超聲強化過氧化氫-維生素C體系糖汁脫色的研究

黃承都，姜繼平，龍惠，黃永春*，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[2-5]，制約著制糖業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。超聲空化由于其對介質(zhì)能夠產(chǎn)生空化效應(yīng)[6,7]，被廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)療等領(lǐng)域[8-10]。超聲技術(shù)已在制糖工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用：超聲波防除制糖設(shè)備的積垢、超聲波強化蔗汁的澄清、超聲強化蔗糖結(jié)晶等[11-14]，本課題組前期也利用超聲技術(shù)在蔗汁澄清方面進(jìn)行了大量的研究[15-18]，結(jié)果表明超聲技術(shù)在制糖工業(yè)中具有很好的研究前景。

將過氧化氫-維生素C(簡寫為H2O2-Vc)體系應(yīng)用于糖汁脫色，主要利用過氧化氫釋放的羥自由基(·OH)的氧化性進(jìn)行脫色[19]，以維生素C作為催化劑，加快·OH的產(chǎn)生速率[20]，該方法具有低硫、節(jié)能、安全等優(yōu)點，但其脫色率仍有待提升。超聲空化與H2O2氧化法的結(jié)合可提高·OH自由基的產(chǎn)量，是基于超聲空化過程中產(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[21,22]，釋放·OH自由基，同時伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)變化，因而對糖汁脫色起到一定的強化作用[23]。將超聲強化H2O2-Vc技術(shù)應(yīng)用于糖汁脫色，目前尚無文獻(xiàn)報道，其原理類似超聲空化與Fenton試劑聯(lián)合作用降解有機物[24,25]。本研究考察了超聲空化強化H2O2-Vc體系對糖汁脫色的影響，為超聲強化H2O2-Vc體系的糖汁脫色工藝提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料與試劑

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

1.1.2 主要儀器

SL-650SD型智能溫控多頻超聲波細(xì)胞粉碎儀(額定功率650 W)、SL-2010N型智能低溫恒溫槽 南京順流儀器有限公司；BS-224S型電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)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 測定方法

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如下[26,27]：

IU560 nm=1000×A560 nm/(b×c)。

四是流域排污總量控制?！稐l例》第一次在流域尺度納入了總量控制制度，建立水功能區(qū)限制納污紅線，根據(jù)水功能區(qū)水質(zhì)要求提出限制排污總量意見。制定區(qū)域排污總量指標(biāo)時要充分考慮限制排污總量意見，既在流域?qū)用娼y(tǒng)籌的區(qū)域限制排污總量，又使水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)要求通過限排意見反映到污染物排放總量削減和控制計劃中，并逐級落實到執(zhí)行層面。

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

脫色率的計算公式如下：

式中：A0為原糖汁色值；A為脫色后糖汁色值IU560 nm。

1.3 單因素試驗

1.3.1 超聲功率比對糖汁脫色率的影響

將原糖按15%的濃度溶解，分別取5份100 mL倒入夾套保溫?zé)?，將超聲空化器探頭伸入夾套保溫?zé)奶侵?，設(shè)置恒溫水溫度為60 ℃，超聲空化器空化時間設(shè)定為20 min；待糖汁溫度升到60 ℃后，用移液槍在每份糖汁中加入1.6 mL H2O2溶液及1.6 mL Vc溶液(即兩者比例均為1∶1)，然后分別以超聲功率比(處理功率占額定功率650 W的百分比)為30%、40%、50%、60%、70%的條件對H2O2-Vc體系的糖汁脫色反應(yīng)進(jìn)行超聲空化處理；經(jīng)處理20 min后，將溶液在冷水浴中降溫至20 ℃，測定糖汁吸光度、觀測錘度以及視密度，并計算糖汁色值及相應(yīng)脫色率。

分別量取15%糖汁100 mL各5份倒入夾套燒杯中，將超聲空化器探頭伸入夾套燒杯的糖汁中，設(shè)置恒溫水溫度為60 ℃，超聲空化器空化時間設(shè)定為20 min；待糖汁溫度升到60 ℃后，用移液槍向每份糖汁中分別加入1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0 mL H2O2溶液及相同量的Vc溶液，然后在功率比為40%的條件下進(jìn)行超聲空化處理；經(jīng)處理反應(yīng)20 min后，將溶液在冷水浴中降溫至20 ℃，測定糖汁吸光度、觀測錘度以及視密度，并計算糖汁色值及相應(yīng)脫色率。

1.3.3 超聲溫度對糖汁脫色率的影響

分別量取15%糖汁100 mL各5份倒入夾套燒杯中，將超聲空化器探頭伸入夾套燒杯的糖汁中，設(shè)置超聲空化器空化時間為20 min，再分別設(shè)置恒溫水溫度為40,50,60,70,80 ℃，待糖汁溫度升到相應(yīng)溫度后，用移液槍在每份糖汁中加入1.6 mL H2O2溶液及1.6 mL Vc溶液，然后立即分別在功率比為40%的條件下進(jìn)行超聲空化處理；經(jīng)處理反應(yīng)20 min后，立即將溶液在冷水浴中降溫至20 ℃，測定糖汁吸光度、觀測錘度以及視密度，并計算糖汁色值及相應(yīng)脫色率。

1.3.4 超聲時間對糖汁脫色率的影響

分別量取15%糖汁100 mL各5份倒入夾套燒杯中，將超聲空化器探頭伸入夾套燒杯的糖汁中，設(shè)置恒溫水溫度為60 ℃；待糖汁溫度升到60 ℃后，用移液槍在每份糖汁中分別加入1.6 mL H2O2溶液及相同量的Vc溶液，然后立即在功率比為40%的條件下進(jìn)行空化，每份糖汁分別空化2,4,6,8,10 min；超聲空化處理結(jié)束后，立即將溶液在冷水浴中降溫至20 ℃，測定糖汁吸光度、觀測錘度以及視密度，并計算糖汁色值及相應(yīng)脫色率。

1.4 正交設(shè)計優(yōu)化

綜合單因素試驗結(jié)果，將超聲功率比(A)、H2O2-Vc復(fù)合脫色劑用量(B)、空化溫度(C)、超聲時間(D)4個因素，按照四因素三水平L9(34)安排正交試驗，以糖汁脫色率為響應(yīng)值，優(yōu)化超聲強化H2O2-Vc體系對糖汁脫色的工藝，試驗因素水平見表1，正交試驗設(shè)計方案見表2。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交試驗設(shè)計方案表Table 2 Design scheme of orthogonal experiment

按照表2試驗條件進(jìn)行正交試驗，測定每組試驗的糖汁吸光度、觀測錘度以及視密度，并計算糖汁色值及相應(yīng)脫色率。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 超聲功率對糖汁脫色率的影響

圖1 超聲功率對糖汁脫色率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power on decolorization rate of sugar juice

由圖1可知，隨著超聲功率的增大，糖汁的脫色率先增大后下降，即超聲功率比小于40%時，糖汁的脫色率隨著超聲功率的增大而增大，這是由于超聲空化功率越大，產(chǎn)生的·OH越多，自由基能將糖汁中原有的有色物質(zhì)氧化分解，變成無色物質(zhì)，使得糖汁的脫色率增大；當(dāng)超聲功率大于額定功率的40%后，繼續(xù)增大，糖汁的脫色率開始下降，這是由于大功率空化所產(chǎn)生的·OH數(shù)量過多，過量的·OH會與·H或H2O2反應(yīng)，使得氧化劑的量減少，從而降低了脫色率，由此說明脫色率與空化功率有很大關(guān)系，當(dāng)超聲功率為額定功率的40%(即260 W)時，糖汁脫色率達(dá)到最大值45.6%。

2.1.2 H2O2-Vc復(fù)合脫色劑用量對糖汁脫色率的影響

圖2 H2O2-Vc復(fù)合脫色劑用量對糖汁脫色率的影響Fig.2 Effect of the amount of H2O2-Vc compound decolorizer on decolorization rate of sugar juice

由圖2可知，隨著H2O2-Vc復(fù)合脫色劑用量的增加，糖汁的脫色率明顯呈先增大后下降的趨勢，當(dāng)H2O2和Vc用量均為1.6 mL時，脫色率達(dá)到最大值44.4%，這是因為H2O2-Vc復(fù)合脫色劑用量的增加使得·OH的生成速率增大，色素分子隨之被分解，脫色率逐步增大；當(dāng)H2O2和Vc用量都超過1.6 mL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，同時過量的Vc也會消耗部分過氧化氫和空化所產(chǎn)生的羥基自由基。因此，H2O2和Vc用量選擇1.6 mL較為適宜。

2.1.3 超聲溫度對糖汁脫色率的影響

圖3 超聲溫度對糖汁脫色率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on decolorization rate of sugar juice

由圖3可知，隨著溫度的上升糖汁脫色率先上升后下降。這是由于隨著溫度的升高，一方面空化效率會有一定的增強；另一方面，隨著溫度升高，H2O2的分解速率增大，體系中有大量·OH產(chǎn)生，使得糖汁中有色物質(zhì)被分解的速度加快，當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃時，糖汁的脫色率達(dá)到50.7%。當(dāng)溫度高于70 ℃后，糖汁脫色率開始下降，這是由于過高的溫度會使H2O2和Vc分解，且無法與有色物質(zhì)發(fā)生作用，使得脫色率下降；同時高溫會使原糖中一些酚類物質(zhì)發(fā)生副反應(yīng)，有色物質(zhì)增多。

2.1.4 超聲時間對糖汁脫色率的影響

圖4 超聲時間對糖汁脫色率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic time on decolorizationrate of sugar juice

由圖4可知，隨著超聲處理時間的增加，糖汁脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)超聲時間為6 min時，糖汁脫色率達(dá)到最大值，53.4%。當(dāng)超聲時間過短時，H2O2無法完全分解產(chǎn)生·OH，隨著超聲時間增加，過氧化氫分解的·OH越來越多，糖汁脫色率明顯增大；但是超聲時間也不宜過長，如超聲時間超過6 min后，可能會導(dǎo)致一些酚類物質(zhì)發(fā)生副反應(yīng)，有色物質(zhì)增多；因此，超聲時間選擇6 min較為適宜。

2.2 正交試驗結(jié)果與分析

根據(jù)正交設(shè)計表，按照表2試驗條件進(jìn)行正交試驗，測定每組試驗糖汁吸光度、觀測錘度以及視密度，并計算糖汁色值及相應(yīng)脫色率，試驗結(jié)果見表3。

表3 正交試驗結(jié)果分析表Table 3 Result analysis of orthogonal experiment

通過正交試驗結(jié)果極差分析，得到各個因素對糖汁脫色率影響的主次關(guān)系，由表3可知，影響糖汁脫色工藝大小的因素主次為：A>B>D>C，即：超聲功率>復(fù)合脫色劑用量>超聲時間>空化溫度，最優(yōu)方案為A2B3C3D1，即：超聲功率比為40%，復(fù)合脫色劑用量為1.8 mL，超聲空化溫度為80 ℃，超聲時間為4 min。根據(jù)此條件做驗證試驗，得到糖汁脫色率為54%，進(jìn)一步驗證了優(yōu)化的脫色條件是合理的。

3 結(jié)論

本試驗通過單因素試驗和正交設(shè)計探究了超聲強化H2O2-Vc體系對糖汁脫色率的影響，考察了超聲功率、H2O2-Vc脫色劑用量、超聲溫度和時間對糖汁脫色率的影響，試驗表明超聲空化對H2O2-Vc體系的糖汁脫色效果具有協(xié)同強化作用，當(dāng)處理的糖汁量為100 mL，超聲功率為260 W，H2O2和Vc的使用量都為1.6 mL，空化溫度為70 ℃，超聲時間為6 min時脫色率達(dá)到53.4%。通過四因素三水平正交試驗結(jié)果極差分析，得到各個因素對糖汁脫色率影響的主次關(guān)系：超聲功率>復(fù)合脫色劑用量>超聲時間>空化溫度。該工藝用于糖汁脫色，脫色率明顯提升，處理時間縮短，這為今后開發(fā)新型低溫?zé)o硫糖汁脫色技術(shù)提供了理論依據(jù)。