不同离子交换树脂对蔗汁脱色性能比较

沈石妍，马 兰，李艳芳，尚试雄，郭家文*

（1云南省农业科学院甘蔗研究所，云南开远 661699；2云南省甘蔗产业工程技术研究中心，云南开远 661699）

不同离子交换树脂对蔗汁脱色性能比较

沈石妍1,2，马 兰1,2，李艳芳1,2，尚试雄1,2，郭家文1,2*

（1云南省农业科学院甘蔗研究所，云南开远 661699；2云南省甘蔗产业工程技术研究中心，云南开远 661699）

为研究离子交换树脂对蔗汁的脱色性能，以D296、D201、D301R这3种大孔阴离子交换树脂为材料，通过静态试验和动态试验比较不同树脂的脱色性能。结果表明，不同型号离子交换树脂脱色性能差异较大，在试验条件下，静态脱色16 min，D296、D201、D301R树脂脱色率分别为88.3%、80.9%、93.0%，D301R树脂脱色容量和脱色速率明显优于D296和D201，对蔗汁具有较好的脱色效果。

阴离子交换树脂；蔗汁；脱色性能

0 前言

制糖生产中糖液的有色物质主要是原料本身带入的和生产过程新产生的。原料本身含有的不溶于水的叶绿素、叶黄素、胡萝卜素等在澄清过程中很容易被除去，溶于水的色素物质大多为有机酸及其衍生物类，此外甘蔗中含有的还原糖、氨基酸、带有氨基的酚类，它们本身没有颜色，在生产过程中遇到酸、碱、氧、酶或物理条件的变化则会产生色素，称为色源。这些色素或色源物质在生产流程中会使糖液颜色越来越深，传统的生产工艺只能将其部分除去，是影响糖品色值的重要因素。由于色素物质大部分是大的有机酸根阴离子或弱极性物质，可用阴离子交换树脂除去[1]。大孔阴离子交换树脂在脱色上的应用较为广泛，国外制糖生产中采用离子交换技术脱色已较为普遍。受生产成本的影响，国内采用离子交换技术脱色主要用于精制糖生产，相关脱色研究也大多以糖浆为试验对象[2-5]。我国白砂糖产量占到了蔗糖总量的98%以上，受传统生产工艺的制约，色值是影响白砂糖品质的一个重要因素，有效降低白砂糖色值一直是制糖生产的难题。随着人民生活水平的提高和国内离子交换技术的不断成熟，采用更优的脱色方案生产更高品质的白砂

糖将会成为一种需求。在白砂糖生产中，若采用离子交换树脂对预处理后的蔗汁进行脱色，在制糖生产工艺的前端就将色素以及色源物质大量除掉，达到提高产品质量的目的。本试验筛选几种脱色性能较好的大孔阴离子交换树脂，研究其对蔗汁的脱色性能，以期为制糖生产中蔗汁的脱色提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

D296、D201、301R大孔阴离子交换树脂，购自天津波鸿树脂科技有限公司；蔗汁，取自云南省农业科学院甘蔗研究所甘蔗品质分析室。

1.2 主要仪器

实验室小型离子交换柱(φ60 mm×500 mm)，锦州市新科水处理设备厂；722S分光光度计、阿贝折光仪、数显pH计、恒温水浴锅。

1.3 试验方法

1.3.1 树脂预处理

取树脂400 mL于1000 mL烧杯中，加入饱和氯化钠溶液800 mL浸泡20 h，放尽食盐水，用清水漂洗至无混浊为止，加入 5%盐酸溶液800 mL，浸泡4 h（不时搅拌），然后放尽酸液，用蒸馏水冲洗至接近中性；加入4%氢氧化钠溶液800 mL，浸泡4 h（不时搅拌），然后放尽碱液，用蒸馏水冲洗至接近中性备用。

1.3.2 蔗汁预处理

甘蔗经压榨提汁后，加磷酸调节磷酸值至320 mg/L，加入石灰乳调节pH至8.0，加热至98～103℃，静置，待糖汁中非糖杂质絮凝并与清液分层后，引出上层清汁待用。

1.3.3 静态试验方法

准确称取经抽滤并吸干表面水分的树脂20 g于250 mL具塞三角瓶中，加入100 mL清汁，盖好瓶塞，按照实验设置的温度和时间进行脱色实验，并不时摇动，使糖汁与树脂充分接触，测定糖液脱色前后的色值、pH值。

1.3.4 动态试验方法

准确量取200 mL已预处理过的树脂湿法装柱，清汁在室温下按照设定的速度过柱，待流出清汁锤度接近脱色前锤度时，每200 mL截取脱色清汁一次，测定色值、混浊度、pH值。

1.3.5 检测方法

色值：参照《甘蔗制糖化学管理分析方法》[6]在制品和深色制品色值的测定方法，脱色率由式⑴计算；混浊度：参照《甘蔗制糖化学管理分析方法》[6]在制品混浊度的测定方法。

2 结果与分析

2.1 静态脱色试验

2.1.1 不同型式树脂的脱色效果

将D296树脂按照不同的酸碱处理顺序进行预处理，分别得到OH-型树脂和Cl-型树脂，60℃下进行静态脱色实验，结果见表1。从表中数据可看出，在不同的脱色时间段内OH-型树脂和Cl-型树脂脱色效果较为接近。在离子交换过程中，OH-型树脂的强碱性OH-基被阴离子色素基团置换下来，糖液pH值较原汁有所提高，但随脱色时间的变化，蔗汁pH值变化不再明显，说明脱色时离子交换过程完成较快，后续过程中虽然色值仍在不断降低，但多为吸附脱色。Cl-型树脂在脱色过程中，Cl-被弱有机酸根离子置换出来后，形成酸性更强的HCl，脱色液pH值比原汁降低，后续脱色过程中pH值一直呈上升趋势，说明在进一步的吸附脱色过程中，Cl-又重新被树脂吸附[7]。

由于蔗汁中色素物质多为有机酸类，Cl-型树脂的脱色过程pH值变化较大，糖液呈酸性，在高温下蔗糖易发生水解，而OH-型树脂对糖液的pH值影响较小，因此下面均采用OH-型树脂进行试验。

表1 不同型式树脂脱色情况

2.1.2 不同型号树脂的脱色效果

40℃下不同树脂脱色情况如图1所示。从图中可看出在相同的交换吸附条件下，3种树脂对蔗汁脱色率顺序依次为D301R＞D296＞D201，D301R树脂脱色率最高，这可能与D301R具有较大理论吸附交换容量有关，D296树脂其次，而D201树脂对蔗汁脱色效果较差，不适合用于蔗汁脱色。

2.1.3 温度对脱色效果的影响

不同温度下树脂脱色结果如图2所示。D296和D201这2个强碱性阴离子交换树脂脱色性能受温度的影响更为明显，随着温度的升高，蔗汁的脱色率呈上升趋势，说明温度升高有利于糖汁中色素的脱除，但是当温度达到60℃时，脱色率随温度的变化逐渐减缓，考虑到树脂对温度的耐受程度，蔗汁最佳脱色温度在60℃左右为宜。D301R树脂脱色率受温度的影响较小，蔗汁在低温下脱色仍能达到较高的脱色率，且在整个脱色过程中其脱色率一直高于其余2种树脂，非常适合蔗汁的脱色。

图1 不同型号树脂脱色率对比

图2 温度对脱色率的影响

2.1.4 脱色时间对脱色率的影响

60℃下3种树脂在不同脱色时间内脱色情况如图3所示。从图中可以看出，随着脱色时间的增加，蔗汁的脱色率不断升高，3种树脂在前期脱色率上升均较快，8 min后速度逐渐变缓，D301R树脂在整个过程中脱色速率明显优于D296和D201，在前20 min内脱色率已超过90%，基本达到交换吸附平衡。

2.1.5 脱色体积对脱色率的影响

取10 g树脂，加入不同体积的清汁，于60℃恒温水浴中脱色1 h，结果如图4所示。从图中可以看出，D296在脱色体积较小的情况下，脱色率与D301R很接近，随着脱色体积的增加，脱色率下降较快。D301R树脂在整个过程中脱色率均高于其他2种树脂，且脱色率下降速度较缓，在其他2种树脂脱色率下降到65%以下时仍能达到85%以上，说明其脱色容量要优于其余2种树脂。

2.2 动态脱色试验

在静态脱色试验中，D301R树脂表现出了较好的脱色性能，D296其次，D201则表现较差，动态试验不再对D201树脂进行试验。动态脱色试验均在室温下进行。

图3 脱色时间对脱色率的影响

图4 脱色体积对脱色率的影响

2.2.1 流速对脱色率的影响

分别采用6组离子交换柱同时进行脱色试验，树脂装填高径比为2.8：1，不同流速下蔗汁脱色结果见表2。

表2 流速对脱色率的影响

从表2数据可看出，3次平行试验数据较为接近，说明脱色过程较稳定。过柱流速在5～15 BV/h时，pH值变化不明显，说明在该流速范围下离子交换过程能较快完成，当流速达到19 BV/h时，pH值开始下降，达到50 BV/h时，pH值明显下降，说明流速提高后，部分阴离子色素来不及进行离子交换即已经随蔗汁流出。同时随着过柱流速的提高，蔗汁与树脂接触时间变短，离子交换吸附过程不充分，脱色率降低。当流速提高到50 BV/h时，脱色率下降到88%。通过对2个指标的综合考虑，蔗汁过柱的流速控制在15 BV/h以下脱色效果都比较稳定，考虑到生产过程中的产能问题，脱色流速不宜过低。本试验取流速15 BV/h进行试验。

2.2.2 脱色体积对脱色率和混浊度的影响（图5、图6）

图5 脱色率随脱色体积变化的影响

图6 混浊度随脱色体积变化的影响

从图5和图6可以看出，在动态试验条件下，随脱色体积的增加，脱色率逐渐下降。D301R树脂脱色率下降趋势较缓，在脱色体积达到25倍床体后，D301R脱色率仍能达到接近90%，且混浊度下降率一直稳定在85%以上。D296树脂在前期脱色性能优于D301R，但脱色率下降速度比D301R要快，25倍床体后脱色率降到82%，混浊度下降率仅达到70%左右，说明D301R脱色容量更大，具有较好的抗污染和除去胶态物质及微小悬浮杂质的能力。D301R为弱碱性阴离子树脂，其离子交换基团与色素物质的结合力较弱，再生过程较容易，在制糖生产中具有更好的实用性。

3 结论

静态实验和动态实验结果均表明，大孔弱碱性阴离子交换树脂D301R在蔗汁脱色中表现出了优良的性能，脱色容量和脱色速率均比大孔强碱性阴离子交换树脂D296表现优异，且其脱色率受温度变化影响较小，30℃和60℃的脱色率仅相差3%，蔗汁在低温下过柱仍可以得到较高的脱色率，低温脱色可减少蔗糖的转化以及进一步色素的生成。弱碱性阴离子交换树脂由于离子交换基团与阴离子色素的结合力较弱，再生过程更容易，较适合制糖生产中蔗汁的脱色。试验中蔗汁在室温下以15 BV/h流速通过树脂25倍床体后，脱色率仍达到90%左右，色值在450 IU以内，可制得较低色值的糖浆，为后工序生产低色值产品提供了较好的条件。

[1] 克拉克. 制糖过程中糖品的色素和脱色[J]．甘蔗糖业，1985(2)：1-26.

[2] 岳金山. 国产D296离子交换树脂用于糖浆脱色[J]. 中国甜菜糖业，1997(2)：47-50.

[3] 黄祥斌，于淑娟，高大维，等. 几种离子交换树脂用于糖浆脱色的比较研究[J]. 食品科学，2001(4)：11-13.

[4] 赖凤英，陈焕章、林福兰. 离子交换树脂对糖浆脱色效能的评价[J]. 中国甜菜糖业，2000(2)：12-14.

[5] 何小维，秦慧民，于淑娟，等. 四种树脂糖浆脱色效果比较[J]. 中国甜菜糖业，2006(2)：20-22.

[6] 李墉，郑长庚. 甘蔗制糖化学管理分析方法[M]. 广州：中国轻工业总会甘蔗糖业质量监督检测中心，1995：51-55.

[7] 宾学之. 有关树脂脱色几个问题的探讨[J]. 甜菜糖业，1981(6)：44-50.

(本篇责任编校：朱涤荃)

The Decoloration Property Comparison of Different Resins for Cane Juice

SHEN Shi-yan1,2, MA Lan1,2, LI Yan-fang1,2, SHANG Shi-xiong1,2, GUO Jia-wen1,2
(1Sugarcane Research Institute, Yunnan Academy of Agricultural Scinences, Kaiyuan, Yunnan 661699;2Engineering Technology Center of Sugarcane in Yunnan Province, Kaiyuan, Yunnan 661699)

Static test and dynamic test were taken to study the decoloration property of different resins for cane juice with 3 kinds of macroporous anion exchange resin (D296, D201, and D301R) The results showed that there were big differences between 3 kinds of macroporous anion exchange resin. The decolourization ratio of D296, D201, and D301R were 88.3%, 280.9% and 93.0% in 16 min. Resin of D301R who has good effect for cane juice decolorization was significantly outperformed D296 and D201 in decoloring capacity and decoloration efficiency.

Anion exchange resin; Cane juice; Decolorization property

TS244+.2

A

1005-9695(2015)04-0052-06

2015-05-07；

2015-07-21

国家科技支撑计划(2012 BAD14 B18-04)

沈石妍(1968-)，女，高级工程师，主要从事甘蔗蔗糖深加工及副产物综合利用方面研究；E-mail: okmlshshy@sina.com*

沈石妍，马兰，李艳芳，等. 不同离子交换树脂对蔗汁脱色性能比较[J]. 甘蔗糖业，2015(4)：52-57.