電滲析在葡萄糖漿脫鹽中的應用

武睿，于秋生，陳正行，郭貫新

1(江南大學糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室，江蘇無錫，214122)

2(江南大學食品學院，江蘇 無 錫，214122)

電滲析在葡萄糖漿脫鹽中的應用

武睿1，2，于秋生1，2，陳正行1，2，郭貫新2

1(江南大學糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室，江蘇無錫，214122)

2(江南大學食品學院，江蘇 無 錫，214122)

電滲析技術應用于葡萄糖漿的脫鹽效果顯著。研究表明，脫鹽最佳條件為:操作電壓30 V，糖漿流量25 L/h，糖漿濃度30%;該條件下，糖漿脫鹽率94.69%，糖漿得率77.84%。

電滲析，葡萄糖漿，脫鹽

葡萄糖漿是淀粉糖行業中重要的產品之一，以碎米為原料制取葡萄糖漿成本低、市場前景廣闊。葡萄糖漿傳統的脫鹽工藝是離子交換法——利用離子交換樹脂將糖液中的陽離子和陰離子分別置換為H+和OH-，實現糖液的脫鹽精制。樹脂再生過程是離子交換法不可避免的環節，該過程不僅酸堿耗用量大，經濟和環境成本高[1］，而且間歇操作影響生產的連續穩定性。

隨著離子交換膜和雙極膜電滲析器的開發，電滲析技術在食品、化工、制藥等行業獲得廣泛的應用[2］:電滲析技術既具有膜技術所共有的分子級別的無相變分離優點，又有超濾等膜技術所不具備的、在電場條件下高濃度高速脫鹽的優勢。如能將電滲析技術應用于淀粉糖脫鹽工藝，與離子交換法相比，脫鹽成本可得到有效降低，且有助于環境保護和生產的連續穩定。

針對葡萄糖漿等淀粉糖以外的其他糖漿，Elmidaoui等通過對電滲析器隔板和陰離子交換膜的改進，在高溫條件下對高濃度的甜菜糖漿及母液進行電滲析脫鹽處理，降低了導致糖蜜形成的離子含量[3-4］;國內對大豆低聚糖、粗菊糖等多糖的電滲析研究已有報道[5］。

本研究選取的研究對象是用碎米制得的高DE值葡萄糖漿:葡萄糖是單糖，分子質量小、相同糖漿濃度下滲透壓高，與其他淀粉糖相比，在電滲析脫鹽過程中易發生滲漏現象，造成糖漿得率低;此外，高DE值葡萄糖是生產果葡糖、果糖等產品的基礎原料，具有很強的代表性和工業實踐意義。本研究擬從操作電壓、糖漿流量和糖漿濃度等方面探究電滲析條件對脫鹽效果的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

葡萄糖糖漿:實驗室自制，相關指標參照GB/T 20885-2007測定(見表1)。

表1 葡萄糖漿指標

雷磁DDS-307電導率儀，上海精密科學儀器有限公司;pH計，梅特勒-托利多儀器有限公司;阿貝折光儀，上海光學儀器五廠;Waters600高效液相色譜儀，配置四元輸液泵，2410示差折光檢測器，7725i進樣閥，Empower2色譜工作站;離子交換膜，20對、單片尺寸42 cm×16.5 cm，苯乙烯系異相離子交換膜3361、3362上海上化水處理材料有限公司;電滲析設備，配有穩壓直流電源(最高操作電壓60 V)、鈦絲涂二氧化釕電極、聚丙烯無回路隔板，大港飛英環境科技有限公司。

1.2 實驗條件與方法

1.2.1 實驗條件

1.2.1.1 色譜條件

色譜柱:Sugarpak1，6.5 mmid×300 mm;柱溫85℃，流速0.4 mL/min，進樣體積10 μL。

1.2.1.2 電滲析脫鹽條件

糖漿采用回流的方式，經電滲析淡室流出的糖漿再進入電滲析進料室，循環處理;濃室采用的是與糖漿等體積的去離子水循環，去離子水流速與糖漿流速保持一致。試驗選擇操作電壓、糖漿流量和糖漿濃度為主要因素:(1)考察電壓影響，糖漿流量20 L/h、糖漿濃度20%，選取電壓10、20、30、40、50 V進行試驗;(2)考察流量影響，操作電壓30 V、糖漿濃度20%，選取糖漿流量10、15、20、25、30 L/h進行試驗;(3)考察濃度影響，操作電壓30 V、糖漿流量20 L/h，選取糖漿濃度15%、20%、25%、30%、35%進行試驗。

1.2.2 測定方法

用電導率儀測定樣品的相對電導率。糖漿脫鹽率可以用下式表示:

式中:R糖漿脫鹽率，%;κ0初始糖漿電導率，μS/cm;κ1電滲析脫鹽后糖漿電導率，μS/cm。

用阿貝折光儀測定樣品的可溶性固形物含量。糖漿得率可以用下式表示:

式中:Y糖漿得率，%;m0初始糖漿質量，g;m1電滲析脫鹽后糖漿質量，g;c0初始糖漿固形物含量，%;c1電滲析脫鹽后糖漿固形物含量，%。

2 結果與討論

2.1 操作電壓對電滲析脫鹽效果的影響

隨著電滲析的運行，電滲析淡室中循環的糖漿電導率逐漸下降;研究過程中同時測得濃室中水的電導率逐漸升高，說明在電滲析作用下糖漿中的離子由淡室的糖漿轉移至濃室的水中，實現了糖漿的脫鹽，如圖1所示。

圖1 不同電壓下糖漿電導率隨時間變化曲線

0～9 min隨著操作電壓的升高，電導率下降速度增大，糖漿脫鹽速度提高，這是由于高電壓下電場力強，離子在溶液中的遷移速度快;9 min后電導率下降速度降低，高電壓作用下(40、50 V)電導率下降速度明顯降低，12 min時糖漿電導率可降至200 μS/cm左右，18 min后曲線趨于平緩，這是由于隨著脫鹽的進行，糖漿中離子濃度降低，電流密度下降，脫鹽速度降低，電滲析脫鹽過程由高速階段進入低速階段;而且在高電壓的作用下，離子易于在膜表面附近迅速富集，形成較高離子濃度的區域，造成濃差極化現象，阻礙離子在電場中的定向遷移過程，降低脫鹽速度。9 min后10、20、30 V條件下糖漿脫鹽速度平穩下降;30 min時，10、20 V條件下糖漿電導率仍在緩緩下降，30 V條件下電導率趨于不變，且已達到成品糖漿電導率要求(＜50 μS/cm)，考慮脫鹽效率及濃差極化現象的預防，采用30 V的操作電壓。

2.2 糖漿流量對電滲析脫鹽效果的影響

離子在電滲析脫鹽過程中受糖漿流動速度和電場遷移速度的影響，如圖2所示。

圖2 不同流量下糖漿電導率隨時間變化曲線

脫鹽初始階段，隨著糖漿流量的提高，脫鹽速度逐漸降低;10 L/h和15 L/h條件下，糖漿電導率下降速度明顯低于其余3組，當糖漿的流動速度較大時，糖漿中部分離子未完成遷移和交換過程即隨糖漿流出淡室，所以糖漿流動速度的提高不利于離子沿電場力方向的遷移;隨著脫鹽的進行，12 min后糖漿脫鹽速度普遍降低，低流量下糖漿電導率曲線趨于平緩，較高流量下(25 L/h、30 L/h)糖漿的電導率仍有下降趨勢，這是因為提高糖漿流速有利于湍流的形成，破壞膜附近的濃差極化層，降低離子遷移的阻力;30 min時20 L/h和25 L/h流量下糖漿電導率均達到成品標準，考慮濃差極化的破壞和離子交換膜的保護，選擇25 L/h操作條件。

2.3 糖漿濃度對電滲析脫鹽效果的影響

資料顯示，糖漿樣品的電導率隨著糖漿濃度的降低，有先升后降的趨勢，電導率峰值往往在20%～30%間[6］。不同濃度糖漿脫鹽過程電導率變化如圖4所示，0 min時30%的葡萄糖漿初始電導率最高，排除初始電導率影響，糖漿脫鹽率變化如圖5所示。隨著濃度的升高，糖漿脫鹽速度逐步降低，這是由于高濃度的糖漿黏度大，阻礙了離子電場中的遷移，造成遷移時間的延長、相同脫鹽時間條件下高濃度糖漿脫鹽率低，35%糖漿在24min之后脫鹽率仍有緩慢提高趨勢;15%和20%糖漿脫鹽速度快，21 min后脫鹽率曲線趨于平緩;25%和30%最終脫鹽效果相差不大，30%糖漿在6～15 min脫鹽速度相對穩定。

圖4 不同濃度糖漿電導率隨時間變化曲線

圖5 不同濃度糖漿脫鹽率隨時間變化曲線

電滲析處理30 min，不同濃度糖漿脫鹽率和葡萄糖得率如圖6所示。

圖6 糖漿濃度對糖漿脫鹽率和葡萄糖得率的影響

隨著濃度的提高，糖漿脫鹽率和得率逐漸降低;由于高濃度糖漿流動性差，膜表面的濃差極化現象加劇，同時高濃度的葡萄糖在濃度梯度的作用下由淡室向濃室的擴散增強，糖組分滲漏增加，造成葡萄糖得率的下降，所以，糖漿濃度不宜過高;低濃度條件下雖糖漿脫鹽率和得率理想，脫鹽速度高，但糖漿的稀釋造成脫鹽成本以及后續濃縮成本的提高，綜合考慮選取脫鹽時糖漿濃度為30%。

2.4 電滲析對糖漿組分的影響

操作電壓30 V，流量25 L/h，糖漿濃度30%條件下進行糖漿電滲析脫鹽處理，電滲析前后糖組分分析如圖7所示。研究制得的葡萄糖漿中葡萄糖含量較高，電滲析后葡萄糖比例微有升高，五糖以上組分比例降低，糖漿組分基本不變。表2列出了電滲析前后糖漿的相關指標:經過電滲析處理后，糖漿的電導率顯著降低，糖漿固形物含量略有下降，主要損失來源于電滲析設備內殘留造成的糖漿質量損失，該條件下糖漿脫鹽率94.69%，糖漿得率77.84%。

圖7 電滲析前后糖組分高效液相色譜圖

表2 電滲析前后糖漿性質對比

3 討論

電滲析法可實現葡萄糖漿的脫鹽。糖漿電滲析脫鹽過程具有較明顯的高速和低速2個階段。電滲析脫鹽過程中的濃差極化可能是造成脫鹽速度下降、影響脫鹽效率的最主要原因。因此，應用電滲析進行葡萄糖漿脫鹽，要避免濃差極化層的過早過快形成。隨著電滲析操作電壓的升高，糖漿脫鹽速度隨之上升;高電壓條件下液-膜界面上會迅速形成濃差極化，使脫鹽過程很快進入低速階段，影響整體脫鹽速度。提高糖漿流速雖不利于糖漿初始脫鹽速度的提高，但有助于流道中湍流的形成，對濃差極化層破壞作用強，保證脫鹽的持續進行。提高糖漿濃度，料液黏度增大、流動性變差，濃差極化加劇造成脫鹽速度降低。

根據研究結果，運用電滲析進行葡萄糖漿脫鹽在高速階段具有極高的效率，糖漿電導率在此階段可由800 μS/cm下降至200 μS/cm左右。采用電滲析法與離子交換法組合的形式進行葡萄糖漿脫鹽是下一步的研究方向，糖漿經電滲析高速脫鹽后，再通過離子交換法脫鹽精制，將電導率降至50 μS/cm以下的糖漿成品要求。這樣可提高電滲析脫鹽段的電流效率、節約電能，同時減輕離子交換系統的脫鹽負擔，避免頻繁的酸堿再生過程，將離子交換段的成本降低至原成本的1/4左右，其研究價值更大，實踐可操作性更強。

4 結論

研究表明，電滲析法應用于葡萄糖漿脫鹽工藝效果顯著。最佳電滲析條件下(30 V，25 L/h，30%)進行糖漿脫鹽，糖漿電導率由866μS/cm下降至46μS/cm，脫鹽率94.69%，糖漿質量和固形物含量分別從3000 g、30%下降至2458 g、28.5%，糖漿得率77.84%，高效液相色譜分析顯示電滲析脫鹽過程對糖漿組分影響不大。

[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，應鐵進，趙超藝，等.電滲析技術在大豆低聚糖溶液脫鹽上的應用[J］.農業工程學報，2008，24(10):243-247.

[6]黃立新，羅思，周彥斌.電導法測定果葡糖漿灰分的研究[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)

碩士研究生。

2012-04-25，改回日期:2012-07-02