木糖母液的脱色研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1.1木糖母液

木糖母液是利用化学法生产木糖后剩余的废糖液，呈浅黄色至棕红色的液体[1]，其主要成分为木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖等，其中木糖、阿拉伯糖、葡萄糖的比例一般为2:1:1，其它的杂糖(半乳糖、甘露糖)含量在8%以下[2][3]。

木糖母液是木糖工业生产中的一种副产物，按照中国每年10万吨的木糖醇产量计算，每年约有数十万吨的木糖母液[4]。木糖母液具有复杂的胶体和色素系统，主要呈色物质有花色素、胡萝卜素、叶黄素、糠醛、羟甲基糠醛、焦糖色素等，在木糖母液的生物分离、提纯过程中，脱色是一个非常重要的工艺，直接影响下游产品的品质[5]。

1.2木糖母液的生产工艺[6]

1.2.1木糖母液生产工艺流程

原料（玉米芯）→预处理→水解→脱色→离子交换→浓缩→离子交换→氢化→离子交换→浓缩→结晶→木糖母液

1.2.2木糖母液色泽产生相关工艺

1.2.2.1原料选择

尽可能选择白色的玉米芯而非红色的玉米芯，可减少天然色素的带入，减轻后期脱色处理的难度。

1.2.2.2热水预处理

热水预处理可以使玉米芯内部的果胶、含氮物、脂肪、色素等不带入水解液中，在水解前应尽可能去除。

1.2.2.3高温水解

高温水解过程中，水解温度的控制是非常重要的，直接影响水解液的色度。高温水解过程中焦糖化反应、美拉德反应的强度，直接受到水解温度的影响。同时，水解过程中的pH值、水解时间等都会影响到水解液的色度。

1.3木糖母液中的呈色物质

1.3.1天然色素

原材料自身所带来的天然色素，也会对糖液的颜色具有一定程度上的影响。

玉米子粒中含有的黄色素，属于胡萝卜素和叶黄素，是不饱和碳氢化合物，对木糖母液在色度上会有一定程度的影响，但因能溶于酒精、乙醚、碱中，因此在处理过程中易于除去。

玉米芯颜色的产生一般是受以配糖体形式存在的花色素影响，花色素能溶于水，所以是木糖醇生产的有害物质。花色素在中和时遇到石灰，会生成暗绿色，除非在强碱的情况下，否则不会沉淀下来。由于花色素是多酚类，故遇铁呈暗色。木糖醇生产过程中，半成品遇铁生成的色素，溶于溶液，在加入黄血盐时，会产生黄绿色沉淀。

当原料预处理时，如未将花色素除去，而使其转入水解液，则在以后的工序，如脱色时不易除去，即使少量遇到铁也会反应生成青色而无法除去；但在制糖生产中，如果澄清处理良好，它们绝大部分将会被除去，所以它们的影响不大[7]。

1.3.2焦糖色素

糖类尤其是单糖在没有氨基化合物存在的情况下，加热到熔点以上的高温（一般是140～170℃以上）时，因糖发生脱水与降解，也会发生褐变反应，这种反应称为焦糖化反应。糖在强热的情况下生成两类物质：一类是糖的脱水产物，即焦糖或酱色（caramel)；另一类是裂解产物，即一些挥发性的醛、酮类物质，它们进一步缩合、聚合，最终形成深色物质。木糖母液中含有40%～60%的还原糖，还原糖在温度增加时，不但增加色泽的深度，而且也改变色素的性质，200℃时，变成黑色的焦糖，加大了木糖母液的色度。

1.3.3糠醛、羟甲基糠醛

糠醛和5-羟甲基糠醛不但具有增香调色的功能，随着糠醛和5-羟甲基糠醛的产生，糠醛和5-羟甲基糠醛继续反应还会产生许多棕色物质，而其的主要来源于美拉德反应及焦糖化反应。木糖在硫酸介质中，温度超过125℃，就会脱水生成糠醛。

目前，对糠醛反应的研究处于初步的探索阶段，基本限于单一成分和单糖体系的糠醛反应。一般认为在单一糖溶液中，己糖经脱水反应后生成5-羟甲基糠醛，戊糖经脱水反应后生成糠醛。5-羟甲基糠醛的生产途径为己糖脱水，而糠醛的生成途径有两条：一是戊糖脱水生成糠醛；二是5-羟甲基糠醛受热裂解生成糠醛。

而5-羟甲基糠醛作为糖的热解产物，一般认为六碳糖在酸催化过程中第一步会生成烯醇互变结构体这样的中间产物，再进一步脱水生成5-羟甲基糠醛，在六碳糖脱水生成5-羟甲基糠醛的过程中，还伴有其他副反应，在反应进程中，生成的这些副产物容易发生聚合反应，生成可溶的聚合物以及不溶的黑色物质。一般认为糠醛反应的底物是单糖化合物[8][9]。

1.3.4含氮物

含氮物主要指植物中的蛋白质和氨基酸，是水解液中色泽的来源之一。美拉德反应就是还原糖和氨基酸之间的非酶褐变反应，美拉德反应即羰氨反应，实质上是氨基化合物（胺氨基酸肽和蛋白质）和还原糖或其它羰基化合物之间发生的反应。

氨基酸类和糖的脱水产物羟甲基糠醛等反应会生成有色物质，即使将氨基酸中和以后，还会产生有色物质。

还原糖包括葡萄糖、木糖等和氨基酸主要缩合成正糖苷。加热时，它们先变成黄色，然后转变成棕色或黑色无定形物质，即典型的拟黑色素。

1.3.5铁离子

在中和液蒸发时，由于中和终点掌握不好，残余硫酸过多，就会腐蚀蒸发器壁使铁离子进入糖液中，铁盐大部分使水解液变成褐色，从而影响糖液的色度。

1.4木糖母液的脱色方法

1.4.1物理脱色方法

1.4.1.1活性炭脱色

由于活性炭具有巨大的比表面积，能有效地吸附糖液中色素与灰分。

脱色条件：15%的焦木素，活性炭2%，温度70～80℃，搅拌时间为40～50min。

由于木糖母液中的色素、胶体具有粘性，为了帮助它扩散，必须先加热搅拌，使其均匀，控制温度在70～80℃之间；向溶液中加入15%的焦木素和2%的活性炭，连续搅拌40～50min后迅速冷却过滤[10][11]。

1.4.1.2脱色树脂脱色

大孔吸附树脂是一种具有大孔结构的有机高分子共聚体，同时也是一种有机高聚物吸附剂，具有良好的物质筛选性和吸附性，可利用其对不同成分的选择性吸附和筛选作用，用于糖液的吸附脱色。大孔吸附树脂有三种类型：非极性树脂（HPD-100，HPD-300，D-101，X-5，H103）、弱极性树脂（AB-8，DA-201，HPD-400）和极性树脂（NKA-9，S-8，HPD-500）。

1.4.1.3聚合氯化铝(PAC)-聚丙烯酰胺(PAM)复合絮凝剂的脱色

聚合氯化铝(PAC)是一种新型、高效无机高分子絮凝剂，是介于AlCl3和Al(OH)3之间的水解产物，其通式为[Al2(OH)nCl6-n]m，因其分子絮凝能力强且无毒、价格低廉，应用范围很广。

聚丙烯酰胺简称PAM，又分阴离子(HPAM)阳离子(CPAM)，非离子(NPAM)是一种线型高分子聚合物。这种透明的粘稠液体，易溶于水，几乎不溶于苯、乙苯、酯类、丙酮等一般有机溶剂。PAM通过电中和、架桥吸附作用发生絮凝。PAM用于絮凝时，与被絮凝物种类的表面性质，如动电位、粘度、浊度、pH值有关。颗粒表面的动电位，是颗粒阻聚的原因，加入表面电荷相反的PAM，能加速动电位降低而凝聚，使颗粒形成聚集体而沉降[12]。60Bx的木糖母液，在温度65℃，pH值5.8的条件下，分别加入PAC（800mg/kg）和PAM（3mg/kg）搅拌均匀，处理2min后有最佳脱色率为33.26%[13]。

1.4.2化学脱色方法

1.4.2.1电解脱色

木糖母液是一种复杂的溶液，其中的大部分色素带负电荷。除木糖母液外，其它成分都为电解质或带电体，因而在外电场的作用下，将产生一系列电动现象。电解时带电荷的离子、分子或胶体粒子在外电场的作用下，向两极作定向移动，在阴阳两块极板上分别发生氧化和还原反应，从而产生大量的泡沫和沉淀物。在电解过程中，木糖母液成分基本上不会发生反应和分解，但能将色素等其他杂质分离[14]。

1.4.2.2臭氧脱色

臭氧是一种很有希望的糖用漂白剂，它能迅速而有效地破坏构成色素的碳-碳双键，消除色素对可见光的吸收，使料液颜色变浅。臭氧较易溶于水，但其本身不稳定，在水中易于分解，且随着介质碱性的增加而快速分解。同时，臭氧作为消毒剂已广泛应用于自来水、饮用矿泉水及食品等行业[15]。

1.4.3脱色方法评价

表1－脱色方法评价

1.5脱色评价指标

1.5.1色率

色率是表示颜色深浅的指标，其深浅用色率强度(EBC)来表示，EBC为欧洲啤酒酿造协会英文EuropeanBreweryConvention的缩写词。EBC意义在于，当610nm处吸光度为0.076时，设定EBC为20000。吸光值越大，色泽越深，色率强度越大。

色率测定方法：精确称取焦糖色1.000g，加入蒸馏水10mL，用玻璃棒搅拌溶解。然后移人100mL容量瓶中，加蒸馏水定容到100mL。再吸取该稀释液加入100mL容量瓶中，定容到100mL。因要求其澄清透明，所以须再经2400r/min离心(或用滤纸过滤)。该稀释液用721型分光光度计，于610nm处测定其吸光度OD值，反复测定数次，取其平均OD值。色率(EBC单位)=OD610nm20000/0.076。

1.5.2脱色率

经活性炭或者电解脱色后，采用721分光光度计以蒸馏水为空白对照，在420nm的波长下测其吸光度

脱色率(%)==100*(A-B)/A

式中：A脱色前的吸光值；B脱色后的吸光值。

1.6本课题研究目的和意义

木糖母液是指由木糖生产过程中提取结晶后的副产物，每生产lt木糖就相应会产生l.4t的木糖母液。木糖母液是木糖在结晶分离过程中产生的一种红棕色的、黏稠的、有特殊焦糖味的液体，主要成分有葡萄糖、木糖、半乳糖、阿拉伯糖和少量的糖醇。按照中国每年10万吨的木糖醇产量计算，每年约有数十万吨废液。木糖母液的主要呈色物质有花色素、胡萝卜素、叶黄素、糠醛、羟甲基糠醛、焦糖色素等，在木糖母液的生物分离、提纯过程中，脱色是一个非常重要的工艺，直接影响下游产品的品质。糖液的脱色问题一直是影响制糖工业生产的重要因素，寻求一种方法简单、脱色效果明显、更为经济的脱色方法已势在必行。本研究的主要内容是探讨不同脱色工艺对木糖母液还原糖和色素脱除效果的影响。

参考文献

[1]秦祖赠，刘自力，柳艳冰.木糖母液生产酱油用高红色指数焦糖色素[J].中国调味品，2007，（2）：54-58

[2]孙广仁,宋媛,梁天王.HPLC法分析木糖结晶母液中的糖组分[J].安徽农业科学，2008,36(36):16038-16039

[3]周强,刘建伟,刘智勇.离子交换法分离纯化木糖母液[J].精细石油化工,2010，27(2):32-34

[4]赵光辉,贺东海,王关斌.分离木糖(醇)母液的研究[J].应用化工,2005,34（3）：194-195

[5]Li,Z.,etal.ImprovementofSolventProductionfromXyloseMotherLiquorbyEngineeingtheXyloseMetabolicPathwayinClostridiumacetobutylicumEA2018.AppliedBiochemistryandBiotechnology,2013.171(3):555-568.

[6]尤新，李明杰.木糖与木糖醇的生产技术及其应用[M].北京：中国轻工业出版社，2006.1:1-481

[7]陈钰萍，何益盖.制糖过程有色物质变化及其影响因素[J].制糖工程与技术，2013（4）:30-31

[8]李凯,林金梅,陆海勤,等.AXN脱色剂用于赤砂糖回溶糖浆的研究[J].甘蔗糖业,2008，(06)：30-47

[9]吴玉清，任洪艳，阮文权,等.Fenton法深度处理木糖废水及显色物质的研究[J].工业水处理，2014，34（3）:22-25

[10]施荫锐.活性炭对焦糖脱色率的试验方法和计算[J].林产化工通讯,　2000，34（6）：27-31

[11]DuttaK,MukhopadhyayS,BhattacharjeeS,etal.ChemicaloxidationofmethyleneblueusingaFenton-likereaction[J].JournalofHazardousMaterials,2008,84(1):57-71

[12]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

[13]黄永春,容元平,马月飞,等.PAC-PAM复合絮凝剂对回溶糖浆脱色的研究[J].广西工学院学报[J].2007，18(1)：6-10

[14]李存芝,李琳,胡松青,等.电解过程添加G409脱色原糖浆[J].中国甜菜糖业,2004，(1):5-7

[15]黄谷亮.臭氧用于糖浆脱色的试验[J].广西轻工业，2002,(6):15-16

[16]张国瑛，顾正彪，洪雁.焦糖色素生产及应用的进展[J].食品工业科技，2007，（4）:232-238

[17]杨红兵，王进卿，张先进，等.焦糖色素的色率与红色指数的关系及应用[J].中国酿造，2002,118（2）：40-42

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

2.1主要研究内容

1）活性炭、脱色树脂对木糖母液的脱色效果评价

2）臭氧、过氧化氢对木糖母液的脱色效果评价