超濾、離子交換結合固體酸水解工藝在甘蔗最終糖蜜制備轉化糖漿中的應用研究

李美玲，王卓琳，李明星，代宇超，黎慶濤

(廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004)

甘蔗最終糖蜜(sugarcane final molasses，blackstrap)，亦稱末段糖蜜和桔水，是甘蔗糖廠末段糖膏在長時間助晶后，經分蜜得到的母液。由于其中蔗糖的純度已經很低，加之存在大量的非糖物質，如：膠體、蛋白質、色素和無機鹽等，所以常規的方法很難進一步將這一部分糖結晶析出。甘蔗最終糖蜜作為制糖行業的主要副產物，本身也是很好的糖質原料，已經報道的資源化利用的方式有很多，如發酵原料、焦糖色素、液體糖、混凝土、飼料和生物制品等[1-13]。但是受制于糖蜜中的大量非糖雜質，目前甘蔗糖廠多以其發酵生產酒精，降低了糖蜜的經濟價值和市場適應能力。因此，需要開發新的甘蔗最終糖蜜的高值化利用方式，提高傳統制糖行業的經濟效益。本研究通過超濾、離子交換和固體酸水解結合的方式，由甘蔗最終糖蜜制備轉化糖漿，以期為甘蔗最終糖蜜的高值化利用提供新的參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

1.1.1 材料

甘蔗最終糖蜜：南寧糖業股份有限公司，錘度為85 °Bx；0.45 μm水系濾膜：廣州甘蔗糖業研究所；HZ016強酸型陽離子交換樹脂和D202大孔強堿型陰離子交換樹脂：上海華振科技有限公司；3，5-二硝基水楊酸：上海戶實醫藥科技有限公司；亞硫酸鈉：湖北盛天恒創生物科技有限公司；苯酚、間苯二酚：上海艾銳化工有限公司；其他試劑：均為分析純。

1.1.2 儀器

SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司；Labscale System小型切向流超濾系統、Pelicon XL超濾膜包(8 kDa) 默克密理博(中國)有限公司；WYA-2S數字阿貝折光儀 上海申光儀器儀表有限公司；普通玻璃層析柱(1.6 cm×40 cm) 上海楚定分析儀器有限公司；RE-52AA旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠；UV-1100型紫外可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司；酸度計、電導率儀 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；哈納HI98713濁度計 上海數信儀器儀表有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 轉化糖漿的制備工藝流程

1.2.2 超濾和離子交換清凈工藝

將5倍稀釋的糖蜜通過0.45 μm的濾膜進行預處理，制得樣品。樣品先經過8 kDa的超濾膜進行超濾，并在相同處理量(100 mL)下探索不同跨膜壓力下的超濾效果，選擇最佳跨膜壓力。最佳跨膜壓力下得到的超濾后的樣品再經HZ016-D202串聯樹脂組進行離子交換清凈處理，探索流速對離子交換效果的影響，選出最佳流速。對清凈前后的樣品的理化指標進行對比分析。其中，濁度(NTU)由濁度計測定，蔗糖分、還原糖分、電導率和色值的測定參照文獻[14]。總糖分用蔗糖分和還原糖分之和表示。除濁率、脫色率、膜通量、脫鹽率和總糖損失率分別按公式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)計算。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Tp和Tf分別是透過液的濁度和進料液的濁度；Cp和Cf分別是透過液和進料液的色值，ΔV是一定時間間隔內透過液的體積；Δt和A分別是時間和膜面積；Dp和Df分別是透過液和進料液的電導率，μS/cm；Sp和Sf分別是透過液和進料液的總糖分。

1.2.3 固體酸水解

將清凈后的糖液通過真空濃縮(55 ℃，55 kPa)制得(45±2) °Bx的液體糖，再通過固體酸水解制備出轉化糖漿。以水解溫度、固體酸添加量和水解時間為自變量，以蔗糖轉化率和還原糖得率為評價指標，先進行單因素實驗以確定操作參數范圍，再通過正交實驗優化得出最佳工藝條件。蔗糖轉化率和還原糖得率的計算參照公式(6)和公式(7)。

(6)

(7)

1.2.4 轉化糖漿的制備

對酸水解后的糖漿進一步進行真空濃縮(55 ℃，55 kPa)，制得符合市場要求的轉換糖漿，并對其理化指標進行測定。其中，灰分和色值的測定分別參照GB 15108-2006和GB/T 317-2018進行。

2 結果與分析

2.1 跨膜壓力對清凈效果的影響

圖1 跨膜壓力對脫色率和除濁率的影響

由圖1可知，當跨膜壓力小于0.16 MPa時，隨著跨膜壓力的增加，脫色率和除濁率沒有顯著變化；當跨膜壓力大于0.16 MPa時，跨膜壓力的進一步增加會導致脫色率和除濁率的迅速降低。

圖2 跨膜壓力對膜通量的影響

由圖2可知，隨著跨膜壓力的增加，膜通量近似呈線性增加，高跨膜壓力雖能使膜通量增加，但很快會產生濃差極化現象，造成膜快速污染[15]。綜合考慮，應選擇0.16 MPa的跨膜壓力。

2.2 流速對離子交換效果的影響

圖3 優化條件下流速對清凈效果和pH的影響

由圖3可知脫色率、脫鹽率和pH隨流速的變化。隨著流速增加，脫鹽率沒有顯著變化，但脫色率和pH經歷了先穩定(0.5～2.5 BV/h)后急劇下降(2.5～6.0 BV/h)的過程。這可能是因為隨著流速的增加，D202樹脂與溶液的接觸時間減少，帶負電的色素不能充分被吸附，而HZ016樹脂的離子交換效果不會受到太大影響，從而導致脫色率和pH值降低。因此，選擇1.5 BV/h的流速。

2.3 離子交換二次清凈和酸度調節

經過前述清凈的糖蜜中的色素和灰分已經得到了有效的去除，但是距離果葡糖漿的標準尚有差距，因此設置二次離子交換清凈工序。即在最優離子交換條件下再對糖蜜清凈一次，使其色值和灰分符合要求。又因為經過離子交換處理的糖液呈堿性，易導致溶液中的還原糖轉化成其他副產物，產生大量色素。因此，再使清凈溶液通過裝有少量HZ016樹脂的離子交換柱，將其調節至酸性。經過兩道離子交換和酸度調節的清凈效果見表1。

表1 離子交換后樣品的理化性質和總糖損失情況

注：處理量為50 mL，流速為1.5 BV/h，總糖損失率都是相對于離子交換前的總糖含量計算的。

由表1可知，經過清凈和酸度調節后的糖蜜溶液的色素和灰分都已基本去除。總糖含量有一定的損失，這是因為樹脂除了離子交換作用還有一定的物理吸附作用，使得一部分糖分殘留在了樹脂層中。考慮到制糖工業生產中會在入料前先通入甜水上糖甜化，并將殘留的糖分洗脫出來供溶糖使用[16]，因此可以認為實驗中這部分糖的損失是可以接受的。

2.4 真空濃縮前后樣品的理化性質

表2 真空濃縮前后樣品的理化性質

由表2可知，糖液經過真空濃縮后錘度、蔗糖分和還原糖分都有顯著提升。觀察到濃縮前的糖液是完全無色透明的，而經真空濃縮后呈微黃色，吸光度增大，這主要是由加熱過程中呈色反應如還原糖和游離氨基酸發生的美拉德反應引起的[17]。

2.4.1 樹脂添加量對水解效果的影響

圖4 樹脂添加量對水解效果的影響

由圖4可知固體酸水解效果與樹脂添加量的關系。隨著樹脂添加量的增大，蔗糖轉化率和還原糖得率起初都顯著增大，當樹脂用量超過6 mL后，蔗糖水解率逐漸趨于穩定，而還原糖得率的增速也明顯放緩。這是蔗糖濃度降低和樹脂對溶液中糖的吸附增多綜合作用的結果。因此，為了在獲得較高還原糖產率的同時節省成本，選擇6 mL的樹脂添加量作為后續正交實驗的中間水平。

2.4.2 溫度對水解效果的影響

圖5 溫度對水解效果的影響

由圖5可知，隨著酸水解溫度的升高，蔗糖轉化率和還原糖得率都是先增加后趨于穩定。這是因為溫度升高會加速溶液中分子和離子的擴散運動，使得蔗糖轉化為還原糖的速率明顯增快。當反應溫度超過80 ℃時，水解速率加快導致蔗糖完全分解和高溫可能引起還原糖轉化成其他副產物，使得蔗糖轉化率維持在100%，而還原糖產率略有降低。考慮到HZ016型樹脂的最高操作溫度為80 ℃，溫度再高會對樹脂造成不可逆的破壞，影響其使用壽命。因此，選擇75 ℃作為后續正交實驗的中間水平。

2.4.3 處理時間對水解效果的影響

圖6 反應時間對水解效果的影響

由圖6可知，隨著反應時間的增加，蔗糖轉化率和還原糖得率起初都明顯增大，當反應進行至25 min后，蔗糖轉化率達到100%，不再變化，而還原糖得率有一定減少。分析是因為還原糖長時間處于高溫下會向其他副產物轉化，而又沒有新的蔗糖分解來補充還原糖含量。因此，選擇反應時間25 min作為后續正交實驗的中間水平。

2.5 正交實驗

2.5.1 正交設計

在單因素實驗的基礎上，以選定的樹脂添加量(6 mL)、溫度(75 ℃)和反應時間(25 min)為中間水平值，設計三因素三水平L9(34)的正交實驗，進一步優化最佳反應條件。因素水平表見表3，實驗方案和結果見表4。

表3 正交實驗因素水平表

表4 正交實驗方案及結果分析

表5 方差分析表

注：F0.05(2，2)=19,F0.01(2，2)=99，“*”表示差異顯著(P<0.05)；“**”表示差異極顯著(P<0.01)。

由表4可知，極差RB>RC>RA,說明3個因素對還原糖得率的貢獻大小順序為：B>C>A；而空白列的極差最小，說明因素之間交互作用和其他未考慮的因素對結果的影響不大。由表5方差分析結果可知，溫度、反應時間和樹脂添加量對結果的影響分別是極顯著、顯著和不顯著。本實驗中A3B3C3組對應的還原糖得率最大，因為因素A對實驗結果的影響最小，為了節省樹脂和降低成本，考慮選擇A1B3C3組作為最優方案，這也是9個實驗組中最好的方案。

2.5.2 驗證實驗和果糖、葡萄糖含量的測定

對上述選擇的A3B3C3和A1B3C3兩組進行驗證實驗以確定最佳方案，實驗結果顯示它們對應的還原糖得率分別為293.31%和288.01%，差別并不大。因此，本著節省樹脂和降低生產成本的原則，選擇A1B3C3組作為最終的方案，即樹脂添加量4 mL，反應溫度80 ℃和反應時間30 min。測得經酸水解的樣品中果糖和葡萄糖含量分別為14.5%和30.8%。

2.5.3 轉化糖漿的制備和理化指標的測定

表6 自制轉化糖漿的理化指標與行業標準的對比

由表6可知，制得的轉化糖漿各項理化指標基本滿足QB/T 4093-2010的要求。其中，干物質含量為70.1%，還原糖含量(占干固物)達到了98.9%，遠遠優于行業標準對轉化糖漿的要求。此外，產品的色值和硫酸灰分含量也滿足要求。因為固體酸為強酸型樹脂，所以產品的pH比行業標準稍低，但差別不大，可以加入少量的Na2CO3或NaHCO3進行調節。

3 結論

采用膜法和離子交換聯用對甘蔗最終糖蜜進行清凈處理。實驗表明，在0.16 MPa的跨膜壓力下超濾效果最佳。離子交換實驗表明，流速為1.5BV/h時可以獲得最佳的清凈效果。經過清凈和酸度調節后的樣品的吸光度和電導率都大幅度降低，考慮到工業化生產中離子交換的糖分可以回收利用，10.4%的總糖損失率認為是可以接受的。

對清凈后的糖液進行真空濃縮制得液體糖，再采用強酸型陽離子交換樹脂進行固體酸水解。通過單因素和正交實驗對酸水解工藝進行優化，結果表明樹脂添加量4 mL，反應溫度80 ℃和反應時間30 min時可獲得最佳酸水解效果,對應的果糖和葡萄糖含量分別為14.5%和30.8%。對酸水解后的糖漿進一步真空濃縮制得轉化糖漿，并對其理化指標進行測定，結果顯示其各項理化指標基本滿足QB/T 4093-2010的要求。