超滤对普通焦糖性质的影响

李 祥， 马倩鹤， 豆静茹

(陕西科技大学 化学与化工学院 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室， 陕西 西安 710021)



超滤对普通焦糖性质的影响

李 祥， 马倩鹤， 豆静茹

(陕西科技大学 化学与化工学院 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室， 陕西 西安 710021)

以普通焦糖为原料，采用超滤技术，研究了分子量大小对普通焦糖性质的影响.结果显示：分子量大小对普通焦糖色率、红/黄色素指数的影响较大，对其pH值、带电性、耐盐性、抗氧化性影响较小.分子量越大，普通焦糖的色率越大，红/黄色素指数越小.通过红外及紫外光谱分析，发现超滤对普通焦糖的官能团的变化基本没有影响.利用气相色谱-质谱法(GC-MS)分析出了普通焦糖及截留分子量大于300 kDa、100-300 kDa样品的主要成分均为烃类、醇类、酯类及醛酮类.为进一步开发和研究多用途、安全型焦糖奠定了基础.

超滤； 分子量； 普通焦糖； 性质

0 引言

酱油是中华民族智慧的结晶，早在3000年前，人们就以大豆为原料酿制酱制品.焦糖是酱油的主要着色剂，酱油的生产推动了焦糖的研究与生产[1,2].氨法焦糖经历了由单一原料(葡萄糖)向多种原料[3,4]、由常压设备向高压设备、由单用途(高色率)向多用途(着色性)[5,6]的转变过程.自2012年3月5日美国公共利益科学中心发现氨法焦糖含有较高水平的4-甲基咪唑以来，氨法焦糖的安全性成为人们关注的焦点.Moon等[7-12]对咪唑类化合物的性质、分析方法、生物活性、形成机理、影响因素等进行了研究，发现氨/胺类物质是咪唑类化合物的形成根源.Siverteen T等[13-15]发现4-甲基咪唑能够降低小白鼠大脑谷氨酸脱酸的活性，抑制γ-氨基丁酸(GABA)的合成，引起动物细胞癌变，对人体带来致癌风险.

普通焦糖是以蔗糖/葡萄糖为原料，在高温下经分解、脱水、脱羧、聚合等反应形成的一种色素物质，由于生产过程中不添加氨/胺类物质，故不形成咪唑类化合物，是一种安全的焦糖生产方法，受到人们的青睐.

超滤是以压力为推动力、以大分子与小分子分离为目的的膜分离技术，被广泛地应用于制药、食品、环境工程中.本文是以实验室自制的普通焦糖为原料，采用超滤技术，研究了分子量大小对普通焦糖色率、红/黄色素指数、pH值、耐盐性、带电性、抗氧化性的影响，并且利用气相色谱-质谱法分析了超滤分级后普通焦糖中主要成分含量的变化.该研究为多用途、安全型焦糖的生产奠定了基础，其成果鲜见报道.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

(1)主要试剂：普通焦糖，陕西科技大学实验室自制；分子量>300 kDa、100～300 kDa、50～100 kDa、10～50 kDa、<10 kDa的焦糖样品，陕西科技大学实验室自制[16，17]；溴化钾，二氯甲烷，乙醚均为分析纯，西安试剂公司；明胶，分析纯，开封化学试剂有限公司.

(2)主要仪器：分析天平，PL403，梅特勒-托利多(上海)仪器有限公司；Millipore超滤仪，美国密理博公司；超滤膜，德国的Sartorius公司；紫外可见分光光度计，TU-1901，北京普析通用仪器有限公司；VECTOR-22型傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪，德国Bruker公司；7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪，美国安捷伦科技公司；pH酸度计，SevenEasy，梅特勒-托利多(上海)仪器有限公司.

1.2 超滤对普通焦糖性质的影响

1.2.1 超滤对焦糖色率、红/黄色素指数的影响

取普通焦糖原样及分级样品，测定焦糖的色率、红/黄色素指数[18,19]，研究分子量大小对焦糖色率、红/黄色素指数的影响及它们之间的关系.

1.2.2 超滤对焦糖化学结构的影响

取经干燥处理的普通焦糖原样及分级样品，加入一定量的溴化钾，充分研磨，利用傅立叶红外光谱仪对普通焦糖及分级样品进行分析和鉴定.

配制0.1%的普通焦糖原样及分级样品溶液，采用紫外-可见分光光度计对其进行全波段扫描，间隔2 nm，绘制扫描曲线.

1.2.3 超滤对焦糖中4-甲基咪唑的影响

内标液的配制、标准品的配制、样品预处理、色谱条件、测定方法均按文献报道的方法进行[20].

1.2.4 超滤对焦糖抗氧化活性的影响

称取一定量的普通焦糖原样及分级样品，用70%的乙醇配制成2 g/L的样液，分别取400μL样液，加入2 mL浓度为0.12 mmol/L的DPPH乙醇溶液，室温下暗处放置30 min，然后于517 nm处测定吸光度.对照样液是以等体积去离子水替代焦糖色素样液，空白样液是以等体积70%的乙醇替代DPPH乙醇溶液，测定方法同上.DPPH自由基清除率计算公式如下：

DPPH自由基清除率(%)=[1-(As-Ab)/Ac]×100%

(1)

式(1)中：As-焦糖色素样液吸光度；Ab-空白样液吸光度；Ac-对照样液吸光度.

1.2.5 超滤对普通焦糖其它性质的影响

焦糖的耐盐性、带电性、pH值的测定方法均按文献报道的方法进行[17].

1.2.6 超滤对普通焦糖中有机物质的影响

样品预处理：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，振荡10 min，静置15 min，分离出有机相；然后对剩余的水相再加入20 mL二氯甲烷和20 mL乙醚，进行第二次萃取，将有机相分离；接着再进行第三次萃取，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，经振荡静置后分离有机相；最后合并上述所有的有机相，加入少量的无水Na2SO4，去除油相中少量的水份，之后用旋转蒸发仪浓缩至5 mL，供GC-MS分析用.

分析方法：检测仪器为Agilent 7890A-5975C；检测条件是以高纯He为载气，DB-5HT毛细管色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25μm)，流量1 mL·min-1，进样口温度250℃，进样量1μL；分流比为50∶1；升温过程是在初始温度40 ℃情况下保持 3 min，然后以5 ℃·min-1升温至120 ℃，之后以10 ℃·min-1升温至280 ℃，在此温度下保持5 min；MS电离源为EI源；电离能量为70 eV；离子源温度为230 ℃；四极杆温度为150 ℃；溶剂延迟时间为1.6 min；采集模式为全扫描(Scan).

将得出的实验结果与NIST08谱库对比，根据峰面积的相对数值，求出每种有机物的相对含量.计算公式如下：

W=Ax/A×100%

(2)

式(2)中：W-相对含量；Ax-产物峰面积；A-总峰面积.

2 结果与讨论

2.1 超滤对焦糖的色率、红/黄色素指数的影响

不同分子量对普通焦糖色素色率的影响如图1所示.分级后焦糖的色率随着分子量的增加而增加，分子量小于10 kDa焦糖的色率最低，为263.94EBC，是未经超滤处理的普通焦糖(11526EBC)的2.29%.而分子量大于300 kDa焦糖的色率最大，为26586EBC，是普通焦糖的2.3倍.其原因是糖类在加热过程中通过两种途径形成类黑精，一种是通过低分子量物质之间随机反应形成中间物，中间物经聚合反应形成类黑精.另一种是反应体系中可能存在一个重复的单元分子，该单元分子几乎对颜色形成没有影响，一些有色的低分子量物质再连接在这个单元分子中，从而形成高分子量的类黑精物质[14,15].焦糖的分子量越大，形成的类黑精越多或吸附在单元分子上的有色物质越多，焦糖的色率越高.

图1 分子量对焦糖色率的影响

不同分子量对普通焦糖红/黄色素指数的影响如图2所示，焦糖的黄色素指数高于红色素指数，普通焦糖的红色指数为6.35，黄色指数为9.45.

分级后焦糖的红/黄色素指数均随分子量的增加而降低，当截留分子量大于300 kDa时，其红/黄色指数最低，分别为5.5和7.69，是未经超滤处理普通焦糖的86.6%和81.4%；当截留分子量小于10 kDa时，其红/黄色素指数最大，分别为7.9和10.69，是普通焦糖的124%和131%.

图2 分子量对焦糖红/黄色素指数的影响

综合图1、2，可以看出焦糖的色率与红/黄色素指数之间呈负相关性，色率越高，红/黄色素指数越低.色率是焦糖色深浅程度的度量，用色率强度(EBC单位)表示；红/黄色素指数代表焦糖的色调.红/黄色素指数越高，用其配制的酱油，炒出的菜品颜色越鲜艳诱人.然而离开色率去谈红/黄色素指数是没有实际意义的，分子量小于10 kDa、10～50 kDa和50～100 kDa的焦糖虽然有较高的红/黄色指数，但由于其色率较低，研究意义不大，因此之后的研究主要以100～300 kDa及大于300 kDa的焦糖为研究对象.

焦糖色素的形成主要集中在焦糖化反应的后期，焦糖化反应的时间越长，焦糖的色率越高，红/黄色素指数越低，但反应时间过长，树脂化程度加剧，焦糖耐盐性变差.增加反应温度能够提高焦糖化反应的速率，温度越高，焦糖的色率越高，但温度过高，焦糖容易碳化.这一发现为改变反应条件生产多用途的焦糖奠定了基础.

2.2 超滤对焦糖化学结构的影响

大于300 kDa和100～300 kDa及普通焦糖原样的红外光谱图如图3所示.从图3可以看出，三条曲线的波形和特征吸收峰基本相同，这说明分级后样品与原样中主要官能团和结构基本一致.

3 350 cm-1、3 310 cm-1处是O-H的伸缩振动吸收峰.游离羟基的伸缩振动峰在3 600 cm-1附近，而此峰向小波数方向位移，且峰形较宽，可能是由于分子间的O-H存在较强的氢键缔合作用.1 030 cm-1处吸收为1 300～1 000 cm-1区C-O伸缩振动吸收，由此可见，焦糖中含有羟基结构.2 920 cm-1、2 930 cm-1为脂肪族-CH2-的对称、不对称伸缩振动吸收峰，此吸收峰在(2 926±10 cm-1)的位置比较恒定，基本可以确定样品中含有烷烃结构(-CH2-)结构1 676 cm-1、1 666 cm-1、1 595 cm-1为C=O、O=C-O的伸缩振动吸收峰；1 370 cm-1、1 380 cm-1为脂肪族甲基、亚甲基、次甲基的C-H伸缩振动吸收峰；600 cm-1附近为吡喃环或苯环骨架的吸收峰[17].

图(3)中曲线c在3 330～3 360 cm-1处的吸收峰明显比曲线a、b的强，说明超滤处理后焦糖中O-H的含量降低.

图3 焦糖的红外光谱图

大于300 kDa、100～300 kDa及普通焦糖原样的全波段扫描图如图4所示.其中，a、b、c三条曲线在224 nm、282 nm处均有特征吸收峰，且波形走势基本相同，即超滤不影响焦糖的紫外吸收.224 nm是因苯环共轭导致的K带、E带和B带相叠加的末端吸收带.282 nm为羟基较强的R带吸收带[6].进一步表明普通焦糖中含有苯环共轭体系.

图4 焦糖的全波段扫描图

2.3 超滤对焦糖中4-甲基咪唑的影响

由表1可以看出，三种焦糖中均不含4-甲基咪唑.结合表1、2，说明普通焦糖不含咪唑类化合物，其生产方法是一种安全的焦糖生产方法.

表1 焦糖中的4-甲基咪唑的检测

2.4 超滤对焦糖抗氧化活性的影响

大于300 kDa、100～300 kDa及普通焦糖原样与DPPH自由基清除率的关系如图5所示.普通焦糖及其分级样品均具有很好的自由基清除能力，普通焦糖对DPPH自由基的清除能力最强，100～300 KDa的焦糖对DPPH自由基的清除能力最弱，大于300 kDa的焦糖对DPPH自由基的清除能力介于两者之间.其原因可结合图3加以解释.由图3可以看出，普通焦糖(未经超滤处理的)在3 350/3 330 cm-1处吸收峰比分级样品的吸收峰大而宽，说明普通焦糖中含有较多的羟基，在与DPPH作用时，羟基给出质子，自身聚合成稳定的二聚体[21].大于300 kDa的焦糖比100～300 kDa的焦糖分子中含有更多的孤对电子，所以具有更高的DPPH清除活性.

图5 焦糖分子量与DPPH自由基清除率的关系

2.5 超滤对普通焦糖其它性质的影响

超滤对焦糖物理性质的影响如表2所示.普通焦糖与分级样品的pH值、耐盐性、带电性基本相同，说明超滤对各级产品的pH值、耐盐性、带电性没有明显的影响，其原因是超滤并没有改变焦糖的化学性质.

表2 超滤对焦糖物理性质的影响

注：+代表正电性2.6 超滤对普通焦糖中有机物质的影响

普通焦糖原样及大于300 kDa、100～300 kDa的气相色谱-质谱法总离子流图如图6所示.将得出的实验结果通过人工解析和质谱库检索相结合的方法进行定性分析，分别得出其大概都含有80种有机化合物，并对每种有机物的相对含量进行计算后归类总结.结果如表3所示.

(a)普通焦糖原样

(b)分子量>300 kDa的截留组分

(c)分子量100～300 kDa的截留组分图6 普通焦糖的气相色谱-质谱总离子流图

从表3中可以看出，超滤对普通焦糖中有机化合物含量的变化有一定的影响，但是其主要成分均为烃、醇、酯及醛酮四类物质，这四大类物质均为焦糖中的主要呈香成分，其总量分别占普通焦糖、分子量大于300 kDa及100～300 kDa样品总量的85.81%、88.93%、83.93%，说明通过超滤使得分子量大于300 kDa截留组分的呈香成分大于其他两者，而100～300 kDa截留组分的呈香成分低于其他两者，说明呈香成分主要以大分子物质存在，即通过超滤浓缩后存在于大分子量的组分中.普通焦糖原样呈香成分低于大于300 kDa组分，高于100～300 kDa组分，说明通过超滤使得呈香物质得到分散.

表3 普通焦糖中有机化合物种类及含量

3 结论

焦糖的色率随着分子量的增加而增加，红/黄色素指数随着分子量的增加而减小，超滤技术辅助可得到高色率、高红/黄色素指数的焦糖，这为多用途焦糖的生产提供了理论依据.

红外分析及全波段扫描分析发现，普通焦糖含羟基、烷烃及苯环的共轭结构.有机元素分析检测到普通焦糖中N元素含量为0%，同时气相色谱法未检出4-甲基咪唑，因而为一种安全的焦糖色素生产方法.普通焦糖的抗氧化性最强，大于300 kDa焦糖的抗氧化活性次之，100～300 kDa焦糖的抗氧化活性较低.超滤对普通焦糖的pH值、耐盐性、带电性几乎没有影响.

通过气相色谱-质谱法对普通焦糖及分级样品进行定性定量分析，结果发现烃类、醇类、酯类及醛酮类的总量分别占普通焦糖、分子量大于300 kDa及100～300 kDa样品总量的85.81%、88.93%、83.93%，这四大类物质是普通焦糖中的主要香气成分，说明超滤分级使得呈香成分主要存在于大分子量的组分中，使得普通焦糖风味物质得到浓缩，满足广大消费者对风味物质要求，同时，这一研究为普通焦糖机理的研究奠定了基础.

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【责任编辑：蒋亚儒】

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

陕西省科技厅科学技术研究发展计划项目(2014K08-25)

李 祥(1963-)，男，陕西咸阳人，高级工程师，硕士生导师，研究方向：天然产物化学

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

TS202.3

A