普通糖色制備過程中的化學(xué)反應(yīng)及其形成機(jī)理

楊楨晶，馬 浩*，喬艷輝，滕俊江，李 凝，蔡 滔

(1.廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)學(xué)院，廣東茂名 525000；2.廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，廣東茂名 525000)

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

白砂糖購自當(dāng)?shù)爻校ǜ＝ê萌兆邮称酚邢薰旧a(chǎn)）。

溴化鉀（光譜純）、二甲基亞砜（DMSO-d6，TMS 0.03%），由北京百靈威科技有限公司提供；去離子水，實驗室自制。

傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，Nicolet 6700，美國賽默飛世爾科技公司）；核磁共振波譜儀（NMR，Bruker Avance III 400M，德國布魯克公司）；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS，GCMS-QP2010 SE，日本島津公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 糖色的熬制

糖色采用開口式常壓法在燒杯中進(jìn)行熬制，具體方法如下。

①稱取50 g 白砂糖，置于250 mL 燒杯中，加入25 mL 蒸餾水進(jìn)行混合。②通過電熱套對燒杯進(jìn)行加熱，炒熬糖色，同時利用溫度計跟蹤反應(yīng)體系溫度。③反應(yīng)體系溫度上升至90 ℃時，白砂糖全部熔融；溫度升至110 ℃時，反應(yīng)液開始沸騰（冒氣泡），大量水分揮發(fā)。④溫度升至180 ℃時，在糖液由無色變?yōu)闇\黃色時，用藥匙取樣，定義為1 號樣；隨后每間隔1 min，取樣一次，依次為2 號樣、3 號樣等，直至糖液變成深黑色并伴有固體產(chǎn)生時，停止熬制。為方便對比，在步驟③原料全部熔融時取樣，定義為0 號樣。

1.2.2 糖色的表征

糖色在熬制過程中分子結(jié)構(gòu)變化通過傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier Transform Infrared Spectrometer，F(xiàn)TIR）（KBr 壓片法）以及核磁共振波譜（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR）（DMSO-d6 為溶劑）進(jìn)行追蹤；糖色中揮發(fā)性物質(zhì)則通過乙酸乙酯對樣品中的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行萃取分離，然后利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GCMS）進(jìn)行定性分析（HP-5MS 毛細(xì)管柱30 m×0.25 mm×0.25 μm；進(jìn)樣量：1 μL；分流比：25∶1；高純氦氣為載氣；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；柱始溫：40 ℃，保持2 min，以20 ℃·min-1升溫至250 ℃，保持1 min）。

2 結(jié)果與分析

2.1 糖色的色澤分析

糖色在制備過程中，隨著炒熬時間的延長，色澤逐漸加深，表明在熬制糖色過程中原料分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（圖1）。此外，在取樣過程中發(fā)現(xiàn)，在1 號樣取樣后糖液繼續(xù)熬制7 min 時，所制備的糖色（8 號樣）中已有大量不溶的焦炭固體生成，不能用于糖色，說明糖色制備過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)速度較快，本文所采用的水炒糖色的方法熬制時間在1 號樣（糖液由無色變?yōu)闇\黃色）取完后不宜超過6 min。結(jié)合糖色的形成過程的顏色變化趨勢，可將糖色的形成分為3 個階段：①無色的始發(fā)階段；②黃色的中間階段；③深色階段。

農(nóng)村基層的問題，看似多是小事，其實不然，這一件件、一樁樁都是具體的事，涉及村民切身利益，都需要有關(guān)部門面對面、實打?qū)嵉厝ソ鉀Q。小小幾個喇叭，反映出有關(guān)部門在基層工作中仍然存在形式主義、條塊分割等問題，值得深思。

圖1 糖色制備過程中的色澤變化

2.2 糖色的紅外光譜分析

為了研究糖色在制備過程中的分子結(jié)構(gòu)變化，本文先利用FT-IR 對各糖色樣品進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 糖色樣品的紅外光譜圖

1 號樣的紅外光譜圖中，3 600 cm-1處的尖峰和3 400～3 200 cm-1處的寬峰，分別對應(yīng)于游離和締合羥基（-OH）的伸縮振動吸收峰；3 000～2 800 cm-1和1 450～1 250 cm-1的多處吸收峰則來源于原料中亞甲基（=CH2）、次甲基（≡CH）的C-H 的伸縮振動和變角振動（彎曲和變形）；1 200～1 000 cm-1處的吸收峰，為原料骨架中碳-氧鍵（C-O-C 和C-O-H）的伸縮振動吸收峰[4]；860 cm-1和820 cm-1附近的吸收峰分別對應(yīng)于β-呋喃糖苷鍵和α-吡喃糖的特征吸收峰[5]。1 號樣所對應(yīng)的紅外光譜曲線與蔗糖的一致[4]，說明樣品在顏色發(fā)生改變前分子結(jié)構(gòu)沒發(fā)生明顯變化，也間接說明糖色的顏色與其分子結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)聯(lián)。

通過對比1～6 號樣的紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)，隨著熬制時間的延長，樣品中所對應(yīng)的特征吸收峰發(fā)生明顯變化，且在1 650 cm-1附近出現(xiàn)新的吸收峰，說明原料分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。1 650 cm-1的吸收峰為碳-碳雙鍵（C=C）的特征吸收峰，結(jié)合原料（蔗糖）分子結(jié)構(gòu)的特點，說明糖色在熬制過程中發(fā)生脫水反應(yīng)[6]。當(dāng)1 號樣取樣后糖液繼續(xù)熬制6 min 后（7 號樣和8 號樣），1 725 cm-1處出現(xiàn)吸收峰，表明在該條件下熬制的糖色含有羰基（C=O）結(jié)構(gòu)[7]。因此，通過FT-IR 的初步分析，發(fā)現(xiàn)普通糖色中含有-OH、C=C 和C=O 官能團(tuán)，結(jié)合糖色的色澤變化趨勢，糖色中可能含有上述官能團(tuán)的共軛結(jié)構(gòu)。

2.3 糖色的核磁共振氫譜分析

為了進(jìn)一步研究糖色的結(jié)構(gòu)特點，本文繼續(xù)利用1H NMR 對糖色樣品進(jìn)行深入分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，原料骨架上的質(zhì)子（C-H 鍵，非活潑氫）的化學(xué)位移值主要集中在3.0～5.3 ppm，與蔗糖分子的化學(xué)位移一致。隨著熬制時間的延長（3 號樣和4 號樣）在6.18 ppm 和6.56 ppm 處出現(xiàn)新的峰，為非共軛C=C 雙鍵上質(zhì)子的化學(xué)位移，進(jìn)一步證明在糖色熬制過程中，有雙鍵結(jié)構(gòu)的生成[8]。結(jié)合原料分子的結(jié)構(gòu)特點和熬制條件，C=C 雙鍵來源于原料分子內(nèi)的脫水反應(yīng)，結(jié)果與紅外光譜一致。然而，進(jìn)一步延長熬制時間（5 號樣～8 號樣），非共軛雙鍵上所對應(yīng)質(zhì)子的峰強(qiáng)度逐漸降低，且在7.48 ppm附近出現(xiàn)多重峰（共軛C=C 雙鍵質(zhì)子的化學(xué)位移），表明糖色在熬制過程中所形成的非共軛C=C 雙鍵，在脫水過程中轉(zhuǎn)化為共軛C=C 雙鍵[9]。此外，在9.50～9.60 ppm 處出現(xiàn)的多峰表明在非共軛C=C 雙鍵向共軛C=C 雙鍵轉(zhuǎn)化過程中，同樣有醛基（-CHO）結(jié)構(gòu)形成，且與醛基相連的分子骨架結(jié)構(gòu)明顯不同[10]。1H NMR 結(jié)果與FT-IR 基本一致。

圖3 糖色樣品的核磁共振氫譜圖

綜上所示，結(jié)合糖色熬制過程中的顏色變化規(guī)律和FT-IR、1H NMR 表征結(jié)果，初步推斷糖色為含有-OH、C=C 和-CHO 基本結(jié)構(gòu)單元的化合物，且各官能團(tuán)之間具有較強(qiáng)的共軛效應(yīng)。

2.4 糖色中揮發(fā)性物質(zhì)分析

為了深入研究糖色在熬制過程中原料分子可能經(jīng)歷的化學(xué)反應(yīng)，本文利用GC-MS 技術(shù)對糖色熬制過程中4 號樣和7 號樣中小分子揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 糖色樣品的GC-MS 譜圖

從4 號樣的GC-MS 結(jié)果中可以看出，糖色在熬制過程中有大量醛酮類揮發(fā)性小分子化合物生成，且該類小分子物質(zhì)含有-OH、C=C 和-CHO 等官能團(tuán)，主要來源于原料中蔗糖分子的分子內(nèi)脫水反應(yīng)[11]。然而，當(dāng)熬制時間繼續(xù)延長時（7 號樣），糖色中揮發(fā)性小分子化合物的量急劇下降。結(jié)合糖色熬制過程中的顏色變化規(guī)律，表明熬制初始階段生成的小分子化合物可能為糖色的中間體，會參與后續(xù)各中間體、原料分子間的脫水縮合反應(yīng)，形成共軛程度更大、顏色更深的糖色[9]。此外，糖色中的共軛C=C 鍵結(jié)構(gòu)可能來源于呋喃環(huán)結(jié)構(gòu)單元。

2.5 糖色的形成機(jī)理分析

結(jié)合上述糖色熬制過程中的顏色變化規(guī)律和FTIR、1H NMR 以及GC-MS 的分析結(jié)果，本文對糖化制備過程中的形成機(jī)理進(jìn)行推測，糖色的形成機(jī)理及分子結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 糖色形成的可能反應(yīng)機(jī)理

在糖色熬制過程中，反應(yīng)體系溫度逐漸升高，體系中水分大量揮發(fā)，同時原料中蔗糖分子發(fā)生水解形成吡喃糖和呋喃糖類中間體。隨著熬制的進(jìn)行，糖類中間體可能發(fā)生分子內(nèi)脫水反應(yīng)，形成糠醛、呋喃酮等揮發(fā)性醛酮小分子化合物，同時也可能發(fā)生分子間脫水反應(yīng)形成二糖類中間體[12]。當(dāng)熬制進(jìn)行到一定程度后，反應(yīng)體系中各類中間體濃度逐漸增加，各類中間體之間、原料與各類中間體之間都有可能發(fā)生分子間的脫水縮合反應(yīng)，形成共軛效應(yīng)更大、吸光能力更強(qiáng)的大分子物質(zhì)[9,13]。普通糖色與碳水化合物催化轉(zhuǎn)化過程中的副產(chǎn)物胡敏素含有相似的分子結(jié)構(gòu)[14]。

結(jié)合糖色的分子結(jié)構(gòu)，本文繼續(xù)推測了糖色在肉類烹飪過程中的著色機(jī)理，如圖6所示。肉類在高溫烹飪過程中，蛋白質(zhì)發(fā)生部分水解，水解部分則裸露出氨基（-NH2）。而氨基則可以與糖色中的醛基（-CHO）發(fā)生反應(yīng)形成席夫堿結(jié)構(gòu)[15]，從而給肉類賦予穩(wěn)定的糖色。

圖6 鹵肉過程中糖色著色機(jī)理示意圖

3 結(jié)論

通過對糖色熬制過程分子結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行追蹤，初步證實糖色在制備過程中主要發(fā)生分子內(nèi)和分子間的脫水縮合反應(yīng)，形成含有-OH、共軛C=C（呋喃環(huán)）、-CHO 等基本結(jié)構(gòu)單元的縮聚物，與碳水化合物轉(zhuǎn)化過程中形成的胡敏素具有相似的分子結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果對認(rèn)知糖色的形成過程具有極大的促進(jìn)作用，可為中餐規(guī)范化和產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。