原糖水解生產果葡糖漿的工藝優化

李凱，朱中燕，潘莉莉，徐勇士，蒙麗丹*

(1.廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004； 2.廣西綠色制糖工程技術研究中心，南寧 530004； 3.廣西蔗糖產業協同創新中心，南寧 530004； 4.廣西制糖學會，南寧 530004)

果葡糖漿易被人體吸收，具有良好的代謝效果，已被列為高品質甜味劑，廣泛應用于飲料行業[1-4]。以原糖為原料生產結晶果糖，原糖溶解后再水解獲得轉化糖漿。原糖水解方法有：強酸催化水解、蔗糖轉化酶催化水解、強酸性陽離子交換樹脂水解[5-11]。Lund等[12]研究發現冷凍導致轉化酶活性降低，酸催化的蔗糖水解速率受溫度影響。Adnadjevic等[13]研究了常規和微波加熱下IR-120H樹脂對蔗糖水解的等溫動力學。 蔗糖轉化酶和強酸性陽離子交換樹脂水解成本較高，實際生產中主要以鹽酸催化水解得到第一代果葡糖漿。水解過程中有美拉德反應發生，使果葡糖漿色度增高，或有5-羥甲基糠醛(5-HMF)等生成，給后序純化增加了負擔[14-17]。

5-HMF是葡萄糖或果糖在酸催化下脫除一分子水生成的，有一定的毒性，人體攝入一定量的5-HMF會刺激眼黏膜，損傷內臟[18-21]，國標規定結晶果糖中5-HMF的含量要低于干固物含量的0.005%。5-HMF很難通過物理方法除掉，其含量高低直接影響產品質量[22,23]。所以設計正交試驗，選取最佳水解條件，減少5-HMF的生成及降低色度。

1 實驗儀器和材料

1.1 實驗儀器

Wzz-2ss型數字式自動旋光儀、HH-4型電熱恒溫水浴鍋 上海精密科學儀器有限責任公司；PHS-3C型pH計 上海雷磁精密科學儀器有限公司；UV-2802S紫外-可見分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司；TLE204E電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；DDS-11A電導率儀 深圳海博儀器儀表有限公司。

1.2 實驗主要試劑

原料液：原糖→溶解→加酸水解→加堿調節pH值。乙酸鋅、氫氧化鈉和鹽酸：購自上海沃凱生物技術有限公司；亞硫酸氫鈉和亞鐵氰化鉀：購自國藥集團化學試劑有限公司，試劑均為分析純。

1.3 實驗部分

1.3.1 實驗分析方法

5-羥甲基糠醛：用紫外分光光度法[24]，吸取試液各5 mL于2個燒杯內，在一個燒杯中加入5 mL亞硫酸氫鈉溶液，混勻，用參比液作對照；在另一個燒杯中加入5 mL蒸餾水，混勻作為待測液；用紫外分光光度計在284 nm和336 nm處測定吸光度，計算公式如下：

式中：X為5-羥甲基糠醛含量，mg/kg；A284為284 nm處的吸光度；A336為336 nm處的吸光度；M為 樣品的質量，g。

色度：參照GB/T 20882-2007《果葡糖漿》國標色度的檢測方法。

1.3.2 實驗步驟

1.3.2.1 單因素實驗

以5-HMF含量和色度含量為指標，探討水解時間、溫度和pH對水解率和5-HMF生成的影響。

1.3.2.2 正交實驗

以5-HMF含量、色度值和果糖含量為指標，探討最佳的水解條件。

2 實驗結果分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 水解pH值對5-羥甲基糠醛的生成和果葡糖漿色度的影響

在反應溫度為90 ℃，反應時間為30 min，pH值分別為1.0，1.4，1.8，2.2，2.6的條件下，考察水解pH對5-羥甲基糠醛的生成和果葡糖漿色度的影響，見圖1。

圖1 水解pH對5-HMF含量和果葡糖漿色度的影響Fig.1 Effect of hydrolysis pH values on chromaticity of fructose syrup and 5-HMF content

由圖1可知，在糖漿水解pH值在1.0～2.6的范圍內，5-羥甲基糠醛的生成量隨著pH值的升高而降低，從1400 mg/kg降至6.26 mg/kg，在水解pH值小于1.5時，5-羥甲基糠醛的生成量達到1000 mg/kg以上，因為在酸性條件下，還原糖經過美拉德反應的中間產物再次發生1，2-烯醇化反應，生成5-HMF或者糠醛，在強酸條件下容易促使反應的發生[25-27]。在pH值低于1.8時，5-HMF的生成量在100 mg/kg以下；pH值對色度的影響也在pH低于1.5時較為顯著，當水解pH大于1.5時，糖漿色度的增加量很低。所以在工業生產上，不能使反應體系的pH值低于1.5。

2.1.2 反應溫度對5-羥甲基糠醛的生成和果葡糖漿色度的影響

在反應pH值為1.8，反應時間為30 min，溫度分別為80,85,90,95，100 ℃的條件下，考察反應溫度對5-羥甲基糠醛的生成和果葡糖漿色度的影響，見圖2。

圖2 反應溫度對5-HMF含量和果葡糖漿色度的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on chromaticity of fructose syrup and 5-HMF content

由圖2可知，在糖漿水解反應溫度在80～100 ℃的范圍內，5-羥甲基糠醛的生成量從161.5 mg/kg增高到320 mg/kg，在反應溫度大于90 ℃之后，5-羥甲基糠醛生成量升高的幅度最大，與5-羥甲基糠醛的情況一樣，色度也隨著反應溫度的升高而升高，特別是達到沸騰之后，不僅發生美拉德反應，部分糖漿攪拌受熱不均勻也會發生焦化[28]。但是如果反應體系的溫度太低，也會影響蔗糖的水解，為保證蔗糖達到水解的標準(果糖含量占固形物含量的42%)，選擇90 ℃作為下一組單因素的反應溫度。

2.1.3 反應時間對5-羥甲基糠醛的生成和果葡糖漿色度的影響

在反應pH值為1.8，反應溫度為90 ℃，時間分別為10，20，30，40，50 min的條件下，考察反應時間對5-羥甲基糠醛的生成和果葡糖漿色度的影響，見圖3。

圖3 反應時間對5-HMF含量和果葡糖漿色度的影響Fig.3 Effect of reaction time on chromaticity of fructose syrup and 5-HMF content

由圖3可知，在糖漿水解反應時間在10～50 min 的范圍內，5-羥甲基糠醛的生成量隨著反應時間的增加而增高，在反應時間為10～30 min的范圍內，5-羥甲基糠醛的生成幅度較??；大于40 min之后，生成量大幅度增加，與5-羥甲基糠醛的情況一樣，色度也隨著反應時間的增加而呈梯度上升，蔗糖轉化并不是隨著水解時間的增加而增加，根據反應的平衡原理，轉化糖漿中果糖最高能達到48%(占干固物的量)，所以在達到水解目標的前提下，反應時間應盡可能降低[29,30]。

2.2 正交實驗結果

2.2.1 正交實驗設計

這一部分工作主要是優化水解時間、pH、溫度3個條件，降低蔗糖水解過程中對5-羥甲基糠醛的生成量和果葡糖漿色度，設計的因素水平表見表1。

表1 原糖水解正交實驗水平因素表Table 1 Levels and factors of raw sugar hydrolysis orthogonal experiment

2.2.2 正交實驗結果分析

正交實驗結果與分析見表2和表3。

表2 實驗結果Table 2 The experimental result

表3 極差分析Table 3 The analysis of range

根據表3做出各因素的效益曲線，見圖4～圖6。

圖4 各因素對5-HMF的影響Fig.4 The effect of each factor on 5-HMF

圖5 各因素對色度的影響Fig.5 The effect of each factor on chroma

圖6 各因素對果糖含量的影響Fig.6 The effect of each factor on fructose content

由圖4可知，水解pH值升高，反應生成的5-HMF呈下降趨勢；反應時間增加，5-HMF的生成量也相應增多；和反應時間的影響一樣，反應溫度增高，5-HMF的生成量也相應變多。由圖5可知，色度隨著水解pH的增高而降低，反應時間和溫度增高，果葡糖漿的色度都相應提高。綜合表3的極差分析，影響5-HMF生成量的各因素主次順序為：A(水解pH)>C(加熱溫度)>B(反應時間)，最優水平為A3C1B1；影響果葡糖漿色度的各因素主次順序為：A(水解pH)>B(反應時間)>C(加熱溫度)，最優水平為A3B1C1。由圖6可知，影響果葡糖漿果糖轉化量的各因素主次順序為：A(水解pH)>C(加熱溫度)>B(反應時間)，最優水平為A1C2B3。

2.2.3 驗證實驗

如果以5-HMF的生成量和色度作為考察因素，選取的最優水平下，蔗糖水解度達不到工藝要求，在生產過程中，蔗糖的水解程度應該占主要地位，所以選取的最優條件應該以蔗糖達到工藝水解要求為前提，綜合以上3個指標考慮，再根據單因素實驗和正交實驗的經驗，驗證實驗選取的水解條件為：pH值為2.0±0.1，水解時間為(30±5) min，加熱溫度為90～93 ℃，做5組平行實驗，實驗結果見表4。

表4 原糖水解實驗結果分析Table 4 Analysis of raw sugar hydrolysis test results

經過對實驗數據進行處理和分析，在pH值為2.0±0.1，水解時間為(30±5) min，加熱溫度為90～93 ℃的條件下重復5次實驗進行驗證，用t檢驗法進行檢驗。

對于果糖含量，在顯著性水平α=0.05時，t=1.453。雙尾檢驗時，t0.05，說明在選取的條件下，果糖含量無顯著性差異，實驗結果有良好的重現性；單尾檢驗時，00.05，說明驗證實驗的果糖較正交實驗時沒有顯著增大。

對于5-HMF含量，在顯著性水平α=0.05時，t=1.453。雙尾檢驗時，t0.05，說明在選取的條件下，5-HMF的生成量無顯著性差異，實驗結果有良好的重現性；單尾檢驗時，00.05，說明驗證實驗的5-HMF含量較正交實驗時沒有顯著增大。

對于色度，在顯著性水平α=0.05時，t=2.06。雙尾檢驗時，t0.05，說明在選取的條件下，色度值無顯著性差異，實驗結果有良好的重現性；單尾檢驗時，00.05，說明驗證實驗的色度較正交實驗時沒有顯著增大。

由表4可知，在選取的實驗條件下，果糖的含量占干固物的42%以上，達到工藝的要求，另外，5-HMF的生成量也較低，結果重現性較好，與原料的色度相比，色度值增高的幅度較小，基本滿足工藝的需求。

3 結論

通過單因素和正交實驗，確定影響5-HMF生成量的各因素主次順序為：A(水解pH)>C(加熱溫度)>B(反應時間)；影響果葡糖漿色度的各因素主次順序為：A(水解pH)>B(反應時間)>C(加熱溫度)；影響果葡糖漿果糖轉化量的各因素主次順序為：A(水解pH)>C(加熱溫度)>B(反應時間)。在此基礎上，得到工業上原糖回溶糖漿的水解條件是：pH值為2.0±0.1，水解時間為(30±5) min，加熱溫度為90～93 ℃，獲得較好的水解效果。