活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭对甜菜糖浆的脱色作用

　　为了以经济有效的方式生产高质量的糖，还是很有必要开发新的方法和技术。通常，优质糖生产线包括几个步骤。首先，将生糖浆进行浸灰，碳化，然后热处理以消除某些形式的杂质。初始处理过程中升高的温度和pH值促进了美拉德和碱的降解反应，导致形成了较重的着色剂。黑素类化合物是还原糖和氨基酸之间发生的非酶促褐变反应的产物，是影响产品颜色的关键。糖浆中存在有机色素，例如黑色素，碱性降解产物，焦糖等。本次我们使用活性炭用于从甜菜糖浆中吸附有机着色剂。同时，葡萄糖氧化酶原位产生过氧化氢有助于将重质着色剂分解为较小的分子。在这方面，结合了物理吸附(使用活性炭)和化学氧化(通过氧化酶原位产生的过氧化氢)来同时吸附和降解在原料糖浆初始处理阶段产生的颜色前体。

　　活性炭的脱色性能

　　活性炭被广泛用于许多工业过程中，例如分离，纯化，催化和电解。近年来，由于其高的内表面积和表面官能化基团，它已被用作糖浆脱色过程中的有效吸附材料。有案例显示使用韩研糖浆专用活性炭用来工业甜菜糖浆的脱色，每100克糖浆使用0.2–1克活性炭，可达到82%的脱色性能。通过将物理吸附过程与化学氧化相结合，可以提高活性炭的脱色性能。过氧化氢是一种可生物降解的氧化剂，由于其分解而产生活性氧自由基。这些活性氧(例如羟基)可将大量有机化合物降解为矿物质。

　　酶浆脱色工艺

　　与活性炭单独获得的脱色性能相比，评估了建议的活性炭加氧化酶的方法对甜菜糖浆脱色的效率。根据初步实验确定的最佳条件为：pH7和30°C的温度。对该过程进行监控，并将获得的结果显示在图1中。通过吸附过程120分钟后，活性炭使甜菜糖浆的脱色率达到35.29%。另一方面，在操作10分钟后，活性炭与酶促反应的结合将糖浆的脱色率从10.13提高到68.27%，证明了化学氧化反应可有效降解溶液中存在的有机化合物。运行120分钟后，使用活性炭加氧化酶的组合工艺发现的除色效率为84%。通过添加氧化酶和葡萄糖，甜菜糖浆的脱色增加可以归因于由酶促反应产生的活性氧物质对有机着色剂的降解。另一方面，着色剂在活性炭上的吸附受到限制，并且脱色结果相对较低。

　　图1：通过活性炭吸附和拟议的活性炭加氧化酶工艺对甜菜糖浆脱色效率的比较。

　　糖浆pH值的影响

　　溶液的pH值会极大地影响酶的活性，氧化酶在pH5.5时表现出最高的酶活性。但是，有机物在活性炭上的吸附能力高度取决于溶液的pH值。另外，过氧化氢在活性炭上的吸附对于其分解和形成羟基自由基(取决于pH值)是必需的。因此，确定最佳pH值对于获得更高的脱色效率是必要的。pH7是脱色过程的合适值，提供了着色剂在活性炭表面的吸附以及它们被过氧化氢分解产生的活性氧的氧化作用的最高组合。

　　游离氧化酶对活性炭可重复使用性的研究

　　化学过程的可持续性是其可能在现实世界中应用的重要参数。催化剂的可重复使用性也是影响该方法的可持续性和成本效益的重要因素。催化剂由于其理化性质的改变和表面上化学物质的物理吸附而趋于丧失其催化活性，从而损害了它们的整体性能。为了评估活性炭在组合酶工艺中的可重复使用性，在工艺的最佳条件下对糖浆进行脱色。然后，从反应介质中提取活性炭颗粒，并在40℃的烘箱中干燥30分钟。回收的活性炭颗粒与新鲜的氧化酶酶一起用于另外两个120分钟的脱色循环中。在三个连续的循环中，再生活性炭的脱色性能几乎稳定，第二次和第三次运行后分别从84%降至82.06%和80.22%。在上一轮中下降了3.46%，可忽略不计。活性炭有希望的可重用性可以通过介质中自由基的存在来解释，这些自由基能够通过活性炭降解吸附的有机化合物。使用固定在活性炭颗粒上的氧化酶研究了糖浆的脱色过程。该实验的结果示于图2。与游离酶相比，使用固定化酶的最大脱色效率从84%降低至67.34%。

　　图2：甜菜糖浆经氧化酶固定的活性炭颗粒和组合的活性炭和氧化酶的脱色。

　　活性炭对甜菜糖浆的脱色作用的研究中，通过使用活性炭颗粒和葡萄糖氧化酶，提出了一种甜菜糖浆脱色的新方法。氧化酶同时存在和有机色素在活性炭颗粒表面的吸附导致甜菜糖浆的快速脱色。活性炭的脱色过程是可持续性的，所提出的脱色方法在30°C的中性pH下达到了合适性能，与更传统的方法(例如在酸性环境中进行的硫酸化方法)相比，从经济和工业角度来看，这可以认为是理想条件(pH4)在100°C的温度下。此外，通过生物过程以生态友好的方式生产了过氧化氢，从而提高了过程安全性。在连续三个循环后检查糖浆脱色过程中活性炭颗粒的可重复使用性，在最后一次运行中下降了3.46%，可忽略不计。活性炭是有希望的可重用性和酶固定化的可能性，再加上上述优点，使得活性炭和氧化酶组合工艺成为普通糖脱色技术的显着替代品。

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