超濾、離子交換結(jié)合固體酸水解工藝在甘蔗最終糖蜜制備轉(zhuǎn)化糖漿中的應(yīng)用研究

李美玲，王卓琳，李明星，代宇超，黎慶濤

(廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004)

甘蔗最終糖蜜(sugarcane final molasses，blackstrap)，亦稱末段糖蜜和桔水，是甘蔗糖廠末段糖膏在長時間助晶后，經(jīng)分蜜得到的母液。由于其中蔗糖的純度已經(jīng)很低，加之存在大量的非糖物質(zhì)，如：膠體、蛋白質(zhì)、色素和無機(jī)鹽等，所以常規(guī)的方法很難進(jìn)一步將這一部分糖結(jié)晶析出。甘蔗最終糖蜜作為制糖行業(yè)的主要副產(chǎn)物，本身也是很好的糖質(zhì)原料，已經(jīng)報道的資源化利用的方式有很多，如發(fā)酵原料、焦糖色素、液體糖、混凝土、飼料和生物制品等[1-13]。但是受制于糖蜜中的大量非糖雜質(zhì)，目前甘蔗糖廠多以其發(fā)酵生產(chǎn)酒精，降低了糖蜜的經(jīng)濟(jì)價值和市場適應(yīng)能力。因此，需要開發(fā)新的甘蔗最終糖蜜的高值化利用方式，提高傳統(tǒng)制糖行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本研究通過超濾、離子交換和固體酸水解結(jié)合的方式，由甘蔗最終糖蜜制備轉(zhuǎn)化糖漿，以期為甘蔗最終糖蜜的高值化利用提供新的參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

1.1.1 材料

甘蔗最終糖蜜：南寧糖業(yè)股份有限公司，錘度為85 °Bx；0.45 μm水系濾膜：廣州甘蔗糖業(yè)研究所；HZ016強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂和D202大孔強(qiáng)堿型陰離子交換樹脂：上海華振科技有限公司；3，5-二硝基水楊酸：上海戶實醫(yī)藥科技有限公司；亞硫酸鈉：湖北盛天恒創(chuàng)生物科技有限公司；苯酚、間苯二酚：上海艾銳化工有限公司；其他試劑：均為分析純。

1.1.2 儀器

SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；Labscale System小型切向流超濾系統(tǒng)、Pelicon XL超濾膜包(8 kDa) 默克密理博(中國)有限公司；WYA-2S數(shù)字阿貝折光儀 上海申光儀器儀表有限公司；普通玻璃層析柱(1.6 cm×40 cm) 上海楚定分析儀器有限公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；UV-1100型紫外可見分光光度計 上海美譜達(dá)儀器有限公司；酸度計、電導(dǎo)率儀 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；哈納HI98713濁度計 上海數(shù)信儀器儀表有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 轉(zhuǎn)化糖漿的制備工藝流程

1.2.2 超濾和離子交換清凈工藝

將5倍稀釋的糖蜜通過0.45 μm的濾膜進(jìn)行預(yù)處理，制得樣品。樣品先經(jīng)過8 kDa的超濾膜進(jìn)行超濾，并在相同處理量(100 mL)下探索不同跨膜壓力下的超濾效果，選擇最佳跨膜壓力。最佳跨膜壓力下得到的超濾后的樣品再經(jīng)HZ016-D202串聯(lián)樹脂組進(jìn)行離子交換清凈處理，探索流速對離子交換效果的影響，選出最佳流速。對清凈前后的樣品的理化指標(biāo)進(jìn)行對比分析。其中，濁度(NTU)由濁度計測定，蔗糖分、還原糖分、電導(dǎo)率和色值的測定參照文獻(xiàn)[14]?？偺欠钟谜崽欠趾瓦€原糖分之和表示。除濁率、脫色率、膜通量、脫鹽率和總糖損失率分別按公式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)計算。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Tp和Tf分別是透過液的濁度和進(jìn)料液的濁度；Cp和Cf分別是透過液和進(jìn)料液的色值，ΔV是一定時間間隔內(nèi)透過液的體積；Δt和A分別是時間和膜面積；Dp和Df分別是透過液和進(jìn)料液的電導(dǎo)率，μS/cm；Sp和Sf分別是透過液和進(jìn)料液的總糖分。

1.2.3 固體酸水解

將清凈后的糖液通過真空濃縮(55 ℃，55 kPa)制得(45±2) °Bx的液體糖，再通過固體酸水解制備出轉(zhuǎn)化糖漿。以水解溫度、固體酸添加量和水解時間為自變量，以蔗糖轉(zhuǎn)化率和還原糖得率為評價指標(biāo)，先進(jìn)行單因素實驗以確定操作參數(shù)范圍，再通過正交實驗優(yōu)化得出最佳工藝條件。蔗糖轉(zhuǎn)化率和還原糖得率的計算參照公式(6)和公式(7)。

(6)

(7)

1.2.4 轉(zhuǎn)化糖漿的制備

對酸水解后的糖漿進(jìn)一步進(jìn)行真空濃縮(55 ℃，55 kPa)，制得符合市場要求的轉(zhuǎn)換糖漿，并對其理化指標(biāo)進(jìn)行測定。其中，灰分和色值的測定分別參照GB 15108-2006和GB/T 317-2018進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 跨膜壓力對清凈效果的影響

圖1 跨膜壓力對脫色率和除濁率的影響

由圖1可知，當(dāng)跨膜壓力小于0.16 MPa時，隨著跨膜壓力的增加，脫色率和除濁率沒有顯著變化；當(dāng)跨膜壓力大于0.16 MPa時，跨膜壓力的進(jìn)一步增加會導(dǎo)致脫色率和除濁率的迅速降低。

圖2 跨膜壓力對膜通量的影響

由圖2可知，隨著跨膜壓力的增加，膜通量近似呈線性增加，高跨膜壓力雖能使膜通量增加，但很快會產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象，造成膜快速污染[15]。綜合考慮，應(yīng)選擇0.16 MPa的跨膜壓力。

2.2 流速對離子交換效果的影響

圖3 優(yōu)化條件下流速對清凈效果和pH的影響

由圖3可知脫色率、脫鹽率和pH隨流速的變化。隨著流速增加，脫鹽率沒有顯著變化，但脫色率和pH經(jīng)歷了先穩(wěn)定(0.5～2.5 BV/h)后急劇下降(2.5～6.0 BV/h)的過程。這可能是因為隨著流速的增加，D202樹脂與溶液的接觸時間減少，帶負(fù)電的色素不能充分被吸附，而HZ016樹脂的離子交換效果不會受到太大影響，從而導(dǎo)致脫色率和pH值降低。因此，選擇1.5 BV/h的流速。

2.3 離子交換二次清凈和酸度調(diào)節(jié)

經(jīng)過前述清凈的糖蜜中的色素和灰分已經(jīng)得到了有效的去除，但是距離果葡糖漿的標(biāo)準(zhǔn)尚有差距，因此設(shè)置二次離子交換清凈工序。即在最優(yōu)離子交換條件下再對糖蜜清凈一次，使其色值和灰分符合要求。又因為經(jīng)過離子交換處理的糖液呈堿性，易導(dǎo)致溶液中的還原糖轉(zhuǎn)化成其他副產(chǎn)物，產(chǎn)生大量色素。因此，再使清凈溶液通過裝有少量HZ016樹脂的離子交換柱，將其調(diào)節(jié)至酸性。經(jīng)過兩道離子交換和酸度調(diào)節(jié)的清凈效果見表1。

表1 離子交換后樣品的理化性質(zhì)和總糖損失情況

注：處理量為50 mL，流速為1.5 BV/h，總糖損失率都是相對于離子交換前的總糖含量計算的。

由表1可知，經(jīng)過清凈和酸度調(diào)節(jié)后的糖蜜溶液的色素和灰分都已基本去除。總糖含量有一定的損失，這是因為樹脂除了離子交換作用還有一定的物理吸附作用，使得一部分糖分殘留在了樹脂層中。考慮到制糖工業(yè)生產(chǎn)中會在入料前先通入甜水上糖甜化，并將殘留的糖分洗脫出來供溶糖使用[16]，因此可以認(rèn)為實驗中這部分糖的損失是可以接受的。

2.4 真空濃縮前后樣品的理化性質(zhì)

表2 真空濃縮前后樣品的理化性質(zhì)

由表2可知，糖液經(jīng)過真空濃縮后錘度、蔗糖分和還原糖分都有顯著提升。觀察到濃縮前的糖液是完全無色透明的，而經(jīng)真空濃縮后呈微黃色，吸光度增大，這主要是由加熱過程中呈色反應(yīng)如還原糖和游離氨基酸發(fā)生的美拉德反應(yīng)引起的[17]。

2.4.1 樹脂添加量對水解效果的影響

圖4 樹脂添加量對水解效果的影響

由圖4可知固體酸水解效果與樹脂添加量的關(guān)系。隨著樹脂添加量的增大，蔗糖轉(zhuǎn)化率和還原糖得率起初都顯著增大，當(dāng)樹脂用量超過6 mL后，蔗糖水解率逐漸趨于穩(wěn)定，而還原糖得率的增速也明顯放緩。這是蔗糖濃度降低和樹脂對溶液中糖的吸附增多綜合作用的結(jié)果。因此，為了在獲得較高還原糖產(chǎn)率的同時節(jié)省成本，選擇6 mL的樹脂添加量作為后續(xù)正交實驗的中間水平。

2.4.2 溫度對水解效果的影響

圖5 溫度對水解效果的影響

由圖5可知，隨著酸水解溫度的升高，蔗糖轉(zhuǎn)化率和還原糖得率都是先增加后趨于穩(wěn)定。這是因為溫度升高會加速溶液中分子和離子的擴(kuò)散運(yùn)動，使得蔗糖轉(zhuǎn)化為還原糖的速率明顯增快。當(dāng)反應(yīng)溫度超過80 ℃時，水解速率加快導(dǎo)致蔗糖完全分解和高溫可能引起還原糖轉(zhuǎn)化成其他副產(chǎn)物，使得蔗糖轉(zhuǎn)化率維持在100%，而還原糖產(chǎn)率略有降低?？紤]到HZ016型樹脂的最高操作溫度為80 ℃，溫度再高會對樹脂造成不可逆的破壞，影響其使用壽命。因此，選擇75 ℃作為后續(xù)正交實驗的中間水平。

2.4.3 處理時間對水解效果的影響

圖6 反應(yīng)時間對水解效果的影響

由圖6可知，隨著反應(yīng)時間的增加，蔗糖轉(zhuǎn)化率和還原糖得率起初都明顯增大，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行至25 min后，蔗糖轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%，不再變化，而還原糖得率有一定減少。分析是因為還原糖長時間處于高溫下會向其他副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，而又沒有新的蔗糖分解來補(bǔ)充還原糖含量。因此，選擇反應(yīng)時間25 min作為后續(xù)正交實驗的中間水平。

2.5 正交實驗

2.5.1 正交設(shè)計

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，以選定的樹脂添加量(6 mL)、溫度(75 ℃)和反應(yīng)時間(25 min)為中間水平值，設(shè)計三因素三水平L9(34)的正交實驗，進(jìn)一步優(yōu)化最佳反應(yīng)條件。因素水平表見表3，實驗方案和結(jié)果見表4。

表3 正交實驗因素水平表

表4 正交實驗方案及結(jié)果分析

表5 方差分析表

注：F0.05(2，2)=19,F0.01(2，2)=99，“*”表示差異顯著(P<0.05)；“**”表示差異極顯著(P<0.01)。

由表4可知，極差RB>RC>RA,說明3個因素對還原糖得率的貢獻(xiàn)大小順序為：B>C>A；而空白列的極差最小，說明因素之間交互作用和其他未考慮的因素對結(jié)果的影響不大。由表5方差分析結(jié)果可知，溫度、反應(yīng)時間和樹脂添加量對結(jié)果的影響分別是極顯著、顯著和不顯著。本實驗中A3B3C3組對應(yīng)的還原糖得率最大，因為因素A對實驗結(jié)果的影響最小，為了節(jié)省樹脂和降低成本，考慮選擇A1B3C3組作為最優(yōu)方案，這也是9個實驗組中最好的方案。

2.5.2 驗證實驗和果糖、葡萄糖含量的測定

對上述選擇的A3B3C3和A1B3C3兩組進(jìn)行驗證實驗以確定最佳方案，實驗結(jié)果顯示它們對應(yīng)的還原糖得率分別為293.31%和288.01%，差別并不大。因此，本著節(jié)省樹脂和降低生產(chǎn)成本的原則，選擇A1B3C3組作為最終的方案，即樹脂添加量4 mL，反應(yīng)溫度80 ℃和反應(yīng)時間30 min。測得經(jīng)酸水解的樣品中果糖和葡萄糖含量分別為14.5%和30.8%。

2.5.3 轉(zhuǎn)化糖漿的制備和理化指標(biāo)的測定

表6 自制轉(zhuǎn)化糖漿的理化指標(biāo)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的對比

由表6可知，制得的轉(zhuǎn)化糖漿各項理化指標(biāo)基本滿足QB/T 4093-2010的要求。其中，干物質(zhì)含量為70.1%，還原糖含量(占干固物)達(dá)到了98.9%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對轉(zhuǎn)化糖漿的要求。此外，產(chǎn)品的色值和硫酸灰分含量也滿足要求。因為固體酸為強(qiáng)酸型樹脂，所以產(chǎn)品的pH比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)稍低，但差別不大，可以加入少量的Na2CO3或NaHCO3進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論

采用膜法和離子交換聯(lián)用對甘蔗最終糖蜜進(jìn)行清凈處理。實驗表明，在0.16 MPa的跨膜壓力下超濾效果最佳。離子交換實驗表明，流速為1.5BV/h時可以獲得最佳的清凈效果。經(jīng)過清凈和酸度調(diào)節(jié)后的樣品的吸光度和電導(dǎo)率都大幅度降低，考慮到工業(yè)化生產(chǎn)中離子交換的糖分可以回收利用，10.4%的總糖損失率認(rèn)為是可以接受的。

對清凈后的糖液進(jìn)行真空濃縮制得液體糖，再采用強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂進(jìn)行固體酸水解。通過單因素和正交實驗對酸水解工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明樹脂添加量4 mL，反應(yīng)溫度80 ℃和反應(yīng)時間30 min時可獲得最佳酸水解效果,對應(yīng)的果糖和葡萄糖含量分別為14.5%和30.8%。對酸水解后的糖漿進(jìn)一步真空濃縮制得轉(zhuǎn)化糖漿，并對其理化指標(biāo)進(jìn)行測定，結(jié)果顯示其各項理化指標(biāo)基本滿足QB/T 4093-2010的要求。