焦糖色素，也称酱色，在食品色素市场上占有 重要的地位，广泛用于调味品、食品、饮料、药品 等行业中，是目前食品工业中应用范围最广、数量 最大的食品添加剂。焦糖色素是以优质的蔗糖、葡 萄糖或其它淀粉糖为主要原料，采用特殊的配方及 工艺技术加工制成的天然色素，具有水溶性好、着 色力强、性质稳定、安全无毒等特点，是目前食用 色素中用量最大、使用范围最广、以其作为食品着 色剂的国家最多的一种色素。色素能增加食品的感 官性质，提高食品的商品价值，在工业中的应用将 越来越广泛。

根据国际技术焦糖色素协会(ITCA)的分类，铵 （氨）法焦糖色素是指在加工过程中没有含亚硫酸 盐作为催化剂而仅采用氨或铵盐作催化剂制成的一 类焦糖色素，其使用范围较广，主要用于酿造（如酱油、酱制品、卤制品、醋）、啤酒、糖果、糕点、 汤料等调味品及医药保健行列等，通常带正电荷^[1]。

铵（氨）法焦糖色素按我国焦糖国家标准 GB8817-2001规定，4-甲基咪唑含量不能超过200 ppm ^[1]。但铵法制备焦糖色素时，由于铵基与辅料在 一定温度下会产生4-甲基咪唑（C₄H₆N₂），导致焦 糖色素中4-甲基咪唑含量极易超标。本研究小组发 表有关用精炼糖糖蜜制备焦糖色素工艺的文章 中^[2]，主要针对如何提高焦糖色素的色率和红色素 指数，同时我们在研究过程中发现，若反应工艺控 制不当，制备出来的焦糖色素中4-甲基咪唑含量很 容易超过国家标准。查阅国内文献发现，目前国内 对制备焦糖色素过程中4-甲基咪唑形成因素的研究 极少。针对此问题，本研究小组对焦糖色素制备过 程中如何控制4-甲基咪唑形成的工艺进行研究。

本文以精炼糖糖蜜为原料，以碳酸铵为催化剂 制备焦糖色素，首先通过单因素试验研究含氮物质 种类、铵盐添加量、反应温度、反应时间和反应体 系的pH（通过控制添加铵盐的方式来调节）等因素 对4-甲基咪唑含量的影响，确定影响焦糖色素中4-甲基咪唑含量的主要因素是反应温度、反应时间、 反应体系的pH（通过控制添加铵盐的方式来调节） 和铵盐添加量，然后以此设计正交实验，确定制备 低4-甲基咪唑焦糖色素含量的工艺，为铵法焦糖色 素制备过程中4-甲基咪唑含量的控制提供一定的参 考依据。 1 材料与方法 1.1 试验材料

原料：糖蜜（丁蜜或乙、丙蜜），由广州市华侨 糖厂提供。

化学试剂：氯化钠、浓硫酸、磷酸、碳酸铵、 三氯甲烷、无水乙醇、无水碳酸钠、磷酸二氢钾、 庚烷磺酸钠、4-甲基咪唑（以上药品均为分析纯）、 甲醇（色谱纯）。 1.2 仪器设备

5L 高压反应釜，GSH-5L，威海环宇化工机械 有限公司；1L双层玻璃反应釜，上海银泽；电子天 平，AL104，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司； 紫外可见分光光度计，WFZ UV-2800，尤尼可（上 海）仪器有限公司；锤度计，PAL- 1，Atago；pH计， PHB-3，上海三信仪器表厂；旋转蒸发仪，R-1005， 郑州长城科工贸有限公司；离心机，CR22GⅡ， Hitachi Koki Co. Ltd；高效液相色谱，LC-20A，日 本岛津公司。 1.3 试验方法

色率测定^[3]、红色素指数测定^[4]、耐盐性测定^[4]、 对4-甲基咪唑测定方法^[5]见参考文献。 2 实验设计 2.1 单因素实验 2.1.1含氮物质种类

称取5000 g已水解好的糖蜜，加水调节浓度至 65 °Bx，在120℃下，保温90 min。添加含氮物质的 量为糖蜜用量的6%（以NH⁴⁺的质量与糖蜜干固物 质量计算）。分别选择氨水、碳酸铵、氯化铵、硫酸 铵、尿素、味精作为含氮物质进行反应。反应结束 后放料，并迅速冷却至50℃以下，取出样品测定相 关指标，记录数据。 2.1.2 铵盐添加量

称取5000 g已水解好的糖蜜，加水调节浓度至 65 °Bx，在120℃下，保温90 min。分别选择碳酸铵 添加量为糖蜜用量的2%、4%、6%、8%、10%（以 NH⁴⁺的质量与糖蜜干固物质量计算）进行反应。反 应结束后放料，并迅速冷却至50℃以下，取出样品 测定相关指标，记录数据。 2.1.3 反应温度

取5000 g已水解好的糖蜜，加水调节浓度至65 °Bx，加入碳酸铵，用量为糖蜜用量的6%（以NH⁴⁺ 的质量与糖蜜干固物质量计算），保 温90 min。分 别 选择110、115、120、125、130℃作为反应温度进 行反应。反应结束后放料，并迅速冷却至50℃以下， 取出样品测定相关指标，记录数据。 2.1.4 反应时间

取5000 g已水解好的糖蜜，加水调节浓度至65 °Bx，加入碳酸铵，用量为糖蜜用量的6%（以NH⁴⁺ 的质量与糖蜜干固物质量计算），反应温度为120℃， 分别选择反应时间为60、90、120、150 min进行反 应。反应结束后放料，并迅速冷却至50℃以下，取 出样品测定相关指标，记录数据。 2.1.5 催化剂添加方式

称取5000 g已水解糖蜜（浓度为65 °Bx，pH 值为1.5），加入6%（以NH⁴⁺的质量与糖蜜干固物 质量计算）碳酸铵，其添加方式采用1次加入、分 3次加入和滴加的方式加入，在115℃下反应1.5 h， 放料冷却至50℃，取出样品测定相关指标，记录数据。 2.2 正交试验

在单因素试验的基础上，以4-甲基咪唑和色率 为主要考察指标，利用正交法“均衡分散”的特点， 选择反应温度、反应时间、反应过程的pH值、铵 盐添加量4个因素为考查因素，每个因素设置3个 水平，采用L₉(3⁴ )正交表进行正交试验设计。 3 实验结果与讨论 3.1 单因素实验 3.1.1含氮物质种类（图1）

实验比较了以下6种含氮物质对焦糖色素中4-甲基咪唑含量的影响（图1）。从图1可知，味精和 尿素制备的焦糖色素4-甲基咪唑含量比较低，但实 验中发现其制备的焦糖色素的色率太低，而氯化铵 制备的焦糖色素耐盐性远差于碳酸铵，综合色率及 其耐盐性分析，选用铵盐（碳酸铵）作为催化剂。

图1(Figure 1)

图1 含氮物质对4-甲基咪唑含量的影响

由图2可知，铵盐添加量越大，4-甲基咪唑含 量越高，铵盐用量低，色率也相应比较低，所以选 取铵盐添加量为4%、6%、8%进行正交实验。

图2(Figure 2)

图2 铵盐添加量对4-甲基咪唑含量的影响

由图3可知，反应温度越高，4-甲基咪唑含量 也会越高，而且影响比较明显，而且当温度超过115 ℃时4-甲基咪唑含量明显增加，所以我们选择反应 温度110、115、120℃做正交实验。

图3(Figure 3)

图3 反应温度对4-甲基咪唑含量的影响

由图4可知，当反应时间达90 min后，4-甲基 咪唑含量增加速度明显加快，而且反应时间太长， 也会影响焦糖色素样品的耐盐性。所以我们选择反 应时间60、90、120 min做正交实验。

图4(Figure 4)

图4 反应时间对4-甲基咪唑含量的影响

由图5可知，反应过程的pH（改变添加铵盐的 方式）对样品中4-甲基咪唑含量影响比较大，所以 我们选择这3种不同的添加方式进行实验。

图5(Figure 5)

1：1 次加入. 2：分 3 次加入. 3：滴加 图5 铵盐添加方式对4-甲基咪唑含量的影响

本实验考查反应温度、反应时间、反应过程的 pH（通过控制添加铵盐的方式来调节）和铵盐（以 碳酸铵）添加量对铵法焦糖色素生产过程中4-甲基 咪唑形成的影响，设计了4因素3水平的正交试验， 实验因素及水平如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 因素水平表

表1 因素水平表

以焦糖色素中的4-甲基咪唑含量为主要考察指 标，正交试验及试验结果见表2。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 正交实验及结果

表2 正交实验及结果

由正交实验的极差分析可以看出，反应温度的 极差最大，其次是反应体系的pH和反应时间，铵 盐添加量的极差最小。因此，本实验中影响焦糖色 素样品中4-甲基咪唑含量的最主要因素是反应温 度，其次是反应体系中的pH值和反应时间，最后 是铵盐添加量。也就是说反应温度或体系pH值越 高，焦糖色素样品中4-甲基咪唑含量都会明显升高； 反应时间越长，焦糖色素样品中4-甲基咪唑含量也 会升高，但较反应温度和反应过程中的pH影响较 小；而铵盐的添加量对4-甲基咪唑含量的影响最小。 即影响铵法焦糖色素中4-甲基咪唑含量的主次因素 为反应温度＞反应体系的pH值＞反应时间＞铵盐 的添加量。同时，考虑焦糖色素的色率问题，我们 确定采用A₂B₂C₃D₂参数制备低4-甲基咪唑含量的 焦糖色素。 4 小结与讨论

实验结果表明，影响4-甲基咪唑含量的因素依 次为反应温度>反应过程的pH值＞反应时间＞铵盐 的添加量，所以制备低4-甲基咪唑含量焦糖色素的 反应工艺为：反应温度为115℃，反应时间90 min， 在反应过程中逐滴加入铵盐，铵盐添加量为6%（以 NH⁴⁺的质量与糖蜜干固物质量计算）。