焦糖色素為非單一的化合物(約 100 種不同的化合物), 是多種糖脫水縮合的混合物, 反應機理非常復雜。色素生成主要是下述 3 種化學反應。
美拉德反應 ( Maillard Reaction)
美拉德反應是羰基化合物(還原糖類)和氨基化合物(氨基酸和蛋白質)間的反應,經過復雜的歷程最終生成棕色甚至是黑色的大分子物質類黑精或稱擬黑素,所以又稱羰氨反應。
焦糖化反應 ( Caramellization)
焦糖化反應的初期加熱高濃度的糖液, 葡萄糖形成 1, 2 -脫水-α -D -葡萄糖, 和 1, 6-脫水 -β -D -葡萄糖, 一系列脫水反應后生成 5 -羥甲基 -2 -糖醛。焦糖化反應后期則是聚合反應, 其聚合機理很類似丁間醇醛的縮聚作用。
氧化反應( Oxidation)
氧化反應是食品組分發生酶促或非酶褐變的原因之一。在焦糖色素生產過程中, 美拉德反應和焦糖化反應的產物可能相互作用發生氧化反應生成大型分子, 從而提高了產物的著色力, 反應過度則會生成黑褐色樹脂狀的高分子化合物, 降低了產品的質量, 不易擴大產品的應用范圍。