超滤电析联合分离甘蔗汁制取葡萄糖和果糖前期工艺初探

赵金和，凌绍明，陈丽琼，赖业胜

（百色学院化学与环境工程学院，广西　百色　533000）

超滤电析联合分离甘蔗汁制取葡萄糖和果糖前期工艺初探

赵金和，凌绍明，陈丽琼，赖业胜

（百色学院化学与环境工程学院，广西百色533000）

广西是全国糖业最大的生产基地也是产糖中心，针对现在甘蔗糖业，产品单一，经济效益不高的现象，旨在为甘蔗糖业开辟出一条新发展道路。文章介绍了直接用甘蔗汁制取葡萄糖和果糖工艺，利用甘蔗经过压榨超滤得到初蔗汁，并进行水解脱色得到澄清葡萄糖和果糖混合溶液，再经过电析完成混合液的净化。实验结果表明：在压力为0．05MPa、流量为10L/h超滤、经脱色，在14V下电析效果最好，水解所得葡萄糖和果糖混合液吸光度、密度、电导率降低较为明显，从而为下一步葡萄糖和果糖分离提供基础条件。

甘蔗汁；酸水解；电析；葡萄糖；果糖

1　研究背景

葡萄糖不但是医院点滴的必用药，而且是非常常见的有机合成中间体（葡萄糖酸钙、葡萄糖酸铁、葡萄糖酸钾、葡萄糖酸锌），是医药基础原料，市场需求旺盛，用途广泛、便于贮藏，经济效益好。

研究目的就是建立甘蔗与葡萄糖的直接联系，研究从甘蔗汁提取葡萄糖的可能性，优化工艺路线，确定最佳工艺参数。通过研究一方面，可以做强做大广西糖业，取得行业发展技术优势，使广西的制糖业产品升级，往附加值高的上游移动，有效增加糖厂的经济效益；另一方面，可以大大缓解蔗农贮存甘蔗的压力，可以把甘蔗地早点腾空出来种植其他的农作物，增加蔗农的收入。

2　实验部分

2.1实验仪器及试剂

主要仪器：WG-4型圆盘旋光仪；雷磁DDSJ-308F型电导率仪器；超滤装置；HH-601超级恒温水浴锅；电析池；分光光度计；EL-320S电子天平；pHS-3C测量仪；恒压直流电源；豆浆机；冷藏器。

主要试剂：浓度盐酸；氢氧化钠；所用试剂均为分析纯，活性炭；水为二次蒸馏水。

2.2实验方法

将实验用甘蔗去皮分节，用压榨机压榨得到甘蔗汁粗液，经脂棉初步除杂得到A液。A液在压力为0.05MPa，流速为10L/h的常温下进行超滤得到B液，经冷冻6h加入约1%的粉末活性炭进行静置脱色处理得到C液，取一定量的C液和B液用分光光度计进行吸光度和透射比对比。C液在2mol/L盐酸，温度为45℃的条件下进行1:1水解50min得到D液，取C、D液用旋光仪测其旋光度。将D液pH值调节到约为1.4，将所得的糖溶液置于电析池中润洗电析池然后电析，施加14V恒定直流电压，进行电析4h除去酸根和金属离子等杂质得到E液，测量溶液pH、电导率。实验流程见图1。

3　结果与讨论

3.1超滤条件甘蔗汁除杂的影响

在超滤过程中，控制好超滤的条件如压力、流速对粗甘蔗汁去除杂质有着非常重要的影响［1］。不同超滤操作条件下的各因素影响如表1。

3.1.1物料流速

超滤时提高液体的流速有助于过滤界面各点物料浓度均衡，减少极化现象。但加大了对设备本身的要求，流速过快会形成湍流，减少管路寿命，而且还会增加泵的能耗。

图1　甘蔗汁提取葡糖糖实验流程图

3.1.2操作压力

压力是实现超滤的唯一推动力。压力过小产生的滤液少，生产速度慢，无法大规模生产。在超滤过程中只有压力达到一定程度，才能使溶液中的小分子透过超滤膜形成稳定的足够的滤液。超滤的是本质过滤，它比一般的过滤更加细腻，凡是过滤都会产生滤饼，当超滤压力过大时滤饼的密度增大，虽对滤液起到更好的提净效果，但对料液的阻力增加，抵消大部分增压，膜孔极易被损坏，堵塞。所以一种超滤膜对一种滤液都有其特定的最适压力范围。

3.1.3进料浓度

随着超滤的继续进行，滤膜前液的大分子含量持续增加，物料黏度、浓度变大，凝胶层滤饼积累厚度增加，持续的超滤将严重影响料液的通透性。一般对进料的浓度都有一个浓度最高允许值。超滤的通透量与浓度的对数成线性关系，尽量控制好进料浓度，防止极化的快速形成。

3.1.4料液的预处理

为了提高超滤的效果、提高产量、保持膜的通透性，保证超滤持续、稳定的进行。我们应根据进料样的粗细程度，进行预处理，这样也有利于降低膜的污染。本实验的甘蔗汁在超滤前需经过八层脱脂棉过滤，可以有效降低甘蔗汁里的粗纤维对超滤膜的损伤。

3.1.5超滤分析

取2000mL经脱脂棉过滤的甘蔗汁，分别在9组不同的条件下进行超滤，各收集60mL。每组溶液取15mL于锥形瓶用分析天平测量其质量，一组称量三次求平均值。与未经超滤的粗液进行比较分析（取15ml粗液测量三次平均所得的质量为16.0224g）。结果如表1所示。

表1　15mL超滤溶液的质量

由表1的数值分析可知，在测量的流量范围内，流量越大，所得溶液的密度就越大，达到的实验效果就越小。超滤条件在压力为0.05MPa、流量为10L/h时效果最好。

3.2活性炭脱色效果

活性炭又称活性炭黑是一种高效的环保型脱色剂和吸附剂，广泛应用于工业废水、生活污水、饮用水、有毒有害气体的吸附对各种有色气体和液体有澄清脱色作用［2］。在制糖产业中，主要用于将高纯度的糖液进一步的脱色处理减少有机色素，提高产糖的白亮度，活性炭用于蔗糖、果糖、葡萄糖等糖类有色液体的脱色工艺发展已经稳定、成熟。

量取200mlB液于烧杯中，加入2.00g活性炭搅拌均匀（加入量约为1%），静置脱色6h。过滤脱色B液得到澄清的C液，取B、C液用分光光度计测其透射比和吸光度，进行对比，空白液为蒸馏水，测量波长范围320～780mm。测量结果如图2所示。

图2　不同操作条件下透射比对比

由图2我们可以看出超滤后的甘蔗汁经过1%活性炭脱色，汁液的透射比在测量范围内的任意波长下都有明显的改善。透射比区别明显的波长区域在360nm～560nm。

3.3蔗糖的水解

酸法水解蔗糖的影响因素主要有酸度、温度、时间［3］。如果酸度过高会对下面的除酸步骤带来困难，实验用2mol/L盐酸水解C液，盐酸体积与C液大致相当。

表2　水解时间的影响

表3　水解温度的影响

由表2、表3可知，蔗糖在水解时间为50min、温度为45℃、酸浓度为2mol/L的工艺条件下，蔗糖的水解程度已经很高，且水解率已接近稳定，在生产上也便于实现。

3.4水解液电析电压的影响

D液用3mol/LNaOH溶液调节pH值到1.40左右。加入到电析池中，两极施加不同直流电压通电4h。除去溶液中本身和外部引入的杂质如H+、Na+等离子。检测方法可用pH测量仪器和电导率仪器检测E液的pH值和电导率，判定溶液的净化电压、时间和净化效率。

3.4.1溶液酸度调节

准确称取40g氢氧化钠固体溶于水中，静置10mim冷却到室温，转移到500ml容量瓶中稀释定容至刻度，待用，此时氢氧化钠溶液浓度为2mol/L。量取100ml已脱色至澄清的水解D液体于200ml烧杯中，用已配制好的氢氧化钠边搅拌边缓慢的连续滴定，在氢氧化钠溶液滴加到38ml时，用pH计测量溶液pH约为1.30，此时溶液应采取分次滴定法，每次滴加1～2滴测量一次，重复操作，直至溶液pH=1.4±0.2为止。

3.4.2电析

取上述pH=1.4±0.2的溶液于洁净的烧杯中作为待电析液。用蒸馏水润洗电析槽3～4次，自然风干，再用待电析液对槽体内部进行2次润洗（槽体容积约为65ml），向槽体加入待电析液，不能加的过满保留10ml的空间，防止电极碳棒放入槽时，液体过满溢出和防止在电析时两极产生的气体将液体“沸腾”溢出。两极放入碳棒，调节恒压直流电源的电压（五次电析电压分别为8V、11V、14V、17V、20V），时间为4小时。在电析时间到后先关闭电析槽的两极阀门，再关闭电源。取中间槽室液体测量pH和电导率，结果如下表4。

表4　D液电析测量结果

由表4可知，D液电析随着电压的增大，电析池中间部分液体的pH值越来越大，电导率先减小后增大。在电压为14V时，中间部分液体酸碱接近中性且电导率最低，这种现象说明在该操作条件下溶液的净化效果最佳。

4　结论与展望

本工艺中甘蔗汁在经过超滤后杂质得到了充分拦截，冷冻不仅可以让甘蔗汁得到保鲜，还能进一步除去溶液中细小的非糖类分子。活性炭脱色效果明显，溶液经脱色可以有效除去色素，美化产品净化溶液。在压力为0.05MPa、流量为10L/h超滤、经脱色，在14V下电析效果最好，水解所得葡萄糖和果糖混合液吸光度、密度、电导率降低较为明显。在以HCl浓度为2mol/L与D液1:1混合反应下水解蔗糖，水解率得到了99.2%，以电析法再次除杂，离子残留量趋于无。达到了高效生产葡萄糖、果糖的要求。

在今后的后续分离工作中，可利用化学方法加熟石灰沉淀果糖初步分离，再加酸还原成果糖；也可利用物理方式，选择适合的有机溶剂进行萃取分离。

［1］黄健泉.甘蔗糖厂蔗汁膜过滤试验［J］.广西轻工业，2003（4）:8.

［2］无锡轻工业学院，华南工学院．甘蔗制糖工艺学［M］．北京：轻工业出版社，1987:365-369.

［3］黄立新，余业棠.酸水解蔗糖生产转化糖的研究［J］.食品科学，2003，24（3）:25-26.

TS244．1

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2095-820X（2016）02-04

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