甜菜中糖类的测定方法及应用

张琨 ，周芹

（1.黑龙江大学农业资源与环境学院，哈尔滨 150080；2.黑龙江大学农作物研究院，哈尔滨 150080；3.农业部糖料产品质量安全风险评估实验室（哈尔滨），哈尔滨150080；4.农业部甜菜品质监督检验测试中心，哈尔滨150080）

甜菜是我国北方主要的糖料作物，目前甜菜种植面积每年约300万亩（20万公顷）[1]。栽培甜菜分为糖用型、叶用型、饲用型、食用型，其中以糖甜菜的种植面积最大，其主要功能是用来生产食糖。

糖甜菜中糖类主要为：单糖（主要是葡萄糖和果糖）、二糖（主要是蔗糖）、低聚糖（棉子糖和蔗果三糖）以及多糖[2－3]。在这些成分中，以蔗糖分含量最高。葡萄糖和果糖又称为转化糖或还原糖，在甜菜制糖过程中，转化糖存在下，蔗糖的结晶受到影响，出现特殊晶形的结晶。在制糖工业中，从原料、中间制品到成品，或多或少都含有还原糖，其含量大小在一定程度上可以反映原料产品的质量及制糖过程是否正常，分析贮藏甜菜的还原糖分可以了解甜菜是否变质，还原糖含量越低，甜菜及其糖品的品质会越好[2－3]。棉子糖又叫做功能性低聚糖，近年来，功能性低聚糖的品种越来越多，研究开发也较快，棉子糖具有其他低聚糖不具有的特殊功效，具有广阔的开发应用前景[4－5]。蔗果三糖是由蔗糖和果糖以(2，6)－和(2，1)－键缩合而成的一种非还原性的三糖，此糖含量可作甜菜保藏质量的指标。甜菜多糖是从甜菜榨糖后剩下的甜菜粕中提取的一种白色片状结晶物，由于其甜度较低，近年来被国内外认为是最好的膳食纤维之一。本文系统地介绍了这几种糖类的测定方法。旨在为糖厂及种植者及时监测甜菜中各种糖类含量，进一步了解甜菜品质变化提供切实可行的检测方法。

1 单糖的测定方法

甜菜中最重要的单糖是葡萄糖和果糖，甜菜压榨汁液或者萃取液中除了这两种还原糖外，还含有下列单糖：甘油醛、鼠李糖、核糖、岩藻糖、木糖、阿拉伯糖及半乳糖，所有这些化合物都曾采用薄层色谱技术分离出来，在还原性物质范围内，这些组分约占2%[6]。因此，本文主要介绍葡萄糖和果糖的测定方法。还原糖的测定方法很多，最常见的有旋光法、滴定法[7－8]、色谱法[9－19]、分光光度法[20－25]、电化学方法[26－32]及酶偶联法[33－34]，其中，旋光法准确性及稳定性都较差，所以只对后几种方法进行讨论，筛选出目前适合甜菜上还原糖的测定方法，并对将来可能应用在甜菜上的方法进行探讨。

1.1 滴定法

葡萄糖含有醛基，因而具有还原性。果糖含有一个羰基和多个羟基，羰基受羟基的影响，在碱性条件下也具有很强的还原性。所以滴定法就是确定一种氧化剂与甜菜中的还原糖发生化学反应而进行定量的方法，又分为直接滴定法[7]、高锰酸钾滴定法、奥氏试剂滴定法[8]等。这几种方法已写入国家强制标准GB 5009.7－2016，其中第三法用于甜菜中还原糖的测定，这种方法专属性强，准确度高，但是操作较为复杂，而且用时较长。第一法具有操作简单，滴定终点明显的特点，当还原糖含量大于0.25%，同样适用于甜菜中还原糖的测定。滴定法的缺点是测定的是还原糖的总量而不能分别测定各种单糖的含量。

1.2 色谱法

色谱法包括气相色谱法、液相色谱法、离子色谱法等，最初曾经使用薄层色谱技术分离出各种糖类，但是这种方法只能用来定性，而定量的准确性很差。

1.2.1 气相色谱法 葡萄糖和果糖不易挥发，所以在利用气相色谱法测定之前，需要将提取液进行衍生化处理，转化为较易挥发的物质。气相色谱法常用的衍生化试剂包括甲基化类、酞基化类、三甲基硅醚化类等[10－11]。张海燕[12]等用气相色谱法，氢火焰离子化检测器（FID），DB－1701色谱柱，全乙酰化衍生的方法，测定了甜菜干粕中果胶中的6种单糖、2种醛酸的组成。该法过程较复杂，所花费时间较长，且给糖类物质定量也造成了较大的麻烦，所以目前应用的不是十分广泛，但是具有灵敏度高、检出限较低的特点。

1.2.2 高效液相色谱法 气相色谱法有较高的灵敏度，较好的分离效果，操作简单等优势，然而该法对物质的沸点和稳定性有一定的要求，否则不可应用此法。高效液相色谱法（HPLC）对样品没有太多要求，只要能够制成溶液就可以进行测定。因此，热稳定较差，沸点较高的物质都能够适用该法进行测定分析。检测器使用示差折光检测器（RID），虽然灵敏度差，但可以快速检测游离小分子糖[13]。具有样品不被破坏可回收、重现性好、分辨率较高等优点，近年来已大量应用于糖的测定。

董爱军等[14]采用HPLC法测定甜菜糖蜜中的葡萄糖、蔗糖和棉籽糖，样品采用C18固相小柱脱色净化，正相色谱分析测定，色谱柱为 Agilent Zorbax Carbohydrate柱(4.6×250 mm，5 μm)，RID 检测，实验结果表明：葡萄糖在1～10 mg/mL、蔗糖10～100 mg/mL、棉籽糖在1～5 mg/mL范围内线性良好，相关系数分别为 0.9999、0.9999、0.9994。该分析方法简便、准确 、灵敏、重现性好，适用于糖蜜中糖类的检测。许美彦[15]等采用HPLC法RID检测器，测定了甜菜、糖浆及废蜜中的的葡萄糖、蔗糖、棉子糖等7种糖类，为降低制糖过程中糖分损失和废蜜的综合利用提供了可靠的技术依据。

RID检测器在糖类的测定中应用较多，但是缺点是灵敏度较低，所需平衡时间长，对室内温度有较高的要求，容易引发波动等，而蒸发光散射检测器（ELSD）却能解决这些问题，可更好地进行糖类物质的测定[19]。由于甜菜基质并不复杂，所以预计此方法可以在甜菜上应用。

1.2.3 离子色谱法 离子色谱法作为一种新型的分析技术，其是利用高效的阴离子交换柱，搭配脉冲安培检测器对样品进行分析。该法的灵敏度更高，有较好的选择性，所需样品少，且自动化能力强，然而有一个较大的缺点就是分析需要更多的时间[17]。王桂华等人[18]用此法测定了食糖中的还原糖，以氢氧化钠为洗脱液，CarboPacTMPA10为交换柱进行测定，结果表明该法对糖类有较好的分离效果，测定前的样品处理相对简单且有更高的灵敏度。刘晓玲等[19]用同样的方法分析饮料中单糖也取得了较好的效果。

1.3 分光光度法（比色法）

1.3.1 3，5-二硝基水杨酸（DNS）分光光度法 还原糖在碱性条件下与3，5－二硝基水杨酸（DNS）反应，还原糖被氧化成糖酸，3，5－二硝基水杨酸被还原为棕红色的3－氨基－5硝基水杨酸，沸水浴中显色5 min，540 nm波长进行测定，在一定浓度范围内，还原糖的量与颜色深浅成正比关系[20－21]。吴逊等[21]采用此方法测定了食品中的还原糖，方法标准差、变异系数、回收率均符合方法学要求。检测结果与国家食品卫生标准检验方法基本一致。Santos等[22]改进了DNS方法，利用微孔反应板，把3，5－二硝基水杨酸加入微量试管，在微孔反应板上进行反应，与传统的方法相比，改进的方法具有快速、成本低的优点。王俊刚等[20]、李淑贞等[23]探讨了DNS方法测定蔗汁中的还原糖含量的测定条件，并与滴定法进行了对比，具有操作简便，准确性较高的特点。此方法可以用于糖甜菜还原糖的测定，但是食用甜菜（如红甜菜等）不能使用此方法。

1.3.2 2，4-二硝基酚分光光度法 本方法是基于2，4－二硝基酚与还原糖在碱性条件下，发生氧化反应，溶液由浅黄色变为橙色，在一定的浓度范围内，符合朗伯－比尔定律[24]。宋迪燊等[25]利用此方法测定了山楂片中还原糖的含量，方法的检出限为0.013 mg/g，该法简便快捷，较适合于常规生产中测定山楂片还原糖含量。但是与DNS方法相似，食用甜菜由于滴定终点不好观察不适合使用此方法。

1.4 电化学法

近年来，为了实现葡萄糖的快速测定，研究最多、最热点的就是葡萄糖传感器。首个电极是将葡萄糖氧化酶固定在一个氧电极得到的，并运用酶催化反应来检测氧气的消耗，进而测定葡萄糖的含量。葡萄糖传感器最初用于检测体内葡萄糖，后来也被用于食品、生物加工及可持续燃料电池等方面，发展为无酶传感器、贵金属纳米材料传感器等[26－28]。田雅坤等[29－32]构建了一种基于Au纳米颗粒－氧化亚铜＠铜纳米线的无酶葡萄糖传感器，该电极对于在检测葡萄糖方面具有更优异的性能。线性关系在0.05～1.5 mmoL/L，同时具有较高的灵敏度［0.0001A/（mmol/L）］及较低的检测限[5 μmol/L（S/N=3）]。 这种检测方法的优点就是比较方便，随时都可以测定，在甜菜收储运过程中，可以利用此方法监测葡萄糖含量的变化，进一步对甜菜品质进行监测。

1.5 酶偶联法

酶偶联法测定甜菜块根中的糖类，具有快速、高效的优点。Victoria等[33]利用此方法测定了甜菜块根中的葡萄糖、果糖及蔗糖。将甜菜块根薄片研磨后取100 mg在密闭容器中采用水和甲醇（20∶80 v/v）混合溶剂提取，水浴摇床70℃提取2 h，340 nm进行测定，线性范围为2.8～16.7 μg/mL，相关系数大于0.99。与其他方法相比这种方法的线性范围不宽，测定蔗糖时需要稀释倍数很大[34]，对准确率会有一定的影响。

2 蔗糖的测定方法

2.1 旋光法

甜菜的糖类物质中，蔗糖占的比例最高，一般用旋光法测定，测得的块根蔗糖含量占鲜重的百分数一般称为糖度，具体的测定方法参照QB/T 5014。

2.2 色谱法及色谱-质谱联用的方法

HPLC法也可以用来测定蔗糖，还原糖的测定方法中有一些也可以测定蔗糖[14－15]。Shihao Sun等[35]分别使用高效液相色谱－蒸发光散射检测器（HPLC－ELSD）、高效液相色谱电喷雾质谱（HPLC－ESI－MS/MS）、气相色谱仪－质谱（GC－MS）测定了大枣中8种小分子的碳水化合物，包括蔗糖、葡萄糖、果糖等，结果证实HPLCELSD与HPLC－ESI－MS/MS两种方法的精密度及准确度都较高。相比较而言，GC－MS方法不如前两种方法，虽然线性范围较宽，但是需要进行衍生化，甜菜上蔗糖的测定推荐前两种方法。

2.3 近红外光谱法

近年来，近红外光谱法已广泛应用于农业、食品、制药和石化等各个行业，为现代生产带来了巨大的经济效益和社会效益[36]。利用被测样品在近红外区域的吸收，先测定大量样品的参数值，建立校正模型，在进行未知样品的分类时，应用已建立的模型和未知样品的吸收光谱便可确定未知样品中参数的浓度[36]。Pan L等[37]利用两种便携式近红外光谱仪，对完整的甜菜块根和甜菜切片，波长分别在400～1 100 nm和900～1 600 nm的范围内，获得了可见光谱和近红外光谱。建立了完整甜菜块根和切片甜菜的蔗糖预测模型，并对模型进行了验证。结果表明：波长在400～1 100 nm预测的相关系数完整块根和切片分别为0.80和0.88，预测的标准误差为0.89%和0.70%，波长在900～1 600 nm预测的相关系数完整块根和切片分别为0.74和0.88，预测的标准误差为1.20%和0.69%。杨勇等[38]利用此方法，二极管阵列近红外光谱仪（波长900～1 700 nm）对甜菜糖度的快速检测进行了系统研究，相关系数达到0.9214，预测标准误差为0.439，预测值和实测值之间不存在显著性差异(p＞0.05)。近红外光谱法作为一种简单、快速、无损、环保的检测方法，能够良好地评价甜菜的糖度。

3 低聚糖、多糖的测定方法

甜菜中的低聚糖主要包括棉子糖（raffinose，也叫棉实糖）和蔗果三糖，以前者居多，所以我们这里主要讨论棉子糖的测定方法。一方面，作为甜菜中的一种功能性低聚糖[39]，具有增强肌体免疫力等功效；另一方面，棉子糖在制糖过程中会妨碍蔗糖的结晶，并使蔗糖晶体成为针状，影响产品质量。

目前，棉子糖的检测方法主要包括 HPLC－ELSD（或者 RID）、离子色谱－脉冲安培法[40]、LC－MS[41－43]等检测方法。由于棉子糖的极性稍大，采用高效液相色谱检测时，一般都使用亲水性液相色谱柱（正向柱），所以又叫亲水作用液相色谱（HILIC）[44]。B Prandi等[45]以甜菜粕为原料生产果胶低聚糖（POS），采用HILIC－ESI/MS方法对POS的结构和组成进行了研究。陈凌霄等[46]利用高效液相色谱联用电喷雾检测器分析了不同植物中棉子糖系列寡糖，结果表明：供试品溶液RSD小于2.8%；低、中、高浓度供试品溶液的重复性RSD分别小于3.6%、3.8%和3.1%。对于甜菜中棉子糖的测定可以采用此方法及亲水性液相色谱方法。

甜菜中的糖类还包括多糖，是从甜菜榨糖后剩下的甜菜粕中提取的，属于极性复杂的大分子，提取、纯化及测定方法比较复杂。一般采用热水浸醇沉的方法提取甜菜多糖，利用Sevag法除蛋白质，主要是除去体系中的游离蛋白质，是将正丁醇和氯仿的混合液加入粗多糖溶液中，使游离的蛋白质发生变性产生沉淀，通过离心分离去除，从而达到去除蛋白的目的[47]。然后采用活性炭对糖液进行脱色。最后采用高效液相色谱－凝胶柱层析法，测定甜菜多糖的分子量。

4 小结

甜菜中单糖可采用滴定法、色谱法、分光光度法、电化学法及酶偶联法，其中滴定法操作简单，成本低，但是测定的是甜菜中还原糖的总量。要想测定每一个单糖的含量，需要应用色谱法，气相色谱法样品测定之前需要进行衍生化处理，但是灵敏度较高[10]；液相色谱前处理简单，但是灵敏度及精密度都不及气相色谱[9]；离子色谱前处理简单，但是成本较高[17－19]；分光光度法只适用于糖甜菜，对于食用甜菜（如红甜菜等）不适合[20－25]；电化学法只能测定葡萄糖[26－29]；酶偶联法测定快速、高效，但是线性范围较窄，准确率会有一定的影响[33－34]。

蔗糖适用的分析方法有旋光法、高效液相色谱法、液相色谱－质谱联用的方法及近红外光谱法。其中旋光法是经典的方法，比较简单易行，但是灵敏度稍差；高效液相色谱法[14]采用正向柱，灵敏度及精密度好于旋光法；液相色谱－质谱联用则不受基质的影响[35]，具有较高的灵敏度及精密度；近红外光谱法具有简单快速，操作性强的特点，可以实现甜菜收购环节的定等分级和按质论价，但是需要复杂的前期工作，需要先测出大量样品的蔗糖含量准确数值[36－38]。

低聚糖（主要是棉子糖）推荐采用亲水性液相色谱及液相色谱－质谱联用的方法。由于棉子糖的高极性，所以选用亲水性液相色谱[44]进行测定，精密度可以满足要求；液相色谱－质谱联用三重四级杆质谱的MRM扫描方式，能够排除干扰，极大地提高信噪比，从而降低了前处理的难度[48]。