果糖生产异构工段辅料优化

李秋红，崔强, ，孙学谦, *，夏颖颖

1. 山东西王糖业有限公司技术中心（邹平 256209）；2. 山东省玉米生物加工循环经济工程技术研究中心（邹平 256209）

结晶果糖生产过程中异构工段为重要工段，葡萄糖液通过异构，其中部分葡萄糖转化为果糖，生成F42果葡糖浆，F42果葡糖浆经过连续色谱分离，提纯为F95，经过结晶提纯后生成结晶果糖。果糖厂为保证异构顺利进行，异构工段需要添加焦亚硫酸钠、Na2CO3和MgSO4·7H2O等辅料，这些辅料经离交去除并随废水排往污水处理厂，硫元素在厌氧反应器中被硫酸盐还原菌代谢成H2S，从而抑制产甲烷菌活性，导致产气量下降，COD降解率下降，给果糖厂离交废水排放带来很大的压力，这是影响果糖厂顺畅生产的因素之一[1]。试验通过优化果糖生产异构辅料，降低果糖厂排放废水中硫元素的含量，降低污水厂的水处理负担，具有良好的环境效益。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

葡萄糖（西王糖业一水糖厂）；葡萄糖液（西王糖业果糖厂）；蛋白胨和酵母浸粉（北京奥博星）；磷酸氢二钾（天津永晟精细化工）；Na2CO3和NaHCO3（上海联试化工）；焦亚硫酸钠，MgCl2·6H2O和MgSO4·7H2O（天津市科密欧化学试剂开发中心）；酵母（安琪酵母）；杰能科异构酶（杰能科（中国）生物工程有限公司）。

1.2 主要仪器与设备。

Φ25 mm×250 mm玻璃交换柱（自制）；JOAN 1 mL移液枪（杭州天裕化工仪器）；PHB-3 pH计（上海三信仪表厂）；JPB-607A便捷式溶解氧测定仪（上海仪电科学仪器）；WAY-ZT阿贝折光仪（上海精科仪器厂）；DT-500电子天平（常熟市金羊天平仪厂）；Waters e2695高效液相色谱仪（沃特斯仪器）；BT300-2J精密流量蠕动泵（山东博科生物）；501A超级恒温器（上海实验仪器厂）；YSQ-LS立式压力蒸汽灭菌锅（上海东亚压力容器制造有限公司）；SHZ-A水浴恒温振荡器（上海博讯）。

1.3 试验方法

1.3.1 液态酵母悬液的制备

100 mL酵母培养基灭菌备用，划取斜面酵母菌落接种，置于32 ℃水浴恒温振荡器，转速100 r/min，培养24 h。

1.3.2 焦亚硫酸钠的抑菌作用

6个250 mL三角瓶中分别倒入100 mL酵母培养基，灭菌放凉备用。以酵母为指示菌，每个三角瓶中分别加入1 mL培养好的酵母菌混悬液，培养基中添加不同浓度梯度的焦亚硫酸钠，添加量分别为0，100，200，300，500和1 000 mg/kg，置于水浴恒温振荡器中，温度32 ℃，转速100 r/min，24 h后观察酵母菌生长情况，考察不同浓度焦亚硫酸钠的抑菌效果。

1.3.3 焦亚硫酸钠的除氧效果

取果糖厂异构柱进料葡萄糖液，其干物浓度为50%，用纯水将糖液的干物浓度稀释为0（即纯水），10%，20%，30%，40%和50%。在糖液中加入焦亚硫酸钠使最终浓度分别为0，100，200，300，400和500 mg/kg，用溶氧仪测定溶液中的溶氧浓度，考察焦亚硫酸钠对料液中溶解氧含量的影响。

1.3.4 不同焦亚硫酸钠浓度的pH缓冲能力

配制不同浓度的焦亚硫酸钠溶液，浓度分别为0，50，100，200和300 mg/kg，用碳酸钠分别调节至pH 7.8，用0.1 mol/L硫酸溶液调至pH 7.0，记录使用硫酸溶液的量，考察焦亚硫酸钠的pH缓冲能力。

1.3.5 焦亚硫酸钠浓度对异构出料果糖含量和pH的影响

将异构酶按照玻璃交换柱体积70%比例添加，前处理后备用。果糖厂异构柱进料葡萄糖液为原料，分为2份，按照异构进料要求添加辅料，其中焦亚硫酸钠添加量分别为100 mg/kg和300 mg/kg，其他辅料添加量不变。添加辅料后葡萄糖液进杰能科异构酶柱进行异构。过程中监测进料pH和进料流量，检测出料pH和果糖含量，分析焦亚硫酸钠浓度对果糖转化量和出料pH的影响。

1.3.6 异构pH缓冲体系的优化

异构进料葡萄糖液为原料，焦亚硫酸钠的添加量为100 mg/kg，MgCl2·6H2O为400 mg/kg，用不同比例碳酸钠/碳酸氢钠缓冲液调节至pH 7.8，用0.1 mol/L稀硫酸溶液调至pH 7.0，记录稀硫酸消耗量，考察不同碳酸钠/碳酸氢钠添加比例的缓冲效果。

1.3.7 用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O的研究

同步进行杰能科异构酶和诺维信异构酶的异构反应。原料为异构进料葡萄糖液，辅料为100 mg/kg焦亚硫酸钠，用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O，其他条件未变，检测异构出料中果糖含量，记录杰能科异构柱和诺维信异构柱的运行结果，考察用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O的可行性。

1.3.8 辅料变化的成本核算及硫元素使用量

异构工段使用优化后的辅料添加，与目前异构辅料添加对比，其生产成本及使用硫元素量核算。考察辅料优化的经济效益和环境效益。

2 结果与分析

2.1 焦亚硫酸钠的抑菌作用

焦亚硫酸钠在食品中允许用作防腐剂、漂白剂、疏松剂、抗氧化剂等，其抑菌机理是释放出二氧化硫生成亚硫酸。以酵母为指示菌，常规培养基中添加不同浓度梯度的焦亚硫酸钠，不同浓度条件下酵母菌生长情况如图1所示。

图1 不同浓度焦亚硫酸钠的抑菌效果

以酵母菌为指示菌，焦亚硫酸钠的浓度即使达到1 000 mg/kg，也没有表现出对微生物生长的强烈抑制作用，所以果糖生产异构工段添加浓度300 mg/kg焦亚硫酸钠的作用不是抑菌。

2.2 焦亚硫酸钠的除氧效果

不同干物浓度葡萄糖液添加不同量的焦亚硫酸钠，用溶氧仪测定溶液中溶氧浓度，结果图2所示。

图2 焦亚硫酸钠不同浓度对溶氧的影响

异构进料的50%干物料液中的溶氧非常低，小于0.2 mg/kg，接近零点；加入焦亚硫酸钠后，料液中的溶氧几乎没有发生变化，在料液中焦亚硫酸钠浓度0~500 mg/kg的范围内，溶氧水平均在0.2 mg/kg左右，由此可见焦亚硫酸钠对于料液并无明显的除氧效果。

2.3 不同焦亚硫酸钠浓度的pH缓冲能力

由表1看出，不同焦亚硫酸钠-碳酸钠浓度的缓冲能力不同，300 mg/kg焦亚硫酸钠提供的缓冲能力是50 mg/kg的2倍，是100 mg/kg焦亚的1.4倍，与200 mg/kg焦亚相差不大，所以焦亚硫酸钠-碳酸钠的缓冲能力与浓度明显相关。

表1 不同浓度焦亚对物料的缓冲能力

2.4 焦亚硫酸钠浓度对异构出料果糖含量和pH的影响

由图3和图4可以看出，在异构过程中，焦亚硫酸钠浓度为300 mg/kg或100 mg/kg对果糖转化量没有明显区别；焦亚硫酸钠-碳酸钠组成的缓冲体系有明显区别，高焦亚硫酸钠浓度出料pH高于7.0，而低焦亚硫酸钠浓度缓冲能力弱，出料pH低于7.0。异构反应需要中性偏碱环境中才能高效完成，中性偏酸环境中酶活力损失会加快，所以低焦亚硫酸钠添加浓度对异构酶的长期运行存在风险，所以需要对异构工段pH缓冲体系进行优化。

图3 焦亚硫酸钠浓度对异构出料果糖含量的影响

图4 焦亚硫酸钠浓度对异构出料pH的影响

2.5 异构pH缓冲体系的优化

从表2可以看出，额外添加NaHCO3确实能够增加料液的碱度，提高异构缓冲系统的pH缓冲能力，Na2CO3与NaHCO3质量比为1∶2时，系统缓冲能力是单独使用Na2CO3的1.6倍。

表2 不同碳酸钠/碳酸氢钠比例缓冲液稳定性

2.6 用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O的研究

Mg2+对异构酶有激活作用，可以维持酶的活性，并与Ca2+竞争酶的活性中心。也就是说，加入MgSO4·7H2O的作用是提供Mg2+而不是SO42+，为降低辅料中添加硫元素含量，用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O。MgSO4·7H2O中Mg2+含量为9.7%，MgCl2·6H2O中Mg2+含量为11.8%，所以410 mg/kg的MgCl2·6H2O和500 mg/kg的MgSO4·7H2O中Mg2+含量相当。

原料为离交出料葡萄糖液，辅料为100 mg/kg焦亚硫酸钠，用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O，其他条件未变，异构柱运行结果如图5所示。

由图5可以看出，用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O作为异构工段添加辅料后，与之前运行数据相比较，异构出料的果糖含量未发生异常，所以用MgCl2·6H2O代替MgSO4·7H2O具有可行性。

图5 异构酶柱运行情况

2.7 异构辅料优化后异构出料情况

异构效果考察指标主要是异构出料的果糖含量和pH。由图6和图7可以看出，辅料优化前后，异构出料的果糖含量基本无变化，异构出料的pH基本一致，基本可以维持在pH 7.1~7.4，所以优化后辅料添加可以维持异构的正常进行。

图6 异构辅料优化前后出料果糖含量的变化

图7 异构辅料优化前后出料pH的变化

3 结论

果糖生产过程中焦亚硫酸钠抑菌和溶氧作用并不显著，焦亚硫酸钠浓度对焦亚硫酸钠-碳酸钠的pH缓冲能力有影响。

异构工段辅料添加优化：焦亚硫酸钠添加量100 mg/kg，MgCl2·6H2O添加量400 mg/kg，Na2CO3∶NaHCO3质量比1∶2。

焦亚硫酸钠添加量的减少和MgSO4·7H2O的被替代可减少离交废水中83.78%硫元素含量。