不同溫度熱解酸化蔗糖制備低聚焦糖*

王軍 王忠合 薛曉麗 于淑娟

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640)

焦糖色素作為食品添加劑已被廣泛應(yīng)用于飲料、啤酒、醬油等領(lǐng)域［1］，控制蔗糖的熱處理溫度、添加檸檬酸等有機酸催化劑，是大規(guī)模生產(chǎn)焦糖色素采用的最原始工藝.低聚焦糖(STOC)是在此工藝基礎(chǔ)上得到的新型產(chǎn)品，是指用加熱法從蔗糖降解合成的果糖低聚糖、蔗果三糖混合物，含有所有天然的蔗果三糖和3種新的α－果糖異構(gòu)物［2］.STOC具有焦糖色素的特性，國外用于酒精類飲料和軟飲料著色，是天然色素添加劑和食品添加劑［3］，還具有促進雙歧桿菌增殖、預(yù)防和治療痢疾等功能特性［4］.

酸化蔗糖經(jīng)加熱后，加入氨水提供氨基，后經(jīng)乙醇脫水、萃取分離，干燥得 STOC［5］.STOC 含有 D－果糖、D－葡萄糖，是高支化和低相對分子質(zhì)量物質(zhì)［6］.STOC的聚丙烯酰胺分離分析結(jié)果顯示，其相對分子質(zhì)量范圍為162～5000，聚合度為1～31，葡聚糖分離分析結(jié)果顯示，其聚合度為 25［7］.目前，STOC制備工藝復(fù)雜且耗時長，產(chǎn)物得率及含量不穩(wěn)定.因此，在STOC制備工藝和產(chǎn)物分離及其穩(wěn)定性等方面有待深入研究.

STOC具有快速治療痢疾的功能，并可預(yù)防痢疾的復(fù)發(fā)［8］.Orban 等［9］的研究表明，STOC 有促進雙歧桿菌增殖功能，并可作為抗生素替代品用于動物飼料中.但對STOC抗氧化特性的研究鮮見報道.

本研究以蔗糖為原料，熱解酸化蔗糖制備STOC，在原有工藝基礎(chǔ)上，探討新工藝的可行性，并分析了不同溫度制備的STOC的色度、總糖、還原糖含量、抗氧化特性、主要成分及其穩(wěn)定性，以期為STOC作為新型功能性食品添加劑在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供依據(jù).

1 主要材料及儀器

1.1 主要材料

主要材料如下:食品級無水蔗糖，大佳食品有限公司生產(chǎn);食品級無水檸檬酸，廣州冠球化工有限公司生產(chǎn);氨水、氫氧化鈉、無水乙醇、無水葡萄糖、蔗糖、苯酚、濃硫酸、3，5－二硝基水楊酸(DNS)、丙三醇，均為化學(xué)純或分析純;1－蔗果三糖、D－果糖、乙二胺四乙酸鈣(EDTA－Ca)、1，1－二苯基－2－三硝基苯肼(DPPH)，美國Sigma公司生產(chǎn).

1.2 儀器設(shè)備

主要儀器設(shè)備如下:XA－1型高能粉碎機，姜堰市銀河實驗儀器廠生產(chǎn);RE－2000A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠生產(chǎn);DZF－6020A型真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn);Scientz－18N型冷凍干燥機，寧波新芝生物科技有限公司生產(chǎn);UV1810型紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn);CR22GII型高速冷凍離心機，日本日立公司生產(chǎn);4597型高壓反應(yīng)釜，美國PARR公司生產(chǎn);WAY－Z型自動阿貝折射儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn);MeterLab pHM250型pH計，美國哈希公司生產(chǎn);Waters 600型高效液相色譜儀、Waters 2414型示差檢測器、Sugar－pak1型色譜柱，美國Waters公司生產(chǎn);Pyris1 TGA型熱重分析儀、Clarus 600型氣相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀、Elite－1701型毛細管柱，美國PerkinElmer公司生產(chǎn).

2 實驗方法

2.1 低聚焦糖的制備

精確稱取一定量無水蔗糖和無水檸檬酸(酸用量為總量1%)，粉碎至細度為50目左右，按照料液比3∶2加蒸餾水溶解，放置于真空干燥箱(≤40℃、0.1MPa)除去95% ～98%的水分，作為原料備用［10］.

干法(傳統(tǒng))工藝:取上述原料6.000 g于密閉容器中，不同溫度下(100、120、140、160、180 ℃)于真空干燥箱中反應(yīng)60min，取出立即冷卻至玻璃態(tài)，逐滴滴加0.1mol/L氨水至完全溶解，添加無水乙醇至醇含量為95%，攪拌均勻放置冰箱冷凍過夜［5］.

濕法工藝:取原料6.000 g，添加與干法同量氨水溶解，不同溫度(100、120、140、160、180 ℃)于高壓反應(yīng)釜中反應(yīng)60 min，取出反應(yīng)液，添加乙醇，后同干法操作.

冷凍過夜后的溶液于4℃、9000 r/min離心10min，取上清液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)(≤40℃)濃縮至15 mL，經(jīng)阿貝折光儀測得錘度為50～80 Brx，經(jīng)冷凍干燥得質(zhì)量分數(shù)為30%～70%的、分別由兩種工藝制備的黃色至褐色粉末狀STOC.

2.2 pH值的測定

反應(yīng)過程中伴隨pH值的變化，檢測不同溫度所得產(chǎn)品pH變化趨勢可判斷反應(yīng)的強度及變化趨勢.稱取STOC樣品，配制質(zhì)量分數(shù)為1%的溶液，用pHM 250型pH計測定樣品的pH值.

2.3 特征吸收和色度的測定

STOC生成過程中伴隨著有色物質(zhì)的生成，具有特征吸收(294nm)及色度(420 nm)的變化.測定質(zhì)量分數(shù)為1%的STOC溶液在294nm和420nm處的吸光度［11］，為便于比較兩種工藝，對超出測定范圍的樣品用蒸餾水稀釋后進行測定，并計算吸光度.

2.4 總糖和還原糖含量的測定

采用苯酚－硫酸法測定總糖含量;采用DNS法測定還原糖含量［12］.

2.5 抗氧化能力測定

取2 mL質(zhì)量分數(shù)為1‰的 STOC溶液，加入2mL 1，1－二苯基－2－三硝基苯肼溶液，室溫下避光反應(yīng)30min，517 nm下測定值為Di;空白組為2 mL無水乙醇與2 mL STOC混合，測定值為Dj;對照組為2mL DPPH與2 mL蒸餾水混合，測定值為D0;無水乙醇作為空白調(diào)零.清除率(K)按以下公式計算［13］:

2.6 低聚焦糖的液相色譜分析

高效液相色譜(HPLC)條件:檢測器為Waters 2414型示差檢測器;色譜柱為Sugar－pak1(6.5mm×300mm);柱溫為90℃;進樣量為20 μL;流動相為50mg/L的EDTA－Ca水溶液;流速為0.5mL/min;運行時間為30min.

取不同溫度制備的質(zhì)量分數(shù)為1‰的STOC樣品，過0.45μm微孔水系濾膜，經(jīng)HPLC分析成分.

2.7 低聚焦糖的Py－GC－MS分析

熱重分析儀(TGA)熱裂解條件:取固體樣品1～8mg，加入中空小石英管后，放置裂解探針中，以升溫速率100℃/min從室溫升到800℃.

氣相色譜(GC)條件:采用Elite－1701毛細管柱(30 m ×0.25 mm ×0.25 μm);載氣 He純度為99.999%，進樣口溫度為210℃;壓力為0.11Pa.升溫程序:初始溫度35℃，保持5min，以5℃/min升溫至100℃，然后以20℃/min升溫至260℃，并保持10min.

質(zhì)譜(MS)條件:采用電子轟擊離子源(EI)，電離能量為70 eV，離子源溫度為230℃，質(zhì)量掃描范圍(m/z)為45～300，采用全掃描(SCAN)工作方式.

2.8 數(shù)據(jù)處理

平行測定3次，數(shù)據(jù)以平均值±標準偏差表示，采用SPSS 17.0軟件進行差異顯著性分析(P＜0.05).

3 結(jié)果與分析

3.1 低聚焦糖pH值的變化

不同反應(yīng)溫度制備的STOC的pH值見圖1.干法工藝制備STOC時，隨著溫度的升高，pH值的變化趨勢是先升高后緩慢降低.原因是［10］:在溫度為100、120、140℃時，以酸催化蔗糖反應(yīng)進程為主，檸檬酸逐漸被消耗，使pH值升高;140℃時反應(yīng)較為劇烈，pH值為4.63;140℃之后，除了酸催化蔗糖反應(yīng)外，可能存在反應(yīng)產(chǎn)物的降解聚合反應(yīng)，使pH值緩慢地降低，但降低得并不明顯.濕法工藝制備STOC時，隨著反應(yīng)溫度的升高，pH值逐漸降低.原因可能是:在水相體系中，焦糖化反應(yīng)生成了部分酸性物質(zhì)［14］.

圖1 反應(yīng)溫度對制備的STOC的pH值的影響Fig.1 Effects of reaction temperature on pH value of STOC a、b、c、b'、c'表示差異顯著(P ＜0.05)

3.2 低聚焦糖的特征吸收和褐變程度

不同反應(yīng)溫度制備STOC的特征吸收(294 nm處)和褐變程度(420nm處)如圖2所示.干法工藝制備STOC時，隨著溫度的升高，產(chǎn)物的特征吸收和褐變程度均上升，溫度越高，294nm和420nm處的吸光值D(294)及D(420)上升得越快.溫度為180℃時，D(294)及D(420)分別為1.819和1.208.上述結(jié)果表明，干法工藝制備STOC時，酸催化蔗糖反應(yīng)與反應(yīng)溫度呈正相關(guān).此外，反應(yīng)產(chǎn)生色素類物質(zhì)，溫度越高，生成的色素類物質(zhì)越多，褐變程度增加.濕法工藝制備STOC時，在反應(yīng)溫度不高于160℃時，產(chǎn)物的特征吸收和褐變程度呈較快上升趨勢，160℃時，吸光值分別為3.151和2.128，160℃之后，D(294)及D(420)急劇降低，180℃時，吸光值分別為0.978和0.127.原因是:溫度較高時，發(fā)生碳化作用和聚合反應(yīng)，生成不溶于水的樹脂化物質(zhì)，或中間物進一步反應(yīng)生成大分子化合物，使溶于乙醇中的低相對分子質(zhì)量物質(zhì)、色素等各種成分不再增加或減少，從而影響吸光值［15］.

圖2 反應(yīng)溫度對制備的STOC的特征吸收和褐變程度的影響Fig.2 Effects of reaction temperature on characteristic absorption and browning of STOC

3.3 低聚焦糖總糖和還原糖含量

不同反應(yīng)溫度制備的STOC的總糖和還原糖含量的變化如圖3所示.隨著反應(yīng)溫度的升高，干法和濕法工藝制備的STOC總糖含量減小，反應(yīng)溫度越高，糖消耗得越快;還原糖含量先上升后下降.原因可能是:隨著反應(yīng)的進行，蔗糖被消耗，同時伴隨著蔗糖的降解聚合，生成部分單糖、低聚糖，如葡萄糖、果糖、蔗糖、蔗果三糖及其異構(gòu)物等，隨著糖的降解聚合反應(yīng)的進行，非還原糖類(蔗糖、蔗果三糖等)和還原糖類(葡萄糖、果糖等)的生成和含量是不斷變化的［16］.

圖3 反應(yīng)溫度對制備的STOC的總糖和還原糖含量的影響Fig.3 Effects of reaction temperature on total and reducing sugar contents of STOC

3.4 低聚焦糖的抗氧化能力

不同反應(yīng)溫度制備的STOC的清除DPPH能力如圖4所示.隨著反應(yīng)溫度的升高，干法和濕法工藝制備的STOC的DPPH清除能力增強.干法工藝制備STOC，溫度小于120℃時，清除自由基能力增加緩慢，120℃之后，隨著溫度升高，清除自由基能力增強.原因是:較低溫度時，酸催化蔗糖反應(yīng)較弱，生成的單糖、低聚糖及活性色素類物質(zhì)較少.濕法工藝制備STOC，溫度小于140℃時，產(chǎn)物清除DPPH的能力得到較快的增強，之后緩慢增強.原因是:反應(yīng)溫度較高時，發(fā)生碳化作用和聚合反應(yīng)，生成不溶于水的樹脂化物質(zhì)，或中間物進一步反應(yīng)生成大分子化合物，使溶于乙醇中的低相對分子質(zhì)量活性成分不再增加或減少［15］;此外，干法反應(yīng)的蔗糖碳化溫度低于濕法反應(yīng).

圖4 反應(yīng)溫度對制備的STOC的清除DPPH自由基能力的影響Fig.4 Effects of reaction temperature on DPPH radical scavenging capacity of STOC

3.5 低聚焦糖的組分

圖5 STOC糖組分的HPLC分析Fig.5 HPLC analysis of sugars in STOC

表1 STOC主要成分分析Table 1 Component analysis of STOC

STOC糖組分的HPLC分析結(jié)果見圖5和表1.以1－蔗果三糖、萄萄糖、果糖、蔗糖為對照確定各成分保留時間.STOC含有的單糖有葡萄糖、D－果糖，雙糖有蔗糖，三糖有蔗果三糖.表1中1、2、7為未知糖類.七糖及以上聚合度的低聚糖在水中的溶解度很小或不溶，且不能和六糖分開，推斷1可能是六糖及以上聚合度低聚糖.出峰時間在5.374～8.123min的成分可能是蔗果四糖、蔗果五糖(較高溫度時)［17］.

3.6 低聚焦糖熱穩(wěn)定性

兩種工藝制備STOC的熱裂解失重和主要產(chǎn)物基本相同，僅以干法工藝為例進行說明.STOC裂解產(chǎn)物相對含量隨溫度變化曲線(失重曲線)和熱裂解主要產(chǎn)物分別見圖6和表2.在氮氣下，STOC的熱裂解有明顯的失重現(xiàn)象，在100～500℃范圍內(nèi)尤其明顯;500℃以后，裂解緩慢.不同溫度(100、140、180℃)制備的 STOC的失重曲線發(fā)展趨勢相似，100℃時STOC的最大失重溫度約在280℃，隨著制備溫度的升高，最大失重溫度提前;且100～500℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高失重速率增大.由表2可見，STOC熱裂解產(chǎn)物主要有呋喃、呋喃酮、吡唑、吡咯烷、醛、烯和酸酐類.不同溫度制備的STOC的部分熱解產(chǎn)物有重現(xiàn)性:呋喃類有乙烯基呋喃、2－乙基－5－甲基－呋喃等;呋喃酮類有 5－甲基－2(3H)－呋喃酮;醛類有3－呋喃甲醛等.STOC樣品相似性也形成了一些相似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，如烯類、呋喃酮類、酮類化合物等.部分產(chǎn)物結(jié)構(gòu)可以直接反映出前體化合物的結(jié)構(gòu)，如3－呋喃甲醛等特征醛，由中間化合物果糖類發(fā)生Strecker降解時分子結(jié)構(gòu)中的氨基酸脫羧轉(zhuǎn)化而來［18］.

圖6 STOC裂解產(chǎn)物相對含量隨溫度的變化曲線Fig.6 Change curves of relative contents of some STOC pyrolysis products with the temperature

表2 在不同溫度下干法制備的STOC熱裂解的主要產(chǎn)物1)Table 2 Major compounds from the pyrolysis of STOC prepared by dry process at different temperatures

4 結(jié)語

文中以蔗糖和檸檬酸(酸化蔗糖)為原料，分別采用干法和濕法工藝制備了新型功能性添加劑低聚焦糖，其中濕法工藝是本研究提出的.對不同溫度制備的STOC的特性進行分析，結(jié)果表明:隨著溫度升高，干法工藝制備的STOC的pH值先升高后緩慢降低，140℃時反應(yīng)較為劇烈，pH值為4.63，而濕法工藝的逐漸降低;溫度越高，干法工藝制備的STOC的D(294)及D(420)上升得越快;制備溫度不高于160℃時，濕法工藝制備的STOC的特征吸收和褐變程度呈較快上升趨勢;隨著溫度升高，兩種工藝制備的STOC的總糖含量逐漸減少，還原糖含量先上升后下降;120℃時干法和濕法工藝制備STOC的清除DPPH自由基能力分別為6.83%、70.62%.STOC的主要成分和熱裂解分析表明，STOC含有蔗果三糖、蔗糖、葡萄糖、果糖等單糖和低聚糖成分，熱裂解產(chǎn)物主要有呋喃、呋喃酮、吡唑、吡咯烷、醛、烯和酸酐類.

該研究為新型添加劑STOC的制備工藝及其產(chǎn)品特性、功能特性、穩(wěn)定性提供了理論基礎(chǔ).下一步將對STOC的生成機理及抗生素功能進行深入研究與探討.

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