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酰胺化果胶的亚氯酸钠脱色技术研究
2018/11/6 10:40:26
果胶作为天然植物提取物,具有优良的功能特性;可以作为食品加工中的胶凝剂、稳定剂、增稠剂、悬浮剂和乳化剂,添加到奶制品、冰激凌、饮料、糖果、焙烤食品等中,能显著改善和提高食品的品质。果胶对人体还具有诸多保健功能,可以降低血糖、血脂和胆固醇,对糖尿病、胃溃疡、高血压、便秘等慢性病有一定疗效,还可作为解毒剂和血浆替代品。随着市场需求的变化,苹果果胶产品将向着多元化发展,具有不同特点或功能的果胶产品将日益增长。因此,果胶在食品、医药和化妆品等行业,具有广阔的市场前景[1]。
商品化果胶主要分为高酯果胶和低酯果胶两大类,它们之间的主要区别是果胶甲酯化的不同,其中低酯果胶又可细分为普通低酯果胶和酰胺化果胶。酰胺化果胶在果胶的主链上除了游离的羧基、甲酯化的羧基,还存在酰胺基团。因此,酰胺化果胶在应用的过程中,除存在分子链之间的羧基与羧基之间的氢键结合、甲氧键的疏水作用、游离羧基与钙形成“鸡蛋盒”模型之外,还存在酰胺键之间的氢键作用。独特的分子结构决定了酰胺化果胶与普通果胶在应用性质有很大的不同,酰胺化果胶可以在更宽的固形物、钙含量,以及 pH 值范围内形成人们期望的产品质构。据统计,在 2009 年酰胺化果胶的市场份额占总果胶市场份额的 1/4,远大于普通低酯果胶的市场份额,并且随着人们对低糖、低热量食品的青睐,可以预见酰胺化果胶的应用会越来越广。
酰胺化果胶是利用高酯果胶为原料,用氨在低温下进行脱酯并酰胺化的产品。苹果中存在的多酚、黄酮类色素以及花青素等物质在高 pH 值下产生褐变,严重地影响了最终产出的酰胺化果胶的品质[2]。
根据不同脱色的方法,可以分为物理脱色、化学脱色和生化脱色。物理脱色包括常用的活性炭吸附、重蒸馏,以及萃取脱色等。由于活性炭的颗粒细小、比表面积大,容易进入到最终的果胶粉末中,降低产品质量,不予采用;其他的物理处理方式对果胶的生产工艺都不适合。化学脱色主要有双氧水、Cl O2,BPO 和 SO2等[3]。
亚氯酸钠是一种高效的氧化剂和漂白剂,这种脱色剂在酸性条件下发生分解产生 Cl O2这种高效脱色成分,有很好的漂白效果,目前被广泛地应用在造纸工业、污水处理、饮水净化、食品工业、纺织工业、皮革工业、化学工业等领域。
亚氯酸钠的氧化脱色原理:亚氯酸钠在碱性条件下较稳定,在酸性条件下不稳定,易发生分解,其分解反应式如下:
5ClO2-+2H+→4ClO2+Cl-+2OH-;
3ClO2-→2ClO3+Cl-;
Cl O2-→Cl-+2[O][4].
1 材料和方法
1.1 材料与仪器
亚氯酸钠,上海埃彼化学试剂有限公司产品;硝酸、酒精,莱阳精细化工厂产品;氨水,烟台三和化学试剂有限公司产品。以上材料均为分析纯。
FE20 型 p H 计、DL6001- S 型电子天平,METTLERTOLEDO 公司产品;酒精计,河北武强县同辉仪表厂产品;CR400 型色差计,KONICA MINOLTA 公司产品;RW20 型搅拌桨,IKA 公司产品;150 目筛网,市售。
1.2 试验方法
1.2.1 酰胺化果胶 (脱色前) 的生产
取经过提取的苹果清汁 (DE 55%~58%) 浓缩至果胶质量分数 2%,在 pH 值 11、温度 10 ℃、反应240 min 后,生成酰胺化果胶 (DE~30%,DA~20%);加酸调节至 pH 值 2~3,使用体积分数 65%的乙醇进行沉淀,沉淀比例 1∶3,并保持 10 min 后过滤,备用[5]。
1.2.2 亚氯酸钠脱
固定酒精体积分数 65%,体系 pH 值 2.9 的情况下,使用质量分数 1.0%,1.2%和 1.5%的亚氯酸钠对果胶进行脱色。
固定酒精体积分数 65%,在亚氯酸钠质量分数为 1.5%的条件下,考察在 pH 值为 2.9,3.2 和 3.6 的条件下对果胶色值的影响。
固定体系的 p H 值 2.9,亚氯酸钠的质量分数1.5%,考察体系酒精体积分数 60%,65%和 70%条件下对果胶色值的影响。
1.2.3 氯离子的清洗
清洗固定酒精体积分数 60%,清洗 1 次,监控清洗酒精中的氯离子含量。使用 60%,65%和 70%的酒精对果胶进行 5 次清洗,并监控果胶中氯离子的含量。
1.2.4 脱色前后果胶性质的对比
通过检测果胶的各种物化指标,观察脱色前后果胶性质的变化。
2 结果与分析
2.1 亚氯酸钠脱色
2.1.1 亚氯酸钠添加量对 LMA 果胶色值影响
不同固体亚氯酸钠添加量下果胶色值随时间的变化关系见图 1。
从图 1 可以看出,随着时间的延长,果胶色值在不断改善。另外,相同反应时间下,随着亚氯酸钠添加量的上升,果胶的色值呈上升趋势。
2.1.2 脱色体系的 pH 值对 LMA 果胶色值的影响
不同 pH 值条件下果胶色值随时间的变化关系见图 2。
由图 2 可以看出,随着脱色时间的延长,果胶色值的改善情况。随着 pH 值的升高,在相同的反应时间内,果胶的色值在下降,主要原因是 pH 值升高后,体系中游离的羧基含量减少,影响了亚氯酸钠的脱色效果[6]。
2.1.3 酒精体积分数对脱色效果的影响
不同酒精体积分数下果胶色值随时间的变化关系见图 3。
从图 3 可以看出,随着酒精体积分数的降低,亚氯酸钠的脱色效果越好。这是由于随着酒精含量的降低,酒精中的水分增加,亚氯酸钠中 Cl O2的释放量容易增多,所以脱色效果显著。低体积分数的酒精有利于减少原辅料的消耗,通过试验发现低于60%的酒精,果胶开始发黏,不利于后续分离操作。
2.2 脱色完成后果胶的酒精清洗
2.2.1 清洗时间对清洗效果的影响
从图 4 可以看出,随着清洗时间的延长,氯离子的含量逐渐降低,超过 10 min 后,酒精中的氯离子含量升高较为缓慢,说明此时果胶中的氯离子基本上完成了向酒精的扩散过程。
2.2.2 清洗酒精体积分数对清洗效果的影响
不同酒精体积分数下,果胶中的氯离子与清洗次数之间的关系见图 5。
从图 5 可以发现,随着酒精体积分数的降低,清洗效果愈加明显,因为低体积分数酒精中的水含量较高,更易于将氯离子带走。
2.3 脱色前后果胶性质的比较
2.3.1 脱色前后果胶色值的比较
脱色前后果胶颜色的变化见图 6。
脱色前果胶中,由于多酚以及色素的影响,造成果胶粉末颜色呈明显的褐色,通过亚氯酸钠脱色之后,果胶的颜色有了明显的改观,呈鲜亮的黄色,果胶的颜色品质得到极大的提升,达到期望品质,可以同国外的酰胺化果胶颜色相媲美。
2.3.2 脱色前后果胶各理化性质的比较
脱色前后果胶各理化性质的比较见表 1。
从表 1 可以看出,通过脱色后的果胶,性质无明显改变,说明在上述亚氯酸钠脱色的条件下,亚氯酸钠对果胶的氧化破坏作用不太明显。
3 讨论
3.1 亚氯酸钠脱色
商业化的果胶通常要求色值达到 80 以上,同时需注意在低 pH 值下,亚氯酸钠会发生剧烈反应,产生危险。综合色值要求并兼顾安全性,将亚氯酸钠脱色参数确定为 pH 值 3.2,亚氯酸钠添加量 1.2%,酒精体积分数 60%,脱色 3 h。
3.2 脱色完成后酒精的清洗
脱色完的果胶需要将氯离子降低到一个合理的水平,通过试验论证,采用 60%酒精,清洗 4 次,每次清洗 10 min,可有效降低酒精中氯离子的含量。
4 结论
通过控制好液体亚氯酸钠的质量分数以及酒精体系的 pH 值和酒精体积分数,可以在保证不影响果胶应用质量的前提下,极大地改善果胶的颜色品质;同时通过有效的酒精清洗,可以大大降低亚氯酸钠脱色所带来的氯离子升高的负面影响。
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