焦糖色素的研究进展.pdf
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1、焦糖色素的研究进展陈专1刘胜梅朱朱庆宁2何奕响李艳黄超冠分(1.中国科技开发院广西分院,广西南宁530 0 2 2;2.来宾市百盛食品有限公司,广西来宾546 10 0;3.来宾市科技开发中心,广西来宾546 10 0;4.广西科技大学,广西柳州5450 0 6)【摘要】广西拥有制糖过程副产的大量糖蜜原料,同时焦糖色素的需求量随着市场需求日益增大,为了适应焦糖色素标准化、规模化生产的发展趋势,结合生产实际,文章论述了焦糖色素的生产原理及工艺,质量控制,理化性质及其产品的种类;并简述了焦糖色素在食品工业中的应用,同时对焦糖色素技术的国内发展现状及前景进行了展望。以废糖蜜为原料,利用美拉德反应生产
2、焦糖色素是一种可行的产业化工艺路线,将其进一步开发具有高附加值产品的前景十分广阔。【关键词】糖蜜;焦糖色素;美拉德反应【中图分类号】TS202.3Abstract:Guangxi has a large amount of molasses raw materials produced by the sugar production process,and the demand forcaramel pigment is increasing with market demand.In order to adapt to the development trend of standardize
3、d and large-scale productionof caramel pigment,combined with production practice,the article discusses the production principle and technology,quality control,physical and chemical properties,and product types of caramel pigment;the application of caramel pigment in the food industry wasbriefly desc
4、ribed,and the domestic development status and prospects of caramel pigment technology were also prospected.Using wastemolasses as raw material to produce caramel pigment by Maillard reaction is a feasible industrial process,and the prospect of furtherdeveloping caramel pigment with high added value
5、is very broad.Key words:molasses;caramel pigment;Maillard reaction引言焦糖色素(Caramel pigment)有明显的焦香味,一般上是一种浓黑褐色粘稠物质!,具有溶于水但不溶于常用的一些有机溶剂的特点,被广泛应用于食品、医药、添加剂、饮料等行业,我国和一些国际组织、欧盟以及美国食品药物管理局将其列为天然食用色素 2 。焦糖色素有两种,即合成色素和天然色素。由于合成色素含有致癌物和致畸物,已被大多数国家禁止使用,因而天然色素在食品工业中的应用前景十分广阔。尽管焦糖色素的生产及研究取得了较多的技术成果,但解决焦糖的稳定性、色调、风
6、味等问题,还有待深入研究与开发新技术。目前,我国在焦糖色素的生产品种、生产工艺、标准等方面已经取得了很大的进步,生产规模不断扩大,但标准化、规模化生产仍然是未来的发展趋势 3。【收稿日期】2 0 2 3-0 2-2 1【基金项目】广西重点研发计划项目“甘蔗糖蜜生产高品质焦糖色素关键技术研究与产业化应用”(桂科AB20297060)。【作者简介】陈专(19 8 2 一),广西玉林人,供职于中国科技开发院广西分院,从事化学合成的计算机分析工作。【通信作者】黄芳毅(19 7 4一),广西平果人,中国科技开发院广西分院工程师,从事化工技术开发及管理工作。-40-余金方1黄芳毅1【文献标识码】A【文章编
7、号】10 0 8-1151(2 0 2 3)0 6-0 0 40-0 4Research Progress of Caramel Pigment1焦糖色素的生产1.1原料的选择常见的焦糖色素生产原料有蔗糖、葡萄糖及淀粉水解糖等。甘蔗糖蜜是甘蔗制糖后所剩余的物质,其中含有30%左右的蔗糖,是制备优质焦糖色素理想的天然原料 4,用糖蜜为原料来生产焦糖色素,为糖蜜的综合利用开创了一条新的有效途径 2,4。由于食品行业对焦糖色素需求量及品种多样化的不断增加,生产原料也呈现多样化 5。1.1.1 以淀粉类为原料淀粉类原料主要包括玉米、马铃薯、红薯、大米等 6-9 ,利用淀粉类原料生产焦糖色素时,需先用酶
8、或酸将淀粉转化。利用该类原料生产焦糖色素具有生产工艺成熟、生产装备定型易得、原料廉价、来源广泛 5 等优势。1.1.2以成品糖为原料利用成品糖为原料生产焦糖色素时,需使用氨水、碱和铵盐等作为催化剂,该类原料主要有葡萄糖、蔗糖、木糖母液等 5。史文慧 等利用葡萄糖为原料,采用试验流程为:葡萄糖溶液加入碳酸铵高压反应冷却微孔膜过滤低温冷冻干燥焦糖色素样品测定各项性能指标的制备工艺,制备酱油用焦糖色素。李祥等 10 以白砂糖为原料生产制备焦糖色素,产品不含4-甲基咪唑,产品质量较好。1.1.3以糖蜜为原料甘蔗糖蜜是制糖行业的副产品之一,秦祖赠等 1 利用甘蔗糖蜜为原料,经过焦糖化反应制备出一种带负电
9、荷、色率和耐酸性质量指标均符合国家标准的双倍焦糖新产品。傅其军 2 用糖蜜为原料来生产焦糖色素,为糖蜜的综合利用开创了一条新的有效途径。广西来宾市百盛食品有限公司利用甘蔗糖蜜为原料的焦糖色素生产线年处理废糖蜜资源约6 万吨,能够解决了产品的色调问题。糖蜜相对于白砂糖具有低成本的优点,是制备焦糖色素相对较为理想的原料新品种。1.2生产原理焦糖色素含有约10 0 种不同的化合物,成分复杂,为非单一的化合物 12 ,生产过程的反应机理也非常复杂。例如,美拉德反应的其中的一个过程就包括了Amadori重排产物在C1、C2位置上发生烯醇化同时消去C3上的羟基,进一步加H2O会生成3-脱氧已糖酮,然后经过
10、脱水又会生成2-糠醛类产物。1.2.1美拉德反应美拉德反应是一些氨基化合物和羰基化合物在受热作用时发生的一种复杂化学反应,反应产物包含具有抗氧化性能的类黑色素、还原酮及含N和S的杂环化合物等,多数学者将美拉德反应进程区分为初、中、后期3个阶段 12,13。通常,在反应的初期,美拉德反应并不引起糖蜜褐变,但通过Amadori重排生成双果糖胺产物,此时美拉德反应表现为羰胺缩合和Amadori重排反应机制;在反应中期,美拉德反应主要有还原酮路线、Osulose和HMF路线以及Strecker降解路线,分别得到还原酮裂解产物、糠醛类风味成分和吡嗪类化合物,此时美拉德反应主要表现为降解反应机制;在后期阶
11、段,一些过程活性中间产物如葡萄糖醛酮、羟甲基糠醛类等会与氨基化合物作用,发生缩合和聚合反应,最终生成类黑色素 12 ,此阶段美拉德反应主要表现为聚合反应机制。总之,美拉德反应产物种类多、结构复杂,具有多种功能特性 14。例如,类黑色素不仅影响食品着色,而且影响着食品风味和安全。在生产中,注重对美拉德反应后期的历程控制,可以有效地控制羟甲基糠醛和喃等杂环化合物的生成,从而进一步提高焦糖色素产品的安全性。1.2.2焦糖化反应焦糖化反应技术是制备优质焦糖色素的关键,生产工艺主要考虑包括反应温度、时间、氨量、起始pH值等因素 4。焦糖化反应的初期,表现为反应物(即糖液,葡萄糖)变化生成葡聚糖(1,2-
12、脱水-D-葡萄糖以及1,6-脱水-D-葡萄糖)12 ,再经过一系列脱水反应后,最终生成5-羟甲基-2-糖醛。在重排反应机制的作用下,焦糖化反应的后期表现为缩聚反应机理。1.2.3氧化反应糖类组分容易发生酶促或非酶褐变,其主要原因就是碳水化合物的氧化反应。在焦糖色素生产过程中,发生美拉德反应和焦糖化反应所形成的产物会发生相互作用,也就是发生氧化反应形成大型分子 12 。如果氧化反应程度过大,糖蜜焦糖化转变过程则会生成过多的树脂状物质如丙烯酰胺等。在实际生产中,通过控制氧化反应程度,从而提高产物的着色力。1.3焦糖色素生产工艺焦糖色素是在一定的反应压力、温度和pH值的条件下生产的,需要根据最终产品
13、的用途来决定采用何种工艺 3。1.3.1原料预处理甘蔗糖蜜除含有30%的蔗糖之外,还含有大量的胶体物质和灰分,这两种物质残留将导致焦糖色素成品在加水溶解时出现明显的大量沉淀 4,同时又会在加热熬色时出现炭化现象,这对焦糖色素成品是不利的 12 。因此,甘蔗糖蜜在生产前必须进行预处理,主要是去除糖蜜中胶体和灰分。影响糖蜜中胶体和灰分去除的因素很多,其中稀释度、酸化pH值和澄清剂用量是关键因素。汤兴俊等 4 认为糖蜜与水的比例为1:0.3时,稀释度较为适宜,将糖蜜液pH值调整到胶体的等电点 4,当糖蜜液pH值约为2.3时,胶体和灰分的沉淀量为最大值。使用阳电荷澄清剂,并确定澄清剂用量,对去除糖蜜中
14、的胶体和灰分有促进作用,研究发现当添加0.4%的澄清剂 4 时,去除胶体的效果较好,除钙后使用阳离子树脂去除灰分的效果更佳 12 。1.3.2生产工艺流程采用不同的生产原料,焦糖色素生产工艺流程稍有差异,过程单元操作选择也有差异,但核心的原料预处理、焦化反应和产品精制三个过程必不可缺。广西来宾市百盛食品有限公司以甘蔗糖蜜作为生产原料,采用预处理、加酸水解、过滤、静置沉淀的方法,然后将上清液浓缩、加碱中和、添加辅料、焦化,再次稀释、中和制成焦糖色素。史文慧等 以葡萄糖为原料,加入碳酸铵,在高压反应釜内进行焦糖化反应,经过0.2 2 m微孔滤膜过滤,冷冻干燥制备了焦糖色素产品。1.3.3生产工艺方
15、法以糖类物质为原料生产焦糖色素的方法有两种工艺路线 2 ,一是高温直接焦糖化反应,二是首先经过美拉德反应,后者具有反应温度较低以及反应时间较短的优势。因此,国内厂家制备焦糖色素大多采用后一种工艺路线 2 。焦糖色素的生产需要使用助剂(催化剂),许多学者不断进行催化剂应用研究。普通焦糖色素使用氢氧化钠为催化剂,产品红色指数达到6 以上;苛性亚硫酸盐焦糖使用亚硫酸盐为催化剂,而且催化剂添加量较大;氨法焦糖色素的生产量-41-表1焦糖色素理化指标最大,常用氢氧化胺作为催化剂;亚硫酸铵法焦糖具有较强的耐酸性,可以用亚硫酸铵、碳酸铵、氨水等为催化剂。在生产同类产品时,不同类型的催化剂,对焦糖色素的品质有
16、一定的影响。史文慧等!采用在50%(w/v)的葡萄糖溶液原料中加入7%(w/w)的碳酸铵助剂,在140 温度下反应7 0 min,制得到最佳色率的焦糖色素;优化最佳红色指数的工艺是采用40%(w/v)的葡萄糖溶液添加5%(w/w)的碳酸铵助剂,在130 温度下反应6 0 min,制得到最佳红色指数的焦糖色素;进一步同时优化产品的色率和红色指数,研究表明在50%(w/v)的葡萄糖溶液加入6%(质量分数)的碳酸铵助剂,在135温度下反应6 0 min或7 0 min,可制得高色率高红色指数的产品,红色指数高达5.34。1.3.4质量控制传统焦糖色素生产要求产品的高色率,但也有学者认为应该特别的看重
17、红色指数 15。众所周知,红色指数与色率成反比例关系,为了提高红色指数,必定会降低了焦糖色素产品的色率 1。因此,在保证高色率的前提下,如何提高焦糖色素的红色指数成为品质控制的关键。同时,有些学者 2 认为生产过程(酸化、中和)pH值、温度以及静置沉淀时间,是焦糖色素品质控制的关键工艺因素,其中pH值决定了焦糖色素所带电荷的种类,而电荷种类又决定了焦糖色素能否在酸性饮料和调味品中保持稳定 12 。通常,随着反应时间的延长红色素指数会降低,但适当的延长反应时间,可以提高焦糖色素的耐酸性能。汤俊以等 4的试验研究表明,反应时间延长60min,红色素指数5.5,耐酸性能较好。利用反应控制产品质量极为
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