磁性殼聚糖糖用澄清劑的制備及結(jié)構(gòu)表征

范松林，張佳欣，宋小榮，梁欣泉

(廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004)

磁性殼聚糖糖用澄清劑的制備及結(jié)構(gòu)表征

范松林，張佳欣，宋小榮，梁欣泉*

(廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004)

以殼聚糖(CTS)為原料，通過化學(xué)共沉淀一步法制備出磁性殼聚糖(MCTS)，以取代糖業(yè)傳統(tǒng)澄清劑SO2。用該產(chǎn)物澄清糖廠甘蔗汁，并以清汁脫色率和純度差為評價(jià)指標(biāo)，通過單因素實(shí)驗(yàn)與正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化制備工藝條件，利用掃描電鏡(SEM)、傅里葉紅外變換光譜儀(FT-IR)、X射線衍射儀(XRD)和振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征及性能分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、交聯(lián)時(shí)間為2 h及殼聚糖的添加量為1.25 g的條件下，所制備出的磁性殼聚糖的澄清效果最好，脫色率可達(dá)55.55%，純度差可達(dá)2.80%。通過與糖廠傳統(tǒng)澄清劑SO2的澄清效果進(jìn)行比較，認(rèn)為可以用磁性殼聚糖取代SO2應(yīng)用于甘蔗汁的澄清過程。

磁性殼聚糖；蔗汁；脫色率；純度差

我國的甘蔗糖廠絕大部分都使用亞硫酸法制糖，其中主要以糖業(yè)傳統(tǒng)的澄清劑SO2對蔗汁進(jìn)行脫色和澄清處理，但是用該方式所產(chǎn)白糖存在殘硫量高的問題，近年來許多國家對白糖殘硫量進(jìn)行了更為嚴(yán)格的監(jiān)控及檢測，這對中國的制糖企業(yè)造成了一定的沖擊。因此，尋求一種新型的糖用澄清劑以取代SO2已成為制糖行業(yè)科研工作者的研究熱點(diǎn)[1-4]。

磁性殼聚糖是將殼聚糖與磁性粒子結(jié)合而成的一種新型高分子物質(zhì)，具有尺寸粒徑小、表面積大、吸附性能強(qiáng)等優(yōu)良特性。在外加磁場的作用下可快速地分離與移動(dòng)，該物質(zhì)還含有大量的氨基和羥基活性基團(tuán)，可吸附分離金屬離子、蛋白質(zhì)、明膠及多酚等物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于食品、生物醫(yī)療、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域[5-7]，但將其應(yīng)用于蔗汁的澄清處理卻未見報(bào)道。

本文采用化學(xué)共沉淀一步法制備出磁性殼聚糖[8]，并用該產(chǎn)物對甘蔗混合汁進(jìn)行澄清處理，以清汁的脫色率和純度差作為評價(jià)指標(biāo)，通過單因素實(shí)驗(yàn)與正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化制備工藝條件，開發(fā)出適合于糖廠甘蔗汁澄清處理的澄清劑。利用其具有的氨基和羥基活性基團(tuán)吸附去除蔗汁中膠體、蛋白質(zhì)、酚類等非糖成分，為探索出無硫糖的生產(chǎn)提供實(shí)踐與理論依據(jù)。同時(shí)采用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、傅里葉紅外變換光譜儀(FT-IR)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征及性能分析[9]。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料與試劑

殼聚糖(AR)；甘蔗混合汁(購于廣西南寧明陽糖廠，過200目篩網(wǎng)待用)；亞硫酸(AR)、絮凝劑PAM(日本T1150)、氯化鐵(AR)、硫酸亞鐵(AR)、戊二醛(AR)等；其余所用試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器

數(shù)字式阿貝折光儀 日本ATAGO公司；WZZ-T2自動(dòng)旋光儀 上海精密科學(xué)儀器有限公司；島津UV-2501PC紫外分光光度計(jì) 日本島津公司；S-3400N掃描電鏡 日本日立公司；FT-IR傅里葉紅外光譜儀 美國賽默飛世爾公司；DX-2700A-X射線衍射儀 丹東浩元儀器有限公司。

1.2 磁性殼聚糖的制備

配制50 mL 2%的乙酸溶液，使用電子天平準(zhǔn)確稱量一定量的殼聚糖，將上述殼聚糖溶解于裝有50 mL配制好的乙酸溶液的250 mL三角瓶中，并將其置于60 ℃的震蕩水浴鍋中使其完全溶解。隨后加入4 g FeCl3·6H2O和3 g FeSO4·7H2O，并且FeSO4·7H2O稍微過量，目的是防止FeSO4·7H2O被氧化，機(jī)械攪拌30 min。將上述溶液滴加到90 mL一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaOH溶液中，置于加熱磁力攪拌器在溫度為50 ℃的條件下攪拌1 h。隨后加入75 mL一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的戊二醛溶液中，交聯(lián)反應(yīng)1～3 h，產(chǎn)物最后經(jīng)蒸餾水、乙醇洗滌各3次，用磁鐵收集產(chǎn)物于70 ℃下真空干燥，研磨成粉待用。

1.3 磁性殼聚糖的制備工藝實(shí)驗(yàn)

1.3.1 制備工藝單因素實(shí)驗(yàn)

通過單因素實(shí)驗(yàn)考察NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、交聯(lián)反應(yīng)的時(shí)間及殼聚糖的添加量等因素在適宜的范圍內(nèi)制備磁性殼聚糖，將所制備出的產(chǎn)物對甘蔗混合汁進(jìn)行澄清處理，并以澄清后清汁的脫色率(ΔIU)和純度差(ΔG.P)為評定指標(biāo)，以此來評定磁性殼聚糖的最佳制備工藝條件。

1.3.2 制備工藝條件的優(yōu)化

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用L9(34)四因素三水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)[10]，并以磁性殼聚糖對甘蔗混合汁澄清的脫色率和純度差為評價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化磁性殼聚糖的制備工藝條件，因素水平表見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.4 磁性殼聚糖對甘蔗混合汁的澄清實(shí)驗(yàn)

取250 mL混合汁于300 mL三角瓶中，添加磷酸300 mg/L，石灰乳調(diào)節(jié)pH為7.0±0.2，第1次加熱到60 ℃，取30%的蔗汁機(jī)械制泡10 s，蔗汁混合后添加一定量的磁性殼聚糖微粒，搖勻，加入PAM 3 mg/L，搖勻后，置于90 ℃的恒溫水浴鍋中保溫上浮25 min，過濾得到清汁，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指標(biāo)分析。

1.5 純度、色值的測定與計(jì)算

甘蔗混合汁與清汁的重力純度、色值的測定與計(jì)算參照文獻(xiàn)[11]。

純度差的計(jì)算：

ΔG.P=清汁的重力純度-混合汁的重力純度。

脫色率的計(jì)算：

脫色率=(IU混合汁-IU清汁)/IU混合汁×100%。

1.6 電鏡掃描(SEM)分析

用掃描電鏡對磁性殼聚糖和殼聚糖進(jìn)行表面形貌掃描，觀測兩者表面形貌情況。

1.7 傅里葉紅外光譜分析

將磁性殼聚糖和殼聚糖樣品進(jìn)行FT-IR掃描分析。

1.8 X射線衍射分析

采用X射線衍射儀(XRD)對Fe3O4和磁性殼聚糖進(jìn)行晶型結(jié)構(gòu)的分析。

1.9 磁性能分析

采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)進(jìn)行磁性能分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁性殼聚糖制備工藝單因素實(shí)驗(yàn)

采用化學(xué)共沉淀一步法制備磁性殼聚糖是采用液相殼聚糖與液相磁核物質(zhì)直接進(jìn)行沉淀反應(yīng)，可以避免或減輕產(chǎn)品團(tuán)聚、產(chǎn)品微粒不均勻、表面活性劑難清除等缺陷。因此，本研究采用化學(xué)共沉淀一步法制備磁性殼聚糖，通過考察NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)、交聯(lián)劑戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)、交聯(lián)時(shí)間與殼聚糖用量4個(gè)因素在適宜范圍內(nèi)，制備出的磁性殼聚糖對甘蔗混合汁的純度和色值的影響為評定指標(biāo)，以此優(yōu)化制備工藝條件。

2.1.1 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對蔗汁的脫色率和純度差的影響

固定殼聚糖的用量0.75 g，戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，交聯(lián)時(shí)間2 h，考察NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%，20%，25%，30%，35%時(shí)對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫色率和純度差的影響Fig.1 Effect of sodium hydroxide mass fraction on decolourization ratios and purity differences

2.1.2 戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)對蔗汁的脫色率和純度差的影響

固定殼聚糖的用量0.75 g，NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，交聯(lián)時(shí)間2 h，考察戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%，1%，1.5%，2%，2.5%時(shí)對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫色率和純度差的影響Fig.2 Effect of glutaraldehyde mass fraction on decolourization ratios and purity differences

由圖2可知，在戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2.5%，蔗汁的脫色率先降低后略微升高，最低值達(dá)41.16%，當(dāng)戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，此時(shí)蔗汁的脫色率最高，可達(dá)50.02%； 而蔗汁純度差隨著戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化呈現(xiàn)波動(dòng)式的變化，當(dāng)戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，純度差達(dá)到最大值，為3.27%，此時(shí)的脫色率為46.53%，脫色效果較好。因此，選定戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%作為后續(xù)單因素的試驗(yàn)水平。

2.1.3 交聯(lián)時(shí)間對蔗汁的脫色率和純度差的影響

固定殼聚糖的用量1 g，NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，考察交聯(lián)時(shí)間分別為1，1.5，2，2.5，3 h時(shí)對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 交聯(lián)時(shí)間對脫色率和純度差的影響Fig.3 Effect of crosslinking time on decolourization ratios and purity differences

由圖3可知，交聯(lián)時(shí)間在1～3 h的范圍內(nèi)時(shí)，蔗汁的脫色率呈現(xiàn)波動(dòng)式的變化；交聯(lián)時(shí)間為1.5 h時(shí)，脫色率為最高值，可達(dá)57.91%；交聯(lián)時(shí)間為2 h時(shí)，脫色率最低，為44.63%；當(dāng)交聯(lián)時(shí)間為1.5 h時(shí)，純度差為最大值，可達(dá)3.25%，此時(shí)的脫色率也為最優(yōu)值，綜合生成效率問題，選定1.5 h作為后續(xù)單因素實(shí)驗(yàn)的最佳水平。

2.1.4 殼聚糖用量對蔗汁的脫色率和純度差的影響

固定NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，交聯(lián)時(shí)間1.5 h，戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，考察殼聚糖的用量分別為0.5，0.75，1，1.25，1.5 g時(shí)對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 殼聚糖質(zhì)量對脫色率和純度差的影響Fig.4 Effect of chitosan mass on decolourization ratios and purity differences

由圖4可知，殼聚糖的質(zhì)量為0.5～1.5 g時(shí)，蔗汁的脫色率總體上變化不大，最低值為50.63%，最高值為53.35%；純度差的變化較為明顯，當(dāng)殼聚糖的添加量為1 g時(shí)，純度差可達(dá)最大值，為2.64%，此時(shí)的脫色率為50.63%，脫色效果較好。

近年來，隨著政策的出臺(tái)和制度的完善，大同市農(nóng)業(yè)科技推廣取得了長足的發(fā)展。在優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)格局，提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面具有顯著的作用。就整體而言，其發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.2 磁性殼聚糖制備工藝條件的優(yōu)化

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用L9(34)四因素三水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，并以磁性殼聚糖對甘蔗混合汁澄清的脫色率和純度差為評價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化磁性殼聚糖的制備工藝條件，進(jìn)而確定最佳工藝參數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiments

由表2極差分析結(jié)果可知，影響磁性殼聚糖澄清甘蔗混合汁脫色率的因素主次順序?yàn)镃>B>A=D，其最佳工藝條件是A3B1C3D2；影響純度差的因素主次順序是C>D>A>B，其最佳工藝條件是A2B2C3D3。

表3 脫色率正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 3 The variance analysis result of decolorization ratio orthogonal experiment

表4 純度差正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 4 The variance analysis result of purity difference orthogonal experiment

由表3和表4方差分析結(jié)果可知，F(xiàn)均小于F臨界值，所以4個(gè)因素對脫色率和純度差的影響均不顯著。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

將正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的最佳組合條件A3B1C3D2，A2B2C3D3和傳統(tǒng)亞硫酸法工藝分別進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 平行試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Parallel test results %

由表5可知，通過3次平行試驗(yàn)，A2B2C3D3的脫色率和純度差分別為55.55%，2.80%，均高于A3B1C3D2和傳統(tǒng)的亞硫酸法工藝。因此，可以采用A2B2C3D3即NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、交聯(lián)時(shí)間為2 h及殼聚糖的添加量為1.25 g制備工藝生產(chǎn)磁性殼聚糖，用以替代傳統(tǒng)的亞硫酸法澄清工藝。

2.4 殼聚糖和磁性殼聚糖的電鏡掃描(SEM)表征分析

殼聚糖和磁性殼聚糖的電鏡掃描圖見圖5。

圖5 殼聚糖和磁性殼聚糖的電鏡掃描(SEM)圖(×6800)Fig.5 SEM photograph of chitosan and magnetic chitosan(×6800)

由圖5可知，采用化學(xué)共沉淀一步法制備出的磁性殼聚糖表面具有非常獨(dú)特的類蜂窩多孔狀結(jié)構(gòu)，孔徑直徑大約2 μm，與表面較為光滑的殼聚糖相比，磁性殼聚糖具有更好的吸附蔗汁中的大分子有機(jī)物(多酚、果膠、蛋白質(zhì))的性能，進(jìn)而具有更好的澄清效果。

2.5 磁性殼聚糖和殼聚糖的傅里葉紅外光譜的表征分析

傅里葉表征結(jié)果見圖6。

圖6 殼聚糖(a)、磁性殼聚糖(b)、Fe3O4 (c)傅里葉紅外光譜圖Fig.6 FT-IR pattern of chitosan a，magnetic chitosan b and Fe3O4 c

由圖6可知，在4000～500 cm-1的范圍內(nèi)，殼聚糖和磁性殼聚糖的吸收峰比較接近，但也存在一些差異。由圖6(a)可知，在3436 cm-1處有較寬的吸收峰是由于殼聚糖中含有的-OH和-NH2的伸縮振動(dòng)引起的，在1656 cm-1和1367 cm-1分別對應(yīng)著N-H和C-OH的伸縮振動(dòng)。由圖6(c)可知，在576 cm-1附近有著非常明顯的吸收峰，這與Fe3O4在580 cm-1的Fe-O鍵的吸收峰吻合。而圖6(b)的吸收峰位置與a，c均有較大的重合性，此外，在1630 cm-1處有較寬的吸收峰是由于戊二醛的交聯(lián)作用生成新的亞胺鍵(N=C)引起的振動(dòng)。因此，可以證明制備出的物質(zhì)為具有殼聚糖和Fe3O4特性的磁性殼聚糖。

2.6 X射線衍射分析

磁性殼聚糖和Fe3O4的X射線衍射圖，見圖7。

圖7 Fe3O4(a)和MCTS(b)的X射線衍射圖Fig.7 XRD pattern of Fe3O4(a)and MCTS(b)

由圖7可知，磁性殼聚糖(b)在30.72，35.38，43.72，53.64，57.24，62.86處均出現(xiàn)了與圖7中Fe3O4(a)中一致的衍射峰，分別對應(yīng)立方相 Fe3O4中的晶體(220)，(311)，(400)，(422)，(511)，(440)上的晶面，這與參考文獻(xiàn)[12]基本一致，說明在制備過程中并未改變 Fe3O4的晶型結(jié)構(gòu)。

2.7 磁性能分析

磁性殼聚糖的磁性能分析圖見圖8。

圖8 MCTS的磁滯回線圖Fig.8 The magnetic hysteresis chart of MCTS

由圖8可知，曲線呈S型，并且通過原點(diǎn)，這說明矯頑力和剩余磁場強(qiáng)度都接近零，無剩磁產(chǎn)生，由此說明所制備出的MCTS具有超順磁性，飽和磁場強(qiáng)度為43.4 emu/g。

3 結(jié)論

以殼聚糖為原料、戊二醛為交聯(lián)劑，采用化學(xué)共沉淀一步法制備磁性殼聚糖的最佳工藝條件是：NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、交聯(lián)時(shí)間為2 h及殼聚糖的添加量為1.25 g，此時(shí)甘蔗混合汁的脫色率和純度差分別可達(dá)55.55%，2.80%；通過對比亞硫酸法的澄清生產(chǎn)工藝實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為磁性殼聚糖可以取代SO2作為糖用澄清劑。

將制備出的樣品利用SEM，F(xiàn)T-IR，XRD和VSM表征分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：磁性殼聚糖具有獨(dú)特的類蜂窩多孔狀結(jié)構(gòu)，磁核物質(zhì)是Fe3O4，使用交聯(lián)劑戊二醛，使得磁核和殼聚糖成功地交聯(lián)在一起，磁性微粒具有超順磁性，飽和磁場強(qiáng)度可達(dá)43.4 emu/g。本研究為探索無硫澄清工藝提供了新的理論和實(shí)踐依據(jù)。

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Preparation and Structural Characterization of MagneticChitosan as Sugarcane Juice Clarifying Agent

FAN Song-lin, ZHANG Jia-xin, SONG Xiao-rong, LIANG Xin-quan*

(College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

To prepare a new clarifying agent to replace traditional SO2in sugarcane industry, magnetic chitosan composite microparticles(MCTS) are prepared using a one-step chemical co-precipition method. The optimal preparation conditions of magnetic chitosan are evaluated by the decolourization ratio and the purity difference to sugarcane juice clarification, the process conditions are optimized by single factor experiment and orthogonal experiment and the product is analyzed by scanning electron microscope (SEM), fourier transform infrared spectrum (FT-IR), X-ray diffraction(XRD) and vibrating sample magnetometer. The results indicate that under the treatment of sodium hydroxide concentration of 20%, glutaraldehyde concentration of 1%, crosslinking time of 2 h and chitosan additive amount of 1.25 g, the product is proved to be magnetic chitosan with the best clarifying effect. The decolourization ratio and the purity differenc to sugarcane juice clarification are 55.55% and 2.80% respectively.Compared with the traditional sugar clarification agent effect, the results indicate that magnetic chitosan could replace SO2in sugarcane juice clarification.

magnetic chitosan；sugarcane juice；decolourization ratio；purity difference

2017-02-12 *通訊作者

糖蜜酒精精餾過程節(jié)能技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用示范(AE120094)；廣西區(qū)特色本科專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目——食品科學(xué)與工程(制糖工程)

范松林(1992-)，男，江西贛州人，碩士，研究方向：糖品過程強(qiáng)化理論與技術(shù)； 梁欣泉(1966-)，男，廣西南寧人，教授，博士，研究方向：糖品過程強(qiáng)化理論與技術(shù)。

TS202.3

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.08.007

1000-9973(2017)08-0030-06