蔗糖分子變溫一維中紅外光譜研究

于宏偉，李佳欣，康怡然，衛(wèi)羽萱，吳夢(mèng)謠，王曉萱

(石家莊學(xué)院化工學(xué)院，河北 石家莊 050035)

0 前言

蔗糖是一類重要的甜味調(diào)味品，廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)[1]、畜牧[2]、食品[3]、林業(yè)[4]、醫(yī)學(xué)[5]等領(lǐng)域。焦糖是以蔗糖為原料熬成的黏稠液體或粉末。焦糖是一種在食品中應(yīng)用范圍十分廣泛的天然著色劑[6-8]，是食品添加劑中的重要一員。中紅外(MIR)光譜因具有方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于糖類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域[9-12]，變溫中紅外(TD-MIR)光譜通常應(yīng)用于化合物熱穩(wěn)定性研究領(lǐng)域[13-20]，而焦糖未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。因此本文以蔗糖為研究對(duì)象，在 303 K～523 K 的溫度范圍內(nèi)，采用一維中紅外(MIR)光譜及一維變溫中紅外(TD-MIR)光譜，開展了蔗糖轉(zhuǎn)變焦糖的機(jī)理研究，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

蔗糖(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)，石家莊市長(zhǎng)安區(qū)北國(guó)超市談固店售)。

1.2 儀器

Spectrum 100 型紅外光譜儀(美國(guó) PE 公司)；Golden Gate 型 ATR-MIR 變溫附件及控件(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)于蔗糖分子進(jìn)行 8 次掃描累加，測(cè)定頻率范圍 4 000 cm-1～600 cm-1，測(cè)溫范圍 303 K～523 K(變溫步長(zhǎng) 10 K)。蔗糖分子一維 MIR 光譜數(shù)據(jù)采用 Spectrum v 6.3.5 操作軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 蔗糖分子一維 MIR 光譜研究

在 303 K 的溫度下，采用一維 MIR 光譜開展了蔗糖分子的結(jié)構(gòu)研究(圖 1)。

圖1 蔗糖分子一維 MIR 光譜(303 K)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1 125.65 cm-1(νC-O-1-蔗糖-303 K)、1 115.38 cm-1(νC-O-2-蔗糖-303 K)、1 104.03 cm-1(νC-O-3-蔗糖-303 K)、1 065.30 cm-1(νC-O-4-蔗糖-303 K)、1 049.15 cm-1(νC-O-5-蔗糖-303 K)和 1 037.23 cm-1(νC-O-6-蔗糖-303 K)頻率處的吸收峰歸屬于蔗糖分子 C-O 伸縮振動(dòng)譜帶(νC-O-蔗糖-303 K)；908.03 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于蔗糖分子糖類 Ⅰ 型吸收模式(ν-Ⅰ-蔗糖-303 K)；849.38 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于蔗糖分子糖類 Ⅱ 型吸收模式(ν-Ⅱ-蔗糖-303 K)；731.88 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于蔗糖分子糖類 Ⅲ 型吸收模式(ν-Ⅲ-蔗糖-303 K)。

2.2 蔗糖分子一維 TD-MIR 光譜研究

分別選擇“303 K～373 K”、“383 K～473 K”和“483 K～523 K”三個(gè)溫度區(qū)間，采用一維 TD-MIR 光譜，開展了溫度變化對(duì)蔗糖分子結(jié)構(gòu)影響的研究。

2.2.1 第一溫度區(qū)間蔗糖分子一維 TD-MIR 光譜研究

首先在第一溫度區(qū)間，開展了蔗糖分子一維 TD-MIR 光譜研究(圖 2)。

圖2 蔗糖分子一維 TD-MIR 光譜(303 K～373 K)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在 303 K～373 K 的溫度范圍內(nèi)，隨著測(cè)定溫度的升高，蔗糖分子主要官能團(tuán)紅外吸收模式(νC-O-蔗糖-第一溫度區(qū)間、ν-Ⅰ-蔗糖-第一溫度區(qū)間、ν-Ⅱ-蔗糖-第一溫度區(qū)間和 ν-Ⅲ-蔗糖-第一溫度區(qū)間)對(duì)應(yīng)的頻率發(fā)生了明顯的紅移，而相應(yīng)的強(qiáng)度增加。其中在 363 K 的溫度下，蔗糖分子 νC-O-1-蔗糖對(duì)應(yīng)的吸收峰消失。研究證明：當(dāng)使用溫度超過(guò) 363 K，蔗糖分子熱穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。蔗糖分子相關(guān)官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的一維 TD-MIR 光譜信息見(jiàn)表1。

表1 蔗糖分子一維 TD-MIR 光譜數(shù)據(jù)(303 K～373 K)

2.2.2 第二溫度區(qū)間蔗糖分子一維 TD-MIR 光譜研究

進(jìn)一步在第二溫度區(qū)間，開展了蔗糖分子一維 TD-MIR 光譜研究(圖 3)。

圖3 蔗糖分子一維 TD-MIR 光譜(383 K～473 K)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在 383 K～453 K 的溫度范圍內(nèi)，隨著測(cè)定溫度的升高，蔗糖分子主要官能團(tuán)紅外吸收模式(νC-O-蔗糖-第二溫度區(qū)間、ν-Ⅰ-蔗糖-第二溫度區(qū)間、ν-Ⅱ-蔗糖-第二溫度區(qū)間和 ν-Ⅲ-蔗糖-第二溫度區(qū)間)對(duì)應(yīng)的頻率發(fā)生了明顯的紅移，而相應(yīng)的強(qiáng)度增加。在 463 K～473 K 的溫度范圍內(nèi)，蔗糖分子 ν-Ⅰ-蔗糖-第二溫度區(qū)間和 ν-Ⅲ-蔗糖-第二溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)的吸收峰趨于消失。這主要是因?yàn)?，?463 K～473 K 的溫度范圍內(nèi)，蔗糖受熱，分子內(nèi)脫水并進(jìn)一步生成焦糖類化合物。研究發(fā)現(xiàn)：焦糖類化合物的主要化學(xué)結(jié)構(gòu)為碳水化合物形式，其官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率和強(qiáng)度與蔗糖分子有著較大的差異。蔗糖分子主要官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的一維 TD-MIR 光譜信息見(jiàn)表 2。

表2 蔗糖分子一維 TD-MIR 光譜數(shù)據(jù)(383 K～473 K)

2.2.3 第三溫度區(qū)間蔗糖分子一維 TD-MIR 光譜研究

最后在第三溫度區(qū)間，開展了蔗糖分子的一維 TD-MIR 光譜研究(圖 4)。

圖4 蔗糖分子一維 TD-MIR 光譜(483 K～523 K)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在 483 K～523 K 的溫度范圍內(nèi)，蔗糖分子更多的是以焦糖類化合物存在。隨著測(cè)定溫度的升高，蔗糖分子主要官能團(tuán)紅外吸收模式(νC-O-蔗糖-第三溫度區(qū)間和 ν-Ⅱ-蔗糖-第三溫度區(qū)間)對(duì)應(yīng)的頻率沒(méi)有規(guī)律性的改變，而相應(yīng)的強(qiáng)度明顯降低。

蔗糖分子主要官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的一維 TD-MIR 光譜信息見(jiàn)表 3。

表3 蔗糖分子一維 TD-MIR 光譜數(shù)據(jù)(483 K～523 K)

3 結(jié)論

蔗糖分子官能團(tuán)的主要紅外吸收模式包括：νC-O-蔗糖、ν-Ⅰ-蔗糖、ν-Ⅱ-蔗糖和 ν-Ⅲ-蔗糖。在 303 K～523 K 的溫度范圍內(nèi)，隨著測(cè)定溫度的升高，蔗糖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻固?，?463 K ～ 473 K 則是一個(gè)臨界溫度范圍。本文為研究蔗糖制備焦糖機(jī)理建立一個(gè)方法學(xué)，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。