果糖普通法焦糖色素制備工藝優化及特性研究

蔡吉祥,楊秋玉,黃偉,朱慶寧,趙海燕*

(1.廣西科技師范學院 食品與生化工程學院,廣西 來賓 546119;2.來賓市百盛生物科技有限公司,廣西 來賓 546100)

焦糖色素又名醬色或焦糖,是碳水化合物單獨或添加一定催化劑時在高溫情況下生成的一類棕褐色物質,一般具有焦香味,易溶于水,有液體、粉末和顆粒三種狀態焦糖產品[1-2]。焦糖色素為世界范圍內使用最廣泛的食品色素,目前使用的著色劑中約90%為焦糖色素,因其口感好、穩定性強,顏色棕褐色,在醬油、烘焙食品、飲料、糖果、腌制食品等食品應用較廣泛[3-5]。目前,根據生產方法不同我國生產的焦糖色素主要有普通法、氨法、亞硫酸銨法及苛性亞硫酸鹽四大類[6-7],其中氨(銨)法焦糖色素因色率高、反應快、原料廣、成本低,是目前生產量最大的一類焦糖色素[8-9],但產品中可能含有4-甲基咪唑等致癌物[10-11],而普通法焦糖色素因不添加其他助劑產品且一般不含4-甲基咪唑等有害物質,安全性更高,因而越受用戶青睞,為當下研究的熱點[12]。

果葡糖漿(果糖)是淀粉經水解后再經異構酶轉化部分葡萄糖后得到的葡萄糖及果糖的混合液[13],其中含有的葡萄糖和果糖是非常好的制備焦糖色的原料,據報道果葡糖漿與氨基酸混合液再添加NaOH溶液為助劑,可制備出色率、紅指和黃指較高的焦糖色素[14],但鮮有關于果糖普通法焦糖色素的相關研究報道,本文通過研究果糖普通法焦糖色素的制備工藝及產品特性,為其生產及利用提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

果葡糖漿F55(肇慶煥發生物科技有限公司)、鹽酸、氯化鈉、氫氧化鈉、磷酸二氫鈉、無水亞硫酸鈉、檸檬酸鈉(均為分析純)。

1.2 儀器與設備

GSH-5L反應釜(威海環宇化工機械有限公司);UV-5100型紫外分光光度計(上海元析儀器有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 焦糖色制備方法

取2 500 mL果糖,用鹽酸調整果糖底料的pH值,再轉入高壓反應釜中,并攪拌調節轉速為200 r/min,設定反應終了溫度,常壓下加熱升溫,升至設定溫度值后開始計時,保溫一定時間后從高壓反應釜中取出,待焦糖色冷卻后測定其色率。

1.3.2 單因素試驗

按照“1.3.1”項試驗方法制備焦糖色素,研究反應溫度(120,130,140,150,160 ℃)、反應時間(30,45,60,75,90 min)和反應pH值(2,3,4,5,6)對焦糖色素的影響。

1.3.3 響應面優化試驗

在單因素試驗研究方法的基礎上,選擇反應時間、果糖底料pH值和反應溫度3個影響因素,把色率作為主要的考察評價指標,利用Design-Expert V8.0.6.1軟件中“Box-Behnken Design”程序對焦糖色素制備工藝進行響應面試驗優化設計,因素與水平編碼設置見表1。

表1 因素水平表

1.3.4 焦糖色特性的研究

1.3.4.1 pH值對焦糖色穩定性的影響

用鹽酸或者氫氧化鈉分別配置pH值為2,4,6,8,10的溶液,再稱取5份0.25 g制備的焦糖色素樣品并溶解于不同pH值的溶液中,轉移至250 mL的容量瓶中定容,設置水浴鍋溫度60 ℃,將樣液置于水浴鍋中30 min,取出后降至室溫,在610 nm下測其吸光度,平行試驗三次,取平均值。

1.3.4.2 焦糖色素耐鹽穩定性的研究

稱取0.25 g制備的焦糖色素樣品20份,分別溶解于質量濃度為0.4,1.2,2,2.8,3.6 mg/mL的氯化鈉、檸檬酸鈉、磷酸二氫鈉、無水硫酸鈉溶液并定容于250 mL容量瓶中,靜止60 min后于610 nm處測定其吸光度,平行試驗三次,取平均值。

2 結果與分析

2.1 果糖普通法焦糖色素制備單因素試驗結果分析

2.1.1 反應溫度對焦糖色素色率的影響

從圖1可知,當反應溫度小于150 ℃時焦糖色素的色率隨著反應溫度的升高而升高較明顯,這可能因為隨著溫度的升高,分子熱運動加快,分子相互之間的碰撞變得頻繁,參與反應的分子數量增多,導致焦糖色素的生成量增多,根據相關研究發現,當反應溫度升高10 ℃,會加快其反應速率3～5倍,有色物質的生成量也增多。但當反應溫度高于150 ℃時,焦糖色素的色率增長不明顯,這很可能是因為在高溫作用下,有色高分子物質的聚合程度也是相對有限的,溫度升高雖可以在一定程度有效促進色素物質的聚合程度但并不能無限提高[15]。綜合分析反應溫度對焦糖色素色率的影響,選擇以140,150和160 ℃作為響應面優化控制三個水平。

圖1 溫度對色率影響

2.1.2 反應時間對焦糖色素色率的影響

由圖2可知,果糖普通法焦糖色素的色率開始隨著反應時間的增加而增大明顯,當反應時間超過60 min后,增加幅度顯著變緩,這可能是由于開始高壓反應釜內反應物的濃度較高,有色物質積累較快,導致色率增長較快,后期可能因為有色物質的積累接近終點導致焦糖色素的色率增長變緩,考慮到焦糖色素的樹脂化現象及有害物質的生成幾率都會隨著反應時間增加而增加[16],綜合考慮選擇45,60和75 min作為響應面優化的三個水平。

圖2 反應時間對焦糖色素色率的影響

2.1.3 果糖底料pH值對焦糖色素色率的影響

從圖3可知,隨著果糖底料pH值持續的升高,焦糖色率先增大而后逐漸減小,在果糖底料pH值為3時達到最大。這說明pH值為3的果糖底料更利于成色高分子聚合物的生成,所以焦糖色素的色率會較高,當果糖底料pH值從3一直升到6的時候,色率與紅色指數也都開始逐漸降低,這可能是因為在弱酸條件下,會明顯阻礙成色高分子聚合物的生成,進而影響色素的生成[17]。綜合考慮選擇pH值為2、3和4作為響應面優化的三個水平。

圖3 果糖底料pH值對焦糖色率的影響

2.2 響應面法確定最佳工藝條件

2.2.1 響應面試驗方案及結果

利用Box-Behnken Design程序,得到響應面試驗設計及結果見表2。

表2 響應面優化試驗結果

表2(續)

2.2.2 響應面優化試驗結果方差分析

采用Design Expert V8.0.6.1對響應面試驗結果進行模型擬合,得到各因素與色率(Y)的回歸方程:Y=17 526.28+1 414.46A+1 019.73B-0.012C-328.95AB-789.48AC+131.6BC-1 625A2-2 414.48B2-3 664.45C2

表3 響應面試驗結果方差分析表

2.2.3 響應面各因素交互作用分析

各因素交互作用對焦糖色素色率影響的等高線圖和三維立體曲面圖如圖4所示。等高線圖中等高線密集且呈橢圓形表明兩因素之間有較顯著的交互作用,由圖4再結合方差分析表3可知,反應溫度與果糖底料pH值對焦糖色率的交互作用較強,結合方差分析表中“AC”項對應的P值小于0.05也可以看出。運用回歸方程對焦糖色素色率進行優化,預測最佳工藝條件為:62.72 min,反應溫度154.27 ℃,果糖底料pH值2.96,此條件下焦糖色率為17 920.7 EBC。

圖4 各因素交互作用對焦糖色素色率的影響

2.2.4 驗證試驗

根據預測的最佳焦糖色素制備工藝條件結合實際情況進行調整,取反應時間62 min,反應溫度154 ℃,果糖底料pH值2.96,在此條件下得到的焦糖色素的色率為17 894 EBC,實驗值與之接近。

2.3 焦糖色特性的研究

2.3.1 pH值對焦糖色穩定性的影響

由圖5可知當果糖普通法焦糖色素pH值處于4～8之間時,其色率有稍微的降低,這可能是由于果糖普通法焦糖色素具備膠體特性,其等電點剛好處于該區間內,導致其色率有適當的降低[18]。

圖5 pH值對焦糖色色率的影響

2.3.2 不同的鹽濃度對焦糖色素穩定性的影響

由圖6可知果糖普通法焦糖色素在不同濃度的無水亞硫酸鈉和氯化鈉溶液中其色率基本穩定,在磷酸二氫鈉溶液中,其色率會隨著鹽濃度的增大先增大后有稍微降低,在檸檬酸鈉溶液中,其色率隨鹽濃度的增大逐漸增大,色率由15 263增大到205 267,這可能是由于檸檬酸鈉可與焦糖色素溶液中的金屬離子進行絡合,減弱金屬離子對色素的作用,達到增色作用[19]。從上述的結果可以看出,果糖普通法焦糖色素色率在不同的鹽溶液中影響不同,但色率基本會下降,耐鹽性較好,謝長興[20]認為焦糖色素的耐鹽性十分復雜,受pH值、電荷、等電點、膠體物質等因素影響,同時鹽分也會影響其生產和應用。

圖6 鹽濃度對焦糖色色率的影響

3 結論

本文在單因素試驗的基礎之上,通過響應面試驗設計對果糖普通法焦糖色素制備工藝進行了優化。結果表明,建立的回歸方程的擬合程度較好,優化后調整的果糖普通法焦糖色素制備工藝條件為反應時間62 min,反應溫度154 ℃,果糖底料pH值2.96,在此條件下得到的焦糖色素的色率為17 894 EBC,接近預測值,所以運用響應面法優化果糖普通法焦糖色素制備工藝合理可靠。通過對制備的果糖普通法焦糖色素特性進行研究發現,當處在pH值4～8時其色率會有稍微降低,耐鹽性試驗表明果糖普通法焦糖色素在無水亞硫酸鈉和氯化鈉溶解中較穩定,在磷酸二氫鈉和檸檬酸鈉溶液中色率有增加,果糖普通法焦糖色素不會因鹽分的存在導致色率的降低,耐鹽性較好。本研究為果糖普通法焦糖色素的進一步開發和利用提供了一定的理論依據。