸的浓度为3.7mol/L，改变反应温度，测定不同时刻维生素C水溶液的旋光度a_t，以及lg（a_t—a_∞）对时间t作图并进行线性拟和得到速率常数和相关系数，结果见表2。

表2　不同温度下的反应速率常数和相关系数

由上表可知，在不同温度下，lg（a_t—a_∞）对t作图，线性相关系数均在0.99以上，说明在308.15K—318.15K 的范围内，温度对维生素C水解反应的反应级数没有影响，反应级数均为一级。随着反应温度的升高，维生素C水解反应的速率常数增大，升高温度对维生素C的水解反应有利。

（三）温度下维生素C药物有效期的影响

根据一级反应速率方程，t_0.9==，可分别计算出308.15K、313.15K 、318.15K的有效期。由于在298.15K时，维生素C水溶液的旋光度值随时间的变化非常缓慢，数据见表3，因此无法直接得到常温下维生素C水解的速率常数K.

表3　298.15K时维生素C水溶液的旋光度

为了得到维生素C在常温下的有效期，本文使用了阿伦尼乌斯公式lnk=－Ea/ RT+lnA，式中k为反应速率常数，T为反应温度，A为指前因子。用lnk—1/T作图，可得一直线，通过直线斜率可求出Ea（见图1）。外推得到了298.15K时的k，从而计算得到了常温下维生素C的有效期。不同温度下维生素C的有效期见图2。

从图1可得相关系数 R²=0.9999 ;可知—lnk对1/T的线性关系好。

图1　1/T与—lnk的关系图

图2　不同温度下维生素C的有效期

由图2可知，温度对维生素C药物有效期的影响较大。本文分别研究了308.15K、313.15K、318.15K时维生素C药物的有效期。当T =318.15K时，t_0.9=3.86min，即维生素C药物在318.15K时的有效期为3.86min；T =313.15K时，t_0.9=85.69min；当T=308.15K 时，t_0.9=2.34×103min，即维生素C在308.15K时的有效期为2.34×103min；当T =298.15K时，t_0.9=2.2×106min。由此表明，随着保存而温度的降低，维生素C药物的有效期增大，表明维生素C药物不利于高温保存适合在低温中保存。

四、结论

维生素C药物水解反应的反应级数为一级。温度对维生素C药物有效期的影响较大，当T = 308.15K 时，t_0.9=2.34×103min，即维生素C在308.15K时的有效期为2.34×103min；当T = 313.15K时，t_0.9=85.69min，即维生素C药物在313.15K时有效期为85.69min；当T =318.15K时，t_0.9=38.5min，即维生素C药物在318.15K时有效期为3.86min。由此表明，随着温度的增加，维生素C药物水解反应的反应速率逐渐增大而存放时间逐渐减少；维生素C药物不利于高温保存，适合在低温中保存。

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