非氨法制備蔗糖基焦糖色素工藝研究*

鐘映萍，譚文興，蟻細(xì)苗，李雨虹，吳兆鵬，黃玉南

(廣州甘蔗糖業(yè)研究所，廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州　510316)

非氨法制備蔗糖基焦糖色素工藝研究*

鐘映萍，譚文興，蟻細(xì)苗，李雨虹，吳兆鵬，黃玉南**

(廣州甘蔗糖業(yè)研究所，廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510316)

摘要：【目的】探討一種蔗糖基焦糖色素的非氨法綠色加工工藝?！痉椒ā恳约兲烊划a(chǎn)物蔗糖為原料，研究蔗糖在油脂作為導(dǎo)熱載體進(jìn)行焦糖化反應(yīng)及其產(chǎn)物在熱輻射條件下產(chǎn)生的焦糖色素的性質(zhì)?！窘Y(jié)果】得到一種不含4-甲基咪唑的焦糖色素產(chǎn)品，其pH值為5.53，錘度為79.6°Bx，色率為19 474 EBC，黃色指數(shù)為8.93，紅色指數(shù)為5.70，對DPPH·自由基的半數(shù)抑制率為0.6 mg/mL?！窘Y(jié)論】本實(shí)驗(yàn)得到的焦糖色素產(chǎn)品不含4-甲基咪唑，且具有一定的抗氧化活性，為焦糖色素的安全生產(chǎn)提供一種綠色加工方法。

關(guān)鍵詞：甘蔗糖基焦糖色素非氨法抗氧化

0引言

【研究意義】焦糖色素是一種復(fù)雜的混合型化合物，其中有些是以膠體聚集體形式存在，可通過加熱碳水化合物單獨(dú)制成或者在食用的酸、堿、鹽參與下合成。焦糖色素通常為棕黑色至黑色的液體或固體，有一種燒焦的糖的氣味，并有某種苦味，被廣泛用于生產(chǎn)醬油、食醋、料酒、醬鹵、腌制制品、烘制食品、糖果、藥品、碳酸飲料及非碳酸飲料等，能有效提高產(chǎn)品品質(zhì)，是食品工業(yè)中使用量最大的一種天然食用色素?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前主要是以蔗糖、葡萄糖、果糖、果葡糖漿、淀粉糖為主要原料，采用氨法(以氨水、亞硫酸銨等為催化劑)加工制備焦糖色素。在高溫下糖料與氨反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一種名為4-甲基咪唑的化學(xué)物質(zhì)副產(chǎn)物，據(jù)報(bào)道4-甲基咪唑在動(dòng)物試驗(yàn)中能引發(fā)癌癥。因此，世界衛(wèi)生組織已經(jīng)對焦糖色素中的4-甲基咪唑含量加以控制，我國焦糖色素標(biāo)準(zhǔn)B8817—2001中也規(guī)定焦糖色素中的4-甲基咪唑含量應(yīng)小于10 mg/kg。但由于氨法生產(chǎn)焦糖色素反應(yīng)機(jī)理非常復(fù)雜，反應(yīng)條件難控制，實(shí)際上產(chǎn)品中的4-甲基咪唑含量達(dá)標(biāo)難度很大。近年來由4-甲基咪唑引起的焦糖色素安全問題已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。如美國可口可樂公司2012年宣布降低所生產(chǎn)可樂中的4-甲基咪唑水平，要求焦糖供應(yīng)商對生產(chǎn)過程做出必要改變；全球焦糖色素主要生產(chǎn)商DDWilliamson為了順應(yīng)消費(fèi)趨勢，滿足食品、飲料加工業(yè)客戶對配料的相應(yīng)需求，在2006年推出第一批經(jīng)過核準(zhǔn)的有機(jī)焦糖色素。由此可見，如何減少或去除焦糖色素中4-甲基咪唑已經(jīng)是現(xiàn)階段焦糖色素生產(chǎn)企業(yè)面臨并亟待解決的難題。文獻(xiàn)[1-2]報(bào)道了用非氨法制備蔗糖基、葡萄糖基及轉(zhuǎn)化糖焦糖色素的方法，將白砂糖溶于水后在炒鍋中加熱30 min，最高溫度控制在190℃，獲得的焦糖色素色率較低，只能在500 nm下測得色率，在610 nm處很難測出，用轉(zhuǎn)化糖制作焦糖色素則易炭化、產(chǎn)渣。1992年，據(jù)《中國技術(shù)市場報(bào)》報(bào)道，湘潭大學(xué)化學(xué)系成功研制出以淀粉為原料，采用非氨法生產(chǎn)焦糖色素的方法，該方法獲得的焦糖色素未檢出4-甲基咪唑。【本研究切入點(diǎn)】非氨法克服了傳統(tǒng)氨法制備焦糖色素由于焦糖化反應(yīng)時(shí)間過長，羰氨反應(yīng)副產(chǎn)物4-甲基咪唑形成的可能性增加的缺點(diǎn)，提高焦糖色素品質(zhì)，成為制備焦糖色素方法的一種趨勢?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以蔗糖為原料，采用兩步焦糖化反應(yīng)的非氨法，制備色率符合國際標(biāo)準(zhǔn)且無4-甲基咪唑的安全性高的蔗糖基焦糖色素，為蔗糖基焦糖色素的工業(yè)化提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

蔗糖和棕櫚油(?；逝?，市售)；甲基紅、溴甲酚綠、鹽酸、氫氧化鈉、氯化鈉、冰醋酸、1，1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH·)和溴化鉀均為分析純試劑；AL104電子天平和S40K型pH計(jì)均為METTLER TOLEDO產(chǎn)品；WB 2000-M攪拌器，德國WIGGENS；DHG-914385-Ⅲ 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；DTL21B電陶爐，榮事達(dá)；PT3002溫度計(jì)，Anymetre；手持錘度計(jì)，ATAGO PAL-3。

1.2制備工藝

蔗糖基焦糖色素的制備工藝流程如圖1所示，具體操作及條件如下：

(1)將高純度蔗糖原料(精制白砂糖，其中蔗糖純度99.88%)與水按質(zhì)量比例1∶0.75混合、溶解；

(2)將完全溶解的糖液與棕櫚油按質(zhì)量比例0.618∶1混合；

(3)將糖油混合樣置于帶有高速分散器的反應(yīng)器中，并啟動(dòng)高速分散反應(yīng)器，加熱，攪拌，進(jìn)行一次熱解焦糖化反應(yīng)；當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)至150℃時(shí)，加入50 g的沸水，續(xù)繼攪拌反應(yīng)；當(dāng)反應(yīng)溫度再次達(dá)到150℃時(shí)，再加入等量的沸水，如此重復(fù)加入15次沸水后，再攪拌，保溫反應(yīng)20 min，反應(yīng)結(jié)束；整個(gè)第一次熱解焦糖化反應(yīng)過程中加熱的溫度為110～180℃；

(4)將反應(yīng)后混合產(chǎn)物移至油水分離器中靜置，分離出底部產(chǎn)物即為焦糖色素粗品；

(5)將焦糖色素粗品置于烘箱中，于180℃條件下烘烤120 min，繼續(xù)二次焦糖化反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后得到的蔗糖基焦糖色素產(chǎn)品可進(jìn)一步濃縮或脫水得到干燥的固體成品。

圖1蔗糖基焦糖色素的制備工藝流程

Fig.1Process for preparation of sucrose caramel

1.3性能分析

配制1‰(W/W)樣品溶液，用酸度計(jì)測定pH值[3-4]；錘度采用手持錘度計(jì)測定。

干燥失重參考GB8817—2001：用已恒重過的稱量瓶稱取樣品2 g(準(zhǔn)確至0.0002 g)，于105℃干燥2 h，冷卻，稱重。結(jié)果計(jì)算：

X1=(m1-m2)/m×100%，

式中：X1為干燥失重，%；m1為烘干前稱量瓶和樣品的質(zhì)量，g；m2為烘干后稱量瓶和樣品的質(zhì)量，g;m為稱取的樣品,g。

穩(wěn)定性(耐鹽、耐酸性)測定[4]：取10 g焦糖色素樣品，溶于100 mL水中，過濾，各取10 mL濾液置于100 mL的量筒中，分別向各量筒中加入質(zhì)量比為4%、8%、12%、16%、20%的氯化鈉溶液和2%、4%、6%、8%、10%的醋酸溶液至100 mL，加氯化鈉溶液的樣品放置1 d，加醋酸溶液的樣品靜置1周，觀察其褪色、沉淀、渾濁情況。若無褪色和沉淀生成，說明產(chǎn)品的穩(wěn)定性良好；反之，則穩(wěn)定性差。

電荷測定[5]:采用明膠法,將樣品放置3 d后依然澄清，說明樣品為陽性焦糖，帶正電荷(由于明膠等電點(diǎn)約為4.7，當(dāng)其pH值調(diào)為1.0，1.5，2.0，2.5時(shí)，明膠顆粒均帶正電荷，若跟帶負(fù)電荷的焦糖相遇，則產(chǎn)生混濁)。

總氮參照GB 5009.5-2010測定；采用高效液相色譜法測定蔗糖糖分、還原糖，并確定其蔗糖轉(zhuǎn)化率；色率、紅色指數(shù)、黃色指數(shù)的測定參照文獻(xiàn)[5-6]； 4-甲基咪唑含量的測定參照DB44/T 418-2007。

樹脂化測定[5]：取焦糖色素少許密封于玻璃管中，置于高溫烘箱中并保持溫度115℃左右，觀察產(chǎn)品出現(xiàn)樹脂化的時(shí)間。樹脂化時(shí)間在15 h以上，說明產(chǎn)品的貨架期在一年以上。

對DPPH·半數(shù)抑制率的測定[7-8]：配制濃度分別為0.001 mg/mL、0.010 mg/mL、0.050 mg/mL、0.100 mg/mL、0.500 mg/mL、1.000 mg/mL、2.500 mg/mL、5.000 mg/mL、10.000 mg/mL的焦糖色素溶液，測定不同濃度焦糖色素溶液對DPPH·抑制率。其中，IC50值定義為清除率為50%時(shí)所需抗氧化劑的濃度，以樣品的濃度對DPPH·自由基清除率作圖并進(jìn)行線性擬合,同時(shí)計(jì)算IC50值。

焦糖色素紅外光譜結(jié)構(gòu)表征參照文獻(xiàn)[6]制備出焦糖色素樣品薄片，放入紅外光譜儀的樣品室內(nèi)，進(jìn)行全波段掃描，繪出紅外光譜圖。

2結(jié)果與分析

2.1焦糖色素產(chǎn)品性能分析

由表1可知，本實(shí)驗(yàn)獲得的蔗糖基焦糖色素產(chǎn)品帶正電荷，色率為19 474 EBC，符合國家標(biāo)準(zhǔn)(13 158～157 895 EBC)，且不含4-甲基咪唑。10%焦糖水溶液澄清透亮，加入NaCl溶液后出現(xiàn)分層，溶液上部澄清透亮，下部有少許沉淀，隨著NaCl溶液濃度的升高，焦糖色素在鹽水中的溶解度越低，生成的沉淀越多，說明其耐鹽性能差(表2)；加入醋酸溶液后溶液保持澄清，基本上不受影響(表3)，說明其耐酸性能良好。

2.2焦糖色素產(chǎn)品對DPPH·半數(shù)抑制率

以樣品濃度為橫坐標(biāo)，自由基清除率為縱坐標(biāo)，繪制樣品的清除率曲線，在一定質(zhì)量濃度范圍內(nèi)計(jì)算線性回歸方程，根據(jù)曲線和回歸方程計(jì)算 IC50值為0.6 mg/mL，表明獲得的焦糖色素產(chǎn)品具有一定的抗氧化活性(圖2)。

表1產(chǎn)品質(zhì)量檢測結(jié)果

Table 1The quality of the product test results

項(xiàng)目Item結(jié)果ResultspH值pHvalue5.53±0.00錘度Brix(°Bx)79.60±0.00干燥失重Dryingloss(%)18.55±0.045總氮Totalnitrogen(以N計(jì),%)0.02±0.00蔗糖轉(zhuǎn)化率Sucroseconversionrate(%)93.04±0.00色率Colorratio(EBC)19474±0.00紅色指數(shù)Redindex5.70±0.00黃色指數(shù)Yellowindex8.93±0.00樹脂化時(shí)間Resinificationtime(h)19.80±0.18電荷性Charge+4甲基咪唑4Methylimidazole(μg/kg)未檢出Notdetected

表2穩(wěn)定性(耐鹽性)的測定

Table 2Stability (salt tolerance) measurement

項(xiàng)目ItemOD56010%焦糖水溶液10%CaramelsolutionNaCl(W/W)4%8%12%16%20%上清液Supernate1.1130.1010.0890.0780.0440.039

表3穩(wěn)定性(耐酸性)的測定

Table 3Stability (acid resistance) measurement

時(shí)間TimeOD56010%焦糖水溶液10%Caramelsolution醋酸溶液Aceticacidsolution(W/W)2%4%6%8%10%Day11.1131.1141.1131.1121.1131.113Day21.1131.1131.1121.1131.1131.113Day31.1131.1131.1131.1131.1131.113Day41.1141.1131.1111.1121.1131.113Day51.1131.1131.1121.1131.1141.113Day61.1131.1121.1131.1131.1131.114Day71.1131.1141.1141.1131.1131.113

圖2焦糖色素產(chǎn)品對DPPH·半數(shù)抑制率

Fig.2The half DPPH·inhibition rate of caramel produsts

2.3焦糖色素紅外光譜結(jié)構(gòu)表征

如圖3所示，在3 500～3 100 cm-1(3 330 cm-1左右)處有寬展圓滑吸收峰，為—OH的伸縮振動(dòng)；3 000～2 800 cm-1(2 900 cm-1、1 994 cm-1)處有吸收峰，為—CH3、—CH2、—CH等的C-H伸縮振動(dòng)；1 700～1 550 cm-1(1 625 cm-1)處有吸收峰，為C=O的伸縮振動(dòng)及C=O的非對稱伸縮振動(dòng)，1 675～1 400 cm-1是苯環(huán)骨架振動(dòng)吸收峰，說明該產(chǎn)物具有芳香族化合物；1 450～1 250 cm-1(1 332 cm-1)處有吸收峰，為C-H鍵的變角振動(dòng)；1 200～1 000 cm-1(1 100 cm-1)處有吸收峰，為C—O—C和C—O—H的伸縮振動(dòng)。890 cm-1附近是β-吡喃糖苷鍵的特征吸收峰；830 cm-1附近是吡喃糖的α-糖苷鍵的特征吸收峰。

圖3焦糖色素產(chǎn)品紅外光譜圖

Fig.3The infrared spectrogram of caramel pigment products

3討論

本研究創(chuàng)新之處在于：(1)蔗糖溶液與食用油脂在高速分散器作用下形成非均相焦糖化反應(yīng)體系，在反應(yīng)體系中蔗糖溶液形成微細(xì)液滴分散于油相之中，在油相載體的熱傳導(dǎo)下構(gòu)成微細(xì)的獨(dú)立的焦糖化反應(yīng)個(gè)體，使焦糖化反應(yīng)更加均一，產(chǎn)物更加穩(wěn)定，避免反應(yīng)的局部過熱使糖質(zhì)炭化；(2)利用高溫?zé)彷椛涫挂淮谓固腔纳匚镞M(jìn)一步聚合產(chǎn)生較高色率的產(chǎn)物；(3)制備工藝較易實(shí)現(xiàn)儀表自動(dòng)控制，便于規(guī)模化生產(chǎn)。本研究制備出的焦糖色素產(chǎn)品不含4-甲基咪唑，保證其在食品應(yīng)用中的安全性；色率達(dá)到GB8817—2001標(biāo)準(zhǔn)，但還有較大的提升空間；帶正電荷，但耐鹽性不好，焦糖耐鹽性的好壞，涉及的內(nèi)在原因很復(fù)雜，包括電荷、等電點(diǎn)、pH值等問題，下一步將在改進(jìn)原料與實(shí)驗(yàn)工藝方面做進(jìn)一步的研究；具有較好的抗氧化活性，我們認(rèn)為焦糖色素以后的發(fā)展方向不是一味追求高色率，而是把重點(diǎn)放在抗氧化活性方面，所以，找到產(chǎn)品的高色率與高抗氧化活性之間的平衡點(diǎn)至關(guān)重要，這也是以后我們需要探索的方向。

4結(jié)論

本研究以純天然產(chǎn)物蔗糖為原料，通過研究蔗糖在純天然產(chǎn)物油脂作為導(dǎo)熱載體中進(jìn)行焦糖化反應(yīng)，以及焦糖化反應(yīng)產(chǎn)物在熱輻射條件下產(chǎn)生的焦糖色素的性質(zhì)，開拓了一種蔗糖基焦糖色素的非氨法綠色加工方法。該方法得到一種不含4-甲基咪唑且具有一定的抗氧化活性的焦糖色素產(chǎn)品，其pH值為5.53，錘度為79.6°Bx，色率為19 474 EBC，黃色指數(shù)為8.93，紅色指數(shù)為5.70，對DPPH·自由基的半數(shù)抑制率為0.6 mg/mL。

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(責(zé)任編輯：陸雁)

Study on the Preparation of Sucrose Caramel by Non-ammonia Method

ZHONG Yingping，TAN Wenxing，YI Ximiao，LI Yuhong，WU Zhaopeng，HUANG Yunan

(Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Biorefinery，Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute，Guangzhou，Guangdong，510316，China)

Abstract:【Objective】A green processing was developed to produce non-sugar-based caramel with non-ammonia method.【Methods】The natural cane sugar was used as raw material, and caramelized in oil, which served as heat conducting carrier. The properties of products from caramelization reaction were studied under the conditions of thermal radiation.【Results】A caramel product without 4-methyl imidazole was obtained, and it was characterized by the pH at 5.53, Brix of 79.6°Bx, color ratio of 19 474 EBC, yellow index of 8.93, red index of 5.70 and half DPPH·radical inhibition rate of 0.6 mg/mL.【Conclusion】The caramel product obtained from this experiment does not contain 4-methyl imidazole and has certain activity of anti-oxidation. The processing provides a green machining method for safe production of caramel.

Key words：cane sugar group，caramel，non-ammonia method，anti-oxidation

收稿日期：2015-12-19

作者簡介：鐘映萍(1983-)，女，工程師，主要從事制糖清凈工藝、糖廠廢水綜合治理及制糖相關(guān)抗氧化活性研究。

中圖分類號：TS264.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-9164(2016)02-0111-04

修回日期：2016-02-24

*現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(CARS-20-4-5)資助。

**通訊作者：黃玉南(1961-)，男，教授級高工，主要從事制糖澄清技術(shù)、天然產(chǎn)物高附加值產(chǎn)品分離提純研究，E-mail：yunanhuang@hotmail.com。

廣西科學(xué)Guangxi Sciences 2016,23(2):111～114

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先數(shù)字出版時(shí)間：2016-05-12

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