普通焦糖色素制備及性質研究

李祥，盧瑞，馬倩鶴，豆靜茹，藺旺梅

(陜西科技大學 化學與化工學院，西安 710021)

焦糖色素又稱醬色，是各種糖類以干燥固體或濃縮溶液的形式單獨或與某些添加劑一起被加熱而產生的一種棕褐色物質，其在水中完全溶解，在有機溶劑中幾乎不溶，具有聚合物的性質[1]。它能增加食品的感官性質，提高食品的商品價值，是一種歷史悠久的食品添加劑，被廣泛應用于食品、飲料、釀造等行業[2-5]。

目前，焦糖色素產銷量越來越大，成為許多產品加工過程中不可或缺的部分，消費者對其質量要求也越來越高。許多科研工作者在氨法焦糖色素的研究方面投入了大量的時間與精力[6]，而忽略了對普通焦糖色素的研究。氨法焦糖由于氮類催化劑的添加，會產生4-甲基咪唑，危害人類的健康，按GB 8817-2001的規定，氨法焦糖中4-甲基咪唑含量不能超過 200 mg/kg[7]。4-甲基咪唑[8-12]具有強烈的神經毒性、致癌活性等。因而制備的焦糖色素中不期望有4-甲基咪唑的產生。本實驗的目的是采用蒸餾法制備出高品質且不含4-甲基咪唑的普通焦糖色素。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

白砂糖：一級純，云南德宏英茂糖業有限公司；4-甲基咪唑：優級純，美國Sigma公司；N,N-二甲基苯胺、二氯甲烷、碳酸鈉、氯化鈉、鹽酸、溴化鉀、硅藻土、明膠、單寧酸、氫氧化鈉：均為分析純，購于西安市化學試劑公司。

723N可見分光光度計 上海儀電分析儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱器；磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責任公司；BSA224S電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；VECTOR33傅立葉紅外光譜儀 德國Bruker公司；Vario EL III有機元素分析儀 德國 Elementar 公司；SevenEasy pH酸度計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；SHB-3循環多用真空泵 鄭州三菱儀器廠；RE-2002旋轉蒸發儀 西安子夜儀器有限公司；GT10-1高速離心機 上海安亭科技儀器廠；GC-2114C氣相色譜儀 日本島津公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 普通焦糖色素的制備

稱取100 g白砂糖于250 mL三口燒瓶中，在油浴鍋中邊攪拌邊加熱，溫度升至160 ℃時白砂糖開始熔化，繼續升至180 ℃時，白砂糖全部熔化，溶液呈棕色，接著體系內再升溫至190～200 ℃，熔融的糖液開始起泡，溶液變為棕褐色。起泡后收集一定量的餾分，然后將蒸餾裝置改為冷凝回流裝置，繼續反應一定的時間后，緩慢滴加Na2CO3溶液適量，待其充分反應，冷卻后將樣品貯存待用。

1.2.2 色率、紅色指數、黃色指數的測定

0.1%普通焦糖色素溶液的配制：參照文獻[13-15]，精確稱量1.00 g普通焦糖色素樣品，用蒸餾水溶解，配制0.1%的樣液，2400 r/min的離心機離心10 min。

取上述離心液用可見分光光度計于610，510，460 nm處測定其吸光度A610，A510，A460，均重復測定3次，取平均值A1，A2，A3，按下式a，b，c分別計算色率、紅色指數、黃色指數：

色率(EBC單位)=A1×20000/0.076，

(a)

紅色指數=10×lg(A2/A1)，

(b)

黃色指數=10×lg(A3/A1)。

(c)

1.2.3 耐鹽性的測定

配制質量分數為20%的NaCl溶液，取25 mL 20%的NaCl溶液溶解1 g普通焦糖色素樣品，攪拌均勻后倒入20 mL比色管中。在明亮處觀察比色管中溶液，24 h后用同樣方法再次觀察。若溶液透明、無渾濁沉淀，則說明耐鹽性好，否則耐鹽性差[16]。

1.2.4 pH的測定

用酸度計對1 g/L的普通焦糖色素溶液直接進行pH的測定。

1.2.5 電荷的測定

等電點是蛋白質呈中性時的酸堿值，它是根據不同電荷相互吸引的原理測定的。通過已知膠體來計算其電荷改變的酸堿值。其測定方法如下：配制0.5%的明膠溶液，分別取25 mL于4個燒杯中，用酸調節各pH值為1.0，1.5，2.0，2.5。再分別取25 mL 1%普通焦糖色素溶液于4個燒杯中，用酸調節各pH值為1.0，1.5，2.0，2.5。將調整pH值后的1%焦糖色素分取10 mL于試管中，加入相等酸度的明膠10滴。放置12 h后觀察，若溶液依舊澄清，說明其帶正電，反之則帶負電[17]。

1.2.6 泡沫實驗

不同產品對焦糖色素的起泡性要求不同，如可樂型飲料要求低泡沫焦糖色素，而黑啤酒則需多泡沫焦糖色素。所以起泡性對焦糖色素的應用性有很大的影響。測定方法：取1%的普通焦糖色素溶液20 mL，用玻璃棒攪拌3 min，置于60 ℃水浴鍋中，監測其起泡消失的時間[18]。

1.2.7 膠體性質的測定

膠體性質是焦糖色素在溶液中能否穩定存在的一個重要指標。測定方法：配制l%單寧酸溶液。將6 mL該溶液與7 mL l%的普通焦糖色素混合，放置1天，觀察現象。如果清晰則膠體性質良好，如果有沉淀則膠體性質差。

1.2.8 樹脂化時間的測定

取普通焦糖色素樣品少許密封于玻璃管中，置于100 ℃左右的高溫烘箱中，觀察出現樹脂化的時間[19]。

1.2.9 普通焦糖色素的結構特征

取經干燥處理的普通焦糖色素樣品，利用傅立葉紅外光譜儀進行分析，掃描波數4000～400 cm-1。

配制0.1%的普通焦糖色素樣品溶液，采用紫外-可見分光光度計進行全波段掃描，掃描范圍200～800 nm。

1.2.10 普通焦糖色素的安全性實驗

1.2.10.1 有機元素分析儀測定元素含量

精確稱取絕干后的普通焦糖色素樣品2.1860 mg，用錫紙包好壓實進行有機元素分析，重復測2～3次，取平均值，測定C，H，O，N元素的百分含量。

1.2.10.2 GC法測定4-甲基咪唑

內標溶液的配制：精密稱取N,N-二甲基苯胺98.6 mg置于100 mL容量瓶中，加二氯甲烷溶解后定容，6 ℃保存備用。

標準品儲備液的配制：精密稱取4-甲基咪唑49.2 mg置于50 mL容量瓶中，加二氯甲烷溶解后定容，6 ℃保存備用。

樣品前處理：精確稱取5.00 g樣品于250 mL燒杯中，加入3.0 mol/L的NaOH溶液35 mL，充分混勻后加硅藻土30 g混合至半干，裝入層析柱(25 mm×250 mm)。打開層析柱的聚四氟乙烯活塞，注入二氯甲烷至充滿，關閉活塞，靜置15 min。打開活塞后用二氯甲烷洗脫，收集300 mL洗脫液，用旋轉蒸發儀將洗脫液濃縮至1～2 mL，將濃縮液移入10 mL容量瓶中，精密加入內標溶液1 mL，二氯甲烷洗滌蒸發瓶后移入容量瓶并定容，6 ℃保存，作為供試品溶液[20，21]。

色譜條件：Inertcap 5石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，進樣口溫度250 ℃；程序升溫：柱子初溫80 ℃，以30 ℃/min的速率升溫至200 ℃，保持5 min，氫離子火焰檢測器溫度250 ℃；載氣：高純氮氣，流速3 mL/min；氫氣：40 mL/min；空氣：400 mL/min；尾吹氣(He)：30 mL/min；分流比50∶1；平衡時間30 min；進樣量：1 μL。

1.2.11 普通焦糖色素的應用性實驗

于250 mL燒杯中分別稱取10 g自制、市售的焦糖色素，各加入100 mL 20%的NaCl水溶液，攪拌溶解并煮沸，將切好的3 cm×3 cm×2 cm白豆腐煮入其中，5 min后將豆腐取出，觀察其色澤，之后每隔1 h，觀察其顏色變化。另取海天醬油按同樣的方法操作實驗。

2 結果與分析

2.1 普通焦糖色素的性質檢測結果

普通焦糖色素的性質檢測結果見表1。

表1 普通焦糖色素的性質檢測結果Table 1 The test results of the properties of ordinary caramel pigment

本實驗制備的普通焦糖色素的色率在8000～16000 EBC范圍內，符合國家標準對Ⅰ類焦糖色素的要求。其紅色指數為6.0～6.7，黃色指數為9.2～10.3，其值高于一般的焦糖色素，克服了我國因使用焦糖色素而致醬油炒菜時菜品顏色發烏的缺點。產品的消泡時間短、樹脂化時間長、穩定性好，即貨架期長，可作為焙烤食品、飲料等的添加劑。該焦糖色素pH值在4.0～6.0范圍內，可用于醬油、醋等。其所帶電荷為正電荷，適宜用于釀造業。另外，該焦糖色素的耐鹽性、耐酸性、溶解性均良好。

2.2 普通焦糖色素的結構表征

普通焦糖色素的全波段掃描圖見圖1。在200～400 nm之間出現了2個明顯的吸收峰，說明樣品中存在共軛結構。在224 nm處有強的吸收峰，可能是由于分子中苯環結構及其他共軛結構引起K帶、E帶和B帶在末端相疊加的吸收帶。在282 nm處可能為羥基較強的R帶吸收帶，進一步表明普通焦糖中含有苯環共軛體系及其他共軛結構等發色基團。

圖1 普通焦糖色素的紫外吸收曲線Fig.1 The ultraviolet absorption curve of ordinary caramel pigment

圖2 普通焦糖色素的FTIR圖譜Fig.2 FTIR spectra of ordinary caramel pigment

2.3 安全性分析

普通焦糖色素的有機元素分析結果見表2。N元素含量為0，說明該焦糖色素不含或難以檢測出以4-甲基咪唑為代表的咪唑類化合物，則該焦糖色素是安全的。

表2 普通焦糖色素元素分析結果Table 2 The element analysis results of ordinary caramel pigment

為了進一步確證普通焦糖色素中不含以4-甲基咪唑為代表的咪唑類化合物，采用氣相色譜法測定，結果見圖3～圖5。

圖3 4-甲基咪唑標準品的氣相色譜圖Fig.3 Gas chromatogram of standard 4-methyl imidazole

圖4 普通焦糖色素的氣相色譜圖Fig.4 The gas chromatogram of ordinary caramel pigment

圖5 市售氨法焦糖色素氣相色譜圖Fig.5 The gas chromatogram of ammonia caramel pigment on sale

圖3為4-甲基咪唑標準品的GC圖，在4.1 min和4.4 min處有2個強的吸收峰，分別為1號：4-MI的吸收峰，2號：N,N-二甲基苯胺的吸收峰。圖4為普通焦糖色素的GC圖，在4.1 min處沒有出現吸收峰，說明其中不含4-甲基咪唑。圖5為市售氨法焦糖色素的氣相色譜圖，4.1 min處出現4-甲基咪唑吸收峰，說明其中含有4-甲基咪唑。由此可見利用該法生產的普通焦糖色素不含有以4-甲基咪唑為代表的咪唑類化合物，該法是一種安全的焦糖色素生產方法。

2.4 應用性分析

圖6 Sample 1～3分別為市售、自制焦糖色素及海天醬油煮過的豆腐Fig.6 Application experiments of the caramel pigment Note：Sample 1 is the commercial caramel (ammonia caramel)，Sample 2 is the plain caramel，Sample 3 is Haitian soy sauce

由圖6可知，經自制普通焦糖色素溶液煮沸后的豆腐顏色紅潤，鮮艷誘人，飽和感強，與海天醬油煮沸的豆腐基本一致，經市售焦糖色素溶液煮沸的豆腐顏色發烏，不清亮。豆腐實驗雖缺乏科學依據，但實踐性強，被中國多數醬油、焦糖色素企業所采用，可作為焦糖色素著色性的評判標準。

3 結論

通過對本法生產的普通焦糖色素基本性質的分析，表明該產品的各項指標都符合國家標準，色率的范圍為8000～16000 EBC，紅色指數的范圍為6.0～6.7，黃色指數的范圍為9.2～10.3，pH值范圍為4.0～6.0，耐鹽性、耐酸性均良好，消泡時間短，樹脂化時間長。有機元素分析及4-甲基咪唑的氣相色譜分析，充分證明了本法生產的普通焦糖色素不含有4-甲基咪唑，因而該法是一種安全的焦糖色素生產方法。通過豆腐實驗表明了本法制備的普通焦糖色素溶液煮沸后的豆腐顏色紅潤，鮮艷誘人，飽和感強，與海天醬油煮沸的豆腐基本一致，為其應用及工業化生產奠定了基礎。

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