电渗析在葡萄糖浆脱盐中的应用

武睿，于秋生，陈正行，郭贯新

1(江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室，江苏无锡，214122)

2(江南大学食品学院，江苏 无 锡，214122)

电渗析在葡萄糖浆脱盐中的应用

武睿1，2，于秋生1，2，陈正行1，2，郭贯新2

1(江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室，江苏无锡，214122)

2(江南大学食品学院，江苏 无 锡，214122)

电渗析技术应用于葡萄糖浆的脱盐效果显著。研究表明，脱盐最佳条件为:操作电压30 V，糖浆流量25 L/h，糖浆浓度30%;该条件下，糖浆脱盐率94.69%，糖浆得率77.84%。

电渗析，葡萄糖浆，脱盐

葡萄糖浆是淀粉糖行业中重要的产品之一，以碎米为原料制取葡萄糖浆成本低、市场前景广阔。葡萄糖浆传统的脱盐工艺是离子交换法——利用离子交换树脂将糖液中的阳离子和阴离子分别置换为H+和OH-，实现糖液的脱盐精制。树脂再生过程是离子交换法不可避免的环节，该过程不仅酸碱耗用量大，经济和环境成本高[1］，而且间歇操作影响生产的连续稳定性。

随着离子交换膜和双极膜电渗析器的开发，电渗析技术在食品、化工、制药等行业获得广泛的应用[2］:电渗析技术既具有膜技术所共有的分子级别的无相变分离优点，又有超滤等膜技术所不具备的、在电场条件下高浓度高速脱盐的优势。如能将电渗析技术应用于淀粉糖脱盐工艺，与离子交换法相比，脱盐成本可得到有效降低，且有助于环境保护和生产的连续稳定。

针对葡萄糖浆等淀粉糖以外的其他糖浆，Elmidaoui等通过对电渗析器隔板和阴离子交换膜的改进，在高温条件下对高浓度的甜菜糖浆及母液进行电渗析脱盐处理，降低了导致糖蜜形成的离子含量[3-4］;国内对大豆低聚糖、粗菊糖等多糖的电渗析研究已有报道[5］。

本研究选取的研究对象是用碎米制得的高DE值葡萄糖浆:葡萄糖是单糖，分子质量小、相同糖浆浓度下渗透压高，与其他淀粉糖相比，在电渗析脱盐过程中易发生渗漏现象，造成糖浆得率低;此外，高DE值葡萄糖是生产果葡糖、果糖等产品的基础原料，具有很强的代表性和工业实践意义。本研究拟从操作电压、糖浆流量和糖浆浓度等方面探究电渗析条件对脱盐效果的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

葡萄糖糖浆:实验室自制，相关指标参照GB/T 20885-2007测定(见表1)。

表1 葡萄糖浆指标

雷磁DDS-307电导率仪，上海精密科学仪器有限公司;pH计，梅特勒-托利多仪器有限公司;阿贝折光仪，上海光学仪器五厂;Waters600高效液相色谱仪，配置四元输液泵，2410示差折光检测器，7725i进样阀，Empower2色谱工作站;离子交换膜，20对、单片尺寸42 cm×16.5 cm，苯乙烯系异相离子交换膜3361、3362上海上化水处理材料有限公司;电渗析设备，配有稳压直流电源(最高操作电压60 V)、钛丝涂二氧化钌电极、聚丙烯无回路隔板，大港飞英环境科技有限公司。

1.2 实验条件与方法

1.2.1 实验条件

1.2.1.1 色谱条件

色谱柱:Sugarpak1，6.5 mmid×300 mm;柱温85℃，流速0.4 mL/min，进样体积10 μL。

1.2.1.2 电渗析脱盐条件

糖浆采用回流的方式，经电渗析淡室流出的糖浆再进入电渗析进料室，循环处理;浓室采用的是与糖浆等体积的去离子水循环，去离子水流速与糖浆流速保持一致。试验选择操作电压、糖浆流量和糖浆浓度为主要因素:(1)考察电压影响，糖浆流量20 L/h、糖浆浓度20%，选取电压10、20、30、40、50 V进行试验;(2)考察流量影响，操作电压30 V、糖浆浓度20%，选取糖浆流量10、15、20、25、30 L/h进行试验;(3)考察浓度影响，操作电压30 V、糖浆流量20 L/h，选取糖浆浓度15%、20%、25%、30%、35%进行试验。

1.2.2 测定方法

用电导率仪测定样品的相对电导率。糖浆脱盐率可以用下式表示:

式中:R糖浆脱盐率，%;κ0初始糖浆电导率，μS/cm;κ1电渗析脱盐后糖浆电导率，μS/cm。

用阿贝折光仪测定样品的可溶性固形物含量。糖浆得率可以用下式表示:

式中:Y糖浆得率，%;m0初始糖浆质量，g;m1电渗析脱盐后糖浆质量，g;c0初始糖浆固形物含量，%;c1电渗析脱盐后糖浆固形物含量，%。

2 结果与讨论

2.1 操作电压对电渗析脱盐效果的影响

随着电渗析的运行，电渗析淡室中循环的糖浆电导率逐渐下降;研究过程中同时测得浓室中水的电导率逐渐升高，说明在电渗析作用下糖浆中的离子由淡室的糖浆转移至浓室的水中，实现了糖浆的脱盐，如图1所示。

图1 不同电压下糖浆电导率随时间变化曲线

0～9 min随着操作电压的升高，电导率下降速度增大，糖浆脱盐速度提高，这是由于高电压下电场力强，离子在溶液中的迁移速度快;9 min后电导率下降速度降低，高电压作用下(40、50 V)电导率下降速度明显降低，12 min时糖浆电导率可降至200 μS/cm左右，18 min后曲线趋于平缓，这是由于随着脱盐的进行，糖浆中离子浓度降低，电流密度下降，脱盐速度降低，电渗析脱盐过程由高速阶段进入低速阶段;而且在高电压的作用下，离子易于在膜表面附近迅速富集，形成较高离子浓度的区域，造成浓差极化现象，阻碍离子在电场中的定向迁移过程，降低脱盐速度。9 min后10、20、30 V条件下糖浆脱盐速度平稳下降;30 min时，10、20 V条件下糖浆电导率仍在缓缓下降，30 V条件下电导率趋于不变，且已达到成品糖浆电导率要求(＜50 μS/cm)，考虑脱盐效率及浓差极化现象的预防，采用30 V的操作电压。

2.2 糖浆流量对电渗析脱盐效果的影响

离子在电渗析脱盐过程中受糖浆流动速度和电场迁移速度的影响，如图2所示。

图2 不同流量下糖浆电导率随时间变化曲线

脱盐初始阶段，随着糖浆流量的提高，脱盐速度逐渐降低;10 L/h和15 L/h条件下，糖浆电导率下降速度明显低于其余3组，当糖浆的流动速度较大时，糖浆中部分离子未完成迁移和交换过程即随糖浆流出淡室，所以糖浆流动速度的提高不利于离子沿电场力方向的迁移;随着脱盐的进行，12 min后糖浆脱盐速度普遍降低，低流量下糖浆电导率曲线趋于平缓，较高流量下(25 L/h、30 L/h)糖浆的电导率仍有下降趋势，这是因为提高糖浆流速有利于湍流的形成，破坏膜附近的浓差极化层，降低离子迁移的阻力;30 min时20 L/h和25 L/h流量下糖浆电导率均达到成品标准，考虑浓差极化的破坏和离子交换膜的保护，选择25 L/h操作条件。

2.3 糖浆浓度对电渗析脱盐效果的影响

资料显示，糖浆样品的电导率随着糖浆浓度的降低，有先升后降的趋势，电导率峰值往往在20%～30%间[6］。不同浓度糖浆脱盐过程电导率变化如图4所示，0 min时30%的葡萄糖浆初始电导率最高，排除初始电导率影响，糖浆脱盐率变化如图5所示。随着浓度的升高，糖浆脱盐速度逐步降低，这是由于高浓度的糖浆黏度大，阻碍了离子电场中的迁移，造成迁移时间的延长、相同脱盐时间条件下高浓度糖浆脱盐率低，35%糖浆在24min之后脱盐率仍有缓慢提高趋势;15%和20%糖浆脱盐速度快，21 min后脱盐率曲线趋于平缓;25%和30%最终脱盐效果相差不大，30%糖浆在6～15 min脱盐速度相对稳定。

图4 不同浓度糖浆电导率随时间变化曲线

图5 不同浓度糖浆脱盐率随时间变化曲线

电渗析处理30 min，不同浓度糖浆脱盐率和葡萄糖得率如图6所示。

图6 糖浆浓度对糖浆脱盐率和葡萄糖得率的影响

随着浓度的提高，糖浆脱盐率和得率逐渐降低;由于高浓度糖浆流动性差，膜表面的浓差极化现象加剧，同时高浓度的葡萄糖在浓度梯度的作用下由淡室向浓室的扩散增强，糖组分渗漏增加，造成葡萄糖得率的下降，所以，糖浆浓度不宜过高;低浓度条件下虽糖浆脱盐率和得率理想，脱盐速度高，但糖浆的稀释造成脱盐成本以及后续浓缩成本的提高，综合考虑选取脱盐时糖浆浓度为30%。

2.4 电渗析对糖浆组分的影响

操作电压30 V，流量25 L/h，糖浆浓度30%条件下进行糖浆电渗析脱盐处理，电渗析前后糖组分分析如图7所示。研究制得的葡萄糖浆中葡萄糖含量较高，电渗析后葡萄糖比例微有升高，五糖以上组分比例降低，糖浆组分基本不变。表2列出了电渗析前后糖浆的相关指标:经过电渗析处理后，糖浆的电导率显著降低，糖浆固形物含量略有下降，主要损失来源于电渗析设备内残留造成的糖浆质量损失，该条件下糖浆脱盐率94.69%，糖浆得率77.84%。

图7 电渗析前后糖组分高效液相色谱图

表2 电渗析前后糖浆性质对比

3 讨论

电渗析法可实现葡萄糖浆的脱盐。糖浆电渗析脱盐过程具有较明显的高速和低速2个阶段。电渗析脱盐过程中的浓差极化可能是造成脱盐速度下降、影响脱盐效率的最主要原因。因此，应用电渗析进行葡萄糖浆脱盐，要避免浓差极化层的过早过快形成。随着电渗析操作电压的升高，糖浆脱盐速度随之上升;高电压条件下液-膜界面上会迅速形成浓差极化，使脱盐过程很快进入低速阶段，影响整体脱盐速度。提高糖浆流速虽不利于糖浆初始脱盐速度的提高，但有助于流道中湍流的形成，对浓差极化层破坏作用强，保证脱盐的持续进行。提高糖浆浓度，料液黏度增大、流动性变差，浓差极化加剧造成脱盐速度降低。

根据研究结果，运用电渗析进行葡萄糖浆脱盐在高速阶段具有极高的效率，糖浆电导率在此阶段可由800 μS/cm下降至200 μS/cm左右。采用电渗析法与离子交换法组合的形式进行葡萄糖浆脱盐是下一步的研究方向，糖浆经电渗析高速脱盐后，再通过离子交换法脱盐精制，将电导率降至50 μS/cm以下的糖浆成品要求。这样可提高电渗析脱盐段的电流效率、节约电能，同时减轻离子交换系统的脱盐负担，避免频繁的酸碱再生过程，将离子交换段的成本降低至原成本的1/4左右，其研究价值更大，实践可操作性更强。

4 结论

研究表明，电渗析法应用于葡萄糖浆脱盐工艺效果显著。最佳电渗析条件下(30 V，25 L/h，30%)进行糖浆脱盐，糖浆电导率由866μS/cm下降至46μS/cm，脱盐率94.69%，糖浆质量和固形物含量分别从3000 g、30%下降至2458 g、28.5%，糖浆得率77.84%，高效液相色谱分析显示电渗析脱盐过程对糖浆组分影响不大。

[1]Michael Greiter，Senad Novalin，Martin Wendland，et al.Electrodialysis versus ion exchange:comparison of the cumulative energy demand by means of two applications[J］.Journal of Membrane Science，2004，233:11-19.

[2]Strathmann H.Electrodialysis，a mature technology with a multitude of new applications[J］.Desalination，2010，264:268-288.

[3]Elmidaoui A，Lutin F，Chay L，et al.Removal of melassigenic ions for beet sugar syrups by electrodialysis using a new anion-exchange membrane[J］.Desalination，2002，148:143-148.

[4]Elmidaoui A，Chay L，Tahaikt M，et al.Demineralisation for beet sugar solutions using an electrodialysis pilot plant to reduce melassigenic ions[J］.Desalination，2006，189:209-214.

[5]王秋霜，应铁进，赵超艺，等.电渗析技术在大豆低聚糖溶液脱盐上的应用[J］.农业工程学报，2008，24(10):243-247.

[6]黄立新，罗思，周彦斌.电导法测定果葡糖浆灰分的研究[J］.食品科技，2010，35(3):272-276.

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)

硕士研究生。

2012-04-25，改回日期:2012-07-02