玉米淀粉糖生产中离子交换树脂的应用研究

随着制糖工艺的日益精进，玉米淀粉糖成为糖浆制造中备受青睐的原料。传统糖浆制备主要采用酶或酸催化玉米淀粉糖转化，容易导致糖浆品质参差不齐。相比之下，离子交换树脂技术的应用为原材料提供了卓越的纯化与分离效果，产出的糖浆品质稳定、色泽清浅，且灰分含量极低。尤为重要的是，该技术无需添加二氧化硫，有效规避了可能引发的过敏反应，保障了消费者的健康安全。本文深入探讨并研究了离子交换树脂在玉米淀粉糖生产流程中的具体应用及其优势。

一、玉米淀粉糖概述

玉米淀粉糖以玉米为原料，通过湿磨或干磨工艺打碎成粉末状，并与水混合进行水化处理，使淀粉颗粒膨胀，方便后续糖化反应。水化后的玉米淀粉进入糖化阶段，而糖化是将淀粉分解为低聚糖和单糖的关键步骤。常见的糖化方法包括酶法和酸法，其中酶法水解因温和的反应条件和较高的选择性逐渐成为主流。酶法糖化中，α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶是常用的催化酶，分别负责淀粉的大分子链断裂和产物的进一步水解。酸法糖化主要使用稀硫酸或盐酸作为催化剂，在高温下水解，生成的糖液须经过中和处理以去除酸性物质。

糖化后的产物是含有葡萄糖、麦芽糖等糖类的液体混合物，需要进一步处理以去除杂质，比如溶解性的蛋白质、脂肪及其他非糖物质。在分离与精制阶段，常采用离子交换、吸附、过滤等手段去除糖液中的杂质，并通过蒸发浓缩提高糖液的糖度。

对于不同用途的玉米淀粉糖，精制过程可能还涉及脱色和脱臭，其中脱色主要使用活性炭或离子交换树脂去除糖液中的色素物质，提升产品的外观和质量。经过精制后的糖液可根据需要进行浓缩、干燥，得到玉米糖浆或结晶葡萄糖等最终产品。

该工艺不仅要求高效的催化和分离技术，还需精细控制反应条件和温度，以确保最终产品的纯度和品质。随着技术不断进步，酶法糖化、离子交换树脂纯化等新技术得到了广泛应用，显著提升了玉米淀粉糖生产的效率和环保性。

二、离子交换树脂及其作用

离子交换树脂外观呈颗粒圆球状，有助于提升树脂与溶液的接触面积，提高离子交换效率。它的工作机制基于离子置换原理，强调将树脂中的离子与溶液中的目标离子进行交换，从而实现对溶液中特定离子的吸附与去除。该过程类似于一块智能海绵，能自主选择在溶液中吸附何种离子。离子交换树脂的具体作用如下：

（一）去除水中阴、阳离子

离子交换树脂凭借高效的离子去除能力，成为水处理领域不可或缺的材料。当树脂被应用于水中时，能替代活性炭等传统材料，有效吸附并去除水中的阴、阳离子，包括金属离子（如铁、锰离子等）、氯离子、镁离子、钙离子等，从而达到净化水质、去除污染物、消除异味与色度的目的。此外，离子交换树脂还能对水进行软化处理，使其达到饮用或工业用水标准，为水资源的可持续利用提供了有力支持。

（二）提取、分离、浓缩、提纯离子

离子交换树脂还被应用于医药行业，通过精确控制树脂的离子交换性能，可实现对药物离子的高效分离与提纯，从而提高药物的纯度和疗效。随着中药现代化进程加速，离子交换树脂在中药提纯方面的应用也日益广泛，为中药产业的转型升级提供了有力支撑。

（三）水解、合成处理

离子交换树脂还可应用于食品行业。以糖浆生产为例，淀粉原料首先经过水解处理，将淀粉分解为葡萄糖等单糖，随后通过离子交换树脂进行置换与合成处理，实现提纯并优化糖浆品质。这一过程不仅提高了糖浆的产量和质量，还降低了生产成本，为食品行业的可持续发展做出了贡献。

（四）可作为催化剂，进行酯化、酯交换、水合反应

离子交换树脂在合成化学和石油化学工业中可作为催化剂，参与酯化、酯交换、水合等化学反应。与传统无机酸或碱相比，离子交换树脂具有更高的催化效率和更广的适用范围，能显著降低反应温度和压力，提高反应速率和产率。

三、离子交换树脂精制工艺

离子交换树脂通过与液体中的离子进行交换，可去除不需要的离子和分子。树脂的种类和结构决定了其特定的交换能力，常用的离子交换树脂包括阳离子交换树脂（如强酸型树脂等）和阴离子交换树脂（如弱碱型树脂等）。阳离子树脂主要用于去除糖液中的钙、镁、钠等金属离子，阴离子树脂则负责去除有机酸、色素和其他带负电荷的杂质。通过阳离子树脂和阴离子树脂的串联或并联使用，能高效去除糖化液中的杂质。在此过程中，糖化液在预处理如使用活性炭或树脂吸附剂进行脱色处理后，经过离子交换树脂床，可最大程度地去除杂质，而树脂床的选择、排列及使用方式会直接影响精制效果。

离子交换树脂精制工艺流程有多种，最为普遍的是“阳→阴→两床两套并联使用”和“阳→阴→阳→阴四床串联使用”两种方式。前者主要通过两对阳阴树脂床并联工作，当一对床的树脂交换能力衰减时，另一对床继续工作，从而确保生产的连续性和稳定性；后者则主要使用四床串联的方式，进一步增加了树脂的交换能力和处理效果。

对于特定工艺，还可采用混合床的方式，旨在通过阳阴树脂床和混合床的结合提升糖液纯度。其中，阳床和阴床的配置直接关系着树脂的使用效率。阳床使用强酸型阳离子交换树脂，去除水中的阳离子；阴床则使用弱碱性阴离子交换树脂，去除阴离子杂质。两者的相互配合，能实现对杂质的全面去除，确保糖液质量稳定。

在淀粉糖的生产过程中，糖浆会受到原料、催化剂和水等因素的影响而产生杂质，包括无机盐、有机酸、有色物质以及含氮化合物等，不仅降低了糖浆的质量和纯度，还影响了结晶的稳定性。对此，离子交换树脂凭借卓越的吸附与离子交换能力，在糖浆的精制过程中起到了至关重要的作用。经树脂吸附剂或活性炭脱色后的玉米淀粉糖化液，通过使用离子交换树脂精制，可高效去除大部分杂质，尤其是色素、有机酸和灰分等关键成分，显著提升糖浆的纯度。

经实践应用验证，采用离子交换树脂进行分离与纯化后的糖浆品质提升效果显著。对经过精制的糖浆进行成分分析，结果显示，其中的灰分含量极低，普遍维持在0.05%以下的水平。鉴于灰分与有色物质是决定糖浆色泽的关键因素，精制后的糖浆即便在长时间的储存过程中也能保持色泽稳定，不发生变色现象。

此外，离子交换树脂的应用还显著加快了结晶过程，提高了整体产率。在果葡糖浆的生产领域，由于灰分等杂质会对异构酶的稳定性构成威胁，对糖化液实施离子交换树脂的精制处理同样不可或缺，这是确保最终产品既优质又稳定的关键步骤。

四、离子交换树脂在玉米淀粉糖生产中的应用

（一）离子交换树脂在麦芽糖和饴糖生产中的应用

离子交换树脂在麦芽糖和饴糖生产中主要用于精制糖液、去除杂质，如灰分、色素、蛋白质和有机酸等，进而提高最终产品的纯度和透明度。在生产过程中，糖液经过液化和糖化处理后会使用离子交换树脂作进一步精制，而离子交换树脂主要通过交换溶液中的阳离子和阴离子去除杂质。强酸性阳离子交换树脂能与糖液中的钠、钙、镁等阳离子发生交换，将其置换为氢离子，形成低pH环境，助力去除蛋白质及其他不溶性杂质；弱碱性阴离子交换树脂可去除无机酸、典型有机酸和色素，进一步提高糖液的清澈度。在实际应用中，强酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂通常结合使用，前者用于去除中性盐，后者则进一步吸附阴离子，达到更高的精制效果。离子交换树脂的优势不仅体现在高效去除杂质，还凭借其再生能力降低了生产成本，树脂经过酸洗再生后能恢复交换能力，保持精制工艺的高效性。

（二）离子交换树脂在葡萄糖生产中的应用

在葡萄糖的生产过程中，淀粉可通过酸或酶的水解反应转化为葡萄糖溶液，但由于原料淀粉的来源不同，水解后的葡萄糖液中含有多种杂质，包括无机盐、电解质、色素、蛋白质、有机酸、氨基酸、脂肪、单宁类物质等。这些杂质成分复杂，分子量大小不一，既有小分子化合物，又有大分子胶体物质，不仅影响了葡萄糖的纯度和质量，还可能对后续加工工艺产生不利影响。因此，精制葡萄糖液以去除杂质是生产过程中至关重要的环节。

离子交换树脂因强大的杂质去除能力，在葡萄糖生产中的应用愈发广泛，能高效去除葡萄糖液中的电解质杂质、无机物、有机酸、色素、蛋白质以及某些高分子物质。在实际应用中，离子交换树脂先用于去除葡萄糖液中的无机盐和电解质成分，再通过阳离子和阴离子交换反应去除其他杂质。一方面，阳离子交换树脂通过将葡萄糖液中的钠、钙、镁等阳离子与树脂上的氢离子交换，降低液体中的钙离子和镁离子浓度，实现杂质去除；另一方面，阴离子交换树脂用于去除葡萄糖液中的有机酸、色素以及一些极性有机物。通过离子交换作用，树脂能够吸附葡萄糖液中的酸性物质，减少酸味并去除色素，从而提高葡萄糖的透明度和纯度。

在离子交换树脂使用前需要进行预处理，以提高精制效果。例如，使用活性炭对葡萄糖液进行脱色处理，活性炭能吸附和去除葡萄糖液中的色素、某些有机物和蛋白质，从而减少杂质的干扰。脱色效果会受到活性炭种类、用量、温度、时间等因素的影响，合理调整这些条件可在较短时间内实现良好的脱色效果。活性炭的使用不仅为后续离子交换树脂处理提供了一个清洁的基质，还有效提高了最终葡萄糖产品的外观质量。

在离子交换树脂的选择上，常用的是强酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂。强酸性阳离子交换树脂具有较强的交换能力，能快速、有效地去除葡萄糖液中的钠、钙、镁等阳离子，减少无机盐的干扰；弱碱性阴离子交换树脂主要用于去除有机酸和色素，能显著改善葡萄糖液的色泽和口感。两者结合使用，能实现对葡萄糖液的全面精制，提高糖液的纯度和透明度。

综上所述，离子交换树脂不但能有效去除糖浆中的多种杂质，尤其是色素、有机酸、灰分及无机盐等，显著提高糖浆的纯度和结晶的稳定性，而且操作简便、效果显著，具有较高的选择性和重复使用性，可减少生产成本和环境负担。未来，随着技术不断发展，离子交换树脂的性能会得到进一步优化，从而在食品工业领域得到更广泛的应用。

作者简介：汤桂标（1972—），男，汉族，广东五华人，工程师，大学本科，研究方向为食品工艺工程。

黄彩平（1987—），女，汉族，广东湛江人，工程师，大学本科，研究方向为食品工艺工程。

吴华维（1977—），男，汉族，广东吴川人，助理工程师，大学专科，研究方向为食品工艺。