超濾對(duì)普通焦糖性質(zhì)的影響

李 祥， 馬倩鶴， 豆靜茹

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021)

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超濾對(duì)普通焦糖性質(zhì)的影響

李 祥， 馬倩鶴， 豆靜茹

(陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021)

以普通焦糖為原料，采用超濾技術(shù)，研究了分子量大小對(duì)普通焦糖性質(zhì)的影響.結(jié)果顯示：分子量大小對(duì)普通焦糖色率、紅/黃色素指數(shù)的影響較大，對(duì)其pH值、帶電性、耐鹽性、抗氧化性影響較小.分子量越大，普通焦糖的色率越大，紅/黃色素指數(shù)越小.通過紅外及紫外光譜分析，發(fā)現(xiàn)超濾對(duì)普通焦糖的官能團(tuán)的變化基本沒有影響.利用氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)分析出了普通焦糖及截留分子量大于300 kDa、100-300 kDa樣品的主要成分均為烴類、醇類、酯類及醛酮類.為進(jìn)一步開發(fā)和研究多用途、安全型焦糖奠定了基礎(chǔ).

超濾； 分子量； 普通焦糖； 性質(zhì)

0 引言

醬油是中華民族智慧的結(jié)晶，早在3000年前，人們就以大豆為原料釀制醬制品.焦糖是醬油的主要著色劑，醬油的生產(chǎn)推動(dòng)了焦糖的研究與生產(chǎn)[1,2].氨法焦糖經(jīng)歷了由單一原料(葡萄糖)向多種原料[3,4]、由常壓設(shè)備向高壓設(shè)備、由單用途(高色率)向多用途(著色性)[5,6]的轉(zhuǎn)變過程.自2012年3月5日美國公共利益科學(xué)中心發(fā)現(xiàn)氨法焦糖含有較高水平的4-甲基咪唑以來，氨法焦糖的安全性成為人們關(guān)注的焦點(diǎn).Moon等[7-12]對(duì)咪唑類化合物的性質(zhì)、分析方法、生物活性、形成機(jī)理、影響因素等進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)氨/胺類物質(zhì)是咪唑類化合物的形成根源.Siverteen T等[13-15]發(fā)現(xiàn)4-甲基咪唑能夠降低小白鼠大腦谷氨酸脫酸的活性，抑制γ-氨基丁酸(GABA)的合成，引起動(dòng)物細(xì)胞癌變，對(duì)人體帶來致癌風(fēng)險(xiǎn).

普通焦糖是以蔗糖/葡萄糖為原料，在高溫下經(jīng)分解、脫水、脫羧、聚合等反應(yīng)形成的一種色素物質(zhì)，由于生產(chǎn)過程中不添加氨/胺類物質(zhì)，故不形成咪唑類化合物，是一種安全的焦糖生產(chǎn)方法，受到人們的青睞.

超濾是以壓力為推動(dòng)力、以大分子與小分子分離為目的的膜分離技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于制藥、食品、環(huán)境工程中.本文是以實(shí)驗(yàn)室自制的普通焦糖為原料，采用超濾技術(shù)，研究了分子量大小對(duì)普通焦糖色率、紅/黃色素指數(shù)、pH值、耐鹽性、帶電性、抗氧化性的影響，并且利用氣相色譜-質(zhì)譜法分析了超濾分級(jí)后普通焦糖中主要成分含量的變化.該研究為多用途、安全型焦糖的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，其成果鮮見報(bào)道.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

(1)主要試劑：普通焦糖，陜西科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室自制；分子量>300 kDa、100～300 kDa、50～100 kDa、10～50 kDa、<10 kDa的焦糖樣品，陜西科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室自制[16，17]；溴化鉀，二氯甲烷，乙醚均為分析純，西安試劑公司；明膠，分析純，開封化學(xué)試劑有限公司.

(2)主要儀器：分析天平，PL403，梅特勒-托利多(上海)儀器有限公司；Millipore超濾儀，美國密理博公司；超濾膜，德國的Sartorius公司；紫外可見分光光度計(jì)，TU-1901，北京普析通用儀器有限公司；VECTOR-22型傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀，德國Bruker公司；7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國安捷倫科技公司；pH酸度計(jì)，SevenEasy，梅特勒-托利多(上海)儀器有限公司.

1.2 超濾對(duì)普通焦糖性質(zhì)的影響

1.2.1 超濾對(duì)焦糖色率、紅/黃色素指數(shù)的影響

取普通焦糖原樣及分級(jí)樣品，測定焦糖的色率、紅/黃色素指數(shù)[18,19]，研究分子量大小對(duì)焦糖色率、紅/黃色素指數(shù)的影響及它們之間的關(guān)系.

1.2.2 超濾對(duì)焦糖化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

取經(jīng)干燥處理的普通焦糖原樣及分級(jí)樣品，加入一定量的溴化鉀，充分研磨，利用傅立葉紅外光譜儀對(duì)普通焦糖及分級(jí)樣品進(jìn)行分析和鑒定.

配制0.1%的普通焦糖原樣及分級(jí)樣品溶液，采用紫外-可見分光光度計(jì)對(duì)其進(jìn)行全波段掃描，間隔2 nm，繪制掃描曲線.

1.2.3 超濾對(duì)焦糖中4-甲基咪唑的影響

內(nèi)標(biāo)液的配制、標(biāo)準(zhǔn)品的配制、樣品預(yù)處理、色譜條件、測定方法均按文獻(xiàn)報(bào)道的方法進(jìn)行[20].

1.2.4 超濾對(duì)焦糖抗氧化活性的影響

稱取一定量的普通焦糖原樣及分級(jí)樣品，用70%的乙醇配制成2 g/L的樣液，分別取400μL樣液，加入2 mL濃度為0.12 mmol/L的DPPH乙醇溶液，室溫下暗處放置30 min，然后于517 nm處測定吸光度.對(duì)照樣液是以等體積去離子水替代焦糖色素樣液，空白樣液是以等體積70%的乙醇替代DPPH乙醇溶液，測定方法同上.DPPH自由基清除率計(jì)算公式如下：

DPPH自由基清除率(%)=[1-(As-Ab)/Ac]×100%

(1)

式(1)中：As-焦糖色素樣液吸光度；Ab-空白樣液吸光度；Ac-對(duì)照樣液吸光度.

1.2.5 超濾對(duì)普通焦糖其它性質(zhì)的影響

焦糖的耐鹽性、帶電性、pH值的測定方法均按文獻(xiàn)報(bào)道的方法進(jìn)行[17].

1.2.6 超濾對(duì)普通焦糖中有機(jī)物質(zhì)的影響

樣品預(yù)處理：取1%的普通焦糖溶液100 mL，倒入250 mL的分液漏斗中，再向分液漏斗中加入10 mL二氯甲烷和10 mL乙醚，振蕩10 min，靜置15 min，分離出有機(jī)相；然后對(duì)剩余的水相再加入20 mL二氯甲烷和20 mL乙醚，進(jìn)行第二次萃取，將有機(jī)相分離；接著再進(jìn)行第三次萃取，向二次萃取后剩余的水相中加入30 mL二氯甲烷和30 mL乙醚，經(jīng)振蕩靜置后分離有機(jī)相；最后合并上述所有的有機(jī)相，加入少量的無水Na2SO4，去除油相中少量的水份，之后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至5 mL，供GC-MS分析用.

分析方法：檢測儀器為Agilent 7890A-5975C；檢測條件是以高純He為載氣，DB-5HT毛細(xì)管色譜柱(30 m×0.25 mm×0.25μm)，流量1 mL·min-1，進(jìn)樣口溫度250℃，進(jìn)樣量1μL；分流比為50∶1；升溫過程是在初始溫度40 ℃情況下保持 3 min，然后以5 ℃·min-1升溫至120 ℃，之后以10 ℃·min-1升溫至280 ℃，在此溫度下保持5 min；MS電離源為EI源；電離能量為70 eV；離子源溫度為230 ℃；四極桿溫度為150 ℃；溶劑延遲時(shí)間為1.6 min；采集模式為全掃描(Scan).

將得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與NIST08譜庫對(duì)比，根據(jù)峰面積的相對(duì)數(shù)值，求出每種有機(jī)物的相對(duì)含量.計(jì)算公式如下：

W=Ax/A×100%

(2)

式(2)中：W-相對(duì)含量；Ax-產(chǎn)物峰面積；A-總峰面積.

2 結(jié)果與討論

2.1 超濾對(duì)焦糖的色率、紅/黃色素指數(shù)的影響

不同分子量對(duì)普通焦糖色素色率的影響如圖1所示.分級(jí)后焦糖的色率隨著分子量的增加而增加，分子量小于10 kDa焦糖的色率最低，為263.94EBC，是未經(jīng)超濾處理的普通焦糖(11526EBC)的2.29%.而分子量大于300 kDa焦糖的色率最大，為26586EBC，是普通焦糖的2.3倍.其原因是糖類在加熱過程中通過兩種途徑形成類黑精，一種是通過低分子量物質(zhì)之間隨機(jī)反應(yīng)形成中間物，中間物經(jīng)聚合反應(yīng)形成類黑精.另一種是反應(yīng)體系中可能存在一個(gè)重復(fù)的單元分子，該單元分子幾乎對(duì)顏色形成沒有影響，一些有色的低分子量物質(zhì)再連接在這個(gè)單元分子中，從而形成高分子量的類黑精物質(zhì)[14,15].焦糖的分子量越大，形成的類黑精越多或吸附在單元分子上的有色物質(zhì)越多，焦糖的色率越高.

圖1 分子量對(duì)焦糖色率的影響

不同分子量對(duì)普通焦糖紅/黃色素指數(shù)的影響如圖2所示，焦糖的黃色素指數(shù)高于紅色素指數(shù)，普通焦糖的紅色指數(shù)為6.35，黃色指數(shù)為9.45.

分級(jí)后焦糖的紅/黃色素指數(shù)均隨分子量的增加而降低，當(dāng)截留分子量大于300 kDa時(shí)，其紅/黃色指數(shù)最低，分別為5.5和7.69，是未經(jīng)超濾處理普通焦糖的86.6%和81.4%；當(dāng)截留分子量小于10 kDa時(shí)，其紅/黃色素指數(shù)最大，分別為7.9和10.69，是普通焦糖的124%和131%.

圖2 分子量對(duì)焦糖紅/黃色素指數(shù)的影響

綜合圖1、2，可以看出焦糖的色率與紅/黃色素指數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)性，色率越高，紅/黃色素指數(shù)越低.色率是焦糖色深淺程度的度量，用色率強(qiáng)度(EBC單位)表示；紅/黃色素指數(shù)代表焦糖的色調(diào).紅/黃色素指數(shù)越高，用其配制的醬油，炒出的菜品顏色越鮮艷誘人.然而離開色率去談紅/黃色素指數(shù)是沒有實(shí)際意義的，分子量小于10 kDa、10～50 kDa和50～100 kDa的焦糖雖然有較高的紅/黃色指數(shù)，但由于其色率較低，研究意義不大，因此之后的研究主要以100～300 kDa及大于300 kDa的焦糖為研究對(duì)象.

焦糖色素的形成主要集中在焦糖化反應(yīng)的后期，焦糖化反應(yīng)的時(shí)間越長，焦糖的色率越高，紅/黃色素指數(shù)越低，但反應(yīng)時(shí)間過長，樹脂化程度加劇，焦糖耐鹽性變差.增加反應(yīng)溫度能夠提高焦糖化反應(yīng)的速率，溫度越高，焦糖的色率越高，但溫度過高，焦糖容易碳化.這一發(fā)現(xiàn)為改變反應(yīng)條件生產(chǎn)多用途的焦糖奠定了基礎(chǔ).

2.2 超濾對(duì)焦糖化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

大于300 kDa和100～300 kDa及普通焦糖原樣的紅外光譜圖如圖3所示.從圖3可以看出，三條曲線的波形和特征吸收峰基本相同，這說明分級(jí)后樣品與原樣中主要官能團(tuán)和結(jié)構(gòu)基本一致.

3 350 cm-1、3 310 cm-1處是O-H的伸縮振動(dòng)吸收峰.游離羥基的伸縮振動(dòng)峰在3 600 cm-1附近，而此峰向小波數(shù)方向位移，且峰形較寬，可能是由于分子間的O-H存在較強(qiáng)的氫鍵締合作用.1 030 cm-1處吸收為1 300～1 000 cm-1區(qū)C-O伸縮振動(dòng)吸收，由此可見，焦糖中含有羥基結(jié)構(gòu).2 920 cm-1、2 930 cm-1為脂肪族-CH2-的對(duì)稱、不對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，此吸收峰在(2 926±10 cm-1)的位置比較恒定，基本可以確定樣品中含有烷烴結(jié)構(gòu)(-CH2-)結(jié)構(gòu)1 676 cm-1、1 666 cm-1、1 595 cm-1為C=O、O=C-O的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 370 cm-1、1 380 cm-1為脂肪族甲基、亞甲基、次甲基的C-H伸縮振動(dòng)吸收峰；600 cm-1附近為吡喃環(huán)或苯環(huán)骨架的吸收峰[17].

圖(3)中曲線c在3 330～3 360 cm-1處的吸收峰明顯比曲線a、b的強(qiáng)，說明超濾處理后焦糖中O-H的含量降低.

圖3 焦糖的紅外光譜圖

大于300 kDa、100～300 kDa及普通焦糖原樣的全波段掃描圖如圖4所示.其中，a、b、c三條曲線在224 nm、282 nm處均有特征吸收峰，且波形走勢基本相同，即超濾不影響焦糖的紫外吸收.224 nm是因苯環(huán)共軛導(dǎo)致的K帶、E帶和B帶相疊加的末端吸收帶.282 nm為羥基較強(qiáng)的R帶吸收帶[6].進(jìn)一步表明普通焦糖中含有苯環(huán)共軛體系.

圖4 焦糖的全波段掃描圖

2.3 超濾對(duì)焦糖中4-甲基咪唑的影響

由表1可以看出，三種焦糖中均不含4-甲基咪唑.結(jié)合表1、2，說明普通焦糖不含咪唑類化合物，其生產(chǎn)方法是一種安全的焦糖生產(chǎn)方法.

表1 焦糖中的4-甲基咪唑的檢測

2.4 超濾對(duì)焦糖抗氧化活性的影響

大于300 kDa、100～300 kDa及普通焦糖原樣與DPPH自由基清除率的關(guān)系如圖5所示.普通焦糖及其分級(jí)樣品均具有很好的自由基清除能力，普通焦糖對(duì)DPPH自由基的清除能力最強(qiáng)，100～300 KDa的焦糖對(duì)DPPH自由基的清除能力最弱，大于300 kDa的焦糖對(duì)DPPH自由基的清除能力介于兩者之間.其原因可結(jié)合圖3加以解釋.由圖3可以看出，普通焦糖(未經(jīng)超濾處理的)在3 350/3 330 cm-1處吸收峰比分級(jí)樣品的吸收峰大而寬，說明普通焦糖中含有較多的羥基，在與DPPH作用時(shí)，羥基給出質(zhì)子，自身聚合成穩(wěn)定的二聚體[21].大于300 kDa的焦糖比100～300 kDa的焦糖分子中含有更多的孤對(duì)電子，所以具有更高的DPPH清除活性.

圖5 焦糖分子量與DPPH自由基清除率的關(guān)系

2.5 超濾對(duì)普通焦糖其它性質(zhì)的影響

超濾對(duì)焦糖物理性質(zhì)的影響如表2所示.普通焦糖與分級(jí)樣品的pH值、耐鹽性、帶電性基本相同，說明超濾對(duì)各級(jí)產(chǎn)品的pH值、耐鹽性、帶電性沒有明顯的影響，其原因是超濾并沒有改變焦糖的化學(xué)性質(zhì).

表2 超濾對(duì)焦糖物理性質(zhì)的影響

注：+代表正電性2.6 超濾對(duì)普通焦糖中有機(jī)物質(zhì)的影響

普通焦糖原樣及大于300 kDa、100～300 kDa的氣相色譜-質(zhì)譜法總離子流圖如圖6所示.將得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過人工解析和質(zhì)譜庫檢索相結(jié)合的方法進(jìn)行定性分析，分別得出其大概都含有80種有機(jī)化合物，并對(duì)每種有機(jī)物的相對(duì)含量進(jìn)行計(jì)算后歸類總結(jié).結(jié)果如表3所示.

(a)普通焦糖原樣

(b)分子量>300 kDa的截留組分

(c)分子量100～300 kDa的截留組分圖6 普通焦糖的氣相色譜-質(zhì)譜總離子流圖

從表3中可以看出，超濾對(duì)普通焦糖中有機(jī)化合物含量的變化有一定的影響，但是其主要成分均為烴、醇、酯及醛酮四類物質(zhì)，這四大類物質(zhì)均為焦糖中的主要呈香成分，其總量分別占普通焦糖、分子量大于300 kDa及100～300 kDa樣品總量的85.81%、88.93%、83.93%，說明通過超濾使得分子量大于300 kDa截留組分的呈香成分大于其他兩者，而100～300 kDa截留組分的呈香成分低于其他兩者，說明呈香成分主要以大分子物質(zhì)存在，即通過超濾濃縮后存在于大分子量的組分中.普通焦糖原樣呈香成分低于大于300 kDa組分，高于100～300 kDa組分，說明通過超濾使得呈香物質(zhì)得到分散.

表3 普通焦糖中有機(jī)化合物種類及含量

3 結(jié)論

焦糖的色率隨著分子量的增加而增加，紅/黃色素指數(shù)隨著分子量的增加而減小，超濾技術(shù)輔助可得到高色率、高紅/黃色素指數(shù)的焦糖，這為多用途焦糖的生產(chǎn)提供了理論依據(jù).

紅外分析及全波段掃描分析發(fā)現(xiàn)，普通焦糖含羥基、烷烴及苯環(huán)的共軛結(jié)構(gòu).有機(jī)元素分析檢測到普通焦糖中N元素含量為0%，同時(shí)氣相色譜法未檢出4-甲基咪唑，因而為一種安全的焦糖色素生產(chǎn)方法.普通焦糖的抗氧化性最強(qiáng)，大于300 kDa焦糖的抗氧化活性次之，100～300 kDa焦糖的抗氧化活性較低.超濾對(duì)普通焦糖的pH值、耐鹽性、帶電性幾乎沒有影響.

通過氣相色譜-質(zhì)譜法對(duì)普通焦糖及分級(jí)樣品進(jìn)行定性定量分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)烴類、醇類、酯類及醛酮類的總量分別占普通焦糖、分子量大于300 kDa及100～300 kDa樣品總量的85.81%、88.93%、83.93%，這四大類物質(zhì)是普通焦糖中的主要香氣成分，說明超濾分級(jí)使得呈香成分主要存在于大分子量的組分中，使得普通焦糖風(fēng)味物質(zhì)得到濃縮，滿足廣大消費(fèi)者對(duì)風(fēng)味物質(zhì)要求，同時(shí)，這一研究為普通焦糖機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ).

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【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

Effect of ultrafiltration on the properties of the plain caramel

LI Xiang, MA Qian-he, DOU Jing-ru

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Key Laboratory of Auxiliary Chemistry & Technology for Chemical Industry, Ministry of Education, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021,China)

Effect of the molecular weight on the properties of the plain caramel was studied using plain caramel as raw material,by ultrafiltration technology.It was found that the molecular weight of the plain caramel had a greater influence on color rate,red/yellow index,whereas pH,electric resistance,salt resistance and oxidation resistance had less influence.Bigger molecular weight had the greater color rate,and smaller red/yellow index.It turned out that ultrafiltration had no effect on the change of functional groups of plain caramel by the analysis of infrared and ultraviolet spectrum.Plain caramel and samples that molecular weight cutoff was greater than 300 kDa,and 100-300 kDa were analyzed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS),the results showed that the main components of the samples were hydrocarbons,alcohols,esters,ketenes and aldehydes.This study laid the foundation for the further development and research on multi-purpose,safety caramel.

ultrafiltration; molecular weight; plain caramel; properties

2016-12-09

陜西省科技廳科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014K08-25)

李 祥(1963-)，男，陜西咸陽人，高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：天然產(chǎn)物化學(xué)

2096-398X(2017)03-0121-06

TS202.3

A