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

(石家莊學院化工學院，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。蔗糖廣泛應用在食品[1-2]、醫學[3-4]、畜牧[5-6]、園藝[7-8]等領域。蔗糖的廣泛應用與其特殊分子結構有關(圖 1)。中紅外(MIR)光譜具有靈敏度高，方便而快捷的優點而廣泛應用在有機物分子結構研究中[9-12]。與經典的單糖(葡萄糖)相比，蔗糖的分子結構相對復雜，而相應 MIR 光譜研究少見報道。本文以蔗糖為研究對象，分別開展了蔗糖 MIR 光譜研究，為蔗糖在食品工業中的應用提供了有意義的科學借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

杞參牌優級綿白糖(300 g 包裝，吉林省杞參食品有限公司生產)，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 PE 公司)。Golden Gate 型 ATR-FTMIR 變溫附件(英國 Specac 公司)。

1.3 實驗方法

每次實驗以空氣為背景，對于蔗糖進行 8 次掃描累加。測定頻率范圍 4 000 cm-1～ 600 cm-1。蔗糖一維 MIR 光譜數據采用 Spectrum v 6.3.5 操作軟件，蔗糖二階和四階導數 MIR 光譜數據采用Spectrum v 6.3.5 操作軟件(Number of point=13)，蔗糖去卷積 MIR 光譜數據采用 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構Fig.1 The molecular structure of sucrose and glucose

2 結果與討論

2.1 蔗糖 MIR 光譜研究

蔗糖的 MIR 光譜包括：一維 MIR 光譜、二階導數 MIR 光譜、四階導數 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不對稱伸縮振動模式(νasCH2-蔗糖-一維)；1 125.65 cm-1～1 037.23 cm-1頻率范圍內系列吸收峰歸屬于蔗糖分子 C-O伸縮振動模式(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)；蔗糖其它官能團對應的光譜信息見表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 光譜數據(303 K)

2.1.2 蔗糖二階導數 MIR 光譜研究

開展了蔗糖的二階導數 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不對稱伸縮振動模式(νasCH2-蔗糖-二階導數)；1 137.84 cm-1～1 035.45 cm-1頻率范圍內系列吸收峰歸屬于蔗糖分子 C-O伸縮振動模式(νC-O-蔗糖-二階導數)；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-二階導數)；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-二階導數)；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-二階導數)；蔗糖其它官能團對應的光譜信息見表 2。

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

表2 蔗糖二階導數 MIR 光譜數據(303 K)

2.1.3 蔗糖四階導數 MIR 光譜研究

進一步開展了蔗糖的四階導數 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不對稱伸縮振動模式(νasCH2-蔗糖-四階導數)；1 138.27 cm-1～1 035.69 cm-1頻率范圍內系列吸收峰歸屬于蔗糖分子 C-O伸縮振動模式(νC-O-蔗糖-四階導數)；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-四階導數)；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-四階導數)；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-四階導數)；蔗糖其它官能團對應的光譜信息見表 3。

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

表3 蔗糖四階導數 MIR 光譜數據(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不對稱伸縮振動模式(νasCH2-蔗糖-去卷積)；1 137.77 cm-1～1 035.80 cm-1頻率范圍內系列吸收峰歸屬于蔗糖分子 C-O伸縮振動模式(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對應的光譜信息見表 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 光譜數據(303 K)

分別采用了一維 MIR 光譜、二階導數 MIR 光譜、四階導數 MIR 光譜和去卷積 MIR 光譜開展了蔗糖的分子結構研究。實驗發現：蔗糖的二階導數 MIR 光譜、四階導數 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構差異性研究

采用一維 MIR 光譜開展了葡萄糖分子結構研究(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不對稱伸縮振動模式(νasCH2-葡萄糖-一維)；1 154.21 cm-1～1 046.57 cm-1頻率范圍內系列吸收峰歸屬于葡萄糖分子 C-O伸縮振動模式(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)；葡萄糖其它官能團對應的光譜信息見表 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 光譜數據(303 K)

研究發現；盡管蔗糖和葡萄糖分子結構相似，也含有葡萄糖基團，但二者的一維 MIR 光譜差異性較大。這主要是因為蔗糖中果糖基團，具有較強的給電子效應。因此，與葡萄糖相比，其主要官能團(ν-Ⅰ-糖-一維，ν-Ⅱ-糖-一維和ν-Ⅲ-糖-一維)對應的吸收頻率均發生一定的紅移。

3 結論

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

本項研究拓展了 MIR 光譜在蔗糖分子結構研究的范圍，具有重要的應用研究價值。