ZTC澄清劑用于赤砂糖回溶糖漿的澄清脫色研究

李青松，李利軍，崔 越，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）

ZTC澄清劑用于赤砂糖回溶糖漿的澄清脫色研究

李青松，李利軍*，崔 越，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）

研究了ZTC澄清劑對(duì)赤砂糖回溶糖漿的澄清脫色效果。考察了ZTC澄清劑組分A、B的添加順序、添加比例、用量、pH和反應(yīng)溫度等因素的影響，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)澄清工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，最佳澄清脫色條件為：添加順序是先添加ZTC組分B后添加ZTC組分A；B與A的用量比例為3∶1；A和B的總用量為6mL；pH為5.5；反應(yīng)溫度為40℃。在此條件下，脫色率達(dá)到63.5%，除濁率達(dá)到94.7%。利用Zeta電位理論對(duì)絮凝機(jī)理進(jìn)行了初步的探討。

赤砂糖，ZTC澄清劑，脫色率，除濁率，Zeta電位

赤砂糖是制糖生產(chǎn)的末端產(chǎn)物，其含雜質(zhì)多、色值高，含糖約為90%[1]。糖廠為提高產(chǎn)糖率，一般將赤砂糖回溶處理或者用作乙糖膏的種子，這兩種方式處理不當(dāng)都會(huì)影響白砂糖的品質(zhì)[2]。傳統(tǒng)方法常對(duì)赤砂糖回溶糖漿進(jìn)行硫漂處理，但這種方法存在糖分損失大、含硫量高等問題。此外，硫漂脫色作用的暫時(shí)性還會(huì)導(dǎo)致白砂糖在貯存過程中增色[3]。澄清脫色作為甘蔗制糖生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，生產(chǎn)成本較高[4]。尋求新型高效澄清劑對(duì)赤砂糖進(jìn)行澄清脫色成為近些年制糖界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

ZTC澄清劑是一種天然高分子絮凝劑，與聚丙烯酰、聚合氯化鋁等人工合成絮凝劑相比，安全無毒、高效[5]。ZTC澄清劑分為A、B兩組分，B組分起主絮凝作用，A組分起輔助絮凝作用。B組分的架橋卷掃作用能使蛋白質(zhì)等雜質(zhì)顆粒團(tuán)聚在一起，A組分帶有與B組分相反的電荷，具有再架橋作用，能使絮凝物體積迅速增大，快速沉降[6]。

Zeta電位是膠體顆粒之間吸引力和排斥力強(qiáng)度的度量[7]。Zeta電位絕對(duì)值越高，膠體顆粒之間的排斥力較大，體系越穩(wěn)定；Zeta電位絕對(duì)值越小，體系越不穩(wěn)定，膠體顆粒凝聚越快[8]。由于Zeta電位與絮凝效果密切相關(guān)，近年來，Zeta電位在醫(yī)藥、造紙、水處理等領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用[9]。劉惠君[10]通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：Zeta電位在一定程度上可反映混凝劑水處理的效果。

ZTC澄清劑目前已經(jīng)商業(yè)化，在食品以及中藥提取等方面得到廣泛的應(yīng)用，但未見用于糖汁澄清脫色的報(bào)道。本文首次將ZTC澄清劑應(yīng)用于赤砂糖回溶糖漿的澄清脫色，探索其可行性，結(jié)果表明，ZTC澄清劑對(duì)赤砂糖回溶糖漿澄清脫色具有很好的效果，并結(jié)合ZTC澄清劑對(duì)赤砂糖回溶糖漿澄清脫色過程中體系Zeta電位的變化規(guī)律，對(duì)絮凝機(jī)理進(jìn)行了探討。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

赤砂糖回溶糖漿 實(shí)驗(yàn)室配制15°Bx；ZTC澄清劑 天津正天成生物科技有限公司，生化試劑；冰醋酸氫氧化鈉 廣東光華化學(xué)廠有限公司，分析純；鹽酸 西隴化工股份有限公司，分析純。

AB104-N型電子分析天平 奧豪斯（上海）有限公司；2WAJ-改型阿貝折射儀 上海物理學(xué)儀器廠；DF-101S型恒溫磁力攪拌器、SHZ-D型循環(huán)水真空泵 鞏義市予華儀器有限公司；UV-2000型分光光度計(jì) 龍尼柯（上海）儀器有限公司；PHS-25CW型pH計(jì) 上海般特儀器制造有限公司；JSM-6700F型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 日本電子株式會(huì)社；NanoZS90型納米粒徑及Zeta電位分析儀 英國馬爾文儀器公司。

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所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Experiment flow chart

1.2.2 分析方法

1.2.2.1 糖漿色值和濁度的測(cè)定 見參考文獻(xiàn)[11]。其中脫色率由式（1）計(jì)算得出：

N（%）=（IU前-IU后）/IU前×100 式（1）

式中：N-脫色率（%）；IU前-處理前赤砂糖色值；IU后-處理后赤砂糖色值。

除濁率由式（2）計(jì)算得出：

除濁率（%）=（MAU前-MAU后）/MAU前×100式（2）

式中：MAU前-處理前赤砂糖濁度；MAU后-處理后赤砂糖濁度。

1.2.2.2 Zeta電位 由納米粒徑及Zeta電位分析儀測(cè)定。

1.2.2.3 樣品的表面形貌 使用JEOL JSM-6700F型掃描電子顯微鏡觀察，工作電壓是5kV。掃描前將樣品在真空條件下噴金處理。

1.2.3 絮凝劑的配制

1.2.3.1 澄清劑組分A的配制 準(zhǔn)確稱取10g組分A，將其溶解于適量去離子水中，溶脹24h后稀釋定容至1000mL容量瓶中，待用。

1.2.3.2 澄清劑組分B的配制 準(zhǔn)確稱取10g組分B，將其溶解于適量1%的醋酸溶液中，溶脹24h后用1%的醋酸溶液稀釋定容至1000mL容量瓶中，待用。

1.2.4 澄清劑組分A、B添加順序考察 取100mL赤砂糖回溶糖漿，在澄清劑用量為6mL，組分B∶組分A分別為2∶1、1∶1、1∶2的條件下對(duì)其澄清處理，考察A、B組分在不同的添加順序下對(duì)澄清效果的影響，并測(cè)定脫色率和除濁率。

1.2.5 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.5.1 組分A、B添加比例對(duì)澄清脫色效果的影響 在確定A、B添加順序?yàn)橄忍砑覤后添加A的基礎(chǔ)上，取100mL糖漿，在澄清劑總用量為6mL，B與A用量比分別為4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2的條件下對(duì)糖漿進(jìn)行澄清處理，測(cè)定脫色率和除濁率，并繪制曲線。

1.2.5.2 溫度對(duì)澄清脫色效果的影響 取100mL糖漿，在澄清劑總用量為6mL，B∶A=2∶1，溫度分別為40、50、60、70、80℃的條件下對(duì)糖漿進(jìn)行澄清處理，測(cè)定脫色率和除濁率，并繪制曲線。

1.2.5.3 pH對(duì)澄清脫色效果的影響 取100mL糖漿，在澄清劑總用量為6mL，B∶A=2∶1，溫度為40℃，pH分別4、5、6、7、8的條件下對(duì)糖漿進(jìn)行澄清處理，測(cè)定脫色率和除濁率，并繪制曲線。

1.2.5.4 澄清劑用量對(duì)澄清脫色效果的影響 取100mL糖漿，在B∶A=2∶1，溫度為40℃，pH為5，澄清劑用量分別為3、6、9、12、15mL的條件下對(duì)糖漿進(jìn)行澄清處理，測(cè)定脫色率和除濁率，并繪制曲線。

1.2.6 正交實(shí)驗(yàn) 選擇B∶A的比例、溫度（℃）、pH、澄清劑用量（mL）按四因素三水平L9（34）安排正交實(shí)驗(yàn)，見表1。

表1 因素水平表Table 1 The table of multivariate levels

2 結(jié)果與討論

2.1 澄清劑組分A、B添加順序的選擇

由表2結(jié)果可以看出，在相同的澄清劑用量和相同的添加比例條件下，組分A、B添加順序的不同對(duì)澄清脫色效果有著較大影響，先添加B后添加A的澄清脫色效果明顯優(yōu)于先添加A后添加B。因此，選擇先添加B后添加A為最佳添加順序。

表2 澄清劑組分A、B添加順序表Table 2 The order of adding clarifying agent component A，B

2.2 各因素對(duì)澄清脫色效果的影響

2.2.1 組分A、B的用量比對(duì)澄清脫色效果的影響 由圖2可以看出，當(dāng)B∶A=2∶1的時(shí)候，脫色率略低于B∶A= 4∶1和B∶A=3∶1，但當(dāng)B∶A=2∶1的時(shí)候，澄清劑除濁效果最好，除濁率達(dá)到最高，綜合兩方面考慮，選擇B∶A= 2∶1為最佳比例。

2.2.2 溫度對(duì)澄清脫色效果的影響 由圖3可知，當(dāng)溫度小于50℃時(shí)，除濁率隨溫度的升高呈上升趨勢(shì)。溫度的升高使溶液中分子運(yùn)動(dòng)加快，這有效地增加了分子間的碰撞幾率，膠體顆粒在澄清劑的卷掃和架橋作用下很快聚集在一起而沉降下來。當(dāng)溫度大于50℃時(shí)，除濁率隨溫度的升高呈下降趨勢(shì)。較高的溫度會(huì)使澄清劑分子老化，從而降低其澄清效果[5]。

脫色率隨溫度的升高而降低，但整體變化不大。溫度的升高造成了澄清劑分子輕度老化，這降低了其對(duì)色素分子的吸引能力，溫度的升高還會(huì)使少量已聚集的小分子色素重新分散，使糖漿色值略微升高。在50℃時(shí)，除濁率最高，脫色率相對(duì)于40℃時(shí)變化不大，綜合兩方面考慮，選擇50℃作為最佳反應(yīng)溫度。

圖2 脫色率和除濁率與用量比的關(guān)系Fig.2 The relationship between decoloration rate，removal rate of turbidity and the ratio of dosage

2.2.3 pH對(duì)澄清脫色效果的影響 圖4結(jié)果顯示，pH為6的條件下，除濁率最高；當(dāng)pH大于6時(shí)，脫色率和除濁率下降較快；在堿性條件下（pH大于8），澄清劑幾乎沒有澄清脫色效果。這主要是因?yàn)闅潆x子濃度會(huì)影響澄清劑的解離度、改變澄清劑分子的帶電性，從而影響其吸附能力。因此，最佳pH在6左右。

2.2.4 澄清劑用量對(duì)澄清脫色效果的影響 由圖5結(jié)果來看，當(dāng)絮凝劑用量為6mL時(shí)，除濁率達(dá)到最大值；當(dāng)用量小于6mL時(shí)，脫色率和除濁率都隨用量的增加而提高，脫色率上升較快；當(dāng)用量大于6mL時(shí)，除濁率呈下降趨勢(shì)，脫色率提高趨于緩慢；當(dāng)用量大12mL時(shí)，脫色率幾乎不再增加。這符合絮凝機(jī)理的一般規(guī)律，即絮凝劑的過量會(huì)使已聚集的膠粒重新分散，絮凝劑分子團(tuán)聚在膠粒周圍阻礙了分子間的架橋作用，絮凝物細(xì)小且分散，糖液渾濁度增加[12]。為減小后續(xù)過濾的難度，以及從經(jīng)濟(jì)角度考慮，澄清劑用量不宜過高，選擇6mL為最佳用量。

圖4 脫色率和除濁率與pH的關(guān)系Fig.4 The relationship between decoloration rate，removal rate of turbidity and pH

圖5 脫色率和除濁率與澄清劑用量的關(guān)系Fig.5 The relationship between decoloration rate，removal rate of turbidity and dosage

2.3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以脫色率和除濁率為指標(biāo)對(duì)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行極差R計(jì)算。

由表3極差大小可知，影響脫色率的因素，按影響程度從大到小排列為：D＞A＞B＞C，優(yōu)選A3B1C1D3；影響除濁率的因素，按影響程度從大到小排列為：D＞B＞C=A，優(yōu)選A2B1C2D1；綜合各方面考慮，我們選擇A2B1C2D1為最佳方案。在最佳條件下為B∶A=3∶1；溫度為40℃，pH為5.5，澄清劑用量為6mL，做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，脫色率為63.5%，除濁率為94.7%。

2.4 Zeta電位分析

由正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的最佳工藝條件為：B∶A=3∶1；溫度為40℃；pH為5.5；澄清劑用量為6mL。在此條件下，往糖汁中先添加組分B，測(cè)定絮凝后溶液的Zeta電位，結(jié)果如圖6所示：Zeta電位為-1.7。

圖7為糖漿原液測(cè)得的Zeta電位值，其Zeta電位值為-9.54。ZTC澄清劑組分B帶有正電荷，其Zeta電位值為76.65；組分A帶有負(fù)電荷，其Zeta電位值為-91.95，測(cè)定結(jié)果如圖8和圖9所示。可見，往糖汁中添加組分B后，由于組分B具有較高Zeta電位值（正值），糖漿原液的Zeta電位值為負(fù)值，因此發(fā)生電中和作用，使糖漿Zeta電位值的絕對(duì)值變小，糖漿原液負(fù)電荷減少，糖漿中膠粒之間的排斥力減小，因此，容易發(fā)生凝聚。繼續(xù)添加組分A，由于組分A的Zeta電位為負(fù)值，加入后與組分B發(fā)生電中和及架橋等作用，能迅速聚集較分散的凝聚顆粒，使絮凝物緊密成團(tuán)，沉降迅速[13]。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of orthogonality experiment

圖6 最佳工藝條件下絮凝過程中Zeta電位值Fig.6 The Zeta potential values in the the flocculation process under optimum conditions

圖7 糖漿原液的Zeta電位值Fig.7 The Zeta potential values of syrup dope

圖8 組分B的Zeta電位值Fig.8 The Zeta potential values of component B

圖9 組分A的Zeta電位值Fig.9 The Zeta potential values of component A

2.5 掃描電鏡分析

圖10為澄清劑B組分的掃描電鏡圖，從圖10中可以看出，其表面呈凹凸不平的棉絮狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)使其具有強(qiáng)大的卷掃網(wǎng)捕能力，能將細(xì)小膠體顆粒聚攏在一起，組分A通過其再架橋作用使絮凝物變得更為密實(shí)、沉降速度明顯加快。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ZTC澄清劑用于赤砂糖回溶糖漿澄清脫色可行，脫色除雜及沉降效果理想。ZTC澄清劑中含有組分A和組分B，其中組分B的Zeta電位為正值，組分A的Zeta電位為負(fù)值，兩者之間通過電中和及架橋作用，能迅速聚集分散的膠體顆粒，使絮凝物緊密成團(tuán)，沉降迅速。該工藝簡(jiǎn)單、快速、高效，在糖液澄清方面具有一定的應(yīng)用前景。

圖10 澄清劑B組分的掃描電鏡圖Fig.10 SEM image of component B

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Study on decolorizing brown granulated sugar with ZTC natural clarifying agent

LI Qing-song，LI Li-jun*，CUI Yue，LI Yan-qing
（Institute of Biological and Chemical Engineering，Guangxi University of Technology，Liuzhou 545006，China）

The ZTC natural clarifying agent was employed to clarify brown sugar juice and the effect of some factors such as the adding sequence of ZTC clarifiers A and B，the adding proportion，the dosage，and the reaction temperature were investigated.To optimize the reaction condition，the experiment was arranged by orthogonal design in the base of analyzing of single factor.The optimum condition of reaction was obtained as follows：the adding sequence of ZTC natural clarifying agent was clarifier B before clarifier A.The adding proportion of B and A was 3∶1.The total dosage of A and B was 6mL.The reaction temperature was 40℃. Under these conditions，the clarification rate and the removal rate of turbidity may achieve 63.5%and 94.7%，respectively.The mechanism of flocculation was discussed via the theory of Zeta potential.

brown granulated sugar；ZTC clarifier；decoloration rate；Zeta potential

TS201.1

B

1002-0306（2014）14-0245-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.046

2013－10－23 *通訊聯(lián)系人

李青松（1985-），男，碩士研究生，研究方向：生化過程檢測(cè)與控制以及應(yīng)用化學(xué)。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31060219）。