焦糖色素及其研究進(jìn)展

李美玲，王卓琳，黎慶濤，戴宇超，李明星

(廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004)

焦糖色素(caramel colors)，也稱(chēng)焦糖或醬色，是一類(lèi)具有焦香味的黑褐色液體、粉末或顆粒。它是由碳水化合物在一定條件下焦化而成或是與氨基化合物發(fā)生美拉德反應(yīng)制成，因其具有水溶性好、著色率強(qiáng)、穩(wěn)定性高、安全無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于調(diào)味品、飲料、焙烤等食品行業(yè)。在實(shí)際使用中，應(yīng)根據(jù)焦糖的理化性質(zhì)及食品自身的特點(diǎn)選擇相應(yīng)理化性質(zhì)的焦糖，以獲得性質(zhì)穩(wěn)定、感官品質(zhì)良好的食品。

1 焦糖的生產(chǎn)原料

早期焦糖的生產(chǎn)多以紅薯、馬鈴薯為原料，采用小作坊生產(chǎn)，由于設(shè)備簡(jiǎn)陋及技術(shù)不成熟，焦糖的質(zhì)量不穩(wěn)定。從20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始，隨著生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)及食品添加劑市場(chǎng)監(jiān)督體制的健全，焦糖色素的產(chǎn)量和品質(zhì)都得到提高。由于食品行業(yè)對(duì)焦糖色素需求量及品種多樣化的不斷增加，生產(chǎn)原料也呈現(xiàn)多樣化。

1.1 以淀粉類(lèi)為原料

主要有玉米、馬鈴薯、紅薯、大米等。具有工藝成熟、設(shè)備易得、原料來(lái)源廣泛等優(yōu)勢(shì)。以淀粉類(lèi)為原料生產(chǎn)焦糖時(shí)，需先用酶或酸將淀粉轉(zhuǎn)化成含酮基或醛基較多的化合物(如葡萄糖單體)，再進(jìn)行焦糖化反應(yīng)，流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 以淀粉類(lèi)為原料制備焦糖的工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of preparing caramel with starch

王仲禮[1]以玉米為原料，采用粉碎、調(diào)漿、液化等工藝制備出耐酸性和膠體性質(zhì)均較好的焦糖。李龍等[2]研究了馬鈴薯制備焦糖的最佳工藝條件，并對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在pH為6.5、液化DE值為19.8%、糖化加酶量為3000 IU/kg、糖化時(shí)間為45 h時(shí)制得的焦糖品質(zhì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。陳三寶[3]以紅薯渣為原料，探究了不同水解工藝、水解糖液對(duì)焦糖色品質(zhì)及得率的影響，結(jié)果表明采用加壓酸水解法制得焦糖的色率和收率更高。陳洪興等[4]以小麥粉為原料，采用酶法水解小麥B-淀粉，并以水解液為原料，在最佳反應(yīng)條件下，利用氨法制備出色率為33421 EBC單位、紅色指數(shù)為4.06、帶正電荷的焦糖。

1.2 以成糖為原料

主要是葡萄糖、蔗糖、木糖母液等。具有工藝簡(jiǎn)單、焦糖質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高。以成糖為原料，采用氨水、堿和銨鹽等為催化劑在一定的條件下經(jīng)焦糖化反應(yīng)即可制備焦糖。以木糖母液為例，工藝流程圖見(jiàn)圖2。

圖2以木糖母液為原料制備焦糖的工藝流程圖

Fig.2 Process flow chart of preparing caramel with xylose mother liquor

曾長(zhǎng)庚[5]采用 F42 果葡糖漿為原料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH 為 6.0，反應(yīng)溫度為 120 ℃，反應(yīng)時(shí)間為 2 h，添加 11%的氨水、4%的尿素和 3%的亞硫酸鈉時(shí)，可以制備出品質(zhì)好、符合國(guó)標(biāo)的焦糖。李祥等[6]以白砂糖為原料，采用蒸餾法制備出色率為8000～160000 EBC，紅色指數(shù)為6.0～6.7，黃色指數(shù)為9.2～10.3，耐鹽性、耐酸性良好且不含4-甲基咪唑(4-MI)的普通焦糖色素。婁迎霞等[7]以葡萄糖為原料，采用高壓氨法在最佳工藝條件下制備出4-MI含量低、色率及紅色素指數(shù)高的焦糖。

1.3 以廢蜜為原料

主要是甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。糖蜜是糖廠的副產(chǎn)物之一，它成分復(fù)雜，除含有蔗糖分(30%～50%)外，還含有大量膠體和雜質(zhì)，需對(duì)其進(jìn)行清凈處理，才可作為生產(chǎn)焦糖色素的原料，工藝流程圖見(jiàn)圖3。

圖3以糖蜜為原料制備焦糖的工藝流程圖

Fig.3 Process flow chart of preparing caramel with molasses

農(nóng)立忠等[8]以精煉糖糖蜜為原料，利用氨法制備焦糖色素。通過(guò)單因素結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)確定了制備高色率焦糖色素的最佳工藝為反應(yīng)溫度 120～125 ℃，反應(yīng)時(shí)間 1.5 h，銨鹽添加量10%。劉冠卉等[9]則采用甘蔗廢糖蜜為原料，探討出生產(chǎn)釀造型焦糖色素的最佳生產(chǎn)工藝，制備出耐鹽性和著色性均較好的優(yōu)質(zhì)焦糖。秦祖贈(zèng)等[10]從原料甘蔗糖蜜出發(fā)，經(jīng)焦糖化反應(yīng)制備出帶負(fù)電荷的、色率和耐酸性均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的雙倍焦糖。

1.4 其他

主要是高濃酵母廢水。國(guó)內(nèi)大多活性干酵母生產(chǎn)廠家以糖蜜為原料生產(chǎn)酵母，酵母只利用了糖蜜中的糖分，其復(fù)雜成分則殘留在廢液中，不僅對(duì)環(huán)境造成污染，也對(duì)其中的有效成分(如色素)造成浪費(fèi)，因此以廢醪為原料提取焦糖成為該廢水處理的新途徑。李友明等[11]采用超濾濃縮分離法提取高濃度酵母廢水中的焦糖色素，并對(duì)所提取的焦糖色素性質(zhì)進(jìn)行了考察，表明高濃酵母廢水中的焦糖色素可提取出來(lái)進(jìn)行資源化利用，其提取得率為15 g/L，提取出的焦糖色素品質(zhì)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。龔美珍等[12]采用樹(shù)脂從酵母廢液中提取焦糖色素，1 m3廢液可提取12 kg焦糖色素，不僅減少了資源的浪費(fèi)，同時(shí)廢水的COD值也大幅降低。以酵母廢液為原料提取焦糖的工藝流程圖見(jiàn)圖4。

圖4以酵母廢液為原料提取焦糖的工藝流程圖

Fig.4 Process flow chart of extracting caramel with waste yeast liquid

2 焦糖的分類(lèi)

2.1 按產(chǎn)品型號(hào)分類(lèi)

根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)的不同大致可將焦糖分為普通單倍型、普通雙倍型、釀造型、老抽紅型和特紅型，見(jiàn)表1。

表1 不同型號(hào)焦糖的性質(zhì)Table 1 Properties of different types of caramel

2.2 按生產(chǎn)中使用催化劑種類(lèi)分類(lèi)

國(guó)際技術(shù)焦糖協(xié)會(huì)(International Technology Caramel Association，ITCA)根據(jù)焦糖在生產(chǎn)過(guò)程中添加催化劑的不同，將焦糖分為普通焦糖(不加催化劑)、亞硫酸鹽焦糖(以亞硫酸鹽為催化劑)、氨法焦糖(以氨為催化劑)、亞硫酸銨法焦糖(以亞硫酸銨為催化劑)，它們的性質(zhì)概括見(jiàn)表2。

表2 不同類(lèi)別焦糖的性質(zhì)Table 2 Properties of different types of caramel

注: INS 為聯(lián)合國(guó)食品法規(guī)委員會(huì)(CAC)于1989 年通過(guò)的食品添加劑國(guó)際編號(hào)系統(tǒng)(2001 年修訂本)，EEC 為歐共體。

3 焦糖及相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品中4-MeI的檢測(cè)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，企業(yè)為了生產(chǎn)出色率高、紅色指數(shù)高的焦糖，會(huì)加入不同種類(lèi)的催化劑，這些催化劑在一定條件下參與反應(yīng)生成4-MeI等副產(chǎn)物。研究表明，過(guò)量攝入4-MeI會(huì)危害人體健康，甚至有致癌風(fēng)險(xiǎn)。4-MeI是一種兩性極性化合物，并且具有強(qiáng)極性。這兩個(gè)特征增加了它從復(fù)雜基質(zhì)中提取和測(cè)定過(guò)程的難度，使氣相色譜法(GC)和液相色譜法(LC)的直接應(yīng)用受到一定限制。在應(yīng)用LC測(cè)定4-MeI時(shí)常需要將處理后的樣品通過(guò)固相萃取柱，達(dá)到凈化樣品的目的，但靈敏度有限。而用GC法測(cè)定4-MeI時(shí)通常需要使用離子對(duì)試劑對(duì)4-MeI進(jìn)行衍生化處理，前處理復(fù)雜，靈敏度并不高。早期采用的薄層色譜法選擇性差、靈敏度低、易受人為因素的影響，因此不適合用于要求較高的4-MeI定量分析實(shí)驗(yàn)。分光光度法要經(jīng)過(guò)顯色反應(yīng)，易受反應(yīng)條件的影響，不適合用于測(cè)定準(zhǔn)確度和精密度要求高的實(shí)驗(yàn)。毛細(xì)管電泳靈敏度高，但因?qū)嶒?yàn)室條件有限，尚未普及。此外，酶聯(lián)免疫技術(shù)用于檢測(cè)4-MeI具有快速、成本低、選擇性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其特異性和靈敏度有限，在實(shí)際檢測(cè)中只作為一種輔助分析的方法。現(xiàn)將近年來(lái)文獻(xiàn)中4-MeI的測(cè)定方法進(jìn)行概括，見(jiàn)表3。

表3 焦糖及其相關(guān)應(yīng)用食品中4-MeI的測(cè)定方法Table 3 Methods for determination of 4-methylimidazole in caramel and related foods

由表3可知，檢測(cè)4-MeI使用最多的方法是LC-MS/MS法,其次是GC-MS法和LC法。此外，毛細(xì)管電泳法、離子色譜法、酶聯(lián)免疫法、分光光度法也均有應(yīng)用?？梢?jiàn)，隨著樣品前處理技術(shù)的發(fā)展以及設(shè)備的更新?lián)Q代，色譜、質(zhì)譜以及色質(zhì)聯(lián)用技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，特別是超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)在靈敏度、分離效率、選擇性以及精確度上具有其他檢測(cè)分析技術(shù)無(wú)法匹敵的優(yōu)勢(shì)，在食品分析中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

由表3可知，用于檢測(cè)焦糖中4-MeI的方法有LC法、GC法、LC-MS法、LC-MS/MS法、毛細(xì)管電泳法、酶聯(lián)免疫法、熒光色譜法，在這些方法中使用最多的是LC-MS/MS法，采用HPLC-MS法有最低檢出限(0.1 ng/mL)，而使用HPLC-MS/MS法可得到最大回收率(115.7%)。用于檢測(cè)醬油和醋中4-MeI的方法主要有LC-MS法、LC-MS/MS法、GC-MS法，采用UPLC-MS/MS法有最低檢出限(1.4 ng/g)，同時(shí)回收率最大(110%)。咖啡、茶、啤酒、碳酸飲料等飲料中4-MeI的檢測(cè)方法主要有LC-MS/MS法和離子色譜法，其中用HPLC-MS/MS法可得到最低檢出限(0.3 μg/mL)，而采用UPLC-MS/MS法則可得到最大回收率(114%)。

在測(cè)定食品中4-MeI時(shí)，LC法、GC法分別與LC-MS法、GC-MS法相比，樣品的前處理操作相似，但前者的靈敏度遠(yuǎn)不如后者。GC-MS法與LC-MS法相比，在測(cè)定前需要對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)雜的衍生化處理，衍生化的效果也易受到試劑種類(lèi)、濃度、反應(yīng)時(shí)間等條件的影響，且前者的準(zhǔn)確度和精確度并不比后者的強(qiáng)，在實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)用受限。目前，我國(guó)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1886.64-2015《食品添加劑 焦糖色》中規(guī)定使用氣相色譜-火焰離子化法測(cè)定焦糖色素中的4-MeI，這種方法的檢出限能達(dá)到mg/kg的數(shù)量級(jí)。

4 焦糖的發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望

4.1 發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

焦糖的生產(chǎn)有悠久的歷史，在國(guó)外已比較成熟，國(guó)內(nèi)起步較晚。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，我國(guó)焦糖的生產(chǎn)工藝、設(shè)備、品種、標(biāo)準(zhǔn)等已有較大進(jìn)步。目前，焦糖的使用已遍及食品的各方面，市場(chǎng)前景廣闊。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在2000年，全球焦糖的貿(mào)易額已達(dá)1億美元，國(guó)內(nèi)約達(dá)1億人民幣，國(guó)內(nèi)焦糖的產(chǎn)量達(dá)到2萬(wàn)噸/年，并且每年的需求量以2%～3%的增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

同時(shí)，焦糖的生產(chǎn)也在不斷引入新技術(shù)，以改善其質(zhì)量特性。微膠囊是近些年來(lái)研究的熱點(diǎn)，有學(xué)者提出將微膠囊應(yīng)用于焦糖，以期避免焦糖受到光、熱、氧的影響，增強(qiáng)其穩(wěn)定性，并克服其油溶性差的問(wèn)題。低4-Mel、5-羥甲基糠醛的高品質(zhì)焦糖是生產(chǎn)廠家和消費(fèi)者所期待的，研究人員嘗試采用膜分離和超濾技術(shù)對(duì)生產(chǎn)原料或最終產(chǎn)品進(jìn)行處理，以減少生成或去除成品中的有害物質(zhì)。

此外，焦糖生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)也是不容忽視的。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)焦糖的廠家不少，但大多數(shù)是小廠，這些廠家的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，污染大，抗風(fēng)險(xiǎn)能力差，焦糖的質(zhì)量也難以保證。焦糖自身也存在穩(wěn)定性差、易出現(xiàn)脂化、流動(dòng)性等問(wèn)題，給廠家造成損失。市售焦糖的色率參差不齊，高色率的焦糖通常需要添加較多催化劑，容易產(chǎn)生4-MeI等有害物質(zhì)。

4.2 前景展望

針對(duì)焦糖的現(xiàn)狀，它所呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

產(chǎn)品更加多元化，應(yīng)用范圍更廣。目前，根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中催化劑種類(lèi)的不同將焦糖分為4種，產(chǎn)品的種類(lèi)有限，未來(lái)隨著新的生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步以及新的催化劑的應(yīng)用，焦糖的品種會(huì)更加豐富，適應(yīng)更多食品的需求。

產(chǎn)業(yè)更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化。隨著國(guó)家監(jiān)管體制的健全，中小廠將面臨著新一輪的淘汰，在激烈的競(jìng)爭(zhēng)下生存下來(lái)的是抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)、產(chǎn)品質(zhì)量有保障的企業(yè)。

產(chǎn)品更加安全綠色。由于人們生活水平的提高，越來(lái)越多的人追求更加健康和綠色的飲食，這必將推動(dòng)焦糖在生產(chǎn)過(guò)程中使用更加綠色的原料和加工工藝成為一種發(fā)展趨勢(shì)。