果糖生產異構工段輔料優化

李秋紅，崔強, ，孫學謙, *，夏穎穎

1. 山東西王糖業有限公司技術中心（鄒平 256209）；2. 山東省玉米生物加工循環經濟工程技術研究中心（鄒平 256209）

結晶果糖生產過程中異構工段為重要工段，葡萄糖液通過異構，其中部分葡萄糖轉化為果糖，生成F42果葡糖漿，F42果葡糖漿經過連續色譜分離，提純為F95，經過結晶提純后生成結晶果糖。果糖廠為保證異構順利進行，異構工段需要添加焦亞硫酸鈉、Na2CO3和MgSO4·7H2O等輔料，這些輔料經離交去除并隨廢水排往污水處理廠，硫元素在厭氧反應器中被硫酸鹽還原菌代謝成H2S，從而抑制產甲烷菌活性，導致產氣量下降，COD降解率下降，給果糖廠離交廢水排放帶來很大的壓力，這是影響果糖廠順暢生產的因素之一[1]。試驗通過優化果糖生產異構輔料，降低果糖廠排放廢水中硫元素的含量，降低污水廠的水處理負擔，具有良好的環境效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

葡萄糖（西王糖業一水糖廠）；葡萄糖液（西王糖業果糖廠）；蛋白胨和酵母浸粉（北京奧博星）；磷酸氫二鉀（天津永晟精細化工）；Na2CO3和NaHCO3（上海聯試化工）；焦亞硫酸鈉，MgCl2·6H2O和MgSO4·7H2O（天津市科密歐化學試劑開發中心）；酵母（安琪酵母）；杰能科異構酶（杰能科（中國）生物工程有限公司）。

1.2 主要儀器與設備。

Φ25 mm×250 mm玻璃交換柱（自制）；JOAN 1 mL移液槍（杭州天裕化工儀器）；PHB-3 pH計（上海三信儀表廠）；JPB-607A便捷式溶解氧測定儀（上海儀電科學儀器）；WAY-ZT阿貝折光儀（上海精科儀器廠）；DT-500電子天平（常熟市金羊天平儀廠）；Waters e2695高效液相色譜儀（沃特斯儀器）；BT300-2J精密流量蠕動泵（山東博科生物）；501A超級恒溫器（上海實驗儀器廠）；YSQ-LS立式壓力蒸汽滅菌鍋（上海東亞壓力容器制造有限公司）；SHZ-A水浴恒溫振蕩器（上海博訊）。

1.3 試驗方法

1.3.1 液態酵母懸液的制備

100 mL酵母培養基滅菌備用，劃取斜面酵母菌落接種，置于32 ℃水浴恒溫振蕩器，轉速100 r/min，培養24 h。

1.3.2 焦亞硫酸鈉的抑菌作用

6個250 mL三角瓶中分別倒入100 mL酵母培養基，滅菌放涼備用。以酵母為指示菌，每個三角瓶中分別加入1 mL培養好的酵母菌混懸液，培養基中添加不同濃度梯度的焦亞硫酸鈉，添加量分別為0，100，200，300，500和1 000 mg/kg，置于水浴恒溫振蕩器中，溫度32 ℃，轉速100 r/min，24 h后觀察酵母菌生長情況，考察不同濃度焦亞硫酸鈉的抑菌效果。

1.3.3 焦亞硫酸鈉的除氧效果

取果糖廠異構柱進料葡萄糖液，其干物濃度為50%，用純水將糖液的干物濃度稀釋為0（即純水），10%，20%，30%，40%和50%。在糖液中加入焦亞硫酸鈉使最終濃度分別為0，100，200，300，400和500 mg/kg，用溶氧儀測定溶液中的溶氧濃度，考察焦亞硫酸鈉對料液中溶解氧含量的影響。

1.3.4 不同焦亞硫酸鈉濃度的pH緩沖能力

配制不同濃度的焦亞硫酸鈉溶液，濃度分別為0，50，100，200和300 mg/kg，用碳酸鈉分別調節至pH 7.8，用0.1 mol/L硫酸溶液調至pH 7.0，記錄使用硫酸溶液的量，考察焦亞硫酸鈉的pH緩沖能力。

1.3.5 焦亞硫酸鈉濃度對異構出料果糖含量和pH的影響

將異構酶按照玻璃交換柱體積70%比例添加，前處理后備用。果糖廠異構柱進料葡萄糖液為原料，分為2份，按照異構進料要求添加輔料，其中焦亞硫酸鈉添加量分別為100 mg/kg和300 mg/kg，其他輔料添加量不變。添加輔料后葡萄糖液進杰能科異構酶柱進行異構。過程中監測進料pH和進料流量，檢測出料pH和果糖含量，分析焦亞硫酸鈉濃度對果糖轉化量和出料pH的影響。

1.3.6 異構pH緩沖體系的優化

異構進料葡萄糖液為原料，焦亞硫酸鈉的添加量為100 mg/kg，MgCl2·6H2O為400 mg/kg，用不同比例碳酸鈉/碳酸氫鈉緩沖液調節至pH 7.8，用0.1 mol/L稀硫酸溶液調至pH 7.0，記錄稀硫酸消耗量，考察不同碳酸鈉/碳酸氫鈉添加比例的緩沖效果。

1.3.7 用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O的研究

同步進行杰能科異構酶和諾維信異構酶的異構反應。原料為異構進料葡萄糖液，輔料為100 mg/kg焦亞硫酸鈉，用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O，其他條件未變，檢測異構出料中果糖含量，記錄杰能科異構柱和諾維信異構柱的運行結果，考察用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O的可行性。

1.3.8 輔料變化的成本核算及硫元素使用量

異構工段使用優化后的輔料添加，與目前異構輔料添加對比，其生產成本及使用硫元素量核算。考察輔料優化的經濟效益和環境效益。

2 結果與分析

2.1 焦亞硫酸鈉的抑菌作用

焦亞硫酸鈉在食品中允許用作防腐劑、漂白劑、疏松劑、抗氧化劑等，其抑菌機理是釋放出二氧化硫生成亞硫酸。以酵母為指示菌，常規培養基中添加不同濃度梯度的焦亞硫酸鈉，不同濃度條件下酵母菌生長情況如圖1所示。

圖1 不同濃度焦亞硫酸鈉的抑菌效果

以酵母菌為指示菌，焦亞硫酸鈉的濃度即使達到1 000 mg/kg，也沒有表現出對微生物生長的強烈抑制作用，所以果糖生產異構工段添加濃度300 mg/kg焦亞硫酸鈉的作用不是抑菌。

2.2 焦亞硫酸鈉的除氧效果

不同干物濃度葡萄糖液添加不同量的焦亞硫酸鈉，用溶氧儀測定溶液中溶氧濃度，結果圖2所示。

圖2 焦亞硫酸鈉不同濃度對溶氧的影響

異構進料的50%干物料液中的溶氧非常低，小于0.2 mg/kg，接近零點；加入焦亞硫酸鈉后，料液中的溶氧幾乎沒有發生變化，在料液中焦亞硫酸鈉濃度0~500 mg/kg的范圍內，溶氧水平均在0.2 mg/kg左右，由此可見焦亞硫酸鈉對于料液并無明顯的除氧效果。

2.3 不同焦亞硫酸鈉濃度的pH緩沖能力

由表1看出，不同焦亞硫酸鈉-碳酸鈉濃度的緩沖能力不同，300 mg/kg焦亞硫酸鈉提供的緩沖能力是50 mg/kg的2倍，是100 mg/kg焦亞的1.4倍，與200 mg/kg焦亞相差不大，所以焦亞硫酸鈉-碳酸鈉的緩沖能力與濃度明顯相關。

表1 不同濃度焦亞對物料的緩沖能力

2.4 焦亞硫酸鈉濃度對異構出料果糖含量和pH的影響

由圖3和圖4可以看出，在異構過程中，焦亞硫酸鈉濃度為300 mg/kg或100 mg/kg對果糖轉化量沒有明顯區別；焦亞硫酸鈉-碳酸鈉組成的緩沖體系有明顯區別，高焦亞硫酸鈉濃度出料pH高于7.0，而低焦亞硫酸鈉濃度緩沖能力弱，出料pH低于7.0。異構反應需要中性偏堿環境中才能高效完成，中性偏酸環境中酶活力損失會加快，所以低焦亞硫酸鈉添加濃度對異構酶的長期運行存在風險，所以需要對異構工段pH緩沖體系進行優化。

圖3 焦亞硫酸鈉濃度對異構出料果糖含量的影響

圖4 焦亞硫酸鈉濃度對異構出料pH的影響

2.5 異構pH緩沖體系的優化

從表2可以看出，額外添加NaHCO3確實能夠增加料液的堿度，提高異構緩沖系統的pH緩沖能力，Na2CO3與NaHCO3質量比為1∶2時，系統緩沖能力是單獨使用Na2CO3的1.6倍。

表2 不同碳酸鈉/碳酸氫鈉比例緩沖液穩定性

2.6 用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O的研究

Mg2+對異構酶有激活作用，可以維持酶的活性，并與Ca2+競爭酶的活性中心。也就是說，加入MgSO4·7H2O的作用是提供Mg2+而不是SO42+，為降低輔料中添加硫元素含量，用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O。MgSO4·7H2O中Mg2+含量為9.7%，MgCl2·6H2O中Mg2+含量為11.8%，所以410 mg/kg的MgCl2·6H2O和500 mg/kg的MgSO4·7H2O中Mg2+含量相當。

原料為離交出料葡萄糖液，輔料為100 mg/kg焦亞硫酸鈉，用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O，其他條件未變，異構柱運行結果如圖5所示。

由圖5可以看出，用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O作為異構工段添加輔料后，與之前運行數據相比較，異構出料的果糖含量未發生異常，所以用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O具有可行性。

圖5 異構酶柱運行情況

2.7 異構輔料優化后異構出料情況

異構效果考察指標主要是異構出料的果糖含量和pH。由圖6和圖7可以看出，輔料優化前后，異構出料的果糖含量基本無變化，異構出料的pH基本一致，基本可以維持在pH 7.1~7.4，所以優化后輔料添加可以維持異構的正常進行。

圖6 異構輔料優化前后出料果糖含量的變化

圖7 異構輔料優化前后出料pH的變化

3 結論

果糖生產過程中焦亞硫酸鈉抑菌和溶氧作用并不顯著，焦亞硫酸鈉濃度對焦亞硫酸鈉-碳酸鈉的pH緩沖能力有影響。

異構工段輔料添加優化：焦亞硫酸鈉添加量100 mg/kg，MgCl2·6H2O添加量400 mg/kg，Na2CO3∶NaHCO3質量比1∶2。

焦亞硫酸鈉添加量的減少和MgSO4·7H2O的被替代可減少離交廢水中83.78%硫元素含量。