两性聚丙烯酰胺澄清甘蔗汁的研究

沈王庆,谌祥梅

(内江师范学院 化学化工学院,四川内江 641112)



两性聚丙烯酰胺澄清甘蔗汁的研究

沈王庆,谌祥梅

(内江师范学院 化学化工学院,四川内江 641112)

为得到澄清的甘蔗汁,提高甘蔗汁的利用价值。考查了反应时间、两性聚丙烯酰胺的用量、反应温度和甘蔗汁的pH对甘蔗汁透光率的影响,在单因素基础上,利用L16(45)正交实验研究了最优组合和因素的主次关系,比较了原甘蔗汁与澄清后甘蔗汁的主要理化指标,并利用红外光谱和紫外光谱进行了表征。结果表明甘蔗汁澄清的最优组合:反应时间为20 min、絮凝剂用量为8 mL、反应温度为60℃和pH为5,因素的主次关系依次为pH、絮凝剂用量、反应温度和反应时间。在此条件下澄清后甘蔗汁透光率可达到94.7%。经澄清后的甘蔗汁较原甘蔗汁的VC、可溶性固形物、总糖和蛋白质等的含量有所下降,并且还有一定量的两性聚丙烯胺残留在甘蔗汁中。

两性聚丙烯酰胺,甘蔗汁,澄清,透光率

甘蔗具有很多药用价值,《本草纲目》中早有大量记载,我国古代医学家还将甘蔗列入“补益药”[1]。甘蔗经过榨汁后得到的粗汁是一种复杂的多元液体,除了含大量水分、蔗糖和少量的还原糖外,还含有微量的无机非糖分和有机非糖分等杂质。这些杂质主要包括部分胶体物质、类脂物、蛋白质、色素及有色非糖分、酶类等[2-3]。这些杂质的存在影响甘蔗汁外观、口感以及储存等,因而在甘蔗加工过程中需要对甘蔗汁进行澄清。

目前很多新型高效的絮凝剂被应用到果汁的澄清中,较常用的有壳聚糖和酶类,壳聚糖虽然能起到一定的澄清作用但效果不太理想,而酶类的价格又太高[4-8]。有机高分子絮凝剂始于20世纪50年代,因其良好的絮凝效果和低廉的价格而得到了广泛的应用。聚丙烯酰胺因其良好的粘性、水溶性和较高的相对分子量等特性,成为应用最广泛的一种有机高分子絮凝剂,备受科研人员的关注[9-10]。两性聚丙烯酰胺(APAM)是一类具有特殊结构的水溶性有机高分子,兼有阳离子和阴离子聚丙烯酰胺的综合性能,同时具有明显的“反聚电解质效应”和pH适用范围广等特点,在水处理、油田开采、造纸工业和环境保护等方面具有广泛的应用前景[11-13]。广西大学黄悦刚教授等研究了两性聚丙烯酰胺的絮凝性能及其在蔗汁提纯分离中的应用,结果表明两性聚丙烯酰胺是利用物理化学作用来吸附、絮凝胶体、悬浮物,对蔗糖没有破坏作用,絮凝效果关键在于絮凝的pH、温度及加入量是否合适[14]。

目前利用两性聚丙烯酰胺对甘蔗汁进行澄清研究还主要是研究了两性聚丙烯酰胺的用量,pH和反应温度等对甘蔗汁的纯度差、脱色率、除浊率和沉降速度等的影响,对其对甘蔗汁组分的影响研究较少[14]。本实验主要是采用单因素法考查了反应时间、两性聚丙烯酰胺的用量、反应温度和甘蔗汁的pH在一定的离心条件下对甘蔗汁透光率的影响;在单因素基础上利用L16(45)正交实验研究了最优组合和因素的主次关系,比较了原甘蔗汁与澄清后甘蔗汁的主要理化指标,并利用红外光谱和紫外光谱进行了表征。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

甘蔗粗汁取新鲜的黑皮甘蔗去皮,用飞利浦榨汁机榨汁得粗混合汁;两性聚丙烯酰胺北京康普汇维科技有限公司;氢氧化钙重庆天府精细化学品厂;一水合柠檬酸成都金山化学试剂有限公司;磷酸成都金山化学有限公司;冰乙酸成都金山化学有限公司;抗坏血酸成都金山化学有限公司;氯化铜成都金山化学有限公司,均为分析纯。

TJ-270红外分光光度计天津光学仪器厂;752-紫外可见分光光度计上海庆茂仪器有限公司;SHA-B-双功能水浴恒温振荡器上海玺袁科学仪器有限公司;飞利浦榨汁机珠海经济特区飞利浦家庭电器有限公司;PHS-3E-pH计上海仪电科学仪器股份有限公司;SHB-B95-循环水式多用真空泵郑州长城科工贸有限公司;FA2204A电子天平上海精天电子仪器有限公司;百利糖度计杭州陆恒生物尅有限公司;高速台式离心机上海安亭科学仪器厂;阿贝折射仪上海彼爱姆光学仪器。

1.2实验方法

称取20 mg聚丙烯酰胺用去离子水配制成100 mL的溶液(约为100 g),即质量浓度为0.2%待用。采用分光光度计法以去离子水作为参比,在640 nm波长下,测定澄清甘蔗汁透光率,并用透光率T(%)表示甘蔗汁的澄清度[1]。

1.2.1反应时间对甘蔗汁透光率的影响分别取40 mL甘蔗原汁于5个有标号的150 mL具塞锥形瓶中,各加入2 mL已配制的聚丙烯酰胺溶液,在振荡速度为150 r/min,振荡温度60℃下分别振荡5、10、15、20和25 min,再经转速为7000 r/min、变速档位为6的条件下离心5 min后,取上层清液进行透光率的测定。

1.2.2聚丙烯酰胺溶液用量对甘蔗汁透光率的影响分别取40 mL甘蔗原汁于5个有标号的150 mL具塞锥形瓶中,各加入2、4、6、8和10 mL已配制的聚丙烯酰胺溶液,在振荡速度为150 r/min,振荡温度60℃下振荡20 min,再经转速为7000 r/min、变速档位为6的条件下离心5 min后,取上层清液进行透光率的测定。

1.2.3反应温度对甘蔗汁透光率的影响分别取40 mL甘蔗原汁于5个有标号的150 mL具塞锥形瓶中,各加入6 mL已配制的聚丙烯酰胺溶液,在振荡速度为150 r/min,振荡温度分别为40、50、60、70 和80℃下振荡20 min,再经转速为7000 r/min、变速档位为6的条件下离心5 min后,取上层清液进行透光率的测定。

1.2.4甘蔗汁pH对蔗汁透光率的影响分别取40 mL pH为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0的甘蔗汁于6个有标号的150 mL具塞锥形瓶中,加入6 mL已配制的聚丙烯酰胺溶液,在振荡速度为150 r/min,振荡温度为60℃下振荡20 min,再经转速为7000 r/min、变速档位为6的条件下离心5 min后,取上层清液进行透光率的测定。

1.2.5正交实验以反应时间、聚丙烯酰胺溶液用量、反应温度和甘蔗汁pH为因素设计成L16(45)正交实验如表1所示。分别取40 mL的原汁至于有标号的150 mL具塞锥形瓶中,经正交条件下反应后,再经转速为7000 r/min、变速档位为6的条件下离心5 min后,取上层清液进行透光率的测定,研究因素的最优组合和主次关系。

表1　正交实验因素水平表

1.2.6成分测定方法分别利用PHS-3E-pH计、白利糖度计直接测定甘蔗汁的pH和糖度;在246 nm波长处,在酸性环境中铜离子的催化下,用紫外分光光度计直接测定已知样品浓度的吸光度,VC的含量采用标准曲线法测量[15-16];甘蔗汁中的可溶性固形物利用GB 12143.1-88测量;采用分光光度计法以蒸馏水作为参比,在640 nm波长下,测定澄清甘蔗汁透光率;利用感官评价确定甘蔗汁的颜色和味道。

1.2.7表征方法对澄清前后的甘蔗汁利用752-紫外可见分光光度计和TJ-270红外分光光度计进行紫外光谱和红外光谱表征分析。

1.3数据统计分析

采用SPSS13.0软件设计并安排正交实验,对正交实验结果进行极差和方差分析,找出各因子对实验结果影响的主次顺序,确定最佳工艺。

2　结果与讨论

2.1反应时间对透光率的影响

图1为反应时间对甘蔗汁透光率的影响。由图1可知,反应时间在5～20 min时,透光率随反应时间的增加而增加,在20 min时达到最大值74.7%,此后随反应时间的延长,透光率反而略有下降。这是由于反应开始时,随反应时间的延长,两性聚丙烯酰胺的絮凝效果不断增加,因而开始时甘蔗的透光率不断增加;当在60℃条件下反应时间超过20 min后,两性聚丙烯酰胺的粘度不断下降,絮凝效果不断降低,因而透光率也有所减小。

图1　反应时间对透光率的影响Fig.1　The effects of reaction time on transmittance

2.2聚丙烯酰胺溶液用量对透光率的影响

图2为聚丙烯酰胺溶液的用量对甘蔗汁透光率的影响。由图2可知,当聚丙烯酰胺溶液的体积为2～8 mL时,甘蔗汁的透光率不断增大,当用量达到8 mL时达到最大值,此后随用量的增大反而减小。这是由于反应开始时,随着聚丙烯酰胺溶液的用量不断增加,絮凝效果也不断增加,但当聚丙烯酰胺溶液的用量超过8 mL时,则体系中高聚物含量过量,架桥作用变得困难,絮凝效果不断下降,因而透光率也不断降低。

图2　两性聚丙烯酰胺用量对透光率的影响Fig.2　The effects of the amphoteric polyacrylamide dosage on transmittance

2.3反应温度对透光率的影响

图3为反应温度对甘蔗汁透光率的影响。由图3可知,当反应温度为40～60℃时,甘蔗汁的透光率不断增加;当反应温度超过60℃后透光率随反应温度的增加而减小。这是由于当反应温度较低时,两性聚丙基酰胺的水解速度缓慢,形成絮凝团的“布朗运动”强度较低,絮凝物形成所需的时间较长;另外,低温下两性聚丙基酰胺形成的絮凝物细而松散,澄清效果较差。随温度的升高,疏松的絮凝团变的更加结实,增大比重,加快沉降,同时也可以减少甘蔗汁中微小的悬浮物,增加透光率。但反应温度超过60℃后,随温度的升高两性聚丙烯酰胺的稳定性不断减弱,容易发生降解,还会使已经絮凝的杂质粒子再次分散,因而透光率会不断降低。

图3　反应温度对透光率的影响Fig.3　The effects of reaction temperature on transmittance

2.4甘蔗汁pH对透光率的影响

图4为甘蔗汁pH对透光率的影响。由图4可知,当pH为3～5时,随pH的增大,甘蔗汁的透光率不断增大,当pH达到5时透光率达到最大值85.1%,此后透光率随pH的增大而减小。这是由于pH影响两性聚丙烯酰胺的电荷性质,从而影响其对甘蔗原汁中胶体的絮凝作用和对胶体的稳定作用。两性聚丙烯酰胺中的阴离子基团是1个弱酸基团,当甘蔗汁在低pH时,两性聚丙烯酰胺的羧酸基团电离度低,基本上形成的是不带电的基团,在此条件下两性聚丙烯酰胺的絮凝性能较低,当pH为3～5时,随pH的不断增大两性聚丙烯酰胺的羧酸基团电离度不断增加,絮凝效果不断增大因而甘蔗汁的透光率也不断增大。当pH超过5时,两性聚丙烯酰胺分子中的酰胺基会水解,产物的黏度会降低,影响其架桥吸附的能力,导致其絮凝能力不断降低,因而此时甘蔗汁的透光率也不断减小。

图4　pH对透光率的影响Fig.4　The effects of pH on transmittance

2.5正交实验

由表2的极差k值可知最优组合为A3B3C3D2,即反应时间为20 min、絮凝剂用量为8 mL、反应温度为60℃和pH为5,在此条件下通过3个平行验证实验得出甘蔗汁的透光率分别为94.9%,94.8%,94.7%平均值为94.8%,优于表2中实验编号为2的结果,因而确定最优澄清组合为A3B3C3D2,由R值可知因素的主次关系依次为pH、絮凝剂用量、反应温度和反应时间。

表2　澄清的正交实验方案及结果

表3为方差分析表。由表3可知絮凝剂用量(B)具有显著性。

表3　方差分析表

2.6原甘蔗汁与澄清后甘蔗汁的性能

2.6.1主要理化指标原甘蔗汁与在最优组合条件下澄清后甘蔗汁的主要理化指标和感官评价如表4所示。

表4　原甘蔗汁与澄清后甘蔗汁的主要理化指标

由表4可知,经澄清后,甘蔗汁的可溶性固形物和总糖含量较原汁变化较小;VC含量变化要大一些,这主要是在澄清过程中造成了损失;澄清后的甘蔗汁比原甘蔗汁颜色要浅,即透光率从20.1%增加到94.7%。

2.6.2红外光谱与紫外光谱图5为原甘蔗汁与澄清后甘蔗汁的红外光谱。由红外图谱可知,原甘蔗汁经两性聚丙烯胺澄清后,虽然主要伸缩振动峰没有发生改变,但还是对原甘蔗汁里成份造成了影响。原甘蔗汁在3419 cm-1处的吸收峰表明含有-OH伸缩振动峰;2938 cm-1处的峰为CH3、CH2的不对称伸缩振动峰;在2360 cm-1处的吸收峰表明鲜甘蔗汁中可能溶有CO2成份,表明里面含有一定的空气;1878 cm-1和1839 cm-1附近的吸收峰为五元环环酸酐的吸收峰;在1653 cm-1(酰胺I),1549 cm-1(酰胺II)附近出现吸收峰说明甘蔗汁里存在蛋白质,在1549 cm-1处的峰不明显说明蛋白质的含量不高,1509 cm-1处的吸收峰为苯环的骨架伸缩振动峰;1460 cm-1处的峰为CH3、CH2的不对称弯曲振动峰;1420、1260、1131和1043 cm-1处的吸收峰为C-N伸缩;加入两性聚丙烯胺澄清后甘蔗汁的红外光谱图较原甘蔗汁在1878 cm-1和1839 cm-1附近的吸收峰消失表明多缩戊糖类物质的含量受到了影响,与表3中讨论的总糖减少一致;在1653 cm-1处吸收峰消失,在1549 cm-1处的峰更加不明显,表明蛋白质的含量降低了;在1644 cm-1处出现了较强的酰胺I(C=O伸缩振动)吸收峰,在3453 cm-1处形成了一个宽峰表明澄清后的甘蔗汁中还存有一定量的与-OH缔合的两性聚丙烯胺[17]。

图5　样品的红外光谱Fig.5　The infra-red spectrogram of samples

图6为原甘蔗汁与澄清后甘蔗汁的紫外光谱图。由图6可知原甘蔗汁紫外光谱吸收峰的范围为207～353 nm,特征吸收峰在274 nm和305 nm左右处;澄清后甘蔗汁的紫外光谱吸收峰的范围为208～371 nm,在224、278 nm和366 nm左右处有特征吸收峰处。甘蔗汁经澄清后吸收峰范围变宽了,特征吸收峰也发生了变化,主要原因是在原甘蔗汁中加入两性聚丙烯胺对甘蔗汁进行澄清(降低了醛、酮色素)的同时也降低了甘蔗汁中糖类、蛋白质等的含量,同时也有一定量的两性聚丙烯胺残留在甘蔗汁中与甘蔗汁中的-OH形成了缔合物,从而导致澄清前后,甘蔗汁的吸收峰范围和特征吸收峰都发生了变化[18],与表3和图5分析结果一致。

图6　样品的紫外光谱Fig.6　The uv spectra of samples

3　结论

甘蔗汁澄清的最优组合为反应时间为20 min、两性聚丙烯酰胺用量为8 mL、反应温度为60℃和pH为5,此最优条件下甘蔗汁的透光率可达到94.7%,因素的主次关系依次为pH、絮凝剂用量、反应温度和反应时间,絮凝剂用量(B)具有显著性;经澄清后的甘蔗汁较原甘蔗汁的VC、可溶性固形物、总糖和蛋白质等的含量有所下降,并且还有一定量的两性聚丙烯酰胺残留在甘蔗汁中。

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Study on sugar-cane juice clarified by the amphoteric polyacrylamide

SHEN Wang-qing,SHEN Xiang-mei

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Neijiang Normal University,Neijiang 641112,China)

To clarify sugar-cane juice,and increase the utilization value of sugar-cane juice.The effect of reactive time,the dose of amphoteric polyacrylamide,reactive temperature and pH on transmittance of the sugar cane juice was studied by the single factor method,then the optimal combination and primary and secondary relations was studied by L16(45),and the main physical and chemical properties of the primary and the clarified sugar-cane juice have been compared too.The samples were characterized by infrared spectrum and ultraviolet spectrum.The results of optimal combination showed that the time was 20 min,the dose of the flocculant was 8 mL,the temperature was 60℃ and pH was 5,and the primary and secondary relations were pH,the dose of amphoteric polyacrylamide,the reactive temperature and the time.The transmittance of clarified sugar-cane juice could be 94.7%.The contents of VC,soluble solids,total sugar and proteins of the clarified sugar-cane juice were smaller than that of the origin juice,and some amphoteric polyacrylamide was still in the clarified juice.

the amphoteric polyacrylamide;sugar cane juice;clarification;transmittance

2015-08-07

沈王庆(1974-),男,硕士，副教授,主要从事化工工艺等方面的研究,E-mail:sqw7418@163.com。

2013年内江师范学院成果转化重大培育项目(13CZ01)。

TS275.5

B

1002-0306(2016)07-0210-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.032