殼聚糖-活性炭協(xié)同對蔗汁的脫色效果

李雪珍，沈石妍，郭家文

（云南農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，開遠661699）

制糖生產(chǎn)中，蔗汁的澄清工藝有亞硫酸法、碳酸法和離子交換法，亞硫酸法和碳酸法均使用二氧化硫硫熏脫色，容易造成二氧化硫污染和成品白砂糖二氧化硫超標(biāo)，碳酸法還因副產(chǎn)物濾泥堿度高，而難以被再利用，離子交換法的不足之處在于，樹脂的再生需要耗費大量的水和化學(xué)試劑，對環(huán)境不利。蔗汁中，含有很多的懸浮顆粒物，如蔗糠、蔗蠟等，還有大量半懸浮微粒，如淀粉等，這些非糖分在低溫下呈現(xiàn)不溶狀態(tài)，在澄清過程中，隨著加熱時間的增長，會部分溶解或以膠體的形式分散在蔗汁中，且蔗汁的顏色加深，新生成的有色物質(zhì)在生產(chǎn)中很難被除去，對后續(xù)工序的處理和白砂糖的質(zhì)量帶來不良影響[1]，研究低溫沉清脫色對制糖生產(chǎn)具有重要的意義。

殼聚糖是一種天然陽離子型高分子絮凝劑，是天然多糖中唯一的堿性氨基多糖。溶于稀酸溶液，帶正電荷，殼聚糖作為絮凝劑兼有電中和絮凝和吸附、絮凝雙重作用，當(dāng)加入到糖汁中時，會吸附絮凝糖汁中帶負電荷的色素、果膠、單寧等形成絮凝物[2]。殼聚糖在果汁的澄清中運用較多，如菠蘿汁、獼猴桃果汁、蘋果汁等的澄清[3-5]，此外，殼聚糖還具有一定的抑菌保鮮作用[6-9]，而在甘蔗制糖生產(chǎn)中應(yīng)用很少。活性炭是一種具有非極性表面的多孔吸附劑，其吸附的理想狀態(tài)是從水溶液中吸附有機物質(zhì)[10]，是一種高效的糖液脫色劑，其生產(chǎn)取材廣泛，富含碳的纖維材料都能用來生產(chǎn)活性炭，包括制糖生產(chǎn)的副產(chǎn)物蔗渣[11]?；钚蕴吭谥铺菢I(yè)中多用于對粗糖或紅糖糖漿進一步的脫色生產(chǎn)精制糖[12-14]，國內(nèi)很少用于甘蔗全汁的脫色?；跉ぞ厶堑男跄院鸵志?，活性炭的吸附脫色性，本實驗就殼聚糖協(xié)同活性炭在室溫下對甘蔗蔗汁脫色情況進行了實驗。

1 材料與方法

1.1 材料

蔗汁：甘蔗經(jīng)小型壓榨機壓榨一次提汁；殼聚糖：分析純，200 mPa.s～400 mPa.s；活性炭：云南永德康偉生物碳業(yè)有限公司；殼聚糖溶液：稱取1.0 g殼聚糖于100 mL含1 mL冰乙酸的水中搖至完全溶解，4℃保存?zhèn)溆茫ㄒ恢軆?nèi)使用）。

1.2 儀器

旋光儀：JH-P400（上海佳航儀器儀表有限公司）；電子天平：JH3102（上海精科天美科學(xué)儀器有限公司）；手動移液器：5 mL（Sartorius）；阿貝折射儀：WAY-2S（上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司）；小型壓榨機。

1.3 實驗方法

1.3.1 殼聚糖絮凝實驗[15]殼聚糖溶液用量的單因素絮凝實驗，量取100 mL蔗汁于不同的燒杯中，分別加入不同體積用量的殼聚糖溶液，迅速攪拌均勻，觀察蔗汁絮凝現(xiàn)象，當(dāng)蔗汁出現(xiàn)瞬間絮凝時，選取此殼聚糖溶液體積用量為最佳添加量。

1.3.2 殼聚糖絮凝下活性炭單變量脫色實驗 活性炭用量的單變量脫色實驗，量取100 mL蔗汁于不同的燒杯中，加入最佳的殼聚糖溶液體積毫升數(shù)，攪拌均勻后分別加入不等量的活性炭，調(diào)節(jié)混合物pH為7.0，靜置脫色20 min后，測其色值。

1.3.3 對不同甘蔗汁的協(xié)同脫色實驗 以殼聚糖溶液的最佳使用量協(xié)同一定的活性炭對不同品種的甘蔗汁進行脫色實驗。脫色實驗操作同1.3.2，并分別測量脫色前后蔗汁、清汁的重力純度。

1.3.4 檢測方法 色值：參照文獻[16]在制品和深色制品色值的測定方法，波長420 nm。

脫色率=（脫色前蔗汁色值-清汁色值）/脫色前蔗汁色值×100

重力純度：參照《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》[16]蔗糖分采用二次旋光法測定，錘度采用折光法測定。

重力純度差=脫色后清汁的重力純度-脫色前蔗汁的重力純度

2 結(jié)果與分析

2.1 殼聚糖絮凝實驗結(jié)果

取一甘蔗汁，進行殼聚糖的單因素絮凝實驗，實驗觀察結(jié)果如表1所示。根據(jù)實驗觀察，隨著殼聚糖加入量的增加，蔗汁出現(xiàn)絮凝的速度逐漸加快，當(dāng)用量增至5.0 mL時，蔗汁中絮凝在瞬間出現(xiàn)，據(jù)此確定實驗中殼聚糖溶液的最佳用量為5.0 mL。

表1 殼聚糖的絮凝試驗結(jié)果

2.2 殼聚糖絮凝下活性炭單變量脫色效果

表2 活性炭脫色結(jié)果

在殼聚糖的絮凝下，對活性炭進行單變量脫色實驗，結(jié)果如表2所示。運用SPSS分析工具進行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如圖1至圖4所示。相對于蔗汁，脫色率變化情況如圖1所示，總脫色率隨活性炭用量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，從建立的數(shù)學(xué)模型中來看：y1=-80.714x2+110.586x+59.363，y1表示總脫色率，x表示活性炭用量。調(diào)整R2為0.984，檢驗sig 0.001＜0.05，模型在95%的置信度下具有統(tǒng)計學(xué)意義，總脫色率殘差為2.7%。當(dāng)x=0.0 g時，總脫色率y1=59.369%，把曲線向下平移通過零點，即得到活性炭相對于蔗汁的脫色率變化曲線，在殼聚糖的協(xié)同下總脫色率遠高于活性炭的脫色率，很明顯，蔗汁中近60%的有色物質(zhì)被殼聚糖吸附絮凝。

圖1 脫色率曲線圖

圖2 協(xié)同脫色清汁色值曲線圖

圖3 活性炭脫色曲線圖

相對于蔗汁，清汁色值變化情況如圖2所示。在圖2中所示，清汁色值隨著活性炭協(xié)同用量的增加，清汁色值逐漸降低。其色值降低軌跡為，y2=14198x2-19385x+7098.2，其中y2表示清汁色值，x表示活性炭的協(xié)同用量，當(dāng)x=0，時y（2）=7098.2 IU，占蔗汁色值17404 IU的40.78%?？梢姡嶂猩杏薪?0%的有色物質(zhì)未被殼聚糖吸附絮凝，這部分有色物質(zhì)即是活性炭吸附的對象。

結(jié)合圖1和圖2的分析，可以得到活性炭相對于未被吸附絮凝的有色物質(zhì)吸附脫色的變化軌跡，在圖3中所示，活性炭相對于蔗汁中未被殼聚糖吸附絮凝的有色物質(zhì)，隨著活性炭用量的增加，吸附脫色率逐漸增加至90%以上。可見，在殼聚糖-活性炭協(xié)同脫色的過程中，活性炭的吸附脫色同樣重要。

各協(xié)同因子對總脫色率的影響如圖4所示，各協(xié)同因子在總脫色率中的變化規(guī)律，隨著活性炭的增加，脫色率隨之增加，活性炭對總脫色率的影響百分比逐漸遞增接近40%，而殼聚糖對總脫色率的影響百分比卻隨著活性炭用量的增加逐漸遞減接近60%。且殼聚糖協(xié)同因子對總脫色率的影響百分比大于活性炭因子對總脫色率的影響百分比，它們之間最小差距近20%。

綜上，在殼聚糖活性炭協(xié)同脫色過程中，大部分有色物質(zhì)被殼聚糖吸附絮凝，其余由活性炭吸附。雖然殼聚糖的脫色率在總脫色率中占有較大的比重，但只有在活性炭的協(xié)同下才能使脫色近乎完全。

圖4 協(xié)同因子對總脫色率的影響

2.3 對不同蔗汁協(xié)同脫色效果

為了進一步檢驗室溫下，殼聚糖-活性炭的脫色效果，將活性炭的最大協(xié)同添加量選擇為1 g，取不同品種的甘蔗蔗汁各100mL，并分別加入5 mL的殼聚糖溶液和1 g活性炭，進行脫色效果的驗證實驗，其結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，不同的蔗汁經(jīng)脫色后，清汁的重力純度都有提高，色值均有大幅度的下降，證明殼聚糖-活性炭協(xié)同有很好的清凈脫色能力。

表3 殼聚糖-活性炭脫色結(jié)果

運用SPSS分析工具對結(jié)果進行分析，重力純度差、清汁色值和脫色率的描述統(tǒng)計結(jié)果如表4所示，在95%的置信度下，重力純度差、清汁色值、脫色率的均值及其范圍和標(biāo)準(zhǔn)差，說明了5 mL殼聚糖溶液協(xié)同1 g活性炭對5000 IU～17000 IU范圍內(nèi)的蔗汁，有很高的脫色率，能得到較低的清汁色值和較好的清凈效果。

表4 95%置信度下的統(tǒng)計結(jié)果

殼聚糖與活性炭協(xié)同處理蔗汁，由圖5可知，脫色率隨著蔗汁色值呈線性上升趨勢，脫色率y與蔗汁色值x有數(shù)學(xué)關(guān)系式y(tǒng)=0.0003x+92.887。y與x相關(guān)系數(shù)R2為0.886，具有線性強相關(guān)關(guān)系，模型有效檢驗sig 0.001＜0.05，建立的數(shù)學(xué)模型在95%的置信度下具有數(shù)學(xué)統(tǒng)計意義。不同色值的蔗汁，通過協(xié)同脫色后清汁色值是可估計的。

綜合分析說明，殼聚糖-活性炭協(xié)同處理蔗汁，因能有效脫除有色及無色的非糖物質(zhì)，所以能有效降低加熱給后續(xù)加工帶來的不良影響。

圖5 蔗汁色值與脫色率關(guān)系

3 結(jié)論

通過實驗發(fā)現(xiàn)，殼聚糖的加入，對提高總的脫色率起著重要作用，可以使總脫色率提高了近60%，也就是說色值可以直接降低近60%。而活性炭的脫色作用主要發(fā)生在殼聚糖的絮凝之后，能脫除剩余的近40%的色值，它們在協(xié)同脫色過程中都發(fā)揮了各自的脫色作用，使整個脫色過程能有較高的脫色率。在5mL殼聚糖協(xié)同1 g活性炭對不同蔗汁的脫色結(jié)果可以看到總脫色率能達到96.7%，而清汁的重力純度平均提高了3.41%，清汁的色值均值為326 IU，略高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的白砂糖二級糖色值上限，240 IU[17]，證明殼聚糖與活性炭的協(xié)同作用，能有效減少蔗汁中的非糖物質(zhì)，從而能有效降低加熱給制糖生產(chǎn)中后續(xù)加工帶來的不良影響。對提高產(chǎn)品質(zhì)量，避免亞硫酸法中二氧化硫的污染，及提高碳酸法生產(chǎn)副產(chǎn)物濾泥的綜合利用是有意義的。

由于試驗所用甘蔗，砍后放置只有1～2d，甘蔗經(jīng)一次壓榨提汁，蔗汁的新鮮度好，非糖物質(zhì)相對較少，清凈脫色比較容易，所以實驗結(jié)果存在一定的局限性，對于生產(chǎn)實際中的蔗汁殼聚糖與活性炭的使用有待于進一步的研究。

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