蔗糖原料制备结晶果糖工艺研究

蔗糖原料制备结晶果糖工艺研究

0以白砂糖为原料开发结晶选择糖液工艺葡萄糖是自然界最甜的独特糖。它的甜味是葡萄糖的1.8倍和葡萄糖的3倍。目前果糖工业化生产多以淀粉为原料，通过水解得到葡萄糖，再经固定化葡萄糖异构酶转化为果糖含量42%的果葡糖浆，经树脂分离纯化，最后结晶得到结晶果糖。以白砂糖(蔗糖)为原料经水解、分离、异构、结晶等工序生产结晶果糖是更直接的一种果糖生产方法。我国是世界第3大蔗糖生产国，白砂糖的年产量超过1000万t，但总体来说产品价值较低。结晶果糖售价依纯度不同存在较大差异，大约在1.6～2.4万元/t，比蔗糖高3～4倍，国内白砂糖价格受国际糖价的影响较为严重，市场价格波动较大，在蔗糖生产效益不佳的形势下，以白砂糖为原料开发附加值更高的结晶果糖产品，对提升蔗糖产业的综合效益具有重要的作用以蔗糖为原料开发结晶果糖的工艺研究一直受到广大科研工作者的重视，针对生产工艺的优化取得了相应的研究成果。黄立新等实验拟以蔗糖(白砂糖)为原料，选择食品酸味剂柠檬酸替代盐酸为蔗糖水解剂，优化蔗糖水解过程的控制条件。通过HPD100树脂脱除水解液色素1材料和方法1.1仪器、检测设备材料：无水葡萄糖、D-果糖、蔗糖(标准品，上海源叶生物科技有限公司)；乙腈(色谱纯，默克股份公司)；无水乙醇(色谱纯，天津市致远化学试剂有限公司)；柠檬酸(分析纯，天津风船试剂科技有限公司)；HPD100大孔吸附树脂(郑州勤实科技有限公司)；D354FD弱碱型阴离子树脂，D001FD强酸型阳离子树脂(浙江争光实业股份有限公司)。仪器：φ50mm×500mm离子交换柱，锦州新科水处理设备厂；WYA-2S数字阿贝折射仪，上海仪电物理光学仪器有限公司；DDSJ-308A电导仪，上海仪电物理光学仪器有限公司；WatersE2695液相色谱仪，美国Waters公司；BAS224S型电子分析天平，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；UV-5800PC紫外分光光度计，上海元析仪器有限公司；ZD-3A自动电位测定仪，上海本昌科学仪器有限公司；AE-3000旋转蒸发器，上海亚西生化仪器厂；SHZ-95B型循环水真空泵，上海互佳仪器设备有限公司；BT100SV2-CE蠕动泵，保定雷弗流体科技有限公司。1.2实验方法1.2.1蔗糖水解过程色值的变化配制55%(w/w)蔗糖液，添加蔗糖液质量的1.0%柠檬酸，分别控制水浴温度75、80、85、90、100℃，观测水解时间2.5、3.0、3.5、4.0、4.5h蔗糖液色值的变化。1.2.2甘蔗的水解条件是优化配制55%(w/w)蔗糖液，以柠檬酸为水解剂，柠檬酸用量(w/w蔗糖液)参考余小娜1.2.3蔗糖、葡萄糖的分离、结晶、分离(1)脱色、脱盐树脂预处理：预备HPD100脱色树脂600mL1组、D001FD强酸型阳离子树脂700mL1组、D354弱碱型阴离子树脂700mL1组。使用前均用纯水活化，装入离子交换柱中，纯水冲洗至中性备用，使用一定周期后树脂交换容量不理想时，依次使用4%～5%的HCl以及NaOH溶液再生。(2)果糖分离树脂预处理：选用D001FD强酸型阳离子树脂转型为Ca型树脂分离果葡糖液(3)蔗糖液的水解、精制：配制55%(w/w)蔗糖液4800g，按优化确定的最佳水解条件于水浴锅中完成水解。将水解液以3BV/h的速度依次通过HPD100脱色树脂、D001FD强酸型阳离子树脂和D354FD弱碱型阴离子树脂进行脱色和2次脱盐，对糖液进行精制。(4)果葡糖液的分离：常温下将水解糖液以0.6BV/h(64mL/min)速度通过串联的8组φ50mm×500mm交换柱，当糖液从最末端树脂溢出时停止加料，纯水解吸，分段收集解吸液，据各段样品组分含量情况进行循环分离，直至分离出纯度达88%以上的果糖液和纯度65%以上的葡萄糖液。(5)果糖和葡萄糖的结晶、分离、干燥：果糖有较大的溶解度，25℃时1g水可以溶解4.08g果糖，但只能溶解2.11g蔗糖和1.11g葡萄糖。30℃下果糖饱和溶液浓度81.9%，致使果糖饱和溶液的粘度很大，较大的粘度降低了母液的流动性，阻碍结晶过程中的传质，添加乙醇可降低糖液粘度，有利于果糖的结晶与分离。糖液过饱和系数在1.0～1.2，可使存在的晶体长大。实验拟定：纯度88%以上果糖液，调节pH4～5，于65℃、0.085MPa真空下浓缩至85～88葡萄糖20℃时100g水中溶解度为83g，即20℃葡萄糖饱和溶液浓度为45.4%，溶解度明显低于蔗糖、果糖，同比更易结晶。参考煮制白砂糖的结晶工艺，即相对纯度较高的糖浆，可选用低浓度起晶，反之，则可选用高浓度起晶煮制1.2.4产品指标的检测和计算方法实验中糖液色值、浊度等指标检测方法依据制糖分析相关方法检测分析2结果与分析2.1温度和时间对糖液色值的影响从图1看出：水解前蔗糖液色值为95.3IU，随水解时间的延长，水解温度的升高，糖液色值逐渐加深，当水解温度为85℃时，糖液色值开始变化明显，4.5h后色值增幅达33.4%；在沸腾状态下，糖液色值显著升高，4.5h后色值增幅达277.17%；水解温度为80℃时，糖液色值变化非常轻微，4.5h后色值增幅仅为18.22%。因此，适当降低水解温度对降低糖液色值非常有利，初步确定正交实验水解温度范围为65～80℃。2.2柠檬酸用量对蔗糖水解的影响蔗糖水解三因素四水平正交实验结果见表2。由表中R和K值可知：三因素影响蔗糖转化的主次顺序为A>B>C，各因素的最好水平是A由方差分析表3可知：A、B、C三因素的显著水平值分别为0、0、0.434,A、B二因素显著水平值均小于0.05，对蔗糖水解结果有显著影响，C因素显著水平值大于0.05，说明柠檬酸用量在0.25%～1.00%期间对蔗糖水解的影响力区别不明显。综合考虑正交试验结果与后续工艺过程脱色和脱盐的处理负荷，选择较低柠檬酸用量和适当降低水解温度的方式优化水解条件，最终确定的较优水解条件为：水解温度80℃，水解时间4.0h，柠檬酸用量0.50%(w/w对蔗糖液)，此时蔗糖液为pH2.35，该条件下实验结果显示蔗糖含量测定为0%，蔗糖全部水解，后续模拟水解实验均在此条件下进行。2.3结晶葡萄糖的模拟实验2.3.1蔗糖液的水解、检测配制浓度55%(w/w)蔗糖液4800g，添加0.50%柠檬酸(w/w对蔗糖液)，控制水解温度80℃，水解时间4.0h，经检测水解液蔗糖含量为0%，果糖含量49.52%。将水解液以3BV/h的速度通过脱色和脱盐树脂的精制处理后，得到46.62.3.2糖液溢出及糖液终止时糖液的吸附特征检测精制后水解糖液中果糖、葡萄糖纯度约各占50%，常温下以65mL/min速度通过8组串联的交换柱，每850mL收集解吸液一组，至最末组有糖液溢出时终止糖液吸附，此时共吸附46.6从图2、图3显示：不同纯度含量的果糖液，解吸分离的特征有所不同，果糖纯度为50%的水解液分离时果糖、葡萄糖分离的组分含量、时间差异不太明显；当果糖纯度从50%提高至60%以上，组分含量差异明显增大，第2次再分离比第1次纯化果糖的含量得到明显提升；按此方法循环分离操作4次后全部糖液完成分离，最终可得到纯度达88%以上的纯果糖液。2.3.3葡萄糖、葡萄糖的结晶、分离、浓缩表6中蔗糖水解液经过4次分离得到4个批次纯度88%以上果糖液，第1、2批次糖液于65℃、0.085MPa真空下浓缩至87从表6看出：蔗糖水解液经过4次分离，得到4个批次纯度65%以上葡萄糖液，第1批次糖液于65℃、0.085MPa真空下浓缩至83从表6可看出：(1)果糖结晶分离后得到313g、81.5实验投入白砂糖2640g，果糖、葡萄糖的单次结晶分别得到265g、691g，果糖、葡萄糖单次结晶率分别为56.34%、63.27%，尚存待分离果葡糖液2040g、果糖分离母液313g、葡萄糖分离母液1365g；后续把3种在制品混合调制后得到高果糖液3164g(纯度64.28%,51.32.3.4结晶高效糖液的制备从表7可以看出：制备得到的结晶果糖产品检测指标同时到达GB/T26762-2011《结晶果糖、固体果葡糖》和中华人民共和国中国药典版2015版2部《果糖》的标准要求，说明以蔗糖为原料，采用本实验的工艺方法制取的结晶果糖经阴阳离子交换以及钙型树脂对果葡糖液的不断分离对结晶果糖产品起到了很好的脱色、脱盐和纯化的作用。依据GB/T20880-2018《食用葡萄糖》标准检测结果显示：葡萄糖含量(占干物质)液相色谱法：86.75%～97.54%之间(一级品标准≥99.0%)；水分：1.06%～8.63%之间(一级品标准≤2.0%)；比旋光度：48.133糖液脱色和脱盐(1)水解温度和水解时间均对水解糖液的色值有影响，当水解温度为85℃时，水解4.5h后色值增幅达33.4%；在沸腾状态下，水解4.5h后色值增幅达277.17%；水解温度为80℃时，4.5h后色值增幅仅为18.22%，适当降低水解温度可减轻糖液色值增幅。(2)精制处理后的糖液色值为5.4IU，浊度为10.0MAU，电导率为4.0μS/cm，试验显示HPD100脱色树脂、D001FD强酸型阳离子树脂和D354FD弱碱型阴离子树脂满足对糖液脱色和脱盐的作用，对最终产品指标检测符合药典版标准要求起到了决定性的作用。(3)试验优化蔗糖水解最佳水解条件为：水解温度80℃，水解时间4.0h，柠檬酸用量0.50%，蔗糖水解率为100%。与余小娜(4)果糖结晶工艺条件：纯度88%以上果糖液，固形物含量87实验选择在常温下钙型树脂分离高浓度的果葡糖液，可避免40～50℃条件下不断重复分离低浓度糖液易被微生物感染的状况，有效降低能源消耗，提高设备周转率；结晶实验在常温下进行，结晶起种量仅为糖膏的5%，同时，通过添加适量乙醇降低糖膏的粘度，提高了结晶速度，得到较好的结晶率；实验通过直接将纯度65%以上的葡萄糖液直接结晶的方式，在得到葡萄糖产品的同时也提高了分离母液中果糖纯度的作用，有效减轻果葡糖液分离负荷。聂圣才实验选用白砂糖为原料制取结晶果糖，原料带入及