蔗糖原料制備結(jié)晶果糖工藝研究

蔗糖原料制備結(jié)晶果糖工藝研究

0以白砂糖為原料開發(fā)結(jié)晶選擇糖液工藝葡萄糖是自然界最甜的獨(dú)特糖。它的甜味是葡萄糖的1.8倍和葡萄糖的3倍。目前果糖工業(yè)化生產(chǎn)多以淀粉為原料，通過(guò)水解得到葡萄糖，再經(jīng)固定化葡萄糖異構(gòu)酶轉(zhuǎn)化為果糖含量42%的果葡糖漿，經(jīng)樹脂分離純化，最后結(jié)晶得到結(jié)晶果糖。以白砂糖(蔗糖)為原料經(jīng)水解、分離、異構(gòu)、結(jié)晶等工序生產(chǎn)結(jié)晶果糖是更直接的一種果糖生產(chǎn)方法。我國(guó)是世界第3大蔗糖生產(chǎn)國(guó)，白砂糖的年產(chǎn)量超過(guò)1000萬(wàn)t，但總體來(lái)說(shuō)產(chǎn)品價(jià)值較低。結(jié)晶果糖售價(jià)依純度不同存在較大差異，大約在1.6～2.4萬(wàn)元/t，比蔗糖高3～4倍，國(guó)內(nèi)白砂糖價(jià)格受國(guó)際糖價(jià)的影響較為嚴(yán)重，市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)較大，在蔗糖生產(chǎn)效益不佳的形勢(shì)下，以白砂糖為原料開發(fā)附加值更高的結(jié)晶果糖產(chǎn)品，對(duì)提升蔗糖產(chǎn)業(yè)的綜合效益具有重要的作用以蔗糖為原料開發(fā)結(jié)晶果糖的工藝研究一直受到廣大科研工作者的重視，針對(duì)生產(chǎn)工藝的優(yōu)化取得了相應(yīng)的研究成果。黃立新等實(shí)驗(yàn)擬以蔗糖(白砂糖)為原料，選擇食品酸味劑檸檬酸替代鹽酸為蔗糖水解劑，優(yōu)化蔗糖水解過(guò)程的控制條件。通過(guò)HPD100樹脂脫除水解液色素1材料和方法1.1儀器、檢測(cè)設(shè)備材料：無(wú)水葡萄糖、D-果糖、蔗糖(標(biāo)準(zhǔn)品，上海源葉生物科技有限公司)；乙腈(色譜純，默克股份公司)；無(wú)水乙醇(色譜純，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)；檸檬酸(分析純，天津風(fēng)船試劑科技有限公司)；HPD100大孔吸附樹脂(鄭州勤實(shí)科技有限公司)；D354FD弱堿型陰離子樹脂，D001FD強(qiáng)酸型陽(yáng)離子樹脂(浙江爭(zhēng)光實(shí)業(yè)股份有限公司)。儀器：φ50mm×500mm離子交換柱，錦州新科水處理設(shè)備廠；WYA-2S數(shù)字阿貝折射儀，上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司；DDSJ-308A電導(dǎo)儀，上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司；WatersE2695液相色譜儀，美國(guó)Waters公司；BAS224S型電子分析天平，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；UV-5800PC紫外分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司；ZD-3A自動(dòng)電位測(cè)定儀，上海本昌科學(xué)儀器有限公司；AE-3000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞西生化儀器廠；SHZ-95B型循環(huán)水真空泵，上?；ゼ褍x器設(shè)備有限公司；BT100SV2-CE蠕動(dòng)泵，保定雷弗流體科技有限公司。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1蔗糖水解過(guò)程色值的變化配制55%(w/w)蔗糖液，添加蔗糖液質(zhì)量的1.0%檸檬酸，分別控制水浴溫度75、80、85、90、100℃，觀測(cè)水解時(shí)間2.5、3.0、3.5、4.0、4.5h蔗糖液色值的變化。1.2.2甘蔗的水解條件是優(yōu)化配制55%(w/w)蔗糖液，以檸檬酸為水解劑，檸檬酸用量(w/w蔗糖液)參考余小娜1.2.3蔗糖、葡萄糖的分離、結(jié)晶、分離(1)脫色、脫鹽樹脂預(yù)處理：預(yù)備HPD100脫色樹脂600mL1組、D001FD強(qiáng)酸型陽(yáng)離子樹脂700mL1組、D354弱堿型陰離子樹脂700mL1組。使用前均用純水活化，裝入離子交換柱中，純水沖洗至中性備用，使用一定周期后樹脂交換容量不理想時(shí)，依次使用4%～5%的HCl以及NaOH溶液再生。(2)果糖分離樹脂預(yù)處理：選用D001FD強(qiáng)酸型陽(yáng)離子樹脂轉(zhuǎn)型為Ca型樹脂分離果葡糖液(3)蔗糖液的水解、精制：配制55%(w/w)蔗糖液4800g，按優(yōu)化確定的最佳水解條件于水浴鍋中完成水解。將水解液以3BV/h的速度依次通過(guò)HPD100脫色樹脂、D001FD強(qiáng)酸型陽(yáng)離子樹脂和D354FD弱堿型陰離子樹脂進(jìn)行脫色和2次脫鹽，對(duì)糖液進(jìn)行精制。(4)果葡糖液的分離：常溫下將水解糖液以0.6BV/h(64mL/min)速度通過(guò)串聯(lián)的8組φ50mm×500mm交換柱，當(dāng)糖液從最末端樹脂溢出時(shí)停止加料，純水解吸，分段收集解吸液，據(jù)各段樣品組分含量情況進(jìn)行循環(huán)分離，直至分離出純度達(dá)88%以上的果糖液和純度65%以上的葡萄糖液。(5)果糖和葡萄糖的結(jié)晶、分離、干燥：果糖有較大的溶解度，25℃時(shí)1g水可以溶解4.08g果糖，但只能溶解2.11g蔗糖和1.11g葡萄糖。30℃下果糖飽和溶液濃度81.9%，致使果糖飽和溶液的粘度很大，較大的粘度降低了母液的流動(dòng)性，阻礙結(jié)晶過(guò)程中的傳質(zhì)，添加乙醇可降低糖液粘度，有利于果糖的結(jié)晶與分離。糖液過(guò)飽和系數(shù)在1.0～1.2，可使存在的晶體長(zhǎng)大。實(shí)驗(yàn)擬定：純度88%以上果糖液，調(diào)節(jié)pH4～5，于65℃、0.085MPa真空下濃縮至85～88葡萄糖20℃時(shí)100g水中溶解度為83g，即20℃葡萄糖飽和溶液濃度為45.4%，溶解度明顯低于蔗糖、果糖，同比更易結(jié)晶。參考煮制白砂糖的結(jié)晶工藝，即相對(duì)純度較高的糖漿，可選用低濃度起晶，反之，則可選用高濃度起晶煮制1.2.4產(chǎn)品指標(biāo)的檢測(cè)和計(jì)算方法實(shí)驗(yàn)中糖液色值、濁度等指標(biāo)檢測(cè)方法依據(jù)制糖分析相關(guān)方法檢測(cè)分析2結(jié)果與分析2.1溫度和時(shí)間對(duì)糖液色值的影響從圖1看出：水解前蔗糖液色值為95.3IU，隨水解時(shí)間的延長(zhǎng)，水解溫度的升高，糖液色值逐漸加深，當(dāng)水解溫度為85℃時(shí)，糖液色值開始變化明顯，4.5h后色值增幅達(dá)33.4%；在沸騰狀態(tài)下，糖液色值顯著升高，4.5h后色值增幅達(dá)277.17%；水解溫度為80℃時(shí)，糖液色值變化非常輕微，4.5h后色值增幅僅為18.22%。因此，適當(dāng)降低水解溫度對(duì)降低糖液色值非常有利，初步確定正交實(shí)驗(yàn)水解溫度范圍為65～80℃。2.2檸檬酸用量對(duì)蔗糖水解的影響蔗糖水解三因素四水平正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由表中R和K值可知：三因素影響蔗糖轉(zhuǎn)化的主次順序?yàn)锳>B>C，各因素的最好水平是A由方差分析表3可知：A、B、C三因素的顯著水平值分別為0、0、0.434,A、B二因素顯著水平值均小于0.05，對(duì)蔗糖水解結(jié)果有顯著影響，C因素顯著水平值大于0.05，說(shuō)明檸檬酸用量在0.25%～1.00%期間對(duì)蔗糖水解的影響力區(qū)別不明顯。綜合考慮正交試驗(yàn)結(jié)果與后續(xù)工藝過(guò)程脫色和脫鹽的處理負(fù)荷，選擇較低檸檬酸用量和適當(dāng)降低水解溫度的方式優(yōu)化水解條件，最終確定的較優(yōu)水解條件為：水解溫度80℃，水解時(shí)間4.0h，檸檬酸用量0.50%(w/w對(duì)蔗糖液)，此時(shí)蔗糖液為pH2.35，該條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示蔗糖含量測(cè)定為0%，蔗糖全部水解，后續(xù)模擬水解實(shí)驗(yàn)均在此條件下進(jìn)行。2.3結(jié)晶葡萄糖的模擬實(shí)驗(yàn)2.3.1蔗糖液的水解、檢測(cè)配制濃度55%(w/w)蔗糖液4800g，添加0.50%檸檬酸(w/w對(duì)蔗糖液)，控制水解溫度80℃，水解時(shí)間4.0h，經(jīng)檢測(cè)水解液蔗糖含量為0%，果糖含量49.52%。將水解液以3BV/h的速度通過(guò)脫色和脫鹽樹脂的精制處理后，得到46.62.3.2糖液溢出及糖液終止時(shí)糖液的吸附特征檢測(cè)精制后水解糖液中果糖、葡萄糖純度約各占50%，常溫下以65mL/min速度通過(guò)8組串聯(lián)的交換柱，每850mL收集解吸液一組，至最末組有糖液溢出時(shí)終止糖液吸附，此時(shí)共吸附46.6從圖2、圖3顯示：不同純度含量的果糖液，解吸分離的特征有所不同，果糖純度為50%的水解液分離時(shí)果糖、葡萄糖分離的組分含量、時(shí)間差異不太明顯；當(dāng)果糖純度從50%提高至60%以上，組分含量差異明顯增大，第2次再分離比第1次純化果糖的含量得到明顯提升；按此方法循環(huán)分離操作4次后全部糖液完成分離，最終可得到純度達(dá)88%以上的純果糖液。2.3.3葡萄糖、葡萄糖的結(jié)晶、分離、濃縮表6中蔗糖水解液經(jīng)過(guò)4次分離得到4個(gè)批次純度88%以上果糖液，第1、2批次糖液于65℃、0.085MPa真空下濃縮至87從表6看出：蔗糖水解液經(jīng)過(guò)4次分離，得到4個(gè)批次純度65%以上葡萄糖液，第1批次糖液于65℃、0.085MPa真空下濃縮至83從表6可看出：(1)果糖結(jié)晶分離后得到313g、81.5實(shí)驗(yàn)投入白砂糖2640g，果糖、葡萄糖的單次結(jié)晶分別得到265g、691g，果糖、葡萄糖單次結(jié)晶率分別為56.34%、63.27%，尚存待分離果葡糖液2040g、果糖分離母液313g、葡萄糖分離母液1365g；后續(xù)把3種在制品混合調(diào)制后得到高果糖液3164g(純度64.28%,51.32.3.4結(jié)晶高效糖液的制備從表7可以看出：制備得到的結(jié)晶果糖產(chǎn)品檢測(cè)指標(biāo)同時(shí)到達(dá)GB/T26762-2011《結(jié)晶果糖、固體果葡糖》和中華人民共和國(guó)中國(guó)藥典版2015版2部《果糖》的標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明以蔗糖為原料，采用本實(shí)驗(yàn)的工藝方法制取的結(jié)晶果糖經(jīng)陰陽(yáng)離子交換以及鈣型樹脂對(duì)果葡糖液的不斷分離對(duì)結(jié)晶果糖產(chǎn)品起到了很好的脫色、脫鹽和純化的作用。依據(jù)GB/T20880-2018《食用葡萄糖》標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果顯示：葡萄糖含量(占干物質(zhì))液相色譜法：86.75%～97.54%之間(一級(jí)品標(biāo)準(zhǔn)≥99.0%)；水分：1.06%～8.63%之間(一級(jí)品標(biāo)準(zhǔn)≤2.0%)；比旋光度：48.133糖液脫色和脫鹽(1)水解溫度和水解時(shí)間均對(duì)水解糖液的色值有影響，當(dāng)水解溫度為85℃時(shí)，水解4.5h后色值增幅達(dá)33.4%；在沸騰狀態(tài)下，水解4.5h后色值增幅達(dá)277.17%；水解溫度為80℃時(shí)，4.5h后色值增幅僅為18.22%，適當(dāng)降低水解溫度可減輕糖液色值增幅。(2)精制處理后的糖液色值為5.4IU，濁度為10.0MAU，電導(dǎo)率為4.0μS/cm，試驗(yàn)顯示HPD100脫色樹脂、D001FD強(qiáng)酸型陽(yáng)離子樹脂和D354FD弱堿型陰離子樹脂滿足對(duì)糖液脫色和脫鹽的作用，對(duì)最終產(chǎn)品指標(biāo)檢測(cè)符合藥典版標(biāo)準(zhǔn)要求起到了決定性的作用。(3)試驗(yàn)優(yōu)化蔗糖水解最佳水解條件為：水解溫度80℃，水解時(shí)間4.0h，檸檬酸用量0.50%，蔗糖水解率為100%。與余小娜(4)果糖結(jié)晶工藝條件：純度88%以上果糖液，固形物含量87實(shí)驗(yàn)選擇在常溫下鈣型樹脂分離高濃度的果葡糖液，可避免40～50℃條件下不斷重復(fù)分離低濃度糖液易被微生物感染的狀況，有效降低能源消耗，提高設(shè)備周轉(zhuǎn)率；結(jié)晶實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，結(jié)晶起種量?jī)H為糖膏的5%，同時(shí)，通過(guò)添加適量乙醇降低糖膏的粘度，提高了結(jié)晶速度，得到較好的結(jié)晶率；實(shí)驗(yàn)通過(guò)直接將純度65%以上的葡萄糖液直接結(jié)晶的方式，在得到葡萄糖產(chǎn)品的同時(shí)也提高了分離母液中果糖純度的作用，有效減輕果葡糖液分離負(fù)荷。聶圣才實(shí)驗(yàn)選用白砂糖為原料制取結(jié)晶果糖，原料帶入及