原糖溶液电解脱色的研究

1、 食品技术 原糖溶液电解脱色的研究 李存芝 李琳 扶雄 胡松青 林淑英 (华南理工大学食品与生物工程学院 广州 510640摘要:阐述了原糖溶液电解脱色过程的机理,并对电解原糖浆脱色进行了实验研究,考察电解时 间、电流密度、温度、锤度等因素对原糖浆脱色的影响。结果表明,电解对原糖溶液具有显著的 脱色效果,对 40ºBx的原糖溶液脱色率可以达到 90%以上。 关键词:电解;原糖浆;脱色中图分类号:TS201.2 文献标识码:A 文章编号:1005-9989(200406-0027-04Study on electrolytic decolourization of the raw su

2、gar syrupLI Cun-zhi LI Lin FU Xiong HU Song-qing LIN Shu-ying(Food and Biology College, South China University of Technology, Guangzhou, 510640Abstract: The mechanism of electrolytic purification the syrup of raw sugar was introduced. The electrolytic decolourization was performed with time, current

3、 density, temperature and concentration. That electrolytic decolourization had a notability effect on the syrup. The ratio of electrolytic decolourization to 40°Bx was over 90%.Key words: electrolysis; syrup; decolourization0 前言我国南方大多数糖厂采用亚硫酸法生产耕地白 砂糖或提净原糖,糖浆净脱色率低,白砂糖的色值 和灰分偏高,生产出的糖很难打入高级饮料市场。

4、糖液的脱色问题一直是影响制糖工业生产的重要因 素。有些糖厂采用磷浮法来改善现状,但其脱色率 仍不理想,本文采用电解法对原糖浆进行脱色研究, 获得较好的效果。目前,电化学基本原理及技术都有了很大的发 展,电解方法已用于多种工业废水的处理,如皮革 废水、含油废水等 1。电解法用于糖浆脱色的研究 受到了人们的关注。电解法具有设备简单,不需要 投加大量化学试剂,生产泥渣量少等优点;同时利 用电解过程所产生的气泡,采用新型的电气浮方法 处理糖浆,既达到了澄清脱色的目的,又可省去气 浮处理工艺的机械打泡装置, 具有很好的应用前景。 收稿日期:2003-11-05作者简介:李存芝 (1969-,女,黑龙江人

5、,博士研究生,研究 方向为膜分离、生理活性物质分离纯化及食品加工。制糖生产中的色素主要有:甘蔗植物色素、类 黑色素、焦糖和果糖的碱性降解物。糖浆是一种多 元复杂的溶液,而且随着条件的变化而变化,从电 泳测定可知大部分色素是带负电的。一般除蔗糖外 都为电解质或带电体,因而在外电场的作用下,将 产生一系列的电动现象。在电解过程中,电对蔗糖 成分基本上不会引起反应和分解,但能将色素等其 他杂质分离。电解时带电荷的离子、分子或胶体粒子在外电 场的作用下,向两极作定向移动,在阴、阳两块极 板上分别发生氧化和还原反应,从而产生大量的泡 沫和沉淀物。电解对糖汁的提净作用主要有 2种:一是电中和的沉淀作用;二

6、是电絮凝生成物界面的 吸附作用,从而达到提净脱色糖浆的目的。 1 脱色机理 1.1 电解脱色机理电解时带电荷的离子、分子或胶体粒子在外电 场的作用下,向两极作定向移动,在阴阳两块极板 上分别发生氧化和还原反应,从而产生大量的泡沫 食品技术和沉淀物。粒子运动的方向和速度与电荷符号及分 散相质点与分散介质间的电位有关,也与吸附离子 的性质以及粒子在溶液中的浓度有关。糖浆是一种多元复杂的溶液,而且随着条件的 变化而变化, 从电泳测定可知大部分色素带负电荷, 但一般情况下色素带电的正负性及数量主要决定与 它生成时条件及分散的状态。一般除蔗糖外都为电 解质或带电体,因而在外电场的作用下,将产生一 系列电

7、动现象。在电解过程中,电对蔗糖成分基本 上不会引起反应和分解,但能将色素等其他杂质 分离。1.2 高离子澄清剂 G409G409是华南理工大学轻化工研究所研制成的 一种新型高离子澄清剂,在制糖工业已广泛推广应 用。本实验将 G409与电解结合共同作用于糖浆, 相互配合, 以达到提纯糖浆的目的。 G409基本上是 一种铝化合物, Al 2O 3含量在 10%以上,属于无机的 高离子物质,它具有无机高离子和聚铝的某些特性。 工业制品是黄色或带灰色的液体, pH 值 3左右, 能 溶于水。在水溶液中,会发生不同于一般铝离子 (Al3+ 的行为而呈现一系列复杂的水解和聚合过程。 其聚铝高离子状态为羟基

8、铝,属阳离子。当 G409水解及聚合产物被 2个以上的胶体粒子吸附后,便 在粒子间形成了架桥连接,再逐步形成较大的絮凝 体,起到澄清脱色的作用。2 实验材料和方法2.1 实验主要仪器与设备Spectrumlab22PC 分光光度计;阿贝折光仪; 磁力恒温搅拌器; ZD-2型自动电位滴定计;超级恒 温水浴;电极:采用 120mm ×80mm 电极片;电解槽:矩形有机玻璃电解槽,尺寸 90mm ×40mm × 140mm; 电源:WYJ30-3-I 型高稳定直流稳压电源,电压130V,电流 03A。2.2 实验步骤2.2.1 配制一定浓度的糖液,用折光仪测其锤度值。

9、2.2.2 将糖液于超级恒温水浴中加热至所需温度。 2.2.3 将电极板按照所规定的极板间距安装在电解 槽上,连接好直流电源,将电压档调至所规定的电 压,并将其放置在磁力搅拌器上。2.2.4 将一定体积、温度、浓度的糖液迅速置于电 解槽中进行电解至一定时间。本实验重点对电解时间、电流密度、温度对脱 色率的影响规律进行研究。 2.3 原料与分析计算方法2.3.1 原糖 由中山糖厂提供,糖液现配现用;色 值的测定参照 ICUMSA 标准。2.3.2 脱色率 (%=1AAA ×100式中:A 0电解前糖浆的吸光度;A 1电解后糖浆的吸光度。2.3.3 电解过程中,电压、电流、电解时间的大小

10、 直接影响耗电量的变化,其计算公式如下所示:电耗 (kWh/t=601000UIt××d80106×式中:U 电解槽电压, V ;t 电解时间;I 电流, A ;d 电解液浓度, g/cm3。3 结果与讨论3.1 电解时间的影响电解原糖溶液浓度 40、 50、 60ºBx,电位梯度 16.67V/cm,糖浆温度 50ºC,原糖浆量 80mL 。每次 电解条件都一样,即相同的板距、电位梯度、初始 浓度和温度,电解不同时间,测量电解前、后的吸 光度值,比较脱色效果。0 5 10 15 20 25 30 35 40 时间 (min图 1 电解时间对脱

11、色率的影响由图 1可见,电解对原糖浆具有显著的脱色效 果,对 40ºBx可以达到 90%, 60ºBx可以达到 70%以上。电解时间越长,则糖浆脱色率越高,但在前 15min 内,脱色率增加的较快,后阶段则脱色率变 化缓慢。且 40ºBx与 50、 60ºBx进行比较,糖浆在 40ºBx电解时可以在较短的时间内达到一定的脱色 要求,这主要由于浓度稀、粘度低,有利于离子的 迁移,有利于电解氧化还原反应的进行,可以尽快 地产生大量气泡及沉淀,有利于糖浆的脱色。可见 处理低浓度糖汁更为有利于电解进行,糖汁脱色效 果更好。10080604020脱色率(

12、%°Bx°Bx°Bx 食品技术 同时观察到在糖浆电解过程会产生一定的热 量,使糖浆维持在一定的温度水平。产生的热量主 要和电阻有关,一般增加入汁温度,则糖浆的粘度 降低,有利于离子的迁移,电阻会减小;产生的热 量也于极板间距、极板表面状态等因素有关。 3.2 电流密度对脱色效率的影响电流密度 (A/m2 即电流与糖汁所占极板面值之 比值。 电位梯度 (V/cm为槽电压与极板间距之比值。糖汁电解要求有一定的电流密度和达到一定的电位 梯度,电位梯度是推动电解的动力,至少要高于电 解槽蔗汁的反电动势。电流密度的数值也反映了电 解速度的快慢。电流密度影响脱色率的电解条件:

13、原糖浆浓度 41.6ºBx,电解时间 15min ,室温 27.5ºC,电解糖汁 量 80mL 。改变电压从而改变电流密度,测不同电 流密度下的脱色率,比较脱色效果。表 1 电流密度与脱色率关系电流密度(A/m2 电位梯度 (V/cm 耗电量 (kWh/t糖浆 吸光度 (电解前 吸光度 (电解后 脱色率 (% 64.10 4.17 1.98 1.3010 0.6737 48.22 106.84 8.33 6.60 1.3010 0.5756 55.76 149.57 12.50 13.86 1.3010 0.2497 80.81 192.31 16.67 23.76 1.3

14、010 0.1192 90.84 235.0420.8333.001.30100.098092.47表 1是实验中所体现的电流密度与脱色率的关 系。随着电流密度的增加,糖浆脱色率迅速提高, 当脱色率达到 90%以上时,随着电流密度的增加, 脱色率提高缓慢,且增加了耗电量,见图 2和图 3。 所以在上述电解条件下, 为使脱色率达到较高要求, 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240电流密度 (A/m2图 2 电流密度对脱色率的影响 0 50 100 150 200 250电流密度 (A/m2图 3 电流密度和耗电量的关系并尽量降低耗电量,则取电流

15、密度 192A/m2、电位 梯度 16.67V/cm,则脱色率可以达到 90%。如图 3所示,若能在低电流密度下达到脱色要 求,则可以节省电能,降低运行费用;但同时在低 电流密度下电解时,往往脱色效果难以达到要求。 所以实际应用中应从能耗、脱色效果、电流密度等 多方面综合考虑。 3.3 温度对脱色率的影响将在恒温水浴中加热至一定温度的糖液,迅速 置于电解槽中进行电解,比较不同温度下的脱色效 果。电解条件为:原糖浆浓度 41、 50ºBx,电解时 间 15min ,电位梯度 16.67V/cm。表 2 温度变化与脱色效果实验 (41ºBx温度 (ºC 电位梯度 (V

16、/cm 吸光度 (电解前 吸光度 (电解后 脱色率 (% 32 16.67 1.1870 0.3111 73.79 40 16.67 1.1870 0.2128 82.07 50 16.67 1.1870 0.1337 88.74 6016.671.18700.200783.09由表 2可以看出,糖汁浓度为 41ºBx时,温度 对脱色效果影响不是很大。但入汁温度太低时,糖 汁的粘度较大,不利于离子和胶体粒子的迁移,同 时电解过程有大部分电能消耗于糖汁温升上,从而 增加了耗电量,电解速度减慢。但若糖汁浓度高, 温度的影响就比较显著,如表 3所示。由表 3可见,同一浓度的糖液在其他电解条

17、 件相同的情况下,只是温度不同,最终都会达到表 3 温度变化与脱色效果实验 (50ºBx时间 (min5 10 15 20 25 30 加热至 50的脱色率 (% 49.21 57.60 80.70 86.14 87.56 84.64 常温 27.5的脱色率 (%23.431.450.065.681.484.71009080706050403020100脱 色 率 (%3530252015105耗 电 量 (k W h /t 食品技术几乎相同的脱色效果,但是入汁温度越高,脱色 的速度会越快。 50的糖液在前 15min 内会达到 80%的脱色率; 而未加热的糖液在室温 27.5进行

18、电解,要经过 25min 才会达到相同的脱色率。对 于浓度较高的糖浆,入汁温度高些会较快地达到 脱色要求。3.4 机械打泡与电解起泡糖浆脱色比较首先连接好电解装置,将浓度为 40ºBx原糖浆 置于恒温水浴锅中加热至 50ºC,然后将 80mL 的原 糖浆按照比例加入高离子澄清剂 G409, G409原液 用 量 对 原 糖 浆 为 0.15%0.8%, 用 石 灰 调 至 pH6.06.3, 后 期 加 入 聚 丙 烯 酰 胺 对 原 糖 浆 为 3035mg/kg。实验条件为:电位梯度 16.67V/cm, G409原液 9%,聚丙烯酰胺 0.5g/L,石灰乳 10

19、86;Be。 表 4 机械打泡与电解起泡脱色原糖浆比较起泡形式 G409用量 (%(原液 /原糖浆 脱色率(%处理时间 (min电解 0 71.64 6电解 0.2 86.47 6电解 0.4 90.67 6电解 0.6 94.58 6机械 0.6 50.22 15机械 0.6 34.62 6配制 40ºBx的原糖浆进行实验研究,比较单纯 电解; 电解添加 G409, 比较机械打泡对原糖浆脱色 效果的影响。 机械打泡机规格:TYPE 241 CODE223, 310W , 220V50/60Hz。单纯电解处理 6min 脱色率可以达到 70%以上, 加入 G409原液对原糖浆量 0.

20、4%时,脱色率达到 90%以上,而机械打泡处理 15min 脱色率为 50%。 电解起泡的脱色效果明显优于机械打泡。 电解提纯, 一方面生产大量细小气泡促进上浮澄清,这一点与 机械起泡类似;另一方面也同时发生一些物理化学 变化,电中和的沉淀作用和电絮凝生成物界面的吸 附作用,电解液的这些变化都有助于澄清脱色。4 结论4.1 随着电解时间的延长,浓度越稀,入汁温度越 高 (在不显著地增加蔗糖转化的前提下 ,则脱色效 率提高越大,即可以在较短的时间内达到一定的脱 色要求。实际生产中应从能耗、产品质量要求等多 因素综合考虑,来确定电解时间、糖汁入汁浓度、 入汁温度。4.2 电位梯度与电流密度二者是相互联系的。 电位 梯度加大可以促进离子的迁移,电流密度也相应加 大,可以在较短的时间内达到一定的脱色要求。但 同时电位梯度与电流密度提高会导致电能消耗的增 加,所以实际中应综合考虑取其最佳值。若得到同 样的脱色效果,从电的方面看,电极距离小可以降 低电耗与板耗,但电极距离太小,会引起短路或堵 塞现象。4.3 电解时温度对高浓度糖浆脱色效果影响较大, 温度升高可以促使糖汁的粘度下降,促进离子和胶 体粒子的迁移速率,电解速率增加。所以实际中应 在不显著地增加蔗糖转化的前提下尽量提高入汁的 温度。电解过程一般温度稍微升高,特别是在较高 电流密度时尤为显著。本实验