顆粒活性炭固定床精制F-90果葡糖漿的工藝*

周彥斌，葉曉蕾，羅建勇，郭峰，連曉東，程世杰

(廣州雙橋股份有限公司，廣東廣州，510280)

果葡糖漿也稱高果糖漿(high fructose syrup)或異構糖漿，它是以酶法糖化淀粉所得的糖化液經(jīng)葡萄糖異構酶的異構作用，將其中一部分葡萄糖異構成果糖，以果糖和葡萄糖為主要成分組成的一種混合型淀粉糖漿［1］。根據(jù)糖漿中果糖含量的多少，可將果葡糖漿分成果糖含量約為42%、55%、90%三大類產(chǎn)品，簡稱F-42、F-55、F-90。F-42是異構化葡萄糖得到的初級產(chǎn)品，同時也是生產(chǎn)F-90的原料;而F-90則是由F-42經(jīng)過色譜分離技術純化而得的產(chǎn)品，一般不直接銷售，主要用于與F-42混合生產(chǎn)F-55［2］;F-55是目前市場上銷售量最大的果葡糖漿品種。

5-羥甲基糠醛又名5-羥甲基-2糠醛或5-羥甲基呋喃甲醛，英文簡稱為HMF，其分子中含有1個醛基和1個羥基，可以發(fā)生加氫、氧化脫氫、酯化、鹵化、聚合、水解等多種化學反應［3］。HMF是美拉德反應的中間產(chǎn)物，由己糖生成，其含量主要受pH值、溫度和糖液組成等影響。在酸性條件下，HMF生成量較多［4］，而且酮糖(果糖)比醛糖(葡萄糖)更容易發(fā)生脫水反應生成HMF［5］。熱處理時間延長，HMF含量升高，并且上升速率隨熱處理溫度的升高而加快。F-90果葡糖漿含有90%以上的果糖，容易脫水產(chǎn)生大量HMF［6］，HMF性質不穩(wěn)定，進一步脫水分解成小分子物質，并最終經(jīng)過縮合、聚合反應生成類黑色素，導致果葡糖漿變色，品質下降。因此，必須對F-90中的HMF含量進行控制，目前工藝中主要采用粉末活性炭去除糖漿中的HMF，但粉末活性炭回收難，消耗大，容易流失，容易導致浪費和污染，而顆粒活性炭(簡稱顆粒炭)在擁有發(fā)達的孔隙結構和巨大的比表面積［7］的同時，還兼具了吸附容量大、可再生、抗污染性能強、對液體流通阻力小、不易流失等優(yōu)點，在淀粉糖工業(yè)中的應用潛力正越來越被重視。

目前對使用顆粒炭去除F-90中HMF的報道還相對較少，本文通過單因素和響應面分析的方法，對顆粒活性炭固定床(簡稱顆粒炭固定床)用于去除F-90中HMF的工藝條件進行了初步探討。

1 材料與方法

1.1 材料

LF顆?；钚蕴?，卡爾岡炭素公司提供;F-90果葡糖漿，取自廣州雙橋股份有限公司色譜分離系統(tǒng)。

1.2 試劑與儀器

KH2PO4、甲醇、乙酸、NaOH、NaHCO3等均為分析純;洗滌、配制及檢測用水均為超純水。

層析柱(上海滬西);恒溫水浴箱(天津比朗);蠕動泵(保定蘭格);高效液相色譜儀(Waters);紫外-可見分光光度計(Perkin-Elmer);密度儀(Anton Parr);pH計(Thermo ORION 3 STAR);數(shù)顯折光儀(ATAGO，配有20℃恒溫水浴);數(shù)顯鼓風干燥箱(上海博迅);超聲波清洗機(AUTOSCIENCE)。

1.3 實驗方法

1.3.1 顆粒炭的預處理

用水洗滌顆粒炭至洗滌水電導率低于5 μS/cm，瀝干水后放入60℃干燥箱中烘干至恒重，用80目篩除去細屑和小顆粒，密封后備用。

1.3.2 顆粒炭固定床的裝填

向每組層析柱中分別裝填86 g干燥的顆粒炭，用水下進上出緩慢灌滿后排空顆粒炭內氣體，將層析柱置于65℃的恒溫水浴中浸泡30 min，用水第2次下進上出排盡顆粒炭床殘留氣體，輕輕敲打層析柱，使所有層析柱內的顆粒炭床體積均為180 mL，試驗1.0 BV按180 mL計算。

1.3.3 F-90果葡糖漿的預處理

取色譜分離F-90果葡糖漿，用0.45 μm濾膜除去懸浮物及細菌，冷卻至室溫。

1.3.4 顆粒炭固定床精制F-90果葡糖漿的工藝研究

將層析柱放入恒溫水浴中，啟動蠕動泵，按設定流速由上至下進水通過顆粒炭固定床30 min后，切換成輸送F-90果葡糖漿由上至下通過顆粒炭固定床，進糖體積達到3.0 BV后開始收集精制液，收集體積達3.0 BV后結束實驗，將收集液混合均勻并冷卻至室溫，檢測精制前后HMF含量。每組各進行3次平行實驗。

1.3.4.1 溫度對精制效果的影響

將層析柱分別置于65、70、75、80、85 ℃恒溫水浴中，調節(jié)F-90果葡糖漿的pH值至4.9，以1.5 BV/h的速度通過顆粒炭固定床。

1.3.4.2 流速對精制效果的影響

將層析柱置于一定溫度條件下，調節(jié)F-90果葡糖漿的 pH 值至 4.9，分別以 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 BV/h的速度通過顆粒炭固定床。

1.3.4.3 pH值對精制效果的影響

將層析柱置于一定溫度條件下，控制一定的流速，分別調節(jié) F-90果葡糖漿的 pH值至4.6、4.9、5.2、5.5、5.8，以 1.0 BV/h 的速度通過顆粒炭固定床。

1.3.4.4 精制工藝的優(yōu)化試驗

采用響應面分析法建立回歸模型并進行優(yōu)化［8］，確定顆粒炭固定床精制F-90果葡糖漿的最佳工藝。

1.3.5 分析方法［9］

稱取10 g樣品，加入蒸餾水至30 g，用0.45 μm濾膜過濾并超聲波消泡3 min，用高效液相色譜測定所得溶液的HMF含量，換算成每kg糖干基的HMF含量，計算出HMF的去除率。

高效液相色譜流動相的配制:稱取4.49 g KH2PO4溶解于1 000 mL超純水中，添加250 mL甲醇和25 mL乙酸并混合均勻，用1 mol/L NaOH溶液調節(jié)至pH 3.5，經(jīng)過0.45 μm濾膜過濾、超聲波脫氣30 min后備用，密封良好可在1～4℃的冰箱中儲存3個月。

色譜分析條件:Waters Bondapak C18柱，紫外檢測器，檢測波長283 nm，柱溫為常溫，流速0.8 mL/min，進樣體積35 μL，運行時間10 min。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析

所有結果均取平均值，數(shù)據(jù)采用Excel 2010和Design-Expert 8.0.6.1軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 溫度對精制效果的影響

控制pH值為4.9，流速1.5 BV/h，對不同溫度下的HMF去除效果進行考察，結果如圖1所示。隨著溫度上升，HMF的去除率先增大后減小，溫度為70℃時的HMF去除率最高。溫度的上升能使F-90果葡糖漿的黏度下降，有利于HMF在顆粒炭表面擴散，促進吸附效率，但同時也會增加HMF生成量，且生成速率隨溫度升高而加快。溫度從65℃到70℃，HMF的生成速率與顆粒炭的吸附效率的差值增加，HMF的去除率升高;70℃之后，HMF的生成速率與顆粒炭的吸附效率的差值逐步縮小，因此HMF去除率下降。

圖1 溫度對HMF去除率的影響Fig.1 Removal ratios of HMF at different temperatures

2.1.2 流速對精制效果的影響

控制pH值為4.9，溫度為70℃，對不同流速下的HMF去除率進行考察，結果如圖2所示。隨著流速增大，HMF去除率呈先增大后減小的趨勢。流速為1.0 BV/h時去除率最高，之后明顯下降，流速＞2.0 BV/h后下降速度減緩。由此可知，顆粒炭與F-90果葡糖漿的接觸存在臨界時間，遵循活性炭的吸附等溫線。當流速較快時，接觸時間低于臨界時間，顆粒炭的吸附量較小，HMF的去除率較低;當流速較慢時，接觸時間高于臨界時間，顆粒炭吸附量增加，但同時由于在高溫中停留使糖漿的HMF生成量也增加，當生成速率與顆粒炭吸附效率差值縮小時，HMF去除率下降。

圖2 流速對HMF去除率的影響Fig.2 Removal ratios of HMF at different flow velocities

2.1.3 pH值對精制效果的影響

控制溫度為70℃，流速為1.0 BV/h，對不同初始pH值下的HMF去除率進行考察，結果如圖3所示。當初始pH值從4.6升至5.2，HMF的去除率迅速升高;當初始pH值從5.2升至5.8，HMF的去除率則緩慢下降;pH值為5.2時，HMF的去除率最高。果糖在高溫和pH值較低環(huán)境下均容易脫水生成HMF，HMF可進一步分解成甲酸、乙酰丙酸等小分子酸性物質［10］，導致糖漿精制后pH值下降，因此同時考察了pH的初始值和出料值的下降幅度，結果如圖4所示。當初始pH值從4.6增加到5.2時，pH下降值逐步減小，5.2時最低，而當初始pH值從5.2升高到5.8時，pH下降值迅速上升。綜合上述結果可知，初始pH值5.2以下時酸性物質生成量較少，HMF生成量較多，去除率較低;pH值5.2以上，酸性物質生成量增多，催化果糖分解生成HMF;糖漿初始pH值為5.2時，HMF的去除率最高，同時也降低了HMF酸化分解的底物濃度，所以pH下降值最小。

圖3 pH值對HMF去除率的影響Fig.3 Removal ratios of HMF at different feeding pH values

圖4 不同初始pH值F-90果葡糖漿的pH值變化Fig.4 Reduction of pH at different feeding pH values

2.2 響應面優(yōu)化試驗

綜合單因素試驗結果，以溫度(A)、流速(B)、pH值(C)為主要因素，以HMF去除率(Y)為響應值，采用3因素3水平響應面法優(yōu)化工藝。因素編碼及水平如表1所示，響應面試驗設計及結果如表2所示。

表1 響應面試驗的因素水平表Table 1 Factors and their levels of response surface design

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Response surface design arrangement and corresponding experimental data

對響應面試驗結果進行多元回歸擬合，得到二次多項回歸方程為:Y=86.90-1.31 A-1.08 B-2.27 C+0.18 BC-5.30 A2-3.19 B2-4.53 C2?；貧w模型的方差分析結果如表3所示。

從表3可知，該回歸模型極顯著(P＜0.000 1)，R2=0.999 0，Radj2=0.997 8，失擬項不顯著(P ＞0.05)，說明模型與實際值擬合程度較好，可用該回歸模型對顆粒炭精制F-90果葡糖漿的工藝進行分析和預測。其中一次項 A、B、C及二次項 A2、B2、C2極顯著(P＜0.01)。根據(jù)F值分析，各因素對HMF去除率的影響依次為:pH值＞進料溫度＞流速。由此可知，pH值對HMF去除率的影響最大，其次為溫度，流速影響最小。根據(jù)擬合模型繪制顆粒炭固定床精制F-90果葡糖漿工藝的三維響應面如圖5所示。

表3 回歸模型的方差分析結果Table 3 Analysis of variance for the proposed regression model

由圖5可知，溫度為69～71℃、流速為0.9～1.1 BV/h、pH值為5.1～5.3時，HMF的去除率可以達到最大值。其余條件下HMF的去除率較低，呈逐步遞減的趨勢。

圖5 顆粒炭固定床精制F-90果葡糖漿工藝的響應面圖Fig.5 Response surface graphs of HFS 90 refining by fixed GAC bed

為進一步確定精制F-90果葡糖漿的最佳工藝，用Design Expert對試驗參數(shù)進行優(yōu)化，得到最優(yōu)的顆粒炭固定床精制F-90果葡糖漿的工藝條件為:溫度69.38℃，流速0.91 BV/h，pH 5.12，HMF去除率能夠達到87.37%。

2.3 驗證試驗

根據(jù)上述優(yōu)化出的參數(shù)，稍作調整后作為驗證試驗的條件，即:溫度69.5℃，流速0.9 BV/h，pH 5.1。進行3次平行試驗，實際得到的HMF去除率平均值為87.05%。與理論預測值比較，其相對誤差為0.37%，可見HMF的去除率與預測值基本吻合，說明預測模型與實際情況擬合較好。

3 結論

在顆粒炭固定床精制F-90果葡糖漿的過程中，同時存在著顆粒炭吸附HMF和果糖分解生成HMF的反應，由于吸附量大于生成量，所以能夠起到去除HMF的效果。但在實際生產(chǎn)應用中，顆粒炭的吸附效率較容易受到溫度、糖漿初始pH值和流速等因素的影響。本文通過單因素試驗與響應面分析的方法對以上幾個主要影響因素進行了初步的分析，優(yōu)選出顆粒炭固定床精制F-90果葡糖漿的最優(yōu)工藝條件，具體結論如下:

(1)在使用顆?；钚蕴抗潭ù踩コ鼺-90果葡糖漿中HMF的體系中，存在著一定的吸附平衡關系，其中溫度、糖漿初始pH值和流速都對HMF去除率有顯著的影響作用;

(2)各因素對HMF去除率影響的顯著性大小依次為:初始pH值＞溫度＞流速;

(3)對回歸模型作方差分析，得到顆粒炭固定床精制F-90果葡糖漿的最佳工藝參數(shù)為:溫度69.5℃，流速0.9 BV/h，pH 5.1。經(jīng)驗證，HMF的去除率為87.05%，與預測值87.37%基本吻合，回歸模型擬合度較好。

因此，本工藝能有效去除F-90果葡糖漿中的HMF，進而實現(xiàn)果葡糖漿產(chǎn)品的質量提升，為果葡糖漿制造企業(yè)提供一定的借鑒和參考。

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