蔗糖中紅外光譜初步研究

于宏偉，齊哲真，王雪琪，戎 媛，王鵬程，苑路鑫

(石家莊學(xué)院化工學(xué)院，河北 石家莊 050035)

0 前言

蔗糖(CAS 57-50-1，β-D-呋喃果糖基-α-D-吡喃葡萄糖苷)是一重要的重要的食品和甜味調(diào)味品。蔗糖具體可分為白砂糖、赤砂糖、綿白糖、冰糖、粗糖(黃糖)等。蔗糖廣泛應(yīng)用在食品[1-2]、醫(yī)學(xué)[3-4]、畜牧[5-6]、園藝[7-8]等領(lǐng)域。蔗糖的廣泛應(yīng)用與其特殊分子結(jié)構(gòu)有關(guān)(圖 1)。中紅外(MIR)光譜具有靈敏度高，方便而快捷的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)研究中[9-12]。與經(jīng)典的單糖(葡萄糖)相比，蔗糖的分子結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而相應(yīng) MIR 光譜研究少見報(bào)道。本文以蔗糖為研究對(duì)象，分別開展了蔗糖 MIR 光譜研究，為蔗糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供了有意義的科學(xué)借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

杞參牌優(yōu)級(jí)綿白糖(300 g 包裝，吉林省杞參食品有限公司生產(chǎn))，葡萄糖(分析純，C6H12O6·H2O河北定州青年試劑廠)。

1.2 儀器

Spectrum 100 型紅外光譜儀(美國(guó) PE 公司)。Golden Gate 型 ATR-FTMIR 變溫附件(英國(guó) Specac 公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

每次實(shí)驗(yàn)以空氣為背景，對(duì)于蔗糖進(jìn)行 8 次掃描累加。測(cè)定頻率范圍 4 000 cm-1～ 600 cm-1。蔗糖一維 MIR 光譜數(shù)據(jù)采用 Spectrum v 6.3.5 操作軟件，蔗糖二階和四階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜數(shù)據(jù)采用Spectrum v 6.3.5 操作軟件(Number of point=13)，蔗糖去卷積 MIR 光譜數(shù)據(jù)采用 Spectrum v 6.3.5 操作軟件(Gamma=2.0，Length=10)。

圖1 蔗糖與葡萄糖的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 The molecular structure of sucrose and glucose

2 結(jié)果與討論

2.1 蔗糖 MIR 光譜研究

蔗糖的 MIR 光譜包括：一維 MIR 光譜、二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜、四階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜和去卷積 MIR 光譜

2.1.1 蔗糖一維 MIR 光譜研究

首先開展了蔗糖的一維 MIR 光譜研究(圖 2)。其中 2 941.87 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于蔗糖分子 CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νasCH2-蔗糖-一維)；1 125.65 cm-1～1 037.23 cm-1頻率范圍內(nèi)系列吸收峰歸屬于蔗糖分子 C-O伸縮振動(dòng)模式(νC-O-蔗糖-一維)；908.03 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅰ 型吸收帶(ν-Ⅰ-蔗糖-一維)；849.38 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅱ 型吸收帶(ν-Ⅱ-蔗糖-一維)；731.88 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅲ 型吸收帶(ν-Ⅲ-蔗糖-一維)；蔗糖其它官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的光譜信息見表1。

圖2 蔗糖一維 MIR 光譜(303 K)Fig.2 One-dimensional infrared spectrum of sucrose (303 K)

表1 蔗糖一維 MIR 光譜數(shù)據(jù)(303 K)

2.1.2 蔗糖二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜研究

開展了蔗糖的二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜研究(圖 3)。其中 2 943.90 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于蔗糖分子 CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νasCH2-蔗糖-二階導(dǎo)數(shù))；1 137.84 cm-1～1 035.45 cm-1頻率范圍內(nèi)系列吸收峰歸屬于蔗糖分子 C-O伸縮振動(dòng)模式(νC-O-蔗糖-二階導(dǎo)數(shù))；907.54 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅰ 型吸收帶(ν-Ⅰ-蔗糖-二階導(dǎo)數(shù))；849.15 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅱ 型吸收帶(ν-Ⅱ-蔗糖-二階導(dǎo)數(shù))；733.26 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅲ 型吸收帶(ν-Ⅲ-蔗糖-二階導(dǎo)數(shù))；蔗糖其它官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的光譜信息見表 2。

圖3 蔗糖二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜(303 K)Fig.3 Second derivative MIR spectrum of sucrose (303 K)

表2 蔗糖二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜數(shù)據(jù)(303 K)

2.1.3 蔗糖四階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜研究

進(jìn)一步開展了蔗糖的四階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜研究(圖 4)。

其中 2 944.50 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于蔗糖分子 CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νasCH2-蔗糖-四階導(dǎo)數(shù))；1 138.27 cm-1～1 035.69 cm-1頻率范圍內(nèi)系列吸收峰歸屬于蔗糖分子 C-O伸縮振動(dòng)模式(νC-O-蔗糖-四階導(dǎo)數(shù))；907.98 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅰ 型吸收帶(ν-Ⅰ-蔗糖-四階導(dǎo)數(shù))；849.61 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅱ 型吸收帶(ν-Ⅱ-蔗糖-四階導(dǎo)數(shù))；734.14 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅲ 型吸收帶(ν-Ⅲ-蔗糖-四階導(dǎo)數(shù))；蔗糖其它官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的光譜信息見表 3。

圖4 蔗糖四階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜(303 K)Fig.4 Fourth derivative MIR spectrum of sucrose (303 K)

表3 蔗糖四階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜數(shù)據(jù)(303 K)

2.1.4 蔗糖去卷積MIR 光譜研究

最后開展了蔗糖的去卷積 MIR 光譜研究(圖 5)。

其中 2 944.29 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于蔗糖分子 CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νasCH2-蔗糖-去卷積)；1 137.77 cm-1～1 035.80 cm-1頻率范圍內(nèi)系列吸收峰歸屬于蔗糖分子 C-O伸縮振動(dòng)模式(νC-O-蔗糖-去卷積)；908.05 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅰ 型吸收帶(ν-Ⅰ-蔗糖-去卷積)；849.58 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅱ 型吸收帶(ν-Ⅱ-蔗糖-去卷積)；734.87 cm-1和 732.01 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅲ 型吸收帶(ν-Ⅲ-蔗糖-去卷積)；蔗糖其它主要官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的光譜信息見表 4。

圖5 蔗糖去卷積 MIR 光譜(303 K)Fig.5 Deconvolution MIR spectrum of sucrose (303 K)

表4 蔗糖去卷積 MIR 光譜數(shù)據(jù)(303 K)

分別采用了一維 MIR 光譜、二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜、四階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜和去卷積 MIR 光譜開展了蔗糖的分子結(jié)構(gòu)研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：蔗糖的二階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜、四階導(dǎo)數(shù) MIR 光譜和去卷積 MIR 光譜并不能明顯的增加原譜圖的分辨能力，而蔗糖的了一維 MIR 光譜則具有足夠的光譜信息。

2.2 蔗糖與葡萄糖分子結(jié)構(gòu)差異性研究

采用一維 MIR 光譜開展了葡萄糖分子結(jié)構(gòu)研究(圖 6)。其中 2 937.30 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于葡萄糖分子 CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νasCH2-葡萄糖-一維)；1 154.21 cm-1～1 046.57 cm-1頻率范圍內(nèi)系列吸收峰歸屬于葡萄糖分子 C-O伸縮振動(dòng)模式(νC-O-葡萄糖-一維)；914.98 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅰ 型吸收帶(ν-Ⅰ-葡萄糖-一維)；851.12 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅱ 型吸收帶(ν-Ⅱ-葡萄糖-一維)；769.76 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于糖類 Ⅲ 型吸收帶(ν-Ⅲ-葡萄糖-一維)；葡萄糖其它官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的光譜信息見表 5。

圖6 蔗糖/葡萄糖一維 MIR 光譜(303 K)Fig.6 One-dimensional infrared spectrum of sucrose/glucose (303 K)

表5 葡萄糖一維 MIR 光譜數(shù)據(jù)(303 K)

研究發(fā)現(xiàn)；盡管蔗糖和葡萄糖分子結(jié)構(gòu)相似，也含有葡萄糖基團(tuán)，但二者的一維 MIR 光譜差異性較大。這主要是因?yàn)檎崽侵泄腔鶊F(tuán)，具有較強(qiáng)的給電子效應(yīng)。因此，與葡萄糖相比，其主要官能團(tuán)(ν-Ⅰ-糖-一維，ν-Ⅱ-糖-一維和ν-Ⅲ-糖-一維)對(duì)應(yīng)的吸收頻率均發(fā)生一定的紅移。

3 結(jié)論

蔗糖的主要紅外吸收官能團(tuán)包括：νasCH2-蔗糖、νC-O-蔗糖、ν-Ⅰ-蔗糖、ν-Ⅱ-蔗糖、和ν-Ⅲ-蔗糖。

本項(xiàng)研究拓展了 MIR 光譜在蔗糖分子結(jié)構(gòu)研究的范圍，具有重要的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。