（制糖工程专业论文）甘蔗废蜜制取高果糖浆工艺技术的研究.pdf

。，甘蔗废蜜制取高果糖浆工艺技术的研究 摘要 以甘蔗废蜜为原料制取高果糖浆，可以提高糖厂副产品的附加值。通 过对甘蔗废蜜制取高果糖浆的工艺技术( 预处理、酸解、分离、异构化、 精制) 的工艺条件进行研究，为甘蔗废蜜制取高果糖浆工业化生产提供了 切实可行理论依据。本课题的主要研究内容和结果如下： l 、通过糖厂的分析方法对某亚硫酸法糖厂的废蜜进行了主要成分分 析，其中蔗糖分含量在3 3 一3 5 ，还原糖含量在1 5 - 1 6 ，灰分含量在 9 - 1 2 ，胶体含量在9 - 11 。 2 、确定了废蜜预处理工艺的最佳工艺条件：废蜜与蒸馏水的稀释度为 1 ：o 1 ( w w ) ，在用h ：s o 。将稀释的溶液的p h 值调到2 5 左右，添加0 8 絮 凝剂后，1 0 0 9 废蜜处理出来的沉淀达到1 8 8 7 9 ，o d 减少率9 5 3 7 。 3 、利用酸水解废蜜中的蔗糖分，增加废蜜中果糖的含量。酸水解废蜜 的最佳工艺条件是：反应温度为8 0 。c ，反应溶液的p h 值2 0 ，反应时间为 4 o h ，废蜜水解率可达到9 2 7 5 。 4 、化学方法分离果糖和葡萄糖的最佳工艺条件是：果糖与c a ( o h ) ：添 加量的摩尔比为1 ：3 ，在0 - 5 。c 条件下反应3 h ，在反应液中添加2x1 0 4 9 6 的 聚丙烯酰胺絮凝剂，使得果糖转化成果糖钙沉淀出来，用3 0 h 3 p o 。来洗涤 沉淀，得到高果糖浆粗产品。 5 、对高果糖浆粗产品进行了活性炭脱色和强酸阳离子树脂静态脱盐精 制。活性炭脱色工艺条件是：加入活性炭添加量3 ( w v ) 、脱色温度5 0 。c 、 脱色时间4 0 m i n 。树脂脱盐的工艺条件是：树脂添加量6 ( w v ) ，脱盐温度 4 0 ，脱盐时间2 h 。经过一系列提取和精制工艺后，果糖的得率达到6 7 1 7 ， 果糖损失率为8 0 5 ，最后经过减压浓缩后得到高果糖浆产品果糖纯度达到 9 2 5 6 。 6 、葡萄糖在碱性条件下通过水浴加热能够转化成果糖，通过响应面表 明，通过用化碱性异构化将葡萄糖转化成果糖的最佳工艺组合是：反应温 度7 5 。c ，反应时间3 0 m i n ，溶液的p h 值在1 1 5 0 ，葡萄糖异构化率达到 2 8 1 4 。 7 、本文对碱法异构反应表观动力学进行考察，建立了表观动力学模型， 求得7 5 c 时，速率常数k = o 0 5 7 4 m i n ，该异构反应在7 5 。c 时的速率方程为： 呢= 一鲁= o 。5 7 4 e ；求得碱法异构反应的表观活化能5 3 7 4 k j m o l ，指 前因子k 0 = 2 4 0 2 8 6 1 0 4 s1 反应速度常数与温度的关系式为： 6 4 6 1 1 k = 2 4 0 2 8 6 l o - - 4 e r t 关键词：废蜜高果糖浆葡萄糖异构化化学法 n t h er e s e a r c ho nm a kin ghig hf r u c t o s es y r u p f r o mm o l a s s e so fs u g a rc a n e a b s t r a c t s u g a rc a n eo fr a wm a t e r i a l sf o rp r o d u c t i o no fh i g hf r u c t o s es y r u p ，s u g a r b y - p r o d u c t sc a ni n c r e a s et h ea d d e dv a l u e t h r o u g ht h es u g a rc a n ep r o d u c t i o no f h i 曲f r u c t o s es y r u pk e yt e c h n o l o g i e s ( p r e t r e a t m e n t ，a c i ds o l u t i o n s ，s e p a r a t i o n ， h e t e r o g e n e o u s ，r e f i n i n g ) s t u d y ，s u g a rc a n ew a s t ef o rt h ep r o d u c t i o no fh o n e y i n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o no fh i g hf r u c t o s es y r u pp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o r p r a c t i c a l t h em a i nt o p i co f t h i sr e s e a r c ha n dt h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a n a l y s i sb yt h es u g a rf a c t o r y , as u l f i t es u g a rc a n ei nt h em a i nc o m p o n e n t a n a l y s i s ，i nw h i c hs u c r o s ec o n t e n ta r o u n d3 3 t o3 5 ，r e d u c i n gs u g a rc o n t e n t o f1 5 t o1 6 ，a s hc o n t e n to f 9 t o1 2 ，c o l l o i d a lc o n t e n t9 t o11 2 s u g a rc a n ep r e - t r e a t m e n to fo p t i m u mc o n d i t i o n s ：s u g a rc a n ea n dd i s t i l l e d w a t e rf o rt h ed i l u t i o no f1 ：o 1 ，w i l lb ed i l u t e db yh 2 s 0 4s o l u t i o nt r a n s f e r r e dt o t h ep hv a l u eo fa b o u t2 5 ，a d do 8 f l o c c u l a t i o na g e n t ，10 0g r a m sh o n e y p r o c e s s i n gw a s t ef r o mt h ep r e c i p i t a t i o nr e a c h e d18 8 7g ，o d r e d u c et h er a t eo f 9 5 3 7 3 u s eo fa c i dh y d r o l y s i sw a s t ei nt h es u g a rc a n e ，f r u c t o s ei ns u g a rc a n et o i n c r e a s et h ew a s t ec o n t e n t w a s t ea c i dh y d r o l y s i ss u g a rc a n ei st h eo p t i m u m i i l c o n d i t i o n s ：t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s8 0 ，t h er e a c t i o ns o l u t i o np hv a l u eo f 2 0 ，t h er e a c t i o nt i m ei s 4 0h ，h o n e yh y d r o l y s i sr a t eo fw a s t ec a nb er e a c h e d 9 2 7 5 4 c h e m i c a ls e p a r a t i o no ff r u c t o s ea n dg l u c o s ei st h eo p t i m u mc o n d i t i o n s ： f r u c t o s ea n dc a ( o h ) 2a m o u n to ft h em o l a rr a t i oo f1 ：3 ，0 - 5 r e a c t i o nu n d e r t h ec o n d i t i o n so ft h r e eh o u r s ，t h er e a c t i o no ft h ea d d2 x10 4 a c r y l a m i d e f l o c c u l a n t ，m a k i n gf r u c t o s es u g a ri n t ot h er e s u l t sf r o mc a l c i u mp r e c i p i t a t i o n ， w i t h3 0 h 3 p 0 4t ow a s hp r e c i p i t a t i o n ，a r e t h eh i g hf r u c t o s e s y r u pc r u d e p r o d u c t s 5 f o rh i g h - f r u c t o s e s y r u p c r u d ep r o d u c tw a sa c t i v a t e dc a r b o na n d d e c o l o r a t i o ns t r o n ga c i dc a t i o nr e s i ns t a t i cd e s a l i n a t i o nr e f i n e d d e c o l o r i z a t i o n o fa c t i v a t e dc a r b o na r e ：a d d i n ga c t i v a t e dc a r b o nc o n t e n t3 ( w v ) ， d e c o l o r i z i n gt e m p e r a t u r e a t 5 0 。c ，d e c o l o r i z i n gt i m e 4 0m i n r e s i nt h e d e s a l i n a t i o np r o c e s si s ：r e s i na m o u n to f6 ( w n ) ，d e s a l i n a t i o nt e m p e r a t u r e4 0 ，d e s a l i n a t i o nt i m e2h a f t e ras e r i e so fe x t r a c t i o na n dr e f i n i n gp r o c e s s ，t h e f r u c t o s ei nt h er a t eo f6 7 17 t ，f r u c t o s el o s sr a t eo f8 0 5 ，a r e rt h ef i n a l d e c o m p r e s s i o nc o n c e n t r a t e d f r u i t b yh i 曲一f r u c t o s es y r u pp r o d u c t sr e a c h e d 9 2 5 6 6 u n d e rt h ec o n d i t i o n so fg l u c o s ei na l k a l i n ew a t e rb a t hb yh e a t i n gs u g a rc a n b et r a n s f o r m e di n t or e s u l t st h r o u g ht h er e s p o n s es u r f a c et h a t ，t h r o u g hu s eo f a l k a l i n ei s o m e r i z a t i o nr e s u l t sw i l lb et r a n s f o r m e di n t og l u c o s es u g a ri st h e o p t i m u mc o m b i n a t i o no f ：t e m p e r a t u r e7 5 c ，r e a c t i o nt i m e3 0m i n ，t h es o l u t i o n p hv a l u ei n11 5 0 g l u c o s ei s o m e r i z a t i o nr a t er e a c h e d2 8 14 7 i nt h i sp a p e r , a l k a l i n eh e t e r o g e n e o u sa p p a r e n tr e a c t i o nk i n e t i c ss t u d y , t h e e s t a b l i s h m e n to ft h ea p p a r e n td y n a m i cm o d e l ，o b t a i n e d7 5 ，t h er a t ec o n s t a n t k = o 0 5 7 4 m i n ，i nr e s p o n s et ot h eh e t e r o g e n e o u s7 5 a tt h er a t ee q u a t i o n ： 矿一= 一百d e a = 0 0574c ；a l k a l i n e i s o m e r i z a t i 。nr e a c t i 。n 。b t a i n e dt h e a p p a r e n t a c t i v a t i o n e n e r g y5 3 7 4 k j m o l ，r e f e r r i n g t ot h ef o r m e rf a c t o r k o = 2 4 0 2 8 6 x10 4 s 。1 a n dt h er e a c t i o nr a t ec o n s t a n tt e m p e r a t u r eo f t h er e l a t i o n s h i p ： 6 4 6 1 1 k = 2 40286 10 4e 一百 k r yw o r d s ：s u g a rc a n e ；h i g hf r u c t o s es y r u p ；g l u c o s ei s o m e r i z a t i o n ； a p p a r e n td y n a m i c s v v v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体， 已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：桑锄锋 学位论文使用授权说明 沙孑年6 月1 了日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 啪口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 湫：獬聊签名凋婊础年6 月侈日 广西大掌硕士掌位论文甘蔗废蜜制取高果糖浆工艺技术的研究 第一章绪论 1 1 果葡糖浆的组成和特性 1 1 1 果葡糖浆的组成 果葡糖浆是国) h - 十世纪六十年代末期开始生产的一种新型甜味剂，其糖分组成主 要是果糖和葡萄糖，故把这一新的糖品称为果葡糖浆。由于果葡糖浆的甜度与蔗糖相当， 因此被广泛应用在多种食品加工中。在国际市场已经商品化的果葡糖浆中：果糖含量占 糖量4 2 的，称为果葡糖浆；果糖含量占糖量5 5 的，称为高果葡糖浆；果糖含量9 0 9 6 以上的，称为纯果糖浆；果糖含量达到9 5 以上的，经过结晶可以制成结晶果糖f 1 】f 2 】。 在国内也有按果糖含量分类的，主要分为f 一4 2 型、f 一5 5 型、f 一9 0 型果葡糖浆，“f ”代 表的是果糖，其后的数字表示果糖含量占干物质的百分率，这几种型号果葡糖浆的组成 如表卜l ： 表卜i 果葡糖浆的分类 t a bi 1 c l a s s i f i c a t i o no ff r u c t o s ec o r ns y r u p 果糖( f r u c t o s e ) 4 2 5 59 0 葡萄糖( g l u c o s e ) 5 2 4 07 低聚糖( o l i g o s a e c h a r i d e s ) 653 浓度( c o n c e n t r a t i o n ) 71 7 78 0 甜度( s w e e m e s s ) 1 0 011 01 4 0 1 1 2 高果糖浆的食品化学特性3 l 1 1 2 1 甜味 高果糖浆的甜度可达蔗糖的1 4 倍，且有低温下甜度增加的特性，在4 0 ( 2 以下， 温度越低，甜度越高，反之，在4 0 以上，温度越高，甜度越低。 1 1 2 2 冰点和溶解度 在相同浓度的高果糖浆和蔗糖溶液中，由于高果糖浆的质点多于蔗糖，所以高果糖 i 甘蔗废蜜制取高果糖浆工艺技术的研究 浆溶液的冰点较蔗糖溶液的冰点低。 由于果糖在糖类中的溶解度最高，在2 0 c 时高果糖浆的溶解度是蔗糖的1 9 倍，这 一特性，在果酱、蜜饯等高糖浸渍的食品加工中应用较为理想。 1 1 2 3 吸湿性 在糖类中，果糖的吸湿性最强，较易吸收水分。葡萄糖的吸湿性也高于蔗糖。因此 高果糖浆的这一特性，可以用在面包、糕点的保鲜剂。 1 1 2 4 难结晶性 高果糖浆与一般的淀粉糖有相似的性能，有防止蔗糖结晶的效果。在制造软糖、奶 油馅点心和豆沙糕点时与蔗糖合用，效果更好。 1 1 2 5 渗透压 葡萄糖和果糖的分子量都小于蔗糖的分子量，所以高果糖浆的渗透压比同等浓度的 蔗糖溶液高。由于高果糖浆的高渗透压，易于渗透过细胞壁，有利于糖果、蜜饯等糖渍 食品中使用。 1 1 2 6 发酵性 高果糖浆中主要是果糖和葡萄糖，酵母利用果糖和葡萄糖比蔗糖快。因此在使用酵 母的面包加工中添加一部分的高果糖浆能使面包质地松软，发酵性好。 1 1 2 7 还原性和焦化性 高果糖浆中的葡萄糖和果糖都是还原糖，它可以使某些物质具有还原性反应。所以 化学稳定性较蔗糖低，特别是在碱性环境下受热易分解，产生有色物质。但是由于大多 数食品都是酸性的，所以在食品工业中应用问题不大。 在含氮物质的情况下，葡萄糖和果糖受热产生有色物质反应较为容易，速度快，颜 色深，这种反应称为糖的焦化。生成的棕色物质为焦糖，具有特殊的风味，为人们所喜 爱。 1 1 2 8 易被吸收、代谢快 人们食用米、面和蔗糖等糖类物质，都要先转化成葡萄糖和果糖，然后方被吸收。 食用高果糖浆则可直接被吸收。因此用它生产保健食品和某些药用辅剂比蔗糖有利。 果糖具有代谢不受胰岛素的控制特性，适合糖尿病患者食用。 2 - - 西大掌硕士学位论文甘蔗废蜜制取高果糖浆工艺技术的研究 1 2 工业化生产高果糖浆 在国内长期以来糖厂都将废蜜作为生产多种副产品的原料储存，目前国内外用废蜜 作为原料生产的产品有酒精、酵母、谷氨酸、赖氨酸、柠檬酸、乳酸、草酸、甘油、麻 黄素、饲料等。可见废蜜具有很高的利用价值，但这些都局限于将甘蔗废蜜用作发酵原 料的碳源。在国内未见有利用废蜜提取高果糖浆相关的报告，高果糖浆的生产主要是以 淀粉为原料，另外也有以菊粉、蔗糖为原料生产高果糖浆的研究报告。 1 2 1 以淀粉为原料生产果葡糖浆 目前国内外工业化生产果葡糖浆主要是以玉米淀粉为原料。它是利用q 一淀粉酶和 葡萄糖淀粉酶将淀粉水解成葡萄糖，再通过葡萄糖异构酶的异构化作用将部分葡萄糖异 构化为果糖，得到果葡糖浆h 1 。 1 2 2 以菊粉为原料生产果葡糖浆 果糖的工业来源除淀粉糖化液的葡萄糖异构化外，还有就是菊粉。菊粉大量存在于 菊芋、大丽花等多种植物中，它是b 一2 ，1 糖苷键连接的线性多聚果糖，末端为一个葡 萄糖残基，相对分子量为5 0 0 0 。菊粉在菊芋的块茎中含量很高( 1 5 - 2 0 鲜重) ，菊芋种 植适应性强，耐贫瘠，产量极高，是制备果葡糖浆的良好原料。以菊粉为原料生产果葡 糖浆方法，主要有酸水解菊粉和酶水解菊粉法【5 j 。 1 2 2 1 酸水解菊粉制备高果糖浆 菊粉酸水解工艺已有不少人作过研究，由于菊粉水溶液中含有少量蛋白质，在酸性 条件下会水解成氨基酸，氨基酸与果糖在加热条件下易发生美拉德反应产生有色物质。 传统方法均采用活性炭脱色，但效果不理想。李清解等人采用a 1 3 - 8 大孔吸附树脂，可 完全去除有色成分和涩味成分，且果糖收率不受影响1 6 。白妹等采用柱式离子交换法水 解菊粉制备高果糖浆，不直接使用任何酸性化学试剂处理菊粉液，而是在利用大孔强酸 性苯乙烯系阳离子交换树脂除去菊粉液中杂质，同时降低p h 值，一步达到水解的目的 【7 】 1 2 2 2 酶法水解菊粉生产果葡糖浆 与酸水解相比，酶法水解工艺简单，果糖纯度高，无色素和副产物产生，更适于工 业化生产。谢秋宏等报道了用黑曲霉突变株产生的菊粉酶一步酶法水解菊粉生产高果糖 浆工艺的研究【8 】。魏文玲等对克鲁维酵母y 一8 5 产生的菊粉酶酶解菊粉的工艺条件做了 研究，所得工艺具有底物降解率高、酶解速度快以及不需纯酶等特点【9 1 。王建华等利用 g - 西大掌硕士掌位论文 d - 蔗废蜜制取高果糖浆工艺技术的研究 克鲁维酵母菊粉酶酶解菊粉，将高果糖浆和高值兼用酵母的生产合二为一【l o 】。 1 2 3 以蔗糖为原料制取果葡糖浆 蔗糖是由葡萄糖和果糖以糖苷键连接的双糖，将该糖苷键打开，可获得果糖、葡萄 糖各占5 0 的果葡糖浆，为生产果葡糖浆提供了新原料。杨瑞金等研制出一条以蔗糖为 原料生产纯结晶果糖的技术路线。将蔗糖酸水解，采用化学法分离葡萄糖、果糖，得到 可进行果糖结晶的高果糖液】。 国外已有中转化和全转化蔗糖生产果葡糖浆的先例，并且其相关产品已大量生产。 我国一些科研部门也进行了这方面的开发工作，其中最多的是采用酸水解蔗糖来生产果 葡糖浆，该法有其优越性，但也存在着反应条件剧烈、产物易分解或聚合、精制工序复 杂、色泽难去除等弊端2 1 1 3 1 。而采用生物酶法则可大大克服上述缺点，可有效的实现 蔗糖工业化生产果葡糖浆。 周中凯等报道了采用紫外诱变、亚硝基胍处理黑曲霉获得蔗糖酶高产菌，经液态发 酵培养可获得高活力蔗糖酶【1 4 1 。周小华等研究了啤酒酵母蔗糖酶在氧化铝体上的吸附交 联，考查了该固定化蔗糖酶的动力学性质及其稳定性1 1 5 】。彭万霖等用海藻酸钙凝胶包埋、 戊二醛交联来制备固定化蔗糖酶，该固定化蔗糖酶可反复水解蜂蜜蔗糖4 0 批，蜂蜜中 蔗糖含量由1 0 下降至5 以下【l6 。 何志敏等提出了将蔗糖酶促水解与产物吸附型色谱分离同步进行制备富果糖浆的 新方法，可有效减弱产物的抑制作用，直接收集到富葡糖浆和富果糖浆【1 7 】。吴金川等以 蔗糖酶促水解为模型反应，建立了描述生化反应色谱分离耦合过程的数学模型坞】。 以c a 2 + 型0 0 3 x 7 离子交换树脂为固定相，稀酶溶液为流动相，系统研究了酶浓度、流 速、进料体积、进料浓度对过程的影响。发现采用该耦合方式不仅显著加快水解速率， 而且理论计算值与实验值在低浓度下吻合良好【1 9 1 。 李永丰等利用海藻酸钙凝胶包埋面包酵母用于蔗糖水解，3 0 c ，搅拌反应2 5 小时 可以使还原糖含量达到7 0 t 2 0 1 。李凡超等提出了固定化酵母生产转化糖的动力学模型 【2 i 】。陈庆森等用海藻酸钙凝胶包埋市售活性干酵母粉水解蔗糖，蔗糖转化率达7 0 以 上【2 2 1 。美国专利n o 6 ，0 1 3 ，4 9 1 公开了一种利用固定化啤酒酵母在流化床上酶水解蔗糖 的工艺以及该固定化啤酒酵母的制法，该生物催化剂还可以利用水果汁、粗糖或精制糖 等为原料生产果葡糖浆【2 3 1 。 1 2 4 以苹果为原料生产果糖 以苹果为原料生产果糖的技术方法，是西北农林科技大学食品科学与工程学院岳田 4 广西大掌硕士掌位论文- i n 蔗废蜜制z l x t 皇 果糖浆工艺技术的研究 利教授主持研制成功的，已投入工业化生产。研究发现，苹果中富含果糖，鲜苹果中含果 糖5 9g k g ，含蔗糖和葡萄糖9 2 6g k g ；苹果原汁中含果糖4 5g k g ，浓缩苹果汁( 7 0b r i x ) 中含果糖3 6 0 9 k g 。该技术主要通过以下几个步骤来实现果糖的生产：( 1 ) 对苹果汁进行 脱色处理。( 2 ) 对苹果汁进行脱酸处理。( 3 ) 对苹果汁中的蔗糖进行酶解反应，得到转化 率为9 8 9 6 的果糖和葡萄糖。( 4 ) 利用树脂对苹果汁中的果糖和葡萄糖进行分离，果糖的分 离率达到了9 8 。( 5 ) 利用葡萄糖异构化酶对苹果汁中的葡萄糖进行异构化反应，可使苹 果汁中4 0 以上的葡萄糖转化为果糖，从而大大提高了果糖的产率。( 6 ) 对果糖进行精制 结晶处理，获得了纯度在9 7 以上的结晶果剜2 4 j 。 1 3 葡萄糖和果糖的异构化反应 葡萄糖和果糖都是单糖，分子式为c 。h 。：0 1 6 ，但是葡萄糖为己醛糖，果糖为己酮糖， 二者为同分异构体，通过异构化反应能够互相转变，在工业生产中葡萄糖的异构化的催 化剂有两种：葡萄糖异构酶和碱溶液。 1 3 1 碱性异构化2 5 1 早在1 8 9 5 年由l o b v yd eb r y n c a v a nz k e n st r e nw a 发现葡萄糖在碱性溶液中的异 构化反应，确定为洛布列德布里一珂尔贝达范艾肯斯坦反应，以利用此反应来合成新糖 类。 葡萄糖在碱性条件中异构化成果糖的转化率一般为2 1 - 2 7 ，糖分损失约1 0 - 1 5 。 采用k o h 、n a o h 为催化剂，采用较高的反应温度，较短的反应时间和较高的糖浓度，催 化效果较好，异构转化率可达到3 3 一3 5 ，糖分仅损失2 - 3 。对葡萄糖碱性催化的效 果，曾有详细的研究，其结果如表1 - 2 - 表1 - 2 各种碱性催化剂的催化效果 t a b 1 2v a r i o u sa l k a l i n ec a t a l y s tf o rc a t a l y t i ce f f e c t 碱溶液的作用不是单一的反应，在碱性溶液中进行反应时会产生副反应，转化率也 广西大学硕士掌位论文 甘蔗废警 制取高果糖浆工艺技术的研究 不如酶法的高，但是由于碱溶液催化对反应环境要求低，特别是一些金属离子杂质对其 异构催化没有影响，无需专门容器，所以比较适合应用在废蜜等这种成分复杂的环境中 进行催化。 1 3 2 葡萄糖异构酶 葡萄糖异构酶( g i ) 又称d 一木糖异构酶，能催化d 葡萄糖向d 一果糖的异构化反应， 是工业上大规模从淀粉制备果葡糖浆的关键酶，至今已发现5 0 多种能产生g i 的微生物。 多数微生物的g i 热稳定性好，需要m 9 2 + 与c 0 1 + 才有活力，最合适p h 一般在6 5 - 8 0 ， 在碱性p h 下稳定f 捌。能产生g i 的微生物很多，但适合工业生产的菌种并不多。通过定 点突变来改造g i 可改善其热稳定性、降低最合适p h 、改变底物特异性等，可使其更适 于工业化生产1 。某些惰性气体也能改善g i 的热力学和动力学性质，在溶有氖、氦、 氢、氮等惰性气体的溶液中进行酶促反应可提高高果玉米糖浆的生产效掣2 酊。 在异构化过程中，存在着固定化g i 活性随着过程的进行逐渐降低的问题，传统的 解决方法是当异构化效率下降时，适时的降低反应物通过异构酶柱的流速，但需增加平 行异构酶柱的数量来维持产量。也可以定期的暂停生产，换上新酶再开始生产。美国专 利n o 5 ，1 7 7 ，0 0 5 公开了一种通过定期地向异构化反应器中添加含新酶溶液的葡萄糖 溶液来保持固定化g i 活性的方法，而不用改变反应物通过异构酶柱流速来应付固定化 酶的失活1 。g i 的等电点在p h 在5 左右，中性条件下，g i 带负电荷，可代替阴性聚 电解质与双极性阳离子在载体上交替沉积而把酶双层固定在载体上。根据上述原理，冬 毅等制得双层固定化g i ，其活力可达2 2 0 0 1 u n o l r a i n 一f 1 干胶，活力回收率可达6 8 5 ， 载体机械强度良好【3 0 】。中国专利c n8 5 1 0 0 4 1 2 a 公开了一种用大孔强碱性苯乙烯系季胺 基阴离子交换树脂将嗜热放线菌所产g i 固定化的方法，该工艺的优点在于不用进行胞 内酶释出处理等工序，且转化比高【3 l 】。 葡萄糖异构酶具有催化效率高( 转化率最高达5 0 9 6 ) ，反应速度快，一批酶可以长久 使用几个月不必更换，副反应少等特点。但是葡萄糖异构酶也存在一些不足【3 2 l ： ( 1 ) 要求葡萄糖溶液的纯度高：目前采用“双酶法 技术生产的葡萄糖d e 9 7 ，糖化 液经过精制纯化除去铁、铜和其它重金属杂质，钙离子控制在极低范围 ( c a 2 + b c ，最优水平为a 。b 2 c 。；影响0 d 减少率率的各因素的主次顺序为a c b ，最优水平 2 0 f - 西大掌硕士掌位论文甘蔗废警 制取高果糖浆工艺技术的研究 为a b 2 c 3 。综合考虑沉淀和o d 减少率最佳工艺条件是：a 。b c 。，即：稀释度为l ：o 1 ， 预处理溶液的p h 值为2 5 ，絮凝剂的添加量0 8 ，通过进一步实验证实在此工艺条件 下，百克废蜜处理出来的沉淀达到1 8 8 7 9 ，0 d 减少率9 5 3 7 ，与实际情况相符。 利用方差分析进一步分析评价各因素影响指标的权重，由表2 7 中方差分析可知 p h 值和絮凝剂添加量对沉淀和o d 减少率的影响不显著；稀释度对沉淀和o d 减少率的 影响较显著。 2 4 本章小结 ( 1 ) 通过糖厂常用的分析方法，对南圩糖厂等亚硫酸法的糖厂废蜜进行了主要成分 分析，其中蔗糖分含量在3 4 一3 6 ，还原糖含量在1 5 一1 6 ，灰分含量在9 - 1 2 ，胶体 含量在9 - i1 。其数据对废蜜成分含量有一定代表性，为废蜜的预处理提供理论依据， 也对最终的产量计算提供数据。 ( 2 ) 通过三因素三水平正交实验表明，确定废蜜预处理的最佳工艺组合是：废蜜与 蒸馏水的稀释度为1 ：0 1 ，在用硫酸将稀释的溶液的p h 值调到2 5 左右，添加o 8 ( w v ) 絮凝剂后，通过离心分离将废蜜中胶体和一些无机杂质以沉淀的形式去除。去除杂质后 的废蜜，百克废蜜处理出来的沉淀达到1 8 8 7 9 ，o d 减少率9 5 3 7 ，溶液透明度增加， 除杂效果明显，为往后的从废蜜中提取果糖打下了基础。 2 i - l a 蔗废蜜 o j 取高果糖浆工艺技术的研究 第三章废蜜制取高果糖浆工艺( 酸解、分离、异构化) 的研究 3 1 前言 废蜜中的碳水化合物主要是以蔗糖形式存在，果糖在废蜜中的含量很低，不能够用 来直接提取果糖，必须将蔗糖水解成为葡萄糖和果糖，才能够获得理想的果糖提取率。 蔗糖是由果糖和葡萄糖组成的二糖，它是果糖分子中的苷羟基与葡萄糖分子中的苷羟基 间的缩水产物。在一定的条件下，蔗糖能和水发生水解反应，降解为一个果糖和一个葡 萄糖，形成了果糖和葡萄糖数量比为l ：1 的果葡糖浆，这个过程称为水解。目前蔗糖水 解生产果葡糖浆有三种不同的催化方式：酸催化水解法；酶催化水解法和阳离子交换树 脂催化水解法。酶解反应可以克服酸解反应中，反应条件剧烈、产物容易分解和聚合的 缺点，但是酶解反应对蔗糖溶液体系的纯净度要求较严格，某些重金属离子可能使酶失 去活力。目前，工业上主要应用酸解反应制备果葡糖浆。由于废蜜的成分复杂，而且一 些杂质不容易除去，所以选用酸解反应在废蜜的体系中比较合适。虽然酸解反应简单易 行，但是水解条件要严格控制，在保证蔗糖完全水解的同时，避免因加热时间过长对果 糖和葡萄糖产生负面影响，如形成糠醛的聚合体。 废蜜经过酸解后，废蜜中的果糖含量大幅提高，但是与高果糖浆中的果糖含量相比 还有距离，可利用分离技术将废蜜中的果糖和葡萄糖分离开来制备果糖含量在9 0 以上 的高果糖浆。目前在国内，在以淀粉为原料生产高果糖浆工业中上，主要有化学分离法 和离子交换法。由于废蜜成分复杂，而且离子交换方法投入大、工艺条件要求高，不适 合在废蜜中应用，所以对废蜜中果葡糖的化学方法分离进行研究有很大的意义，为此对 它的分离进行了初步研究。 本次研究拟采用化学法分离葡萄糖和果糖，以c a ( o h ) ：为分离剂，使果糖与c a ( o h ) 。 反应生成果糖钙沉淀从而与葡萄糖分离开来，并尝试用h 。p o 。使果糖从果糖钙中释放出 来，从而得到果糖含量在9 0 以上的高果糖浆。 经过果糖和葡萄糖分离后，母液里面主要是葡萄糖钙和很少量的果糖钙，在国内一 般处理方法是用h ，p o 。将其分解得到低果糖的废蜜，废蜜可以作为动物的饲料，或者作 为发酵的营养物质。但是这样废蜜提取高果糖浆的提取率不是很高，经济性也不显著， 广西大学硕士掌位论文 甘蔗废蜜制取高果糖浆工艺技术的研究 所以本文尝试将母液中葡萄糖钙在其本身的碱性环境下，通过加热促使其转化成果糖， 以提高产率。由于碱催化异构化法受许多因素的影响，其中反应溶液的p h 值( 碱的用 量) 、反应时间与反应温度都有可能对葡萄糖异构化的生成有着重要影响。在本实验中， 以这三个实验条件为主要因素，分别在不同水平下探讨各个因素对果糖生成的影响，从 而找出一个较佳的实验工艺条件，对在废蜜提取完果糖后的富含葡萄糖的母液中，葡萄 糖异构成果糖工艺流程与影响因素进行初步探讨。 3 2 材料与设备 3 2 1 原料 废蜜( 广西隆安南圩糖厂) 3 2 2 试剂 硫酸；碱式醋酸铅粉；氢氧化钙；磷酸；d 一果糖( 分析纯) ；间苯二酚；磷酸；盐酸： 氢氧化钙；3 ，5 一二硝基水杨酸；葡萄糖；碘化钾；氢氧化钠；酚酞 3 2 3 仪器 台式离心机：自动数显旋光计；恒温水浴锅( 1 ) ；锤度计：紫外分光光度计； 3 3 实验原理与方法 3 3 1 工艺流程 3 3 2 酸解单因素工艺条件实验 3 3 2 1 实验原理 c l ：吼：q 。( 蔗糖) + 码d 吗c 6 ：d 6 ( 果糖) + c 6 ：d 6 ( 葡萄糖) 3 3 2 2 水解温度对废蜜水解的影响 在一定的p h 值下，通过加热废蜜促使其中的蔗糖在酸性条件下发生分解反应产生 果糖和葡萄糖，反应的温度过高，反应时间会缩短，但是废蜜的水解溶液容易发生其它 副反应，溶液的颜色会加深；加热的温度过低，废蜜的水解时间会延长，而且转化率会 2 3 广西大掌硕士学位论文甘蔗废蜜制取高果糖浆工艺技术的研究 受到影响，综合这两方面因素，进行以下的实验。 各取经过预处理的废蜜( p h = 2 5 ) 1 0 0 m l 分别5 个锥形瓶中，然后将5 个锥形瓶分别 放入6 0 、7 0 、8 0 、9 0 水浴中加热3 5 h ，分别测定水解后各个锥形瓶中的蔗糖 分。 3 3 2 3 反应时间对废蜜水解的影响 在一定温度下，蔗糖水解成果糖和葡萄糖，时间过短，反应没有完全，蔗糖转化率 过低；时间过长，虽然可以完全反应，但是过长的时间会使的反应的副产物增多，溶液 颜色加深，给后面的提纯增加了难度。所以综合这两方面的影响因素，进行了以下的实 验。 各取经过预处理的废蜜( p h = 2 5 ) 1 0 0 m l 分别5 个锥形瓶中，然后将5 个锥形瓶分别 在2 5 h 、3 0 h 、3 5 h 、4 o h 在8 0 水浴中加热，分别测定水解后各个锥形瓶中的蔗 糖分。 3 3 2 4p h 值对废蜜水解的影响 在废蜜中水解过程中，p h 值对水解的程度影响很大，氢离子的浓度各取经过预处 理的废蜜1 0 0 l i l l 分别5 个锥形瓶中，然后将5 个锥形瓶用h 。s 0 4 分别将溶液的p h 值调到 1 5 、2 0 、2 5 、3 0 、3 5 、4 0 在8 0 水浴中加热3 5 h ，分别测定水解后各个锥形瓶 中的蔗糖分 3 3 3 酸解正交实验 采用三因素三水平，即反应温度、溶液p h 值、反应时间三因素各选三水平进行正 交实验，通过各单因素实验来确定各单因素的水平范围，并在三个水平下确定最优的水 平组合。如表3 1 所示 表3 一i 正交实验表 t a b 3 - 1o n h g o n a lf t o rl e v e r sl i s t 3 3 4 果糖和葡萄糖的分离单因素实验 3 3 4 1 实验原理 广西大掌硕士学位论文甘蔗废重；制取商果糖浆工艺技术的研究 废蜜中加入c a ( o h ) ：，果糖和葡萄糖和c a ( o h ) ：发生如下反应： c 6 日1 2 0 6 ( 果糖) + c 口( 鲫) 2 + 冗d jc 6 h 1 2 0 c a ( o h ) 2 h 2 0 ( 果糖钙) c 6 q 2 0 6 ( 葡萄糖) + c 口( 叫) 2 + 啦d _ c 6 h i 2 0 c a ( o h ) 2 h 2 d ( 葡萄糖钙) 果糖、葡萄糖等碳水合物分子的羟基是弱酸性的，因此c a o 、c a ( o h ) 2 能与果糖、 葡萄糖分子的羟基直接结合，形成化合物、这些化合物具有这样相对稳定的键和体系。 由于果糖钙比葡萄糖钙更稳定，这就导致在低温时，果糖和葡萄糖的水溶性相差很大， 果糖钙难溶，通过离心分离，从而分离得到果糖钙h 8 1 。 3 3 4 2c a ( o h ) 2 添加量对果糖得率的影响 c “o m 2 与果糖的沉淀反应是整个制取果糖过程的关键，因为在强碱的条件下，沉 淀及过滤时果糖会进一步分解，果糖钙也会发生副反应，因此加入的氢氧化钙的量不能 过多，但是如果没有一定量的c a ( o h ) 2 ，果糖的产量会过低。 各取酸解废蜜4 0 m l 依次放入5 个烧杯中，把5 个烧杯放入有冰水混合物的水槽中， 确保水温在0 - 5 c ，并按溶液中果糖摩尔含量的分别加入3 0 9 6 的c a ( o h ) 2 溶液，使得烧 杯中果糖与c a ( o h ) ：的摩尔比依次是1 ：2 、l ：2 5 、1 ：3 、1 ：3 5 、1 ：4 ，c a ( o h ) 2 分三次加 入，每隔1 5 m i n 加入一次，反应3 h ，反应完毕，进行离心分离，上层为富葡萄糖溶液， 下层为果糖钙沉淀。对果糖钙沉淀先用冰水洗涤，然后在较低温度下( t 2 5 。c ) 用3 0 0 5 发 的h 3 p 0 4 溶液对沉淀洗涤，收集洗液再离心一次，上清液便是果糖，将上清液定容到 1 0 0 m l ，测定其中的果糖含量来确定氢氧化钙添加量。 3 3 4 3 反应时间对果糖得率的影响 在p h 值很高的情况下，果糖、葡萄糖容易降解，我们希望反应时闯短一些，但是 果糖钙生成需要一定的时间，综合两方面的因素，进行了如下实验： 各取酸解废蜜4 0 m l 依次放入5 个烧杯中，把5 个烧杯放入有冰水混合物的水槽中， 确保水温在0 - 5 ，加入3 0 氢氧化钙溶液，使得烧杯中果糖与c a ( o h ) 。的摩尔比是1 ：3 、， c a ( o h ) ：分三次加入，每隔1 5 m i n 加入一次，依次分别反应1 、1 5 、2 、2 5 、3 、3 5 、4 、 4 5 h ，反应完毕，进行离心分离，上层为富葡萄糖溶液，下层为果糖钙沉淀。对果糖钙 沉淀先用冰水洗涤，然后在较低温度下( t 2 5 c ) 用3 0 发的h 2 i p 0 4 溶液对沉淀洗涤，收 集洗液再离心一次，上清液便是果糖，将上清液定容到1 0 0 m l ，测定其中的果糖含量来 确定反应时间。 3 3 4 4 絮凝剂添加量对果糖得率的影响 在用转化糖与c a ( o h ) 2 反应制备果糖钙的过程中，加入絮凝剂，可增加果糖钙的产 广西大掌硕士掌位论文甘蔗废蜜制取高果糖浆工艺技术的研究 率。果糖钙是强水化的可收缩的沉淀物，絮凝剂的作用，是使果糖钙生成更紧密的沉淀， 果糖钙的晶体生长更大，使得离心分离更容易，这样果糖的提取率就会得到提高。 各取酸解废蜜4 0 i i l l 依次放入5 个烧杯中，把5 个烧杯放入有冰水混合物的水槽中， 确保水温在0 5 ，加入3 0 9 6c a ( o h ) 2 溶液，使得烧杯中果糖与c a ( o h ) 2 的摩尔比是1 ：3 ， c g o h ) 2 分三次加入，每隔1 5 分钟加入一次，反应3 5 h ，分别依次加入0 、l x1 0 4 、 2 1 0 4 、3 x1 0 4 、4 x1 0 絮凝剂聚丙烯酰胺，反应完毕，进行离心分离，上层为富 葡萄糖溶液，下层为果糖钙沉淀。对果糖钙沉淀先用冰水洗涤，然后在较低温度下( t 2 5 ) 用3 0 的h 3 p 0 4 溶液对沉淀洗涤，收集洗液再离心一次，上清液便是果糖，将上清 液定容到1 0 0 m l ，测定其中的果糖含量来