普通焦糖色素制備及性質(zhì)研究

李祥，盧瑞，馬倩鶴，豆靜茹，藺旺梅

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，西安 710021)

焦糖色素又稱醬色，是各種糖類以干燥固體或濃縮溶液的形式單獨(dú)或與某些添加劑一起被加熱而產(chǎn)生的一種棕褐色物質(zhì)，其在水中完全溶解，在有機(jī)溶劑中幾乎不溶，具有聚合物的性質(zhì)[1]。它能增加食品的感官性質(zhì)，提高食品的商品價(jià)值，是一種歷史悠久的食品添加劑，被廣泛應(yīng)用于食品、飲料、釀造等行業(yè)[2-5]。

目前，焦糖色素產(chǎn)銷量越來越大，成為許多產(chǎn)品加工過程中不可或缺的部分，消費(fèi)者對(duì)其質(zhì)量要求也越來越高。許多科研工作者在氨法焦糖色素的研究方面投入了大量的時(shí)間與精力[6]，而忽略了對(duì)普通焦糖色素的研究。氨法焦糖由于氮類催化劑的添加，會(huì)產(chǎn)生4-甲基咪唑，危害人類的健康，按GB 8817-2001的規(guī)定，氨法焦糖中4-甲基咪唑含量不能超過 200 mg/kg[7]。4-甲基咪唑[8-12]具有強(qiáng)烈的神經(jīng)毒性、致癌活性等。因而制備的焦糖色素中不期望有4-甲基咪唑的產(chǎn)生。本實(shí)驗(yàn)的目的是采用蒸餾法制備出高品質(zhì)且不含4-甲基咪唑的普通焦糖色素。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

白砂糖：一級(jí)純，云南德宏英茂糖業(yè)有限公司；4-甲基咪唑：優(yōu)級(jí)純，美國(guó)Sigma公司；N,N-二甲基苯胺、二氯甲烷、碳酸鈉、氯化鈉、鹽酸、溴化鉀、硅藻土、明膠、單寧酸、氫氧化鈉：均為分析純，購(gòu)于西安市化學(xué)試劑公司。

723N可見分光光度計(jì) 上海儀電分析儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱器；磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；BSA224S電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；VECTOR33傅立葉紅外光譜儀 德國(guó)Bruker公司；Vario EL III有機(jī)元素分析儀 德國(guó) Elementar 公司；SevenEasy pH酸度計(jì) 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；SHB-3循環(huán)多用真空泵 鄭州三菱儀器廠；RE-2002旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 西安子夜儀器有限公司；GT10-1高速離心機(jī) 上海安亭科技儀器廠；GC-2114C氣相色譜儀 日本島津公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 普通焦糖色素的制備

稱取100 g白砂糖于250 mL三口燒瓶中，在油浴鍋中邊攪拌邊加熱，溫度升至160 ℃時(shí)白砂糖開始熔化，繼續(xù)升至180 ℃時(shí)，白砂糖全部熔化，溶液呈棕色，接著體系內(nèi)再升溫至190～200 ℃，熔融的糖液開始起泡，溶液變?yōu)樽睾稚?。起泡后收集一定量的餾分，然后將蒸餾裝置改為冷凝回流裝置，繼續(xù)反應(yīng)一定的時(shí)間后，緩慢滴加Na2CO3溶液適量，待其充分反應(yīng)，冷卻后將樣品貯存待用。

1.2.2 色率、紅色指數(shù)、黃色指數(shù)的測(cè)定

0.1%普通焦糖色素溶液的配制：參照文獻(xiàn)[13-15]，精確稱量1.00 g普通焦糖色素樣品，用蒸餾水溶解，配制0.1%的樣液，2400 r/min的離心機(jī)離心10 min。

取上述離心液用可見分光光度計(jì)于610，510，460 nm處測(cè)定其吸光度A610，A510，A460，均重復(fù)測(cè)定3次，取平均值A(chǔ)1，A2，A3，按下式a，b，c分別計(jì)算色率、紅色指數(shù)、黃色指數(shù)：

色率(EBC單位)=A1×20000/0.076，

(a)

紅色指數(shù)=10×lg(A2/A1)，

(b)

黃色指數(shù)=10×lg(A3/A1)。

(c)

1.2.3 耐鹽性的測(cè)定

配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaCl溶液，取25 mL 20%的NaCl溶液溶解1 g普通焦糖色素樣品，攪拌均勻后倒入20 mL比色管中。在明亮處觀察比色管中溶液，24 h后用同樣方法再次觀察。若溶液透明、無渾濁沉淀，則說明耐鹽性好，否則耐鹽性差[16]。

1.2.4 pH的測(cè)定

用酸度計(jì)對(duì)1 g/L的普通焦糖色素溶液直接進(jìn)行pH的測(cè)定。

1.2.5 電荷的測(cè)定

等電點(diǎn)是蛋白質(zhì)呈中性時(shí)的酸堿值，它是根據(jù)不同電荷相互吸引的原理測(cè)定的。通過已知膠體來計(jì)算其電荷改變的酸堿值。其測(cè)定方法如下：配制0.5%的明膠溶液，分別取25 mL于4個(gè)燒杯中，用酸調(diào)節(jié)各pH值為1.0，1.5，2.0，2.5。再分別取25 mL 1%普通焦糖色素溶液于4個(gè)燒杯中，用酸調(diào)節(jié)各pH值為1.0，1.5，2.0，2.5。將調(diào)整pH值后的1%焦糖色素分取10 mL于試管中，加入相等酸度的明膠10滴。放置12 h后觀察，若溶液依舊澄清，說明其帶正電，反之則帶負(fù)電[17]。

1.2.6 泡沫實(shí)驗(yàn)

不同產(chǎn)品對(duì)焦糖色素的起泡性要求不同，如可樂型飲料要求低泡沫焦糖色素，而黑啤酒則需多泡沫焦糖色素。所以起泡性對(duì)焦糖色素的應(yīng)用性有很大的影響。測(cè)定方法：取1%的普通焦糖色素溶液20 mL，用玻璃棒攪拌3 min，置于60 ℃水浴鍋中，監(jiān)測(cè)其起泡消失的時(shí)間[18]。

1.2.7 膠體性質(zhì)的測(cè)定

膠體性質(zhì)是焦糖色素在溶液中能否穩(wěn)定存在的一個(gè)重要指標(biāo)。測(cè)定方法：配制l%單寧酸溶液。將6 mL該溶液與7 mL l%的普通焦糖色素混合，放置1天，觀察現(xiàn)象。如果清晰則膠體性質(zhì)良好，如果有沉淀則膠體性質(zhì)差。

1.2.8 樹脂化時(shí)間的測(cè)定

取普通焦糖色素樣品少許密封于玻璃管中，置于100 ℃左右的高溫烘箱中，觀察出現(xiàn)樹脂化的時(shí)間[19]。

1.2.9 普通焦糖色素的結(jié)構(gòu)特征

取經(jīng)干燥處理的普通焦糖色素樣品，利用傅立葉紅外光譜儀進(jìn)行分析，掃描波數(shù)4000～400 cm-1。

配制0.1%的普通焦糖色素樣品溶液，采用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行全波段掃描，掃描范圍200～800 nm。

1.2.10 普通焦糖色素的安全性實(shí)驗(yàn)

1.2.10.1 有機(jī)元素分析儀測(cè)定元素含量

精確稱取絕干后的普通焦糖色素樣品2.1860 mg，用錫紙包好壓實(shí)進(jìn)行有機(jī)元素分析，重復(fù)測(cè)2～3次，取平均值，測(cè)定C，H，O，N元素的百分含量。

1.2.10.2 GC法測(cè)定4-甲基咪唑

內(nèi)標(biāo)溶液的配制：精密稱取N,N-二甲基苯胺98.6 mg置于100 mL容量瓶中，加二氯甲烷溶解后定容，6 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備液的配制：精密稱取4-甲基咪唑49.2 mg置于50 mL容量瓶中，加二氯甲烷溶解后定容，6 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

樣品前處理：精確稱取5.00 g樣品于250 mL燒杯中，加入3.0 mol/L的NaOH溶液35 mL，充分混勻后加硅藻土30 g混合至半干，裝入層析柱(25 mm×250 mm)。打開層析柱的聚四氟乙烯活塞，注入二氯甲烷至充滿，關(guān)閉活塞，靜置15 min。打開活塞后用二氯甲烷洗脫，收集300 mL洗脫液，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將洗脫液濃縮至1～2 mL，將濃縮液移入10 mL容量瓶中，精密加入內(nèi)標(biāo)溶液1 mL，二氯甲烷洗滌蒸發(fā)瓶后移入容量瓶并定容，6 ℃保存，作為供試品溶液[20，21]。

色譜條件：Inertcap 5石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，進(jìn)樣口溫度250 ℃；程序升溫：柱子初溫80 ℃，以30 ℃/min的速率升溫至200 ℃，保持5 min，氫離子火焰檢測(cè)器溫度250 ℃；載氣：高純氮?dú)?，流? mL/min；氫氣：40 mL/min；空氣：400 mL/min；尾吹氣(He)：30 mL/min；分流比50∶1；平衡時(shí)間30 min；進(jìn)樣量：1 μL。

1.2.11 普通焦糖色素的應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)

于250 mL燒杯中分別稱取10 g自制、市售的焦糖色素，各加入100 mL 20%的NaCl水溶液，攪拌溶解并煮沸，將切好的3 cm×3 cm×2 cm白豆腐煮入其中，5 min后將豆腐取出，觀察其色澤，之后每隔1 h，觀察其顏色變化。另取海天醬油按同樣的方法操作實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 普通焦糖色素的性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

普通焦糖色素的性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 普通焦糖色素的性質(zhì)檢測(cè)結(jié)果Table 1 The test results of the properties of ordinary caramel pigment

本實(shí)驗(yàn)制備的普通焦糖色素的色率在8000～16000 EBC范圍內(nèi)，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Ⅰ類焦糖色素的要求。其紅色指數(shù)為6.0～6.7，黃色指數(shù)為9.2～10.3，其值高于一般的焦糖色素，克服了我國(guó)因使用焦糖色素而致醬油炒菜時(shí)菜品顏色發(fā)烏的缺點(diǎn)。產(chǎn)品的消泡時(shí)間短、樹脂化時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性好，即貨架期長(zhǎng)，可作為焙烤食品、飲料等的添加劑。該焦糖色素pH值在4.0～6.0范圍內(nèi)，可用于醬油、醋等。其所帶電荷為正電荷，適宜用于釀造業(yè)。另外，該焦糖色素的耐鹽性、耐酸性、溶解性均良好。

2.2 普通焦糖色素的結(jié)構(gòu)表征

普通焦糖色素的全波段掃描圖見圖1。在200～400 nm之間出現(xiàn)了2個(gè)明顯的吸收峰，說明樣品中存在共軛結(jié)構(gòu)。在224 nm處有強(qiáng)的吸收峰，可能是由于分子中苯環(huán)結(jié)構(gòu)及其他共軛結(jié)構(gòu)引起K帶、E帶和B帶在末端相疊加的吸收帶。在282 nm處可能為羥基較強(qiáng)的R帶吸收帶，進(jìn)一步表明普通焦糖中含有苯環(huán)共軛體系及其他共軛結(jié)構(gòu)等發(fā)色基團(tuán)。

圖1 普通焦糖色素的紫外吸收曲線Fig.1 The ultraviolet absorption curve of ordinary caramel pigment

圖2 普通焦糖色素的FTIR圖譜Fig.2 FTIR spectra of ordinary caramel pigment

2.3 安全性分析

普通焦糖色素的有機(jī)元素分析結(jié)果見表2。N元素含量為0，說明該焦糖色素不含或難以檢測(cè)出以4-甲基咪唑?yàn)榇淼倪溥蝾惢衔铮瑒t該焦糖色素是安全的。

表2 普通焦糖色素元素分析結(jié)果Table 2 The element analysis results of ordinary caramel pigment

為了進(jìn)一步確證普通焦糖色素中不含以4-甲基咪唑?yàn)榇淼倪溥蝾惢衔?，采用氣相色譜法測(cè)定，結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 4-甲基咪唑標(biāo)準(zhǔn)品的氣相色譜圖Fig.3 Gas chromatogram of standard 4-methyl imidazole

圖4 普通焦糖色素的氣相色譜圖Fig.4 The gas chromatogram of ordinary caramel pigment

圖5 市售氨法焦糖色素氣相色譜圖Fig.5 The gas chromatogram of ammonia caramel pigment on sale

圖3為4-甲基咪唑標(biāo)準(zhǔn)品的GC圖，在4.1 min和4.4 min處有2個(gè)強(qiáng)的吸收峰，分別為1號(hào)：4-MI的吸收峰，2號(hào)：N,N-二甲基苯胺的吸收峰。圖4為普通焦糖色素的GC圖，在4.1 min處沒有出現(xiàn)吸收峰，說明其中不含4-甲基咪唑。圖5為市售氨法焦糖色素的氣相色譜圖，4.1 min處出現(xiàn)4-甲基咪唑吸收峰，說明其中含有4-甲基咪唑。由此可見利用該法生產(chǎn)的普通焦糖色素不含有以4-甲基咪唑?yàn)榇淼倪溥蝾惢衔?，該法是一種安全的焦糖色素生產(chǎn)方法。

2.4 應(yīng)用性分析

圖6 Sample 1～3分別為市售、自制焦糖色素及海天醬油煮過的豆腐Fig.6 Application experiments of the caramel pigment Note：Sample 1 is the commercial caramel (ammonia caramel)，Sample 2 is the plain caramel，Sample 3 is Haitian soy sauce

由圖6可知，經(jīng)自制普通焦糖色素溶液煮沸后的豆腐顏色紅潤(rùn)，鮮艷誘人，飽和感強(qiáng)，與海天醬油煮沸的豆腐基本一致，經(jīng)市售焦糖色素溶液煮沸的豆腐顏色發(fā)烏，不清亮。豆腐實(shí)驗(yàn)雖缺乏科學(xué)依據(jù)，但實(shí)踐性強(qiáng)，被中國(guó)多數(shù)醬油、焦糖色素企業(yè)所采用，可作為焦糖色素著色性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

通過對(duì)本法生產(chǎn)的普通焦糖色素基本性質(zhì)的分析，表明該產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，色率的范圍為8000～16000 EBC，紅色指數(shù)的范圍為6.0～6.7，黃色指數(shù)的范圍為9.2～10.3，pH值范圍為4.0～6.0，耐鹽性、耐酸性均良好，消泡時(shí)間短，樹脂化時(shí)間長(zhǎng)。有機(jī)元素分析及4-甲基咪唑的氣相色譜分析，充分證明了本法生產(chǎn)的普通焦糖色素不含有4-甲基咪唑，因而該法是一種安全的焦糖色素生產(chǎn)方法。通過豆腐實(shí)驗(yàn)表明了本法制備的普通焦糖色素溶液煮沸后的豆腐顏色紅潤(rùn)，鮮艷誘人，飽和感強(qiáng)，與海天醬油煮沸的豆腐基本一致，為其應(yīng)用及工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

[1]Tomasik P.Caramel properties and analysis[J].Encyclopedia of Food Sciences & Nutrition,2003,10(1):852-858.

[2]閻蔚，許光明.影響銨(氨)法焦糖色素質(zhì)量的初步研究[J].食品工業(yè)，1993(3)：36-38.

[3]張馳松.焦糖色素實(shí)驗(yàn)室制備工藝研究[J].食品與發(fā)酵科技，2006，42(5)：45-49.

[4]Lea A,Henry B.Properties and determination of natural pigments[J].Encyclopedia of Food Sciences & Nutrition,2003:1550-1556.

[5]張國(guó)瑛，顧正彪，洪雁.焦糖色素生產(chǎn)及應(yīng)用的進(jìn)展[J].食品工業(yè)科技，2007(4)：232-235.

[6]譚文興，農(nóng)立忠，黃玉南，等.低4-甲基咪唑含量的焦糖色素制備工藝的研究[J].甘蔗糖業(yè),2013(6):23-28.

[7]許光明，雷光鴻.影響銨(氨)法焦糖色素質(zhì)量的初步研究[J].輕工科技，2004(1)：36-38.

[8]Capuano E,Fogliano V.Acrylamide and 5-hydroxymethylfurfural (HMF):a review on metabolism,toxicity,occurrence in food and mitigation strategies[J].LWT-Food Science and Technology,2011,44(4):793-810.

[9]Chan P,Mahler J,Travlos G,et al.Induction of thyroid lesions in 14-week toxicity studies of 2 and 4-methylimidazole in Fischer 344/N rats and B6C3F1 mice[J].Archives of Toxicology,2006,80(3):169-180.

[10]Chan P C,Hill G D,Kissling G E,et al.Toxicity and carcinogenicity studies of 4-methylimidazole in F344/N rats and B6C3F1 mice[J].Archives of Toxicology,2008,82(1):45-53.

[11]Patey A L,Shearer G,Knowles M E,et al.Ammonia caramels:specifications and analysis[J].Food Additives & Contaminants,1985(2):107-112.

[12]Hargreaves M B,Jones B C,Smith D A,et al.Inhibition of p-nitrophenol hydroxylase in rat liver microsomes by small aromatic and heterocyclic molecules[J].Drug Metabolism & Disposition the Biological Fate of Chemicals,1994,22(5):806-810.

[13]楊紅兵，王進(jìn)卿，張先進(jìn)，等.焦糖色素的色率與紅色指數(shù)的關(guān)系及應(yīng)用[J].中國(guó)釀造，2002，21(2)：40-42.

[14]秦祖贈(zèng)，陳永梅，粟春富.焦糖色素黃色指數(shù)的測(cè)定[J].中國(guó)調(diào)味品，2003(7)：37-39.

[15]鄧麗卿，王松磊，史文慧，等.高品質(zhì)焦糖色素(Ⅳ)的制備工藝優(yōu)化[J].食品工業(yè)科技，2012，33(24)：353-354.

[16]呂慧威，于爽，孫玉梅，等.焦糖色素穩(wěn)定性及其對(duì)食醋穩(wěn)定性的影響[J].中國(guó)調(diào)味品，2010，35(8)：24-25.

[17]史文慧.氨法焦糖色素品質(zhì)優(yōu)化與4-甲基咪唑含量控制的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012：23-34.

[18]陳洪興.小麥B-淀粉制備焦糖色素及其安全性研究[D].無錫：江南大學(xué)，2014.

[19]陳洪興，顧正彪.抗氧化劑對(duì)焦糖色素性質(zhì)的影響[J].中國(guó)調(diào)味品，2013，38(10)：46-48.

[20]郭小莉，陳敏，張世湘，等.毛細(xì)管氣相色譜法測(cè)定焦糖色素中的4-甲基咪唑[J].食品科學(xué)，2005，26(2)：169-171.

[21]彭向前，馮瑋，石海英，等.氣相色譜法同時(shí)檢測(cè)焦糖色素中的2-甲基咪唑和4-甲基咪唑[J].中國(guó)調(diào)味品，2012，37(8)：83-85.

[22]Kamhuey W,Suraini A A,Suhaila M.Sensory aroma from Maillard reaction of individual and combinations of amino acids with glucose in acidic conditions[J].International Journal of Food Science & Technology,2008,43(9):1512-1519.