不同離子交換樹脂對蔗汁脫色性能比較

沈石妍，馬 蘭，李艷芳，尚試雄，郭家文*

（1云南省農業科學院甘蔗研究所，云南開遠 661699；2云南省甘蔗產業工程技術研究中心，云南開遠 661699）

不同離子交換樹脂對蔗汁脫色性能比較

沈石妍1,2，馬 蘭1,2，李艷芳1,2，尚試雄1,2，郭家文1,2*

（1云南省農業科學院甘蔗研究所，云南開遠 661699；2云南省甘蔗產業工程技術研究中心，云南開遠 661699）

為研究離子交換樹脂對蔗汁的脫色性能，以D296、D201、D301R這3種大孔陰離子交換樹脂為材料，通過靜態試驗和動態試驗比較不同樹脂的脫色性能。結果表明，不同型號離子交換樹脂脫色性能差異較大，在試驗條件下，靜態脫色16 min，D296、D201、D301R樹脂脫色率分別為88.3%、80.9%、93.0%，D301R樹脂脫色容量和脫色速率明顯優于D296和D201，對蔗汁具有較好的脫色效果。

陰離子交換樹脂；蔗汁；脫色性能

0 前言

制糖生產中糖液的有色物質主要是原料本身帶入的和生產過程新產生的。原料本身含有的不溶于水的葉綠素、葉黃素、胡蘿卜素等在澄清過程中很容易被除去，溶于水的色素物質大多為有機酸及其衍生物類，此外甘蔗中含有的還原糖、氨基酸、帶有氨基的酚類，它們本身沒有顏色，在生產過程中遇到酸、堿、氧、酶或物理條件的變化則會產生色素，稱為色源。這些色素或色源物質在生產流程中會使糖液顏色越來越深，傳統的生產工藝只能將其部分除去，是影響糖品色值的重要因素。由于色素物質大部分是大的有機酸根陰離子或弱極性物質，可用陰離子交換樹脂除去[1]。大孔陰離子交換樹脂在脫色上的應用較為廣泛，國外制糖生產中采用離子交換技術脫色已較為普遍。受生產成本的影響，國內采用離子交換技術脫色主要用于精制糖生產，相關脫色研究也大多以糖漿為試驗對象[2-5]。我國白砂糖產量占到了蔗糖總量的98%以上，受傳統生產工藝的制約，色值是影響白砂糖品質的一個重要因素，有效降低白砂糖色值一直是制糖生產的難題。隨著人民生活水平的提高和國內離子交換技術的不斷成熟，采用更優的脫色方案生產更高品質的白砂

糖將會成為一種需求。在白砂糖生產中，若采用離子交換樹脂對預處理后的蔗汁進行脫色，在制糖生產工藝的前端就將色素以及色源物質大量除掉，達到提高產品質量的目的。本試驗篩選幾種脫色性能較好的大孔陰離子交換樹脂，研究其對蔗汁的脫色性能，以期為制糖生產中蔗汁的脫色提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

D296、D201、301R大孔陰離子交換樹脂，購自天津波鴻樹脂科技有限公司；蔗汁，取自云南省農業科學院甘蔗研究所甘蔗品質分析室。

1.2 主要儀器

實驗室小型離子交換柱(φ60 mm×500 mm)，錦州市新科水處理設備廠；722S分光光度計、阿貝折光儀、數顯pH計、恒溫水浴鍋。

1.3 試驗方法

1.3.1 樹脂預處理

取樹脂400 mL于1000 mL燒杯中，加入飽和氯化鈉溶液800 mL浸泡20 h，放盡食鹽水，用清水漂洗至無混濁為止，加入 5%鹽酸溶液800 mL，浸泡4 h（不時攪拌），然后放盡酸液，用蒸餾水沖洗至接近中性；加入4%氫氧化鈉溶液800 mL，浸泡4 h（不時攪拌），然后放盡堿液，用蒸餾水沖洗至接近中性備用。

1.3.2 蔗汁預處理

甘蔗經壓榨提汁后，加磷酸調節磷酸值至320 mg/L，加入石灰乳調節pH至8.0，加熱至98～103℃，靜置，待糖汁中非糖雜質絮凝并與清液分層后，引出上層清汁待用。

1.3.3 靜態試驗方法

準確稱取經抽濾并吸干表面水分的樹脂20 g于250 mL具塞三角瓶中，加入100 mL清汁，蓋好瓶塞，按照實驗設置的溫度和時間進行脫色實驗，并不時搖動，使糖汁與樹脂充分接觸，測定糖液脫色前后的色值、pH值。

1.3.4 動態試驗方法

準確量取200 mL已預處理過的樹脂濕法裝柱，清汁在室溫下按照設定的速度過柱，待流出清汁錘度接近脫色前錘度時，每200 mL截取脫色清汁一次，測定色值、混濁度、pH值。

1.3.5 檢測方法

色值：參照《甘蔗制糖化學管理分析方法》[6]在制品和深色制品色值的測定方法，脫色率由式⑴計算；混濁度：參照《甘蔗制糖化學管理分析方法》[6]在制品混濁度的測定方法。

2 結果與分析

2.1 靜態脫色試驗

2.1.1 不同型式樹脂的脫色效果

將D296樹脂按照不同的酸堿處理順序進行預處理，分別得到OH-型樹脂和Cl-型樹脂，60℃下進行靜態脫色實驗，結果見表1。從表中數據可看出，在不同的脫色時間段內OH-型樹脂和Cl-型樹脂脫色效果較為接近。在離子交換過程中，OH-型樹脂的強堿性OH-基被陰離子色素基團置換下來，糖液pH值較原汁有所提高，但隨脫色時間的變化，蔗汁pH值變化不再明顯，說明脫色時離子交換過程完成較快，后續過程中雖然色值仍在不斷降低，但多為吸附脫色。Cl-型樹脂在脫色過程中，Cl-被弱有機酸根離子置換出來后，形成酸性更強的HCl，脫色液pH值比原汁降低，后續脫色過程中pH值一直呈上升趨勢，說明在進一步的吸附脫色過程中，Cl-又重新被樹脂吸附[7]。

由于蔗汁中色素物質多為有機酸類，Cl-型樹脂的脫色過程pH值變化較大，糖液呈酸性，在高溫下蔗糖易發生水解，而OH-型樹脂對糖液的pH值影響較小，因此下面均采用OH-型樹脂進行試驗。

表1 不同型式樹脂脫色情況

2.1.2 不同型號樹脂的脫色效果

40℃下不同樹脂脫色情況如圖1所示。從圖中可看出在相同的交換吸附條件下，3種樹脂對蔗汁脫色率順序依次為D301R＞D296＞D201，D301R樹脂脫色率最高，這可能與D301R具有較大理論吸附交換容量有關，D296樹脂其次，而D201樹脂對蔗汁脫色效果較差，不適合用于蔗汁脫色。

2.1.3 溫度對脫色效果的影響

不同溫度下樹脂脫色結果如圖2所示。D296和D201這2個強堿性陰離子交換樹脂脫色性能受溫度的影響更為明顯，隨著溫度的升高，蔗汁的脫色率呈上升趨勢，說明溫度升高有利于糖汁中色素的脫除，但是當溫度達到60℃時，脫色率隨溫度的變化逐漸減緩，考慮到樹脂對溫度的耐受程度，蔗汁最佳脫色溫度在60℃左右為宜。D301R樹脂脫色率受溫度的影響較小，蔗汁在低溫下脫色仍能達到較高的脫色率，且在整個脫色過程中其脫色率一直高于其余2種樹脂，非常適合蔗汁的脫色。

圖1 不同型號樹脂脫色率對比

圖2 溫度對脫色率的影響

2.1.4 脫色時間對脫色率的影響

60℃下3種樹脂在不同脫色時間內脫色情況如圖3所示。從圖中可以看出，隨著脫色時間的增加，蔗汁的脫色率不斷升高，3種樹脂在前期脫色率上升均較快，8 min后速度逐漸變緩，D301R樹脂在整個過程中脫色速率明顯優于D296和D201，在前20 min內脫色率已超過90%，基本達到交換吸附平衡。

2.1.5 脫色體積對脫色率的影響

取10 g樹脂，加入不同體積的清汁，于60℃恒溫水浴中脫色1 h，結果如圖4所示。從圖中可以看出，D296在脫色體積較小的情況下，脫色率與D301R很接近，隨著脫色體積的增加，脫色率下降較快。D301R樹脂在整個過程中脫色率均高于其他2種樹脂，且脫色率下降速度較緩，在其他2種樹脂脫色率下降到65%以下時仍能達到85%以上，說明其脫色容量要優于其余2種樹脂。

2.2 動態脫色試驗

在靜態脫色試驗中，D301R樹脂表現出了較好的脫色性能，D296其次，D201則表現較差，動態試驗不再對D201樹脂進行試驗。動態脫色試驗均在室溫下進行。

圖3 脫色時間對脫色率的影響

圖4 脫色體積對脫色率的影響

2.2.1 流速對脫色率的影響

分別采用6組離子交換柱同時進行脫色試驗，樹脂裝填高徑比為2.8：1，不同流速下蔗汁脫色結果見表2。

表2 流速對脫色率的影響

從表2數據可看出，3次平行試驗數據較為接近，說明脫色過程較穩定。過柱流速在5～15 BV/h時，pH值變化不明顯，說明在該流速范圍下離子交換過程能較快完成，當流速達到19 BV/h時，pH值開始下降，達到50 BV/h時，pH值明顯下降，說明流速提高后，部分陰離子色素來不及進行離子交換即已經隨蔗汁流出。同時隨著過柱流速的提高，蔗汁與樹脂接觸時間變短，離子交換吸附過程不充分，脫色率降低。當流速提高到50 BV/h時，脫色率下降到88%。通過對2個指標的綜合考慮，蔗汁過柱的流速控制在15 BV/h以下脫色效果都比較穩定，考慮到生產過程中的產能問題，脫色流速不宜過低。本試驗取流速15 BV/h進行試驗。

2.2.2 脫色體積對脫色率和混濁度的影響（圖5、圖6）

圖5 脫色率隨脫色體積變化的影響

圖6 混濁度隨脫色體積變化的影響

從圖5和圖6可以看出，在動態試驗條件下，隨脫色體積的增加，脫色率逐漸下降。D301R樹脂脫色率下降趨勢較緩，在脫色體積達到25倍床體后，D301R脫色率仍能達到接近90%，且混濁度下降率一直穩定在85%以上。D296樹脂在前期脫色性能優于D301R，但脫色率下降速度比D301R要快，25倍床體后脫色率降到82%，混濁度下降率僅達到70%左右，說明D301R脫色容量更大，具有較好的抗污染和除去膠態物質及微小懸浮雜質的能力。D301R為弱堿性陰離子樹脂，其離子交換基團與色素物質的結合力較弱，再生過程較容易，在制糖生產中具有更好的實用性。

3 結論

靜態實驗和動態實驗結果均表明，大孔弱堿性陰離子交換樹脂D301R在蔗汁脫色中表現出了優良的性能，脫色容量和脫色速率均比大孔強堿性陰離子交換樹脂D296表現優異，且其脫色率受溫度變化影響較小，30℃和60℃的脫色率僅相差3%，蔗汁在低溫下過柱仍可以得到較高的脫色率，低溫脫色可減少蔗糖的轉化以及進一步色素的生成。弱堿性陰離子交換樹脂由于離子交換基團與陰離子色素的結合力較弱，再生過程更容易，較適合制糖生產中蔗汁的脫色。試驗中蔗汁在室溫下以15 BV/h流速通過樹脂25倍床體后，脫色率仍達到90%左右，色值在450 IU以內，可制得較低色值的糖漿，為后工序生產低色值產品提供了較好的條件。

[1] 克拉克. 制糖過程中糖品的色素和脫色[J]．甘蔗糖業，1985(2)：1-26.

[2] 岳金山. 國產D296離子交換樹脂用于糖漿脫色[J]. 中國甜菜糖業，1997(2)：47-50.

[3] 黃祥斌，于淑娟，高大維，等. 幾種離子交換樹脂用于糖漿脫色的比較研究[J]. 食品科學，2001(4)：11-13.

[4] 賴鳳英，陳煥章、林福蘭. 離子交換樹脂對糖漿脫色效能的評價[J]. 中國甜菜糖業，2000(2)：12-14.

[5] 何小維，秦慧民，于淑娟，等. 四種樹脂糖漿脫色效果比較[J]. 中國甜菜糖業，2006(2)：20-22.

[6] 李墉，鄭長庚. 甘蔗制糖化學管理分析方法[M]. 廣州：中國輕工業總會甘蔗糖業質量監督檢測中心，1995：51-55.

[7] 賓學之. 有關樹脂脫色幾個問題的探討[J]. 甜菜糖業，1981(6)：44-50.

(本篇責任編校：朱滌荃)

The Decoloration Property Comparison of Different Resins for Cane Juice

SHEN Shi-yan1,2, MA Lan1,2, LI Yan-fang1,2, SHANG Shi-xiong1,2, GUO Jia-wen1,2
(1Sugarcane Research Institute, Yunnan Academy of Agricultural Scinences, Kaiyuan, Yunnan 661699;2Engineering Technology Center of Sugarcane in Yunnan Province, Kaiyuan, Yunnan 661699)

Static test and dynamic test were taken to study the decoloration property of different resins for cane juice with 3 kinds of macroporous anion exchange resin (D296, D201, and D301R) The results showed that there were big differences between 3 kinds of macroporous anion exchange resin. The decolourization ratio of D296, D201, and D301R were 88.3%, 280.9% and 93.0% in 16 min. Resin of D301R who has good effect for cane juice decolorization was significantly outperformed D296 and D201 in decoloring capacity and decoloration efficiency.

Anion exchange resin; Cane juice; Decolorization property

TS244+.2

A

1005-9695(2015)04-0052-06

2015-05-07；

2015-07-21

國家科技支撐計劃(2012 BAD14 B18-04)

沈石妍(1968-)，女，高級工程師，主要從事甘蔗蔗糖深加工及副產物綜合利用方面研究；E-mail: okmlshshy@sina.com*

沈石妍，馬蘭，李艷芳，等. 不同離子交換樹脂對蔗汁脫色性能比較[J]. 甘蔗糖業，2015(4)：52-57.