原糖溶液電解脫色的研究

1、 食品技術(shù) 原糖溶液電解脫色的研究 李存芝 李琳 扶雄 胡松青 林淑英 (華南理工大學(xué)食品與生物工程學(xué)院 廣州 510640摘要:闡述了原糖溶液電解脫色過(guò)程的機(jī)理,并對(duì)電解原糖漿脫色進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,考察電解時(shí) 間、電流密度、溫度、錘度等因素對(duì)原糖漿脫色的影響。結(jié)果表明,電解對(duì)原糖溶液具有顯著的 脫色效果,對(duì) 40ºBx的原糖溶液脫色率可以達(dá)到 90%以上。 關(guān)鍵詞:電解;原糖漿;脫色中圖分類(lèi)號(hào):TS201.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-9989(200406-0027-04Study on electrolytic decolourization of the raw su

2、gar syrupLI Cun-zhi LI Lin FU Xiong HU Song-qing LIN Shu-ying(Food and Biology College, South China University of Technology, Guangzhou, 510640Abstract: The mechanism of electrolytic purification the syrup of raw sugar was introduced. The electrolytic decolourization was performed with time, current

3、 density, temperature and concentration. That electrolytic decolourization had a notability effect on the syrup. The ratio of electrolytic decolourization to 40°Bx was over 90%.Key words: electrolysis; syrup; decolourization0 前言我國(guó)南方大多數(shù)糖廠采用亞硫酸法生產(chǎn)耕地白 砂糖或提凈原糖,糖漿凈脫色率低,白砂糖的色值 和灰分偏高,生產(chǎn)出的糖很難打入高級(jí)飲料市場(chǎng)。

4、糖液的脫色問(wèn)題一直是影響制糖工業(yè)生產(chǎn)的重要因 素。有些糖廠采用磷浮法來(lái)改善現(xiàn)狀,但其脫色率 仍不理想,本文采用電解法對(duì)原糖漿進(jìn)行脫色研究, 獲得較好的效果。目前,電化學(xué)基本原理及技術(shù)都有了很大的發(fā) 展,電解方法已用于多種工業(yè)廢水的處理,如皮革 廢水、含油廢水等 1。電解法用于糖漿脫色的研究 受到了人們的關(guān)注。電解法具有設(shè)備簡(jiǎn)單,不需要 投加大量化學(xué)試劑,生產(chǎn)泥渣量少等優(yōu)點(diǎn);同時(shí)利 用電解過(guò)程所產(chǎn)生的氣泡,采用新型的電氣浮方法 處理糖漿,既達(dá)到了澄清脫色的目的,又可省去氣 浮處理工藝的機(jī)械打泡裝置, 具有很好的應(yīng)用前景。 收稿日期:2003-11-05作者簡(jiǎn)介:李存芝 (1969-,女,黑龍江人

5、,博士研究生,研究 方向?yàn)槟し蛛x、生理活性物質(zhì)分離純化及食品加工。制糖生產(chǎn)中的色素主要有:甘蔗植物色素、類(lèi) 黑色素、焦糖和果糖的堿性降解物。糖漿是一種多 元復(fù)雜的溶液,而且隨著條件的變化而變化,從電 泳測(cè)定可知大部分色素是帶負(fù)電的。一般除蔗糖外 都為電解質(zhì)或帶電體,因而在外電場(chǎng)的作用下,將 產(chǎn)生一系列的電動(dòng)現(xiàn)象。在電解過(guò)程中,電對(duì)蔗糖 成分基本上不會(huì)引起反應(yīng)和分解,但能將色素等其 他雜質(zhì)分離。電解時(shí)帶電荷的離子、分子或膠體粒子在外電 場(chǎng)的作用下,向兩極作定向移動(dòng),在陰、陽(yáng)兩塊極 板上分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng),從而產(chǎn)生大量的泡 沫和沉淀物。電解對(duì)糖汁的提凈作用主要有 2種:一是電中和的沉淀作用;二

6、是電絮凝生成物界面的 吸附作用,從而達(dá)到提凈脫色糖漿的目的。 1 脫色機(jī)理 1.1 電解脫色機(jī)理電解時(shí)帶電荷的離子、分子或膠體粒子在外電 場(chǎng)的作用下,向兩極作定向移動(dòng),在陰陽(yáng)兩塊極板 上分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng),從而產(chǎn)生大量的泡沫 食品技術(shù)和沉淀物。粒子運(yùn)動(dòng)的方向和速度與電荷符號(hào)及分 散相質(zhì)點(diǎn)與分散介質(zhì)間的電位有關(guān),也與吸附離子 的性質(zhì)以及粒子在溶液中的濃度有關(guān)。糖漿是一種多元復(fù)雜的溶液,而且隨著條件的 變化而變化, 從電泳測(cè)定可知大部分色素帶負(fù)電荷, 但一般情況下色素帶電的正負(fù)性及數(shù)量主要決定與 它生成時(shí)條件及分散的狀態(tài)。一般除蔗糖外都為電 解質(zhì)或帶電體,因而在外電場(chǎng)的作用下,將產(chǎn)生一 系列電

7、動(dòng)現(xiàn)象。在電解過(guò)程中,電對(duì)蔗糖成分基本 上不會(huì)引起反應(yīng)和分解,但能將色素等其他雜質(zhì) 分離。1.2 高離子澄清劑 G409G409是華南理工大學(xué)輕化工研究所研制成的 一種新型高離子澄清劑,在制糖工業(yè)已廣泛推廣應(yīng) 用。本實(shí)驗(yàn)將 G409與電解結(jié)合共同作用于糖漿, 相互配合, 以達(dá)到提純糖漿的目的。 G409基本上是 一種鋁化合物, Al 2O 3含量在 10%以上,屬于無(wú)機(jī)的 高離子物質(zhì),它具有無(wú)機(jī)高離子和聚鋁的某些特性。 工業(yè)制品是黃色或帶灰色的液體, pH 值 3左右, 能 溶于水。在水溶液中,會(huì)發(fā)生不同于一般鋁離子 (Al3+ 的行為而呈現(xiàn)一系列復(fù)雜的水解和聚合過(guò)程。 其聚鋁高離子狀態(tài)為羥基

8、鋁,屬陽(yáng)離子。當(dāng) G409水解及聚合產(chǎn)物被 2個(gè)以上的膠體粒子吸附后,便 在粒子間形成了架橋連接,再逐步形成較大的絮凝 體,起到澄清脫色的作用。2 實(shí)驗(yàn)材料和方法2.1 實(shí)驗(yàn)主要儀器與設(shè)備Spectrumlab22PC 分光光度計(jì);阿貝折光儀; 磁力恒溫?cái)嚢杵? ZD-2型自動(dòng)電位滴定計(jì);超級(jí)恒 溫水浴;電極:采用 120mm ×80mm 電極片;電解槽:矩形有機(jī)玻璃電解槽,尺寸 90mm ×40mm × 140mm; 電源:WYJ30-3-I 型高穩(wěn)定直流穩(wěn)壓電源,電壓130V,電流 03A。2.2 實(shí)驗(yàn)步驟2.2.1 配制一定濃度的糖液,用折光儀測(cè)其錘度值。

9、2.2.2 將糖液于超級(jí)恒溫水浴中加熱至所需溫度。 2.2.3 將電極板按照所規(guī)定的極板間距安裝在電解 槽上,連接好直流電源,將電壓檔調(diào)至所規(guī)定的電 壓,并將其放置在磁力攪拌器上。2.2.4 將一定體積、溫度、濃度的糖液迅速置于電 解槽中進(jìn)行電解至一定時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)電解時(shí)間、電流密度、溫度對(duì)脫 色率的影響規(guī)律進(jìn)行研究。 2.3 原料與分析計(jì)算方法2.3.1 原糖 由中山糖廠提供,糖液現(xiàn)配現(xiàn)用;色 值的測(cè)定參照 ICUMSA 標(biāo)準(zhǔn)。2.3.2 脫色率 (%=1AAA ×100式中:A 0電解前糖漿的吸光度;A 1電解后糖漿的吸光度。2.3.3 電解過(guò)程中,電壓、電流、電解時(shí)間的大小

10、 直接影響耗電量的變化,其計(jì)算公式如下所示:電耗 (kWh/t=601000UIt××d80106×式中:U 電解槽電壓, V ;t 電解時(shí)間;I 電流, A ;d 電解液濃度, g/cm3。3 結(jié)果與討論3.1 電解時(shí)間的影響電解原糖溶液濃度 40、 50、 60ºBx,電位梯度 16.67V/cm,糖漿溫度 50ºC,原糖漿量 80mL 。每次 電解條件都一樣,即相同的板距、電位梯度、初始 濃度和溫度,電解不同時(shí)間,測(cè)量電解前、后的吸 光度值,比較脫色效果。0 5 10 15 20 25 30 35 40 時(shí)間 (min圖 1 電解時(shí)間對(duì)脫

11、色率的影響由圖 1可見(jiàn),電解對(duì)原糖漿具有顯著的脫色效 果,對(duì) 40ºBx可以達(dá)到 90%, 60ºBx可以達(dá)到 70%以上。電解時(shí)間越長(zhǎng),則糖漿脫色率越高,但在前 15min 內(nèi),脫色率增加的較快,后階段則脫色率變 化緩慢。且 40ºBx與 50、 60ºBx進(jìn)行比較,糖漿在 40ºBx電解時(shí)可以在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定的脫色 要求,這主要由于濃度稀、粘度低,有利于離子的 遷移,有利于電解氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行,可以盡快 地產(chǎn)生大量氣泡及沉淀,有利于糖漿的脫色?？梢?jiàn) 處理低濃度糖汁更為有利于電解進(jìn)行,糖汁脫色效 果更好。10080604020脫色率(

12、%°Bx°Bx°Bx 食品技術(shù) 同時(shí)觀察到在糖漿電解過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的熱 量,使糖漿維持在一定的溫度水平。產(chǎn)生的熱量主 要和電阻有關(guān),一般增加入汁溫度,則糖漿的粘度 降低,有利于離子的遷移,電阻會(huì)減小;產(chǎn)生的熱 量也于極板間距、極板表面狀態(tài)等因素有關(guān)。 3.2 電流密度對(duì)脫色效率的影響電流密度 (A/m2 即電流與糖汁所占極板面值之 比值。 電位梯度 (V/cm為槽電壓與極板間距之比值。糖汁電解要求有一定的電流密度和達(dá)到一定的電位 梯度,電位梯度是推動(dòng)電解的動(dòng)力,至少要高于電 解槽蔗汁的反電動(dòng)勢(shì)。電流密度的數(shù)值也反映了電 解速度的快慢。電流密度影響脫色率的電解條件:

13、原糖漿濃度 41.6ºBx,電解時(shí)間 15min ,室溫 27.5ºC,電解糖汁 量 80mL 。改變電壓從而改變電流密度,測(cè)不同電 流密度下的脫色率,比較脫色效果。表 1 電流密度與脫色率關(guān)系電流密度(A/m2 電位梯度 (V/cm 耗電量 (kWh/t糖漿 吸光度 (電解前 吸光度 (電解后 脫色率 (% 64.10 4.17 1.98 1.3010 0.6737 48.22 106.84 8.33 6.60 1.3010 0.5756 55.76 149.57 12.50 13.86 1.3010 0.2497 80.81 192.31 16.67 23.76 1.3

14、010 0.1192 90.84 235.0420.8333.001.30100.098092.47表 1是實(shí)驗(yàn)中所體現(xiàn)的電流密度與脫色率的關(guān) 系。隨著電流密度的增加,糖漿脫色率迅速提高, 當(dāng)脫色率達(dá)到 90%以上時(shí),隨著電流密度的增加, 脫色率提高緩慢,且增加了耗電量,見(jiàn)圖 2和圖 3。 所以在上述電解條件下, 為使脫色率達(dá)到較高要求, 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240電流密度 (A/m2圖 2 電流密度對(duì)脫色率的影響 0 50 100 150 200 250電流密度 (A/m2圖 3 電流密度和耗電量的關(guān)系并盡量降低耗電量,則取電流

15、密度 192A/m2、電位 梯度 16.67V/cm,則脫色率可以達(dá)到 90%。如圖 3所示,若能在低電流密度下達(dá)到脫色要 求,則可以節(jié)省電能,降低運(yùn)行費(fèi)用;但同時(shí)在低 電流密度下電解時(shí),往往脫色效果難以達(dá)到要求。 所以實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)從能耗、脫色效果、電流密度等 多方面綜合考慮。 3.3 溫度對(duì)脫色率的影響將在恒溫水浴中加熱至一定溫度的糖液,迅速 置于電解槽中進(jìn)行電解,比較不同溫度下的脫色效 果。電解條件為:原糖漿濃度 41、 50ºBx,電解時(shí) 間 15min ,電位梯度 16.67V/cm。表 2 溫度變化與脫色效果實(shí)驗(yàn) (41ºBx溫度 (ºC 電位梯度 (V

16、/cm 吸光度 (電解前 吸光度 (電解后 脫色率 (% 32 16.67 1.1870 0.3111 73.79 40 16.67 1.1870 0.2128 82.07 50 16.67 1.1870 0.1337 88.74 6016.671.18700.200783.09由表 2可以看出,糖汁濃度為 41ºBx時(shí),溫度 對(duì)脫色效果影響不是很大。但入汁溫度太低時(shí),糖 汁的粘度較大,不利于離子和膠體粒子的遷移,同 時(shí)電解過(guò)程有大部分電能消耗于糖汁溫升上,從而 增加了耗電量,電解速度減慢。但若糖汁濃度高, 溫度的影響就比較顯著,如表 3所示。由表 3可見(jiàn),同一濃度的糖液在其他電解條

17、 件相同的情況下,只是溫度不同,最終都會(huì)達(dá)到表 3 溫度變化與脫色效果實(shí)驗(yàn) (50ºBx時(shí)間 (min5 10 15 20 25 30 加熱至 50的脫色率 (% 49.21 57.60 80.70 86.14 87.56 84.64 常溫 27.5的脫色率 (%23.431.450.065.681.484.71009080706050403020100脫 色 率 (%3530252015105耗 電 量 (k W h /t 食品技術(shù)幾乎相同的脫色效果,但是入汁溫度越高,脫色 的速度會(huì)越快。 50的糖液在前 15min 內(nèi)會(huì)達(dá)到 80%的脫色率; 而未加熱的糖液在室溫 27.5進(jìn)行

18、電解,要經(jīng)過(guò) 25min 才會(huì)達(dá)到相同的脫色率。對(duì) 于濃度較高的糖漿,入汁溫度高些會(huì)較快地達(dá)到 脫色要求。3.4 機(jī)械打泡與電解起泡糖漿脫色比較首先連接好電解裝置,將濃度為 40ºBx原糖漿 置于恒溫水浴鍋中加熱至 50ºC,然后將 80mL 的原 糖漿按照比例加入高離子澄清劑 G409, G409原液 用 量 對(duì) 原 糖 漿 為 0.15%0.8%, 用 石 灰 調(diào) 至 pH6.06.3, 后 期 加 入 聚 丙 烯 酰 胺 對(duì) 原 糖 漿 為 3035mg/kg。實(shí)驗(yàn)條件為:電位梯度 16.67V/cm, G409原液 9%,聚丙烯酰胺 0.5g/L,石灰乳 10

19、86;Be。 表 4 機(jī)械打泡與電解起泡脫色原糖漿比較起泡形式 G409用量 (%(原液 /原糖漿 脫色率(%處理時(shí)間 (min電解 0 71.64 6電解 0.2 86.47 6電解 0.4 90.67 6電解 0.6 94.58 6機(jī)械 0.6 50.22 15機(jī)械 0.6 34.62 6配制 40ºBx的原糖漿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,比較單純 電解; 電解添加 G409, 比較機(jī)械打泡對(duì)原糖漿脫色 效果的影響。 機(jī)械打泡機(jī)規(guī)格:TYPE 241 CODE223, 310W , 220V50/60Hz。單純電解處理 6min 脫色率可以達(dá)到 70%以上, 加入 G409原液對(duì)原糖漿量 0.

20、4%時(shí),脫色率達(dá)到 90%以上,而機(jī)械打泡處理 15min 脫色率為 50%。 電解起泡的脫色效果明顯優(yōu)于機(jī)械打泡。 電解提純, 一方面生產(chǎn)大量細(xì)小氣泡促進(jìn)上浮澄清,這一點(diǎn)與 機(jī)械起泡類(lèi)似;另一方面也同時(shí)發(fā)生一些物理化學(xué) 變化,電中和的沉淀作用和電絮凝生成物界面的吸 附作用,電解液的這些變化都有助于澄清脫色。4 結(jié)論4.1 隨著電解時(shí)間的延長(zhǎng),濃度越稀,入汁溫度越 高 (在不顯著地增加蔗糖轉(zhuǎn)化的前提下 ,則脫色效 率提高越大,即可以在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定的脫 色要求。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)從能耗、產(chǎn)品質(zhì)量要求等多 因素綜合考慮,來(lái)確定電解時(shí)間、糖汁入汁濃度、 入汁溫度。4.2 電位梯度與電流密度二者是相互聯(lián)系的。 電位 梯度加大可以促進(jìn)離子的遷移,電流密度也相應(yīng)加 大,可以在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定的脫色要求。但 同時(shí)電位梯度與電流密度提高會(huì)導(dǎo)致電能消耗的增 加,所以實(shí)際中應(yīng)綜合考慮取其最佳值。若得到同 樣的脫色效果,從電的方面看,電極距離小可以降 低電耗與板耗,但電極距離太小,會(huì)引起短路或堵 塞現(xiàn)象。4.3 電解時(shí)溫度對(duì)高濃度糖漿脫色效果影響較大, 溫度升高可以促使糖汁的粘度下降,促進(jìn)離子和膠 體粒子的遷移速率,電解速率增加。所以實(shí)際中應(yīng) 在不顯著地增加蔗糖轉(zhuǎn)化的前提下盡量提高入汁的 溫度。電解過(guò)程一般溫度稍微升高,特別是在較高 電流密度時(shí)尤為顯著。本實(shí)驗(yàn)