不同温度热解酸化蔗糖制备低聚焦糖*

王军 王忠合 薛晓丽 于淑娟

(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州510640)

焦糖色素作为食品添加剂已被广泛应用于饮料、啤酒、酱油等领域［1］，控制蔗糖的热处理温度、添加柠檬酸等有机酸催化剂，是大规模生产焦糖色素采用的最原始工艺.低聚焦糖(STOC)是在此工艺基础上得到的新型产品，是指用加热法从蔗糖降解合成的果糖低聚糖、蔗果三糖混合物，含有所有天然的蔗果三糖和3种新的α－果糖异构物［2］.STOC具有焦糖色素的特性，国外用于酒精类饮料和软饮料着色，是天然色素添加剂和食品添加剂［3］，还具有促进双歧杆菌增殖、预防和治疗痢疾等功能特性［4］.

酸化蔗糖经加热后，加入氨水提供氨基，后经乙醇脱水、萃取分离，干燥得 STOC［5］.STOC 含有 D－果糖、D－葡萄糖，是高支化和低相对分子质量物质［6］.STOC的聚丙烯酰胺分离分析结果显示，其相对分子质量范围为162～5000，聚合度为1～31，葡聚糖分离分析结果显示，其聚合度为 25［7］.目前，STOC制备工艺复杂且耗时长，产物得率及含量不稳定.因此，在STOC制备工艺和产物分离及其稳定性等方面有待深入研究.

STOC具有快速治疗痢疾的功能，并可预防痢疾的复发［8］.Orban 等［9］的研究表明，STOC 有促进双歧杆菌增殖功能，并可作为抗生素替代品用于动物饲料中.但对STOC抗氧化特性的研究鲜见报道.

本研究以蔗糖为原料，热解酸化蔗糖制备STOC，在原有工艺基础上，探讨新工艺的可行性，并分析了不同温度制备的STOC的色度、总糖、还原糖含量、抗氧化特性、主要成分及其稳定性，以期为STOC作为新型功能性食品添加剂在实际生产中的应用提供依据.

1 主要材料及仪器

1.1 主要材料

主要材料如下:食品级无水蔗糖，大佳食品有限公司生产;食品级无水柠檬酸，广州冠球化工有限公司生产;氨水、氢氧化钠、无水乙醇、无水葡萄糖、蔗糖、苯酚、浓硫酸、3，5－二硝基水杨酸(DNS)、丙三醇，均为化学纯或分析纯;1－蔗果三糖、D－果糖、乙二胺四乙酸钙(EDTA－Ca)、1，1－二苯基－2－三硝基苯肼(DPPH)，美国Sigma公司生产.

1.2 仪器设备

主要仪器设备如下:XA－1型高能粉碎机，姜堰市银河实验仪器厂生产;RE－2000A型旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂生产;DZF－6020A型真空干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司生产;Scientz－18N型冷冻干燥机，宁波新芝生物科技有限公司生产;UV1810型紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司生产;CR22GII型高速冷冻离心机，日本日立公司生产;4597型高压反应釜，美国PARR公司生产;WAY－Z型自动阿贝折射仪，上海精密科学仪器有限公司生产;MeterLab pHM250型pH计，美国哈希公司生产;Waters 600型高效液相色谱仪、Waters 2414型示差检测器、Sugar－pak1型色谱柱，美国Waters公司生产;Pyris1 TGA型热重分析仪、Clarus 600型气相色谱－质谱联用仪、Elite－1701型毛细管柱，美国PerkinElmer公司生产.

2 实验方法

2.1 低聚焦糖的制备

精确称取一定量无水蔗糖和无水柠檬酸(酸用量为总量1%)，粉碎至细度为50目左右，按照料液比3∶2加蒸馏水溶解，放置于真空干燥箱(≤40℃、0.1MPa)除去95% ～98%的水分，作为原料备用［10］.

干法(传统)工艺:取上述原料6.000 g于密闭容器中，不同温度下(100、120、140、160、180 ℃)于真空干燥箱中反应60min，取出立即冷却至玻璃态，逐滴滴加0.1mol/L氨水至完全溶解，添加无水乙醇至醇含量为95%，搅拌均匀放置冰箱冷冻过夜［5］.

湿法工艺:取原料6.000 g，添加与干法同量氨水溶解，不同温度(100、120、140、160、180 ℃)于高压反应釜中反应60 min，取出反应液，添加乙醇，后同干法操作.

冷冻过夜后的溶液于4℃、9000 r/min离心10min，取上清液旋转蒸发(≤40℃)浓缩至15 mL，经阿贝折光仪测得锤度为50～80 Brx，经冷冻干燥得质量分数为30%～70%的、分别由两种工艺制备的黄色至褐色粉末状STOC.

2.2 pH值的测定

反应过程中伴随pH值的变化，检测不同温度所得产品pH变化趋势可判断反应的强度及变化趋势.称取STOC样品，配制质量分数为1%的溶液，用pHM 250型pH计测定样品的pH值.

2.3 特征吸收和色度的测定

STOC生成过程中伴随着有色物质的生成，具有特征吸收(294nm)及色度(420 nm)的变化.测定质量分数为1%的STOC溶液在294nm和420nm处的吸光度［11］，为便于比较两种工艺，对超出测定范围的样品用蒸馏水稀释后进行测定，并计算吸光度.

2.4 总糖和还原糖含量的测定

采用苯酚－硫酸法测定总糖含量;采用DNS法测定还原糖含量［12］.

2.5 抗氧化能力测定

取2 mL质量分数为1‰的 STOC溶液，加入2mL 1，1－二苯基－2－三硝基苯肼溶液，室温下避光反应30min，517 nm下测定值为Di;空白组为2 mL无水乙醇与2 mL STOC混合，测定值为Dj;对照组为2mL DPPH与2 mL蒸馏水混合，测定值为D0;无水乙醇作为空白调零.清除率(K)按以下公式计算［13］:

2.6 低聚焦糖的液相色谱分析

高效液相色谱(HPLC)条件:检测器为Waters 2414型示差检测器;色谱柱为Sugar－pak1(6.5mm×300mm);柱温为90℃;进样量为20 μL;流动相为50mg/L的EDTA－Ca水溶液;流速为0.5mL/min;运行时间为30min.

取不同温度制备的质量分数为1‰的STOC样品，过0.45μm微孔水系滤膜，经HPLC分析成分.

2.7 低聚焦糖的Py－GC－MS分析

热重分析仪(TGA)热裂解条件:取固体样品1～8mg，加入中空小石英管后，放置裂解探针中，以升温速率100℃/min从室温升到800℃.

气相色谱(GC)条件:采用Elite－1701毛细管柱(30 m ×0.25 mm ×0.25 μm);载气 He纯度为99.999%，进样口温度为210℃;压力为0.11Pa.升温程序:初始温度35℃，保持5min，以5℃/min升温至100℃，然后以20℃/min升温至260℃，并保持10min.

质谱(MS)条件:采用电子轰击离子源(EI)，电离能量为70 eV，离子源温度为230℃，质量扫描范围(m/z)为45～300，采用全扫描(SCAN)工作方式.

2.8 数据处理

平行测定3次，数据以平均值±标准偏差表示，采用SPSS 17.0软件进行差异显著性分析(P＜0.05).

3 结果与分析

3.1 低聚焦糖pH值的变化

不同反应温度制备的STOC的pH值见图1.干法工艺制备STOC时，随着温度的升高，pH值的变化趋势是先升高后缓慢降低.原因是［10］:在温度为100、120、140℃时，以酸催化蔗糖反应进程为主，柠檬酸逐渐被消耗，使pH值升高;140℃时反应较为剧烈，pH值为4.63;140℃之后，除了酸催化蔗糖反应外，可能存在反应产物的降解聚合反应，使pH值缓慢地降低，但降低得并不明显.湿法工艺制备STOC时，随着反应温度的升高，pH值逐渐降低.原因可能是:在水相体系中，焦糖化反应生成了部分酸性物质［14］.

图1 反应温度对制备的STOC的pH值的影响Fig.1 Effects of reaction temperature on pH value of STOC a、b、c、b'、c'表示差异显著(P ＜0.05)

3.2 低聚焦糖的特征吸收和褐变程度

不同反应温度制备STOC的特征吸收(294 nm处)和褐变程度(420nm处)如图2所示.干法工艺制备STOC时，随着温度的升高，产物的特征吸收和褐变程度均上升，温度越高，294nm和420nm处的吸光值D(294)及D(420)上升得越快.温度为180℃时，D(294)及D(420)分别为1.819和1.208.上述结果表明，干法工艺制备STOC时，酸催化蔗糖反应与反应温度呈正相关.此外，反应产生色素类物质，温度越高，生成的色素类物质越多，褐变程度增加.湿法工艺制备STOC时，在反应温度不高于160℃时，产物的特征吸收和褐变程度呈较快上升趋势，160℃时，吸光值分别为3.151和2.128，160℃之后，D(294)及D(420)急剧降低，180℃时，吸光值分别为0.978和0.127.原因是:温度较高时，发生碳化作用和聚合反应，生成不溶于水的树脂化物质，或中间物进一步反应生成大分子化合物，使溶于乙醇中的低相对分子质量物质、色素等各种成分不再增加或减少，从而影响吸光值［15］.

图2 反应温度对制备的STOC的特征吸收和褐变程度的影响Fig.2 Effects of reaction temperature on characteristic absorption and browning of STOC

3.3 低聚焦糖总糖和还原糖含量

不同反应温度制备的STOC的总糖和还原糖含量的变化如图3所示.随着反应温度的升高，干法和湿法工艺制备的STOC总糖含量减小，反应温度越高，糖消耗得越快;还原糖含量先上升后下降.原因可能是:随着反应的进行，蔗糖被消耗，同时伴随着蔗糖的降解聚合，生成部分单糖、低聚糖，如葡萄糖、果糖、蔗糖、蔗果三糖及其异构物等，随着糖的降解聚合反应的进行，非还原糖类(蔗糖、蔗果三糖等)和还原糖类(葡萄糖、果糖等)的生成和含量是不断变化的［16］.

图3 反应温度对制备的STOC的总糖和还原糖含量的影响Fig.3 Effects of reaction temperature on total and reducing sugar contents of STOC

3.4 低聚焦糖的抗氧化能力

不同反应温度制备的STOC的清除DPPH能力如图4所示.随着反应温度的升高，干法和湿法工艺制备的STOC的DPPH清除能力增强.干法工艺制备STOC，温度小于120℃时，清除自由基能力增加缓慢，120℃之后，随着温度升高，清除自由基能力增强.原因是:较低温度时，酸催化蔗糖反应较弱，生成的单糖、低聚糖及活性色素类物质较少.湿法工艺制备STOC，温度小于140℃时，产物清除DPPH的能力得到较快的增强，之后缓慢增强.原因是:反应温度较高时，发生碳化作用和聚合反应，生成不溶于水的树脂化物质，或中间物进一步反应生成大分子化合物，使溶于乙醇中的低相对分子质量活性成分不再增加或减少［15］;此外，干法反应的蔗糖碳化温度低于湿法反应.

图4 反应温度对制备的STOC的清除DPPH自由基能力的影响Fig.4 Effects of reaction temperature on DPPH radical scavenging capacity of STOC

3.5 低聚焦糖的组分

图5 STOC糖组分的HPLC分析Fig.5 HPLC analysis of sugars in STOC

表1 STOC主要成分分析Table 1 Component analysis of STOC

STOC糖组分的HPLC分析结果见图5和表1.以1－蔗果三糖、萄萄糖、果糖、蔗糖为对照确定各成分保留时间.STOC含有的单糖有葡萄糖、D－果糖，双糖有蔗糖，三糖有蔗果三糖.表1中1、2、7为未知糖类.七糖及以上聚合度的低聚糖在水中的溶解度很小或不溶，且不能和六糖分开，推断1可能是六糖及以上聚合度低聚糖.出峰时间在5.374～8.123min的成分可能是蔗果四糖、蔗果五糖(较高温度时)［17］.

3.6 低聚焦糖热稳定性

两种工艺制备STOC的热裂解失重和主要产物基本相同，仅以干法工艺为例进行说明.STOC裂解产物相对含量随温度变化曲线(失重曲线)和热裂解主要产物分别见图6和表2.在氮气下，STOC的热裂解有明显的失重现象，在100～500℃范围内尤其明显;500℃以后，裂解缓慢.不同温度(100、140、180℃)制备的 STOC的失重曲线发展趋势相似，100℃时STOC的最大失重温度约在280℃，随着制备温度的升高，最大失重温度提前;且100～500℃范围内，随着温度的升高失重速率增大.由表2可见，STOC热裂解产物主要有呋喃、呋喃酮、吡唑、吡咯烷、醛、烯和酸酐类.不同温度制备的STOC的部分热解产物有重现性:呋喃类有乙烯基呋喃、2－乙基－5－甲基－呋喃等;呋喃酮类有 5－甲基－2(3H)－呋喃酮;醛类有3－呋喃甲醛等.STOC样品相似性也形成了一些相似结构的产物，如烯类、呋喃酮类、酮类化合物等.部分产物结构可以直接反映出前体化合物的结构，如3－呋喃甲醛等特征醛，由中间化合物果糖类发生Strecker降解时分子结构中的氨基酸脱羧转化而来［18］.

图6 STOC裂解产物相对含量随温度的变化曲线Fig.6 Change curves of relative contents of some STOC pyrolysis products with the temperature

表2 在不同温度下干法制备的STOC热裂解的主要产物1)Table 2 Major compounds from the pyrolysis of STOC prepared by dry process at different temperatures

4 结语

文中以蔗糖和柠檬酸(酸化蔗糖)为原料，分别采用干法和湿法工艺制备了新型功能性添加剂低聚焦糖，其中湿法工艺是本研究提出的.对不同温度制备的STOC的特性进行分析，结果表明:随着温度升高，干法工艺制备的STOC的pH值先升高后缓慢降低，140℃时反应较为剧烈，pH值为4.63，而湿法工艺的逐渐降低;温度越高，干法工艺制备的STOC的D(294)及D(420)上升得越快;制备温度不高于160℃时，湿法工艺制备的STOC的特征吸收和褐变程度呈较快上升趋势;随着温度升高，两种工艺制备的STOC的总糖含量逐渐减少，还原糖含量先上升后下降;120℃时干法和湿法工艺制备STOC的清除DPPH自由基能力分别为6.83%、70.62%.STOC的主要成分和热裂解分析表明，STOC含有蔗果三糖、蔗糖、葡萄糖、果糖等单糖和低聚糖成分，热裂解产物主要有呋喃、呋喃酮、吡唑、吡咯烷、醛、烯和酸酐类.

该研究为新型添加剂STOC的制备工艺及其产品特性、功能特性、稳定性提供了理论基础.下一步将对STOC的生成机理及抗生素功能进行深入研究与探讨.

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