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离子交换树脂用于蜂蜜脱色的机理探析
据文献记载,早在古代人类就已开始使用阳离子交换剂,而一直到1935年Adams和Holmes发明了合成阴离子交换剂之后,才开创了研制和应用离子交换树脂的新局面,以后随着各种类型的离子交换树脂的相继出现,应用技术不断得到改善,应用范围也日益扩大,并充分显示出了离子交换树脂的优越性和发展潜力。目前,离子交换树脂的应用技术已经形成一个独特的化工操作单元。其应用范围也由最初主要用于水处理工业而发展到化工、电子、环境科学、湿法冶金、分析化学、食品加工、医药卫生等领域中。

离子交换树脂与甜味之间的紧密联系,使其在现代制糖工业中得到极为广泛的应用。在制糖生产过程中,用离子交换树脂交换、吸附有色物质,既可提高清净效率,又可降低糖蜜中非糖成份,增加糖份回收率。在提高蔗糖和甜菜糖质量的同时,还可增加白糖产量,获得制糖业的双赢态势。

1 离子交换树脂

离子交换树脂是一种球形网状固体的高分子共聚物,通常呈半透明或不透明的浅黄、黄色或棕色。不溶于酸、碱和水,但吸水膨胀。对有,机溶剂、氧化剂、还原剂有一定的稳定性,对热稳定。树脂分子含有一定极性基团和非极性基团两部分,膨胀后,极性基团上可交换的离子与溶液中的离子起交换作用,而非极性团则为离子交换树脂的骨架。它具有交换容量高,机械强度好,膨胀性能好,能长期使用等优点。

离子交换树脂的分类法有两种。一是按树脂的物理结构,可将离子交换树脂分为凝胶性、大孔性及载体性等三类;二是根据树脂所带交换基团的性质不同,而将其分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂和其它树脂等。

2 糖类色素的来源及树脂脱色原理

糖类色素来源于不同的有机物的混合物。其中一部分为甘蔗色素、黄酮类化合物、花色苦酚。某些酚可以发生酶促反应或与金属化合物(如铁)反应生成有色化合物。其它类型的色素是糖与有色物质前体反应的产物。例如,类黑色素则是糖与氨基酸作用生成的,另一类色素则是糖受热降解产生的(如焦糖)。有些有色物质是在碱性条件下产生的,如己糖降解产物。这些有机化合物在碱性介质中一般呈阴离子,具有两亲性质,既有亲水性,又有疏水性。

关于离子交换树脂的作用原理文献中已有记述。离子交换反应通常是指离子交换树脂与溶液中的离子互换反应。随着离子交换树脂物理化学结构不同或溶液中离子体系不同,可发生中性盐的分解反应、复分解反应、酸碱中和反应、成盐反应等。当离子交换树脂与溶液接触时,它具有从溶液中吸附诸多非电解质的吸附功能。

离子交换脱色作用包括静电作用和疏水结合力。糖浆色素主要通过两种反应机制与强碱性阴离子树脂结合:其中,树脂上的阴离子以离子键形式与色素阴离子交换;其二,色素的非极性部分与树脂基质中的二乙烯基苯基团以疏水力结合(可以理解为吸附作用)。若用R=N比代表多孔强碱阴离子交换树脂,糖浆色素以F表示,则糖浆的脱色反应为R≡NCL+F=R≡NF+LCL,当然吸附的色素并不呈现化学反应(没有质的变化),只是由于色素对R≡NCL大孔树脂的亲和力大于糖浆中其它介质,而被牢固吸附到树脂的孔中而起到脱色作用。

3 离子交换树脂用于蜂蜜脱色的可行性

⑴蜂蜜是蜜蜂采集了植物的花蜜或分泌物,经过充分酿造而贮存在巢脾内的甜物质。如同白糖的色素取决于其色素一样,浅色蜂蜜由于其味清淡,而深色蜂蜜味重浓烈,所以浅色蜂蜜的商业价值大于深色蜂蜜。这就为蜂蜜脱色处理提出了质的规定性。

⑵蜂蜜是一种高度复杂的糖类混合物,成熟蜂蜜总含糖量达75%以上,占干物质的95%~99%。蜂蜜的前身主要是花蜜,蜂蜜的色泽与蜜蜂采集的蜜源植物有直接的关系。这一点又与白糖色素主要来源于糖源植物基本相似。无论是白糖还是蜂蜜中的矿物质(灰分)含量都是影响糖色度和品质的因素之一。大量的文献资料和实验研究提示,离子交换树脂用于糖浆脱色净化已获成功,并投入制糖工业生产。这就从理论和实践上给我们以启迪,将离子交换树脂用于蜂蜜脱色不仅必要,而且是可行的。

⑶色泽是衡量蜂蜜质量的一项感官指标,一般浅色蜂蜜优于深色蜂蜜,因而在国内和国际市场上都有较大的需求量,价格也看好,这对发展经济,促进西部大开发建设,满足人们物质生活增高的需要是十分重要的,市场的需求就是我们的科研方向。因此,我们要以一种高度责任感和使命感,积极投身离子交换树脂用于蜂蜜脱色、净化的研究。

以上三条充分说明离子交换树脂用于蜂蜜脱色的研究,既是应时之举,又切可行,而且势在必行。

离子交换树脂用于蜂蜜脱色的研究是一项创新性研究。由此可见,我们从事的这项研究工作,没有现成的经验可供借鉴,需要我们去开拓和创新。目前我们对离子交换技术的理论还知之不多,实验装备也较落后,需更新,实验技术也有待提高,我们只有加强对离子交换技术的理论学习,反复进行实验技术的操作,做好精神和物质方面的充分准备,全身心投入到研究中去,才可望获得成功。

离子交换树脂用于蜂蜜脱色的研究是一项系统工程,无论从研究内容上还是它的意义上都不容低估。它们内容广泛、深重,涉及化学、物理等多种学科领域,需要我们旷日持久的探索。这项研究包含不同的层次,近期研究主要是实验阶段,包括建立实验方法,选择适用的树脂,寻找脱色离子交换树脂再生的有效的新方法。进而确证脱色处理提高蜂蜜的色度,减少灰分等非糖杂质,而又无损蜂蜜的营养成分。在提高糖业品质的同时,还可从糖液中回收多种有用物质。远期研究也是更深层次的研究,即扩大试验研究成果进入放大试验阶段,亦即把第一阶段的研究成果扩大运用到工厂化的蜂蜜脱色生产中去,直到熟练掌握该项技术而带来显著的经济效益。


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