结晶果糖的生产一般是先获得高纯度果糖浆,再通过控制结晶而得到。结晶果糖的国家标准见GB/T 26762-2011。对于高纯度果糖浆的生产,原料主要有菊粉、蔗糖及淀粉,也有关于苹果作为原料的相关报道。其中,利用菊粉为原料由于酶及工艺复杂性很难工业化应用。蔗糖较淀粉而言,由于制备过程中不会产生低聚糖,产品纯度高,因此在医药行业应用较多,近几年相关报道及应用较多。然而,目前结晶果糖主要加工工艺仍然是以淀粉为原料,经液化、糖化、异构化、果葡分离,得到纯度90%以上的果糖浆,再采取缓慢的、精细控制冷却而得到。
对于结晶果糖的生产,分离和结晶工艺是极为重要的。其中,果糖的结晶工艺是最主要的一步限制性操作。众所周知,工业结晶方法主要包括蒸发法、冷却法、真空冷却法和溶析法以及反应结晶法。果糖属于热敏性物质,不适用于蒸发法;真空冷却法由于能耗高,操作不易控制,在结晶果糖的生产中也较少应用;果糖溶解度对温度的变化率很大这一特点决定了结晶果糖最理想的生产方法是冷却法;针对果糖在有机溶剂中溶解度较小的性质,结合溶析法也是常被采用的方法。
果糖结晶过程中最主要的不利因素是果糖溶解度很大。果糖达到结晶要求的过饱和度时体系黏度极高,不利于结晶。升温降黏亦不可行,因为果糖是热敏性物质,增加温度易导致其发生降解,使果糖液颜色加深。结合添加有机溶剂的溶析法是降黏的可行方法,但添加有机溶剂会增加生产成本,也易导致自发成核而使产品的粒径特征不佳。
果葡糖浆中果糖的分离,主要有离子交换树脂分离法、色谱分离法、结晶分离法、硼酸盐分离法、复盐分离法、参数泵分离法等,其中离子交换树脂分离法与色谱分离法分离效果好,而且可以连续化操作,实现工业规模化生产,是较理想的分离方法。但同时,存在着技术复杂、设备投资大等缺点。
1、离子交换树脂分离法
离子交换树脂是带有活性基团、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。离子交换树脂分离法是用离子型树脂做固相交换剂与溶液中离子进行可逆性化学反应进行分离的一种方法。果糖可与离子树脂的活性基团形成络合物而留在树脂上,而果葡糖浆中的葡萄糖则不能结合在树脂上,大部分被洗脱下来。因此通过离子交换树脂,将果葡糖浆过柱,经过交换、洗脱、收集、蒸发浓缩等工序就可以得到高纯度的高果糖浆。分离的效果取决于离子交换树脂的类型及交联度,在H+、Ca2+、OH-、等几种不同类型的离子交换树脂中,以Ca2+型树脂与果糖的络合效果最好,提高了分离果葡糖浆的纯度。
2、色谱分离法
色谱分离技术可成功地分离果葡糖浆组分,是目前应用最为普遍的一种分离方法。色谱法分离原理是利用不同组分在固定相和流动相中物理化学性质的差别,使各组分在两相中以不同的速率移动而进一步分离。在果葡糖浆中,离子交换树脂或钙盐型分子筛对果糖组分的亲和力较强,而对葡萄糖的亲和力较弱,因此大部分葡萄糖不被吸附先从分离柱内流出,分离柱内吸附剂对果糖的吸附作用强而最最后流出,达到了分离果糖与葡萄糖的目的。
色谱分离经过了从固定床到模拟移动床的发展历程,实现了果葡糖浆分离的连续化与工业化。连续环状离子交换色谱分离是另一种可实现连续分离的色谱分离方法,果糖与葡萄糖在环状色谱床中迁移形成螺旋谱带,从不同的出口角度位置流出,得以分离。
3、结晶分离法
先通过蒸发使得一代果葡糖浆浓缩至78°Bé,后经冷却至5℃,加入葡萄糖晶种,在搅拌下形成葡萄糖结晶,然后去除葡萄糖晶体得到纯度的二代果葡糖浆。最后通过离心分离出产品,留下的糖膏可用作下一次结晶的晶种,实现连续化生产。
4、复盐分离法
首先将果葡糖浆经过氯化钙作用形成果糖-氯化钙混合物,也有研究是利用氯化钠,形成了葡萄糖-氯化钠混合物,向这些混合物中加入乙醇等有机溶剂或冷却的方法使沉淀析出,去除沉淀,浓缩得到的液体即可得到含量较高的果糖溶液,从而达到分离的目的,但该方法效率低。
果糖结晶方法按照生产工艺的连续性分为间歇(分批)操作和连续操作。间歇结晶操作的优点是灵活,可生产不同粒度分布的晶体。缺点是产率低,批次间产品的一致性难以得到保障,需要较大的储罐来养晶并且需为每个储罐设立单独的冷却系统。连续结晶的优缺点与分批操作相反。
目前结晶果糖生产工艺较成熟的发达国家主要采取连续结晶工艺以获得高的产率和大的生产规模。
从结晶工艺上可分为三类:干燥果糖浆法、从水中结晶和从有机溶剂的水溶液中结晶。其中,USPat NO.4517021描述了干燥果糖浆来生产颗粒状半晶态果糖的方法,得到了水分含量低于2%、结晶果糖占60%、无定形果糖占35%的产品。但该产品纯度未达到食品化学法典(Food Chemicals Codex)的标准,因而不能被称作纯果糖,且吸水性很大,不利于贮藏与运输。因此,后两种更具可操作性。