蔗糖分子变温一维中红外光谱研究

于宏伟，李佳欣，康怡然，卫羽萱，吴梦谣，王晓萱

(石家庄学院化工学院，河北 石家庄 050035)

0 前言

蔗糖是一类重要的甜味调味品，广泛应用在农业[1]、畜牧[2]、食品[3]、林业[4]、医学[5]等领域。焦糖是以蔗糖为原料熬成的黏稠液体或粉末。焦糖是一种在食品中应用范围十分广泛的天然着色剂[6-8]，是食品添加剂中的重要一员。中红外(MIR)光谱因具有方便、快捷的优点广泛应用于糖类物质的结构研究领域[9-12]，变温中红外(TD-MIR)光谱通常应用于化合物热稳定性研究领域[13-20]，而焦糖未见相关研究报道。因此本文以蔗糖为研究对象，在 303 K～523 K 的温度范围内，采用一维中红外(MIR)光谱及一维变温中红外(TD-MIR)光谱，开展了蔗糖转变焦糖的机理研究，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

蔗糖(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，石家庄市长安区北国超市谈固店售)。

1.2 仪器

Spectrum 100 型红外光谱仪(美国 PE 公司)；Golden Gate 型 ATR-MIR 变温附件及控件(英国 Specac 公司)。

1.3 实验方法

每次实验以空气为背景，对于蔗糖分子进行 8 次扫描累加，测定频率范围 4 000 cm-1～600 cm-1，测温范围 303 K～523 K(变温步长 10 K)。蔗糖分子一维 MIR 光谱数据采用 Spectrum v 6.3.5 操作软件。

2 结果与讨论

2.1 蔗糖分子一维 MIR 光谱研究

在 303 K 的温度下，采用一维 MIR 光谱开展了蔗糖分子的结构研究(图 1)。

图1 蔗糖分子一维 MIR 光谱(303 K)

实验发现：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)频率处的吸收峰归属于蔗糖分子 C-O 伸缩振动谱带(νC-O-蔗糖-303 K)；908.03 cm-1频率处的吸收峰归属于蔗糖分子糖类 Ⅰ 型吸收模式(ν-Ⅰ-蔗糖-303 K)；849.38 cm-1频率处的吸收峰归属于蔗糖分子糖类 Ⅱ 型吸收模式(ν-Ⅱ-蔗糖-303 K)；731.88 cm-1频率处的吸收峰归属于蔗糖分子糖类 Ⅲ 型吸收模式(ν-Ⅲ-蔗糖-303 K)。

2.2 蔗糖分子一维 TD-MIR 光谱研究

分别选择“303 K～373 K”、“383 K～473 K”和“483 K～523 K”三个温度区间，采用一维 TD-MIR 光谱，开展了温度变化对蔗糖分子结构影响的研究。

2.2.1 第一温度区间蔗糖分子一维 TD-MIR 光谱研究

首先在第一温度区间，开展了蔗糖分子一维 TD-MIR 光谱研究(图 2)。

图2 蔗糖分子一维 TD-MIR 光谱(303 K～373 K)

实验发现：在 303 K～373 K 的温度范围内，随着测定温度的升高，蔗糖分子主要官能团红外吸收模式(νC-O-蔗糖-第一温度区间、ν-Ⅰ-蔗糖-第一温度区间、ν-Ⅱ-蔗糖-第一温度区间和 ν-Ⅲ-蔗糖-第一温度区间)对应的频率发生了明显的红移，而相应的强度增加。其中在 363 K 的温度下，蔗糖分子 νC-O-1-蔗糖对应的吸收峰消失。研究证明：当使用温度超过 363 K，蔗糖分子热稳定性进一步降低。蔗糖分子相关官能团对应的一维 TD-MIR 光谱信息见表1。

表1 蔗糖分子一维 TD-MIR 光谱数据(303 K～373 K)

2.2.2 第二温度区间蔗糖分子一维 TD-MIR 光谱研究

进一步在第二温度区间，开展了蔗糖分子一维 TD-MIR 光谱研究(图 3)。

图3 蔗糖分子一维 TD-MIR 光谱(383 K～473 K)

实验发现：在 383 K～453 K 的温度范围内，随着测定温度的升高，蔗糖分子主要官能团红外吸收模式(νC-O-蔗糖-第二温度区间、ν-Ⅰ-蔗糖-第二温度区间、ν-Ⅱ-蔗糖-第二温度区间和 ν-Ⅲ-蔗糖-第二温度区间)对应的频率发生了明显的红移，而相应的强度增加。在 463 K～473 K 的温度范围内，蔗糖分子 ν-Ⅰ-蔗糖-第二温度区间和 ν-Ⅲ-蔗糖-第二温度区间对应的吸收峰趋于消失。这主要是因为，在 463 K～473 K 的温度范围内，蔗糖受热，分子内脱水并进一步生成焦糖类化合物。研究发现：焦糖类化合物的主要化学结构为碳水化合物形式，其官能团对应的红外吸收频率和强度与蔗糖分子有着较大的差异。蔗糖分子主要官能团对应的一维 TD-MIR 光谱信息见表 2。

表2 蔗糖分子一维 TD-MIR 光谱数据(383 K～473 K)

2.2.3 第三温度区间蔗糖分子一维 TD-MIR 光谱研究

最后在第三温度区间，开展了蔗糖分子的一维 TD-MIR 光谱研究(图 4)。

图4 蔗糖分子一维 TD-MIR 光谱(483 K～523 K)

实验发现：在 483 K～523 K 的温度范围内，蔗糖分子更多的是以焦糖类化合物存在。随着测定温度的升高，蔗糖分子主要官能团红外吸收模式(νC-O-蔗糖-第三温度区间和 ν-Ⅱ-蔗糖-第三温度区间)对应的频率没有规律性的改变，而相应的强度明显降低。

蔗糖分子主要官能团对应的一维 TD-MIR 光谱信息见表 3。

表3 蔗糖分子一维 TD-MIR 光谱数据(483 K～523 K)

3 结论

蔗糖分子官能团的主要红外吸收模式包括：νC-O-蔗糖、ν-Ⅰ-蔗糖、ν-Ⅱ-蔗糖和 ν-Ⅲ-蔗糖。在 303 K～523 K 的温度范围内，随着测定温度的升高，蔗糖逐渐转变为焦糖，而 463 K ～ 473 K 则是一个临界温度范围。本文为研究蔗糖制备焦糖机理建立一个方法学，具有重要的理论研究价值和一定的经济价值。