基于殼聚糖和γ－聚谷氨酸的協(xié)同絮凝法對赤砂糖回溶糖漿的澄清脫色研究

李利軍，李青松，劉 柳，崔 越

(廣西工學(xué)院生物與化學(xué)工程系，廣西柳州545006)

赤砂糖作為甘蔗制糖生產(chǎn)工藝中的末端產(chǎn)物，因其色值高、含雜質(zhì)較多，已不受市場歡迎［1］。對赤砂糖回溶糖漿進(jìn)行硫漂處理后再送至煮糖工段回煮白砂糖是制糖業(yè)中常用的一種方法，但硫漂處理并不能根本解決回煮白砂糖色值偏高的問題，硫漂脫色作用的暫時(shí)性會(huì)導(dǎo)致白砂糖在貯存過程中增色。此外，赤砂糖回溶糖漿的硫漂處理還存在糖分損失大、白砂糖含硫量高等問題［2］。因此，研發(fā)新的脫色方法對赤砂糖回溶糖漿進(jìn)行澄清脫色處理成為近些年制糖界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。絮凝法脫色除雜具有操作簡便、高效等優(yōu)點(diǎn)。絮凝劑作為絮凝技術(shù)的關(guān)鍵，近些年發(fā)展較為迅速［3］。絮凝劑一般可分為無機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑以及微生物絮凝劑三種［4-6］。微生物絮凝劑絮凝活性高、易生物降解、無二次污染，具有較好的發(fā)展和應(yīng)用前景。殼聚糖是一種陽離子高分子絮凝劑，其分子量大，對膠體的吸附架橋能力強(qiáng)且天然、無毒［7-9］。γ-聚谷氨酸是一種由微生物合成的陰離子型絮凝劑，是一種谷氨酸的高分子聚合物，對人類和環(huán)境無毒無害［10］。γ-聚谷氨酸分子量特別大，且其側(cè)鏈上有游離的羧基，可以吸附水中的膠體顆粒產(chǎn)生架橋并形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而沉降下來［11-14］。傳統(tǒng)的絮凝工藝多采用單一的絮凝劑，存在絮凝不完全、效果不理想以及出現(xiàn)回色現(xiàn)象［15-16］等問題。本文綜合考慮陰離子絮凝劑和陽離子絮凝劑的絮凝機(jī)理及特點(diǎn)，提出協(xié)同絮凝工藝對赤砂糖回溶糖漿進(jìn)行澄清脫色除雜，有效地克服了使用單一絮凝劑所存在的缺陷。實(shí)驗(yàn)中，首先使用陽離子絮凝劑殼聚糖對赤砂糖回溶糖漿進(jìn)行第一步絮凝脫色處理，然后再用陰離子絮凝劑γ-聚谷氨酸進(jìn)行第二步絮凝脫色處理，通過陽離子絮凝劑和陰離子絮凝劑的協(xié)同絮凝作用，獲得了理想的脫色除雜效果。用掃描電鏡研究了絮凝劑及其絮凝物的形貌特征，為認(rèn)識(shí)其絮凝機(jī)理提供了一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

赤砂糖回溶糖漿 實(shí)驗(yàn)室配制15°Bx;殼聚糖(脫乙酰度80%～95%) 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，生化試劑;γ-聚谷氨酸 南京賽泰斯生物科技有限公司;鹽酸 西隴化工股份有限公司，分析純;氫氧化鈉、冰醋酸 廣東光華化學(xué)廠有限公司，分析純。

JJ500型電子天平 東莞市新陽儀器設(shè)備有限公司;2WAJ-改型阿貝折射儀 上海物理學(xué)儀器廠;pHS-25型p H計(jì) 上海雷磁儀器廠;恒溫磁力攪拌器 上海碩光電子科技有限公司;微孔膜過濾器天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;722-光柵分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;JSM-6700F型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡 日本電子株式會(huì)社。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)流程 實(shí)驗(yàn)步驟流程圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Experiment flow chart

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2.1 絮凝劑的配制 殼聚糖的配制:用燒杯量取一定量蒸餾水，滴加2mL冰醋酸于蒸餾水中，準(zhǔn)確稱取2g殼聚糖，將其溶解于乙酸溶液中，用磁力攪拌器緩慢攪拌至完全溶解，最后稀釋定容至1000mL容量瓶中，待用。

γ-聚谷氨酸絮凝劑的配制:用燒杯量取一定量蒸餾水，準(zhǔn)確稱量2gγ-聚谷氨酸，將其溶解于蒸餾水中，用磁力攪拌器緩慢攪拌至完全溶解，最后稀釋定容至1000mL容量瓶中，待用。

1.2.2.2 單因素實(shí)驗(yàn) 殼聚糖用量變化對糖漿澄清脫色效果的影響:準(zhǔn)確量取6份配制好的回溶糖漿，每份100mL。除原樣外每份添加一定量的殼聚糖溶液，調(diào)節(jié)殼聚糖濃度分別為0.1、0.2、0.35、0.45、0.55g/L，然后將上述溶液調(diào)節(jié)至相同的p H5。在常溫下，用磁力攪拌器緩慢攪拌5min后，于每份糖漿中添加一定量的γ-聚谷氨酸溶液，調(diào)節(jié)γ-聚谷氨酸濃度均為0.02g/L，攪拌沉降過濾，測定糖漿垂度和吸光度，同時(shí)計(jì)算脫色率，繪制脫色曲線。

γ-聚谷氨酸用量變化對糖漿澄清脫色效果的影響:準(zhǔn)確量取6份配制好的回溶糖漿，每份100mL。除原樣外每份添加一定量的殼聚糖溶液，調(diào)節(jié)殼聚糖濃度均為0.45g/L，將上述溶液調(diào)節(jié)至相同的pH5，用磁力攪拌器緩慢攪拌5min后，于每份糖漿中添加不同量的γ-聚谷氨酸溶液，調(diào)節(jié)γ-聚谷氨酸濃度分別為 0.02、0.04、0.06、0.08、0.1g/L，攪拌沉降過濾，測定糖漿垂度和吸光度，同時(shí)計(jì)算脫色率，繪制脫色曲線。

反應(yīng)p H對糖漿澄清脫色效果的影響:準(zhǔn)確量取6份配制好的回溶糖漿，每份100mL。在不同的pH條件下對糖漿進(jìn)行絮凝處理，在反應(yīng)過程中控制殼聚糖濃度為0.45g/L，γ-聚谷氨酸濃度為0.06g/L，調(diào)節(jié)不同的 pH 分別為4、5、6、7、8，反應(yīng)完成后，過濾，測定糖漿垂度和吸光度，同時(shí)計(jì)算脫色率，繪制脫色曲線。

反應(yīng)溫度對糖漿澄清脫色效果的影響:準(zhǔn)確量取6份配制好的回溶糖漿，每份100mL。在p H為5，殼聚糖濃度為0.45g/L，γ-聚谷氨酸濃度為0.06g/L條件下，調(diào)節(jié)不同的溫度，分別為 25、40、60、75、90℃，對糖漿進(jìn)行絮凝處理，反應(yīng)完成后，過濾，測定糖漿垂度和吸光度，同時(shí)計(jì)算脫色率，繪制脫色曲線。

1.2.2.3 正交實(shí)驗(yàn) 選擇殼聚糖量、γ-聚谷氨酸量、p H、反應(yīng)溫度按四因素四水平L16(45)安排正交實(shí)驗(yàn)，見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.2.4 測定方法 赤砂糖色值按照國際機(jī)構(gòu)ICUMSA(糖品分析統(tǒng)一方法國際委員會(huì))規(guī)定使用560nm波長進(jìn)行測定，其計(jì)算公式如下:

IU560=A560/bc×1000

式中:IU560-色值(IU);A560-樣液在560nm下測得的吸光度;b-比色皿的厚度(cm);c-樣液固形物的濃度(g/mL)。

脫色率由下式計(jì)算得出:

N(%)=(IU前-IU后)/IU后×100

式中:N-脫色率(%);IU前-處理前赤砂糖色值;IU后-處理后赤砂糖色值。

2 結(jié)果與討論

2.1 各因素對糖漿澄清脫色效果的影響

不同因素對赤砂糖脫色影響結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 脫色率與殼聚糖量關(guān)系Fig.2 Relationship between decoloration rate and the amount of chitosan

從圖2可以看出，當(dāng)殼聚糖濃度小于0.45g/L時(shí)，隨著殼聚糖量的增加，脫色率提高較為迅速;當(dāng)殼聚糖使用量大于0.45g/L時(shí)，脫色率的提高趨于緩慢。這符合絮凝機(jī)理的一般規(guī)律，即絮凝劑使用過量都會(huì)重新分散已聚集的膠質(zhì)，造成濁度增大［7］。殼聚糖分子通過電中和及架橋作用吸附膠體顆粒，壓縮雙電層，使顆粒ζ電位降低，從而使體系脫穩(wěn)形成較大顆粒后沉降［9，15，17］。殼聚糖用量過大，導(dǎo)致體系帶有過量的正電荷，此時(shí)，殼聚糖分子團(tuán)聚在膠粒周圍，對膠粒起到了保護(hù)作用。帶有正電荷的膠粒之間相互排斥并阻礙殼聚糖分子的架橋作用，絮凝體細(xì)小且分散，糖漿渾濁度增加［6，16-17］。

從圖3可知，γ-聚谷氨酸的加入量較小時(shí)，具有較高的脫色率，但隨γ-聚谷氨酸量的增加，脫色率呈下降趨勢。這可能與糖漿中色素分子帶負(fù)電性有關(guān)。因γ-聚谷氨酸帶有負(fù)電性，它與帶負(fù)電性的色素分子將產(chǎn)生排斥作用，導(dǎo)致色素分子之間不能凝聚［9，11-13］。γ-聚谷氨酸使用量越多，其排斥效果越明顯，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，盡管脫色率有所下降，但脫色率還是維持在一個(gè)較高的范圍。與殼聚糖相比，聚谷氨酸有著更為復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種比表面較大的復(fù)雜形體強(qiáng)化了其在絮凝過程中的網(wǎng)捕及卷掃能力，能更快地使小顆粒聚集成形體大、沉降快的絮體［18-19］。在不添加γ-聚谷氨酸的條件下，當(dāng)殼聚糖的用量大于0.2g/L的時(shí)，糖漿濁度開始增加，絮體變得分散直至消失，對后續(xù)的過濾工序帶來較大的困難。添加少量的γ-聚谷氨酸能夠重新聚集已分散的膠質(zhì)，絮體緊密成團(tuán)，沉降迅速，可有效地提高過濾的速度。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)γ-聚谷氨酸濃度小于0.06g/L時(shí)，糖漿澄清度較差，當(dāng)濃度大于0.06g/L時(shí)，糖漿開始變得澄清。

圖3 脫色率與γ-聚谷氨酸量的關(guān)系Fig.3 Relationship between decoloration rate and the amount ofγ-polyglutamic acid

從圖4可以看出，脫色率在pH等于5時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng)p H大于6時(shí)，脫色率隨pH增大迅速下降，pH達(dá)到8時(shí)，脫色率降為10%左右。p H對脫色率的影響主要是由于氫離子濃度大小會(huì)影響殼聚糖的解離狀態(tài)，改變殼聚糖分子的電荷性質(zhì)，從而影響其吸附能力。

從圖5可知，在40℃時(shí)，脫色率達(dá)到最大，大于或小于40℃，脫色率都有所下降。溫度對某些微生物絮凝劑活性影響較大，這是因?yàn)槟承┬跄齽┑牡鞍谆蛘咂渌恍┏煞衷诟邷叵伦冃远鴨适Р糠中跄芰Γ?，15］。對于 γ-聚谷氨酸來說，在較高的溫度下，兩個(gè)谷氨酸單元之間的谷氨酰鍵會(huì)斷裂，從而降低了其絮凝活性。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以脫色率為指標(biāo)對正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行極差R計(jì)算。

圖4 脫色率與pH的關(guān)系Fig.4 The relationship between decoloration rate and pH

圖5 脫色率與溫度的關(guān)系Fig.5 The relationship between decoloration rate and temperature

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of orthogonality experiment

通過表2分析可知，赤砂糖澄清脫色最佳工藝條件為:殼聚糖量0.5g/L;γ-聚谷氨酸量0.06g/L;反應(yīng)p H5;反應(yīng)溫度20℃。

在最佳條件下做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，脫色率為66.5%(大于正交實(shí)驗(yàn)中的最大脫色率65.7%)，說明優(yōu)化結(jié)果可靠。

2.3 掃描電鏡圖分析

圖6為γ-聚谷氨酸的SEM圖，可以看出，γ-聚谷氨酸呈現(xiàn)骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得γ-聚谷氨酸具有強(qiáng)大的架橋及網(wǎng)捕作用，在絮凝過程中，它會(huì)凝聚小顆粒成為較大顆粒，迅速沉降下來。圖7為殼聚糖的SEM圖，可以看出，殼聚糖表面呈團(tuán)簇纖維狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于殼聚糖分子在絮凝過程中產(chǎn)生卷掃作用并增強(qiáng)其吸附性能。

圖6 γ-聚谷氨酸SEM圖Fig.6 SEM image ofγ-polyrlutamic acid

圖7 殼聚糖SEM圖Fig.7 SEM image of chitosan

圖8 ～圖9分別為添加γ-聚谷氨酸前后絮凝物的SEM圖。從圖8～圖9中可以看出，僅使用殼聚糖絮凝劑形成的絮凝物結(jié)構(gòu)松散，中間有空洞，絮凝物密度小，沉降慢，容易分散，受攪拌速度、溫度等因素的影響還會(huì)產(chǎn)生回濁及回色現(xiàn)象;添加γ-聚谷氨酸后，通過殼聚糖絮凝劑與γ-聚谷氨酸的協(xié)同作用，形成的絮凝物結(jié)構(gòu)密實(shí)、不容易分散，因此，絮凝物的密度增大，明顯加快了沉降速度［20-21］。

圖8 不添加γ-聚谷氨酸絮凝物SEM圖Fig.8 SEM image of flocculate without γ-polyrlutamic acid addition

3 結(jié)論

圖9 添加γ-聚谷氨酸絮凝物SEM圖Fig.9 SEM image of flocculate with γ-polyrlutamic acid addition

基于殼聚糖和γ-聚谷氨酸的協(xié)同絮凝法對赤砂糖回溶糖漿進(jìn)行澄清脫色除雜的工藝可行，脫色除雜及沉降效果理想。單獨(dú)使用殼聚糖絮凝劑，絮凝物結(jié)構(gòu)松散，中間有空洞;與γ-聚谷氨酸協(xié)同作用，則絮凝物密實(shí)、絮凝沉降速度快。該工藝具有簡單、快速、高效、絮凝劑用量少、成本低以及安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在赤砂糖回溶糖漿的澄清脫色方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

［1］梁彥瓊.赤砂糖套種法復(fù)制白砂糖經(jīng)驗(yàn)總結(jié)［J］.甘蔗糖業(yè)，1998(4):44-46.

［2］霍漢鎮(zhèn).制糖工藝與裝備的新概念與新實(shí)踐［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［3］袁宗宣，鄭懷禮，舒型武.絮凝科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)展［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，24(2):143-147.

［4］姚俊，徐虹.生物絮凝劑 γ-聚谷氨酸絮凝性能研究［J］.生物加工過程，2004，2(1):35-39.

［5］王浩，楊麗萍，喬君，等.γ-聚谷氨酸的研究進(jìn)展［J］.山東食品發(fā)酵，2011(4):30-34.

［6］佟瑞利，趙娜娜，劉成蹊，等.無機(jī)、有機(jī)高分子絮凝劑絮凝機(jī)理及進(jìn)展［J］.河北化工，2007，30(3):3-6.

［7］梁平賴，鳳英，金鑫，等.殼聚糖絮凝劑處理榨季粗糖漿的實(shí)驗(yàn)研究［J］.廣西蔗糖，2003(12):26-27.

［8］張軼，楊大林，韓杰，等.磁性殼聚糖微球吸附馬鈴薯淀粉廢水中蛋白的應(yīng)用研究［J］.食品工業(yè)科技，2010，31(9):251-253.

［9］謝捷，劉小景，朱興一，等.殼聚糖澄清甜葉菊水提液及其澄清機(jī)理探討［J］.食品科學(xué)，2010，32(20):1-6.

［10］汪德生，付蕾，郎咸明，等.生物絮凝劑γ-PGA絮凝性能的研究［J］.工業(yè)水處理，2007，27(8):32-35.

［11］曹小紅，石瑜，王春玲，等.Bacillus natto TK-2產(chǎn)γ-聚谷氨酸絮凝活性的研究［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2007，33(5):17-20.

［12］張毅，汪新，邱樂泉，等.Bacillus subtilis ZJUTZY 產(chǎn) γ-聚谷氨酸的分子量分布及其絮凝特性研究［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36(6):647-650.

［13］鞠蕾，馬霞.γ-聚谷氨酸的絮凝活性研究［J］.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，11(1):30-35.

［14］法內(nèi)斯托克 .生物高分子［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［15］劉和清，付偉.微生物絮凝劑與有機(jī)絮凝劑復(fù)配對赤砂糖的脫色研究［J］.化工技術(shù)與開發(fā)，2008，37(8):10-12.

［16］嚴(yán)麗君，黎彬，沈彩虹，等.化學(xué)絮凝劑對高嶺土微顆粒的絮凝特性研究［J］.水處理技術(shù)，2009，35(7):42-45.

［17］張軼，楊大林，韓杰，等.磁性殼聚糖微球吸附馬鈴薯淀粉廢水中蛋白的應(yīng)用研究［J］.食品工業(yè)科技，2010，31(9):251-253.

［18］疏秀林，施慶珊，黃小茉，等.γ-聚谷氨酸及其衍生物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.中國組織工程研究，2012，16(16):3009-3012.

［19］李文婧，劉建軍，趙祥穎.γ-聚谷氨酸(γ-PGA)絮凝特性的研究［J］.釀酒，2012，39(1):98-100.

［20］方月梅，鐘松，汪瀚.無機(jī)高分子復(fù)合絮凝劑的掃描電鏡制樣新方法［J］.化學(xué)工程師，2007，137(1):12-13.

［21］馬偉，郭麗燕，蕭錦.改性天然高分子絮凝劑和聚合氯化鋁復(fù)合沉降與絮體分形［J］.環(huán)境科學(xué)，2001，22(1):114-116.