2013
焦糖色素是一种浓黑褐色粘稠物质， 可溶于水， 着色力强，性质稳定，有特殊的焦香味，被广泛应 用于食品、医药、调味品、饮料等行业，是食品工 业中最常用的着色剂[1]。由于酶促褐变、非酶促褐 变、微生物活动、工艺和设备等原因，制糖生产过 程会产生大量色素类非糖分，具体包括酚类色素、 焦糖色素、美拉德色素和己糖碱性降解色素等。蔗 糖热分解成深咖啡色焦糖色素，和美拉德色素一起 都属于焦糖色素， 占各种制糖色素总量的 70%以上。 色素类非糖分是造蜜剂，其存在会影响糖品的品质 和产量[2]。
目前有关焦糖色素的研究主要集中在 3 方面： 焦糖色素的生产工艺、性质和应用[3,4]；潜在有害成 分如 2-甲基咪唑（MEL）和 4-MEL 的形成机理、检 测和控制[5,6,7,8]；焦糖色素的物理法、化学法和生物法 脱色等[9,10,11,12]。其中与制糖工业直接相关的焦糖色素 研究包括：利用甘蔗糖蜜制备焦糖色素[4]；酶催化 降解耕地白糖中焦糖色素[9]和糖蜜酒精废液中焦糖 色素的锰矿氧化降解[10]。制糖糖浆精制脱色通常采 用离子交换树脂法或大孔树脂[12]，但是制糖色素是 多种色素的混合，具体到焦糖色素在树脂上的吸附 规律的研究报道还少见。 笔者前期预试验结果表明， 离子交换树脂对荷电的美拉德色素、己糖碱性降解色素的吸附性能明显好于不荷电的焦糖色素。本文 以自制制糖焦糖色素，模拟糖浆中通过高温产生的 焦糖色素，探讨其在大孔树脂上的吸附规律，为制 糖工业糖浆清净或澄清单元操作提供参考。
树脂，SD300 型和 201×7 型，浙江争光实业股 份有限公司生产；己糖碱性降解色素、美拉德色素 和焦糖色素，自制；TU-1801PC 型紫外可见分光光 度计，由北京谱析通用仪器有限责任公司生产； 0.45μm 微孔滤膜过滤器，海宁市盐官正浩过滤器材 厂生产；2W 型阿贝折射仪，上海光学仪器五厂生 产。
SD300 和 201×7 型树脂：取 60 mL 树脂，以 蒸馏水浸泡 12 h 后水洗至出水无杂质， 再以 2BV 的 4%NaOH 搅拌浸泡 4 h，用清水洗至 pH8～9，再用 2BV的 4%HCl溶液搅拌浸泡 4 h， 用清水洗至 pH4～ 4，备用。
将白砂糖磨成粉，于 155℃下烘 4 h，再将其溶 于水，定容至 1 L，过滤除去不溶物，调 pH 至中性。
分别取 5 g 经预处理过的 SD300 树脂于 6 个烧 杯中，分别加入已经 0.45μm 微孔滤膜过滤的焦糖 色素 100 mL， 锤度分别为 1.2、 1.8、 2.6、 3.5、 4.6 °Bx， 于 60℃下水浴搅拌 1 h 后，测其吸光度 OD420及锤 度。根据实验结果按照公式（1）计算脱色率，以脱 色率对样品溶液初始锤度作图，结果见图 1。从图 1 可知，在实验锤度范围内样品溶液锤度越低，焦糖 色素溶液脱色率越高，因此选择 1.2～1.8 °Bx 色素 浓度范围进行后续实验。
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图 1 锤度对 SD300 树脂吸附焦糖色素的影响 |
分别取 5g 已经预处理的 SD300 树脂于 6 个烧 杯中，分别加入已经微孔滤膜过滤的焦糖色素 100mL，调节锤度至 1.5 °Bx，分别在温度 30、40、 50、60、70、80℃下水浴，搅拌 75 min，测其吸光 度。脱色前 1.5 °Bx 焦糖色素吸光值为 1.536。根据 实验结果按照公式（1）计算脱色率，以脱色率对样 品溶液初始锤度作图，结果见图 2。
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图 2 温度对 SD300 树脂吸附焦糖色素的影响 |
由图 2 可知，在 40～80℃的实验温度范围内， 随着温度的升高，SD 300 树脂对焦糖色素的吸附量 增加，焦糖色素样品溶液脱色率增加，在 80℃时样 品溶液脱色率达到 63.2%。根据厂家提供的树脂使 用说明，树脂工作温度最好不要超过 80℃，因为高 温会影响树脂树脂使用寿命，因此 SD300 用于焦糖 色素脱色的适宜温度为 80℃。
在 250 mL 烧杯中分别加入已经 0.45μm 滤膜 过滤的焦糖色素溶液 100 mL，调节锤度至 1.5 °Bx，分别取 5 g 经预处理过的 SD300 树脂放入烧杯中， 在一定温度（40、50、60、70、80℃）下经水浴和 搅拌处理一定时间（15、30、45、60、75 min） ，测 其吸光度 OD420以及锤度。根据实验结果按照公式 （1）计算脱色率，以脱色率对样品溶液初始锤度作 图，结果见图 3。从图 3 可看出，时间越长，脱色 效果越明显， 到 60 min 左右脱色效果开始趋于平缓。
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图 3 时间对 SD300 树脂用于焦糖色素脱色的影响 |
用 30 目和 60 目筛在蒸馏水中对已经预处理过 的树脂分级，取粒径大于 30 目树脂和 30～60 目树 脂各 5.0g 分别加入到配制好的 1.5 °Bx 的焦糖色素 溶液中，于 60℃下水浴搅拌加热 75 min，取样分析 溶液锤度和 OD420。原样液在 420nm 下吸光度为 1.536。根据公式（1）计算脱色前后溶液的脱色率， 结果如图 4 所示。从图 4 可以看出，粒径小的树脂 脱色效果更好， 但是与粒径大于 30 目的树脂脱色效 果相差不明显。
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图 4 粒径对 SD300 树脂富集焦糖色素的影响 |
利用等温吸附方程能够说明吸附剂对吸附质的 吸附类型，为吸附机理的研究和探讨提供依据。一 般以 Langmiur 等温吸附方程和 Freundlich 等温吸附 方程来描述大孔树脂对色素的吸附行为[13]。
Langmiur 等温吸附方程见公式 （2） ， Freundlich 等温吸附方程见公式（3） 。
式中，Γe 为平衡吸附量，Γm 为饱和吸附量， KL为 Langmiur 吸附常数，Ce为平衡浓度，KF为 Freundlich 吸附常数，n 为常数。
将试验数据分别用 Langmiur 方程和 Freundlich 方程进行线性拟合，并根据拟合直线的斜率和截距 求得相关吸附参数，结果如图 5、图 6 及表 1。由线 性方程的决定系数 r2的对比可知，Freundlich 方程 的拟合程度更好，说明 Freundlich 等温吸附方程能 更好地描述大孔树脂对焦糖色素的吸附过程。
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图 5 Freundlich 等温吸附曲线 |
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图 6 Langmiur 等温吸附曲线 |
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表 1 大孔树脂 SD300 对焦糖色素的等温吸附参数 |
（1）大孔树脂 SD300 对焦糖色素溶液脱色的 最佳工艺条件是树脂粒径 30～60 目、操作温度 80 ℃、料液锤度 1.5 °Bx、脱色时间 1 h。
（2） Freundlich 和 Langmiur 方程 2 种吸附模型 对吸附试验数据线性拟合的结果表明，大孔树脂 SD300 对焦糖色素溶液的吸附更符合 Freundlich 等 温吸附方程。
（3）实际制糖生产中，蔗汁焦糖色素的锤度小 于 1.5 °Bx， 可以推测 SD300 树脂对蔗汁中焦糖色素 的脱色率会更好，但有待实验的进一步验证。
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