焦糖色素機理及蒸餾液組成的初步研究

李祥，馬倩鶴*，李寧，豆靜茹

(1.陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，西安 710021；2.北京工商大學(xué)，北京 100048)

焦糖色素機理及蒸餾液組成的初步研究

李祥1，馬倩鶴1*，李寧2，豆靜茹1

(1.陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，西安 710021；2.北京工商大學(xué)，北京 100048)

以蔗糖為原料，研究了蒸餾液體積、碳酸鈉(Na2CO3)濃度等對焦糖色素品質(zhì)的影響，初步發(fā)現(xiàn)焦糖化反應(yīng)是一個脫水、脫羧、色素形成的過程。利用氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)研究了蒸餾液中揮發(fā)性物質(zhì)的組成，初步鑒定出22種物質(zhì)，這些物質(zhì)多為天然香料成分或其前體物。該研究為利用焦糖化反應(yīng)制備高品質(zhì)焦糖色素奠定了基礎(chǔ)。

焦糖化反應(yīng)；性質(zhì)；蒸餾液；組成；氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)

焦糖色素是一種廣泛用于食品、飲料、釀造等行業(yè)中的食品著色劑，我國對焦糖色素的研究多集中在生產(chǎn)原料的選用、生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)設(shè)備的改進等方面[1,2]，由于長期缺乏對焦糖色素形成機理、化學(xué)本質(zhì)的研究，阻礙了焦糖色素生產(chǎn)技術(shù)的進步。

焦糖色素的形成從本質(zhì)上可分為羰-胺反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)，羰-胺反應(yīng)是利用糖類物質(zhì)中的羰基與胺(氨、銨)類物質(zhì)中的氨基在高溫條件下經(jīng)羥醛縮合、裂解、重排、縮合等反應(yīng)形成水溶性褐色大分子物質(zhì)的過程，由于羰-胺反應(yīng)的條件與4-甲基咪唑的形成條件相似，故以羰-胺法生產(chǎn)的焦糖色素必然含有一定量的咪唑類化合物，4-甲基咪唑是一種神經(jīng)驚厥劑，能使動物產(chǎn)生興奮、痙攣甚至誘發(fā)癲癇癥[3]。但因羰-胺反應(yīng)法操作簡單、產(chǎn)品色率高等優(yōu)點而被企業(yè)所采用。焦糖化反應(yīng)是糖類物質(zhì)(蔗糖)在高溫條件下，經(jīng)脫水、脫羧、聚合、異構(gòu)化形成焦糖色素的過程，在焦糖化過程中由于不添加胺類物質(zhì)，產(chǎn)品中幾乎不含4-甲基咪唑，是一種安全的焦糖色素生產(chǎn)方法。焦糖化反應(yīng)的條件相對比較苛刻，產(chǎn)品色素低，但紅色素指數(shù)高，著色性好，因而具有潛在的開發(fā)價值[4]。

近年來，江南大學(xué)[5-7]、華南理工大學(xué)[8-10]、大連工業(yè)大學(xué)等對以羰-胺反應(yīng)為基礎(chǔ)的焦糖色素形成機理進行了初步研究，提出了控制4-甲基咪唑的措施，推動了氨法焦糖色素的技術(shù)進步。本文以蔗糖為原料，利用焦糖化反應(yīng)制備焦糖色素，在探討焦糖化反應(yīng)條件對焦糖色素品質(zhì)影響的過程中，發(fā)現(xiàn)蔗糖在形成糖酐(Anhydrides)時，脫下來的水分子抑制了焦糖化產(chǎn)物焦糖酐(Caramelan)、焦糖烯(Caramelen)的形成，為了提高焦糖化產(chǎn)物焦糖色素的色率，本文采用蒸餾法及時去除(收集)焦糖化反應(yīng)初期產(chǎn)生的水分，提高了焦糖色素的品質(zhì)，采用GC-MS技術(shù)鑒定出蒸餾液中含有22種揮發(fā)性物質(zhì)，這些物質(zhì)大部分為天然香料成分或其前體物，該研究為焦糖色素香味成分鑒定奠定了基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

正己烷(色譜純) 西安試劑公司；氯化鈉(分析純) 開封化學(xué)試劑公司；蔗糖 市售；碳酸鈉(分析純) 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

Scientific Industries Vortex Genie2渦旋混合器 北京優(yōu)尼康生物科技有限公司；Agilent7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國安捷倫科技公司；NIST11譜庫；723N可見分光光度計 上海儀電分析儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；BSA224S型電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 焦糖色素的制備

取100 g蔗糖加入帶攪拌及冷卻裝置的三口瓶中，將三口瓶固定在DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器上，以導(dǎo)熱油為加熱介質(zhì)，邊攪拌邊加熱，當(dāng)溫度升至140 ℃時，蔗糖開始熔化，溫度升至160 ℃時，蔗糖全部熔化，此時將冷卻裝置改為蒸餾裝置，在此溫度下分別收集0，1，3，5，7 mL的餾分后，將蒸餾裝置改為冷卻裝置，繼續(xù)反應(yīng)3 h后，分別加入濃度為0，1%，3%，5%，7%的Na2CO3溶液50 mL后反應(yīng)0.5 h，冷卻后將樣品貯存于樣品瓶中。研究餾分體積、Na2CO3濃度對焦糖色素性質(zhì)的影響，確定最佳反應(yīng)條件。

1.2.2 餾分中有機物的組成

1.2.2.1 餾分處理

精確移取1 mL蒸餾液(餾分為5 mL)于樣品瓶中，加入2 mL正己烷搖勻，再加少量氯化鈉，渦旋萃取2 min，靜置分層，取上層正己烷溶液進行定性檢測。

1.2.2.2 儀器參數(shù)

a.GC條件

色譜柱：HP-5MS石英毛細管柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm)；載氣：高純氦氣(純度≥99.999%)；流速：1 mL/min；進樣方式：脈沖不分流進樣；進樣口溫度：280 ℃；初始溫60 ℃保持1 min，程序升溫以：5 ℃/min的速率升溫至280 ℃，保持2 min，280 ℃后運行4 min；進樣量：1 μL。

b.MS條件

電離源：EI源；電離能量：70 eV；離子源溫度：230 ℃；四極桿溫度：150 ℃；溶劑延遲時間：6 min；采集模式：全掃描(Scan)；操作軟件：Agilent 5975 C/增強型。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸餾液體積對焦糖色素性質(zhì)的影響

按1.2.1進行實驗，實驗結(jié)果見表1。

表1 蒸餾液體積對焦糖色素性質(zhì)的影響
Table 1 The effect of distillate volume on properties of caramel pigment

餾出液體積(mL)013579色率230035004700102601057011050紅色素指數(shù)6.936.916.906.826.806.78黃色素指數(shù)10.3410.2110.1510.1210.0810.01耐鹽性+++++++++++++++---耐酸性+++++++++++++++---

注：表中數(shù)據(jù)是焦糖化反應(yīng)完成后，加5% Na2CO3溶液50 mL繼續(xù)反應(yīng)0.5 h后的數(shù)據(jù)。

由表1可知，隨著蒸餾液體積的增加，焦糖色素的色率呈先急劇增加后基本不變的趨勢，其原因是蔗糖在形成糖酐的過程中發(fā)生脫水作用，水的積累降低了焦糖化反應(yīng)的溫度抑制了焦糖化反應(yīng)的進行，及時去除水分使焦糖化反應(yīng)向焦糖色素形成的方向進行。焦糖色素的紅色素指數(shù)、黃色素指數(shù)幾乎不受蒸餾液體積的影響。

隨著蒸餾液體積的增加，焦糖色素的耐鹽性、耐酸性急劇下降，其原因是隨著蒸餾液體積的增加，焦糖化反應(yīng)的溫度、聚合反應(yīng)的速度隨之增加，焦糖色素分子增大，樹脂化程度加劇，耐鹽性、耐酸性下降。故蒸餾液體積為5 mL為宜。

2.2 Na2CO3濃度對焦糖色素性質(zhì)的影響

按1.2.1進行實驗，實驗結(jié)果見2。

表2 Na2CO3濃度對焦糖色素性質(zhì)的影響
Table 2 The effect of Na2CO3concentration on properties of caramel pigment

Na2CO3的濃度01%3%5%7%pH值2.913.674.515.536.98色素4600645089101070010800

由表2可知，焦糖色素的pH值隨著Na2CO3溶液濃度的增加而增加，由此可知，焦糖化反應(yīng)是個產(chǎn)酸的過程。

隨著Na2CO3濃度的增加，焦糖色素的色率呈先急劇增加后基本不變的趨勢。當(dāng)Na2CO3濃度為0時，產(chǎn)品的pH值為2.91，進一步證明焦糖化過程是個產(chǎn)酸的過程，酸抑制了焦糖化反應(yīng)的進行。Na2CO3濃度為5%時，焦糖色素的pH值為5.53，顯弱酸性，符合國家焦糖色素生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)；Na2CO3濃度為7%時，焦糖色素的pH值為6.98，為中性，在貯存過程容易變質(zhì)。故焦糖化過程中Na2CO3濃度宜為5%。

2.3 蒸餾液中揮發(fā)性物質(zhì)的組成

按照1.2.2進行實驗，所鑒定的蒸餾液中揮發(fā)性物質(zhì)的組成及相對峰面積見圖1和表3。

圖1 蒸餾液揮發(fā)性成分GC-MS圖Fig.1 GC-MS figure of distillate volatile components

序號保留時間(min)化合物名稱分子式結(jié)構(gòu)式峰面積(%)016.3972-Acetyl-5-methyl-furan5-甲基-2-乙酰基呋喃C7H8O24.482027.723Ethanone,1-(2-fura-nyl)-2-乙酰基呋喃C6H6O27.397037.964Ethanone,1-(1,4-dimethyl-3-cyclo-hexen-1-yl)-1,4-二甲基-4-乙酰基-1-環(huán)己烯C10H16O0.668048.209Methyl2-furoate5-甲基-2-乙酰基呋喃C7H8O232.996058.827trans-Cinnamalde-hyde反式肉桂醛C9H8O0.415069.0152-Propenal,3-(2-fura-nyl)-2-呋喃丙烯醛C7H6O27.083079.298Ethanone,1-(2-fura-nyl)-2-乙酰基呋喃C6H6O28.1450810.2132-Cyclopenten-1-one,2,3,4,5-tetra-methyl-2,3,4,5-四甲基-2-環(huán)戊烯酮C9H14O0.5670911.0232-Acetyl-5-methyl-furan5-甲基-2-乙酰基呋喃C7H8O212.1321012.1015-Hydroxymethylfur-fural5-羥甲基糠醛C6H6O38.3981112.544Phellandral水芹醛C10H16O0.9111213.4401,4-Benzenediol,2,3,5-trimethyl-2,3,5-三甲基對苯二酚C9H12O20.283

續(xù) 表

由圖1和表3可知，在蒸餾液的揮發(fā)性成分中，鑒定出22種物質(zhì)，占峰面積的98.83%，相對分子量大多在200以下，揮發(fā)性物質(zhì)的主要成分為呋喃類、酮類、醛類、酚類、吡啶類、噻吩類及呋喃酮、呋喃醛的復(fù)合物，其中酮類化合物占90%以上，醛類化合物占10%，呋喃酮(醛)類化合物占10%，大部分為香味化合物或香味化合物的前驅(qū)體。

3 結(jié)論

由于焦糖化反應(yīng)不使用胺類化合物，故是一種安全的焦糖色素生產(chǎn)方法，采用該方法生產(chǎn)的焦糖色素紅色素指數(shù)、黃色素指數(shù)高，著色性好，是氨法焦糖色素?zé)o法達到的。

焦糖化是一個脫水、脫羧形成焦糖色素的過程，在此過程中及時去除焦糖化反應(yīng)中產(chǎn)生的水分，可加速焦糖色素的形成，提高焦糖色素的色率，但過分去除水分，必然加速焦糖色素的樹脂化程度，且耐鹽性、耐酸性變差。及時中和焦糖化反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的酸，有利于蔗糖向焦糖轉(zhuǎn)化反應(yīng)的速度，但堿的濃度越高，焦糖色素的pH值越高，不利于產(chǎn)品的保存。確定焦糖化反應(yīng)的最佳條件為：收集餾分5 mL；碳酸鈉濃度為5%。

采用GC-MS技術(shù)從餾出液中鑒定出22種揮發(fā)性物質(zhì)，其相對分子質(zhì)量大多在100及100以下，酮類化合物占揮發(fā)性成分的90%以上，多為天然香味物質(zhì)及其前體物，該研究為焦糖色素的香味組成奠定了基礎(chǔ)，也為焦糖香精的開發(fā)提供了技術(shù)支持。

[1]李祥，蘇秀霞，楊君勝.淀粉擠壓法焦糖色素生產(chǎn)工藝研究[J].中國調(diào)味品，2007(5)：45-47.

[2]胡松青，李琳，侯軼，等.一種從糖蜜酵母發(fā)酵上清液中制備焦糖色素的方法[P].中國專利：CN104559305A,2014-12-24.

[3]榮維廣,宋寧慧,阮華,等.固相萃取-高效液相色譜法測定焦糖色素中副產(chǎn)物2-甲基咪唑、4-甲基咪唑和2-乙酰基-4-(1,2,3,4-四羥基丁基)咪唑[J].分析化學(xué)，2015，43(5)：742-747.

[4]李祥，馬倩鶴，豆靜茹，等.一種無4-甲基咪唑焦糖色素的制備方法[P].中國專利：CN104861736A.

[5]楊偉，顧正彪，洪雁，等.濃縮對焦糖色素風(fēng)味的影響[J].中國調(diào)味品，2009，34(2)：67-72.

[6]陳洪興.小麥B-淀粉制備焦糖色素及其安全性研究[D].無錫江南大學(xué)，2014.

[7]楊偉.以葡萄糖和麥芽糖生產(chǎn)焦糖色素的工藝研究與性質(zhì)對比[D].無錫：江南大學(xué)，2008.

[8]鄧麗卿.醬油焦糖色素及油溶性焦糖色素的制備與性質(zhì)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

[9]史文慧.氨法焦糖色素品質(zhì)優(yōu)化與4-甲基咪唑含量控制的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[10]唐偉強.基于HFSS仿真技術(shù)制取焦糖色素的微波爐優(yōu)化設(shè)計研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

Preliminary Study on Caramel Pigment Mechanism and Distillate Composition

LI Xiang1, MA Qian-he1*, LI Ning2, DOU Jing-ru1

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China;2.Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

The aim is to study the effect of distillate volume and Na2CO3concentration on the quality of caramel pigment using caramel as the raw material. The results indicate that caramelization reaction is a process of dehydration, decarboxylation and pigment formation. The composition of volatile substances in distillate is studied by GC-MS and 22 kinds of substances are identified primarily, these substances mainly are natural flavor components or their precursors. The research has laid a foundation for preparing high-quality caramel pigment using caramelization reaction.

caramelization reaction; property; distillate; composition; gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)

2016-06-05 *通訊作者

西安市科技局項目(CXY1434(2))；未央?yún)^(qū)科技局項目(201411)

李祥(1963-)，男，陜西扶風(fēng)人，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事天然產(chǎn)物化學(xué)的教學(xué)與研究工作；

馬倩鶴(1990-)，女，碩士，研究方向：天然產(chǎn)物化學(xué)。

TS202.3

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2016.12.004

1000-9973(2016)12-0016-04