废蜜普通法焦糖色素的制备及特性研究

蔡吉祥，杨秋玉，苏龙，朱庆宁，赵海燕*

(1.广西科技师范学院 食品与生化工程学院，广西 来宾 546119；2.来宾百盛生物科技有限公司，广西 来宾 546119)

焦糖色素，又名酱色或焦糖，是糖类物质(蔗糖、糖蜜、葡萄糖、果糖等)在高温加热情况下脱水、分解和聚合而成的一类具有焦香味的红褐色或黑褐色天然色素物质[1-2]。根据生产原料的不同可将焦糖色素分为4类：普通法焦糖[3]、亚硫酸盐焦糖[4]、氨法焦糖[5]及亚硫酸铵法焦糖[6]，其中普通法焦糖色素因生产过程中不添加含氨(铵)化合物，产品中一般不含四甲基咪唑等有害物质，因其安全性更高，越来越受市场的青睐，成为当下研究的热点[7]。

制糖废蜜是以甘蔗、甜菜或原糖为原料制取的糖汁，经过清净、蒸发、结晶、分蜜等工序后，无法结晶出蔗糖的残留液，其中主要包括糖类、色素、无机盐等物质[8-9]。因糖蜜中含有丰富的糖类及其他活性物质，所以对其的研究也较多，主要包括利用糖蜜生产酒精[10]、生产活性酵母、制备高果糖浆[11]、制备焦糖色素等，其中以废蜜制备焦糖色素的研究主要集中在氨法焦糖及亚硫酸铵法焦糖色素的制备的研究上[12-13]，而以糖蜜制备普通法焦糖色素的研究较少，本文以制糖废蜜为原料生产普通法焦糖色素并对制备的色素特性进行分析，为废蜜的综合利用提供了一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘蔗制糖废蜜、无水乙醇、DPPH试剂、盐酸、浓硫酸、氢氧化钠、磷酸二氢钠、无水亚硫酸钠、柠檬酸钠：均为分析纯。

1.2 仪器与设备

UV-5100型紫外分光光度计 上海元析仪器有限公司；GSH-5L反应釜 威海环宇化工机械有限公司；Bettersize 2600E激光粒度分布仪 丹东百特仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 原料预处理

将废蜜稀释至35～36 °Be', 再加入一定量的稀硫酸调节pH至4.8～5.0之间，然后加热至一定温度并搅拌一定时间,过滤，取清糖液进行反应。

1.3.2 焦糖化反应

称取经过预处理并调节pH的废蜜2 L置于反应釜内，常压下以200 r/min搅拌，升温至一定温度，再保温一定时间，冷却后测定焦糖色的色率、红色指数、黄色指数，存储待用。

1.3.3 单因素试验

按照“1.3.2”项试验方法制备焦糖色素，研究pH(3，4，5，6，7)、温度(100，110，120，130，140 ℃)、反应时间(1，2，3，4，5 h)对焦糖色素的影响。

1.3.4 焦糖色特性的研究

1.3.4.1 水浴时间对焦糖色稳定性的影响

取制备终止后的焦糖色素50 mL置于沸水浴中，分别在水浴处理 30，60，90，120 min时取样，即时放入冷水浴中快速降至室温，测其pH，然后在610，510，460 nm波长下测定吸光度，计算色率、红色指数、黄色指数。重复3组平行试验，取平均值。

1.3.4.2 样品浓度对焦糖色稳定性的影响

取反应终止后的焦糖色素并配制浓度为0.4，0.8，1.2，1.6，2 mg/mL的样品溶液，测其吸光度，然后置于沸水中1 h，取出冷却至室温，在610，510，460 nm下测其吸光度，进行3组平行试验，取平均值。

1.3.4.3 样品pH对焦糖色稳定性的影响

称取反应终止后的焦糖色素0.25 g，分别用相同体积的pH值为2，4，6，8，10的盐酸或者氢氧化钠溶液溶解，定容于250 mL的容量瓶中。在60 ℃下水浴中30 min，取出于冷水中降至室温，在610，510，460 nm下测定吸光度，平行3次试验，取平均值。

1.3.4.4 不同盐浓度对焦糖色素稳定性的影响

分别配制浓度为0.4，1.2，2，2.8,3.6 mg/mL的柠檬酸钠、磷酸二氢钠、无水硫酸钠溶液备用。取15份相同质量的试验样品0.25 g于容量瓶中，分别向其中加入相同体积的浓度为0.4，1.2，2,2.8,3.6 mg/mL的柠檬酸钠、磷酸二氢钠、无水硫酸钠溶液溶解，定容于250 mL容量瓶中，静置30 min后测定吸光度，进行3组平行试验。

1.3.4.5 焦糖色素的清除DPPH自由基能力的测定[14]

将制备终止后焦糖色素配制成浓度为0.4，0.8，1.2，1.6，2 mg/mL的样品溶液，然后分别取2 mL样品溶液于试管中,再分别加入2 mL 0.04 mmol/L DPPH乙醇溶液摇匀，常温下静置30 min，在517 nm下测定吸光值，记为A1。再分别取2 mL样品溶液于试管中，加入2 mL无水乙醇溶液，在517 nm下测定吸光值，记为A2。最后取2 mL无水乙醇于试管中，加入2 mL 0.04 mmol/L DPPH试剂，在517 nm下测定吸光值，记为A0。平行3次试验。

1.3.4.6 焦糖色素粒径分布

2 结果与分析

2.1 单因素试验对制备焦糖色素的影响

2.1.1 pH对焦糖色素色率的影响

由图1可知，焦糖色素的色率随着pH的升高先升高后降低，在pH为5时色率最高，同时发现当pH为3时，制备的焦糖色素中有大量的黑色固体，这可能是在低pH环境下，美拉德反应及焦糖化反应受到抑制，糖类物质在高温情况下出现碳化现象。

图1 pH对焦糖色素色率的影响

2.1.2 反应温度对焦糖色素色率的影响

由图2可知，焦糖色素的色率随着温度的升高先升高后降低，当反应温度为110 ℃时色率最高，这可能是由于随着温度越来越高，糖类物质碳化现象也越来越明显，导致色率会出现微微下降的情况。

图2 反应温度对焦糖色素色率的影响

2.1.3 反应时间对焦糖色素色率的影响

由图3可知，焦糖色素的色率在达到规定温度后在保温4 h内随着保温时间的延长而升高，当保温时间超过4 h后其色率逐渐降低，这可能是由于在开始反应阶段，反应体系底物比较充足，糖蜜中的糖类物质发生焦糖化反应及美拉德反应的速率逐渐增加，所以色率逐渐升高，但保温时间过长，糖类物质发生碳化反应的概率越大，这从得到的产品中出现的不溶物也可以看出，同时不溶物的存在也降低了焦糖色素的品质[16]。

图3 反应时间对焦糖色素色率的影响

通过单因素试验得出当糖蜜pH为5，反应温度为110 ℃，反应时间为4 h时，制备的焦糖色素色率最高，此条件下生产的焦糖色率达20263 EBC，红色指数为5.93，黄色指数为9.11，制备的焦糖色素中没有颗粒沉淀物。

由于机械臂为双弹簧连杆机构串联而成，此结构决定了机械臂前后两节所受的负载不相同，机械臂后一节受到负载以及自身重力的作用，而前一节除了受负载以及自身重力外还承受后一节的重力。因此前一节提供的支撑力要略大于后一节，所以θ1对机械臂性能的影响要略大于θ2，这与仿真试验结果吻合。

2.2 焦糖色特性的研究

2.2.1 水浴时间对焦糖色稳定性的影响

由图4可知，制备终止后的焦糖色体系在高温水浴处理的情况下pH值都会随着水浴时间的增加而降低，最后趋于稳定，这可能是因为焦糖化反应过程中，糖类物质在高温情况下还存在一定程度的酸化过程，制备终止后在高温情况下该反应仍发生，才导致pH降低，但随着时间的延长，该酸化过程越来越少，体系的pH值趋于稳定。

图4 水浴时间对焦糖色体系pH的影响

由图5可知，反应终止后的焦糖色体系在沸水浴过程中随着时间的延长，色率逐渐升高，而红色指数和黄色指数色率略有下降，最终都趋于稳定，这说明焦糖色体系在高温水浴过程中呈色物质逐渐增多，但黄色组分及红色组分越来越少，这可能是由于该焦糖色分子结构中的π键电子发生共轭，共轭体系中电子的离域作用使吸收波长向长波方向移动，从而使焦糖色素增色[17]，但焦糖色素中的红色、黄色物质对温度较敏感，当温度较高时易发生降解，导致红色、黄色组分所占比例减少[18]，也说明该焦糖色体系在高温水浴过程中可能有部分红色及黄色组分转化成其他呈色物质。

图5 水浴时间对焦糖色色率、红色指数和黄色指数的影响

2.2.2 样品浓度对焦糖色稳定性的影响

由图6可知，制备终止的样品在热处理过程中，色率越来越高，而黄色指数和红色指数越来越低，这与水浴试验结论相同，但当浓度越来越高时，色率增加率提高并趋于稳定，黄色指数减少，色率越来越高并趋于稳定，这说明样品浓度对焦糖色的稳定性存在明显影响。原因可能是浓度升高，类黑色素物质聚合越明显，导致焦糖色色率越高，且有较多黄色物质及红色物质转化为其他色素物质。

图6 样品浓度对焦糖色色率、红色指数和黄色指数的影响

2.2.3 样品pH对焦糖色稳定性的影响

由图7可知，pH值在2～10的范围内，糖蜜普通法焦糖色素的色率呈适当降低并趋于稳定的趋势，红色指数基本稳定，而黄色指数呈稍微升高并趋于稳定的趋势，主要原因可能是普通法焦糖色素的pH在3～4左右[19]，碱性环境会破坏焦糖色素的胶体特性，导致其不稳定色率降低，因此偏酸性环境更有利于焦糖色素的稳定性。

图7 pH对焦糖色色率、红色指数、黄色指数的影响

2.2.4 不同盐浓度对焦糖色素稳定性的影响

由图8可知，随着柠檬酸钠浓度的增加，糖蜜普通法焦糖色色率逐渐降低并趋于稳定，黄色指数及红色指数逐渐增加，而随着无水亚硫酸钠的浓度增加，焦糖色素的色率、红色指数及黄色指数变化不大，说明无水亚硫酸钠对焦糖色的色率几乎没有影响，随着磷酸二氢钠浓度的增加，焦糖色色率先升高后降低，而红色指数和黄色指数先下降后升高。从上述结果可以看出，不同的盐分对糖蜜普通法焦糖色素的影响不同，其中柠檬酸钠及磷酸二氢钠对焦糖色素的影响较大，而无水亚硫酸钠对焦糖色素的影响较小，谢长兴[20]认为焦糖色素的耐盐性问题十分复杂, 受电荷、等电点、pH、胶体物质等因素影响，因此在生产和应用中要注意盐类的添加对色素的影响。

图8 盐浓度对焦糖色色率、红色指数、黄色指数的影响

2.2.5 焦糖色清除DPPH自由基能力的测定

由图9可知，当焦糖色素浓度为0.4～2.0 mg/mL之间时，焦糖色素清除DPPH·的能力随着浓度的增加而增加并趋于稳定，且当浓度为1.2 mg/mL时其清除率已达到了83%以上，因此该焦糖色素表现出较好的清除DPPH·的能力。

图9 焦糖色对DPPH·的清除能力

2.2.6 焦糖色素粒径分布

由表1和图10可知，糖蜜普通法焦糖色素在热处理前后其粒径分布都较广，这可能是由于糖蜜中的成分比较复杂，所以制备的焦糖色素粒径分布较广，另外，制备的焦糖色素粒径主要集中在0.1～3.162 μm范围内，占总量的67%以上，其中热处理后的焦糖色粒径分布变宽了，小粒径的焦糖色素分子占比减少了，说明在热处理过程中有部分小分子色素物质积聚成了新的大分子色素。

表1 热处理前后粒度分布详细表

图10 热处理前后焦糖色素粒径分布

3 结论

本试验表明当糖蜜pH为5，反应温度为110 ℃，反应时间为4 h时，制备的焦糖色素色率最高，色率达20263 EBC，同时红色指数为5.93，黄色指数为9.11，且制备的焦糖色素中没有颗粒沉淀物。通过对制备的焦糖色素的特性研究发现，高温水浴处理可降低焦糖体系的pH值，提高焦糖体系的色率并促使焦糖色素趋于稳定，样品浓度对焦糖色的存储稳定性存在明显影响，焦糖色素在偏酸性环境中更稳定，柠檬酸钠及磷酸二氢钠对焦糖色素的影响较大，而无水亚硫酸钠对焦糖色素的影响较小，当焦糖色素浓度为1.2 mg/mL时，DPPH·清除率超过83%，表现出较好的抗氧化活性，通过对焦糖色素粒径分析可知，该焦糖色素粒径分布较广，主要集中在0.1～3.162 μm范围内，占总量的67%以上，且热处理后的焦糖色素粒径分布变宽了。