所有的糖都是高度溶于水的,通常以溶解狀態(tài)出現(xiàn)。另一方面,許多食品中也含有固體糖,大多數(shù)糖都有結(jié)晶和無(wú)定形多晶型。雖然 X 射線衍射(XRD)在研究溶解糖方面的用途有限,但它很容易檢測(cè)到任何結(jié)晶糖。由于每種類型的糖都有不同的晶體結(jié)構(gòu),因此使用 XRD 可以很容易地將糖彼此區(qū)分開(kāi)來(lái)。
用安東帕自動(dòng)多功能粉末 XRD 衍射儀 XRDynamic 500 記錄了純糖和一些甜的食品的 XRD 譜圖。然后根據(jù)測(cè)試的衍射圖確定食品中的結(jié)晶糖。
實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)
四種純糖、三種不同類型的家用糖和六種隨機(jī)選擇的甜食被磨碎作為本研究的樣品。使用全自動(dòng)多功能粉末X射線衍射儀 XRDynamic 500 B-B 幾何中進(jìn)行 XRD 測(cè)試。XRDynamic 500 配有 Cu Primux 3000 密封管 X 射線源、Ni/C 發(fā)散光單色器和帶旋轉(zhuǎn)的 12 位樣品臺(tái)(XY 樣品臺(tái))。掃描范圍為 2θ 從 5° 到 60°,步長(zhǎng)為 0.01°。
光束尺寸分別由 0.2° 和 8 mm 開(kāi)口的自動(dòng)化發(fā)散狹縫和光束掩模確定。
入射光路和衍射光路兩端都用了 0.05 rad 的自動(dòng)化索拉狹縫。
XRDynamic 500
結(jié)果
圖 1: 用不同 X 射線光學(xué)元件測(cè)試蔗糖
圖 1 顯示了對(duì)同一蔗糖樣品進(jìn)行的兩次測(cè)試。與使用 Ni Kβ 濾光片的測(cè)試相比,使用 Ni/C 發(fā)散束多層膜單色器的測(cè)試結(jié)果在低散射角 2θ 處明顯背景降低。在 2θ = 10.51° 和 2θ = 13.95° 處有兩個(gè)小峰(圖 1 的紅色箭頭),只有在使用單色器進(jìn)行測(cè)試時(shí)才能看到,而在使用 Ni 濾光片進(jìn)行掃描時(shí),它們隱藏在背景中。此外,使用相同的掃描參數(shù),單色器可以獲得更高的峰強(qiáng)。由于這些原因,為了獲得最佳的數(shù)據(jù)質(zhì)量,以下所有的測(cè)試僅使用單色器進(jìn)行。
圖 2:四種不同純糖的 XRD 測(cè)試
圖 2 比較了純蔗糖、乳糖、葡萄糖和果糖樣品的測(cè)試衍射圖譜。四種糖的不同晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致完全不同的衍射圖譜。與許多有機(jī)樣品一樣,第一個(gè)布拉格峰出現(xiàn)在小散射角處 — 對(duì)于蔗糖、乳糖和葡萄糖,甚至 2θ 值 < 10°。這強(qiáng)調(diào)了在小 2θ 處低背景的需要。對(duì)于較大的 2θ 角(尤其 2θ > 45°),由于樣品的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu),即使對(duì)于這些純的單相樣品,也會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的峰重疊。因此,在使用 XRD 研究含糖樣品時(shí),最感興趣的是低 2θ 范圍。
為了比較三種家用糖,放大到相關(guān) 2θ 范圍的衍射圖譜如圖 3 所示。
圖 3:不同家用糖的衍射譜圖
首先看到的是,所有的三種衍射譜圖都展示了純蔗糖的衍射譜圖。對(duì)于細(xì)砂糖,仔細(xì)觀察也不會(huì)發(fā)現(xiàn)有其他的相。是因?yàn)榧?xì)砂糖是高濃縮的蔗糖,純度約為99.9%。生蔗糖通常含有97-99% 的蔗糖。然而,在衍射譜圖中看不到額外的峰,因?yàn)槠溆嗟氖撬趾驮S多不同組分(還原糖、淀粉等)的混合物,這些組分并非都是結(jié)晶的。
此外,甘蔗糖蜜,盡管蔗糖含量很高,但會(huì)產(chǎn)生生蔗糖的棕色,也與蔗糖有很強(qiáng)的峰重疊。
另一方面,在蜜餞糖的衍射譜圖中可以發(fā)現(xiàn)一些小的額外的峰,特別是在強(qiáng)度以對(duì)數(shù)標(biāo)度繪制時(shí)(圖 4)。這歸因于果膠,它通常占蜜餞糖的1-2%,而蔗糖占 96-98%。
圖 4:衍射圖兩個(gè)放大部分顯示的是蜜餞糖中果膠的額外峰(紅色箭頭)
這突出了 XRD 識(shí)別材料中痕量相的潛力,由于在此處提供的測(cè)試數(shù)據(jù)中觀察到的測(cè)試背景較低,這使其變得更容易。
圖 5 對(duì)比了蔗糖和葡萄糖與一些含糖食品的衍射譜圖。冰淇淋粉和速溶茶的衍射譜圖顯示蔗糖是它們的主要成分。
在這兩種產(chǎn)品種,也觀察到大量的葡萄糖。對(duì)于松餅,所有觀察到的布拉格峰都可以歸因于蔗糖。然而,絕對(duì)蔗糖峰強(qiáng)度遠(yuǎn)低于純蔗糖,表明除結(jié)晶蔗糖外,還存在其他主要相。由于主要成分為非晶態(tài)結(jié)構(gòu),它們不會(huì)產(chǎn)生布拉格峰,但在衍射譜圖中可以看到非常寬的峰。香蕉脆片和糖果也是如此。
與配料表的比較表明,駝峰主要是由香蕉脆皮的無(wú)定形或低晶度淀粉和油引起的,而糖果的駝峰主要是由葡萄糖糖漿引起,此外,對(duì)于香蕉脆片和糖果,衍射譜圖中的所有布拉格峰都可以歸因于蔗糖,表明蔗糖是主要的晶體成分。
不同食品樣品的蔗糖峰之間的小峰位移可能是由糖的水分含量不同引起的。
圖 5:含糖食品與蔗糖和葡萄糖的衍射譜圖比較。垂直線表示蔗糖(紅色)和葡萄糖(黑色)在 2θ = 23° 以下的主要布拉格峰位
結(jié)論
結(jié)果表明,利用粉末 XRD 可以很容易地識(shí)別和分析結(jié)晶糖。Anton Paar 公司生產(chǎn)的多功能粉末 X 射線衍射儀 XRDynamic 500 與 Ni/C 發(fā)散光的多層膜單色器一起使用時(shí),由于散射角很小,背景很低,有助于檢測(cè)少量相(如蜜餞糖中含量1-2%果膠)。
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