工藝條件對以赤砂糖為原料制備的焦糖色素品質影響研究

嚴景臣，黃永春，詹宗明，韋紅玲，楊鋒*

(1.廣西科技大學 生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006；2.廣西糖資源綠色加工重點實驗室，廣西 柳州 545006)

焦糖色素是一種食品行業(yè)中的天然著色劑，廣泛應用于碳酸或非碳酸飲料、烘制食品、肉制品、食醋等，其用量占食用色素總量的90%以上[1]。目前主要采用普通法、氨法、苛性亞硫酸鈉法和亞硫酸銨法生產，生產原料主要有：淀粉、母液、蔗糖廢蜜等。

赤砂糖是生產白砂糖過程中糖蜜未被完全分離的副產品，其方便速溶，為棕紅色或黃褐色帶蜜砂糖[2]。由于赤砂糖是甘蔗制糖生產的末級產品，雜質含量高，所以一直得不到較好的利用，但赤砂糖較傳統(tǒng)糖業(yè)生產規(guī)范、產量大、價格低，是理想的焦糖色素生產原料。在焦糖色素生產過程中，工藝條件對焦糖色素的品質、應用和穩(wěn)定性有很大影響。所以本文以赤砂糖為原料，采用普通法、氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法制備焦糖色素，研究了pH、溫度、時間對產物色率、紅色指數、黃色指數、粒徑和Zeta電位的影響，為焦糖色素的生產及產品品質的控制提供了理論依據。

1 材料與儀器

材料：一級赤砂糖，忻城南華糖業(yè)有限責任公司；實驗所用試劑均為國產分析純。

儀器：HDM-1000恒溫電熱套 常州國華電器有限公司；V2000可見分光光度計 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；PHS-25CW pH計 上海般特儀器制造有限公司；JJ200電子天平 常熟市雙杰測試儀器廠；Nano-ZS90粒度及電位儀 英國Malvern儀器有限公司。

2 實驗方法

2.1 色率、紅色指數、黃色指數、粒徑和Zeta電位測定方法

按文獻[3]的方法測定色率、紅色指數、黃色指數。

粒徑和Zeta電位：取濃度為0.1%的焦糖色素樣品，選擇Size軟件，于25 ℃條件下測定其粒徑，取3次測定的平均值。取濃度為0.1%的焦糖色素樣品，選擇Zeta電位測量軟件，測定條件：1 cm聚苯乙烯池，一對0.45 cm2鉑電極，間距為0.4 cm，測定溫度為25 ℃，平衡時間為3 min，取3次測定的平均值。

2.2 原料預處理

取140 g赤砂糖與60 g水，加熱溶解，加入20%的HCl或NaOH溶液，調節(jié)pH為5.0，8.0，10.0。

2.3 pH對普通法、氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素品質的影響

取pH為5.0,8.0,10.0的赤砂糖溶液，分別加入水、25%的氨水、25%的亞硫酸銨、25%的亞硫酸鈉20 mL，加熱回流1 h，將以上樣品在200 ℃下反應30 min，測定其吸光度、粒徑和Zeta電位。

2.4 時間對普通法、氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素品質的影響

取pH為8.0的赤砂糖溶液，分別加入水、25%的氨水、25%的亞硫酸銨、25%的亞硫酸鈉20 mL，加熱回流1 h，將以上樣品在200 ℃下分別反應15，30，45 min，測定其吸光度、粒徑和Zeta電位。

2.5 溫度對普通法、氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素品質的影響

取pH為8.0的赤砂糖溶液，分別加入水、25%的氨水、25%的亞硫酸銨、25%的亞硫酸鈉20 mL，加熱回流1 h，將以上樣品分別在180，200，220 ℃下反應30 min，測定其吸光度、粒徑和Zeta電位。

2.6 數據處理

采用SPASS 20.0對數據進行統(tǒng)計分析，實驗結果以平均值±標準偏差表示，差異顯著性采用LSD檢驗法。

3 結果與討論

3.1 pH、時間、溫度對焦糖色素色率、紅色指數和黃色指數的影響

圖1 pH、時間、溫度對色率的影響Fig.1 The effect of pH, time, temperature on color ratio

圖2 pH、時間、溫度對紅色指數的影響Fig.2 The effect of pH, time, temperature on red index

圖3 pH、時間、溫度對黃色指數的影響Fig.3 The effect of pH, time, temperature on yellow index

由圖1～圖3可知，在pH 8時4種方法制備的焦糖色素色率均達到最大，紅色指數、黃色指數最小。這與謝筆鈞[4]所研究的在pH 8時焦糖色素轉化速率較快的結果一致。這可能是因為在弱酸或者強堿的條件下，會阻礙有色物質的聚合，影響色素的生成。而在弱堿性條件下，有利于美拉德反應的發(fā)生，反應速率加快使類黑色素物質生成加快，導致色率升高的速度比紅色物質生成的速度快[5]。

普通法和氨法焦糖色素色率隨時間的延長而升高，紅色指數、黃色指數隨之降低。這與馬倩鶴[6]所研究的以白砂糖為原料制備的普通焦糖色素色率隨時間變化趨勢一致；與婁迎霞等[7]所研究的以葡萄糖為原料制備的氨法焦糖色素色率隨時間變化趨勢一致。這是因為反應時間延長，有利于色素物質進一步聚合，有色物質不斷積累，形成分子量更高的呈色產物，在反應后期，紅色物質會逐漸轉化成類黑色素物質，從而使色率增大。亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法焦糖色素色率隨時間延長先升高后下降，在30 min時達到最高。這與鄧麗卿等[8]所研究的亞硫酸銨法焦糖色素色率在10～60 min內隨時間增大而增大，60 min后色率降低的變化趨勢一致。原因是焦糖色素色率隨反應時間延長而升高，但反應時間過長，焦糖色素將碳化結塊，形成不溶于水的產物，不利于焦糖色素的制備。

普通法和氨法焦糖色素色率隨反應溫度升高而升高，紅色指數、黃色指數隨之降低。這與馬倩鶴所研究的普通焦糖色素色率在180～220 ℃內增大的結果一致。這是因為高溫有利于糖進行裂解、聚合等反應，生成類黑色素的物質比紅色物質多。焦糖色素中的紅色、黃色物質對溫度較敏感，當遇到較高溫度時易發(fā)生降解，導致紅色、黃色組分所占比例減少[9]。亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法焦糖色素色率隨溫度升高先升高后下降。這與史文慧等[10]、鄧麗卿的研究結果一致。原因是溫度升高可加速焦糖化反應速率，若溫度過高，焦糖色素會產生樹脂化現象，使色率下降。

3.2 pH、時間、溫度對焦糖色素粒徑的影響

圖4 pH、時間、溫度對粒徑的影響Fig.4 The effect of pH, time, temperature on particle sizes

由圖4可知，pH、時間、溫度對亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法焦糖色素粒徑影響較小。隨pH增大，普通法焦糖色素粒徑先增大后減小，氨法粒徑變化與普通法相反。隨時間延長，普通法和氨法焦糖色素粒徑均減小。隨溫度升高，普通法焦糖色素粒徑先增大后減小，氨法粒徑隨溫度升高而減小。不同條件下，普通法和氨法粒徑均大于另外兩種方法。4種方法中普通法制備焦糖色素電位較低，而粒徑較大，可能是因為普通法制備的焦糖色素電位低，不同顆粒間同種電荷靜電斥力較小，導致顆粒之間容易相互吸附聚集。糖類在加熱過程中通過兩種途徑形成大分子物質：一種是通過低分子量物質之間隨機反應形成中間物，中間物進一步聚合形成大分子量物質；另一種是反應體系中形成一個重復的單元分子，該單元分子幾乎對顏色形成沒有影響[11,12]。由此可得普通法在反應過程中可能發(fā)生的是第二種大分子反應，而氨法、亞硫酸銨和苛性亞硫酸鈉法可能發(fā)生的是第一種大分子反應。

3.3 pH、時間、溫度對焦糖色素Zeta電位的影響

圖5 pH、時間、溫度對Zeta電位的影響Fig.5 The effect of pH, time, temperature on Zeta potential

由圖5可知，隨pH升高，氨法焦糖色素電位先下降后升高，亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法焦糖色素電位升高，普通法電位隨之下降。隨時間延長，普通法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素電位升高，氨法電位先升高后下降。隨溫度升高，普通法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素電位隨之降低，氨法隨之升高，亞硫酸銨法先下降后升高。本實驗所做焦糖色素均帶有負電荷，這與馬倩鶴、李祥等[13]以白砂糖為原料，采用蒸餾法制備焦糖色素電荷相反，與陳其鋼等[14]所報道的焦糖色素所帶電荷一致。Zeta電位與分散體系的表面靜電荷量有關，可以用來評價分散體系的穩(wěn)定性，通常認為Zeta電位絕對值≥30 mV，該分散體系可以阻止納米粒子間因吸引力弱而造成的聚集沉淀，增強分散體系的穩(wěn)定性[15]?？梢钥闯龀似胀ǚń固巧豘eta電位較低，其余3種方法均較高。說明普通法焦糖色素較其他3種方法穩(wěn)定性差。

3.4 普通法、氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素特征值分析

表1 不同方法制備的焦糖色素特征值Table 1 The characteristic values of caramel pigments prepared by different methods

在4種方法色率均較高的條件下，即pH 8、反應時間30 min、反應溫度200 ℃、催化劑用量20 mL時，對不同方法焦糖色素的特征值進行比較。由表1可知，氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素色率及Zeta電位之間不存在顯著差異(p>0.05)，普通法色率和Zeta電位值顯著低于其余3種方法，為18320.00 EBC和12.33 mV；普通法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法焦糖色素紅色指數及黃色指數之間不存在顯著差異(p>0.05)，氨法焦糖色素紅色指數和黃色指數顯著低于其余3種方法，為1.90和3.77；普通法與氨法、亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法的粒徑之間存在顯著差異(p<0.05)，普通法和氨法焦糖色素平均粒徑遠大于亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法。

4 結論

在pH 8時4種方法色率均達到最大；隨時間和溫度升高，普通法、氨法焦糖色素色率升高，亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法色率先升高后下降。pH、溫度、時間對普通法和氨法焦糖色素粒徑影響較大，對亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法焦糖色素粒徑影響較小，普通法和氨法粒徑大于亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法。普通法焦糖色素電位低于其余3種方法，說明普通法焦糖色素穩(wěn)定性較差。普通法與氨法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法的色率及Zeta電位之間存在顯著差異(p<0.05)；氨法與普通法、亞硫酸銨法、苛性亞硫酸鈉法的紅色指數及黃色指數之間存在顯著差異(p<0.05)；普通法與氨法、亞硫酸銨法和苛性亞硫酸鈉法的粒徑之間存在顯著差異(p<0.05)。