基于壳聚糖和γ－聚谷氨酸的协同絮凝法对赤砂糖回溶糖浆的澄清脱色研究

2013-12-08李利军李青松

食品工业科技 2013年1期

李利军，李青松，刘柳，崔越

(广西工学院生物与化学工程系，广西柳州545006)

赤砂糖作为甘蔗制糖生产工艺中的末端产物，因其色值高、含杂质较多，已不受市场欢迎［1］。对赤砂糖回溶糖浆进行硫漂处理后再送至煮糖工段回煮白砂糖是制糖业中常用的一种方法，但硫漂处理并不能根本解决回煮白砂糖色值偏高的问题，硫漂脱色作用的暂时性会导致白砂糖在贮存过程中增色。此外，赤砂糖回溶糖浆的硫漂处理还存在糖分损失大、白砂糖含硫量高等问题［2］。因此，研发新的脱色方法对赤砂糖回溶糖浆进行澄清脱色处理成为近些年制糖界的一个研究热点。絮凝法脱色除杂具有操作简便、高效等优点。絮凝剂作为絮凝技术的关键，近些年发展较为迅速［3］。絮凝剂一般可分为无机絮凝剂、有机絮凝剂以及微生物絮凝剂三种［4-6］。微生物絮凝剂絮凝活性高、易生物降解、无二次污染，具有较好的发展和应用前景。壳聚糖是一种阳离子高分子絮凝剂，其分子量大，对胶体的吸附架桥能力强且天然、无毒［7-9］。γ-聚谷氨酸是一种由微生物合成的阴离子型絮凝剂，是一种谷氨酸的高分子聚合物，对人类和环境无毒无害［10］。γ-聚谷氨酸分子量特别大，且其侧链上有游离的羧基，可以吸附水中的胶体颗粒产生架桥并形成三维网状结构而沉降下来［11-14］。传统的絮凝工艺多采用单一的絮凝剂，存在絮凝不完全、效果不理想以及出现回色现象［15-16］等问题。本文综合考虑阴离子絮凝剂和阳离子絮凝剂的絮凝机理及特点，提出协同絮凝工艺对赤砂糖回溶糖浆进行澄清脱色除杂，有效地克服了使用单一絮凝剂所存在的缺陷。实验中，首先使用阳离子絮凝剂壳聚糖对赤砂糖回溶糖浆进行第一步絮凝脱色处理，然后再用阴离子絮凝剂γ-聚谷氨酸进行第二步絮凝脱色处理，通过阳离子絮凝剂和阴离子絮凝剂的协同絮凝作用，获得了理想的脱色除杂效果。用扫描电镜研究了絮凝剂及其絮凝物的形貌特征，为认识其絮凝机理提供了一定的依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

赤砂糖回溶糖浆实验室配制15°Bx;壳聚糖(脱乙酰度80%～95%) 国药集团化学试剂有限公司，生化试剂;γ-聚谷氨酸南京赛泰斯生物科技有限公司;盐酸西陇化工股份有限公司，分析纯;氢氧化钠、冰醋酸广东光华化学厂有限公司，分析纯。

JJ500型电子天平东莞市新阳仪器设备有限公司;2WAJ-改型阿贝折射仪上海物理学仪器厂;pHS-25型p H计上海雷磁仪器厂;恒温磁力搅拌器上海硕光电子科技有限公司;微孔膜过滤器天津市津腾实验设备有限公司;722-光栅分光光度计上海精密科学仪器有限公司;JSM-6700F型冷场发射扫描电子显微镜日本电子株式会社。

1.2 实验方法

1.2.1 实验流程实验步骤流程图如图1所示。

图1 实验流程图Fig.1 Experiment flow chart

1.2.2 实验设计

1.2.2.1 絮凝剂的配制壳聚糖的配制:用烧杯量取一定量蒸馏水，滴加2mL冰醋酸于蒸馏水中，准确称取2g壳聚糖，将其溶解于乙酸溶液中，用磁力搅拌器缓慢搅拌至完全溶解，最后稀释定容至1000mL容量瓶中，待用。

γ-聚谷氨酸絮凝剂的配制:用烧杯量取一定量蒸馏水，准确称量2gγ-聚谷氨酸，将其溶解于蒸馏水中，用磁力搅拌器缓慢搅拌至完全溶解，最后稀释定容至1000mL容量瓶中，待用。

1.2.2.2 单因素实验壳聚糖用量变化对糖浆澄清脱色效果的影响:准确量取6份配制好的回溶糖浆，每份100mL。除原样外每份添加一定量的壳聚糖溶液，调节壳聚糖浓度分别为0.1、0.2、0.35、0.45、0.55g/L，然后将上述溶液调节至相同的p H5。在常温下，用磁力搅拌器缓慢搅拌5min后，于每份糖浆中添加一定量的γ-聚谷氨酸溶液，调节γ-聚谷氨酸浓度均为0.02g/L，搅拌沉降过滤，测定糖浆垂度和吸光度，同时计算脱色率，绘制脱色曲线。

γ-聚谷氨酸用量变化对糖浆澄清脱色效果的影响:准确量取6份配制好的回溶糖浆，每份100mL。除原样外每份添加一定量的壳聚糖溶液，调节壳聚糖浓度均为0.45g/L，将上述溶液调节至相同的pH5，用磁力搅拌器缓慢搅拌5min后，于每份糖浆中添加不同量的γ-聚谷氨酸溶液，调节γ-聚谷氨酸浓度分别为 0.02、0.04、0.06、0.08、0.1g/L，搅拌沉降过滤，测定糖浆垂度和吸光度，同时计算脱色率，绘制脱色曲线。

反应p H对糖浆澄清脱色效果的影响:准确量取6份配制好的回溶糖浆，每份100mL。在不同的pH条件下对糖浆进行絮凝处理，在反应过程中控制壳聚糖浓度为0.45g/L，γ-聚谷氨酸浓度为0.06g/L，调节不同的 pH 分别为4、5、6、7、8，反应完成后，过滤，测定糖浆垂度和吸光度，同时计算脱色率，绘制脱色曲线。

反应温度对糖浆澄清脱色效果的影响:准确量取6份配制好的回溶糖浆，每份100mL。在p H为5，壳聚糖浓度为0.45g/L，γ-聚谷氨酸浓度为0.06g/L条件下，调节不同的温度，分别为 25、40、60、75、90℃，对糖浆进行絮凝处理，反应完成后，过滤，测定糖浆垂度和吸光度，同时计算脱色率，绘制脱色曲线。

1.2.2.3 正交实验选择壳聚糖量、γ-聚谷氨酸量、p H、反应温度按四因素四水平L16(45)安排正交实验，见表1。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2.2.4 测定方法赤砂糖色值按照国际机构ICUMSA(糖品分析统一方法国际委员会)规定使用560nm波长进行测定，其计算公式如下:

IU560=A560/bc×1000

式中:IU560-色值(IU);A560-样液在560nm下测得的吸光度;b-比色皿的厚度(cm);c-样液固形物的浓度(g/mL)。

脱色率由下式计算得出:

N(%)=(IU前-IU后)/IU后×100

式中:N-脱色率(%);IU前-处理前赤砂糖色值;IU后-处理后赤砂糖色值。

2 结果与讨论

2.1 各因素对糖浆澄清脱色效果的影响

不同因素对赤砂糖脱色影响结果如图2～图5所示。

图2 脱色率与壳聚糖量关系Fig.2 Relationship between decoloration rate and the amount of chitosan

从图2可以看出，当壳聚糖浓度小于0.45g/L时，随着壳聚糖量的增加，脱色率提高较为迅速;当壳聚糖使用量大于0.45g/L时，脱色率的提高趋于缓慢。这符合絮凝机理的一般规律，即絮凝剂使用过量都会重新分散已聚集的胶质，造成浊度增大［7］。壳聚糖分子通过电中和及架桥作用吸附胶体颗粒，压缩双电层，使颗粒ζ电位降低，从而使体系脱稳形成较大颗粒后沉降［9，15，17］。壳聚糖用量过大，导致体系带有过量的正电荷，此时，壳聚糖分子团聚在胶粒周围，对胶粒起到了保护作用。带有正电荷的胶粒之间相互排斥并阻碍壳聚糖分子的架桥作用，絮凝体细小且分散，糖浆浑浊度增加［6，16-17］。

从图3可知，γ-聚谷氨酸的加入量较小时，具有较高的脱色率，但随γ-聚谷氨酸量的增加，脱色率呈下降趋势。这可能与糖浆中色素分子带负电性有关。因γ-聚谷氨酸带有负电性，它与带负电性的色素分子将产生排斥作用，导致色素分子之间不能凝聚［9，11-13］。γ-聚谷氨酸使用量越多，其排斥效果越明显，从实验数据来看，尽管脱色率有所下降，但脱色率还是维持在一个较高的范围。与壳聚糖相比，聚谷氨酸有着更为复杂的空间网络结构，这种比表面较大的复杂形体强化了其在絮凝过程中的网捕及卷扫能力，能更快地使小颗粒聚集成形体大、沉降快的絮体［18-19］。在不添加γ-聚谷氨酸的条件下，当壳聚糖的用量大于0.2g/L的时，糖浆浊度开始增加，絮体变得分散直至消失，对后续的过滤工序带来较大的困难。添加少量的γ-聚谷氨酸能够重新聚集已分散的胶质，絮体紧密成团，沉降迅速，可有效地提高过滤的速度。实验过程中，当γ-聚谷氨酸浓度小于0.06g/L时，糖浆澄清度较差，当浓度大于0.06g/L时，糖浆开始变得澄清。

图3 脱色率与γ-聚谷氨酸量的关系Fig.3 Relationship between decoloration rate and the amount ofγ-polyglutamic acid

从图4可以看出，脱色率在pH等于5时达到最大值，当p H大于6时，脱色率随pH增大迅速下降，pH达到8时，脱色率降为10%左右。p H对脱色率的影响主要是由于氢离子浓度大小会影响壳聚糖的解离状态，改变壳聚糖分子的电荷性质，从而影响其吸附能力。

从图5可知，在40℃时，脱色率达到最大，大于或小于40℃，脱色率都有所下降。温度对某些微生物絮凝剂活性影响较大，这是因为某些絮凝剂的蛋白或者其他一些成分在高温下变性而丧失部分絮凝能力［6，15］。对于 γ-聚谷氨酸来说，在较高的温度下，两个谷氨酸单元之间的谷氨酰键会断裂，从而降低了其絮凝活性。

2.2 正交实验方案与结果

正交实验结果如表2所示，根据实验结果，以脱色率为指标对正交实验进行极差R计算。

图4 脱色率与pH的关系Fig.4 The relationship between decoloration rate and pH

图5 脱色率与温度的关系Fig.5 The relationship between decoloration rate and temperature

表2 正交实验结果Table 2 The results of orthogonality experiment

通过表2分析可知，赤砂糖澄清脱色最佳工艺条件为:壳聚糖量0.5g/L;γ-聚谷氨酸量0.06g/L;反应p H5;反应温度20℃。

在最佳条件下做验证实验，脱色率为66.5%(大于正交实验中的最大脱色率65.7%)，说明优化结果可靠。

2.3 扫描电镜图分析

图6为γ-聚谷氨酸的SEM图，可以看出，γ-聚谷氨酸呈现骨架网状结构，这种结构使得γ-聚谷氨酸具有强大的架桥及网捕作用，在絮凝过程中，它会凝聚小颗粒成为较大颗粒，迅速沉降下来。图7为壳聚糖的SEM图，可以看出，壳聚糖表面呈团簇纤维状结构，这种结构有利于壳聚糖分子在絮凝过程中产生卷扫作用并增强其吸附性能。

图6 γ-聚谷氨酸SEM图Fig.6 SEM image ofγ-polyrlutamic acid

图7 壳聚糖SEM图Fig.7 SEM image of chitosan

图8 ～图9分别为添加γ-聚谷氨酸前后絮凝物的SEM图。从图8～图9中可以看出，仅使用壳聚糖絮凝剂形成的絮凝物结构松散，中间有空洞，絮凝物密度小，沉降慢，容易分散，受搅拌速度、温度等因素的影响还会产生回浊及回色现象;添加γ-聚谷氨酸后，通过壳聚糖絮凝剂与γ-聚谷氨酸的协同作用，形成的絮凝物结构密实、不容易分散，因此，絮凝物的密度增大，明显加快了沉降速度［20-21］。

图8 不添加γ-聚谷氨酸絮凝物SEM图Fig.8 SEM image of flocculate without γ-polyrlutamic acid addition

3 结论

图9 添加γ-聚谷氨酸絮凝物SEM图Fig.9 SEM image of flocculate with γ-polyrlutamic acid addition

基于壳聚糖和γ-聚谷氨酸的协同絮凝法对赤砂糖回溶糖浆进行澄清脱色除杂的工艺可行，脱色除杂及沉降效果理想。单独使用壳聚糖絮凝剂，絮凝物结构松散，中间有空洞;与γ-聚谷氨酸协同作用，则絮凝物密实、絮凝沉降速度快。该工艺具有简单、快速、高效、絮凝剂用量少、成本低以及安全环保等优点，在赤砂糖回溶糖浆的澄清脱色方面具有一定的应用价值。

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