ارزیابی پیش سازها و ترکیبات رنگی در طی فرآیند شربت چغندرقند در سیستم های مدل با استفاده از کروماتوگرافی ژل تراوایی

STUDENT

DEGREE

YEAR

In the first part of this study, the degradation of two color precursors (tyrosine and ferulic acid, as the most and the lowest color precursors present in raw sugar beet juice, respectively) in different kind of model systems (sucrose solution and raw sugar beet juice), via Fenton process was investigated in lab-scale and industrial conditions. Central composite design and response surface methodology (RSM) were used to evaluate the relationships between degradation of the color precursors and the process parameters (i.e., initial concentration of the color precursors, solution pH, dosages of Fenton’s reagent, and reaction time). According to the statistical analysis, the optimized conditions for each variable in aqueous sucrose solutions including an initial concentration of the color precursors equal to 45.0 mg L -1 were as follows: reaction time: 30 min, pH 5.8, Fe 2+ dosage:1.34 mM, and H 2 O 2 dosage: 53.6 mM. Under these conditions, 61.8 % of the color precursors and less than 2.5 % of sucrose were degraded after 30 min of reaction. The highest decolorization efficiency of the raw juice was obtained about 55 % with the addition of 1.34 mM Fe 2+ and 53.6 mM H 2 O 2 at an initial pH of 6.2. Using the same conditions, approximately 50 % of tyrosine was degraded in treated juice with Fenton’s reagent. Gel permeation chromatography analysis confirmed that the concentration of low molecular weight impurities in decolorized juice was considerably reduced. According to the results, Fenton oxidation process can be considered as a promising method for degradation of the color precursors and preparation of raw sugar beet juice with low color content. In the second part, the purification of raw sugar beet juice was investigated by Fenton oxidation along with conventional lime-carbonation process. During Fenton oxidation, particular attention was paid to the effects of different dosage of Fenton’s reagent and reaction time in order to improvement the quality properties of the raw juices. Analysis of pre-treated juices with Fenton’s reagent showed that lower color and total phenolic content of the raw juices were achieved with an increase in dosage of Fenton’s reagent at a reaction time of 30 min (especially for treatment 5). Concentration of color precursors especially tyrosine and ferulic acid were decreased significantly after oxidation pre-treatment. In following, a lime-carbonation process was applied for the purification of the raw juices. The influences of lime quantity (varied from 4.0 to 16.0 g of CaO/100 mL) on the quality characteristics of the purified juices were investigated. Analysis showed that the purified juices obtained from Fenton process had lower concentration of colloidal impurities, lower coloration and better filterability than those obtained without the addition of Fenton's reagent during the same condition. For instance, at a Fe 2+ : H 2 O 2 ratio dosage of 20.0 mg L -1 : 7000.0 mg L -1 (treatment 5), it suggested that the quantity of CaO required for the efficient juice purification may be decreased from 16.0 g/100 mL to approx. 8.0 g/100 mL comparatively to the control juice. Obtained data suggest that Fenton oxidation process is a promising pre-treatment for preparation of the purified juice with high quality, and can be combined with a Keywords: Sugar beet juice, Colored impurities, Fenton oxidation process, Response surface methodology, Decolorization efficiency, Gel Permeation Chromatography.

بزرگ‌ترین دغدغه در صنعت قند از دیدگاه اقتصادی و کیفیت محصول، کاهش هر چه بیشتر ناخالصی ها مخصوصاً ترکیبات رنگی، جهت افزایش درجه خلوص شربت چغندرقند، قبل از ورود به مرحله کریستالیزاسیون است. در بخش اول این تحقیق، پتانسیل فرآیند فنتون به‌عنوان یک پیش تیمار مؤثر، در ترکیب با عملیات تصفیه و رنگ‌بری متداول در صنعت قند، به‌عنوان یک روش ساده، ارزان و مناسب در تجزیه مخلوطی از دو پیش ساز رنگی (اسید فرولیک و تیروزین، به ترتیب به‌عنوان کمترین و مهم‌ترین پیش ساز رنگی موجود در شربت خام) در سیستم های مدل ساکارز و شربت خام چغندرقند (در دو مقیاس آزمایشگاهی و صنعتی) مورد بررسی قرار گرفت. روش سطح پاسخ به‌منظور بررسی روابط میان تجزیه این ترکیبات و متغیرهای فرآیند (pH اولیه محلول، غلظت پیش سازهای رنگی، غلظت معرف فنتون (پراکسید هیدروژن و آهن) و زمان واکنش) مورد استفاده قرار گرفت. شرایط بهینه در محلول ساکارز در غلظت اولیه 45 میلی‌گرم بر لیتر پیش سازهای رنگی عبارت بود از: 8/5pH: ، غلظت آهن مصرفی: 34/1میلی مول، غلظت پراکسید هیدروژن: 6/53 میلی مول. در این نقاط بهینه، 81/61 درصد از پیش سازهای رنگی در مدت زمان 30 دقیقه تجزیه شدند. میزان تجزیه ساکارز و تبدیل آن به قندهای احیاکننده (اینورت) در این شرایط، کمتر از 5/2 درصد به دست آمد. در ادامه، تأثیر واکنش فنتون در شرایط بهینه به دست آمده از سیستم مدل ساکارز، بر تجزیه ترکیبات فنولیک شربت خام چغندرقند مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که تجزیه تیروزین به‌عنوان مهم‌ترین پیش ساز رنگی موجود در شربت خام به همراه درصد رنگ‌بری شربت، حدود 50 و 55 درصد به دست آمد. در نهایت، نتایج کروماتوگرافی ژل تراوایی در بررسی توزیع وزن مولکولی ناخالصی های غیر قندی شربت خام و رنگ‌بری شده در طی فرآیند فنتون، نشان از کاهش این ناخالصی ها، به‌خصوص ترکیباتی با وزن مولکولی کم (پیش سازهای رنگی و مخصوصاً ترکیبات فنولیک) داشت. در بخش دوم تحقیق، اثر غلظت های مختلف معرف فنتون بر تصفیه آهکی شربت خام و شاخص های کیفی حاصل از آن بررسی گردید. به طور خلاصه نتایج به دست آمده نشان داد که شربت‌های تیمار شده با مقادیر کم معرف فنتون با افزایش غلظت آهک، میزان کاهش رنگ و ترکیبات فنولیک کمتری را نسبت به تیمارهای 4 و 5 نشان دادند، در صورتی که به‌عنوان مثال در تیمار 5، با افزودن حداکثر معرف فنتون و حداقل 8 گرم آهک در 100 میلی‌لیتر شربت خام، می‌توان به میزان مناسب رنگ‌بری با درجه خلوص مطلوب جهت ورود شربت به مرحله اواپراسیون دست یافت. بنابراین پیش تیمار شربت خام با فرآیند فنتون توانست بدون کوچک‌ترین اثر منفی بر شاخص های کیفی شربت رقیق به دست آمده از تیمار 5، در ترکیب با روش تصفیه مرسوم، مصرف آهک را تقریباً به نصف کاهش دهد. سرانجام، در بخش پایانی این تحقیق، بهینه‌سازی، بررسی سینتیک، ایزوترم جذب و توزیع وزن مولکولی ملانوئیدین ها با روش کروماتوگرافی ژل تراوایی در طی رنگ‌بری با کربن فعال ارزیابی گردید. ملانوئیدین های سنتز شده (به‌عنوان یک مدل از ترکیبات رنگی شربت غلیظ چغندرقند) با استفاده از پودر کربن فعال، رنگ‌بری شده و به‌منظور دستیابی به شرایط بهینه، از روش آماری سطح پاسخ (RSM) استفاده شد. نتایج به دست آمده نشان داد که شرایط بهینه رنگ‌بری در حداکثر غلظت (750 میلی گرم بر لیتر) ملانوئیدین ها عبارت بود از: 7 pH: و زمان تماس 30 دقیقه. در این شرایط، کارآیی رنگ‌بری سیستم های مدل ملانوئیدین ها و شربت غلیظ چغندرقند با افزودن 1/0 گرم پودر جاذب، به ترتیب 07/73 و 93 درصد به دست آمد. خصوصیات سطحی ملانوئیدین ها و پودر کربن فعال (قبل و پس از جذب سطحی) با استفاده از تبدیل فوریه مادون قرمز (FTIR) ارزیابی گردید. بررسی سینتیک رنگ‌بری، نشان دهنده پیروی مکانیسم جذب ملانوئیدین ها از مدل سینتیکی شبه مرتبه اول بود. نتایج ایزوترم های جذب نشان داد که جذب ملانوئیدین ها با مدل ایزوترم در حال تعادل لانگمویر مطابقت خوبی داشت. در ادامه، به‌منظور بررسی اثر فرآیند رنگ‌بری بر توزیع وزن مولکولی ملانوئیدین ها از روش کروماتوگرافی ژل تراوایی (GPC) استفاده گردید که نشان دهنده توزیع وزن مولکولی این ترکیبات در دامنه 7/0 تا 4000 کیلو دالتون بود. در طی رنگ‌بری سیستم های مدل ملانوئیدین ها، ترکیباتی با وزن مولکولی 4000 کیلو دالتون، کاملاً برطرف شده در حالی که ترکیباتی با وزن مولکولی 230، 7 و 7/0 کیلو دالتون، تمایل کمتری به جذب بر روی کربن فعال نشان دادند. نتایج این بررسی نشان دهنده قابلیت مناسب پودر کربن جهت حذف ترکیبات با وزن مولکولی بالا در سیستم‌های مدل ملانوئیدین ها و شربت غلیظ چغندرقند بود. واژه‌های کلیدی: شربت چغندرقند، ناخالصی های رنگی، فرآیند اکسیداسیون فنتون، روش سطح پاسخ، کارآیی رنگ‌بری، کروماتوگرافی ژل تراوایی.