活性炭對(duì)甜菜糖漿的脫色作用

　　為了以經(jīng)濟(jì)有效的方式生產(chǎn)高質(zhì)量的糖，還是很有必要開發(fā)新的方法和技術(shù)。通常，優(yōu)質(zhì)糖生產(chǎn)線包括幾個(gè)步驟。首先，將生糖漿進(jìn)行浸灰，碳化，然后熱處理以消除某些形式的雜質(zhì)。初始處理過程中升高的溫度和pH值促進(jìn)了美拉德和堿的降解反應(yīng)，導(dǎo)致形成了較重的著色劑。黑素類化合物是還原糖和氨基酸之間發(fā)生的非酶促褐變反應(yīng)的產(chǎn)物，是影響產(chǎn)品顏色的關(guān)鍵。糖漿中存在有機(jī)色素，例如黑色素，堿性降解產(chǎn)物，焦糖等。本次我們使用活性炭用于從甜菜糖漿中吸附有機(jī)著色劑。同時(shí)，葡萄糖氧化酶原位產(chǎn)生過氧化氫有助于將重質(zhì)著色劑分解為較小的分子。在這方面，結(jié)合了物理吸附(使用活性炭)和化學(xué)氧化(通過氧化酶原位產(chǎn)生的過氧化氫)來同時(shí)吸附和降解在原料糖漿初始處理階段產(chǎn)生的顏色前體。

　　活性炭的脫色性能

　　活性炭被廣泛用于許多工業(yè)過程中，例如分離，純化，催化和電解。近年來，由于其高的內(nèi)表面積和表面官能化基團(tuán)，它已被用作糖漿脫色過程中的有效吸附材料。有案例顯示使用韓研糖漿專用活性炭用來工業(yè)甜菜糖漿的脫色，每100克糖漿使用0.2–1克活性炭，可達(dá)到82%的脫色性能。通過將物理吸附過程與化學(xué)氧化相結(jié)合，可以提高活性炭的脫色性能。過氧化氫是一種可生物降解的氧化劑，由于其分解而產(chǎn)生活性氧自由基。這些活性氧(例如羥基)可將大量有機(jī)化合物降解為礦物質(zhì)。

　　酶漿脫色工藝

　　與活性炭單獨(dú)獲得的脫色性能相比，評(píng)估了建議的活性炭加氧化酶的方法對(duì)甜菜糖漿脫色的效率。根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)確定的最佳條件為：pH7和30°C的溫度。對(duì)該過程進(jìn)行監(jiān)控，并將獲得的結(jié)果顯示在圖1中。通過吸附過程120分鐘后，活性炭使甜菜糖漿的脫色率達(dá)到35.29%。另一方面，在操作10分鐘后，活性炭與酶促反應(yīng)的結(jié)合將糖漿的脫色率從10.13提高到68.27%，證明了化學(xué)氧化反應(yīng)可有效降解溶液中存在的有機(jī)化合物。運(yùn)行120分鐘后，使用活性炭加氧化酶的組合工藝發(fā)現(xiàn)的除色效率為84%。通過添加氧化酶和葡萄糖，甜菜糖漿的脫色增加可以歸因于由酶促反應(yīng)產(chǎn)生的活性氧物質(zhì)對(duì)有機(jī)著色劑的降解。另一方面，著色劑在活性炭上的吸附受到限制，并且脫色結(jié)果相對(duì)較低。

　　圖1：通過活性炭吸附和擬議的活性炭加氧化酶工藝對(duì)甜菜糖漿脫色效率的比較。

　　糖漿pH值的影響

　　溶液的pH值會(huì)極大地影響酶的活性，氧化酶在pH5.5時(shí)表現(xiàn)出最高的酶活性。但是，有機(jī)物在活性炭上的吸附能力高度取決于溶液的pH值。另外，過氧化氫在活性炭上的吸附對(duì)于其分解和形成羥基自由基(取決于pH值)是必需的。因此，確定最佳pH值對(duì)于獲得更高的脫色效率是必要的。pH7是脫色過程的合適值，提供了著色劑在活性炭表面的吸附以及它們被過氧化氫分解產(chǎn)生的活性氧的氧化作用的最高組合。

　　游離氧化酶對(duì)活性炭可重復(fù)使用性的研究

　　化學(xué)過程的可持續(xù)性是其可能在現(xiàn)實(shí)世界中應(yīng)用的重要參數(shù)。催化劑的可重復(fù)使用性也是影響該方法的可持續(xù)性和成本效益的重要因素。催化劑由于其理化性質(zhì)的改變和表面上化學(xué)物質(zhì)的物理吸附而趨于喪失其催化活性，從而損害了它們的整體性能。為了評(píng)估活性炭在組合酶工藝中的可重復(fù)使用性，在工藝的最佳條件下對(duì)糖漿進(jìn)行脫色。然后，從反應(yīng)介質(zhì)中提取活性炭顆粒，并在40℃的烘箱中干燥30分鐘。回收的活性炭顆粒與新鮮的氧化酶酶一起用于另外兩個(gè)120分鐘的脫色循環(huán)中。在三個(gè)連續(xù)的循環(huán)中，再生活性炭的脫色性能幾乎穩(wěn)定，第二次和第三次運(yùn)行后分別從84%降至82.06%和80.22%。在上一輪中下降了3.46%，可忽略不計(jì)。活性炭有希望的可重用性可以通過介質(zhì)中自由基的存在來解釋，這些自由基能夠通過活性炭降解吸附的有機(jī)化合物。使用固定在活性炭顆粒上的氧化酶研究了糖漿的脫色過程。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果示于圖2。與游離酶相比，使用固定化酶的最大脫色效率從84%降低至67.34%。

　　圖2：甜菜糖漿經(jīng)氧化酶固定的活性炭顆粒和組合的活性炭和氧化酶的脫色。

　　活性炭對(duì)甜菜糖漿的脫色作用的研究中，通過使用活性炭顆粒和葡萄糖氧化酶，提出了一種甜菜糖漿脫色的新方法。氧化酶同時(shí)存在和有機(jī)色素在活性炭顆粒表面的吸附導(dǎo)致甜菜糖漿的快速脫色。活性炭的脫色過程是可持續(xù)性的，所提出的脫色方法在30°C的中性pH下達(dá)到了合適性能，與更傳統(tǒng)的方法(例如在酸性環(huán)境中進(jìn)行的硫酸化方法)相比，從經(jīng)濟(jì)和工業(yè)角度來看，這可以認(rèn)為是理想條件(pH4)在100°C的溫度下。此外，通過生物過程以生態(tài)友好的方式生產(chǎn)了過氧化氫，從而提高了過程安全性。在連續(xù)三個(gè)循環(huán)后檢查糖漿脫色過程中活性炭顆粒的可重復(fù)使用性，在最后一次運(yùn)行中下降了3.46%，可忽略不計(jì)。活性炭是有希望的可重用性和酶固定化的可能性，再加上上述優(yōu)點(diǎn)，使得活性炭和氧化酶組合工藝成為普通糖脫色技術(shù)的顯著替代品。

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