原糖水解生產(chǎn)果葡糖漿的工藝優(yōu)化

李凱，朱中燕，潘莉莉，徐勇士，蒙麗丹*

(1.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004； 2.廣西綠色制糖工程技術(shù)研究中心，南寧 530004； 3.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004； 4.廣西制糖學(xué)會(huì)，南寧 530004)

果葡糖漿易被人體吸收，具有良好的代謝效果，已被列為高品質(zhì)甜味劑，廣泛應(yīng)用于飲料行業(yè)[1-4]。以原糖為原料生產(chǎn)結(jié)晶果糖，原糖溶解后再水解獲得轉(zhuǎn)化糖漿。原糖水解方法有：強(qiáng)酸催化水解、蔗糖轉(zhuǎn)化酶催化水解、強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂水解[5-11]。Lund等[12]研究發(fā)現(xiàn)冷凍導(dǎo)致轉(zhuǎn)化酶活性降低，酸催化的蔗糖水解速率受溫度影響。Adnadjevic等[13]研究了常規(guī)和微波加熱下IR-120H樹(shù)脂對(duì)蔗糖水解的等溫動(dòng)力學(xué)。 蔗糖轉(zhuǎn)化酶和強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂水解成本較高，實(shí)際生產(chǎn)中主要以鹽酸催化水解得到第一代果葡糖漿。水解過(guò)程中有美拉德反應(yīng)發(fā)生，使果葡糖漿色度增高，或有5-羥甲基糠醛(5-HMF)等生成，給后序純化增加了負(fù)擔(dān)[14-17]。

5-HMF是葡萄糖或果糖在酸催化下脫除一分子水生成的，有一定的毒性，人體攝入一定量的5-HMF會(huì)刺激眼黏膜，損傷內(nèi)臟[18-21]，國(guó)標(biāo)規(guī)定結(jié)晶果糖中5-HMF的含量要低于干固物含量的0.005%。5-HMF很難通過(guò)物理方法除掉，其含量高低直接影響產(chǎn)品質(zhì)量[22,23]。所以設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，選取最佳水解條件，減少5-HMF的生成及降低色度。

1 實(shí)驗(yàn)儀器和材料

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

Wzz-2ss型數(shù)字式自動(dòng)旋光儀、HH-4型電熱恒溫水浴鍋 上海精密科學(xué)儀器有限責(zé)任公司；PHS-3C型pH計(jì) 上海雷磁精密科學(xué)儀器有限公司；UV-2802S紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 尤尼柯(上海)儀器有限公司；TLE204E電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司；DDS-11A電導(dǎo)率儀 深圳海博儀器儀表有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)主要試劑

原料液：原糖→溶解→加酸水解→加堿調(diào)節(jié)pH值。乙酸鋅、氫氧化鈉和鹽酸：購(gòu)自上海沃凱生物技術(shù)有限公司；亞硫酸氫鈉和亞鐵氰化鉀：購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，試劑均為分析純。

1.3 實(shí)驗(yàn)部分

1.3.1 實(shí)驗(yàn)分析方法

5-羥甲基糠醛：用紫外分光光度法[24]，吸取試液各5 mL于2個(gè)燒杯內(nèi)，在一個(gè)燒杯中加入5 mL亞硫酸氫鈉溶液，混勻，用參比液作對(duì)照；在另一個(gè)燒杯中加入5 mL蒸餾水，混勻作為待測(cè)液；用紫外分光光度計(jì)在284 nm和336 nm處測(cè)定吸光度，計(jì)算公式如下：

式中：X為5-羥甲基糠醛含量，mg/kg；A284為284 nm處的吸光度；A336為336 nm處的吸光度；M為 樣品的質(zhì)量，g。

色度：參照GB/T 20882-2007《果葡糖漿》國(guó)標(biāo)色度的檢測(cè)方法。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

以5-HMF含量和色度含量為指標(biāo)，探討水解時(shí)間、溫度和pH對(duì)水解率和5-HMF生成的影響。

1.3.2.2 正交實(shí)驗(yàn)

以5-HMF含量、色度值和果糖含量為指標(biāo)，探討最佳的水解條件。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 水解pH值對(duì)5-羥甲基糠醛的生成和果葡糖漿色度的影響

在反應(yīng)溫度為90 ℃，反應(yīng)時(shí)間為30 min，pH值分別為1.0，1.4，1.8，2.2，2.6的條件下，考察水解pH對(duì)5-羥甲基糠醛的生成和果葡糖漿色度的影響，見(jiàn)圖1。

圖1 水解pH對(duì)5-HMF含量和果葡糖漿色度的影響Fig.1 Effect of hydrolysis pH values on chromaticity of fructose syrup and 5-HMF content

由圖1可知，在糖漿水解pH值在1.0～2.6的范圍內(nèi)，5-羥甲基糠醛的生成量隨著pH值的升高而降低，從1400 mg/kg降至6.26 mg/kg，在水解pH值小于1.5時(shí)，5-羥甲基糠醛的生成量達(dá)到1000 mg/kg以上，因?yàn)樵谒嵝詶l件下，還原糖經(jīng)過(guò)美拉德反應(yīng)的中間產(chǎn)物再次發(fā)生1，2-烯醇化反應(yīng)，生成5-HMF或者糠醛，在強(qiáng)酸條件下容易促使反應(yīng)的發(fā)生[25-27]。在pH值低于1.8時(shí)，5-HMF的生成量在100 mg/kg以下；pH值對(duì)色度的影響也在pH低于1.5時(shí)較為顯著，當(dāng)水解pH大于1.5時(shí)，糖漿色度的增加量很低。所以在工業(yè)生產(chǎn)上，不能使反應(yīng)體系的pH值低于1.5。

2.1.2 反應(yīng)溫度對(duì)5-羥甲基糠醛的生成和果葡糖漿色度的影響

在反應(yīng)pH值為1.8，反應(yīng)時(shí)間為30 min，溫度分別為80,85,90,95，100 ℃的條件下，考察反應(yīng)溫度對(duì)5-羥甲基糠醛的生成和果葡糖漿色度的影響，見(jiàn)圖2。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)5-HMF含量和果葡糖漿色度的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on chromaticity of fructose syrup and 5-HMF content

由圖2可知，在糖漿水解反應(yīng)溫度在80～100 ℃的范圍內(nèi)，5-羥甲基糠醛的生成量從161.5 mg/kg增高到320 mg/kg，在反應(yīng)溫度大于90 ℃之后，5-羥甲基糠醛生成量升高的幅度最大，與5-羥甲基糠醛的情況一樣，色度也隨著反應(yīng)溫度的升高而升高，特別是達(dá)到沸騰之后，不僅發(fā)生美拉德反應(yīng)，部分糖漿攪拌受熱不均勻也會(huì)發(fā)生焦化[28]。但是如果反應(yīng)體系的溫度太低，也會(huì)影響蔗糖的水解，為保證蔗糖達(dá)到水解的標(biāo)準(zhǔn)(果糖含量占固形物含量的42%)，選擇90 ℃作為下一組單因素的反應(yīng)溫度。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)5-羥甲基糠醛的生成和果葡糖漿色度的影響

在反應(yīng)pH值為1.8，反應(yīng)溫度為90 ℃，時(shí)間分別為10，20，30，40，50 min的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)5-羥甲基糠醛的生成和果葡糖漿色度的影響，見(jiàn)圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)5-HMF含量和果葡糖漿色度的影響Fig.3 Effect of reaction time on chromaticity of fructose syrup and 5-HMF content

由圖3可知，在糖漿水解反應(yīng)時(shí)間在10～50 min 的范圍內(nèi)，5-羥甲基糠醛的生成量隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增高，在反應(yīng)時(shí)間為10～30 min的范圍內(nèi)，5-羥甲基糠醛的生成幅度較小；大于40 min之后，生成量大幅度增加，與5-羥甲基糠醛的情況一樣，色度也隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而呈梯度上升，蔗糖轉(zhuǎn)化并不是隨著水解時(shí)間的增加而增加，根據(jù)反應(yīng)的平衡原理，轉(zhuǎn)化糖漿中果糖最高能達(dá)到48%(占干固物的量)，所以在達(dá)到水解目標(biāo)的前提下，反應(yīng)時(shí)間應(yīng)盡可能降低[29,30]。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

這一部分工作主要是優(yōu)化水解時(shí)間、pH、溫度3個(gè)條件，降低蔗糖水解過(guò)程中對(duì)5-羥甲基糠醛的生成量和果葡糖漿色度，設(shè)計(jì)的因素水平表見(jiàn)表1。

表1 原糖水解正交實(shí)驗(yàn)水平因素表Table 1 Levels and factors of raw sugar hydrolysis orthogonal experiment

2.2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析見(jiàn)表2和表3。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 The experimental result

表3 極差分析Table 3 The analysis of range

根據(jù)表3做出各因素的效益曲線，見(jiàn)圖4～圖6。

圖4 各因素對(duì)5-HMF的影響Fig.4 The effect of each factor on 5-HMF

圖5 各因素對(duì)色度的影響Fig.5 The effect of each factor on chroma

圖6 各因素對(duì)果糖含量的影響Fig.6 The effect of each factor on fructose content

由圖4可知，水解pH值升高，反應(yīng)生成的5-HMF呈下降趨勢(shì)；反應(yīng)時(shí)間增加，5-HMF的生成量也相應(yīng)增多；和反應(yīng)時(shí)間的影響一樣，反應(yīng)溫度增高，5-HMF的生成量也相應(yīng)變多。由圖5可知，色度隨著水解pH的增高而降低，反應(yīng)時(shí)間和溫度增高，果葡糖漿的色度都相應(yīng)提高。綜合表3的極差分析，影響5-HMF生成量的各因素主次順序?yàn)椋篈(水解pH)>C(加熱溫度)>B(反應(yīng)時(shí)間)，最優(yōu)水平為A3C1B1；影響果葡糖漿色度的各因素主次順序?yàn)椋篈(水解pH)>B(反應(yīng)時(shí)間)>C(加熱溫度)，最優(yōu)水平為A3B1C1。由圖6可知，影響果葡糖漿果糖轉(zhuǎn)化量的各因素主次順序?yàn)椋篈(水解pH)>C(加熱溫度)>B(反應(yīng)時(shí)間)，最優(yōu)水平為A1C2B3。

2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

如果以5-HMF的生成量和色度作為考察因素，選取的最優(yōu)水平下，蔗糖水解度達(dá)不到工藝要求，在生產(chǎn)過(guò)程中，蔗糖的水解程度應(yīng)該占主要地位，所以選取的最優(yōu)條件應(yīng)該以蔗糖達(dá)到工藝水解要求為前提，綜合以上3個(gè)指標(biāo)考慮，再根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選取的水解條件為：pH值為2.0±0.1，水解時(shí)間為(30±5) min，加熱溫度為90～93 ℃，做5組平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 原糖水解實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Table 4 Analysis of raw sugar hydrolysis test results

經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，在pH值為2.0±0.1，水解時(shí)間為(30±5) min，加熱溫度為90～93 ℃的條件下重復(fù)5次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，用t檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)。

對(duì)于果糖含量，在顯著性水平α=0.05時(shí)，t=1.453。雙尾檢驗(yàn)時(shí)，t0.05，說(shuō)明在選取的條件下，果糖含量無(wú)顯著性差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有良好的重現(xiàn)性；單尾檢驗(yàn)時(shí)，00.05，說(shuō)明驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的果糖較正交實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有顯著增大。

對(duì)于5-HMF含量，在顯著性水平α=0.05時(shí)，t=1.453。雙尾檢驗(yàn)時(shí)，t0.05，說(shuō)明在選取的條件下，5-HMF的生成量無(wú)顯著性差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有良好的重現(xiàn)性；單尾檢驗(yàn)時(shí)，00.05，說(shuō)明驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的5-HMF含量較正交實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有顯著增大。

對(duì)于色度，在顯著性水平α=0.05時(shí)，t=2.06。雙尾檢驗(yàn)時(shí)，t0.05，說(shuō)明在選取的條件下，色度值無(wú)顯著性差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有良好的重現(xiàn)性；單尾檢驗(yàn)時(shí)，00.05，說(shuō)明驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的色度較正交實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有顯著增大。

由表4可知，在選取的實(shí)驗(yàn)條件下，果糖的含量占干固物的42%以上，達(dá)到工藝的要求，另外，5-HMF的生成量也較低，結(jié)果重現(xiàn)性較好，與原料的色度相比，色度值增高的幅度較小，基本滿足工藝的需求。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素和正交實(shí)驗(yàn)，確定影響5-HMF生成量的各因素主次順序?yàn)椋篈(水解pH)>C(加熱溫度)>B(反應(yīng)時(shí)間)；影響果葡糖漿色度的各因素主次順序?yàn)椋篈(水解pH)>B(反應(yīng)時(shí)間)>C(加熱溫度)；影響果葡糖漿果糖轉(zhuǎn)化量的各因素主次順序?yàn)椋篈(水解pH)>C(加熱溫度)>B(反應(yīng)時(shí)間)。在此基礎(chǔ)上，得到工業(yè)上原糖回溶糖漿的水解條件是：pH值為2.0±0.1，水解時(shí)間為(30±5) min，加熱溫度為90～93 ℃，獲得較好的水解效果。