普通焦糖色素制备及性质研究

李祥，卢瑞，马倩鹤，豆静茹，蔺旺梅

(陕西科技大学 化学与化工学院，西安 710021)

焦糖色素又称酱色，是各种糖类以干燥固体或浓缩溶液的形式单独或与某些添加剂一起被加热而产生的一种棕褐色物质，其在水中完全溶解，在有机溶剂中几乎不溶，具有聚合物的性质[1]。它能增加食品的感官性质，提高食品的商品价值，是一种历史悠久的食品添加剂，被广泛应用于食品、饮料、酿造等行业[2-5]。

目前，焦糖色素产销量越来越大，成为许多产品加工过程中不可或缺的部分，消费者对其质量要求也越来越高。许多科研工作者在氨法焦糖色素的研究方面投入了大量的时间与精力[6]，而忽略了对普通焦糖色素的研究。氨法焦糖由于氮类催化剂的添加，会产生4-甲基咪唑，危害人类的健康，按GB 8817-2001的规定，氨法焦糖中4-甲基咪唑含量不能超过 200 mg/kg[7]。4-甲基咪唑[8-12]具有强烈的神经毒性、致癌活性等。因而制备的焦糖色素中不期望有4-甲基咪唑的产生。本实验的目的是采用蒸馏法制备出高品质且不含4-甲基咪唑的普通焦糖色素。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

白砂糖：一级纯，云南德宏英茂糖业有限公司；4-甲基咪唑：优级纯，美国Sigma公司；N,N-二甲基苯胺、二氯甲烷、碳酸钠、氯化钠、盐酸、溴化钾、硅藻土、明胶、单宁酸、氢氧化钠：均为分析纯，购于西安市化学试剂公司。

723N可见分光光度计 上海仪电分析仪器有限公司；DF-101S集热式恒温加热器；磁力搅拌器 巩义市予华仪器有限责任公司；BSA224S电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；VECTOR33傅立叶红外光谱仪 德国Bruker公司；Vario EL III有机元素分析仪 德国 Elementar 公司；SevenEasy pH酸度计 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；SHB-3循环多用真空泵 郑州三菱仪器厂；RE-2002旋转蒸发仪 西安子夜仪器有限公司；GT10-1高速离心机 上海安亭科技仪器厂；GC-2114C气相色谱仪 日本岛津公司。

1.2 实验方法

1.2.1 普通焦糖色素的制备

称取100 g白砂糖于250 mL三口烧瓶中，在油浴锅中边搅拌边加热，温度升至160 ℃时白砂糖开始熔化，继续升至180 ℃时，白砂糖全部熔化，溶液呈棕色，接着体系内再升温至190～200 ℃，熔融的糖液开始起泡，溶液变为棕褐色。起泡后收集一定量的馏分，然后将蒸馏装置改为冷凝回流装置，继续反应一定的时间后，缓慢滴加Na2CO3溶液适量，待其充分反应，冷却后将样品贮存待用。

1.2.2 色率、红色指数、黄色指数的测定

0.1%普通焦糖色素溶液的配制：参照文献[13-15]，精确称量1.00 g普通焦糖色素样品，用蒸馏水溶解，配制0.1%的样液，2400 r/min的离心机离心10 min。

取上述离心液用可见分光光度计于610，510，460 nm处测定其吸光度A610，A510，A460，均重复测定3次，取平均值A1，A2，A3，按下式a，b，c分别计算色率、红色指数、黄色指数：

色率(EBC单位)=A1×20000/0.076，

(a)

红色指数=10×lg(A2/A1)，

(b)

黄色指数=10×lg(A3/A1)。

(c)

1.2.3 耐盐性的测定

配制质量分数为20%的NaCl溶液，取25 mL 20%的NaCl溶液溶解1 g普通焦糖色素样品，搅拌均匀后倒入20 mL比色管中。在明亮处观察比色管中溶液，24 h后用同样方法再次观察。若溶液透明、无浑浊沉淀，则说明耐盐性好，否则耐盐性差[16]。

1.2.4 pH的测定

用酸度计对1 g/L的普通焦糖色素溶液直接进行pH的测定。

1.2.5 电荷的测定

等电点是蛋白质呈中性时的酸碱值，它是根据不同电荷相互吸引的原理测定的。通过已知胶体来计算其电荷改变的酸碱值。其测定方法如下：配制0.5%的明胶溶液，分别取25 mL于4个烧杯中，用酸调节各pH值为1.0，1.5，2.0，2.5。再分别取25 mL 1%普通焦糖色素溶液于4个烧杯中，用酸调节各pH值为1.0，1.5，2.0，2.5。将调整pH值后的1%焦糖色素分取10 mL于试管中，加入相等酸度的明胶10滴。放置12 h后观察，若溶液依旧澄清，说明其带正电，反之则带负电[17]。

1.2.6 泡沫实验

不同产品对焦糖色素的起泡性要求不同，如可乐型饮料要求低泡沫焦糖色素，而黑啤酒则需多泡沫焦糖色素。所以起泡性对焦糖色素的应用性有很大的影响。测定方法：取1%的普通焦糖色素溶液20 mL，用玻璃棒搅拌3 min，置于60 ℃水浴锅中，监测其起泡消失的时间[18]。

1.2.7 胶体性质的测定

胶体性质是焦糖色素在溶液中能否稳定存在的一个重要指标。测定方法：配制l%单宁酸溶液。将6 mL该溶液与7 mL l%的普通焦糖色素混合，放置1天，观察现象。如果清晰则胶体性质良好，如果有沉淀则胶体性质差。

1.2.8 树脂化时间的测定

取普通焦糖色素样品少许密封于玻璃管中，置于100 ℃左右的高温烘箱中，观察出现树脂化的时间[19]。

1.2.9 普通焦糖色素的结构特征

取经干燥处理的普通焦糖色素样品，利用傅立叶红外光谱仪进行分析，扫描波数4000～400 cm-1。

配制0.1%的普通焦糖色素样品溶液，采用紫外-可见分光光度计进行全波段扫描，扫描范围200～800 nm。

1.2.10 普通焦糖色素的安全性实验

1.2.10.1 有机元素分析仪测定元素含量

精确称取绝干后的普通焦糖色素样品2.1860 mg，用锡纸包好压实进行有机元素分析，重复测2～3次，取平均值，测定C，H，O，N元素的百分含量。

1.2.10.2 GC法测定4-甲基咪唑

内标溶液的配制：精密称取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 ℃保存备用。

标准品储备液的配制：精密称取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 ℃保存备用。

样品前处理：精确称取5.00 g样品于250 mL烧杯中，加入3.0 mol/L的NaOH溶液35 mL，充分混匀后加硅藻土30 g混合至半干，装入层析柱(25 mm×250 mm)。打开层析柱的聚四氟乙烯活塞，注入二氯甲烷至充满，关闭活塞，静置15 min。打开活塞后用二氯甲烷洗脱，收集300 mL洗脱液，用旋转蒸发仪将洗脱液浓缩至1～2 mL，将浓缩液移入10 mL容量瓶中，精密加入内标溶液1 mL，二氯甲烷洗涤蒸发瓶后移入容量瓶并定容，6 ℃保存，作为供试品溶液[20，21]。

色谱条件：Inertcap 5石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，进样口温度250 ℃；程序升温：柱子初温80 ℃，以30 ℃/min的速率升温至200 ℃，保持5 min，氢离子火焰检测器温度250 ℃；载气：高纯氮气，流速3 mL/min；氢气：40 mL/min；空气：400 mL/min；尾吹气(He)：30 mL/min；分流比50∶1；平衡时间30 min；进样量：1 μL。

1.2.11 普通焦糖色素的应用性实验

于250 mL烧杯中分别称取10 g自制、市售的焦糖色素，各加入100 mL 20%的NaCl水溶液，搅拌溶解并煮沸，将切好的3 cm×3 cm×2 cm白豆腐煮入其中，5 min后将豆腐取出，观察其色泽，之后每隔1 h，观察其颜色变化。另取海天酱油按同样的方法操作实验。

2 结果与分析

2.1 普通焦糖色素的性质检测结果

普通焦糖色素的性质检测结果见表1。

表1 普通焦糖色素的性质检测结果Table 1 The test results of the properties of ordinary caramel pigment

本实验制备的普通焦糖色素的色率在8000～16000 EBC范围内，符合国家标准对Ⅰ类焦糖色素的要求。其红色指数为6.0～6.7，黄色指数为9.2～10.3，其值高于一般的焦糖色素，克服了我国因使用焦糖色素而致酱油炒菜时菜品颜色发乌的缺点。产品的消泡时间短、树脂化时间长、稳定性好，即货架期长，可作为焙烤食品、饮料等的添加剂。该焦糖色素pH值在4.0～6.0范围内，可用于酱油、醋等。其所带电荷为正电荷，适宜用于酿造业。另外，该焦糖色素的耐盐性、耐酸性、溶解性均良好。

2.2 普通焦糖色素的结构表征

普通焦糖色素的全波段扫描图见图1。在200～400 nm之间出现了2个明显的吸收峰，说明样品中存在共轭结构。在224 nm处有强的吸收峰，可能是由于分子中苯环结构及其他共轭结构引起K带、E带和B带在末端相叠加的吸收带。在282 nm处可能为羟基较强的R带吸收带，进一步表明普通焦糖中含有苯环共轭体系及其他共轭结构等发色基团。

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

图2 普通焦糖色素的FTIR图谱Fig.2 FTIR spectra of ordinary caramel pigment

2.3 安全性分析

普通焦糖色素的有机元素分析结果见表2。N元素含量为0，说明该焦糖色素不含或难以检测出以4-甲基咪唑为代表的咪唑类化合物，则该焦糖色素是安全的。

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

为了进一步确证普通焦糖色素中不含以4-甲基咪唑为代表的咪唑类化合物，采用气相色谱法测定，结果见图3～图5。

图3 4-甲基咪唑标准品的气相色谱图Fig.3 Gas chromatogram of standard 4-methyl imidazole

图4 普通焦糖色素的气相色谱图Fig.4 The gas chromatogram of ordinary caramel pigment

图5 市售氨法焦糖色素气相色谱图Fig.5 The gas chromatogram of ammonia caramel pigment on sale

图3为4-甲基咪唑标准品的GC图，在4.1 min和4.4 min处有2个强的吸收峰，分别为1号：4-MI的吸收峰，2号：N,N-二甲基苯胺的吸收峰。图4为普通焦糖色素的GC图，在4.1 min处没有出现吸收峰，说明其中不含4-甲基咪唑。图5为市售氨法焦糖色素的气相色谱图，4.1 min处出现4-甲基咪唑吸收峰，说明其中含有4-甲基咪唑。由此可见利用该法生产的普通焦糖色素不含有以4-甲基咪唑为代表的咪唑类化合物，该法是一种安全的焦糖色素生产方法。

2.4 应用性分析

图6 Sample 1～3分别为市售、自制焦糖色素及海天酱油煮过的豆腐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

由图6可知，经自制普通焦糖色素溶液煮沸后的豆腐颜色红润，鲜艳诱人，饱和感强，与海天酱油煮沸的豆腐基本一致，经市售焦糖色素溶液煮沸的豆腐颜色发乌，不清亮。豆腐实验虽缺乏科学依据，但实践性强，被中国多数酱油、焦糖色素企业所采用，可作为焦糖色素着色性的评判标准。

3 结论

通过对本法生产的普通焦糖色素基本性质的分析，表明该产品的各项指标都符合国家标准，色率的范围为8000～16000 EBC，红色指数的范围为6.0～6.7，黄色指数的范围为9.2～10.3，pH值范围为4.0～6.0，耐盐性、耐酸性均良好，消泡时间短，树脂化时间长。有机元素分析及4-甲基咪唑的气相色谱分析，充分证明了本法生产的普通焦糖色素不含有4-甲基咪唑，因而该法是一种安全的焦糖色素生产方法。通过豆腐实验表明了本法制备的普通焦糖色素溶液煮沸后的豆腐颜色红润，鲜艳诱人，饱和感强，与海天酱油煮沸的豆腐基本一致，为其应用及工业化生产奠定了基础。

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