工艺条件对以赤砂糖为原料制备的焦糖色素品质影响研究

严景臣，黄永春，詹宗明，韦红玲，杨锋*

(1.广西科技大学 生物与化学工程学院，广西 柳州 545006；2.广西糖资源绿色加工重点实验室，广西 柳州 545006)

焦糖色素是一种食品行业中的天然着色剂，广泛应用于碳酸或非碳酸饮料、烘制食品、肉制品、食醋等，其用量占食用色素总量的90%以上[1]。目前主要采用普通法、氨法、苛性亚硫酸钠法和亚硫酸铵法生产，生产原料主要有：淀粉、母液、蔗糖废蜜等。

赤砂糖是生产白砂糖过程中糖蜜未被完全分离的副产品，其方便速溶，为棕红色或黄褐色带蜜砂糖[2]。由于赤砂糖是甘蔗制糖生产的末级产品，杂质含量高，所以一直得不到较好的利用，但赤砂糖较传统糖业生产规范、产量大、价格低，是理想的焦糖色素生产原料。在焦糖色素生产过程中，工艺条件对焦糖色素的品质、应用和稳定性有很大影响。所以本文以赤砂糖为原料，采用普通法、氨法、亚硫酸铵法、苛性亚硫酸钠法制备焦糖色素，研究了pH、温度、时间对产物色率、红色指数、黄色指数、粒径和Zeta电位的影响，为焦糖色素的生产及产品品质的控制提供了理论依据。

1 材料与仪器

材料：一级赤砂糖，忻城南华糖业有限责任公司；实验所用试剂均为国产分析纯。

仪器：HDM-1000恒温电热套 常州国华电器有限公司；V2000可见分光光度计 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；PHS-25CW pH计 上海般特仪器制造有限公司；JJ200电子天平 常熟市双杰测试仪器厂；Nano-ZS90粒度及电位仪 英国Malvern仪器有限公司。

2 实验方法

2.1 色率、红色指数、黄色指数、粒径和Zeta电位测定方法

按文献[3]的方法测定色率、红色指数、黄色指数。

粒径和Zeta电位：取浓度为0.1%的焦糖色素样品，选择Size软件，于25 ℃条件下测定其粒径，取3次测定的平均值。取浓度为0.1%的焦糖色素样品，选择Zeta电位测量软件，测定条件：1 cm聚苯乙烯池，一对0.45 cm2铂电极，间距为0.4 cm，测定温度为25 ℃，平衡时间为3 min，取3次测定的平均值。

2.2 原料预处理

取140 g赤砂糖与60 g水，加热溶解，加入20%的HCl或NaOH溶液，调节pH为5.0，8.0，10.0。

2.3 pH对普通法、氨法、亚硫酸铵法、苛性亚硫酸钠法焦糖色素品质的影响

取pH为5.0,8.0,10.0的赤砂糖溶液，分别加入水、25%的氨水、25%的亚硫酸铵、25%的亚硫酸钠20 mL，加热回流1 h，将以上样品在200 ℃下反应30 min，测定其吸光度、粒径和Zeta电位。

2.4 时间对普通法、氨法、亚硫酸铵法、苛性亚硫酸钠法焦糖色素品质的影响

取pH为8.0的赤砂糖溶液，分别加入水、25%的氨水、25%的亚硫酸铵、25%的亚硫酸钠20 mL，加热回流1 h，将以上样品在200 ℃下分别反应15，30，45 min，测定其吸光度、粒径和Zeta电位。

2.5 温度对普通法、氨法、亚硫酸铵法、苛性亚硫酸钠法焦糖色素品质的影响

取pH为8.0的赤砂糖溶液，分别加入水、25%的氨水、25%的亚硫酸铵、25%的亚硫酸钠20 mL，加热回流1 h，将以上样品分别在180，200，220 ℃下反应30 min，测定其吸光度、粒径和Zeta电位。

2.6 数据处理

采用SPASS 20.0对数据进行统计分析，实验结果以平均值±标准偏差表示，差异显著性采用LSD检验法。

3 结果与讨论

3.1 pH、时间、温度对焦糖色素色率、红色指数和黄色指数的影响

图1 pH、时间、温度对色率的影响Fig.1 The effect of pH, time, temperature on color ratio

图2 pH、时间、温度对红色指数的影响Fig.2 The effect of pH, time, temperature on red index

图3 pH、时间、温度对黄色指数的影响Fig.3 The effect of pH, time, temperature on yellow index

由图1～图3可知，在pH 8时4种方法制备的焦糖色素色率均达到最大，红色指数、黄色指数最小。这与谢笔钧[4]所研究的在pH 8时焦糖色素转化速率较快的结果一致。这可能是因为在弱酸或者强碱的条件下，会阻碍有色物质的聚合，影响色素的生成。而在弱碱性条件下，有利于美拉德反应的发生，反应速率加快使类黑色素物质生成加快，导致色率升高的速度比红色物质生成的速度快[5]。

普通法和氨法焦糖色素色率随时间的延长而升高，红色指数、黄色指数随之降低。这与马倩鹤[6]所研究的以白砂糖为原料制备的普通焦糖色素色率随时间变化趋势一致；与娄迎霞等[7]所研究的以葡萄糖为原料制备的氨法焦糖色素色率随时间变化趋势一致。这是因为反应时间延长，有利于色素物质进一步聚合，有色物质不断积累，形成分子量更高的呈色产物，在反应后期，红色物质会逐渐转化成类黑色素物质，从而使色率增大。亚硫酸铵法和苛性亚硫酸钠法焦糖色素色率随时间延长先升高后下降，在30 min时达到最高。这与邓丽卿等[8]所研究的亚硫酸铵法焦糖色素色率在10～60 min内随时间增大而增大，60 min后色率降低的变化趋势一致。原因是焦糖色素色率随反应时间延长而升高，但反应时间过长，焦糖色素将碳化结块，形成不溶于水的产物，不利于焦糖色素的制备。

普通法和氨法焦糖色素色率随反应温度升高而升高，红色指数、黄色指数随之降低。这与马倩鹤所研究的普通焦糖色素色率在180～220 ℃内增大的结果一致。这是因为高温有利于糖进行裂解、聚合等反应，生成类黑色素的物质比红色物质多。焦糖色素中的红色、黄色物质对温度较敏感，当遇到较高温度时易发生降解，导致红色、黄色组分所占比例减少[9]。亚硫酸铵法和苛性亚硫酸钠法焦糖色素色率随温度升高先升高后下降。这与史文慧等[10]、邓丽卿的研究结果一致。原因是温度升高可加速焦糖化反应速率，若温度过高，焦糖色素会产生树脂化现象，使色率下降。

3.2 pH、时间、温度对焦糖色素粒径的影响

图4 pH、时间、温度对粒径的影响Fig.4 The effect of pH, time, temperature on particle sizes

由图4可知，pH、时间、温度对亚硫酸铵法和苛性亚硫酸钠法焦糖色素粒径影响较小。随pH增大，普通法焦糖色素粒径先增大后减小，氨法粒径变化与普通法相反。随时间延长，普通法和氨法焦糖色素粒径均减小。随温度升高，普通法焦糖色素粒径先增大后减小，氨法粒径随温度升高而减小。不同条件下，普通法和氨法粒径均大于另外两种方法。4种方法中普通法制备焦糖色素电位较低，而粒径较大，可能是因为普通法制备的焦糖色素电位低，不同颗粒间同种电荷静电斥力较小，导致颗粒之间容易相互吸附聚集。糖类在加热过程中通过两种途径形成大分子物质：一种是通过低分子量物质之间随机反应形成中间物，中间物进一步聚合形成大分子量物质；另一种是反应体系中形成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[11,12]。由此可得普通法在反应过程中可能发生的是第二种大分子反应，而氨法、亚硫酸铵和苛性亚硫酸钠法可能发生的是第一种大分子反应。

3.3 pH、时间、温度对焦糖色素Zeta电位的影响

图5 pH、时间、温度对Zeta电位的影响Fig.5 The effect of pH, time, temperature on Zeta potential

由图5可知，随pH升高，氨法焦糖色素电位先下降后升高，亚硫酸铵法和苛性亚硫酸钠法焦糖色素电位升高，普通法电位随之下降。随时间延长，普通法、亚硫酸铵法、苛性亚硫酸钠法焦糖色素电位升高，氨法电位先升高后下降。随温度升高，普通法、苛性亚硫酸钠法焦糖色素电位随之降低，氨法随之升高，亚硫酸铵法先下降后升高。本实验所做焦糖色素均带有负电荷，这与马倩鹤、李祥等[13]以白砂糖为原料，采用蒸馏法制备焦糖色素电荷相反，与陈其钢等[14]所报道的焦糖色素所带电荷一致。Zeta电位与分散体系的表面静电荷量有关，可以用来评价分散体系的稳定性，通常认为Zeta电位绝对值≥30 mV，该分散体系可以阻止纳米粒子间因吸引力弱而造成的聚集沉淀，增强分散体系的稳定性[15]。可以看出除了普通法焦糖色素Zeta电位较低，其余3种方法均较高。说明普通法焦糖色素较其他3种方法稳定性差。

3.4 普通法、氨法、亚硫酸铵法、苛性亚硫酸钠法焦糖色素特征值分析

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

在4种方法色率均较高的条件下，即pH 8、反应时间30 min、反应温度200 ℃、催化剂用量20 mL时，对不同方法焦糖色素的特征值进行比较。由表1可知，氨法、亚硫酸铵法、苛性亚硫酸钠法焦糖色素色率及Zeta电位之间不存在显著差异(p>0.05)，普通法色率和Zeta电位值显著低于其余3种方法，为18320.00 EBC和12.33 mV；普通法、亚硫酸铵法、苛性亚硫酸钠法焦糖色素红色指数及黄色指数之间不存在显著差异(p>0.05)，氨法焦糖色素红色指数和黄色指数显著低于其余3种方法，为1.90和3.77；普通法与氨法、亚硫酸铵法和苛性亚硫酸钠法的粒径之间存在显著差异(p<0.05)，普通法和氨法焦糖色素平均粒径远大于亚硫酸铵法和苛性亚硫酸钠法。

4 结论

在pH 8时4种方法色率均达到最大；随时间和温度升高，普通法、氨法焦糖色素色率升高，亚硫酸铵法、苛性亚硫酸钠法色率先升高后下降。pH、温度、时间对普通法和氨法焦糖色素粒径影响较大，对亚硫酸铵法和苛性亚硫酸钠法焦糖色素粒径影响较小，普通法和氨法粒径大于亚硫酸铵法和苛性亚硫酸钠法。普通法焦糖色素电位低于其余3种方法，说明普通法焦糖色素稳定性较差。普通法与氨法、亚硫酸铵法、苛性亚硫酸钠法的色率及Zeta电位之间存在显著差异(p<0.05)；氨法与普通法、亚硫酸铵法、苛性亚硫酸钠法的红色指数及黄色指数之间存在显著差异(p<0.05)；普通法与氨法、亚硫酸铵法和苛性亚硫酸钠法的粒径之间存在显著差异(p<0.05)。