果汁中維他命 C 含量的測定摘要 大人常要我們在生活中多攝取維他命 C, 就連到便利商店選一瓶解渴飲料, 也希望我們可以選個 100% 果汁含量, 維他命 C 高的飲品, 而且一開封就要我們迅速喝完, 要不然可能有營養素會流失 維他命 C 會減少的說法 本研究藉由此實驗實際測定不同果汁中維他命 C( 抗 壞血病酸 ) 之含量, 並進一步了解果汁因時間因素對其維他命 C 破壞的程度 實驗結果證明現 榨檸檬汁的維他命 C 含量較市售果汁更高, 且現榨檸檬汁的維他命 C 氧化速度較市售果汁為 快 ; 而不論是現榨檸檬汁或市售果汁, 維他命 C 含量都隨著時間的氧化而減少, 特別是在第一個小時內減少速度最快 經過這項實驗後更讓我們了解以後在攝取果汁時, 最佳的選擇及最佳的飲用時機為何了 壹 研究動機 每次媽媽擠果汁時, 總是要我們在最短的時間內喝完, 不然會氧化掉, 這讓我們有一些 問題產生 : 果汁放久了真的會氧化嗎? 氧化對維他命 C 的含量會有影響嗎? 另外, 我們對於市面上賣的包裝果汁及實際榨取的柳丁汁維他命 C 的含量的差異, 也有著極大的疑問, 所以我們決定採取實際的行動, 在收集與閱讀相關資料後, 發現這一次的疑問, 似乎得藉由更多 高難度的科學實驗 實際驗證, 所以在老師的指導及協助下, 希望利用實際的實驗數據所呈現的結果, 來澄清大家的想法 貳 研究目的 : 一. 學習如何利用科學實驗 ~ 碘之間接滴定法, 實際測定果汁中維他命 C( 抗壞血病酸 ) 之含量 二. 由實驗中比較出市售果汁 現榨果汁 維他命 c 片中維他命 C 的真正含量 三. 觀察果汁因時間因素對其維他命 C 破壞的程度 第 1 頁
叁 研究設備及材料 : 一 器材 ~ 刻度吸量管 (10mL) 錐形瓶 (125mL) 燒杯 (25mL) 滴定管 (25mL) 量瓶 (50mL) 量瓶 (10mL) 安全吸球 圖 1: 實驗器材 二 藥品 ~ 果汁 ( 統一檸檬多 現榨果汁 維他命 C 片 ) 0.001M 溴酸鉀 KBrO3 (potassium bromate) 溴化鉀 KBr (potassium bromide) 0.001M 硫代硫酸鈉 Na2S2O3 (sodium thiosulfate) 碘化鉀 KI (potassium iodide) 澱粉溶液 (starch solution) 硫酸 H2SO4 (Hydrogen sulfate) 圖 2: 實驗用藥品 第 2 頁
肆 研究過程及方法 : 一 實驗原理 : ( 一 間接碘滴定法 I2 - I - 為一氧化還原對(redox couple), 其反應式及標準還原電位為 I2 + 2e - 2I - E = +0.53V I2 與 MnO4 - Ce 4+ Cr2O7 2- 相比係一弱氧化劑, 但另一方面,I - 若與 Fe 2+ 相較, 卻為較強還原 劑 碘滴定法分兩類, 一為用 I2 作為氧化劑, 稱為直接碘滴定法 (Iodimetry), 另一用 I - 作為還原 劑, 稱為間接碘滴定法 (Iodometry); 因為只有少數還原劑可被 I2 氧化, 然而多數氧化劑卻可被 I - 還原, 故後者之應用較為廣泛 碘滴定反應使用澱粉溶液作為指示劑, 澱粉遇碘 (I2) 即產生深藍色澱粉 - 碘錯合物 但澱粉指示劑因為細菌的作用, 會於幾天內分解, 分解產物可能消耗碘並干擾指示劑性質, 分解速率可由在無菌條件下製備及儲存, 並加入碘化汞 (HgI2) 或氯仿 (CHCl3) 作為抗菌劑以抑制其分解速率 ( 二 維他命 C( 抗壞血病酸 ) 含量之測定維他命 C 為一種水溶性維他命, 是預防壞血病的必須物質, 它可幫助傷口的癒合及避免心臟病等, 並可幫助鐵質之吸收 ; 但若攝取過多亦可能造成腎結石或破壞體內之維他命 B12 等缺點 一般建議每天攝取量是 0.2 至 1.0 克 而在日常生活中對維他命 C 破壞影響最大的因素有 水 烹飪 熱 光 氧 ( 空氣 ) 及抽煙等 維他命 C 可完全被溴氧化而成去氫抗壞血病酸 : 本實驗乃利用溴酸鉀 KBrO3 與溴化鉀 KBr 在酸中產生溴, 進而氧化維他命 C 而成去氫抗壞 血病酸, 再利用間接碘滴定法滴定剩餘的溴酸根離子 ( 氧化劑 ) 來推算得知維他命 C 之含量 作 為氧化劑的溴酸鉀十分穩定, 其還原產物為 Br - ( 標準電位 1.44V), 通常以澱粉為指示劑, 加入 第 3 頁
過量碘化鉀 KI 再以標準硫代硫酸鈉 Na2S2O3 滴定所產生的碘 ( 至其深藍色變為淺藍色時為滴定 終點 ), 將其換算為反應過剩的溴, 即可得之因氧化維他命 C 所消耗掉的溴 其反應式如下 : 二 實驗方法 : ( 一 ) 滴定法之操作 1. 將洗淨之滴定管先用待裝填之滴定試液 (KBrO3) 約 5mL 潤洗二至三次, 潤洗後試液均丟棄 2. 將滴定管裝填滴定試液 (KBrO3), 檢視栓塞是否故障及滴定管尖是否有氣泡, 如有問題應設法排除 ( 滴定操作方式如圖 3) 3. 將被滴定之溶液置於錐形瓶中, 加入指示劑數滴, 並預先估算大約所需滴定試液之 毫升數 (N1V1 = N2V2) 4. 讀取滴定管之最初讀數, 讀取時應注意視線須與液面在同一水平面上 ; 若管內液體為無色凹面, 則讀取凹面最低處刻度, 若有顏色則讀取液面與管壁接觸之刻度 圖 3 滴定之操作示意圖 第 4 頁
5. 由滴定管加入滴定試液, 接近終點時要一滴一滴的加入, 每加入一滴須將錐形瓶振盪, 加至指示劑改變顏色, 且該顏色可支持十秒以上即為終點 6. 記錄滴定管之最終讀數, 與最初讀數之差值即為所用去之體積毫升數 7. 將滴定管內之殘液丟棄並洗淨, 準備反滴定試液 (Na2S2O3) 按照步驟 (1) 開始重複一次 ( 二 ) 果汁中維他命 C 含量之測定 1. 以 125mL 錐形瓶量取約 100mL 之果汁, 使用多摺濾紙以重力過濾法先除去雜質, 收集濾液至另一乾淨的 125mL 錐形瓶內, 並以軟木塞蓋緊 2. 以刻度吸量管量取 20mL 過濾過的果汁, 移入一 50mL 量瓶中, 加入 1.0g KBr 後以 0.5M H2SO4 稀釋至刻度 (50mL), 將配製好的試液倒入 125mL 錐形瓶中迅速用 KBrO3 滴定至 產生過量 Br2 所呈之淡黃色為止 記錄所加入之氧化劑 KBrO3 體積 3. 再加入 0.5g KI 及 1mL 澱粉溶液, 以 Na2S2O3 溶液反滴定至溶液顏色由深藍轉為淺藍即達滴定終點, 記錄所消耗的 Na2S2O3 溶液體積 計算果汁中之維他命 C(C6H8O6) 含量 4. 再把剩下的果汁放在空氣中一小時, 在測量果汁中的維他命 C, 計算果汁再空氣中所損耗掉的維他命 C 圖 4: 用刻度吸管稀硫酸 第 5 頁
圖 5: 添加 KBrO3 滴定溶液 圖 6: 以 KBrO3 滴定果汁 第 6 頁
圖 8: 以 KBrO3 滴定果汁至呈淡黃色 圖 7: 在燒杯下放一張白紙, 比較容 易看出顏色變化 第 7 頁
圖 9: 以 KBrO3 滴定至呈淡黃色的果汁 圖 10: 兩組以 KBrO3 滴定後的溶液比較 第 8 頁
圖 11: 以 Na2S2O3 反滴定中的溶液 圖 12: 以 Na2S2O3 反滴定至呈淡藍色的溶液 圖 13: 兩組以 Na2S2O3 反滴定後的溶液比較 第 9 頁
圖 14: 現壓果汁 圖 15: 過濾果汁 圖 16: 用刻度吸管吸取果汁 第 10 頁
( 三 ) 本次實驗以我們日常生活中較易取得及實用的三種不同來源為主, 包括統一檸檬多 現榨檸檬汁 愛喜錠維他命 C 片三種做為試驗, 均以上述滴定及反滴定法進行維他命 C 含量多寡的測定, 並紀錄隨時間變化下, 所含維他命 C 在空氣中氧化的程度 ( 四 ) 爲使實驗誤差減少, 本實驗每一步驟皆以兩組實驗組同時進行, 在實驗結果呈現 時, 兩組數據除逐一呈現外, 並進一步以平均方式做處理比較 伍 研究結果與討論 起初以檸檬多果汁的實驗結果代入計算維他命 C 公式 附件一 : 維他命 C 毫克數 = 3 [(0.001 V1)-(0.001 V2) 1 2 ] 176 發現計算結果與廠商標示值差異非常大, 考慮可能因為滴定過程中各種誤差的影響, 因此, 增加測定一組維他命 C 含量之檢量線來做為校正 一 以維他命 C 藥片的測量做為檢量線愛喜錠 :500mg/ 每片 (2g) 原計算維他命 C 含量的公式為 : 維他命 C 毫克數 = 3 [(0.001 V1)-(0.001 V2) 1 2 ] 176 在繪製檢量線時,y 軸代表維他命 C 毫克數的理論值,x 軸代表滴定及反滴定測量下所計算之維他命 C 毫莫耳數, 但因此時可不求出真實的毫莫耳數, 僅以實驗中用以推算維他命 C 毫莫耳數的體積用量代替即可, 故將 y 軸改以體積 V=V1-1 2 V2 計算即可 第 11 頁
表 1 檢量線測量數據計算結果 維他命 C KBrO3 滴定液用量 (V1) Na2S2O3 滴定液用量 (V2) 體積計算值 (V) 含量 測量 1 測量 2 測量 1 測量 2 計算 1 計算 2 平均 1mg 5 6 34.5 69.7-12.25-28.85-20.55 3mg 8.3 15.9 19.6 43-1.5-5.6-3.55 5mg 21.3 17.5 36.2 35.8 3.2-0.4 1.4 10mg 26.6 24.3 12.8 38.7 20.2 4.95 12.575 15mg 31.6 30 19 15.2 22.1 22.4 22.25 VitC 毫克數 16 14 12 10 8 6 4 2 0 VitC 含量檢量線 ( 計算 1) y = 0.3696x + 4.4533 R 2 = 0.9091 體積計算值 -20-10 -2 0 10 20 30 圖 17 維他命 C 檢量線 1 第 12 頁
VitC 含量檢量線 ( 計算 2) y = 0.282x + 7.223 R 2 = 0.8514-40 -30-20 -10-2 0 10 20 30 VitC 含量檢量線 ( 平均 ) VitC 毫克數 16 14 12 10 8 c 6 4 2 0 圖 18 維他命 C 檢量線 2 16 14 12 10 8 6 4 2 0 VitC 毫克數 y = 0.3327x + 5.9933 R 2 = 0.9114 體積測量值 測量體積 -30-20 -10-2 0 10 20 30 圖 19 維他命 C 檢量線 3 在平均計算下, 檢量線的 R 2 值達 0.9114, 表示檢量公式足以採信 故以下測量果汁中維 他命 C 含量的實驗, 最後代入檢量公式 y 0.3327x 5.9933計算 第 13 頁
二 市售統一檸檬多維他命 C 含量的測量 表 4 統一檸檬多維他命 C 含量測量數據計算結果 市售 KBrO3 滴定液用量 (V1) Na2S2O3 滴定液用量 (V2) 體積計算值 (V) 檸檬多 測量 1 測量 2 測量 1 測量 2 計算 1 計算 2 平均 新開封 14 13.7 13.5 10.6 7.25 8.4 7.825 60min 14.5 17.9 5.55 5.55 115min 18.9 18.8 31.7 40.8 3.05-1.6 0.725 175min 20.8 56.6-7.5-7.5 剩餘量 (%) 120 100 80 60 40 表 5 以 y = 0.3327x + 5.9933 計算維他命 C 含量 維他命 C 含量計算值 (mg) 氧化時間計算 1 計算 2 平均剩餘量 新開封 8.41 8.79 8.6 100 % 60min(1Hr) 7.84 7.84 91.2 % 115min(2Hr) 7.01 5.46 6.23 72.4 % 175min(3Hr) 3.5 3.5 40.7 % 市售檸檬多 VitC 剩餘量 剩餘量 20 氧化時間 (min) 0 0 50 100 150 200 圖 20 統一檸檬多維他命含量隨時間變化圖從實驗結果來看, 可以看出維他命 C 隨著曝露在空氣中的時間愈長, 其含量愈低 ; 的確符合維他命 C 會與氧氣作用而被氧化掉的想法 而氧化的程度, 似乎在開封二小時後變的較快, 三小時後, 仍剩餘 40.7 % 第 14 頁
三 現榨果汁維他命 C 含量的測量 現榨 表 6 統一檸檬多維他命 C 含量測量數據計算結果 KBrO3 滴定液用量 (V1) Na2S2O3 滴定液用量 (V2) 體積計算值 (V) 檸檬汁 測量 1 測量 2 測量 1 測量 2 計算 1 計算 2 平均 25min 39.9 39 20.4 20.4 30min 25.5 17.4 16.8 16.8 80min 13.6 10.2 8.5 8.5 120miin 9.5 8.2 5.4 5.4 190min 11.1 14.9 3.65 3.65 240min 9.7 10.6 14.2 27.8 2.6-3.3-0.35 表 7 以 y = 0.3327x + 5.9933 計算維他命 C 含量 維他命 C 含量計算值 (mg) 氧化時間計算 1 計算 2 平均剩餘量 25min 12.78 12.78 100 % 30min 11.58 11.58 90.6 % 80min 8.82 8.82 69.0 % 120miin 7.79 7.79 61.0 % 190min 7.21 7.21 56.4 % 240min 6.86 4.9 5.88 46.0 % 第 15 頁
剩餘量 (%) 120 100 80 60 現榨檸檬汁 VitC 剩餘量 剩餘量 40 20 0 氧化時間 (min) 0 50 100 150 200 250 300 圖 21 統一檸檬多維他命含量隨時間變化圖 從實驗結果來看, 可以看出現榨檸檬汁的維他命 C 含量較市售果汁更高, 其含量亦隨著 曝露在空氣中的時間愈長而降低 氧化的程度, 在第一個小時內就很明顯, 因此現榨果汁還 是儘快飲用完畢較好 ( 但四小時後, 仍剩餘 46%) 陸 結論 一 市售檸檬多其標示維他命 C 含量為 9mg/100mL, 每次實驗取 20mL 進行測量, 依廠商標 示值來計算, 維他命 C 含量理論值為 1.8mg/20mL 經由實驗測定, 剛開封時的維他命 C 含量為 8.6mg/20mL, 遠高於廠商標示值 二 現榨檸檬汁的維他命 C 含量較市售果汁更高 三 現榨檸檬汁的維他命 C 氧化速度較市售果汁為快, 可能是市售果汁有添加一些抗氧化劑 的原因 四 不論是現榨檸檬汁或市售果汁, 維他命 C 含量都隨著時間的氧化而減少, 特別是在第一個 小時內減少速度最快, 若暴露在一般空氣中的時間長達四小時, 現榨檸檬汁維他命 C 含量更將減少原含量一半以上 第 16 頁
柒 學習心得 在這次科展中, 除了讓我知道原來果汁中的維他命 c 是可以測量的, 也讓我見識到了許多平常所看不到的實驗器材 最重要的更是澄清了果汁在空氣中真的會氧化的疑問 另外, 學習這一整個實驗的同時, 更讓我了解到在使用化學藥品時, 一定要小心, 否則後果似乎不是我們想得到的那樣而已 另外, 原來一克等單位量在我們生活中那樣微不足道的數值, 竟 可能因為差那麼一點就產生不同的實驗結果, 更讓我體驗到做實驗真的要 大膽假設, 小心 求證 的道理, 最後要感謝老師不辭辛勞的在假日來協助我們做實驗 ( 劉修毓 ) 這次的科展, 讓我受益良多, 因為這次的實驗, 是維他命 C, 跟生活最息息相關, 所以, 令我十分感興趣 當然透過此次實驗, 不但讓我知道維他命 C 對人體的重要性, 更從整個實驗過程, 體會到科學的樂趣, 光是果汁我們不但買了不少種來試, 後來還決定以現榨果汁來實驗 而且每一樣都要自己親身試驗, 這樣不但可以增加科學知識, 還可以跟同學們促近感情, 這是我認為最大的收穫了!( 蔡桓銘 ) 在這個實驗中, 讓我知道了許多的知識, 尤其是知道了氧化以及還原的作用, 使我對於科學的興趣愈來愈濃厚了 說一句真心的話, 整個實驗過程不但麻煩而且長, 例如 : 滴定要的準確度 現榨果汁的過程, 以及所有的步驟的在一次確認藥品, 洗滌是否確實乾淨, 時間及結果的紀錄等, 都需要每個人的同心協力才能完成, 讓我們真是感受到 合作 的重要 真是謝謝老師們一路陪我們走過這一段有趣且難忘的實驗 ( 宋承逸 ) 這次在校內做科展, 一開始的時候實驗一直在修正, 做出來結果也和實際的差很多, 但是透過不斷的練習, 我們一直在進步, 尤其到了後來實驗數據的 R 2 值已經到了 0.87 左右, 真 是令人很興奮 做這個實驗雖然和之前要做的實驗有點不同, 且變得較難了一些,, 步驟如果 做錯了就要重來, 是十分辛苦的事, 但是做了幾個星期之後, 似乎每個人都愈來愈熟練, 小 組成員也越來越配合, 讓整個實驗有效率的完成, 我覺得這次的實驗讓我懂得許多知識, 真 是一舉數得啊!( 蔡海平 ) 由於我們的實驗過程十分繁複, 因此常常為此忙得頭昏眼花 暈頭轉向的 有好幾回是 因為這樣把實驗搞砸了, 又要從新來過, 挺累人的 也還好是在組員的互相包容下完成的, 否則一定會搞的天下大亂的, 在此要感謝他們 做完這個實驗, 我感到非常欣慰, 因為過程 第 17 頁
之艱辛非常人所能想像, 常常是來的時候是頂著烈日來的, 會去的時候卻是披著晚霞回家的, 所以感受特別深 雖然實驗結束了, 但我還是會秉持著作實驗時那種鍥而不捨 堅持到底的 精神, 努力探索生活中的一切 這就是我最大的收穫!( 胡政琦 ) 捌 參考資料 1. 維生素工作室 (2000) 維生素全書 台北 : 城邦文化事業股份有限公司 2. 綠地球國際有限公司 (1999) 自然科學大百科 ~ 農作物與水果 台北 : 綠 地球國際有限公司 3. 維他命 C 健康聖經 http://www.books.com.tw/exep/prod/booksfile.php?item=0010327802 4. 維他命 C 的用途 http://tw.knowledge.yahoo.com/question/?qid=1405102601814 5. 什麼是左旋 C http://tw.knowledge.yahoo.com/question/?qid=1305092606028. http://www.healthhouse.com.tw/info/antioxi/v_c.htm http://www.pcc.vghtpe.gov.tw/newsimg/%bb{%c3%d1%a5%aa%b1%db%ba%fb%a5l%a9 RC030326.htm 第 18 頁
附件一 : 維他命 C 含量的計算 3 原滴定加入的 KBrO3 量 (0.001 V1) 產生的 Br2 量 4 2 1 滴定後剩下的 KBrO3 量 (0.001 V2) 3 2 1 3 真正用掉的 KBrO3 量訂為 [M] (0.001 V1)-(0.001 V2) 1 2 被氧化掉的 VitC 和 Br2 量相同 3 [M] 3 [M] 3 [M] 回推第一次過量滴定剩下的量由計算出的碘量 (0.001 V2) 3 2 1 3 由反滴定用掉的量 (0.001 V2) 推斷中和掉多少多餘的 I2 (0.001 V2) 3 2 (0.001 V2) 3 2 即維他命 C 毫克數 = 3 [(0.001 V1)-(0.001 V2) 1 2 ] 176 第 19 頁