原糖水解生产果葡糖浆的工艺优化

李凯，朱中燕，潘莉莉，徐勇士，蒙丽丹*

(1.广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004； 2.广西绿色制糖工程技术研究中心，南宁 530004； 3.广西蔗糖产业协同创新中心，南宁 530004； 4.广西制糖学会，南宁 530004)

果葡糖浆易被人体吸收，具有良好的代谢效果，已被列为高品质甜味剂，广泛应用于饮料行业[1-4]。以原糖为原料生产结晶果糖，原糖溶解后再水解获得转化糖浆。原糖水解方法有：强酸催化水解、蔗糖转化酶催化水解、强酸性阳离子交换树脂水解[5-11]。Lund等[12]研究发现冷冻导致转化酶活性降低，酸催化的蔗糖水解速率受温度影响。Adnadjevic等[13]研究了常规和微波加热下IR-120H树脂对蔗糖水解的等温动力学。 蔗糖转化酶和强酸性阳离子交换树脂水解成本较高，实际生产中主要以盐酸催化水解得到第一代果葡糖浆。水解过程中有美拉德反应发生，使果葡糖浆色度增高，或有5-羟甲基糠醛(5-HMF)等生成，给后序纯化增加了负担[14-17]。

5-HMF是葡萄糖或果糖在酸催化下脱除一分子水生成的，有一定的毒性，人体摄入一定量的5-HMF会刺激眼黏膜，损伤内脏[18-21]，国标规定结晶果糖中5-HMF的含量要低于干固物含量的0.005%。5-HMF很难通过物理方法除掉，其含量高低直接影响产品质量[22,23]。所以设计正交试验，选取最佳水解条件，减少5-HMF的生成及降低色度。

1 实验仪器和材料

1.1 实验仪器

Wzz-2ss型数字式自动旋光仪、HH-4型电热恒温水浴锅 上海精密科学仪器有限责任公司；PHS-3C型pH计 上海雷磁精密科学仪器有限公司；UV-2802S紫外-可见分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司；TLE204E电子天平 梅特勒-托利多仪器有限公司；DDS-11A电导率仪 深圳海博仪器仪表有限公司。

1.2 实验主要试剂

原料液：原糖→溶解→加酸水解→加碱调节pH值。乙酸锌、氢氧化钠和盐酸：购自上海沃凯生物技术有限公司；亚硫酸氢钠和亚铁氰化钾：购自国药集团化学试剂有限公司，试剂均为分析纯。

1.3 实验部分

1.3.1 实验分析方法

5-羟甲基糠醛：用紫外分光光度法[24]，吸取试液各5 mL于2个烧杯内，在一个烧杯中加入5 mL亚硫酸氢钠溶液，混匀，用参比液作对照；在另一个烧杯中加入5 mL蒸馏水，混匀作为待测液；用紫外分光光度计在284 nm和336 nm处测定吸光度，计算公式如下：

式中：X为5-羟甲基糠醛含量，mg/kg；A284为284 nm处的吸光度；A336为336 nm处的吸光度；M为 样品的质量，g。

色度：参照GB/T 20882-2007《果葡糖浆》国标色度的检测方法。

1.3.2 实验步骤

1.3.2.1 单因素实验

以5-HMF含量和色度含量为指标，探讨水解时间、温度和pH对水解率和5-HMF生成的影响。

1.3.2.2 正交实验

以5-HMF含量、色度值和果糖含量为指标，探讨最佳的水解条件。

2 实验结果分析

2.1 单因素实验

2.1.1 水解pH值对5-羟甲基糠醛的生成和果葡糖浆色度的影响

在反应温度为90 ℃，反应时间为30 min，pH值分别为1.0，1.4，1.8，2.2，2.6的条件下，考察水解pH对5-羟甲基糠醛的生成和果葡糖浆色度的影响，见图1。

图1 水解pH对5-HMF含量和果葡糖浆色度的影响Fig.1 Effect of hydrolysis pH values on chromaticity of fructose syrup and 5-HMF content

由图1可知，在糖浆水解pH值在1.0～2.6的范围内，5-羟甲基糠醛的生成量随着pH值的升高而降低，从1400 mg/kg降至6.26 mg/kg，在水解pH值小于1.5时，5-羟甲基糠醛的生成量达到1000 mg/kg以上，因为在酸性条件下，还原糖经过美拉德反应的中间产物再次发生1，2-烯醇化反应，生成5-HMF或者糠醛，在强酸条件下容易促使反应的发生[25-27]。在pH值低于1.8时，5-HMF的生成量在100 mg/kg以下；pH值对色度的影响也在pH低于1.5时较为显著，当水解pH大于1.5时，糖浆色度的增加量很低。所以在工业生产上，不能使反应体系的pH值低于1.5。

2.1.2 反应温度对5-羟甲基糠醛的生成和果葡糖浆色度的影响

在反应pH值为1.8，反应时间为30 min，温度分别为80,85,90,95，100 ℃的条件下，考察反应温度对5-羟甲基糠醛的生成和果葡糖浆色度的影响，见图2。

图2 反应温度对5-HMF含量和果葡糖浆色度的影响Fig.2 Effect of reaction temperature on chromaticity of fructose syrup and 5-HMF content

由图2可知，在糖浆水解反应温度在80～100 ℃的范围内，5-羟甲基糠醛的生成量从161.5 mg/kg增高到320 mg/kg，在反应温度大于90 ℃之后，5-羟甲基糠醛生成量升高的幅度最大，与5-羟甲基糠醛的情况一样，色度也随着反应温度的升高而升高，特别是达到沸腾之后，不仅发生美拉德反应，部分糖浆搅拌受热不均匀也会发生焦化[28]。但是如果反应体系的温度太低，也会影响蔗糖的水解，为保证蔗糖达到水解的标准(果糖含量占固形物含量的42%)，选择90 ℃作为下一组单因素的反应温度。

2.1.3 反应时间对5-羟甲基糠醛的生成和果葡糖浆色度的影响

在反应pH值为1.8，反应温度为90 ℃，时间分别为10，20，30，40，50 min的条件下，考察反应时间对5-羟甲基糠醛的生成和果葡糖浆色度的影响，见图3。

图3 反应时间对5-HMF含量和果葡糖浆色度的影响Fig.3 Effect of reaction time on chromaticity of fructose syrup and 5-HMF content

由图3可知，在糖浆水解反应时间在10～50 min 的范围内，5-羟甲基糠醛的生成量随着反应时间的增加而增高，在反应时间为10～30 min的范围内，5-羟甲基糠醛的生成幅度较小；大于40 min之后，生成量大幅度增加，与5-羟甲基糠醛的情况一样，色度也随着反应时间的增加而呈梯度上升，蔗糖转化并不是随着水解时间的增加而增加，根据反应的平衡原理，转化糖浆中果糖最高能达到48%(占干固物的量)，所以在达到水解目标的前提下，反应时间应尽可能降低[29,30]。

2.2 正交实验结果

2.2.1 正交实验设计

这一部分工作主要是优化水解时间、pH、温度3个条件，降低蔗糖水解过程中对5-羟甲基糠醛的生成量和果葡糖浆色度，设计的因素水平表见表1。

表1 原糖水解正交实验水平因素表Table 1 Levels and factors of raw sugar hydrolysis orthogonal experiment

2.2.2 正交实验结果分析

正交实验结果与分析见表2和表3。

表2 实验结果Table 2 The experimental result

表3 极差分析Table 3 The analysis of range

根据表3做出各因素的效益曲线，见图4～图6。

图4 各因素对5-HMF的影响Fig.4 The effect of each factor on 5-HMF

图5 各因素对色度的影响Fig.5 The effect of each factor on chroma

图6 各因素对果糖含量的影响Fig.6 The effect of each factor on fructose content

由图4可知，水解pH值升高，反应生成的5-HMF呈下降趋势；反应时间增加，5-HMF的生成量也相应增多；和反应时间的影响一样，反应温度增高，5-HMF的生成量也相应变多。由图5可知，色度随着水解pH的增高而降低，反应时间和温度增高，果葡糖浆的色度都相应提高。综合表3的极差分析，影响5-HMF生成量的各因素主次顺序为：A(水解pH)>C(加热温度)>B(反应时间)，最优水平为A3C1B1；影响果葡糖浆色度的各因素主次顺序为：A(水解pH)>B(反应时间)>C(加热温度)，最优水平为A3B1C1。由图6可知，影响果葡糖浆果糖转化量的各因素主次顺序为：A(水解pH)>C(加热温度)>B(反应时间)，最优水平为A1C2B3。

2.2.3 验证实验

如果以5-HMF的生成量和色度作为考察因素，选取的最优水平下，蔗糖水解度达不到工艺要求，在生产过程中，蔗糖的水解程度应该占主要地位，所以选取的最优条件应该以蔗糖达到工艺水解要求为前提，综合以上3个指标考虑，再根据单因素实验和正交实验的经验，验证实验选取的水解条件为：pH值为2.0±0.1，水解时间为(30±5) min，加热温度为90～93 ℃，做5组平行实验，实验结果见表4。

表4 原糖水解实验结果分析Table 4 Analysis of raw sugar hydrolysis test results

经过对实验数据进行处理和分析，在pH值为2.0±0.1，水解时间为(30±5) min，加热温度为90～93 ℃的条件下重复5次实验进行验证，用t检验法进行检验。

对于果糖含量，在显著性水平α=0.05时，t=1.453。双尾检验时，t0.05，说明在选取的条件下，果糖含量无显著性差异，实验结果有良好的重现性；单尾检验时，00.05，说明验证实验的果糖较正交实验时没有显著增大。

对于5-HMF含量，在显著性水平α=0.05时，t=1.453。双尾检验时，t0.05，说明在选取的条件下，5-HMF的生成量无显著性差异，实验结果有良好的重现性；单尾检验时，00.05，说明验证实验的5-HMF含量较正交实验时没有显著增大。

对于色度，在显著性水平α=0.05时，t=2.06。双尾检验时，t0.05，说明在选取的条件下，色度值无显著性差异，实验结果有良好的重现性；单尾检验时，00.05，说明验证实验的色度较正交实验时没有显著增大。

由表4可知，在选取的实验条件下，果糖的含量占干固物的42%以上，达到工艺的要求，另外，5-HMF的生成量也较低，结果重现性较好，与原料的色度相比，色度值增高的幅度较小，基本满足工艺的需求。

3 结论

通过单因素和正交实验，确定影响5-HMF生成量的各因素主次顺序为：A(水解pH)>C(加热温度)>B(反应时间)；影响果葡糖浆色度的各因素主次顺序为：A(水解pH)>B(反应时间)>C(加热温度)；影响果葡糖浆果糖转化量的各因素主次顺序为：A(水解pH)>C(加热温度)>B(反应时间)。在此基础上，得到工业上原糖回溶糖浆的水解条件是：pH值为2.0±0.1，水解时间为(30±5) min，加热温度为90～93 ℃，获得较好的水解效果。