玉米淀粉糖生产中离子交换树脂的应用探讨

◎黄彩平

（广州双桥股份有限公司，广东 广州 510280）

利用含有淀粉成分的农作物生产出来的糖浆统称为淀粉糖，例如葡萄糖、麦芽糖、果葡糖浆。玉米因为淀粉含量高、种植地域广、产量高等优势被作为淀粉糖的主要生产原料。我国淀粉糖的生产技术研究起步晚，随着研究的深入，淀粉糖产品成本大幅下降，淀粉糖市场逐步扩大，成为食糖市场的重要补充。淀粉糖消费领域广、数量大，是淀粉深加工的支柱产品，长期以来被广泛应用于食品、医药、造纸等诸多行业。主要的生产方法有酸法、酸酶法和酶法，以上方法有着各自的优缺点，但是主要面临的问题仍是生产过程中对产品品质的控制。淀粉在经过水解、糖化过程后得到的糖浆中含有灰分、有色体、蛋白质等杂质，这些杂质将影响糖浆的颜色、含量等，最终影响产品品质，早期通过SO2对糖浆的色泽进行处理，但处理后的副产物亚硫酸盐对人体有害。为解决该问题，在20世纪50年代，相关研究人员研究开发了采取离子交换树脂法对淀粉糖进行纯化和分离，通过离子交换树脂对糖浆中的离子、杂质、颜色进行吸附，从而实现产品品质的提升。

1 玉米淀粉糖浆的生产工艺简介

随着淀粉糖浆生产工艺研究深入，工业化应用得以实现，主要工艺步骤为[1]：①原料处理。将原料通过酸液浸泡软化。②分离。破碎已经软化的原料，将皮、淀粉、面筋等成分进行分离。③液化。将分离所得的固体淀粉进行调浆，使用酸或者酶将淀粉进行分解产生糊精，对糊精进行液化。④糖化。将液化的糊精转移至糖化罐中，使用酸或者酶将糊精水解成低聚糖。⑤过滤。用过滤机除去糖化液中的淀粉、油、蛋白质、糊精或其他不溶性物质。⑥脱色。用碳或树脂除去过滤后糖浆色泽、气味、有臭物质。⑦除盐精制。用离子交换树脂除去淀粉糖浆中的灰分、蛋白质、有机酸及色泽，使产品的色泽及气味稳定，提高产品的质量稳定性。⑧蒸发浓缩。果葡糖浆的精制过程需要在第7 步除盐精制后增加异构化，再进行浓缩、色谱分离、精处理/脱色步骤。

玉米淀粉糖浆的制备方式有3 种，分别是酸法、酸酶法和酶法，其主要体现在工艺步骤中的第3、4 步，其中酸法是采用酸液化、酸糖化后中和，但其存在水解程度不可控的缺点；酸酶法是采用酸液化、酶法糖化，虽然在糖化过程中其水解程度可控，但在液化过程中仍然存在该问题，且对设备腐蚀性较大；而酶法是在液化、糖化过程中均采用酶法，其因生产方式温和、水解程度可控、对设备腐蚀性较小、环保性好的特点被广泛应用，已经成为目前淀粉糖生产过程中工业化应用最多的方法。无论采用何种方法，在经过液化、糖化后的糖浆中都存在其反应过程的副产物，如有色体、蛋白质、有机盐等杂质，其中不溶性杂质可以通过过滤方法进行去除，糖浆中可溶性物质需要采用离子交换树脂进行去除。

2 离子交换树脂在玉米淀粉糖中的应用介绍

离子交换树脂是带有官能团（有交换离子的活性基团）、具有网状结构、不溶性的高分子化合物，通常是球形颗粒物，在高分子表面上有双电层，分为内层离子和扩散层。其分类属酸性的被称为“阳离子交换树脂”，分类属碱性的为”阴离子交换树脂”，根据其官能团的种类，主要分为聚苯乙烯（polystyrenie）型和聚丙烯（polyacrylic）型。两种类型均在制糖业中得到了广泛的应用，前者不仅可以去除离子型色素，也可以去除芳香性色素，缺点是再生难、成本费用高；后者对大部分阴离子色素具有去除作用，但对芳香性色素的去除效果较差，优点是容易再生。离子交换树脂由于其处理能力大、脱色范围广、脱色容量高、能除去各种不同的离子、可以反复再生使用、工作寿命长及运行费用较低而被广泛使用[2]，可以去除糖化的糖液中的灰分（酸和无机盐）、对糖液进行精制（去除胶体物质、有色物质和可能在储存期内产生色素的物质）。

由于阳离子交换树脂与阴离子交换树脂能力的不同，阳离子交换树脂不能对金属离子进行交换，而阴离子交换树脂不能对氢离子进行交换，利用二者的优点通过配合使用，最终实现无机盐、有机酸、无机酸和色素的去除。在生产过程中，也是采用阳离子交换树脂与阴离子交换树脂配合使用。在酶法过程中，随着淀粉分解过程的进行，淀粉颗粒中的无机盐成分随之形成游离态离子，物料灰分含量迅速增高，并达生产过程的最高含量；在糖化中，需不断调节糖化液的pH（一般采用稀的碳酸钠溶液），保证糖化酶具有良好作用，而在液化125～130 ℃高温作用下，玉米淀粉中的蛋白质受热也会结合部分的钙、钠等金属离子而絮凝形成胶体物质[3]。在阳离子交换床中，由于溶液中的钠、钙、镁等阳离子对树脂的亲合力强于氢离子，在经过阳离子交换床时，将氢离子置换出，由于溶液中氢离子浓度的增加，使糖液中的pH 降低到2.0±0.5。而低pH 的环境下，蛋白质容易被吸附，此时，在阳离子交换床中去除了金属离子与蛋白质，使糖液中的杂质变为有机酸与无机酸。当糖液经过降温后，由阳离子交换床流经阴离子交换床时，阳离子交换树脂的扩散层对溶液中的氢离子吸附力较强，可以将糖液中的有机酸、无机酸以及色素吸收。

工业生产中，常用的离子交换柱的组合有阳-阴两床并联或者阳-阴-阳-阴四床串联使用，不同的组合方法有着不同的优缺点。当采用阳—阴两床并联使用时，当第1 组阳阴床交换能力饱和后，对其进行再生后作为第2 组使用；将第2 组阳阴床当做第1 组使用，由于离子交换树脂虽然经过再生后可以继续使用，但其能力下降，这样配合使用可以使两组树脂的利用率最大化、使用寿命长，但存在生产能力小的缺点。而阳阴、阳阴两套四床串联使用时其生产能力大，但存在两组树脂利用率降低，使用寿命稍短的缺点。离子交换树脂根据扩散层的不同，其功能也存在着不同，具有较强脱灰能力其精制能力可能较弱，精制能力强其脱灰的能力可能较弱，所以需要了解离子交换树脂的性质和糖液的组成，针对性的选择使用。在进行精制过程中，不同的工艺参数对精制过程的效果及淀粉糖的损失率不同。

刘蕾等[4]采取弱碱性离子交换树脂D900、D941和HPD300 分别对低聚木糖糖液进行精制脱色处理，通过测定糖液的色值，来判定不同树脂的脱色能力，同时优化了脱色工艺参数。在试验过程中，对树脂进行预处理后进行静态吸收，当吸附达到饱和后，进行固液分离，测定色值，结果表明大孔树脂D941 的脱色能力最佳，同时验证了随着温度的升高，脱色能力下降，低聚木糖的损失增加，而脱色时间随着增大，其脱色越好，当脱色能力达到饱和后，脱色能力不随时间的增加而增强，pH 对脱色能力以及低聚木糖的损失有一定的影响。

马永香等[5]将001×8 强酸性阳离子交换树脂柱和D301-G 大孔弱碱性阴离子交换树脂柱串联，通过动态吸附试验，对大豆糖蜜上清液进行脱盐脱色工艺条件研究，结果表明，最佳脱盐脱色条件为：001×8 强酸性阳离子交换树脂柱和D301-G 大孔弱碱性阴离子交换树脂柱体积比为1∶2，流速为2.6 Bv·h-1，大豆糖蜜上清液体积分数30%，pH=7.0，处理温度为室温。001×8强酸性阳离子交换树脂采用1 moL·L-1的HCl 解吸再生，D301-G 大孔弱碱性阴离子交换树脂采用1 moL·L-1的NaOH 解吸再生后，串联树脂柱可以重复使用9 次。

3 结语

玉米淀粉糖在生产过程中对离子交换树脂的应用，除了脱色作用以外，还可去除盐类、有机酸和无机酸等物质，显著提高了糖浆的精制水平。实现了糖液中有色物质和灰分等杂质的有效去除，保证了糖浆有效期内的品质稳定。不同类型树脂的优点不同，如脱色功能显著的树脂类型有强碱性、弱碱性阴离子树脂，脱盐效果好的有强碱性、弱酸性阳离子树脂，而同一类型，但孔径、目数不同的树脂其性能也不同，相同树脂不同工艺其处理效果也有差异，因此仍需要对离子交换树脂的应用类型选择，并对工艺参数进行研究，提高再生能力，为糖浆品质保证提供条件。