活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　活性炭對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，評估了建議的活性炭加氧化酶的方法對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甜菜糖漿脫色效率的比較。

　　糖漿pH值的影響

　　溶液的pH值會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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