淀粉红外扫描测定技术详解
一、 基本原理
红外光谱（Infrared Spectroscopy, IR）基于分子振动或转动能级跃迁原理。当特定频率的红外光照射淀粉样品时，其分子中的化学键（如O-H、C-H、C-O、C-O-C、C-C等）会发生振动吸收，产生特征吸收谱带。通过分析淀粉在4000~400 cm⁻¹波数范围内的吸收峰位置、强度和形状，可获取淀粉分子化学键类型、官能团结构、结晶特性、构象变化等重要信息，实现对淀粉样品的定性鉴别和部分定量分析（如直链/支链淀粉比例估算）。
二、 主要实验设备与材料
- 核心设备：
- 傅里叶变换红外光谱仪： 核心部件包括红外光源（如硅碳棒）、迈克尔逊干涉仪、样品仓、检测器（如DTGS或MCT）及计算机系统。
- 压片装置： 包括压片模具（不锈钢材质）、油压机或手动液压机（压力需达5~10吨）。
- 关键试剂与耗材：
- 光谱纯溴化钾： 作为背景介质和稀释剂。
- 无水乙醇或丙酮： 用于清洗压片模具。
- 玛瑙研钵及研杵： 用于样品研磨。
- 红外灯或真空干燥箱： 用于样品干燥。
- 样品要求：
- 待测淀粉样品需充分干燥（推荐真空干燥箱50℃干燥24小时），避免水分干扰（O-H吸收峰强且宽）。
- 样品应研磨至细微粉末状（通常粒径需≤2 μm），确保分散均匀和透光性。
三、 测定步骤（溴化钾压片法）
- 背景扫描： 取适量干燥的光谱纯溴化钾粉末置于洁净模具中，压制成透明薄片（空白片）。将此空白片置入样品仓，进行背景光谱扫描。
- 样品制备：
- 精确称取1~2 mg干燥淀粉样品于玛瑙研钵中。
- 加入100~200 mg干燥光谱纯溴化钾粉末。
- 在红外灯照射下（防止吸水），小心、充分研磨混合物至均匀细腻粉末（约需5~10分钟）。
- 压制片锭：
- 将均匀混合物转移至洁净压片模具中，铺平。
- 置模具于油压机上，缓慢施加压力至5~10吨，维持压力1~2分钟。
- 缓慢泄压，取出压制成型的透明或半透明样品薄片（片锭）。
- 样品扫描：
- 将样品片锭置入光谱仪样品仓。
- 在相同仪器参数设置下（分辨率通常为4 cm⁻¹，扫描次数32~64次，波数范围4000~400 cm⁻¹），扫描获取样品红外吸收光谱图。
- 每个样品建议至少平行测定两次。
- 数据处理：
- 仪器软件自动扣除背景光谱干扰。
- 对所得光谱进行必要的基线校正、平滑处理。
- 标注主要特征吸收峰位置（波数/cm⁻¹）。
- 可进行峰高或峰面积计算、二阶导数变换、去卷积、差谱分析等深入数据处理。
四、 淀粉红外光谱特征峰解析
典型淀粉（如玉米淀粉）红外光谱主要特征吸收峰归属如下：
- ~3400 cm⁻¹： 宽强吸收峰，归属为淀粉分子中O-H键的伸缩振动（νO-H），易受样品水分影响。
- ~2930 cm⁻¹： 中等强度吸收峰，归属为亚甲基（CH₂）和次甲基（CH）中C-H键的伸缩振动（νC-H）。
- ~1640 cm⁻¹： 归属为结合水（H-O-H）的弯曲振动（δH-O-H），也反映样品吸水性。
- ~1150 cm⁻¹： 强吸收峰，归属为C-O键的伸缩振动（νC-O），以及糖环或糖苷键（C-O-C）的耦合振动。
- ~1080 cm⁻¹： 强吸收峰，归属为C-O-H基团中C-O键的伸缩振动（νC-O）。
- ~1015-1020 cm⁻¹： 强吸收峰，归属为C-O键伸缩振动（νC-O）和C-C键伸缩振动（νC-C）的耦合，主要反映淀粉分子中C-O-C结构特征。
- ~930 cm⁻¹： 弱吸收峰，归属为糖环不对称伸缩振动。
- ~860 cm⁻¹： 弱吸收峰，归属为糖环振动或C-H面外弯曲振动。
- ~760 cm⁻¹： 弱吸收峰，归属为糖环振动。
- ~575 cm⁻¹： 弱吸收峰，归属为糖环振动或骨架振动。
区分直链/支链淀粉： 特征谱带1045 cm⁻¹（有序/结晶结构，与直链淀粉相关）和1022 cm⁻¹（无定形结构，与支链淀粉相关）的强度比值（R = A₁₀₄₅ / A₁₀₂₂）常用于估算淀粉中直链淀粉的相对含量或结晶度变化。
五、 应用领域
- 淀粉种类鉴别： 不同来源淀粉（如玉米、马铃薯、小麦、木薯、豌豆等）因其分子结构（直/支链比例、结晶度）差异，在指纹区（1500~800 cm⁻¹）光谱特征存在明显区别，可用于快速、无损鉴别。
- 淀粉结构表征：
- 分析化学键与官能团变化（如氧化、酯化、醚化改性淀粉）。
- 研究结晶度变化（老化、糊化、改性）。
- 检测构象转变（如糊化过程中由有序变无序）。
- 淀粉改性研究： 监测化学或物理改性（如酸解、酶解、交联、乙酰化）过程中特征官能团（如酯羰基C=O在~1730 cm⁻¹）的出现或消失，评估改性程度。
- 淀粉老化（回生）分析： 通过监测1045/1022 cm⁻¹比值变化，定量分析直链淀粉重结晶过程，评估老化程度。
- 淀粉相互作用研究： 观察淀粉与其他组分（脂质、蛋白质、小分子配体）复合物形成时特征峰位移或强度变化。
- 食品质量与安全： 检测食品中淀粉掺假、掺杂或非正常变性情况。
六、 注意事项与误差来源
- 水分干扰： 淀粉极易吸湿。样品制备和测试过程需严格干燥环境（如干燥器、红外灯下操作），避免O-H峰（~3400, ~1640 cm⁻¹）过强掩盖其他信号或导致基线不稳。压片后应尽快测试。
- 粒径与均匀性： 样品颗粒过大或混合不均会导致散射效应，光谱基线倾斜或畸变，吸收峰变形。充分研磨至关重要。
- 压片质量： 片锭过厚或不透明（透光差）导致信号弱、噪声大；过薄或破裂则易产生干涉条纹。控制样品/KBr比例和压力是关键。
- 背景扣除： 确保背景扫描（溴化钾压片）条件与样品测试完全一致。
- 仪器状态： 定期进行仪器性能检定（如波数准确性、能量、分辨率检查），保证数据可靠性。
- 数据处理一致性： 比较不同样品光谱时，需确保基线校正、平滑等处理参数一致。
- 结晶度估算： 1045/1022比值法受多种因素（如样品来源、预处理、吸湿性等）影响，结果多为半定量比较。
七、 结论
红外光谱扫描作为一项成熟的无损分析技术，通过淀粉分子的特征“指纹”吸收，为淀粉的定性鉴别、结构解析（化学键、官能团、结晶态）、状态转变（糊化、老化）及改性程度评估提供了强有力的工具。溴化钾压片法因其操作相对简便、光谱质量较高成为常用方法。成功应用的关键在于严格的样品干燥与制备、规范的仪器操作以及审慎的光谱解析。该技术在食品科学、农业、材料科学及生物化学等领域对淀粉的基础研究与实际应用均具有重要价值。
参考文献（示例）
- Van Soest, J. J. G., Tournois, H., de Wit, D., & Vliegenthart, J. F. G. (1995). Short-range structure in (partially) crystalline potato starch determined with attenuated total reflectance Fourier-transform IR spectroscopy. Carbohydrate Research, 279(1), 201-214. (经典淀粉红外结构表征)
- Sevenou, O., Hill, S. E., Farhat, I. A., & Mitchell, J. R. (2002). Organisation of the external region of the starch granule as determined by infrared spectroscopy. International Journal of Biological Macromolecules, 31(1-3), 79-85. (淀粉颗粒结构)
- Warren, F. J., Gidley, M. J., & Flanagan, B. M. (2016). Infrared spectroscopy as a tool to characterise starch ordered structure—a joint FTIR–ATR, NMR, XRD and DSC study. Carbohydrate Polymers, 139, 35-42. (多技术联用研究淀粉有序结构)
- Kizil, R., Irudayaraj, J., & Seetharaman, K. (2002). Characterization of irradiated starches by using FT-Raman and FTIR spectroscopy. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 50(14), 3912-3918. (辐照淀粉表征)
- 中国国家标准 GB/T 35805-2018 淀粉化学分析方法通则（提供淀粉分析通用标准参考）。
本方法适用于科研、质检及生产控制人员对各类淀粉样品进行快速、有效的结构分析与品质评估。