工藝條件對(duì)以赤砂糖為原料制備的焦糖色素品質(zhì)影響研究

嚴(yán)景臣，黃永春，詹宗明，韋紅玲，楊鋒*

(1.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州 545006)

焦糖色素是一種食品行業(yè)中的天然著色劑，廣泛應(yīng)用于碳酸或非碳酸飲料、烘制食品、肉制品、食醋等，其用量占食用色素總量的90%以上[1]。目前主要采用普通法、氨法、苛性亞硫酸鈉法和亞硫酸銨法生產(chǎn)，生產(chǎn)原料主要有：淀粉、母液、蔗糖廢蜜等。

赤砂糖是生產(chǎn)白砂糖過(guò)程中糖蜜未被完全分離的副產(chǎn)品，其方便速溶，為棕紅色或黃褐色帶蜜砂糖[2]。由于赤砂糖是甘蔗制糖生產(chǎn)的末級(jí)產(chǎn)品，雜質(zhì)含量高，所以一直得不到較好的利用，但赤砂糖較傳統(tǒng)糖業(yè)生產(chǎn)規(guī)范、產(chǎn)量大、價(jià)格低，是理想的焦糖色素生產(chǎn)原料。在焦糖色素生產(chǎn)過(guò)程中，工藝條件對(duì)焦糖色素的品質(zhì)、應(yīng)用和穩(wěn)定性有很大影響。所以本文以赤砂糖為原料，采用普通法、氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法制備焦糖色素，研究了pH、溫度、時(shí)間對(duì)產(chǎn)物色率、紅色指數(shù)、黃色指數(shù)、粒徑和Zeta電位的影響，為焦糖色素的生產(chǎn)及產(chǎn)品品質(zhì)的控制提供了理論依據(jù)。

1 材料與儀器

材料：一級(jí)赤砂糖，忻城南華糖業(yè)有限責(zé)任公司；實(shí)驗(yàn)所用試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

儀器：HDM-1000恒溫電熱套 常州國(guó)華電器有限公司；V2000可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；PHS-25CW pH計(jì) 上海般特儀器制造有限公司；JJ200電子天平 常熟市雙杰測(cè)試儀器廠；Nano-ZS90粒度及電位儀 英國(guó)Malvern儀器有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 色率、紅色指數(shù)、黃色指數(shù)、粒徑和Zeta電位測(cè)定方法

按文獻(xiàn)[3]的方法測(cè)定色率、紅色指數(shù)、黃色指數(shù)。

粒徑和Zeta電位：取濃度為0.1%的焦糖色素樣品，選擇Size軟件，于25 ℃條件下測(cè)定其粒徑，取3次測(cè)定的平均值。取濃度為0.1%的焦糖色素樣品，選擇Zeta電位測(cè)量軟件，測(cè)定條件：1 cm聚苯乙烯池，一對(duì)0.45 cm2鉑電極，間距為0.4 cm，測(cè)定溫度為25 ℃，平衡時(shí)間為3 min，取3次測(cè)定的平均值。

2.2 原料預(yù)處理

取140 g赤砂糖與60 g水，加熱溶解，加入20%的HCl或NaOH溶液，調(diào)節(jié)pH為5.0，8.0，10.0。

2.3 pH對(duì)普通法、氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素品質(zhì)的影響

取pH為5.0,8.0,10.0的赤砂糖溶液，分別加入水、25%的氨水、25%的亞硫酸銨、25%的亞硫酸鈉20 mL，加熱回流1 h，將以上樣品在200 ℃下反應(yīng)30 min，測(cè)定其吸光度、粒徑和Zeta電位。

2.4 時(shí)間對(duì)普通法、氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素品質(zhì)的影響

取pH為8.0的赤砂糖溶液，分別加入水、25%的氨水、25%的亞硫酸銨、25%的亞硫酸鈉20 mL，加熱回流1 h，將以上樣品在200 ℃下分別反應(yīng)15，30，45 min，測(cè)定其吸光度、粒徑和Zeta電位。

2.5 溫度對(duì)普通法、氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素品質(zhì)的影響

取pH為8.0的赤砂糖溶液，分別加入水、25%的氨水、25%的亞硫酸銨、25%的亞硫酸鈉20 mL，加熱回流1 h，將以上樣品分別在180，200，220 ℃下反應(yīng)30 min，測(cè)定其吸光度、粒徑和Zeta電位。

2.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPASS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，差異顯著性采用LSD檢驗(yàn)法。

3 結(jié)果與討論

3.1 pH、時(shí)間、溫度對(duì)焦糖色素色率、紅色指數(shù)和黃色指數(shù)的影響

圖1 pH、時(shí)間、溫度對(duì)色率的影響Fig.1 The effect of pH, time, temperature on color ratio

圖2 pH、時(shí)間、溫度對(duì)紅色指數(shù)的影響Fig.2 The effect of pH, time, temperature on red index

圖3 pH、時(shí)間、溫度對(duì)黃色指數(shù)的影響Fig.3 The effect of pH, time, temperature on yellow index

由圖1～圖3可知，在pH 8時(shí)4種方法制備的焦糖色素色率均達(dá)到最大，紅色指數(shù)、黃色指數(shù)最小。這與謝筆鈞[4]所研究的在pH 8時(shí)焦糖色素轉(zhuǎn)化速率較快的結(jié)果一致。這可能是因?yàn)樵谌跛峄蛘邚?qiáng)堿的條件下，會(huì)阻礙有色物質(zhì)的聚合，影響色素的生成。而在弱堿性條件下，有利于美拉德反應(yīng)的發(fā)生，反應(yīng)速率加快使類(lèi)黑色素物質(zhì)生成加快，導(dǎo)致色率升高的速度比紅色物質(zhì)生成的速度快[5]。

普通法和氨法焦糖色素色率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，紅色指數(shù)、黃色指數(shù)隨之降低。這與馬倩鶴[6]所研究的以白砂糖為原料制備的普通焦糖色素色率隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致；與婁迎霞等[7]所研究的以葡萄糖為原料制備的氨法焦糖色素色率隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致。這是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，有利于色素物質(zhì)進(jìn)一步聚合，有色物質(zhì)不斷積累，形成分子量更高的呈色產(chǎn)物，在反應(yīng)后期，紅色物質(zhì)會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化成類(lèi)黑色素物質(zhì)，從而使色率增大。亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法焦糖色素色率隨時(shí)間延長(zhǎng)先升高后下降，在30 min時(shí)達(dá)到最高。這與鄧麗卿等[8]所研究的亞硫酸銨法焦糖色素色率在10～60 min內(nèi)隨時(shí)間增大而增大，60 min后色率降低的變化趨勢(shì)一致。原因是焦糖色素色率隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)而升高，但反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，焦糖色素將碳化結(jié)塊，形成不溶于水的產(chǎn)物，不利于焦糖色素的制備。

普通法和氨法焦糖色素色率隨反應(yīng)溫度升高而升高，紅色指數(shù)、黃色指數(shù)隨之降低。這與馬倩鶴所研究的普通焦糖色素色率在180～220 ℃內(nèi)增大的結(jié)果一致。這是因?yàn)楦邷赜欣谔沁M(jìn)行裂解、聚合等反應(yīng)，生成類(lèi)黑色素的物質(zhì)比紅色物質(zhì)多。焦糖色素中的紅色、黃色物質(zhì)對(duì)溫度較敏感，當(dāng)遇到較高溫度時(shí)易發(fā)生降解，導(dǎo)致紅色、黃色組分所占比例減少[9]。亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法焦糖色素色率隨溫度升高先升高后下降。這與史文慧等[10]、鄧麗卿的研究結(jié)果一致。原因是溫度升高可加速焦糖化反應(yīng)速率，若溫度過(guò)高，焦糖色素會(huì)產(chǎn)生樹(shù)脂化現(xiàn)象，使色率下降。

3.2 pH、時(shí)間、溫度對(duì)焦糖色素粒徑的影響

圖4 pH、時(shí)間、溫度對(duì)粒徑的影響Fig.4 The effect of pH, time, temperature on particle sizes

由圖4可知，pH、時(shí)間、溫度對(duì)亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法焦糖色素粒徑影響較小。隨pH增大，普通法焦糖色素粒徑先增大后減小，氨法粒徑變化與普通法相反。隨時(shí)間延長(zhǎng)，普通法和氨法焦糖色素粒徑均減小。隨溫度升高，普通法焦糖色素粒徑先增大后減小，氨法粒徑隨溫度升高而減小。不同條件下，普通法和氨法粒徑均大于另外兩種方法。4種方法中普通法制備焦糖色素電位較低，而粒徑較大，可能是因?yàn)槠胀ǚㄖ苽涞慕固巧仉娢坏?，不同顆粒間同種電荷靜電斥力較小，導(dǎo)致顆粒之間容易相互吸附聚集。糖類(lèi)在加熱過(guò)程中通過(guò)兩種途徑形成大分子物質(zhì)：一種是通過(guò)低分子量物質(zhì)之間隨機(jī)反應(yīng)形成中間物，中間物進(jìn)一步聚合形成大分子量物質(zhì)；另一種是反應(yīng)體系中形成一個(gè)重復(fù)的單元分子，該單元分子幾乎對(duì)顏色形成沒(méi)有影響[11,12]。由此可得普通法在反應(yīng)過(guò)程中可能發(fā)生的是第二種大分子反應(yīng)，而氨法、亞硫酸銨和苛性亞硫酸鈉法可能發(fā)生的是第一種大分子反應(yīng)。

3.3 pH、時(shí)間、溫度對(duì)焦糖色素Zeta電位的影響

圖5 pH、時(shí)間、溫度對(duì)Zeta電位的影響Fig.5 The effect of pH, time, temperature on Zeta potential

由圖5可知，隨pH升高，氨法焦糖色素電位先下降后升高，亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法焦糖色素電位升高，普通法電位隨之下降。隨時(shí)間延長(zhǎng)，普通法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素電位升高，氨法電位先升高后下降。隨溫度升高，普通法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素電位隨之降低，氨法隨之升高，亞硫酸銨法先下降后升高。本實(shí)驗(yàn)所做焦糖色素均帶有負(fù)電荷，這與馬倩鶴、李祥等[13]以白砂糖為原料，采用蒸餾法制備焦糖色素電荷相反，與陳其鋼等[14]所報(bào)道的焦糖色素所帶電荷一致。Zeta電位與分散體系的表面靜電荷量有關(guān)，可以用來(lái)評(píng)價(jià)分散體系的穩(wěn)定性，通常認(rèn)為Zeta電位絕對(duì)值≥30 mV，該分散體系可以阻止納米粒子間因吸引力弱而造成的聚集沉淀，增強(qiáng)分散體系的穩(wěn)定性[15]?？梢钥闯龀似胀ǚń固巧豘eta電位較低，其余3種方法均較高。說(shuō)明普通法焦糖色素較其他3種方法穩(wěn)定性差。

3.4 普通法、氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素特征值分析

表1 不同方法制備的焦糖色素特征值Table 1 The characteristic values of caramel pigments prepared by different methods

在4種方法色率均較高的條件下，即pH 8、反應(yīng)時(shí)間30 min、反應(yīng)溫度200 ℃、催化劑用量20 mL時(shí)，對(duì)不同方法焦糖色素的特征值進(jìn)行比較。由表1可知，氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素色率及Zeta電位之間不存在顯著差異(p>0.05)，普通法色率和Zeta電位值顯著低于其余3種方法，為18320.00 EBC和12.33 mV；普通法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素紅色指數(shù)及黃色指數(shù)之間不存在顯著差異(p>0.05)，氨法焦糖色素紅色指數(shù)和黃色指數(shù)顯著低于其余3種方法，為1.90和3.77；普通法與氨法、亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法的粒徑之間存在顯著差異(p<0.05)，普通法和氨法焦糖色素平均粒徑遠(yuǎn)大于亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法。

4 結(jié)論

在pH 8時(shí)4種方法色率均達(dá)到最大；隨時(shí)間和溫度升高，普通法、氨法焦糖色素色率升高，亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法色率先升高后下降。pH、溫度、時(shí)間對(duì)普通法和氨法焦糖色素粒徑影響較大，對(duì)亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法焦糖色素粒徑影響較小，普通法和氨法粒徑大于亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法。普通法焦糖色素電位低于其余3種方法，說(shuō)明普通法焦糖色素穩(wěn)定性較差。普通法與氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法的色率及Zeta電位之間存在顯著差異(p<0.05)；氨法與普通法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法的紅色指數(shù)及黃色指數(shù)之間存在顯著差異(p<0.05)；普通法與氨法、亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法的粒徑之間存在顯著差異(p<0.05)。