蔗糖中红外光谱初步研究

于宏伟，齐哲真，王雪琪，戎 媛，王鹏程，苑路鑫

(石家庄学院化工学院，河北 石家庄 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调味品。蔗糖具体可分为白砂糖、赤砂糖、绵白糖、冰糖、粗糖(黄糖)等。蔗糖广泛应用在食品[1-2]、医学[3-4]、畜牧[5-6]、园艺[7-8]等领域。蔗糖的广泛应用与其特殊分子结构有关(图 1)。中红外(MIR)光谱具有灵敏度高，方便而快捷的优点而广泛应用在有机物分子结构研究中[9-12]。与经典的单糖(葡萄糖)相比，蔗糖的分子结构相对复杂，而相应 MIR 光谱研究少见报道。本文以蔗糖为研究对象，分别开展了蔗糖 MIR 光谱研究，为蔗糖在食品工业中的应用提供了有意义的科学借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料

杞参牌优级绵白糖(300 g 包装，吉林省杞参食品有限公司生产)，葡萄糖(分析纯，C6H12O6·H2O河北定州青年试剂厂)。

1.2 仪器

Spectrum 100 型红外光谱仪(美国 PE 公司)。Golden Gate 型 ATR-FTMIR 变温附件(英国 Specac 公司)。

1.3 实验方法

每次实验以空气为背景，对于蔗糖进行 8 次扫描累加。测定频率范围 4 000 cm-1～ 600 cm-1。蔗糖一维 MIR 光谱数据采用 Spectrum v 6.3.5 操作软件，蔗糖二阶和四阶导数 MIR 光谱数据采用Spectrum v 6.3.5 操作软件(Number of point=13)，蔗糖去卷积 MIR 光谱数据采用 Spectrum v 6.3.5 操作软件(Gamma=2.0，Length=10)。

图1 蔗糖与葡萄糖的分子结构Fig.1 The molecular structure of sucrose and glucose

2 结果与讨论

2.1 蔗糖 MIR 光谱研究

蔗糖的 MIR 光谱包括：一维 MIR 光谱、二阶导数 MIR 光谱、四阶导数 MIR 光谱和去卷积 MIR 光谱

2.1.1 蔗糖一维 MIR 光谱研究

首先开展了蔗糖的一维 MIR 光谱研究(图 2)。其中 2 941.87 cm-1频率处的吸收峰归属于蔗糖分子 CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2-蔗糖-一维)；1 125.65 cm-1～1 037.23 cm-1频率范围内系列吸收峰归属于蔗糖分子 C-O伸缩振动模式(νC-O-蔗糖-一维)；908.03 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅰ 型吸收带(ν-Ⅰ-蔗糖-一维)；849.38 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅱ 型吸收带(ν-Ⅱ-蔗糖-一维)；731.88 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅲ 型吸收带(ν-Ⅲ-蔗糖-一维)；蔗糖其它官能团对应的光谱信息见表1。

图2 蔗糖一维 MIR 光谱(303 K)Fig.2 One-dimensional infrared spectrum of sucrose (303 K)

表1 蔗糖一维 MIR 光谱数据(303 K)

2.1.2 蔗糖二阶导数 MIR 光谱研究

开展了蔗糖的二阶导数 MIR 光谱研究(图 3)。其中 2 943.90 cm-1频率处的吸收峰归属于蔗糖分子 CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2-蔗糖-二阶导数)；1 137.84 cm-1～1 035.45 cm-1频率范围内系列吸收峰归属于蔗糖分子 C-O伸缩振动模式(νC-O-蔗糖-二阶导数)；907.54 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅰ 型吸收带(ν-Ⅰ-蔗糖-二阶导数)；849.15 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅱ 型吸收带(ν-Ⅱ-蔗糖-二阶导数)；733.26 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅲ 型吸收带(ν-Ⅲ-蔗糖-二阶导数)；蔗糖其它官能团对应的光谱信息见表 2。

图3 蔗糖二阶导数 MIR 光谱(303 K)Fig.3 Second derivative MIR spectrum of sucrose (303 K)

表2 蔗糖二阶导数 MIR 光谱数据(303 K)

2.1.3 蔗糖四阶导数 MIR 光谱研究

进一步开展了蔗糖的四阶导数 MIR 光谱研究(图 4)。

其中 2 944.50 cm-1频率处的吸收峰归属于蔗糖分子 CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2-蔗糖-四阶导数)；1 138.27 cm-1～1 035.69 cm-1频率范围内系列吸收峰归属于蔗糖分子 C-O伸缩振动模式(νC-O-蔗糖-四阶导数)；907.98 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅰ 型吸收带(ν-Ⅰ-蔗糖-四阶导数)；849.61 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅱ 型吸收带(ν-Ⅱ-蔗糖-四阶导数)；734.14 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅲ 型吸收带(ν-Ⅲ-蔗糖-四阶导数)；蔗糖其它官能团对应的光谱信息见表 3。

图4 蔗糖四阶导数 MIR 光谱(303 K)Fig.4 Fourth derivative MIR spectrum of sucrose (303 K)

表3 蔗糖四阶导数 MIR 光谱数据(303 K)

2.1.4 蔗糖去卷积MIR 光谱研究

最后开展了蔗糖的去卷积 MIR 光谱研究(图 5)。

其中 2 944.29 cm-1频率处的吸收峰归属于蔗糖分子 CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2-蔗糖-去卷积)；1 137.77 cm-1～1 035.80 cm-1频率范围内系列吸收峰归属于蔗糖分子 C-O伸缩振动模式(νC-O-蔗糖-去卷积)；908.05 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅰ 型吸收带(ν-Ⅰ-蔗糖-去卷积)；849.58 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅱ 型吸收带(ν-Ⅱ-蔗糖-去卷积)；734.87 cm-1和 732.01 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅲ 型吸收带(ν-Ⅲ-蔗糖-去卷积)；蔗糖其它主要官能团对应的光谱信息见表 4。

图5 蔗糖去卷积 MIR 光谱(303 K)Fig.5 Deconvolution MIR spectrum of sucrose (303 K)

表4 蔗糖去卷积 MIR 光谱数据(303 K)

分别采用了一维 MIR 光谱、二阶导数 MIR 光谱、四阶导数 MIR 光谱和去卷积 MIR 光谱开展了蔗糖的分子结构研究。实验发现：蔗糖的二阶导数 MIR 光谱、四阶导数 MIR 光谱和去卷积 MIR 光谱并不能明显的增加原谱图的分辨能力，而蔗糖的了一维 MIR 光谱则具有足够的光谱信息。

2.2 蔗糖与葡萄糖分子结构差异性研究

采用一维 MIR 光谱开展了葡萄糖分子结构研究(图 6)。其中 2 937.30 cm-1频率处的吸收峰归属于葡萄糖分子 CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2-葡萄糖-一维)；1 154.21 cm-1～1 046.57 cm-1频率范围内系列吸收峰归属于葡萄糖分子 C-O伸缩振动模式(νC-O-葡萄糖-一维)；914.98 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅰ 型吸收带(ν-Ⅰ-葡萄糖-一维)；851.12 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅱ 型吸收带(ν-Ⅱ-葡萄糖-一维)；769.76 cm-1频率处的吸收峰归属于糖类 Ⅲ 型吸收带(ν-Ⅲ-葡萄糖-一维)；葡萄糖其它官能团对应的光谱信息见表 5。

图6 蔗糖/葡萄糖一维 MIR 光谱(303 K)Fig.6 One-dimensional infrared spectrum of sucrose/glucose (303 K)

表5 葡萄糖一维 MIR 光谱数据(303 K)

研究发现；尽管蔗糖和葡萄糖分子结构相似，也含有葡萄糖基团，但二者的一维 MIR 光谱差异性较大。这主要是因为蔗糖中果糖基团，具有较强的给电子效应。因此，与葡萄糖相比，其主要官能团(ν-Ⅰ-糖-一维，ν-Ⅱ-糖-一维和ν-Ⅲ-糖-一维)对应的吸收频率均发生一定的红移。

3 结论

蔗糖的主要红外吸收官能团包括：νasCH2-蔗糖、νC-O-蔗糖、ν-Ⅰ-蔗糖、ν-Ⅱ-蔗糖、和ν-Ⅲ-蔗糖。

本项研究拓展了 MIR 光谱在蔗糖分子结构研究的范围，具有重要的应用研究价值。