蔗糖原料制備結晶果糖工藝研究

0以白砂糖為原料開發結晶選擇糖液工藝葡萄糖是自然界最甜的獨特糖。它的甜味是葡萄糖的1.8倍和葡萄糖的3倍。目前果糖工業化生產多以淀粉為原料，通過水解得到葡萄糖，再經固定化葡萄糖異構酶轉化為果糖含量42%的果葡糖漿，經樹脂分離純化，最后結晶得到結晶果糖。以白砂糖(蔗糖)為原料經水解、分離、異構、結晶等工序生產結晶果糖是更直接的一種果糖生產方法。我國是世界第3大蔗糖生產國，白砂糖的年產量超過1000萬t，但總體來說產品價值較低。結晶果糖售價依純度不同存在較大差異，大約在1.6～2.4萬元/t，比蔗糖高3～4倍，國內白砂糖價格受國際糖價的影響較為嚴重，市場價格波動較大，在蔗糖生產效益不佳的形勢下，以白砂糖為原料開發附加值更高的結晶果糖產品，對提升蔗糖產業的綜合效益具有重要的作用以蔗糖為原料開發結晶果糖的工藝研究一直受到廣大科研工作者的重視，針對生產工藝的優化取得了相應的研究成果。黃立新等實驗擬以蔗糖(白砂糖)為原料，選擇食品酸味劑檸檬酸替代鹽酸為蔗糖水解劑，優化蔗糖水解過程的控制條件。通過HPD100樹脂脫除水解液色素1材料和方法1.1儀器、檢測設備材料：無水葡萄糖、D-果糖、蔗糖(標準品，上海源葉生物科技有限公司)；乙腈(色譜純，默克股份公司)；無水乙醇(色譜純，天津市致遠化學試劑有限公司)；檸檬酸(分析純，天津風船試劑科技有限公司)；HPD100大孔吸附樹脂(鄭州勤實科技有限公司)；D354FD弱堿型陰離子樹脂，D001FD強酸型陽離子樹脂(浙江爭光實業股份有限公司)。儀器：φ50mm×500mm離子交換柱，錦州新科水處理設備廠；WYA-2S數字阿貝折射儀，上海儀電物理光學儀器有限公司；DDSJ-308A電導儀，上海儀電物理光學儀器有限公司；WatersE2695液相色譜儀，美國Waters公司；BAS224S型電子分析天平，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；UV-5800PC紫外分光光度計，上海元析儀器有限公司；ZD-3A自動電位測定儀，上海本昌科學儀器有限公司；AE-3000旋轉蒸發器，上海亞西生化儀器廠；SHZ-95B型循環水真空泵，上海互佳儀器設備有限公司；BT100SV2-CE蠕動泵，保定雷弗流體科技有限公司。1.2實驗方法1.2.1蔗糖水解過程色值的變化配制55%(w/w)蔗糖液，添加蔗糖液質量的1.0%檸檬酸，分別控制水浴溫度75、80、85、90、100℃，觀測水解時間2.5、3.0、3.5、4.0、4.5h蔗糖液色值的變化。1.2.2甘蔗的水解條件是優化配制55%(w/w)蔗糖液，以檸檬酸為水解劑，檸檬酸用量(w/w蔗糖液)參考余小娜1.2.3蔗糖、葡萄糖的分離、結晶、分離(1)脫色、脫鹽樹脂預處理：預備HPD100脫色樹脂600mL1組、D001FD強酸型陽離子樹脂700mL1組、D354弱堿型陰離子樹脂700mL1組。使用前均用純水活化，裝入離子交換柱中，純水沖洗至中性備用，使用一定周期后樹脂交換容量不理想時，依次使用4%～5%的HCl以及NaOH溶液再生。(2)果糖分離樹脂預處理：選用D001FD強酸型陽離子樹脂轉型為Ca型樹脂分離果葡糖液(3)蔗糖液的水解、精制：配制55%(w/w)蔗糖液4800g，按優化確定的最佳水解條件于水浴鍋中完成水解。將水解液以3BV/h的速度依次通過HPD100脫色樹脂、D001FD強酸型陽離子樹脂和D354FD弱堿型陰離子樹脂進行脫色和2次脫鹽，對糖液進行精制。(4)果葡糖液的分離：常溫下將水解糖液以0.6BV/h(64mL/min)速度通過串聯的8組φ50mm×500mm交換柱，當糖液從最末端樹脂溢出時停止加料，純水解吸，分段收集解吸液，據各段樣品組分含量情況進行循環分離，直至分離出純度達88%以上的果糖液和純度65%以上的葡萄糖液。(5)果糖和葡萄糖的結晶、分離、干燥：果糖有較大的溶解度，25℃時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℃下果糖飽和溶液濃度81.9%，致使果糖飽和溶液的粘度很大，較大的粘度降低了母液的流動性，阻礙結晶過程中的傳質，添加乙醇可降低糖液粘度，有利于果糖的結晶與分離。糖液過飽和系數在1.0～1.2，可使存在的晶體長大。實驗擬定：純度88%以上果糖液，調節pH4～5，于65℃、0.085MPa真空下濃縮至85～88葡萄糖20℃時100g水中溶解度為83g，即20℃葡萄糖飽和溶液濃度為45.4%，溶解度明顯低于蔗糖、果糖，同比更易結晶。參考煮制白砂糖的結晶工藝，即相對純度較高的糖漿，可選用低濃度起晶，反之，則可選用高濃度起晶煮制1.2.4產品指標的檢測和計算方法實驗中糖液色值、濁度等指標檢測方法依據制糖分析相關方法檢測分析2結果與分析2.1溫度和時間對糖液色值的影響從圖1看出：水解前蔗糖液色值為95.3IU，隨水解時間的延長，水解溫度的升高，糖液色值逐漸加深，當水解溫度為85℃時，糖液色值開始變化明顯，4.5h后色值增幅達33.4%；在沸騰狀態下，糖液色值顯著升高，4.5h后色值增幅達277.17%；水解溫度為80℃時，糖液色值變化非常輕微，4.5h后色值增幅僅為18.22%。因此，適當降低水解溫度對降低糖液色值非常有利，初步確定正交實驗水解溫度范圍為65～80℃。2.2檸檬酸用量對蔗糖水解的影響蔗糖水解三因素四水平正交實驗結果見表2。由表中R和K值可知：三因素影響蔗糖轉化的主次順序為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三因素的顯著水平值分別為0、0、0.434,A、B二因素顯著水平值均小于0.05，對蔗糖水解結果有顯著影響，C因素顯著水平值大于0.05，說明檸檬酸用量在0.25%～1.00%期間對蔗糖水解的影響力區別不明顯。綜合考慮正交試驗結果與后續工藝過程脫色和脫鹽的處理負荷，選擇較低檸檬酸用量和適當降低水解溫度的方式優化水解條件，最終確定的較優水解條件為：水解溫度80℃，水解時間4.0h，檸檬酸用量0.50%(w/w對蔗糖液)，此時蔗糖液為pH2.35，該條件下實驗結果顯示蔗糖含量測定為0%，蔗糖全部水解，后續模擬水解實驗均在此條件下進行。2.3結晶葡萄糖的模擬實驗2.3.1蔗糖液的水解、檢測配制濃度55%(w/w)蔗糖液4800g，添加0.50%檸檬酸(w/w對蔗糖液)，控制水解溫度80℃，水解時間4.0h，經檢測水解液蔗糖含量為0%，果糖含量49.52%。將水解液以3BV/h的速度通過脫色和脫鹽樹脂的精制處理后，得到46.62.3.2糖液溢出及糖液終止時糖液的吸附特征檢測精制后水解糖液中果糖、葡萄糖純度約各占50%，常溫下以65mL/min速度通過8組串聯的交換柱，每850mL收集解吸液一組，至最末組有糖液溢出時終止糖液吸附，此時共吸附46.6從圖2、圖3顯示：不同純度含量的果糖液，解吸分離的特征有所不同，果糖純度為50%的水解液分離時果糖、葡萄糖分離的組分含量、時間差異不太明顯；當果糖純度從50%提高至60%以上，組分含量差異明顯增大，第2次再分離比第1次純化果糖的含量得到明顯提升；按此方法循環分離操作4次后全部糖液完成分離，最終可得到純度達88%以上的純果糖液。2.3.3葡萄糖、葡萄糖的結晶、分離、濃縮表6中蔗糖水解液經過4次分離得到4個批次純度88%以上果糖液，第1、2批次糖液于65℃、0.085MPa真空下濃縮至87從表6看出：蔗糖水解液經過4次分離，得到4個批次純度65%以上葡萄糖液，第1批次糖液于65℃、0.085MPa真空下濃縮至83從表6可看出：(1)果糖結晶分離后得到313g、81.5實驗投入白砂糖2640g，果糖、葡萄糖的單次結晶分別得到265g、691g，果糖、葡萄糖單次結晶率分別為56.34%、63.27%，尚存待分離果葡糖液2040g、果糖分離母液313g、葡萄糖分離母液1365g；后續把3種在制品混合調制后得到高果糖液3164g(純度64.28%,51.32.3.4結晶高效糖液的制備從表7可以看出：制備得到的結晶果糖產品檢測指標同時到達GB/T26762-2011《結晶果糖、固體果葡糖》和中華人民共和國中國藥典版2015版2部《果糖》的標準要求，說明以蔗糖為原料，采用本實驗的工藝方法制取的結晶果糖經陰陽離子交換以及鈣型樹脂對果葡糖液的不斷分離對結晶果糖產品起到了很好的脫色、脫鹽和純化的作用。依據GB/T20880-2018《食用葡萄糖》標準檢測結果顯示：葡萄糖含量(占干物質)液相色譜法：86.75%～97.54%之間(一級品標準≥99.0%)；水分：1.06%～8.63%之間(一級品標準≤2.0%)；比旋光度：48.133糖液脫色和脫鹽(1)水解溫度和水解時間均對水解糖液的色值有影響，當水解溫度為85℃時，水解4.5h后色值增幅達33.4%；在沸騰狀態下，水解4.5h后色值增幅達277.17%；水解溫度為80℃時，4.5h后色值增幅僅為18.22%，適當降低水解溫度可減輕糖液色值增幅。(2)精制處理后的糖液色值為5.4IU，濁度為10.0MAU，電導率為4.0μS/cm，試驗顯示HPD100脫色樹脂、D001FD強酸型陽離子樹脂和D354FD弱堿型陰離子樹脂滿足對糖液脫色和脫鹽的作用，對最終產品指標檢測符合藥典版標準要求起到了決定性的作用。(3)試驗優化蔗糖水解最佳水解條件為：水解溫度80℃，水解時間4.0h，檸檬酸用量0.50%，蔗糖水解率為100%。與余小娜(4)果糖結晶工藝條件：純度88%以上果糖液，固形物含量87實驗選擇在常溫下鈣型樹脂分離高濃度的果葡糖液，可避免40～50℃條件下不斷重復分離低濃度糖液易被微生物感染的狀況，有效降低能源消耗，提高設備周轉率；結晶實驗在常溫下進行，結晶起種量僅為糖膏的5%，同時，通過添加適量乙醇降低糖膏的粘度，提高了結晶速度，得到較好的結晶率；實驗通過直接將純度65%以上的葡萄糖液直接結晶的方式，在得到葡萄糖產品的同時也提高了分離母液中果糖純度的作用，有效減輕果葡糖液分離負荷。聶圣才實驗選用白砂糖為原料制取結晶果糖，原料帶入及