電滲析在葡萄糖漿脫鹽中的應(yīng)用

武睿，于秋生，陳正行，郭貫新

1(江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫，214122)

2(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無 錫，214122)

電滲析在葡萄糖漿脫鹽中的應(yīng)用

武睿1，2，于秋生1，2，陳正行1，2，郭貫新2

1(江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫，214122)

2(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無 錫，214122)

電滲析技術(shù)應(yīng)用于葡萄糖漿的脫鹽效果顯著。研究表明，脫鹽最佳條件為:操作電壓30 V，糖漿流量25 L/h，糖漿濃度30%;該條件下，糖漿脫鹽率94.69%，糖漿得率77.84%。

電滲析，葡萄糖漿，脫鹽

葡萄糖漿是淀粉糖行業(yè)中重要的產(chǎn)品之一，以碎米為原料制取葡萄糖漿成本低、市場(chǎng)前景廣闊。葡萄糖漿傳統(tǒng)的脫鹽工藝是離子交換法——利用離子交換樹脂將糖液中的陽離子和陰離子分別置換為H+和OH-，實(shí)現(xiàn)糖液的脫鹽精制。樹脂再生過程是離子交換法不可避免的環(huán)節(jié)，該過程不僅酸堿耗用量大，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本高[1］，而且間歇操作影響生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定性。

隨著離子交換膜和雙極膜電滲析器的開發(fā)，電滲析技術(shù)在食品、化工、制藥等行業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用[2］:電滲析技術(shù)既具有膜技術(shù)所共有的分子級(jí)別的無相變分離優(yōu)點(diǎn)，又有超濾等膜技術(shù)所不具備的、在電場(chǎng)條件下高濃度高速脫鹽的優(yōu)勢(shì)。如能將電滲析技術(shù)應(yīng)用于淀粉糖脫鹽工藝，與離子交換法相比，脫鹽成本可得到有效降低，且有助于環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定。

針對(duì)葡萄糖漿等淀粉糖以外的其他糖漿，Elmidaoui等通過對(duì)電滲析器隔板和陰離子交換膜的改進(jìn)，在高溫條件下對(duì)高濃度的甜菜糖漿及母液進(jìn)行電滲析脫鹽處理，降低了導(dǎo)致糖蜜形成的離子含量[3-4］;國內(nèi)對(duì)大豆低聚糖、粗菊糖等多糖的電滲析研究已有報(bào)道[5］。

本研究選取的研究對(duì)象是用碎米制得的高DE值葡萄糖漿:葡萄糖是單糖，分子質(zhì)量小、相同糖漿濃度下滲透壓高，與其他淀粉糖相比，在電滲析脫鹽過程中易發(fā)生滲漏現(xiàn)象，造成糖漿得率低;此外，高DE值葡萄糖是生產(chǎn)果葡糖、果糖等產(chǎn)品的基礎(chǔ)原料，具有很強(qiáng)的代表性和工業(yè)實(shí)踐意義。本研究擬從操作電壓、糖漿流量和糖漿濃度等方面探究電滲析條件對(duì)脫鹽效果的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

葡萄糖糖漿:實(shí)驗(yàn)室自制，相關(guān)指標(biāo)參照GB/T 20885-2007測(cè)定(見表1)。

表1 葡萄糖漿指標(biāo)

雷磁DDS-307電導(dǎo)率儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司;pH計(jì)，梅特勒-托利多儀器有限公司;阿貝折光儀，上海光學(xué)儀器五廠;Waters600高效液相色譜儀，配置四元輸液泵，2410示差折光檢測(cè)器，7725i進(jìn)樣閥，Empower2色譜工作站;離子交換膜，20對(duì)、單片尺寸42 cm×16.5 cm，苯乙烯系異相離子交換膜3361、3362上海上化水處理材料有限公司;電滲析設(shè)備，配有穩(wěn)壓直流電源(最高操作電壓60 V)、鈦絲涂二氧化釕電極、聚丙烯無回路隔板，大港飛英環(huán)境科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件與方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)條件

1.2.1.1 色譜條件

色譜柱:Sugarpak1，6.5 mmid×300 mm;柱溫85℃，流速0.4 mL/min，進(jìn)樣體積10 μL。

1.2.1.2 電滲析脫鹽條件

糖漿采用回流的方式，經(jīng)電滲析淡室流出的糖漿再進(jìn)入電滲析進(jìn)料室，循環(huán)處理;濃室采用的是與糖漿等體積的去離子水循環(huán)，去離子水流速與糖漿流速保持一致。試驗(yàn)選擇操作電壓、糖漿流量和糖漿濃度為主要因素:(1)考察電壓影響，糖漿流量20 L/h、糖漿濃度20%，選取電壓10、20、30、40、50 V進(jìn)行試驗(yàn);(2)考察流量影響，操作電壓30 V、糖漿濃度20%，選取糖漿流量10、15、20、25、30 L/h進(jìn)行試驗(yàn);(3)考察濃度影響，操作電壓30 V、糖漿流量20 L/h，選取糖漿濃度15%、20%、25%、30%、35%進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.2 測(cè)定方法

用電導(dǎo)率儀測(cè)定樣品的相對(duì)電導(dǎo)率。糖漿脫鹽率可以用下式表示:

式中:R糖漿脫鹽率，%;κ0初始糖漿電導(dǎo)率，μS/cm;κ1電滲析脫鹽后糖漿電導(dǎo)率，μS/cm。

用阿貝折光儀測(cè)定樣品的可溶性固形物含量。糖漿得率可以用下式表示:

式中:Y糖漿得率，%;m0初始糖漿質(zhì)量，g;m1電滲析脫鹽后糖漿質(zhì)量，g;c0初始糖漿固形物含量，%;c1電滲析脫鹽后糖漿固形物含量，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 操作電壓對(duì)電滲析脫鹽效果的影響

隨著電滲析的運(yùn)行，電滲析淡室中循環(huán)的糖漿電導(dǎo)率逐漸下降;研究過程中同時(shí)測(cè)得濃室中水的電導(dǎo)率逐漸升高，說明在電滲析作用下糖漿中的離子由淡室的糖漿轉(zhuǎn)移至濃室的水中，實(shí)現(xiàn)了糖漿的脫鹽，如圖1所示。

圖1 不同電壓下糖漿電導(dǎo)率隨時(shí)間變化曲線

0～9 min隨著操作電壓的升高，電導(dǎo)率下降速度增大，糖漿脫鹽速度提高，這是由于高電壓下電場(chǎng)力強(qiáng)，離子在溶液中的遷移速度快;9 min后電導(dǎo)率下降速度降低，高電壓作用下(40、50 V)電導(dǎo)率下降速度明顯降低，12 min時(shí)糖漿電導(dǎo)率可降至200 μS/cm左右，18 min后曲線趨于平緩，這是由于隨著脫鹽的進(jìn)行，糖漿中離子濃度降低，電流密度下降，脫鹽速度降低，電滲析脫鹽過程由高速階段進(jìn)入低速階段;而且在高電壓的作用下，離子易于在膜表面附近迅速富集，形成較高離子濃度的區(qū)域，造成濃差極化現(xiàn)象，阻礙離子在電場(chǎng)中的定向遷移過程，降低脫鹽速度。9 min后10、20、30 V條件下糖漿脫鹽速度平穩(wěn)下降;30 min時(shí)，10、20 V條件下糖漿電導(dǎo)率仍在緩緩下降，30 V條件下電導(dǎo)率趨于不變，且已達(dá)到成品糖漿電導(dǎo)率要求(＜50 μS/cm)，考慮脫鹽效率及濃差極化現(xiàn)象的預(yù)防，采用30 V的操作電壓。

2.2 糖漿流量對(duì)電滲析脫鹽效果的影響

離子在電滲析脫鹽過程中受糖漿流動(dòng)速度和電場(chǎng)遷移速度的影響，如圖2所示。

圖2 不同流量下糖漿電導(dǎo)率隨時(shí)間變化曲線

脫鹽初始階段，隨著糖漿流量的提高，脫鹽速度逐漸降低;10 L/h和15 L/h條件下，糖漿電導(dǎo)率下降速度明顯低于其余3組，當(dāng)糖漿的流動(dòng)速度較大時(shí)，糖漿中部分離子未完成遷移和交換過程即隨糖漿流出淡室，所以糖漿流動(dòng)速度的提高不利于離子沿電場(chǎng)力方向的遷移;隨著脫鹽的進(jìn)行，12 min后糖漿脫鹽速度普遍降低，低流量下糖漿電導(dǎo)率曲線趨于平緩，較高流量下(25 L/h、30 L/h)糖漿的電導(dǎo)率仍有下降趨勢(shì)，這是因?yàn)樘岣咛菨{流速有利于湍流的形成，破壞膜附近的濃差極化層，降低離子遷移的阻力;30 min時(shí)20 L/h和25 L/h流量下糖漿電導(dǎo)率均達(dá)到成品標(biāo)準(zhǔn)，考慮濃差極化的破壞和離子交換膜的保護(hù)，選擇25 L/h操作條件。

2.3 糖漿濃度對(duì)電滲析脫鹽效果的影響

資料顯示，糖漿樣品的電導(dǎo)率隨著糖漿濃度的降低，有先升后降的趨勢(shì)，電導(dǎo)率峰值往往在20%～30%間[6］。不同濃度糖漿脫鹽過程電導(dǎo)率變化如圖4所示，0 min時(shí)30%的葡萄糖漿初始電導(dǎo)率最高，排除初始電導(dǎo)率影響，糖漿脫鹽率變化如圖5所示。隨著濃度的升高，糖漿脫鹽速度逐步降低，這是由于高濃度的糖漿黏度大，阻礙了離子電場(chǎng)中的遷移，造成遷移時(shí)間的延長(zhǎng)、相同脫鹽時(shí)間條件下高濃度糖漿脫鹽率低，35%糖漿在24min之后脫鹽率仍有緩慢提高趨勢(shì);15%和20%糖漿脫鹽速度快，21 min后脫鹽率曲線趨于平緩;25%和30%最終脫鹽效果相差不大，30%糖漿在6～15 min脫鹽速度相對(duì)穩(wěn)定。

圖4 不同濃度糖漿電導(dǎo)率隨時(shí)間變化曲線

圖5 不同濃度糖漿脫鹽率隨時(shí)間變化曲線

電滲析處理30 min，不同濃度糖漿脫鹽率和葡萄糖得率如圖6所示。

圖6 糖漿濃度對(duì)糖漿脫鹽率和葡萄糖得率的影響

隨著濃度的提高，糖漿脫鹽率和得率逐漸降低;由于高濃度糖漿流動(dòng)性差，膜表面的濃差極化現(xiàn)象加劇，同時(shí)高濃度的葡萄糖在濃度梯度的作用下由淡室向濃室的擴(kuò)散增強(qiáng)，糖組分滲漏增加，造成葡萄糖得率的下降，所以，糖漿濃度不宜過高;低濃度條件下雖糖漿脫鹽率和得率理想，脫鹽速度高，但糖漿的稀釋造成脫鹽成本以及后續(xù)濃縮成本的提高，綜合考慮選取脫鹽時(shí)糖漿濃度為30%。

2.4 電滲析對(duì)糖漿組分的影響

操作電壓30 V，流量25 L/h，糖漿濃度30%條件下進(jìn)行糖漿電滲析脫鹽處理，電滲析前后糖組分分析如圖7所示。研究制得的葡萄糖漿中葡萄糖含量較高，電滲析后葡萄糖比例微有升高，五糖以上組分比例降低，糖漿組分基本不變。表2列出了電滲析前后糖漿的相關(guān)指標(biāo):經(jīng)過電滲析處理后，糖漿的電導(dǎo)率顯著降低，糖漿固形物含量略有下降，主要損失來源于電滲析設(shè)備內(nèi)殘留造成的糖漿質(zhì)量損失，該條件下糖漿脫鹽率94.69%，糖漿得率77.84%。

圖7 電滲析前后糖組分高效液相色譜圖

表2 電滲析前后糖漿性質(zhì)對(duì)比

3 討論

電滲析法可實(shí)現(xiàn)葡萄糖漿的脫鹽。糖漿電滲析脫鹽過程具有較明顯的高速和低速2個(gè)階段。電滲析脫鹽過程中的濃差極化可能是造成脫鹽速度下降、影響脫鹽效率的最主要原因。因此，應(yīng)用電滲析進(jìn)行葡萄糖漿脫鹽，要避免濃差極化層的過早過快形成。隨著電滲析操作電壓的升高，糖漿脫鹽速度隨之上升;高電壓條件下液-膜界面上會(huì)迅速形成濃差極化，使脫鹽過程很快進(jìn)入低速階段，影響整體脫鹽速度。提高糖漿流速雖不利于糖漿初始脫鹽速度的提高，但有助于流道中湍流的形成，對(duì)濃差極化層破壞作用強(qiáng)，保證脫鹽的持續(xù)進(jìn)行。提高糖漿濃度，料液黏度增大、流動(dòng)性變差，濃差極化加劇造成脫鹽速度降低。

根據(jù)研究結(jié)果，運(yùn)用電滲析進(jìn)行葡萄糖漿脫鹽在高速階段具有極高的效率，糖漿電導(dǎo)率在此階段可由800 μS/cm下降至200 μS/cm左右。采用電滲析法與離子交換法組合的形式進(jìn)行葡萄糖漿脫鹽是下一步的研究方向，糖漿經(jīng)電滲析高速脫鹽后，再通過離子交換法脫鹽精制，將電導(dǎo)率降至50 μS/cm以下的糖漿成品要求。這樣可提高電滲析脫鹽段的電流效率、節(jié)約電能，同時(shí)減輕離子交換系統(tǒng)的脫鹽負(fù)擔(dān)，避免頻繁的酸堿再生過程，將離子交換段的成本降低至原成本的1/4左右，其研究?jī)r(jià)值更大，實(shí)踐可操作性更強(qiáng)。

4 結(jié)論

研究表明，電滲析法應(yīng)用于葡萄糖漿脫鹽工藝效果顯著。最佳電滲析條件下(30 V，25 L/h，30%)進(jìn)行糖漿脫鹽，糖漿電導(dǎo)率由866μS/cm下降至46μS/cm，脫鹽率94.69%，糖漿質(zhì)量和固形物含量分別從3000 g、30%下降至2458 g、28.5%，糖漿得率77.84%，高效液相色譜分析顯示電滲析脫鹽過程對(duì)糖漿組分影響不大。

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ABSTRACTElectrodialysis(ED)demineralization of glucose syrup was applied in this research.The results showed that electrodialysis was feasible for glucose syrup demineralization.The optimal operating parameters under experimental working condition were:30 v applied voltage，25 L/h flow rate and 30%syrup concentration.After the treatment with these operating parameters，the demineralization ratio was reached to 94.69%and the sugar component retention was 77.84%.

Key wordselectrodialysis，glucose syrup，demineralization

Application of Electrodialysis on Demineralization of Glucose Syrup

Wu Rui1，2，Yu Qiu-sheng1，2，Chen Zheng-xing1，2，Guo Guan-xin2
1(National Engineering Laboratory for Cereal Fermentation Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)
2(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

碩士研究生。

2012-04-25，改回日期:2012-07-02