廢蜜普通法焦糖色素的制備及特性研究

蔡吉祥，楊秋玉，蘇龍，朱慶寧，趙海燕*

(1.廣西科技師范學(xué)院 食品與生化工程學(xué)院，廣西 來賓 546119；2.來賓百盛生物科技有限公司，廣西 來賓 546119)

焦糖色素，又名醬色或焦糖，是糖類物質(zhì)(蔗糖、糖蜜、葡萄糖、果糖等)在高溫加熱情況下脫水、分解和聚合而成的一類具有焦香味的紅褐色或黑褐色天然色素物質(zhì)[1-2]。根據(jù)生產(chǎn)原料的不同可將焦糖色素分為4類：普通法焦糖[3]、亞硫酸鹽焦糖[4]、氨法焦糖[5]及亞硫酸銨法焦糖[6]，其中普通法焦糖色素因生產(chǎn)過程中不添加含氨(銨)化合物，產(chǎn)品中一般不含四甲基咪唑等有害物質(zhì)，因其安全性更高，越來越受市場的青睞，成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)[7]。

制糖廢蜜是以甘蔗、甜菜或原糖為原料制取的糖汁，經(jīng)過清凈、蒸發(fā)、結(jié)晶、分蜜等工序后，無法結(jié)晶出蔗糖的殘留液，其中主要包括糖類、色素、無機(jī)鹽等物質(zhì)[8-9]。因糖蜜中含有豐富的糖類及其他活性物質(zhì)，所以對其的研究也較多，主要包括利用糖蜜生產(chǎn)酒精[10]、生產(chǎn)活性酵母、制備高果糖漿[11]、制備焦糖色素等，其中以廢蜜制備焦糖色素的研究主要集中在氨法焦糖及亞硫酸銨法焦糖色素的制備的研究上[12-13]，而以糖蜜制備普通法焦糖色素的研究較少，本文以制糖廢蜜為原料生產(chǎn)普通法焦糖色素并對制備的色素特性進(jìn)行分析，為廢蜜的綜合利用提供了一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘蔗制糖廢蜜、無水乙醇、DPPH試劑、鹽酸、濃硫酸、氫氧化鈉、磷酸二氫鈉、無水亞硫酸鈉、檸檬酸鈉：均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-5100型紫外分光光度計(jì) 上海元析儀器有限公司；GSH-5L反應(yīng)釜 威海環(huán)宇化工機(jī)械有限公司；Bettersize 2600E激光粒度分布儀 丹東百特儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原料預(yù)處理

將廢蜜稀釋至35～36 °Be', 再加入一定量的稀硫酸調(diào)節(jié)pH至4.8～5.0之間，然后加熱至一定溫度并攪拌一定時(shí)間,過濾，取清糖液進(jìn)行反應(yīng)。

1.3.2 焦糖化反應(yīng)

稱取經(jīng)過預(yù)處理并調(diào)節(jié)pH的廢蜜2 L置于反應(yīng)釜內(nèi)，常壓下以200 r/min攪拌，升溫至一定溫度，再保溫一定時(shí)間，冷卻后測定焦糖色的色率、紅色指數(shù)、黃色指數(shù)，存儲(chǔ)待用。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

按照“1.3.2”項(xiàng)試驗(yàn)方法制備焦糖色素，研究pH(3，4，5，6，7)、溫度(100，110，120，130，140 ℃)、反應(yīng)時(shí)間(1，2，3，4，5 h)對焦糖色素的影響。

1.3.4 焦糖色特性的研究

1.3.4.1 水浴時(shí)間對焦糖色穩(wěn)定性的影響

取制備終止后的焦糖色素50 mL置于沸水浴中，分別在水浴處理 30，60，90，120 min時(shí)取樣，即時(shí)放入冷水浴中快速降至室溫，測其pH，然后在610，510，460 nm波長下測定吸光度，計(jì)算色率、紅色指數(shù)、黃色指數(shù)。重復(fù)3組平行試驗(yàn)，取平均值。

1.3.4.2 樣品濃度對焦糖色穩(wěn)定性的影響

取反應(yīng)終止后的焦糖色素并配制濃度為0.4，0.8，1.2，1.6，2 mg/mL的樣品溶液，測其吸光度，然后置于沸水中1 h，取出冷卻至室溫，在610，510，460 nm下測其吸光度，進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，取平均值。

1.3.4.3 樣品pH對焦糖色穩(wěn)定性的影響

稱取反應(yīng)終止后的焦糖色素0.25 g，分別用相同體積的pH值為2，4，6，8，10的鹽酸或者氫氧化鈉溶液溶解，定容于250 mL的容量瓶中。在60 ℃下水浴中30 min，取出于冷水中降至室溫，在610，510，460 nm下測定吸光度，平行3次試驗(yàn)，取平均值。

1.3.4.4 不同鹽濃度對焦糖色素穩(wěn)定性的影響

分別配制濃度為0.4，1.2，2，2.8,3.6 mg/mL的檸檬酸鈉、磷酸二氫鈉、無水硫酸鈉溶液備用。取15份相同質(zhì)量的試驗(yàn)樣品0.25 g于容量瓶中，分別向其中加入相同體積的濃度為0.4，1.2，2,2.8,3.6 mg/mL的檸檬酸鈉、磷酸二氫鈉、無水硫酸鈉溶液溶解，定容于250 mL容量瓶中，靜置30 min后測定吸光度，進(jìn)行3組平行試驗(yàn)。

1.3.4.5 焦糖色素的清除DPPH自由基能力的測定[14]

將制備終止后焦糖色素配制成濃度為0.4，0.8，1.2，1.6，2 mg/mL的樣品溶液，然后分別取2 mL樣品溶液于試管中,再分別加入2 mL 0.04 mmol/L DPPH乙醇溶液搖勻，常溫下靜置30 min，在517 nm下測定吸光值，記為A1。再分別取2 mL樣品溶液于試管中，加入2 mL無水乙醇溶液，在517 nm下測定吸光值，記為A2。最后取2 mL無水乙醇于試管中，加入2 mL 0.04 mmol/L DPPH試劑，在517 nm下測定吸光值，記為A0。平行3次試驗(yàn)。

1.3.4.6 焦糖色素粒徑分布

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)對制備焦糖色素的影響

2.1.1 pH對焦糖色素色率的影響

由圖1可知，焦糖色素的色率隨著pH的升高先升高后降低，在pH為5時(shí)色率最高，同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH為3時(shí)，制備的焦糖色素中有大量的黑色固體，這可能是在低pH環(huán)境下，美拉德反應(yīng)及焦糖化反應(yīng)受到抑制，糖類物質(zhì)在高溫情況下出現(xiàn)碳化現(xiàn)象。

圖1 pH對焦糖色素色率的影響

2.1.2 反應(yīng)溫度對焦糖色素色率的影響

由圖2可知，焦糖色素的色率隨著溫度的升高先升高后降低，當(dāng)反應(yīng)溫度為110 ℃時(shí)色率最高，這可能是由于隨著溫度越來越高，糖類物質(zhì)碳化現(xiàn)象也越來越明顯，導(dǎo)致色率會(huì)出現(xiàn)微微下降的情況。

圖2 反應(yīng)溫度對焦糖色素色率的影響

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對焦糖色素色率的影響

由圖3可知，焦糖色素的色率在達(dá)到規(guī)定溫度后在保溫4 h內(nèi)隨著保溫時(shí)間的延長而升高，當(dāng)保溫時(shí)間超過4 h后其色率逐漸降低，這可能是由于在開始反應(yīng)階段，反應(yīng)體系底物比較充足，糖蜜中的糖類物質(zhì)發(fā)生焦糖化反應(yīng)及美拉德反應(yīng)的速率逐漸增加，所以色率逐漸升高，但保溫時(shí)間過長，糖類物質(zhì)發(fā)生碳化反應(yīng)的概率越大，這從得到的產(chǎn)品中出現(xiàn)的不溶物也可以看出，同時(shí)不溶物的存在也降低了焦糖色素的品質(zhì)[16]。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對焦糖色素色率的影響

通過單因素試驗(yàn)得出當(dāng)糖蜜pH為5，反應(yīng)溫度為110 ℃，反應(yīng)時(shí)間為4 h時(shí)，制備的焦糖色素色率最高，此條件下生產(chǎn)的焦糖色率達(dá)20263 EBC，紅色指數(shù)為5.93，黃色指數(shù)為9.11，制備的焦糖色素中沒有顆粒沉淀物。

由于機(jī)械臂為雙彈簧連桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成，此結(jié)構(gòu)決定了機(jī)械臂前后兩節(jié)所受的負(fù)載不相同，機(jī)械臂后一節(jié)受到負(fù)載以及自身重力的作用，而前一節(jié)除了受負(fù)載以及自身重力外還承受后一節(jié)的重力。因此前一節(jié)提供的支撐力要略大于后一節(jié)，所以θ1對機(jī)械臂性能的影響要略大于θ2，這與仿真試驗(yàn)結(jié)果吻合。

2.2 焦糖色特性的研究

2.2.1 水浴時(shí)間對焦糖色穩(wěn)定性的影響

由圖4可知，制備終止后的焦糖色體系在高溫水浴處理的情況下pH值都會(huì)隨著水浴時(shí)間的增加而降低，最后趨于穩(wěn)定，這可能是因?yàn)榻固腔磻?yīng)過程中，糖類物質(zhì)在高溫情況下還存在一定程度的酸化過程，制備終止后在高溫情況下該反應(yīng)仍發(fā)生，才導(dǎo)致pH降低，但隨著時(shí)間的延長，該酸化過程越來越少，體系的pH值趨于穩(wěn)定。

圖4 水浴時(shí)間對焦糖色體系pH的影響

由圖5可知，反應(yīng)終止后的焦糖色體系在沸水浴過程中隨著時(shí)間的延長，色率逐漸升高，而紅色指數(shù)和黃色指數(shù)色率略有下降，最終都趨于穩(wěn)定，這說明焦糖色體系在高溫水浴過程中呈色物質(zhì)逐漸增多，但黃色組分及紅色組分越來越少，這可能是由于該焦糖色分子結(jié)構(gòu)中的π鍵電子發(fā)生共軛，共軛體系中電子的離域作用使吸收波長向長波方向移動(dòng)，從而使焦糖色素增色[17]，但焦糖色素中的紅色、黃色物質(zhì)對溫度較敏感，當(dāng)溫度較高時(shí)易發(fā)生降解，導(dǎo)致紅色、黃色組分所占比例減少[18]，也說明該焦糖色體系在高溫水浴過程中可能有部分紅色及黃色組分轉(zhuǎn)化成其他呈色物質(zhì)。

圖5 水浴時(shí)間對焦糖色色率、紅色指數(shù)和黃色指數(shù)的影響

2.2.2 樣品濃度對焦糖色穩(wěn)定性的影響

由圖6可知，制備終止的樣品在熱處理過程中，色率越來越高，而黃色指數(shù)和紅色指數(shù)越來越低，這與水浴試驗(yàn)結(jié)論相同，但當(dāng)濃度越來越高時(shí)，色率增加率提高并趨于穩(wěn)定，黃色指數(shù)減少，色率越來越高并趨于穩(wěn)定，這說明樣品濃度對焦糖色的穩(wěn)定性存在明顯影響。原因可能是濃度升高，類黑色素物質(zhì)聚合越明顯，導(dǎo)致焦糖色色率越高，且有較多黃色物質(zhì)及紅色物質(zhì)轉(zhuǎn)化為其他色素物質(zhì)。

圖6 樣品濃度對焦糖色色率、紅色指數(shù)和黃色指數(shù)的影響

2.2.3 樣品pH對焦糖色穩(wěn)定性的影響

由圖7可知，pH值在2～10的范圍內(nèi)，糖蜜普通法焦糖色素的色率呈適當(dāng)降低并趨于穩(wěn)定的趨勢，紅色指數(shù)基本穩(wěn)定，而黃色指數(shù)呈稍微升高并趨于穩(wěn)定的趨勢，主要原因可能是普通法焦糖色素的pH在3～4左右[19]，堿性環(huán)境會(huì)破壞焦糖色素的膠體特性，導(dǎo)致其不穩(wěn)定色率降低，因此偏酸性環(huán)境更有利于焦糖色素的穩(wěn)定性。

圖7 pH對焦糖色色率、紅色指數(shù)、黃色指數(shù)的影響

2.2.4 不同鹽濃度對焦糖色素穩(wěn)定性的影響

由圖8可知，隨著檸檬酸鈉濃度的增加，糖蜜普通法焦糖色色率逐漸降低并趨于穩(wěn)定，黃色指數(shù)及紅色指數(shù)逐漸增加，而隨著無水亞硫酸鈉的濃度增加，焦糖色素的色率、紅色指數(shù)及黃色指數(shù)變化不大，說明無水亞硫酸鈉對焦糖色的色率幾乎沒有影響，隨著磷酸二氫鈉濃度的增加，焦糖色色率先升高后降低，而紅色指數(shù)和黃色指數(shù)先下降后升高。從上述結(jié)果可以看出，不同的鹽分對糖蜜普通法焦糖色素的影響不同，其中檸檬酸鈉及磷酸二氫鈉對焦糖色素的影響較大，而無水亞硫酸鈉對焦糖色素的影響較小，謝長興[20]認(rèn)為焦糖色素的耐鹽性問題十分復(fù)雜, 受電荷、等電點(diǎn)、pH、膠體物質(zhì)等因素影響，因此在生產(chǎn)和應(yīng)用中要注意鹽類的添加對色素的影響。

圖8 鹽濃度對焦糖色色率、紅色指數(shù)、黃色指數(shù)的影響

2.2.5 焦糖色清除DPPH自由基能力的測定

由圖9可知，當(dāng)焦糖色素濃度為0.4～2.0 mg/mL之間時(shí)，焦糖色素清除DPPH·的能力隨著濃度的增加而增加并趨于穩(wěn)定，且當(dāng)濃度為1.2 mg/mL時(shí)其清除率已達(dá)到了83%以上，因此該焦糖色素表現(xiàn)出較好的清除DPPH·的能力。

圖9 焦糖色對DPPH·的清除能力

2.2.6 焦糖色素粒徑分布

由表1和圖10可知，糖蜜普通法焦糖色素在熱處理前后其粒徑分布都較廣，這可能是由于糖蜜中的成分比較復(fù)雜，所以制備的焦糖色素粒徑分布較廣，另外，制備的焦糖色素粒徑主要集中在0.1～3.162 μm范圍內(nèi)，占總量的67%以上，其中熱處理后的焦糖色粒徑分布變寬了，小粒徑的焦糖色素分子占比減少了，說明在熱處理過程中有部分小分子色素物質(zhì)積聚成了新的大分子色素。

表1 熱處理前后粒度分布詳細(xì)表

圖10 熱處理前后焦糖色素粒徑分布

3 結(jié)論

本試驗(yàn)表明當(dāng)糖蜜pH為5，反應(yīng)溫度為110 ℃，反應(yīng)時(shí)間為4 h時(shí)，制備的焦糖色素色率最高，色率達(dá)20263 EBC，同時(shí)紅色指數(shù)為5.93，黃色指數(shù)為9.11，且制備的焦糖色素中沒有顆粒沉淀物。通過對制備的焦糖色素的特性研究發(fā)現(xiàn)，高溫水浴處理可降低焦糖體系的pH值，提高焦糖體系的色率并促使焦糖色素趨于穩(wěn)定，樣品濃度對焦糖色的存儲(chǔ)穩(wěn)定性存在明顯影響，焦糖色素在偏酸性環(huán)境中更穩(wěn)定，檸檬酸鈉及磷酸二氫鈉對焦糖色素的影響較大，而無水亞硫酸鈉對焦糖色素的影響較小，當(dāng)焦糖色素濃度為1.2 mg/mL時(shí)，DPPH·清除率超過83%，表現(xiàn)出較好的抗氧化活性，通過對焦糖色素粒徑分析可知，該焦糖色素粒徑分布較廣，主要集中在0.1～3.162 μm范圍內(nèi)，占總量的67%以上，且熱處理后的焦糖色素粒徑分布變寬了。