兩性聚丙烯酰胺澄清甘蔗汁的研究

沈王慶,諶祥梅

(內江師范學院 化學化工學院,四川內江 641112)

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兩性聚丙烯酰胺澄清甘蔗汁的研究

沈王慶,諶祥梅

(內江師范學院 化學化工學院,四川內江 641112)

為得到澄清的甘蔗汁,提高甘蔗汁的利用價值?？疾榱朔磻獣r間、兩性聚丙烯酰胺的用量、反應溫度和甘蔗汁的pH對甘蔗汁透光率的影響,在單因素基礎上,利用L16(45)正交實驗研究了最優組合和因素的主次關系,比較了原甘蔗汁與澄清后甘蔗汁的主要理化指標,并利用紅外光譜和紫外光譜進行了表征。結果表明甘蔗汁澄清的最優組合:反應時間為20 min、絮凝劑用量為8 mL、反應溫度為60℃和pH為5,因素的主次關系依次為pH、絮凝劑用量、反應溫度和反應時間。在此條件下澄清后甘蔗汁透光率可達到94.7%。經澄清后的甘蔗汁較原甘蔗汁的VC、可溶性固形物、總糖和蛋白質等的含量有所下降,并且還有一定量的兩性聚丙烯胺殘留在甘蔗汁中。

兩性聚丙烯酰胺,甘蔗汁,澄清,透光率

甘蔗具有很多藥用價值,《本草綱目》中早有大量記載,我國古代醫學家還將甘蔗列入“補益藥”[1]。甘蔗經過榨汁后得到的粗汁是一種復雜的多元液體,除了含大量水分、蔗糖和少量的還原糖外,還含有微量的無機非糖分和有機非糖分等雜質。這些雜質主要包括部分膠體物質、類脂物、蛋白質、色素及有色非糖分、酶類等[2-3]。這些雜質的存在影響甘蔗汁外觀、口感以及儲存等,因而在甘蔗加工過程中需要對甘蔗汁進行澄清。

目前很多新型高效的絮凝劑被應用到果汁的澄清中,較常用的有殼聚糖和酶類,殼聚糖雖然能起到一定的澄清作用但效果不太理想,而酶類的價格又太高[4-8]。有機高分子絮凝劑始于20世紀50年代,因其良好的絮凝效果和低廉的價格而得到了廣泛的應用。聚丙烯酰胺因其良好的粘性、水溶性和較高的相對分子量等特性,成為應用最廣泛的一種有機高分子絮凝劑,備受科研人員的關注[9-10]。兩性聚丙烯酰胺(APAM)是一類具有特殊結構的水溶性有機高分子,兼有陽離子和陰離子聚丙烯酰胺的綜合性能,同時具有明顯的“反聚電解質效應”和pH適用范圍廣等特點,在水處理、油田開采、造紙工業和環境保護等方面具有廣泛的應用前景[11-13]。廣西大學黃悅剛教授等研究了兩性聚丙烯酰胺的絮凝性能及其在蔗汁提純分離中的應用,結果表明兩性聚丙烯酰胺是利用物理化學作用來吸附、絮凝膠體、懸浮物,對蔗糖沒有破壞作用,絮凝效果關鍵在于絮凝的pH、溫度及加入量是否合適[14]。

目前利用兩性聚丙烯酰胺對甘蔗汁進行澄清研究還主要是研究了兩性聚丙烯酰胺的用量,pH和反應溫度等對甘蔗汁的純度差、脫色率、除濁率和沉降速度等的影響,對其對甘蔗汁組分的影響研究較少[14]。本實驗主要是采用單因素法考查了反應時間、兩性聚丙烯酰胺的用量、反應溫度和甘蔗汁的pH在一定的離心條件下對甘蔗汁透光率的影響;在單因素基礎上利用L16(45)正交實驗研究了最優組合和因素的主次關系,比較了原甘蔗汁與澄清后甘蔗汁的主要理化指標,并利用紅外光譜和紫外光譜進行了表征。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

甘蔗粗汁取新鮮的黑皮甘蔗去皮,用飛利浦榨汁機榨汁得粗混合汁;兩性聚丙烯酰胺北京康普匯維科技有限公司;氫氧化鈣重慶天府精細化學品廠;一水合檸檬酸成都金山化學試劑有限公司;磷酸成都金山化學有限公司;冰乙酸成都金山化學有限公司;抗壞血酸成都金山化學有限公司;氯化銅成都金山化學有限公司,均為分析純。

TJ-270紅外分光光度計天津光學儀器廠;752-紫外可見分光光度計上海慶茂儀器有限公司;SHA-B-雙功能水浴恒溫振蕩器上海璽袁科學儀器有限公司;飛利浦榨汁機珠海經濟特區飛利浦家庭電器有限公司;PHS-3E-pH計上海儀電科學儀器股份有限公司;SHB-B95-循環水式多用真空泵鄭州長城科工貿有限公司;FA2204A電子天平上海精天電子儀器有限公司;百利糖度計杭州陸恒生物尅有限公司;高速臺式離心機上海安亭科學儀器廠;阿貝折射儀上海彼愛姆光學儀器。

1.2實驗方法

稱取20 mg聚丙烯酰胺用去離子水配制成100 mL的溶液(約為100 g),即質量濃度為0.2%待用。采用分光光度計法以去離子水作為參比,在640 nm波長下,測定澄清甘蔗汁透光率,并用透光率T(%)表示甘蔗汁的澄清度[1]。

1.2.1反應時間對甘蔗汁透光率的影響分別取40 mL甘蔗原汁于5個有標號的150 mL具塞錐形瓶中,各加入2 mL已配制的聚丙烯酰胺溶液,在振蕩速度為150 r/min,振蕩溫度60℃下分別振蕩5、10、15、20和25 min,再經轉速為7000 r/min、變速檔位為6的條件下離心5 min后,取上層清液進行透光率的測定。

1.2.2聚丙烯酰胺溶液用量對甘蔗汁透光率的影響分別取40 mL甘蔗原汁于5個有標號的150 mL具塞錐形瓶中,各加入2、4、6、8和10 mL已配制的聚丙烯酰胺溶液,在振蕩速度為150 r/min,振蕩溫度60℃下振蕩20 min,再經轉速為7000 r/min、變速檔位為6的條件下離心5 min后,取上層清液進行透光率的測定。

1.2.3反應溫度對甘蔗汁透光率的影響分別取40 mL甘蔗原汁于5個有標號的150 mL具塞錐形瓶中,各加入6 mL已配制的聚丙烯酰胺溶液,在振蕩速度為150 r/min,振蕩溫度分別為40、50、60、70 和80℃下振蕩20 min,再經轉速為7000 r/min、變速檔位為6的條件下離心5 min后,取上層清液進行透光率的測定。

1.2.4甘蔗汁pH對蔗汁透光率的影響分別取40 mL pH為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0的甘蔗汁于6個有標號的150 mL具塞錐形瓶中,加入6 mL已配制的聚丙烯酰胺溶液,在振蕩速度為150 r/min,振蕩溫度為60℃下振蕩20 min,再經轉速為7000 r/min、變速檔位為6的條件下離心5 min后,取上層清液進行透光率的測定。

1.2.5正交實驗以反應時間、聚丙烯酰胺溶液用量、反應溫度和甘蔗汁pH為因素設計成L16(45)正交實驗如表1所示。分別取40 mL的原汁至于有標號的150 mL具塞錐形瓶中,經正交條件下反應后,再經轉速為7000 r/min、變速檔位為6的條件下離心5 min后,取上層清液進行透光率的測定,研究因素的最優組合和主次關系。

表1　正交實驗因素水平表

1.2.6成分測定方法分別利用PHS-3E-pH計、白利糖度計直接測定甘蔗汁的pH和糖度;在246 nm波長處,在酸性環境中銅離子的催化下,用紫外分光光度計直接測定已知樣品濃度的吸光度,VC的含量采用標準曲線法測量[15-16];甘蔗汁中的可溶性固形物利用GB 12143.1-88測量;采用分光光度計法以蒸餾水作為參比,在640 nm波長下,測定澄清甘蔗汁透光率;利用感官評價確定甘蔗汁的顏色和味道。

1.2.7表征方法對澄清前后的甘蔗汁利用752-紫外可見分光光度計和TJ-270紅外分光光度計進行紫外光譜和紅外光譜表征分析。

1.3數據統計分析

采用SPSS13.0軟件設計并安排正交實驗,對正交實驗結果進行極差和方差分析,找出各因子對實驗結果影響的主次順序,確定最佳工藝。

2　結果與討論

2.1反應時間對透光率的影響

圖1為反應時間對甘蔗汁透光率的影響。由圖1可知,反應時間在5～20 min時,透光率隨反應時間的增加而增加,在20 min時達到最大值74.7%,此后隨反應時間的延長,透光率反而略有下降。這是由于反應開始時,隨反應時間的延長,兩性聚丙烯酰胺的絮凝效果不斷增加,因而開始時甘蔗的透光率不斷增加;當在60℃條件下反應時間超過20 min后,兩性聚丙烯酰胺的粘度不斷下降,絮凝效果不斷降低,因而透光率也有所減小。

圖1　反應時間對透光率的影響Fig.1　The effects of reaction time on transmittance

2.2聚丙烯酰胺溶液用量對透光率的影響

圖2為聚丙烯酰胺溶液的用量對甘蔗汁透光率的影響。由圖2可知,當聚丙烯酰胺溶液的體積為2～8 mL時,甘蔗汁的透光率不斷增大,當用量達到8 mL時達到最大值,此后隨用量的增大反而減小。這是由于反應開始時,隨著聚丙烯酰胺溶液的用量不斷增加,絮凝效果也不斷增加,但當聚丙烯酰胺溶液的用量超過8 mL時,則體系中高聚物含量過量,架橋作用變得困難,絮凝效果不斷下降,因而透光率也不斷降低。

圖2　兩性聚丙烯酰胺用量對透光率的影響Fig.2　The effects of the amphoteric polyacrylamide dosage on transmittance

2.3反應溫度對透光率的影響

圖3為反應溫度對甘蔗汁透光率的影響。由圖3可知,當反應溫度為40～60℃時,甘蔗汁的透光率不斷增加;當反應溫度超過60℃后透光率隨反應溫度的增加而減小。這是由于當反應溫度較低時,兩性聚丙基酰胺的水解速度緩慢,形成絮凝團的“布朗運動”強度較低,絮凝物形成所需的時間較長;另外,低溫下兩性聚丙基酰胺形成的絮凝物細而松散,澄清效果較差。隨溫度的升高,疏松的絮凝團變的更加結實,增大比重,加快沉降,同時也可以減少甘蔗汁中微小的懸浮物,增加透光率。但反應溫度超過60℃后,隨溫度的升高兩性聚丙烯酰胺的穩定性不斷減弱,容易發生降解,還會使已經絮凝的雜質粒子再次分散,因而透光率會不斷降低。

圖3　反應溫度對透光率的影響Fig.3　The effects of reaction temperature on transmittance

2.4甘蔗汁pH對透光率的影響

圖4為甘蔗汁pH對透光率的影響。由圖4可知,當pH為3～5時,隨pH的增大,甘蔗汁的透光率不斷增大,當pH達到5時透光率達到最大值85.1%,此后透光率隨pH的增大而減小。這是由于pH影響兩性聚丙烯酰胺的電荷性質,從而影響其對甘蔗原汁中膠體的絮凝作用和對膠體的穩定作用。兩性聚丙烯酰胺中的陰離子基團是1個弱酸基團,當甘蔗汁在低pH時,兩性聚丙烯酰胺的羧酸基團電離度低,基本上形成的是不帶電的基團,在此條件下兩性聚丙烯酰胺的絮凝性能較低,當pH為3～5時,隨pH的不斷增大兩性聚丙烯酰胺的羧酸基團電離度不斷增加,絮凝效果不斷增大因而甘蔗汁的透光率也不斷增大。當pH超過5時,兩性聚丙烯酰胺分子中的酰胺基會水解,產物的黏度會降低,影響其架橋吸附的能力,導致其絮凝能力不斷降低,因而此時甘蔗汁的透光率也不斷減小。

圖4　pH對透光率的影響Fig.4　The effects of pH on transmittance

2.5正交實驗

由表2的極差k值可知最優組合為A3B3C3D2,即反應時間為20 min、絮凝劑用量為8 mL、反應溫度為60℃和pH為5,在此條件下通過3個平行驗證實驗得出甘蔗汁的透光率分別為94.9%,94.8%,94.7%平均值為94.8%,優于表2中實驗編號為2的結果,因而確定最優澄清組合為A3B3C3D2,由R值可知因素的主次關系依次為pH、絮凝劑用量、反應溫度和反應時間。

表2　澄清的正交實驗方案及結果

表3為方差分析表。由表3可知絮凝劑用量(B)具有顯著性。

表3　方差分析表

2.6原甘蔗汁與澄清后甘蔗汁的性能

2.6.1主要理化指標原甘蔗汁與在最優組合條件下澄清后甘蔗汁的主要理化指標和感官評價如表4所示。

表4　原甘蔗汁與澄清后甘蔗汁的主要理化指標

由表4可知,經澄清后,甘蔗汁的可溶性固形物和總糖含量較原汁變化較小;VC含量變化要大一些,這主要是在澄清過程中造成了損失;澄清后的甘蔗汁比原甘蔗汁顏色要淺,即透光率從20.1%增加到94.7%。

2.6.2紅外光譜與紫外光譜圖5為原甘蔗汁與澄清后甘蔗汁的紅外光譜。由紅外圖譜可知,原甘蔗汁經兩性聚丙烯胺澄清后,雖然主要伸縮振動峰沒有發生改變,但還是對原甘蔗汁里成份造成了影響。原甘蔗汁在3419 cm-1處的吸收峰表明含有-OH伸縮振動峰;2938 cm-1處的峰為CH3、CH2的不對稱伸縮振動峰;在2360 cm-1處的吸收峰表明鮮甘蔗汁中可能溶有CO2成份,表明里面含有一定的空氣;1878 cm-1和1839 cm-1附近的吸收峰為五元環環酸酐的吸收峰;在1653 cm-1(酰胺I),1549 cm-1(酰胺II)附近出現吸收峰說明甘蔗汁里存在蛋白質,在1549 cm-1處的峰不明顯說明蛋白質的含量不高,1509 cm-1處的吸收峰為苯環的骨架伸縮振動峰;1460 cm-1處的峰為CH3、CH2的不對稱彎曲振動峰;1420、1260、1131和1043 cm-1處的吸收峰為C-N伸縮;加入兩性聚丙烯胺澄清后甘蔗汁的紅外光譜圖較原甘蔗汁在1878 cm-1和1839 cm-1附近的吸收峰消失表明多縮戊糖類物質的含量受到了影響,與表3中討論的總糖減少一致;在1653 cm-1處吸收峰消失,在1549 cm-1處的峰更加不明顯,表明蛋白質的含量降低了;在1644 cm-1處出現了較強的酰胺I(C=O伸縮振動)吸收峰,在3453 cm-1處形成了一個寬峰表明澄清后的甘蔗汁中還存有一定量的與-OH締合的兩性聚丙烯胺[17]。

圖5　樣品的紅外光譜Fig.5　The infra-red spectrogram of samples

圖6為原甘蔗汁與澄清后甘蔗汁的紫外光譜圖。由圖6可知原甘蔗汁紫外光譜吸收峰的范圍為207～353 nm,特征吸收峰在274 nm和305 nm左右處;澄清后甘蔗汁的紫外光譜吸收峰的范圍為208～371 nm,在224、278 nm和366 nm左右處有特征吸收峰處。甘蔗汁經澄清后吸收峰范圍變寬了,特征吸收峰也發生了變化,主要原因是在原甘蔗汁中加入兩性聚丙烯胺對甘蔗汁進行澄清(降低了醛、酮色素)的同時也降低了甘蔗汁中糖類、蛋白質等的含量,同時也有一定量的兩性聚丙烯胺殘留在甘蔗汁中與甘蔗汁中的-OH形成了締合物,從而導致澄清前后,甘蔗汁的吸收峰范圍和特征吸收峰都發生了變化[18],與表3和圖5分析結果一致。

圖6　樣品的紫外光譜Fig.6　The uv spectra of samples

3　結論

甘蔗汁澄清的最優組合為反應時間為20 min、兩性聚丙烯酰胺用量為8 mL、反應溫度為60℃和pH為5,此最優條件下甘蔗汁的透光率可達到94.7%,因素的主次關系依次為pH、絮凝劑用量、反應溫度和反應時間,絮凝劑用量(B)具有顯著性;經澄清后的甘蔗汁較原甘蔗汁的VC、可溶性固形物、總糖和蛋白質等的含量有所下降,并且還有一定量的兩性聚丙烯酰胺殘留在甘蔗汁中。

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Study on sugar-cane juice clarified by the amphoteric polyacrylamide

SHEN Wang-qing,SHEN Xiang-mei

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Neijiang Normal University,Neijiang 641112,China)

To clarify sugar-cane juice,and increase the utilization value of sugar-cane juice.The effect of reactive time,the dose of amphoteric polyacrylamide,reactive temperature and pH on transmittance of the sugar cane juice was studied by the single factor method,then the optimal combination and primary and secondary relations was studied by L16(45),and the main physical and chemical properties of the primary and the clarified sugar-cane juice have been compared too.The samples were characterized by infrared spectrum and ultraviolet spectrum.The results of optimal combination showed that the time was 20 min,the dose of the flocculant was 8 mL,the temperature was 60℃ and pH was 5,and the primary and secondary relations were pH,the dose of amphoteric polyacrylamide,the reactive temperature and the time.The transmittance of clarified sugar-cane juice could be 94.7%.The contents of VC,soluble solids,total sugar and proteins of the clarified sugar-cane juice were smaller than that of the origin juice,and some amphoteric polyacrylamide was still in the clarified juice.

the amphoteric polyacrylamide;sugar cane juice;clarification;transmittance

2015-08-07

沈王慶(1974-),男,碩士，副教授,主要從事化工工藝等方面的研究,E-mail:sqw7418@163.com。

2013年內江師范學院成果轉化重大培育項目(13CZ01)。

TS275.5

B

1002-0306(2016)07-0210-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.032