水力空化強化H2O2-Vc體系糖汁脫色的研究

姜繼平，黃永春，黃承都*，楊鋒

(1.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西糖資源綠色加工重點實驗室，廣西 柳州 545006)

色值是衡量制糖工藝效果的重要指標(biāo)[1]。傳統(tǒng)的糖汁脫色方法存在能量消耗大、SO2殘余量高等問題[2,3]，制約著制糖業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。將H2O2-Vc體系應(yīng)用于糖汁脫色，主要利用過氧化氫釋放的·OH的氧化性進(jìn)行脫色[4]，以VC作為催化劑，加快了·OH的產(chǎn)生速率。

水力空化作為一種化工過程強化技術(shù)，具有空化場均勻、能量消耗低、操作簡單等優(yōu)點[5,6]。水力空化與H2O2氧化法結(jié)合能夠提高·OH自由基的產(chǎn)量[7]?？栈^程中產(chǎn)生空化泡，空化泡在潰滅瞬間會引起局部高溫、高壓和高射流，產(chǎn)生機械剪切力和釋放·OH自由基[8,9]，同時伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)變化，對糖汁脫色起到一定的強化作用[10]。

本研究將水力空化應(yīng)用于H2O2-Vc體系糖汁脫色工藝，考察水力空化強化作用對糖汁脫色率的影響，為水力空化應(yīng)用于糖汁脫色提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

粗制白砂糖：廣西東亞糖業(yè)有限公司；30%過氧化氫：AR，西隴科學(xué)股份有限公司；維生素C：AR，上海麥克林生化有限公司。

BS224S型電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；SL-2010N智能低溫恒溫槽 南京順流儀器有限公司；T6新世紀(jì)型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；2WAJ型阿貝折光儀 上海申光儀器儀表有限公司。

1.2 水力空化實驗裝置

水力空化實驗裝置見圖1。

圖1 水力空化實驗裝置

注：1為溶液儲箱；2為泵；3為壓力表；4為空化器；5為循環(huán)水箱；V為閥門。

1.3 測定方法

將粗制白砂糖溶于蒸餾水中，加入一定量的Vc和過氧化氫，混合均勻后加入水力空化溶液儲箱中，在一定溫度下反應(yīng)一定時間，待反應(yīng)后的糖汁溫度最接近原汁溫度時，取適量待測定的糖汁，在室溫下，用阿貝折光儀測出折光錘度，并記下折光儀上顯示的溫度，再用阿貝折射儀顯示的溫度查表得出觀測錐度，又通過觀測錘度查表得出視密度。再利用紫外可見分光光度計測出相應(yīng)糖汁的吸光度A，測量時將光度計的波長調(diào)節(jié)為560 nm，空白液為蒸餾水。

糖汁色值的計算公式：IU560 nm=1000×A560 nm/(b×c)。

式中：IU560 nm為波長560 nm處的國際糖色值；A560 nm為波長560 nm處測得樣液的吸光度；b為比色皿厚度，cm；c為固溶物的修正濃度(20 ℃)，g/mL；c為折光錘度×20 ℃時的相應(yīng)視密度/100。

式中：A0為原糖汁色值IU560 nm；A為脫色后糖汁色值IU560 nm。

1.4 單因素試驗

1.4.1 糖汁濃度對糖汁脫色率的影響

取5份濃度分別為15%、25%、35%、45%、55%的糖汁，每份1000 mL。每份糖汁中加入1 mol/L的Vc 45 mL，再加入5%的過氧化氫20 mL，將5份溶液均在60 ℃的水力空化裝置中反應(yīng)8 min，考察糖汁濃度對糖汁脫色率的影響。

1.4.2 Vc用量對糖汁脫色率的影響

取5份濃度為35%的糖汁，每份1000 mL。每份糖汁中分別加入1 mol/L的Vc 15，25，35，45，55 mL，再加入5%的過氧化氫20 mL，將5份溶液均在60 ℃的水力空化裝置中反應(yīng)8 min，考察Vc用量對糖汁脫色率的影響。

1.4.3 H2O2用量對糖汁脫色率的影響

取5份濃度為35%的糖汁，每份1000 mL。每份糖汁中加入1 mol/L的Vc 45 mL，再分別加入5%的過氧化氫20，30，40，50，60 mL，將5份溶液均在60 ℃的水力空化裝置中反應(yīng)8 min，考察過氧化氫用量對糖汁脫色率的影響。

1.4.4 空化時間對糖汁脫色率的影響

取5份濃度為35%的糖汁，每份1000 mL。每份糖汁中加入1 mol/L的Vc 45 mL ，再加入5%的過氧化氫40 mL，將5份溶液在60 ℃的水力空化裝置中分別反應(yīng)4，5，6，7，8 min，考察空化時間對糖汁脫色率的影響。

1.5 響應(yīng)面優(yōu)化

綜合單因素試驗結(jié)果，固定糖汁濃度35%、反應(yīng)溫度60 ℃，選取Vc用量(A)、H2O2用量(B)、空化時間(C)3個因素，以糖汁脫色率為響應(yīng)值，優(yōu)化水力空化強化H2O2-Vc體系對糖汁脫色的工藝，試驗因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 糖汁濃度對糖汁脫色率的影響

圖2 糖汁濃度對糖汁脫色率的影響

由圖2可知，隨著糖汁濃度的增大，脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)糖汁濃度為35%時，糖汁脫色率達(dá)到最大值，為53.8%。隨著糖汁濃度繼續(xù)增大，脫色率明顯下降，這是因為隨著糖汁濃度增大，溶液的黏度升高，蒸汽壓下降，空化產(chǎn)生困難，空化效應(yīng)減弱，因而強化脫色作用逐漸降低[11]。因此，糖汁濃度選擇35%較為適宜。

2.1.2 Vc用量對糖汁脫色率的影響

圖3 Vc用量對糖汁脫色率的影響

由圖3可知，隨著Vc用量的增加，糖汁脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)Vc用量為45 mL時，糖汁脫色率達(dá)到最大值，為55.0%，這表明在水力空化強化作用下，增加Vc用量，可釋放更多的·OH自由基，促進(jìn)了糖汁的脫色；當(dāng)Vc用量繼續(xù)增加，糖汁脫色率下降，這表明反應(yīng)達(dá)到飽和，過量的Vc并不能增大糖汁的脫色率[12]。因此，Vc用量選擇45 mL較為適宜。

2.1.3 H2O2用量對糖汁脫色率的影響

圖4 H2O2用量對糖汁脫色率的影響

由圖4可知，隨著H2O2用量的增加，糖汁脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)過氧化氫的用量為40 mL時，糖汁脫色率達(dá)到最大值，為56.9%，這是因為過氧化氫用量增加了·OH自由基的生成速率，與過氧化氫反應(yīng)的色素分子逐漸被氧化，水力空化作用產(chǎn)生的微射流增大了試劑的接觸面積，使反應(yīng)速率加快，且水力空化作用本身也會產(chǎn)生一部分·OH自由基，另外，水力空化能催化H2O2分解產(chǎn)生更多的·OH自由基，水力空化和H2O2-Vc體系二者產(chǎn)生協(xié)同作用，使得糖汁的脫色率顯著升高[13]；但過氧化氫用量繼續(xù)增大后，脫色率開始下降，這是因為反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到飽和，過量的過氧化氫會與·OH反應(yīng)生成H2O和O2，消耗了部分過氧化氫。因此，H2O2用量選擇40 mL較為適宜。

2.1.4 空化時間對糖汁脫色率的影響

圖5 空化時間對糖汁脫色率的影響

由圖5可知，隨著空化時間的增加，糖汁脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)空化時間為6 min時，糖汁脫色率達(dá)到最大值，為58.9%，這是因為時間過短，過氧化氫無法完全分解產(chǎn)生·OH自由基，隨著空化時間增大，過氧化氫分解的·OH自由基越來越多，糖汁脫色率明顯增大，當(dāng)空化時間在一定范圍內(nèi)，水力空化在大范圍內(nèi)形成一個比較均勻的空化強化場，能夠使溶液混合更加均勻，擁有更大的表面積，從而提高糖汁的脫色率；繼續(xù)增大空化時間，糖汁脫色率開始下降，這是因為空化時間長，糖汁中綠原酸等多酚類化合物被氧化為顏色更深的物質(zhì)，糖汁色值增大，由此說明脫色率與空化時間有很大關(guān)系[14]。因此，空化時間選擇6 min 較為適宜。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken 中心組合設(shè)計原理，在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取Vc用量、過氧化氫用量、空化時間3個因素為自變量，以脫色率為響應(yīng)值，設(shè)計三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗，試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken 中心試驗設(shè)計方案及結(jié)果

2.2.2 回歸模型的建立和方差分析

將表2中的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到空化時間、過氧化氫用量、Vc用量的相關(guān)回歸系數(shù)，其回歸方程為：Y=-308.23125+11.65125A+4.49625B-0.36250C-0.10100A2-0.045500B2+0.72500C2-0.016000AB-0.22750AC+0.027500BC。

所得的方差分析表見表3。

表3 回歸方程的方差分析表

注：P<0.01為極顯著，用“**”表示；0.010.05為不顯著。

由表3可知，回歸方程模擬的P<0.0001，為極顯著水平，而失擬項P=0.0676>0.05，水平不顯著，表明模型與實際結(jié)果擬合較好，自變量與響應(yīng)值關(guān)系顯著，因此可以用于水力空化強化H2O2-Vc體系對糖汁脫色工藝的分析和預(yù)測。因素A和因素B的P值均小于0.01，說明Vc用量、過氧化氫用量對糖汁脫色率的影響極顯著，3個因素對糖汁脫色率影響強弱排序為：Vc用量>過氧化氫用量>空化時間；A2和B2的P值均小于0.01，說明二次項中Vc用量、過氧化氫用量這兩個因素對糖汁脫色率影響極顯著，即Vc用量、過氧化氫用量都是在糖汁脫色過程中需要主要控制的因素；各因素交互作用AB的P值小于0.05， AC的P值小于0.01，BC的P值大于0.05，說明Vc用量和過氧化氫用量之間的交互作用顯著，Vc用量和水力空化時間的交互作用極顯著，過氧化氫用量和水力空化時間的交互作用不顯著。

2.2.3 變異系數(shù)

響應(yīng)面試驗結(jié)果變異系數(shù)見表4。

表4 響應(yīng)面試驗結(jié)果變異系數(shù)

由表4可知，模型的回歸決定系數(shù)R2=0.9902，說明響應(yīng)值的變化有99.02%來源于所選因素的變化，即回歸模型具有高度相關(guān)性；校正決定系數(shù)RAdj2=0.9776，表明僅有不到3%的試驗數(shù)據(jù)不能用該模型進(jìn)行解釋；預(yù)測R2=0.8712，也能合理地說明校正決定系數(shù)RAdj2=0.9776值的變化；變異系數(shù)(C.V.)=2.15%，說明該模型有2.15%的變異不能由該模型解釋。綜上所述，該模型的擬合度較好，可用該模型代替真實試驗點在因素設(shè)置范圍內(nèi)對糖汁脫色率進(jìn)行分析和預(yù)測。

2.2.4 糖汁脫色率工藝條件的驗證

根據(jù)Design Expert軟件分析，獲得糖汁脫色率的最佳工藝條件為：Vc用量48.06 mL，過氧化氫用量42.87 mL，空化時間5.61 min，在此條件下糖汁脫色率為60.68%?？紤]到實際試驗操作條件，因此將Vc用量調(diào)整為48 mL，過氧化氫用量為43 mL，空化時間為6 min，在此條件下進(jìn)行3次平行試驗，平均糖汁脫色率為60.3%。與預(yù)測值60.68%基本一致，表明該模型與實際情況擬合較好，可以較好預(yù)測糖汁的脫色率。

3 結(jié)論

本試驗通過單因素試驗和響應(yīng)面分析探究了水力空化強化H2O2-Vc體系對糖汁脫色率的影響，考察了糖汁濃度、Vc用量、過氧化氫用量和空化時間對糖汁脫色率的影響，在單因素試驗的基礎(chǔ)上對影響糖汁脫色率的因素進(jìn)行篩選，選取Vc用量、過氧化氫用量和空化時間3個因素為自變量，以脫色率為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面試驗，得到糖汁脫色率最佳工藝為：糖汁濃度35%，Vc用量48 mL，過氧化氫用量43 mL，空化時間6 min，在此條件下糖汁脫色率為60.3%，明顯高于無水力空化條件下H2O2-Vc體系的糖汁脫色率(42.9%)，為水力空化應(yīng)用于糖汁脫色工藝提供了理論參考。