紅糖澄清工藝的正交試驗(yàn)優(yōu)化研究

李 一，車(chē)夏寧，陸婉瑤，董榮富，徐光輝，黃志偉，謝凌波，王 寶*

(1中糧崇左糖業(yè)有限公司，廣西崇左532200；2中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院有限公司/老年?duì)I養(yǎng)食品研究北京市工程試驗(yàn)室/營(yíng)養(yǎng)健康與食品安全北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京102209；3廣西壯族自治區(qū)甘蔗產(chǎn)業(yè)鏈延伸工程研究中心，廣西崇左532200)

0 引言

甘蔗糖業(yè)是廣西的支柱產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)廣西的經(jīng)濟(jì)建設(shè)起到舉足輕重的作用。近年來(lái)，廣西甘蔗種植面積穩(wěn)定在106.67萬(wàn)hm2左右，占廣西總耕地面積的1/3。甘蔗是具有營(yíng)養(yǎng)和保健功能的農(nóng)作物，蔗汁中含有多酚類(lèi)抗氧化物、高級(jí)烷醇、氨基酸等多種保健成分及其衍生物[1-5]。紅糖是甘蔗經(jīng)壓榨、澄清、蒸發(fā)、濃縮過(guò)程加工而成的一種非分蜜糖(Non-centrifugal Sugar，NCS)，相比白砂糖等分蜜糖產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，紅糖沒(méi)有經(jīng)過(guò)離心分蜜階段，因此減少了甘蔗營(yíng)養(yǎng)成分的流失，最大程度地保留了甘蔗汁中的酚類(lèi)及黃酮類(lèi)化合物、維生素、礦物質(zhì)以及氨基酸等營(yíng)養(yǎng)成分，被認(rèn)為是一種含有生物活性成分的食品，具有抗氧化、降血脂、增強(qiáng)免疫力等保健功效；因?yàn)榧t糖中這些成分之間的相互作用，以及紅糖加工煮糖階段發(fā)生的美拉德反應(yīng)，形成了其獨(dú)特的風(fēng)味和香氣[6-8]。紅糖在我國(guó)不僅作為調(diào)味品，從古到今還被認(rèn)為是具有保健功能的食品，早在公元一世紀(jì)東方朔的“神異論”、南北朝陶弘景的“名醫(yī)別錄”已有記載：紅糖能潤(rùn)肺氣、助五臟、生津、解毒、助脾氣、緩肝氣。為最大程度地保留甘蔗中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降低紅糖加工煮糖階段中成糖的難度，適度的澄清工藝尤為重要[9-13]。紅糖生產(chǎn)的澄清階段主要利用磷酸和石灰生成磷酸鈣沉淀的反應(yīng)，再結(jié)合聚丙烯酰胺形成的大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將磷酸鈣沉淀快速沉降；在澄清階段，影響澄清效果的主要因素為磷酸值、pH和蔗汁溫度等因素[14-16]。本文以磷酸添加量、主灰 pH和絮凝劑添加量作為關(guān)鍵研究參數(shù)，以澄清汁的濁度、視純度、pH、沉降效果為主要驗(yàn)證指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)研究了紅糖澄清環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘蔗汁(中糧屯河崇左糖業(yè)提供)、磷酸(AR)、聚丙烯酰胺(日本T1150)：其余所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

數(shù)字式阿貝折光儀，日本 ATAGO公司；自動(dòng)旋光儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司；電磁爐，廣東美的生活電器制造有限公司；UV-2501PC紫外分光光度計(jì)，日本島津公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 澄清工藝流程

混合汁500 mL→過(guò)濾(試驗(yàn)室濾網(wǎng)過(guò)濾)→預(yù)灰(添加石灰和磷酸，使終點(diǎn)pH為7.3)→一次加熱(水浴鍋加熱到 50℃)→主灰(添加 5%石灰水)→二次加熱(電磁爐加熱至沸騰)→絮凝沉降(500 mL量筒沉降30 min)→澄清汁。

1.3.2 澄清正交試驗(yàn)方案

根據(jù)前期工作基礎(chǔ)，選擇磷酸添加量(A)、主灰pH(B)和絮凝劑添加量(C)為影響因素，正交試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

表1 澄清正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

視純度、磷酸值、還原糖、濁度和色值均按QB/T 2343.2-2013《赤砂糖試驗(yàn)方法》[17]規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)試驗(yàn)后的平均值，數(shù)據(jù)和圖表由Design-Expert 8.0.6、Origin 9.2、Excel 2010和SPSS 22.0處理得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘蔗汁指標(biāo)

在澄清工藝之前，甘蔗汁的理化指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 混合汁理化指標(biāo)

2.2 正交試驗(yàn)對(duì)甘蔗汁的澄清效果

根據(jù)1.3.2節(jié)提到的影響因素和水平，設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)，記錄經(jīng)過(guò)澄清工藝處理后甘蔗澄清汁的視純度(D)、濁度(E)、色值(F)、pH(G)，并記錄絮凝物的沉降速度(H)和絮凝物體積(I)。工廠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)中，對(duì)于紅糖蔗汁澄清效果優(yōu)劣的重要性排序?yàn)椋篐＞I＞F＞D＞G＞E。其中，絮凝物體積使用量筒中沉淀的高度表示，沉降速度則由單位時(shí)間內(nèi)沉淀下降的高度表示，結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)后澄清汁理化指標(biāo)

數(shù)據(jù)處理采用以下方式：以磷酸添加量、主灰pH和絮凝劑添加量為影響因素，視純度、濁度、色值、pH、沉降速度、絮凝物體積為反映清汁質(zhì)量和沉降效果的指標(biāo)，目的在于考察3個(gè)影響因素對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響。以磷酸添加量對(duì)視純度的影響為例，研究100、200和300 mg/kg 3個(gè)不同添加水平對(duì)視純度的影響，并通過(guò)將最大值減去最小值得到極差，試驗(yàn)的極差結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

2.2.1 絮凝物體積影響因素分析

通過(guò)極差分析得到3個(gè)影響因素的排序?yàn)椋盒跄齽┨砑恿浚玖姿崽砑恿浚局骰襭H。影響絮凝物體積的主因素分析結(jié)果如圖1所示，由圖1可知，絮凝劑添加量對(duì)絮凝物體積的影響遠(yuǎn)大于其他2個(gè)因素。絮凝劑(聚丙烯酰胺)在體系中形成大型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而將甘蔗汁中的懸浮顆粒吸附聚集后快速沉降到底部。在不添加絮凝劑時(shí)，在相同時(shí)間內(nèi)聚集的沉淀顆粒較少，沉降速度較慢，導(dǎo)致絮凝物的密度較低，因此表現(xiàn)出的體積較大。而在添加絮凝劑后，蔗汁中形成的絮凝物沉積速度較快，絮凝物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，因此在試驗(yàn)中絮凝物的體積反而表現(xiàn)出明顯的下降。而在1.5和3.0 mg/kg 2個(gè)添加量情況下，絮凝物沉淀均相對(duì)密集，體積基本一致。磷酸添加量對(duì)絮凝物體積的影響次之，總體而言，磷酸添加量越多則絮凝物體積越大，說(shuō)明沉降下來(lái)的雜質(zhì)越多。主灰 pH對(duì)絮凝物體積的影響則相對(duì)較小，在試驗(yàn)所使用的 pH范圍內(nèi)(7.0～7.8)，絮凝物體積并未表現(xiàn)出明顯的變化。

2.1.3 不同處理對(duì)馬鈴薯成熟期的影響 CK2處理未噴施任何緩解藥劑，植株枯黃最早;處理1、2、3相繼枯黃死秧，比CK2推遲了4～7 d，CK1處理與1、2、3 處理相比早成熟了 3～6 d。

圖1 絮凝物體積影響因素分析

2.2.2 色值影響因素分析

影響澄清汁色值的主因素分析結(jié)果如圖2所示，通過(guò)極差分析得到3個(gè)影響因素的排序?yàn)椋褐骰襭H＞磷酸添加量＞絮凝劑添加量。從磷酸添加量對(duì)色值的影響趨勢(shì)可知，磷酸添加量越大則澄清汁的色值越低。而主灰 pH在中性和堿性條件下的結(jié)果相差較大，堿性條件下色值相對(duì)較高，但 pH=7.4和pH=7.8時(shí)的色值接近。相比其他2個(gè)因素，絮凝劑對(duì)色值的影響較小，1.5 mg/kg絮凝劑添加量條件下澄清汁的色值最低。

圖2 色值影響因素分析

2.2.3 濁度影響因素分析

影響澄清汁濁度的主因素分析結(jié)果如圖3所示，通過(guò)極差分析得到3個(gè)影響因素的排序?yàn)椋盒跄齽┨砑恿浚玖姿崽砑恿浚局骰襭H，且絮凝劑對(duì)濁度的影響遠(yuǎn)大于其他 2個(gè)因素。當(dāng)絮凝劑添加量為 1.5 mg/kg時(shí)，澄清汁的濁度最低。當(dāng)磷酸添加量從100 mg/kg逐步提高到300 mg/kg時(shí)，溶液中的可溶性磷酸鹽與鈣離子生成的沉淀越多，吸附的懸浮粒子效果越好，澄清汁濁度逐漸降低。在試驗(yàn)范圍內(nèi)為達(dá)到最低濁度，磷酸的最優(yōu)添加量為300 mg/kg。根據(jù)圖3可知，主灰pH對(duì)濁度的影響相對(duì)較小，當(dāng)pH為7.4時(shí)濁度最低。

圖3 濁度影響因素分析

2.2.4 視純度影響因素分析

影響澄清汁視純度的主因素分析結(jié)果如圖4所示，通過(guò)極差分析得到3個(gè)影響因素的排序?yàn)椋毫姿崽砑恿浚拘跄齽┨砑恿浚局骰襭H。由圖4可知，隨著磷酸添加量的增大，清汁的視純度也隨之增大；當(dāng)磷酸添加量為300 mg/kg時(shí)，視純度達(dá)到最高值87.33%。當(dāng)絮凝劑添加量為1.5 mg/kg、主灰pH為7.8時(shí)，澄清汁視純度相對(duì)較高。因此在甘蔗原料純度偏低的情況下，可采用300 mg/kg磷酸添加量和高主灰pH的深度澄清工藝，有效提高澄清汁純度。

圖4 視純度影響因素分析

2.2.5 澄清汁pH影響因素分析

澄清汁pH的主因素分析結(jié)果如圖5所示，通過(guò)極差分析得到3個(gè)影響因素的排序?yàn)椋褐骰襭H＞磷酸添加量＞絮凝劑添加量。由圖5可知，澄清汁pH受主灰pH的影響較大，該值隨主灰pH的增加而增加。且澄清汁 pH與還原糖含量、煮糖溫度及時(shí)間有較大聯(lián)系，磷酸添加量和絮凝劑添加量對(duì)澄清汁pH的影響較小。

圖5 澄清汁pH影響因素分析

2.2.6 絮凝物沉降速度的影響因素分析

絮凝物沉降速度的主因素分析結(jié)果如圖6所示，通過(guò)極差分析得到3個(gè)影響因素的排序?yàn)椋盒跄齽┨砑恿浚玖姿崽砑恿浚局骰襭H。由圖6可知，絮凝劑添加量對(duì)絮凝物沉降速度的影響遠(yuǎn)大于磷酸添加量和主灰pH；在未添加絮凝劑條件下，絮凝物的沉降速度僅為6 mL/min，而在添加絮凝劑后，絮凝劑的沉降速度明顯上升。在1.5和3.0 mg/kg的磷酸添加量水平下，絮凝物的沉降速度分別為 66和 67 mL/min，表明2種添加量水平對(duì)絮凝物沉降速度的效果相當(dāng)。

圖6 沉降速度影響因素分析

2.2.7 最優(yōu)澄清條件的選擇

沉降速度和沉淀質(zhì)量是實(shí)際生產(chǎn)中體現(xiàn)澄清效率的關(guān)鍵性指標(biāo)，而絮凝物體積是沉淀質(zhì)量的主要表現(xiàn)形式，因絮凝劑添加量對(duì)二者的影響最大，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本分析，選擇絮凝劑最優(yōu)添加量為 1.5 mg/kg。磷酸添加量主要影響色值和視純度，實(shí)際生產(chǎn)中澄清汁色值相比視純度更關(guān)鍵，高色值的澄清汁更易得到風(fēng)味濃郁的深顏色紅糖，再綜合經(jīng)濟(jì)因素，選擇磷酸最優(yōu)添加量為200 mg/kg。主灰pH主要影響澄清汁pH和色值，澄清汁pH和色值對(duì)后續(xù)煮糖環(huán)節(jié)中風(fēng)味物質(zhì)的形成起關(guān)鍵作用，主灰 pH較大時(shí)易導(dǎo)致紅糖產(chǎn)品堿味較重，因此最優(yōu)主灰pH 為7.4。

3 結(jié)論

本文通過(guò)紅糖澄清工藝的優(yōu)化正交試驗(yàn)研究，詳細(xì)分析了磷酸添加量、主灰 pH和絮凝劑添加量對(duì)甘蔗汁澄清效果的影響情況。研究結(jié)果表明，紅糖澄清工藝的最佳澄清條件為：磷酸添加量 200 mg/kg，主灰pH 7.4，絮凝劑添加量1.5 mg/kg；在此條件下，澄清汁純度為87.32%，濁度為21 MAU，pH為7.41。本研究結(jié)果可為蔗汁澄清制備紅糖提供更多的理論借鑒。