赤砂糖回溶糖漿的半碳法澄清脫色工藝

李利軍，崔 越，李青松，劉 燾，李彥青

（廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

目前，我國(guó)甘蔗制糖普遍采用一步法，末段結(jié)晶產(chǎn)物為赤砂糖[1]。赤砂糖雜質(zhì)多，色值高，已不符合市場(chǎng)需求。為了減少或不產(chǎn)赤砂糖，大多數(shù)制糖企業(yè)將赤砂糖回溶重煮或套種。同時(shí)由于赤砂糖非糖分含量和色值均較高[2]，赤砂糖直接回溶重煮或套種也會(huì)影響白砂糖質(zhì)量[3]，使色值偏高甚至超標(biāo)。且赤砂糖中的色素主要是糖類分解產(chǎn)物和煮煉過程中產(chǎn)生的高分子有色物（呈棕黑至棕黃色，多為焦糖色素及類黑精色素），其晶體轉(zhuǎn)移率很高，對(duì)成品糖色值影響比蔗汁本身的色素大得多[4-5]。因此，脫色除雜技術(shù)對(duì)赤砂糖回溶重煮或套種生產(chǎn)白砂糖至關(guān)重要，已成為制糖界難點(diǎn)及研究重點(diǎn)。

目前，有關(guān)赤砂糖回溶糖漿的脫色除雜技術(shù)主要有硫漂脫色、氣浮清凈及澄清脫色劑等工藝技術(shù)，但均存在不足，難以推廣應(yīng)用[6]。如硫漂脫色作用的暫時(shí)性會(huì)導(dǎo)致白砂糖在貯存過程中增色，而且赤砂糖回溶糖漿的硫漂處理還存在糖分損失大、白砂糖含硫量高等問題[7]；氣浮清凈技術(shù)因赤砂糖回溶糖漿流量不穩(wěn)定，操作困難。傳統(tǒng)的碳酸法工藝石灰消耗量和CO2排放量大，且濾泥量大，存在原材料成本高，環(huán)境污染等不足[7-10]。李政、于淑娟等[1，10]分別對(duì)傳統(tǒng)碳法工藝進(jìn)行改進(jìn)，取得了較好的澄清效果，為解決赤砂糖回溶糖漿的澄清脫色難題提供了新思路[11]。有關(guān)糖汁脫色技術(shù)除硫法、碳法以及氣浮法外，還有離子交換[12-13]、大孔樹脂[14]、活性炭[15-16]吸附、氧化脫色[17-18]等技術(shù)方法，但這些技術(shù)方法或工藝復(fù)雜、技術(shù)性強(qiáng)，或成本高，難以推廣應(yīng)用[19]。因此，在傳統(tǒng)方法和碳法制糖工藝的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)簡(jiǎn)單高效的赤砂糖回溶糖漿的脫色新技術(shù)新工藝仍然非常必要。

本文借鑒半碳法除雜脫色原理，在赤砂糖回溶糖漿預(yù)灰后加入適量碳酸氫鈉，再用一定量的亞硫酸進(jìn)行中和及調(diào)節(jié)pH值，最后利用聚丙烯酸鈉進(jìn)行絮凝沉降[20-21]，獲得了理想的澄清脫色效果。在該工藝中，石灰乳先后與碳酸氫鈉、亞硫酸分別生成碳酸鈣及亞硫酸鈣顆粒，并吸咐赤砂糖回溶糖漿中色素等非糖成分后絮凝沉降，實(shí)現(xiàn)澄清脫色的目的。該工藝具有3個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：一是利用碳酸氫鈉替代二氧化碳?xì)怏w，更容易獲得碳酸鈣顆粒，且工藝條件易于控制，考慮鈉離子的引入，可能導(dǎo)致皂蜜問題，因此選用碳酸氫鈉盡可能減少鈉離子的引入；二是采用更加安全的聚丙烯酸鈉代替具有安全隱患的聚丙烯酰胺作絮凝劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚丙烯酸鈉具有與聚丙烯酰胺一樣的絮凝效果；三是該新工藝綜合了碳法和亞法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了各自的不足，不僅提高了脫色率，而且減少了亞硫酸的用量，又避免了碳法濾泥量大及環(huán)境污染的問題。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

赤砂糖，主要成分為蔗糖，柳州市柳冰食品廠；氫氧化鈣，AR 級(jí)，汕頭市西隴化工有限公司；碳酸氫鈉，AR 級(jí)，廣東光華化學(xué)廠有限公司；亞硫酸，AR 級(jí)，廣州化學(xué)試劑廠；鹽酸，AR 級(jí)，西隴化工股份有限公司；氫氧化鈉，AR 級(jí)，廣東光華化學(xué)廠有限公司；冰乙酸，AR 級(jí)，廣東光華化學(xué)廠有限公司；聚丙烯酸鈉（PAAS），相對(duì)分子質(zhì)量5×106，天津市大茂化學(xué)試劑廠，AR。

JJ500 型電子天平，東莞市新陽儀器設(shè)備有限公司；2WAJ-改型阿貝折射儀，上海物理學(xué)儀器廠；pHS-25 型pH 計(jì)，上海雷磁儀器廠；恒溫磁力攪拌器，上海碩光電子科技有限公司；微孔膜過濾器，天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；722-光柵分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)步驟流程圖如圖1 示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

1.2.2 回溶糖漿、絮凝劑的配制

（1）回溶糖漿的配制 準(zhǔn)確稱量100 g 赤砂糖，將其溶解于900 mL 蒸餾水中，用磁力攪拌器緩慢攪拌至完全溶解，待用。

（2）聚丙烯酸鈉的配制 準(zhǔn)確稱量1 g 聚丙烯酸鈉，將其溶解于蒸餾水中，用磁力攪拌器緩慢攪拌至完全溶解，最后稀釋定容至1000 mL 容量瓶中，待用。

1.2.3 測(cè)定方法

取100 mL 回溶糖漿，按圖1 工藝處理，取上層清液測(cè)樣液在560 nm 下的吸光度及室溫下的錘度，記錄數(shù)據(jù)。

赤砂糖色值按照國(guó)際機(jī)構(gòu)ICUMSA（糖品分析統(tǒng)一方法國(guó)際委員會(huì)）規(guī)定使用560 nm 波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定，其計(jì)算公式如式（1）。

式中，IU560為色值；A560為樣液在560 nm 下測(cè)得的吸光度；b為比色皿的厚度，cm；c為樣液固形物的濃度，g/mL，c=清汁折光錘度×相應(yīng)視密度（20℃）/100，脫色率由式（2）計(jì)算得出。

式中，N為脫色率，%；IU前為處理前赤砂糖色值；IU后為處理后赤砂糖色值。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳酸氫鈉用量對(duì)糖漿澄清脫色效果的影響

在取定量的氫氧化鈣和聚丙烯酸鈉條件下，如圖1 實(shí)驗(yàn)步驟，考察碳酸氫鈉量分別為2 g/L、3 g/L、4 g/L、5g/L、6 g/L時(shí)對(duì)糖漿澄清脫色率的影響。結(jié)果如圖2。

部分石灰乳與碳酸氫鈉生成碳酸鈣顆粒，并吸咐赤砂糖回溶糖漿中色素等非糖成分后絮凝沉降，實(shí)現(xiàn)澄清脫色的目的。從圖2 可以看出，當(dāng)碳酸氫鈉加入量小于0.4 g時(shí)，脫色率隨著碳酸氫鈉的量增加而增長(zhǎng)。但當(dāng)碳酸氫鈉的量大于0.4 g時(shí)，消耗亞硫酸量增多，但脫色效果變化不大，綜合考慮，碳酸氫鈉的最佳用量確定為0.4 g，即碳酸氫鈉加入量為4 g/L。

2.2 氫氧化鈣用量對(duì)糖漿澄清脫色效果的影響

在取定量的碳酸氫鈉和聚丙烯酸鈉條件下，如圖1 實(shí)驗(yàn)步驟，考察氫氧化鈣量分別為4 g/L、5 g/L、6 g/L、7 g/L、8 g/L時(shí)對(duì)糖漿澄清脫色率的影響。結(jié)果如圖3。

圖2 脫色率與碳酸氫鈉用量關(guān)系

圖3 脫色率與氫氧化鈣量的關(guān)系

石灰乳先后與碳酸氫鈉、亞硫酸分別生成碳酸鈣及亞硫酸鈣顆粒，并吸咐赤砂糖回溶糖漿中色素等非糖成分后絮凝沉降，實(shí)現(xiàn)澄清脫色的目的。從圖3 可以看出，當(dāng)氫氧化鈣加入量小于0.7 g時(shí)，對(duì)色素成分的吸附未達(dá)到飽和，增加氫氧化鈣的量，對(duì)色素的吸附量也隨之增大。但當(dāng)氫氧化鈣的量大于0.7 g時(shí)，氫氧化鈣對(duì)色素成分的吸附達(dá)到飽和，此時(shí)，脫色效果變化不大，為減少后段工序過濾的負(fù)擔(dān)，氫氧化鈣的最佳用量宜選0.7 g，即氫氧化鈣加入量為7 g/L。

2.3 聚丙烯酰胺用量對(duì)糖漿澄清脫色效果的影響

在取定量的碳酸氫鈉和氫氧化鈣條件下，如圖1 實(shí)驗(yàn)步驟，考察聚丙烯酸鈉量分別為0.0025 g/L、0.0050 g/L、0.0075 g/L、0.0100 g/L、0.0120 g/L時(shí)對(duì)糖漿澄清脫色率的影響。結(jié)果如圖4。

圖4 脫色率與絮凝劑聚丙烯酸鈉用量的關(guān)系

由于聚丙烯酰胺作為絮凝劑，其單體丙烯酰胺殘留，具有一定的毒性。本試驗(yàn)探討聚丙烯酸鈉作為絮凝劑代替聚丙烯酰胺的可行性。結(jié)果表明，聚丙烯酸鈉具有聚丙烯酰胺一樣的絮凝效果。從圖4可以看出，當(dāng)絮凝劑聚丙烯酸鈉的用量小于0.0075 g/L時(shí)，脫色率隨用量的增加而增大；當(dāng)用量為0.0075 g/L時(shí)，脫色率達(dá)到最大值；當(dāng)用量大于0.0075 g/L時(shí)，脫色率呈下降趨勢(shì)。這符合絮凝機(jī)理的一般規(guī)律，即絮凝劑使用過量，會(huì)重新分散已聚集的膠粒，造成濁度增大[23]。聚丙烯酸鈉分子通過電中和及架橋作用吸附膠體顆粒，使膠粒凝聚成較大顆粒后絮凝沉降[24-26]。聚丙烯酸鈉用量的過大，導(dǎo)致體系帶有過量的負(fù)電荷，此時(shí)，聚丙烯酸鈉分子團(tuán)聚在膠粒周圍，使帶有負(fù)電荷的膠粒之間相互排斥，阻礙聚丙烯酸鈉分子的架橋作用，絮凝體細(xì)小且分散，糖漿渾濁度增加[24，26-27]。因此，聚丙烯酸鈉的最佳用量宜選0.0075 g/L。

2.4 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

選擇碳酸氫鈉量A（g/L）、氫氧化鈣量B（g/L）、絮凝劑聚丙烯酸鈉C（g/L）按三因素四水平L16(45)安排正交試驗(yàn)，見表1。

以回溶糖漿為原料，按圖1 工藝處理，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以脫色率為指標(biāo)對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行極差R計(jì)算。

表1 多因素水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過表2 分析可知，赤砂糖澄清脫色最佳工藝條件為：碳酸氫鈉量4 g/L；氫氧化鈣量7 g/L；聚丙烯酸鈉量0.008 g/L。在最佳條件下做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，脫色率為67.3%（大于正交試驗(yàn)中的最大脫色率64.8%），說明優(yōu)化結(jié)果可靠。

亞硫酸法有很多的缺點(diǎn)，如產(chǎn)品色值、濁度和不溶物含量偏高，存放時(shí)易變黃和吸潮，SO2含量較高等[19，28-30]。而傳統(tǒng)的碳酸法流程長(zhǎng)、設(shè)備多、投資大，生產(chǎn)過程中濾泥呈堿性，難以處理，環(huán)境污染比較嚴(yán)重。赤砂糖回溶糖漿的半碳法脫色工藝減少了亞硫酸的用量，提高了碳源的利用率，也解決了碳法流程長(zhǎng)、濾泥多且污染環(huán)境的問題，具有簡(jiǎn)單、快速、高效、成本低以及安全環(huán)保等特點(diǎn)。

3 結(jié)論

赤砂糖回溶糖漿的半碳法脫色工藝可行，兼具碳法和亞法工藝的優(yōu)點(diǎn)，不僅提高了脫色率，同時(shí)又減少了亞硫酸的用量，提高了碳源的利用率，也解決了碳法濾泥多且污染環(huán)境的問題，具有簡(jiǎn)單、快速、高效、成本低以及安全環(huán)保等特點(diǎn)，在赤砂糖回溶糖漿的澄清脫色方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。聚丙烯酸鈉可以替代聚丙烯酰胺用于赤砂糖回溶糖漿的絮凝沉降。碳酸氫鈉可以代替二氧化碳作綠色澄清劑。

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