淺淡糖漿pH值對(duì)糖膏煮制的影響

曹紹俊，周 勇，黃景勝，謝顯華

(1廣西洋浦南華糖業(yè)集團(tuán)股份有限公司，廣西南寧 530022；2廣西田東南華糖業(yè)有限責(zé)任公司，廣西百色 531500；3中國(guó)輕工業(yè)廣州工程有限公司，廣東廣州 510640)

0 前言

糖漿理化指標(biāo)直接影響制糖企業(yè)的煮煉收回效率與產(chǎn)品質(zhì)量，其中糖漿的純度、色值及還原糖這3個(gè)核心指標(biāo)的高低，直接影響煮煉效率和產(chǎn)品質(zhì)量，但糖漿pH值對(duì)糖膏煮制的影響卻一直存在爭(zhēng)議，特別是糖漿pH值偏低造成的煮糖轉(zhuǎn)化損失量是否很大、降低糖漿pH值是否真的有利于降低煮糖粘度等問(wèn)題都只有經(jīng)驗(yàn)上的定性判斷。因此本文擬從糖漿pH值與糖膏煮制過(guò)程的蔗糖轉(zhuǎn)化、糖膏粘度及產(chǎn)品質(zhì)量等3方面探討其對(duì)糖膏煮制的影響。

1 糖漿pH值對(duì)煮糖過(guò)程蔗糖轉(zhuǎn)化的影響

蔗糖水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖、果糖的反應(yīng)屬準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)，純蔗糖溶液的轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)方程滿足：lgC=Kt+B[1]，當(dāng)蔗糖濃度C一定時(shí)，反應(yīng)速度系數(shù)K值越大，蔗糖分解速度越快，K值主要取決于溫度、催化劑濃度(最常用的催化劑即為氫離子H+的濃度)。而對(duì)于糖漿這種非純蔗糖溶液，因?yàn)槿芤褐兴蟹翘欠痔幱陔婋x平衡，此時(shí)無(wú)論是有機(jī)酸、無(wú)機(jī)鹽還是含氮物質(zhì)、膠體物質(zhì)均不會(huì)再對(duì)糖液的H+濃度有所貢獻(xiàn)[2]，所以純蔗糖溶液在不同的溫度、pH值轉(zhuǎn)化速率參數(shù)可以用于測(cè)算煮糖過(guò)程的蔗糖轉(zhuǎn)化。

1.1 煮糖過(guò)程的蔗糖轉(zhuǎn)化計(jì)算基礎(chǔ)

煮糖過(guò)程的蔗糖轉(zhuǎn)化與蔗比的計(jì)算公式為：蔗糖轉(zhuǎn)化與蔗比=物料與蔗比×錘度×重力純度×蔗糖轉(zhuǎn)化百分比。其中，蔗糖轉(zhuǎn)化百分比的計(jì)算公式為[1]：

式⑴中：X-蔗糖轉(zhuǎn)化百分比；a-蔗糖水解前的濃度，可取100%；t-物料在罐內(nèi)的平均停留時(shí)間，h；k-蔗糖的水解速度常數(shù)；e-自然常數(shù)，取2.71828。

其中，蔗糖的水解速度常數(shù)k的計(jì)算公式為式⑵所示。

式⑵中：T-糖膏煮制溫度(糖膏煮制溫度一般在60～70℃，現(xiàn)擬取65℃，則T=273+65)，K；pH-物料pH值。

根據(jù)實(shí)際情況擬定的計(jì)算條件及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下：

⑴根據(jù)某廠物料平衡計(jì)算結(jié)果、實(shí)際的煮糖原料情況：擬定糖漿與蔗比25%、錘度65°Bx、重力純度87 GP；甲蜜與蔗比13%、錘度86°Bx、重力純度69 GP；乙蜜與蔗比4%、錘度91°Bx、重力純度49 GP。

⑵結(jié)合各系糖膏的實(shí)際煮制時(shí)間，且為方便估算，甲膏分蜜簡(jiǎn)化只分甲蜜，甲蜜全部用于煮乙膏，忽略各系糖膏的種子煮制，僅在煮制時(shí)間上做一定補(bǔ)償，則各系糖膏煮制時(shí)的物料停留時(shí)間為：甲膏煮制時(shí)間按4.5 h、全用糖漿，糖漿在罐內(nèi)停留時(shí)間取平均值，即2.25 h；乙膏煮制時(shí)間按7 h、全用甲蜜，甲蜜在罐內(nèi)停留時(shí)間取平均值，即3.5 h；丙膏煮制時(shí)間9 h，全用乙蜜，乙蜜在罐內(nèi)停留時(shí)間取平均值，即4.5 h；

⑶糖漿、糖蜜pH情況：根據(jù)企業(yè)對(duì)各系糖膏、糖蜜的pH值查定數(shù)據(jù)，擬按表1的原料pH值數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算煮糖轉(zhuǎn)化損失。

表1 糖漿及糖蜜pH值

1.2 煮糖過(guò)程的蔗糖轉(zhuǎn)化的計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)1.1所述的式(1)、式(2)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及擬定的條件，計(jì)算出煮糖過(guò)程蔗糖轉(zhuǎn)化情況，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 蔗糖轉(zhuǎn)化計(jì)算結(jié)果

表2的數(shù)據(jù)顯示，各系糖膏在正常的煮制時(shí)間、煮制量的條件下，糖漿pH從6.8降到6.2，煮糖過(guò)程的蔗糖轉(zhuǎn)化與蔗比從0.00343%提升到了0.01052%，增加了約2.067倍；但測(cè)算出來(lái)的煮糖過(guò)程蔗糖轉(zhuǎn)化與蔗比的數(shù)值來(lái)分析，因糖漿pH值降低導(dǎo)致的煮糖轉(zhuǎn)化損失較小。

2 糖漿pH值對(duì)煮糖降粘的影響

“降低糖漿pH值，煮糖粘度會(huì)下降”，這條經(jīng)驗(yàn)無(wú)論是在教科書上[3]，還是在煮糖工口中，都是經(jīng)常提到的，然而降低糖漿pH值為什么會(huì)降低煮糖的粘度，現(xiàn)有文獻(xiàn)未深入說(shuō)明。本文對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行探究。

2.1 糖膏粘度的分類

按粘度對(duì)流體進(jìn)行分類，可以分為牛頓流體與非牛頓流體。牛頓流體的特征是剪切應(yīng)力和速度梯度之間是線性關(guān)系，恒溫下牛頓流體的粘度是一個(gè)常數(shù)。而糖漿的剪切應(yīng)力與剪切速度成明顯的線性關(guān)系，為典型的牛頓流體[4]，如圖1所示。

圖1 不同溫度下糖漿的剪切應(yīng)力與速率關(guān)系

影響糖漿的粘度的因素包括溫度和垂度等，其中，糖漿粘度大小與溫度成反比、與錘度成正比，相關(guān)研究表明，糖漿pH值高低對(duì)其粘度的影響并不大[5-6]，70℃下粗糖漿與硫漂后的精糖漿的物理粘度分別是8.6×10-3和8.2×10-3Pa·s[4]，相差甚小，數(shù)據(jù)上沒(méi)有明顯的降粘作用。

糖膏為結(jié)晶糖和母液的混合物，是非牛頓流體，糖膏的切應(yīng)力和速度梯度之間不是線性關(guān)系[4]。進(jìn)一步細(xì)分，可以將糖膏視為一種假塑性流體，它在流動(dòng)很慢時(shí)，其剪切粘度保持為常數(shù)，而隨剪切速度增大，粘度反而減少。通過(guò)給煮糖罐加裝強(qiáng)制攪拌，施加外在的切應(yīng)力來(lái)降低糖膏粘度，就是利用糖膏非牛頓流體的這種特性。

糖膏的粘度是隨煮糖時(shí)間而變化的(圖2)。煮糖初期，糖膏錘度低，晶體較細(xì)，粘度也較小，糖膏的流動(dòng)性良好；當(dāng)煮糖到達(dá)一定時(shí)間之后，特別是煮糖后期，由于糖膏錘度增大，晶體長(zhǎng)大，其粘度將大大地增加，糖膏的流動(dòng)性變差[4]。糖膏煮制過(guò)程中晶體含量的增加與過(guò)飽和度的增大是影響糖膏粘度的主要因素。

圖2 糖膏煮制過(guò)程的粘度變化

2.2 糖漿pH值對(duì)糖膏粘度的影響

根據(jù)糖漿pH值對(duì)其本身的粘度基本不存在影響，那它對(duì)糖膏粘度的影響的機(jī)理是：

視糖膏中的有機(jī)物質(zhì)呈無(wú)規(guī)線團(tuán)狀，但彼此交疊、纏結(jié)在一起相互貫穿成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增大糖膏中的酸值，也就是H+離子濃度，會(huì)降低聚電解質(zhì)的靜電斥力，致使無(wú)規(guī)線團(tuán)體積收縮，結(jié)果減弱了纏結(jié)程度，粘度因而變小[7]。這種狀態(tài)下蔗糖分子更容易穿過(guò)其他有機(jī)物質(zhì)層，到達(dá)蔗糖晶體表面，促使晶體長(zhǎng)大。

3 糖漿pH值對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響

雖然降低糖漿pH值對(duì)糖膏煮制有一定的降粘作用，且過(guò)程的轉(zhuǎn)化損失并不大，但過(guò)低的糖漿pH值對(duì)大多數(shù)制糖企業(yè)來(lái)說(shuō)是會(huì)影響白砂糖產(chǎn)品質(zhì)量的。因?yàn)椋菨{pH值過(guò)低，會(huì)加速對(duì)非不銹鋼材質(zhì)或沒(méi)有防腐處理過(guò)的煮糖罐、管路、儲(chǔ)箱的腐蝕，溶解出Fe2+，并且Fe2+進(jìn)一步被氧化產(chǎn)生Fe3+，F(xiàn)e3+進(jìn)一步和物料中的酚類色素絡(luò)合，生產(chǎn)深色物料，并且Fe3+與酚類色值絡(luò)合的產(chǎn)物色值更高，如圖3所示[8]。

圖3 不同價(jià)位鐵離子對(duì)中間制品色值的影響

不少企業(yè)出現(xiàn)糖漿色值在工藝指標(biāo)范圍內(nèi)，但后段的乙、丙糖色值偏高，感觀偏紅，造成白砂糖的色值較高。這其中一個(gè)重要原因就是由于糖漿pH值偏低(5.8～6.2)，后段糖膏煮制所用的原洗蜜pH值則更低。再加上煮制時(shí)間長(zhǎng)，煮煉基礎(chǔ)設(shè)備較差的企業(yè)在這個(gè)過(guò)程中就會(huì)溶解出相對(duì)多的鐵離子進(jìn)入物料中去，這樣乙、丙糖結(jié)晶時(shí)吸收這部分有色物質(zhì)的量也就相應(yīng)增多了。

4 結(jié)論與建議

從本文的研究結(jié)果來(lái)看，通過(guò)適當(dāng)降低糖漿pH來(lái)降低糖膏粘度在實(shí)踐上有效果，在理論上也是有據(jù)可依，同時(shí)因糖漿pH值降低導(dǎo)致的蔗糖轉(zhuǎn)化量相比于整個(gè)生產(chǎn)損失的蔗糖量來(lái)說(shuō)就非常?。禾菨{pH值6.2～6.8時(shí)，轉(zhuǎn)化損失的蔗糖量與蔗比對(duì)應(yīng)為0.01052%～0.00343%。

但要注意糖漿pH值過(guò)低導(dǎo)致的設(shè)備腐蝕問(wèn)題，及其引發(fā)的過(guò)多鐵離子與酚類色素絡(luò)合，產(chǎn)生的產(chǎn)品色值問(wèn)題，特別是煮煉設(shè)備均為碳鋼、且防腐不到位的企業(yè)要更加關(guān)注這個(gè)問(wèn)題。因此，建議硫漂或糖漿上浮出來(lái)的精糖漿的pH值宜控制在pH值6.5左右，如煮煉設(shè)備多為不銹鋼或防腐到位的設(shè)備，可以嘗試控制糖漿在更低pH值范圍，如6.2左右。