趙金和，凌紹明，陳麗瓊，賴業(yè)勝

（百色學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣西　百色　533000）

超濾電析聯(lián)合分離甘蔗汁制取葡萄糖和果糖前期工藝初探

趙金和，凌紹明，陳麗瓊，賴業(yè)勝

（百色學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣西百色533000）

廣西是全國(guó)糖業(yè)最大的生產(chǎn)基地也是產(chǎn)糖中心，針對(duì)現(xiàn)在甘蔗糖業(yè)，產(chǎn)品單一，經(jīng)濟(jì)效益不高的現(xiàn)象，旨在為甘蔗糖業(yè)開辟出一條新發(fā)展道路。文章介紹了直接用甘蔗汁制取葡萄糖和果糖工藝，利用甘蔗經(jīng)過壓榨超濾得到初蔗汁，并進(jìn)行水解脫色得到澄清葡萄糖和果糖混合溶液，再經(jīng)過電析完成混合液的凈化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在壓力為0．05MPa、流量為10L/h超濾、經(jīng)脫色，在14V下電析效果最好，水解所得葡萄糖和果糖混合液吸光度、密度、電導(dǎo)率降低較為明顯，從而為下一步葡萄糖和果糖分離提供基礎(chǔ)條件。

甘蔗汁；酸水解；電析；葡萄糖；果糖

1　研究背景

葡萄糖不但是醫(yī)院點(diǎn)滴的必用藥，而且是非常常見的有機(jī)合成中間體（葡萄糖酸鈣、葡萄糖酸鐵、葡萄糖酸鉀、葡萄糖酸鋅），是醫(yī)藥基礎(chǔ)原料，市場(chǎng)需求旺盛，用途廣泛、便于貯藏，經(jīng)濟(jì)效益好。

研究目的就是建立甘蔗與葡萄糖的直接聯(lián)系，研究從甘蔗汁提取葡萄糖的可能性，優(yōu)化工藝路線，確定最佳工藝參數(shù)。通過研究一方面，可以做強(qiáng)做大廣西糖業(yè)，取得行業(yè)發(fā)展技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使廣西的制糖業(yè)產(chǎn)品升級(jí)，往附加值高的上游移動(dòng)，有效增加糖廠的經(jīng)濟(jì)效益；另一方面，可以大大緩解蔗農(nóng)貯存甘蔗的壓力，可以把甘蔗地早點(diǎn)騰空出來種植其他的農(nóng)作物，增加蔗農(nóng)的收入。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

主要儀器：WG-4型圓盤旋光儀；雷磁DDSJ-308F型電導(dǎo)率儀器；超濾裝置；HH-601超級(jí)恒溫水浴鍋；電析池；分光光度計(jì)；EL-320S電子天平；pHS-3C測(cè)量?jī)x；恒壓直流電源；豆?jié){機(jī)；冷藏器。

主要試劑：濃度鹽酸；氫氧化鈉；所用試劑均為分析純，活性炭；水為二次蒸餾水。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

將實(shí)驗(yàn)用甘蔗去皮分節(jié)，用壓榨機(jī)壓榨得到甘蔗汁粗液，經(jīng)脂棉初步除雜得到A液。A液在壓力為0.05MPa，流速為10L/h的常溫下進(jìn)行超濾得到B液，經(jīng)冷凍6h加入約1%的粉末活性炭進(jìn)行靜置脫色處理得到C液，取一定量的C液和B液用分光光度計(jì)進(jìn)行吸光度和透射比對(duì)比。C液在2mol/L鹽酸，溫度為45℃的條件下進(jìn)行1:1水解50min得到D液，取C、D液用旋光儀測(cè)其旋光度。將D液pH值調(diào)節(jié)到約為1.4，將所得的糖溶液置于電析池中潤(rùn)洗電析池然后電析，施加14V恒定直流電壓，進(jìn)行電析4h除去酸根和金屬離子等雜質(zhì)得到E液，測(cè)量溶液pH、電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)流程見圖1。

3　結(jié)果與討論

3.1超濾條件甘蔗汁除雜的影響

在超濾過程中，控制好超濾的條件如壓力、流速對(duì)粗甘蔗汁去除雜質(zhì)有著非常重要的影響［1］。不同超濾操作條件下的各因素影響如表1。

3.1.1物料流速

超濾時(shí)提高液體的流速有助于過濾界面各點(diǎn)物料濃度均衡，減少極化現(xiàn)象。但加大了對(duì)設(shè)備本身的要求，流速過快會(huì)形成湍流，減少管路壽命，而且還會(huì)增加泵的能耗。

圖1　甘蔗汁提取葡糖糖實(shí)驗(yàn)流程圖

3.1.2操作壓力

壓力是實(shí)現(xiàn)超濾的唯一推動(dòng)力。壓力過小產(chǎn)生的濾液少，生產(chǎn)速度慢，無法大規(guī)模生產(chǎn)。在超濾過程中只有壓力達(dá)到一定程度，才能使溶液中的小分子透過超濾膜形成穩(wěn)定的足夠的濾液。超濾的是本質(zhì)過濾，它比一般的過濾更加細(xì)膩，凡是過濾都會(huì)產(chǎn)生濾餅，當(dāng)超濾壓力過大時(shí)濾餅的密度增大，雖對(duì)濾液起到更好的提凈效果，但對(duì)料液的阻力增加，抵消大部分增壓，膜孔極易被損壞，堵塞。所以一種超濾膜對(duì)一種濾液都有其特定的最適壓力范圍。

3.1.3進(jìn)料濃度

隨著超濾的繼續(xù)進(jìn)行，濾膜前液的大分子含量持續(xù)增加，物料黏度、濃度變大，凝膠層濾餅積累厚度增加，持續(xù)的超濾將嚴(yán)重影響料液的通透性。一般對(duì)進(jìn)料的濃度都有一個(gè)濃度最高允許值。超濾的通透量與濃度的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，盡量控制好進(jìn)料濃度，防止極化的快速形成。

3.1.4料液的預(yù)處理

為了提高超濾的效果、提高產(chǎn)量、保持膜的通透性，保證超濾持續(xù)、穩(wěn)定的進(jìn)行。我們應(yīng)根據(jù)進(jìn)料樣的粗細(xì)程度，進(jìn)行預(yù)處理，這樣也有利于降低膜的污染。本實(shí)驗(yàn)的甘蔗汁在超濾前需經(jīng)過八層脫脂棉過濾，可以有效降低甘蔗汁里的粗纖維對(duì)超濾膜的損傷。

3.1.5超濾分析

取2000mL經(jīng)脫脂棉過濾的甘蔗汁，分別在9組不同的條件下進(jìn)行超濾，各收集60mL。每組溶液取15mL于錐形瓶用分析天平測(cè)量其質(zhì)量，一組稱量三次求平均值。與未經(jīng)超濾的粗液進(jìn)行比較分析（取15ml粗液測(cè)量三次平均所得的質(zhì)量為16.0224g）。結(jié)果如表1所示。

表1　15mL超濾溶液的質(zhì)量

由表1的數(shù)值分析可知，在測(cè)量的流量范圍內(nèi)，流量越大，所得溶液的密度就越大，達(dá)到的實(shí)驗(yàn)效果就越小。超濾條件在壓力為0.05MPa、流量為10L/h時(shí)效果最好。

3.2活性炭脫色效果

活性炭又稱活性炭黑是一種高效的環(huán)保型脫色劑和吸附劑，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水、生活污水、飲用水、有毒有害氣體的吸附對(duì)各種有色氣體和液體有澄清脫色作用［2］。在制糖產(chǎn)業(yè)中，主要用于將高純度的糖液進(jìn)一步的脫色處理減少有機(jī)色素，提高產(chǎn)糖的白亮度，活性炭用于蔗糖、果糖、葡萄糖等糖類有色液體的脫色工藝發(fā)展已經(jīng)穩(wěn)定、成熟。

量取200mlB液于燒杯中，加入2.00g活性炭攪拌均勻（加入量約為1%），靜置脫色6h。過濾脫色B液得到澄清的C液，取B、C液用分光光度計(jì)測(cè)其透射比和吸光度，進(jìn)行對(duì)比，空白液為蒸餾水，測(cè)量波長(zhǎng)范圍320～780mm。測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同操作條件下透射比對(duì)比

由圖2我們可以看出超濾后的甘蔗汁經(jīng)過1%活性炭脫色，汁液的透射比在測(cè)量范圍內(nèi)的任意波長(zhǎng)下都有明顯的改善。透射比區(qū)別明顯的波長(zhǎng)區(qū)域在360nm～560nm。

3.3蔗糖的水解

酸法水解蔗糖的影響因素主要有酸度、溫度、時(shí)間［3］。如果酸度過高會(huì)對(duì)下面的除酸步驟帶來困難，實(shí)驗(yàn)用2mol/L鹽酸水解C液，鹽酸體積與C液大致相當(dāng)。

表2　水解時(shí)間的影響

表3　水解溫度的影響

由表2、表3可知，蔗糖在水解時(shí)間為50min、溫度為45℃、酸濃度為2mol/L的工藝條件下，蔗糖的水解程度已經(jīng)很高，且水解率已接近穩(wěn)定，在生產(chǎn)上也便于實(shí)現(xiàn)。

3.4水解液電析電壓的影響

D液用3mol/LNaOH溶液調(diào)節(jié)pH值到1.40左右。加入到電析池中，兩極施加不同直流電壓通電4h。除去溶液中本身和外部引入的雜質(zhì)如H+、Na+等離子。檢測(cè)方法可用pH測(cè)量?jī)x器和電導(dǎo)率儀器檢測(cè)E液的pH值和電導(dǎo)率，判定溶液的凈化電壓、時(shí)間和凈化效率。

3.4.1溶液酸度調(diào)節(jié)

準(zhǔn)確稱取40g氫氧化鈉固體溶于水中，靜置10mim冷卻到室溫，轉(zhuǎn)移到500ml容量瓶中稀釋定容至刻度，待用，此時(shí)氫氧化鈉溶液濃度為2mol/L。量取100ml已脫色至澄清的水解D液體于200ml燒杯中，用已配制好的氫氧化鈉邊攪拌邊緩慢的連續(xù)滴定，在氫氧化鈉溶液滴加到38ml時(shí)，用pH計(jì)測(cè)量溶液pH約為1.30，此時(shí)溶液應(yīng)采取分次滴定法，每次滴加1～2滴測(cè)量一次，重復(fù)操作，直至溶液pH=1.4±0.2為止。

3.4.2電析

取上述pH=1.4±0.2的溶液于潔凈的燒杯中作為待電析液。用蒸餾水潤(rùn)洗電析槽3～4次，自然風(fēng)干，再用待電析液對(duì)槽體內(nèi)部進(jìn)行2次潤(rùn)洗（槽體容積約為65ml），向槽體加入待電析液，不能加的過滿保留10ml的空間，防止電極碳棒放入槽時(shí)，液體過滿溢出和防止在電析時(shí)兩極產(chǎn)生的氣體將液體“沸騰”溢出。兩極放入碳棒，調(diào)節(jié)恒壓直流電源的電壓（五次電析電壓分別為8V、11V、14V、17V、20V），時(shí)間為4小時(shí)。在電析時(shí)間到后先關(guān)閉電析槽的兩極閥門，再關(guān)閉電源。取中間槽室液體測(cè)量pH和電導(dǎo)率，結(jié)果如下表4。

表4　D液電析測(cè)量結(jié)果

由表4可知，D液電析隨著電壓的增大，電析池中間部分液體的pH值越來越大，電導(dǎo)率先減小后增大。在電壓為14V時(shí)，中間部分液體酸堿接近中性且電導(dǎo)率最低，這種現(xiàn)象說明在該操作條件下溶液的凈化效果最佳。

4　結(jié)論與展望

本工藝中甘蔗汁在經(jīng)過超濾后雜質(zhì)得到了充分?jǐn)r截，冷凍不僅可以讓甘蔗汁得到保鮮，還能進(jìn)一步除去溶液中細(xì)小的非糖類分子。活性炭脫色效果明顯，溶液經(jīng)脫色可以有效除去色素，美化產(chǎn)品凈化溶液。在壓力為0.05MPa、流量為10L/h超濾、經(jīng)脫色，在14V下電析效果最好，水解所得葡萄糖和果糖混合液吸光度、密度、電導(dǎo)率降低較為明顯。在以HCl濃度為2mol/L與D液1:1混合反應(yīng)下水解蔗糖，水解率得到了99.2%，以電析法再次除雜，離子殘留量趨于無。達(dá)到了高效生產(chǎn)葡萄糖、果糖的要求。

在今后的后續(xù)分離工作中，可利用化學(xué)方法加熟石灰沉淀果糖初步分離，再加酸還原成果糖；也可利用物理方式，選擇適合的有機(jī)溶劑進(jìn)行萃取分離。

［1］黃健泉.甘蔗糖廠蔗汁膜過濾試驗(yàn)［J］.廣西輕工業(yè)，2003（4）:8.

［2］無錫輕工業(yè)學(xué)院，華南工學(xué)院．甘蔗制糖工藝學(xué)［M］．北京：輕工業(yè)出版社，1987:365-369.

［3］黃立新，余業(yè)棠.酸水解蔗糖生產(chǎn)轉(zhuǎn)化糖的研究［J］.食品科學(xué)，2003，24（3）:25-26.

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2095-820X（2016）02-04

2016-04-26