甘蔗最終糖蜜制備原色食用糖漿及抗氧化性分析

李美玲，王卓琳，黎慶濤，李明星，戴宇超

(廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530004)

甘蔗最終糖蜜，亦稱廢蜜、桔水，是甘蔗制糖工業(yè)的三大副產(chǎn)物之一，除含有大量的蔗糖(30%～40%)和還原糖(15%～20%)外，還含有許多活性成分,如：酚類、游離氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)[1-5]?，F(xiàn)代研究表明其具有抗氧化、防衰老和美容養(yǎng)顏等功能[6,7]。最終糖蜜中含有大量的膠體和鹽分等雜質(zhì)，工業(yè)上通常作為原料發(fā)酵生產(chǎn)酒精，不僅產(chǎn)品結構單一，市場適應力差，還造成了營養(yǎng)活性成分的浪費。因此，采用有效的清凈工藝去除糖蜜中的雜質(zhì)，并開發(fā)出高值化產(chǎn)品是糖廠目前急需解決的問題。

膜分離有分離效率高、無化學添加、無相變等特點[8]，在甘蔗制糖工業(yè)中的應用研究已經(jīng)有很多[9,10]，但是膜法處理最終糖蜜的報道還很少[11,12]。離子交換作為一種脫色除灰技術，已在許多行業(yè)得到廣泛應用。國內(nèi)外有關膜法和離子交換聯(lián)用在食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)的報道有很多[13-15]，顯示了很好的應用價值。本研究采用膜分離和離子交換聯(lián)用處理最終糖蜜制備原色食用糖漿，從而實現(xiàn)對糖分和功能性成分的有效利用，并進一步分析了產(chǎn)品的抗氧化性，以期為甘蔗最終糖蜜的高附加值利用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

原料：甘蔗最終糖蜜，取自廣西某糖廠，錘度為85 °Bx，蔗糖含量為34.25%，還原糖含量為18.15%，pH為4.9。樹脂：通用型大孔強堿陰離子樹脂(簡記為GBA)、通用型凝膠強酸陽離子樹脂(簡記為GAC)、HZ016、D201、D202，上海華震科技有限公司；試劑： Folin酚試劑，合肥博美生物科技有限責任公司；沒食子酸標準品(純度≥98%)，上海金穗生物科技有限公司；1,1-二苯代苦基苯肼(DPPH)，Sigma公司；其他試劑，均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

SHB-ⅢT循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；Labscale System小型切向流超濾系統(tǒng)、Pelicon XL超濾膜包(5，8，10 kDa) 密理博(中國)有限公司；WYA-2S數(shù)字阿貝折光儀 上海申光儀器儀表有限公司；普通玻璃層析柱(1.6 cm×40 cm) 上海楚定分析儀器有限公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；UV-1100型紫外可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司；酸度計、電導率儀 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；哈納HI98713濁度計 上海數(shù)信儀器儀表有限公司；WZZ-2S自動旋光儀 上海儀電物理光學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原色食用糖漿的制備工藝流程

1.2.2 微濾

取一定質(zhì)量的甘蔗最終糖蜜，分別按糖蜜與水質(zhì)量比(1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8)稀釋后，在0.055 MPa的跨膜壓力下采用0.45 μm的濾膜進行微濾，收集濾液，并測定濁度。按公式(1)計算除濁率。

(1)

式中：Tp和Tf分別是透過液的濁度和進料液的濁度。

1.2.3 超濾

取一定體積的微濾透過液，在0.16 MPa的跨膜壓力下，分別采用5，8，10 kDa的超濾膜包進行超濾，并測定膜通量、脫色率和除濁率，選擇出超濾效果最佳的超濾膜包。然后采用該超濾膜包，在不同的跨膜壓力(0.10～0.25 MPa)下超濾，并測定脫色率和除濁率，選擇出最佳的跨膜壓力。在最佳跨膜壓力下，以膜通量為評價指標，選出最佳的操作時間。除濁率、膜通量和脫色率的計算分別按公式(1)、(2)和(3)進行。

(2)

(3)

式中：ΔV為一定時間間隔內(nèi)透過液的體積，Δt為時間，A為膜面積，Cp和Cf分別為透過液和進料液的色值。

1.2.4 離子交換

在陽離子與陰離子樹脂的總體積為40 mL、流速為3 BV/h的前提下，選用5種串聯(lián)樹脂組對超濾透過液進行脫鹽處理，分別固定樹脂類型、樹脂比例和處理量3個變量中的2個，進行單因素實驗，以總酚損失率、脫鹽率、總糖損失率、pH為評價指標，選擇出最優(yōu)的處理工藝?？偡雍康臏y定參照文獻[16]中的方法，蔗糖和還原糖含量的測定分別參照《糖品分析實驗技術》中的二次旋光法和蘭艾農(nóng)-恒容法進行[17]，總酚損失率、脫鹽率和總糖損失率分別按公式(4)、(5)和(6)進行。

(4)

(5)

(6)

式中：Hp和Hf分別為透過液和進料液的總酚含量；Dp和Df分別為透過液和進料液的電導率，μs/cm。Sp和Sf分別為透過液和進料液的總糖分。

1.2.5 總酚含量及抗氧化能力的測定

1.2.5.1 原色食用糖漿的制備

取上述清凈處理后的糖液100 mL，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器在溫度55 ℃、真空度0.055 MPa條件下濃縮至(70±0.5) °Bx，即為原色食用糖漿。準確稱取1.3 g糖漿，溶解并定容至50 mL，即為樣品溶液。

1.2.5.2 總酚含量的測定

參照文獻[16]的方法，并稍作修改，取100 μL樣品溶液于5 mL棕色容量瓶中，加入0.5 mL Folin酚，搖勻后靜置10 min，再加入1.5 mL 7.5%的Na2CO3溶液，定容至刻度，于40 ℃下暗水浴60 min，在760 nm處測定吸光度值，以100 μL蒸餾水代替樣品溶液作空白對照?？偡雍恳詍g GAE/g(每克樣品中沒食子酸的毫克數(shù))表示[18]。

1.2.5.3 抗氧化性的測定

a.對DPPH·清除能力的測定[19]

取500 μL樣品溶液于10 mL比色管中，加入4 mL 0.10 mmol/L的DPPH·的醇溶液，搖勻后定容至刻度，室溫下避光反應30 min，在517 nm處測定吸光度值，以乙醇做空白對照。按式(7)計算DPPH·的清除率，清除能力以mg VCE/g(每克樣品中維生素C的毫克數(shù))表示[20]。

(7)

式中：Ax為加入樣品溶液時DPPH·的吸光度值，A0為不加樣品溶液時DPPH·的吸光度值。

b.對NO2-清除能力的測定[21]

取8 mL樣品溶液于25 mL比色管中，加入5 μg/mL的NaNO2溶液2 mL，于37 ℃下恒溫水浴10 min，取出后立即加入1 mL 0.4%的對氨基苯磺酸溶液，混勻后靜置5 min，再加入0.5 mL 0.2%的鹽酸萘乙二胺溶液，定容至刻度。室溫避光反應15 min，在538 nm處測定吸光度值，以蒸餾水做空白對照。按式(8)計算NO2-的清除率，清除能力以mg VCE/g(每克樣品中維生素C的毫克數(shù))表示。

(8)

式中：A′x為加入樣品溶液時NO2-的吸光度值，A′0是不加樣品溶液時NO2-的吸光度值。

c.還原能力的測定[22]

取1.5 mL樣品溶液于25 mL比色管中，加入2.5 mL 0.2 mol/L pH 6.6的磷酸緩沖溶液，再加入2.5 mL 1%的鐵氰化鉀溶液，搖勻后于50 ℃下保溫20 min，加入2.5 mL 10%的三氯乙酸終止反應，定容至刻度，于3000 r/min離心10 min。靜置后取上清液2.5 mL于比色管中，加入2.5 mL蒸餾水和0.5 mL 0.1%的FeCl3，混勻。在室溫下反應30 min，于700 nm處測吸光度值。以5 mL蒸餾水和0.5 mL 0.1%的FeCl3混合液為空白對照。吸光度值越大，表明還原能力越強，還原能力以mg VCE/g(每克樣品中維生素C的毫克數(shù))表示。

2 結果與分析

2.1 稀釋度對微濾效果的影響

圖1 稀釋度對微濾效果的影響Fig.1 Effect of dilution degree on the effect of microfiltration

由圖1可知，隨著糖蜜稀釋度的增大，除濁率先增大后減小，當稀釋度為1∶5時，除濁率達到最大值，即稀釋度太低或者太高都不利于對樣品中雜質(zhì)的去除。這可能是溶液的滲透壓、雜質(zhì)的溶解度和濾餅厚度綜合作用引起的。因此，選擇適宜的稀釋度為1∶5。

2.2 超濾對澄清效果的影響

2.2.1 超濾膜的選型

表1 不同類型超濾膜的澄清效果和膜通量Table 1 Clarification effect and flux of different types of ultrafiltration membranes

由表1可知，5 kDa 超濾膜的脫色率和除濁率優(yōu)于其他2種，而10 kDa超濾膜的膜通量最大，表明截留分子量小的膜分離效果更佳。3種膜的除濁率都超過90%，而脫色率較低，表明超濾對去除大分子量雜質(zhì)如懸浮物和膠體的效果明顯，但對小分子量色素的去除效果有限，Gupta等人的研究也有類似的結果[23]。綜合考慮，選擇8 kDa超濾膜。

2.2.2 跨膜壓力對超濾效果的影響

圖2 跨膜壓力對脫色率和除濁率的影響 Fig.2 Effect of transmembrane pressure on decolorization rate and turbidity removal rate

由圖2可知，當跨膜壓力在0.16 MPa之前，隨著跨膜壓力的增加，脫色率和除濁率沒有顯著變化，當跨膜壓力大于0.16 MPa時，跨膜壓力的進一步增加會導致脫色率和除濁率的迅速降低。

圖3 跨膜壓力對膜通量的影響Fig.3 Effect of transmembrane pressure on membrane flux

由圖3可知，隨著跨膜壓力的增加，膜通量近似呈線性增加，高跨膜壓力雖能使膜通量增加，但很快會產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象，造成膜快速污染[24]。綜合考慮，應選擇0.16 MPa的跨膜壓力。

2.2.3 操作時間對膜通量的影響

圖4 操作時間對膜通量的影響Fig.4 Effect of operating time on membrane flux

由圖4可知，隨著時間的增長，在前15 min內(nèi)，膜通量有較大幅度的下降，操作進行15 min后，膜通量的減小速率變緩，操作時間在60～75 min時，膜通量基本穩(wěn)定，當操作進行到75 min后，膜通量又迅速下降。分析認為：超濾過程隨著操作時間的增加，由于孔隙堵塞、吸附、濃差極化、凝膠層的形成等原因，膜通量隨之下降[25]，考慮到最經(jīng)濟的超濾效果，操作時間應選擇75 min。

2.3 離子交換

2.3.1 樹脂的選型

圖5 不同樹脂組對離子交換效果的影響Fig.5 Effect of different resin groups on the effect of ion exchange

注：處理體積為50 mL。

由圖5可知，不同樹脂組的脫鹽率差異顯著，其中GAC-D202和HZ016-D202樹脂組表現(xiàn)最佳。所有樹脂組對總糖和總酚含量影響的差異不顯著，總糖損失率都不高(<5%)，而總酚損失率為15%～20%，可能是因為糖類物質(zhì)不帶電荷，受離子交換的影響較小，而酚類物質(zhì)中有一部分帶有電荷，受離子交換的影響較大?？紤]到HZ016樹脂的成本較GAC樹脂低，選擇HZ016-D202樹脂組。

2.3.2 樹脂比例對離子交換效果的影響

表2 HZ016和D202樹脂比例對離子交換效果的影響Table 2 Effect of ratios of HZ016 and D202 resins on ion exchange effect

由表2可知，隨著樹脂比例(V陽∶V陰)的減小，總酚損失率和pH不斷增大，這是D202大孔樹脂的離子交換和物理吸附作用增強導致的。總糖損失率先保持穩(wěn)定后逐漸增大，這可能是堿性條件下葡萄糖和果糖分解成的副產(chǎn)物增多造成的[26]。脫鹽率先小幅度增大后減小，分析可能是溶液中氫離子和金屬離子濃度變化相互作用的結果?？紤]到一般液體糖的pH在5.0～6.5，因此，為了保證在高脫鹽率的前提下，兼顧總糖分和總酚含量，HZ016和D202樹脂的比例應為2∶1。

2.3.3 處理量對離子交換效果的影響

圖6 處理量對離子交換效果的影響 Fig.6 Effect of treatment volume on ion exchange effect

由圖6可知，隨著處理量的增加，總酚損失率的變化經(jīng)歷了4個階段：緩慢下降期(0～50 mL)，快速下降期(50～80 mL)，增長期(80～120 mL)和穩(wěn)定期(120～150 mL)。脫鹽率經(jīng)歷了3個階段：穩(wěn)定期(0～80 mL)，快速下降期(80～110 mL)和穩(wěn)定期(110～150 mL)。分析可能是HZ016和D202樹脂的吸附容量與pH之間相互作用的結果，因此選擇處理量為80 mL。

2.4 原色食用糖漿品質(zhì)分析

2.4.1 理化指標

表3 原色食用糖漿理化指標Table 3 Physical and chemical indicators of primary-color edible syrup

由表3可知，經(jīng)真空濃縮后的原色食用糖漿的錘度為(70±0.5) °Bx，達到了QB/T 4093─2010對液體糖錘度的要求?？偺欠?占干物質(zhì))為(92.9±1.8)%，達到了GB/T 20882─2007中對F42果葡糖漿總糖分的要求。樣品色值為(1200±13) IU，呈金黃色。電導率為(40±1.5) μs/cm，說明鹽分去除得比較完全。

2.4.2 總酚含量和自由基清除能力

表4 原色食用糖漿的總酚含量和抗氧化能力Table 4 Total phenolic content and antioxidation activity of primary-color edible syrup

由表4可知，原色食用糖漿的總酚含量為(4.21±0.05) mg GAE/g，這個結果較Munawar等對糖蜜的研究結果(3.75 mg GAE/g)高[27]，而對DPPH·、NO2-的清除能力、還原能力分別為(0.42±0.02)，(0.58±0.04) mg VCE/g和(0.90±0.02) mg VCE/g，說明制備的原色食用糖漿保留了糖蜜中較多的抗氧化性成分。

3 結論

采用膜法和離子交換聯(lián)用對甘蔗最終糖蜜進行清凈處理。微濾優(yōu)化實驗確定了最佳稀釋倍數(shù)為1∶5(m糖蜜∶m水)，超濾實驗表明8 kDa超濾膜的處理效果最好，在0.16 MPa的跨膜壓力下操作75 min可以獲得最佳超濾效果。進一步的離子交換實驗表明選用HZ016-D202樹脂組，樹脂比例1∶1，處理量為80 mL時可以獲得最佳的處理效果。

在最佳處理條件下得到的原色食用糖漿，經(jīng)真空濃縮至(70±0.5) °Bx制得成品原色食用糖漿并進行理化指標分析，結果顯示蔗糖分為(40.3±1.1)%，還原糖分為(25.4±0.7)%，且灰分基本去除(電導率≤41.5 μs/cm)。進一步的分析可知，原色食用糖漿含有的酚類物質(zhì)達(4.21±0.05) mg GAE/g，對DPPH·、NO2-的清除能力和還原能力分別為(0.42±0.02)，(0.58±0.04) mg VCE/g和(0.90±0.02) mg VCE/g。說明膜法和離子交換結合的工藝不僅可以有效地對甘蔗最終糖蜜進行清凈處理，還能較好地保留其中的抗氧化性成分，這將為甘蔗最終糖蜜的高值化利用提供一定的借鑒。