果糖普通法焦糖色素制备工艺优化及特性研究

蔡吉祥,杨秋玉,黄伟,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.来宾市百盛生物科技有限公司,广西 来宾 546100)

焦糖色素又名酱色或焦糖,是碳水化合物单独或添加一定催化剂时在高温情况下生成的一类棕褐色物质,一般具有焦香味,易溶于水,有液体、粉末和颗粒三种状态焦糖产品[1-2]。焦糖色素为世界范围内使用最广泛的食品色素,目前使用的着色剂中约90%为焦糖色素,因其口感好、稳定性强,颜色棕褐色,在酱油、烘焙食品、饮料、糖果、腌制食品等食品应用较广泛[3-5]。目前,根据生产方法不同我国生产的焦糖色素主要有普通法、氨法、亚硫酸铵法及苛性亚硫酸盐四大类[6-7],其中氨(铵)法焦糖色素因色率高、反应快、原料广、成本低,是目前生产量最大的一类焦糖色素[8-9],但产品中可能含有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剂产品且一般不含4-甲基咪唑等有害物质,安全性更高,因而越受用户青睐,为当下研究的热点[12]。

果葡糖浆(果糖)是淀粉经水解后再经异构酶转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备焦糖色的原料,据报道果葡糖浆与氨基酸混合液再添加NaOH溶液为助剂,可制备出色率、红指和黄指较高的焦糖色素[14],但鲜有关于果糖普通法焦糖色素的相关研究报道,本文通过研究果糖普通法焦糖色素的制备工艺及产品特性,为其生产及利用提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

果葡糖浆F55(肇庆焕发生物科技有限公司)、盐酸、氯化钠、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

GSH-5L反应釜(威海环宇化工机械有限公司);UV-5100型紫外分光光度计(上海元析仪器有限公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 焦糖色制备方法

取2 500 mL果糖,用盐酸调整果糖底料的pH值,再转入高压反应釜中,并搅拌调节转速为200 r/min,设定反应终了温度,常压下加热升温,升至设定温度值后开始计时,保温一定时间后从高压反应釜中取出,待焦糖色冷却后测定其色率。

1.3.2 单因素试验

按照“1.3.1”项试验方法制备焦糖色素,研究反应温度(120,130,140,150,160 ℃)、反应时间(30,45,60,75,90 min)和反应pH值(2,3,4,5,6)对焦糖色素的影响。

1.3.3 响应面优化试验

在单因素试验研究方法的基础上,选择反应时间、果糖底料pH值和反应温度3个影响因素,把色率作为主要的考察评价指标,利用Design-Expert V8.0.6.1软件中“Box-Behnken Design”程序对焦糖色素制备工艺进行响应面试验优化设计,因素与水平编码设置见表1。

表1 因素水平表

1.3.4 焦糖色特性的研究

1.3.4.1 pH值对焦糖色稳定性的影响

用盐酸或者氢氧化钠分别配置pH值为2,4,6,8,10的溶液,再称取5份0.25 g制备的焦糖色素样品并溶解于不同pH值的溶液中,转移至250 mL的容量瓶中定容,设置水浴锅温度60 ℃,将样液置于水浴锅中30 min,取出后降至室温,在610 nm下测其吸光度,平行试验三次,取平均值。

1.3.4.2 焦糖色素耐盐稳定性的研究

称取0.25 g制备的焦糖色素样品20份,分别溶解于质量浓度为0.4,1.2,2,2.8,3.6 mg/mL的氯化钠、柠檬酸钠、磷酸二氢钠、无水硫酸钠溶液并定容于250 mL容量瓶中,静止60 min后于610 nm处测定其吸光度,平行试验三次,取平均值。

2 结果与分析

2.1 果糖普通法焦糖色素制备单因素试验结果分析

2.1.1 反应温度对焦糖色素色率的影响

从图1可知,当反应温度小于150 ℃时焦糖色素的色率随着反应温度的升高而升高较明显,这可能因为随着温度的升高,分子热运动加快,分子相互之间的碰撞变得频繁,参与反应的分子数量增多,导致焦糖色素的生成量增多,根据相关研究发现,当反应温度升高10 ℃,会加快其反应速率3～5倍,有色物质的生成量也增多。但当反应温度高于150 ℃时,焦糖色素的色率增长不明显,这很可能是因为在高温作用下,有色高分子物质的聚合程度也是相对有限的,温度升高虽可以在一定程度有效促进色素物质的聚合程度但并不能无限提高[15]。综合分析反应温度对焦糖色素色率的影响,选择以140,150和160 ℃作为响应面优化控制三个水平。

图1 温度对色率影响

2.1.2 反应时间对焦糖色素色率的影响

由图2可知,果糖普通法焦糖色素的色率开始随着反应时间的增加而增大明显,当反应时间超过60 min后,增加幅度显著变缓,这可能是由于开始高压反应釜内反应物的浓度较高,有色物质积累较快,导致色率增长较快,后期可能因为有色物质的积累接近终点导致焦糖色素的色率增长变缓,考虑到焦糖色素的树脂化现象及有害物质的生成几率都会随着反应时间增加而增加[16],综合考虑选择45,60和75 min作为响应面优化的三个水平。

图2 反应时间对焦糖色素色率的影响

2.1.3 果糖底料pH值对焦糖色素色率的影响

从图3可知,随着果糖底料pH值持续的升高,焦糖色率先增大而后逐渐减小,在果糖底料pH值为3时达到最大。这说明pH值为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会较高,当果糖底料pH值从3一直升到6的时候,色率与红色指数也都开始逐渐降低,这可能是因为在弱酸条件下,会明显阻碍成色高分子聚合物的生成,进而影响色素的生成[17]。综合考虑选择pH值为2、3和4作为响应面优化的三个水平。

图3 果糖底料pH值对焦糖色率的影响

2.2 响应面法确定最佳工艺条件

2.2.1 响应面试验方案及结果

利用Box-Behnken Design程序,得到响应面试验设计及结果见表2。

表2 响应面优化试验结果

表2(续)

2.2.2 响应面优化试验结果方差分析

采用Design Expert V8.0.6.1对响应面试验结果进行模型拟合,得到各因素与色率(Y)的回归方程: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 响应面试验结果方差分析表

2.2.3 响应面各因素交互作用分析

各因素交互作用对焦糖色素色率影响的等高线图和三维立体曲面图如图4所示。等高线图中等高线密集且呈椭圆形表明两因素之间有较显著的交互作用,由图4再结合方差分析表3可知,反应温度与果糖底料pH值对焦糖色率的交互作用较强,结合方差分析表中“AC”项对应的P值小于0.05也可以看出。运用回归方程对焦糖色素色率进行优化,预测最佳工艺条件为:62.72 min,反应温度154.27 ℃,果糖底料pH值2.96,此条件下焦糖色率为17 920.7 EBC。

图4 各因素交互作用对焦糖色素色率的影响

2.2.4 验证试验

根据预测的最佳焦糖色素制备工艺条件结合实际情况进行调整,取反应时间62 min,反应温度154 ℃,果糖底料pH值2.96,在此条件下得到的焦糖色素的色率为17 894 EBC,实验值与之接近。

2.3 焦糖色特性的研究

2.3.1 pH值对焦糖色稳定性的影响

由图5可知当果糖普通法焦糖色素pH值处于4～8之间时,其色率有稍微的降低,这可能是由于果糖普通法焦糖色素具备胶体特性,其等电点刚好处于该区间内,导致其色率有适当的降低[18]。

图5 pH值对焦糖色色率的影响

2.3.2 不同的盐浓度对焦糖色素稳定性的影响

由图6可知果糖普通法焦糖色素在不同浓度的无水亚硫酸钠和氯化钠溶液中其色率基本稳定,在磷酸二氢钠溶液中,其色率会随着盐浓度的增大先增大后有稍微降低,在柠檬酸钠溶液中,其色率随盐浓度的增大逐渐增大,色率由15 263增大到205 267,这可能是由于柠檬酸钠可与焦糖色素溶液中的金属离子进行络合,减弱金属离子对色素的作用,达到增色作用[19]。从上述的结果可以看出,果糖普通法焦糖色素色率在不同的盐溶液中影响不同,但色率基本会下降,耐盐性较好,谢长兴[20]认为焦糖色素的耐盐性十分复杂,受pH值、电荷、等电点、胶体物质等因素影响,同时盐分也会影响其生产和应用。

图6 盐浓度对焦糖色色率的影响

3 结论

本文在单因素试验的基础之上,通过响应面试验设计对果糖普通法焦糖色素制备工艺进行了优化。结果表明,建立的回归方程的拟合程度较好,优化后调整的果糖普通法焦糖色素制备工艺条件为反应时间62 min,反应温度154 ℃,果糖底料pH值2.96,在此条件下得到的焦糖色素的色率为17 894 EBC,接近预测值,所以运用响应面法优化果糖普通法焦糖色素制备工艺合理可靠。通过对制备的果糖普通法焦糖色素特性进行研究发现,当处在pH值4～8时其色率会有稍微降低,耐盐性试验表明果糖普通法焦糖色素在无水亚硫酸钠和氯化钠溶解中较稳定,在磷酸二氢钠和柠檬酸钠溶液中色率有增加,果糖普通法焦糖色素不会因盐分的存在导致色率的降低,耐盐性较好。本研究为果糖普通法焦糖色素的进一步开发和利用提供了一定的理论依据。