強化甘蔗糖汁清凈過程和提高清凈效率的研究

摘 要：糖汁清凈是制糖工藝中的重要環(huán)節(jié)，它的任務是對來自壓榨車間的混合糖汁進行提凈處理。目的是通過除去非糖成分以提高糖汁的純度，并降低其粘度和色值，為煮糖結(jié)晶提供優(yōu)質(zhì)的原料糖漿。根據(jù)糖汁澄清基本原理以及影響糖汁清凈的因素，論述了強化糖汁清凈過程和提高清凈效率的途徑。

關鍵詞：甘蔗糖汁；高分子聚合物；膠體；亞硫酸法

中圖分類號 S566.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）11-117-04

1 糖汁澄清的基本原理

滲出汁中非糖分的存在會對加工造成困難，影響糖品質(zhì)量并增加廢蜜量和糖分的損失。因此在進行糖汁濃縮和結(jié)晶之前要進行清凈，以盡可能地清除非糖分[1]。清凈的目的是：除去滲出汁中的懸浮粒子；中和滲出汁的酸性；除去著色物質(zhì)；盡量除去非糖分，尤其是表面活性非糖分和膠體物。通過清凈使糖汁純度提高、粘度和色值降低，為煮糖結(jié)晶制備好優(yōu)質(zhì)原料糖漿。

按照所用主要清凈劑的不同，糖汁清凈基本上有石灰法、亞硫酸法和碳酸法3類。后者清凈效果最佳，通常2次充入碳酸氣，又叫雙碳酸法。對滲出汁先進行預加灰（以石灰乳形式加入），以中和酸度和最大限度地凝聚和沉淀非糖分（主要是膠體等高分子物質(zhì)）。然后加熱，再加入過量石灰乳，即主加灰，使非糖分在強堿高溫作用下分解，提高糖汁的熱穩(wěn)定性，并為以后碳酸飽充提供足夠的氫氧化鈣。主灰汁經(jīng)加熱后第1次充入碳酸氣，將氫氧化鈣飽充生成不溶解的碳酸鈣。新生的碳酸鈣對非糖分有良好的吸附作用，與飽充至最佳堿度下凝聚的非糖分結(jié)成顆粒沉淀。經(jīng)過濾除去沉淀非糖分后再加熱進行第2次碳酸飽充，使糖汁中剩余的氫氧化鈣和鈣鹽量降至最低限度。否則在糖汁蒸發(fā)過程中會使加熱面上嚴重積垢。而非糖分過多的帶入糖漿中不但會使結(jié)晶發(fā)生困難，且提高廢蜜量，增加工藝糖分損失。在蒸發(fā)前后糖汁還要進行硫漂（通入SO2），進一步降低色值和粘度，并起殺菌作用。雙碳酸法清凈一般可除去滲出汁中30%～45%的非糖分。盡管清凈效率還不夠高，但許多有害非糖分的去除已可滿足結(jié)晶前的要求，可生產(chǎn)出質(zhì)量較高的白糖。

1.1 混合汁的組成以及性質(zhì) 從甘蔗提取的蔗汁具有非常復雜的成分，其中除含量較多的蔗糖外，還有各種無機和有機非糖雜質(zhì)（稱為非糖分），如還原糖、多糖、蛋白質(zhì)、各種氨基酸與酰胺、有機酸、膠體物、蔗汁蔗蠟、植物色素、灰分等，此外，混合汁中還有相當多的蔗屑和泥沙。這些非糖分的存在，最后必將影響到蔗糖分的提取和產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。因此甘蔗糖廠澄清工段的任務是對來自壓榨工段的蔗汁（混合汁）進行提凈處理。

部分有機非糖，如蛋白質(zhì)、果膠、單寧、聚戊糖、色素及部分類脂，因為它們都有不同程度的水化作用，所以又都是親水膠體；至于無機非糖中的二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵等，在混合汁中相應地生成的硅酸膠、氫氧化鉛、氫氧化鐵則均屬于憎水膠體。各種膠體都具有以下基本性質(zhì)：高度分散性；不均勻性（又稱多相性）；聚結(jié)不穩(wěn)定性。蔗汁膠體由于膠體帶電和溶劑化，所以在實際中處于穩(wěn)定狀態(tài)。蔗汁中膠體體系的存在或形成對制糖過程都是不利的。膠體的存在能使糖漿、廢蜜的粘度增大，從而阻礙結(jié)晶、分蜜，增加糖分損失，同時還能使晶粒的色值加深，影響產(chǎn)品的質(zhì)量，當然也能阻礙沉降過濾的順利進行。為此，在澄清糖汁時，應最大限度地把膠體除去。

混合汁是一種多元復雜的溶液，其中既有膠態(tài)又有晶態(tài)的物質(zhì)，既有強電解質(zhì)又有弱電解質(zhì)，既有酸性又有堿性物質(zhì)及其鹽類，既有溶解度小的物質(zhì)又有溶解度大的物質(zhì)，既有無機物又有有機物，既有小分子化合物又有高分子化合物，既有簡單分子化合物又有復雜的絡鹽化合物，既有表面活性物質(zhì)又有表面非活性物質(zhì)?；旌现粌H多樣而且多變，它的變化不但來自本身，易受外界條件的影響。

1.2 清凈效率 清凈效率的高低一般表現(xiàn)在混合汁澄清處理變?yōu)榍逯笥卸嗌俜翘欠直磺宄簟Ｒ蚍翘欠值亩嗌倥c糖汁的純度直接有關，而純度則是常規(guī)化驗項目之一，故計算時可設：混合汁純度P1，非糖分為100-P1，澄清汁純度P2，非糖分為100-P2，由此得：清凈效率=（混合汁中非糖分/糖分-清汁中非糖分/糖分）/（混合汁中非糖分/糖分）×100%={[（100-P1）/P1-（100-P2）/P2]/（（100-P1/P1）}×100%。即：清凈效率=[（清凈純度-混合汁純度）100]/[（100-混合汁純度）清汁純度]×100%。純度一般采用重力純度，也可以用簡純度，但代表性和準確性都比重力純度差一些。

2 影響蔗汁清凈的因素

2.1 色素及有色非糖分 甘蔗中的天然色素主要分為脂溶性和水溶性兩大類。脂溶性色素通常與各種蔗汁混合存在，與蛋白質(zhì)緊密連結(jié)，分散成懸浮微粒；水溶性色素主要是各種酚類物質(zhì)，在生產(chǎn)過程?？尚纬筛钌奈镔|(zhì)，嚴重影響制糖過程[3]。鐵、氧和氧化酶也可以導致糖品出現(xiàn)深色。當糖汁加熱時，蔗糖的焦化、還原糖分解及美拉德反應都可形成褐色物質(zhì)。它們都溶解于水，不能為石灰所沉淀，活性炭和離子交換樹脂可將其吸附并除去大部分，但亞硫酸法的生產(chǎn)過程除去極少，因此對產(chǎn)品質(zhì)量有較大的影響。為了減少色素對產(chǎn)品質(zhì)量的不良影響，應當盡量處理新鮮而成熟的甘蔗，這樣可以減少蔗汁中還原糖和氨基酸等被稱為色源物質(zhì)的含量；制糖過程中還應避免糖汁高溫和長時間過熱；減少鐵制設備或注意鐵銹的清除。

2.2 還原糖 還原糖是單糖，蔗汁中以葡萄糖和果糖為最多。還原糖能和氨基酸發(fā)生美拉德反應，生成一種叫類黑素的色素。還原糖中的葡萄糖和果糖在pH=3.0最穩(wěn)定。堿性蔗汁若加熱超過38℃則會分解且不斷生成膠體物質(zhì)、色素、有機酸等，還可與氨基酸起美拉德反應，形成的色素稱類黑精，反應的副產(chǎn)品CO2和熱量還會給糖廠帶來許多不正常的情況，如CO2使糖膏發(fā)脹并從助晶箱中溢出，放熱反應促使糖蜜中的蔗糖加速分解，從而使更多的還原糖參與反應，熱量不斷增加，嚴重時不斷增加的熱量可使糖蜜中所有的糖受熱焦化，變成黑褐色泡沫狀的炭狀物。這種現(xiàn)象稱為廢蜜燃燒。

2.3 膠體 親水膠體主要是各種高分子量的有機物質(zhì)，對提純分離的不良影響相當大。存在于糖汁中的親水膠體主要有：蛋白質(zhì)、果膠、多糖類、高分子酚類物質(zhì)等，含有大量的親水基團，本身高度水化，很難脫水[4]。除了蛋白質(zhì)可以因變性作用被加熱凝聚，其他的高分子有機物通過水解作用，可促進多種有機物質(zhì)分散成為膠體，嚴重阻礙糖汁的提純分離。

2.4 有機酸類 糖汁中的有機酸有烏頭酸、草酸、蘋果酸、琥珀酸、檸檬酸、富馬酸等，以烏頭酸的含量最多，占甘蔗重量的0.05%～0.15%。由于甘蔗中烏頭酸的含量要高于磷酸，在加灰澄清時，必須增加石灰用量才能達到澄清所需的終點pH值。以上所有有機酸中，除了草酸能形成鈣鹽沉淀外，其他有機酸及其堿金屬鹽類均可溶于水，都具有造蜜作用。蔗汁中的有機酸越多，則中和它加入的石灰量越多，這對減少蒸發(fā)積垢及降低結(jié)晶過程的造蜜能力都是不利的。

2.5 無機物 糖汁中的無機物以堿類為主，大多以陽離子狀態(tài)存在于糖汁中。磷酸則有單磷酸、雙磷酸或有機磷酸鹽等形式；硅酸、三價鐵及鋁大部分都是溶膠狀態(tài)，其中以硅酸的含量為最多。糖汁中的P2O5含量對于糖汁澄清影響極大，但是含量過高，不但沉降速度十分緩慢，而且增加沉淀池及過濾機的負擔。

3 強化糖汁清凈過程和提高蔗汁清凈效率的途徑

3.1 壓榨過程

3.1.1 保證原料蔗的新鮮度及壓榨工序的環(huán)境衛(wèi)生 對于糖汁的提純分離來說，生產(chǎn)中保證甘蔗的新鮮程度是很重要的。為此，既要盡量縮短甘蔗從砍收到進廠壓榨之間的時間，又要嚴格執(zhí)行砍收規(guī)范。要盡量減少蔗屑的積存，有時應加裝螺旋槳葉以便把蔗屑及時排走，同時注意壓榨機的蔗汁盆設計和曲篩的里外清潔。尤其要定時清理壓榨機、蔗汁曲篩、蔗汁秤管路等處，防止微生物的滋生[4]。

3.1.2 添加葡聚糖酶以減少葡聚糖的形成 葡聚糖酶可顯著地減少葡聚糖的形成，避免“蔗飯”的生成，降低物料的粘度，極大地改善糖汁提純分離的效能及成品糖的質(zhì)量，尤其在處理已變質(zhì)的原料蔗時更顯其重要性。

3.1.3 使用殺菌劑 在壓榨過程中，由于化學作用及微生物作用而引起的蔗汁變壞，除導致蔗糖損失外，還會妨礙澄清及過濾操作，因此要適當?shù)厥褂脷⒕鷦5]。在糖汁的化學變化方面，一般認為都是pH值較低所致，防治的辦法是在壓榨車間進行混合汁的預加灰，以便提高蔗汁的pH值。最為有效的辦法是每班上機后從每一座榨機開始逐座輪流清洗，可用熱水清洗輥面排汁槽、溝和死角的地方，洗完后再用殺菌劑。適當使用殺菌劑可減少蔗糖轉(zhuǎn)化為葡聚糖所造成的損失，最有可能提高糖分的回收率。這種預防方法不僅可以避免葡聚糖在壓榨過程的形成而造成糖分損失，而且有助于改善糖汁的提純分離。

3.2 澄清過程 目前國內(nèi)外糖廠采用的澄清方法主要有石灰法、亞硫酸法和碳酸法3種。因此需要一些輔助的新方法來提高糖汁的澄清程度和效率。

3.2.1 絮凝劑的正確使用 為了改善蔗汁的沉降過程，國內(nèi)大多數(shù)甘蔗糖廠使用絮凝劑。若選用氣浮工藝，則要選用優(yōu)質(zhì)絮凝劑。絮凝劑一般選用高分子電解質(zhì)，其中又分為有機高分子絮凝劑和無機高分子絮凝劑兩大類。加入高分子電解質(zhì)作為絮凝劑主要是利用它的分子量和電荷。高分子電解質(zhì)的絮凝作用還在于具有吸附作用，有如溶液中分散微粒的粘合劑。選用聚丙烯酰胺作絮凝劑時，為了強化絮凝作用，使用前要加堿水解，促使聚丙烯酰胺原來卷曲的分子鏈得以展開。這種水解體的絮凝能力要比未水解的大得多，沉降速度可提高0.5～1倍。而糖品分析用的無毒澄清劑主要成分是硫酸鋁和鉍化合物，效果很好。還有一種G409澄清劑，是一種高價聚合鋁離子的化合物，加入糖汁中能使部分有色物和膠體凝聚，提高清凈效果。用量0.04%～0.05%（原液對混合汁）的比例加入混合汁中，再進行常規(guī)的亞硫酸法處理，清汁色值可比不加者降低8%～20%。

3.2.2 蔗汁磷酸澄清法的使用[6] 磷酸法澄清由于加入了比亞硫酸法澄清用量還多的磷酸，因而產(chǎn)生了較多的磷酸鈣沉淀，磷酸鈣具有較強的吸附作用，其脫色效果遠優(yōu)于亞硫酸鈣甚至碳酸鈣。磷酸鈣的沉淀結(jié)構(gòu)與碳酸鈣、亞硫酸鈣不同，后兩者都是較緊密結(jié)實的沉淀粒子，而磷酸鈣的沉淀是絮狀物，其團塊可大到1cm以上，是有許多空腔的網(wǎng)狀物。由于磷酸鈣絮凝物具網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此在清凈過程除了吸附雜質(zhì)外，一些微小的膠體微粒，不管是否已失去穩(wěn)定性，都可由其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)捕集而除去。

經(jīng)過良好磷酸處理的糖汁特別清亮透明，若能加入適量的聚丙烯酰胺絮凝劑，效果會更好。適當使用磷酸替代二氧化硫處理蔗汁的磷酸法，其澄清效率超過了亞硫酸法，接近或達到碳酸法。

3.2.3 單層快速沉降器的使用 英國FS公司制造了這種單層快速沉降器設備。這種設備已在印度尼西亞的亞硫酸法糖廠普遍應用。我國在20世紀70年代大約有10家亞硫酸法糖廠曾試用過單層快速沉降器，蔗汁沉降時間由70～80min縮短至35～40min，減少糖分轉(zhuǎn)化損失，減少設備費用及占地面積約2/3。可是均因缺乏儀表控制工藝參數(shù)和蔗汁進入沉降器前沒有足夠緩沖設備而未能在生產(chǎn)中繼續(xù)使用。

3.2.4 液態(tài)二氧化硫在糖汁澄清過程中的應用 利用液態(tài)二氧化硫清凈處理的糖汁所煮制的白砂糖之色值比較穩(wěn)定。不過，產(chǎn)品的混濁度普遍偏高，在停榨時甚至超標，這主要與亞硫酸法澄清工藝的操作有一定的關系，如果配合糖漿上浮處理工序，那么混濁度偏高的問題肯定能夠得到解決。

3.2.5 電解法的使用 電解對糖汁產(chǎn)生的提凈作用主要有2種：一種為電中和的沉淀作用；一種為電絮凝產(chǎn)生物界面的吸附作用。電解對沉淀的形成沿2個方向進行：一為糖汁pH值變化達到膠體最適的凝聚沉降值；一為金屬電極本身析出的陽離子作為中和負電荷膠體的絮凝劑。天然糖汁電解時，可以明顯地看到產(chǎn)生大量上浮的泡沫和失去電荷下墜的膠體沉淀，二者均具有良好的吸附作用，有助于糖汁澄清。

3.2.6 糖漿氣浮清凈新工藝的應用 糖漿氣浮清凈工藝的本質(zhì)在于氣泡浮生雜質(zhì)[7]。在氣浮過程中，通過微小氣泡和初生磷酸鈣的聚合作用以及絮凝劑的二次凝聚、網(wǎng)絡作用形成極大的凝聚物，從而帶走粗糖漿中的雜質(zhì)（如膠體、灰分、色素等）。在此過程中，初生磷酸鈣有吸附功能，氣泡起浮升作用，因此氣泡的質(zhì)量十分關鍵。

在粗糖漿清凈工藝中，增加糖漿氣浮清凈新工藝，可以起到以下的作用：（1）降低粗糖漿的色值；（2）降低粗糖漿的濁度，提高糖漿的清度；（3）降低糖漿的粘度，縮短糖漿的煮制時間；（4）提高白砂糖的合格率和產(chǎn)糖率；（5）降低粗糖漿的灰分含量。

糖漿氣浮清凈新工藝中使用無機陽離子新型澄清劑，其對糖漿脫色、除濁的原理是：新型澄清劑兼?zhèn)潆娊赓|(zhì)的離子效應、電中和凝聚作用和高分子本體的架橋絮凝作用，對糖漿中的色素、膠體可產(chǎn)生電中和作用，使膠體粒子表面的§電位與擴散層厚度同時降低。當膠體粒子表面的§電位降為極低時就會脫穩(wěn)凝聚，而其長鏈本體則可發(fā)揮粘結(jié)架橋作用，因此可有效地降低糖漿的色值和濁度。

3.3 過濾過程

3.3.1 混合汁過濾選用新型濾材 使用銅條篩網(wǎng)通常有1次銅條過濾和2次銅條過濾2類，目的是盡量除去混合汁中的蔗糠。但盡管經(jīng)過2次銅條過濾，但混合汁中仍有較多的蔗糠未能除去，沉降速度不佳，濾泥量較大。在美國，一般采用2段洗滌方法來減少濾泥的糖分。糖廠一般第1次過濾用板框式壓濾機，然后把濾泥用水稀釋，再用真空過濾機過濾和洗滌。若改用15目的尼龍篩網(wǎng)，既可除去較多的蔗糠，也不影響過濾速度，有利于糖汁的提純分離[8]。

3.3.2 添加濾餅脫水劑 汁在澄清器中的滯留時間過長會影響到成品糖的色值并造成糖分解，低下的澄清效率同樣會增加糖分在濾餅中的損失。陳其斌博士的實驗表明，正確選用化學聚合物可減少7%～15%的濾餅水分，并使濾餅的轉(zhuǎn)光度降低0.5～2.5，有助于提高過濾速度。

3.4 清汁的再處理

3.4.1 利用超濾膜對甘蔗汁進行過濾 超濾技術(shù)由于省能、高效、易于操作，已開始從實驗室伸展到生產(chǎn)領域[9]。超濾在膜組件的流體管理策略、控制極化和污染以及降低換膜費用等方面潛力極大，已經(jīng)成為糖汁提純分離的一個發(fā)展方向。

超濾膜過濾甘蔗汁要采用3次過濾才能達到較好的效果，即1次袋濾或碟片過濾器過濾，2次超濾，濾清汁可以直接進入蒸發(fā)工段。超濾膜的孔徑為0.01μm，清凈效率達到25%以上，清汁的色值平均為69。St，混濁度平均為74。而一般常規(guī)的亞硫酸法糖廠清汁色值平均為110。St，混濁度平均為95；清凈效率一般是20%～22%。

3.4.2 應用微孔過濾技術(shù) PA微孔過濾系統(tǒng)處理混合清汁迅速，對糖汁無污染，且在過濾器中的停留時間較短（少于1min），可成功地除去非糖分微粒，混合汁處理后錘度平均下降1°BX，純度則升高1 109AP，色值下降約12%，混濁度下降43%。3.4.3 離子交換劑的應用 離子交換劑包括離子交換樹脂和離子交換纖維等。交換樹脂分為聚苯乙烯型和聚丙烯型的，可除去離子型色素和芳香性色素，但不易再生，成本較高；離子交換纖維能除去大部分陰離子色素，而不能除去芳香性色素，但易再生。離子交換纖維的成本較低，是一種新型的高效離子交換劑，例如國產(chǎn)VS-2強堿陰離子交換纖維的脫色效能及再生效能均優(yōu)于常用的脫色樹脂，脫色率在75%以上。

3.4.4 使用氧化劑和臭氧脫色 有家糖廠在50℃的糖漿中通入臭氧，糖漿在30min的脫色率超過80%；有人在pH7.0、溫度為27℃的糖汁中通入臭氧，10min內(nèi)脫色率已超過50%。這是因為糖汁中的色素大都是含有大量共軛雙鍵的有機物。過氧化氫（H2O2）和臭氧能將糖汁中的色素雙鍵氧化而斷裂，破壞生成分子量較低、含雙鍵較少的物質(zhì)，從而消除它對可見光的吸收，從而使顏色消退。

3.4.5 板框型超濾器在蔗汁清凈過程中的應用 利用超濾技術(shù)處理亞硫酸法糖廠混合清汁，可有效降低其色值和混濁度，提高糖汁純度?？刂瞥瑸V壓力是發(fā)揮超濾效能的關鍵[10]。壓力過低，濾出液流量少；壓力過高則濾出液色值、混濁度上升趨勢較明顯；此外，壓力的波動會破壞濾餅，嚴格影響濾出液質(zhì)量。實驗表明，在壓力0.21MPa、進料溫度40℃，處理時間超過60min，濾出液的純度有所降低，色值增加。由于生產(chǎn)過程中的混合清汁溫度可達100℃左右，若降溫后再處理會增大能耗，不經(jīng)濟。因此，應采用耐高溫的膜組件，循環(huán)時間控制在30～60min。另外，充分利用濾餅的助濾作用可以適當增大膜的孔徑。全回流的試驗表明，只要固定進口壓力，濾餅的穩(wěn)定性很好，因此，生產(chǎn)中若能根據(jù)濾出液流量連續(xù)進料和定時排廢，以降低截留液的雜質(zhì)濃度，既可增加濾出液流量，又可實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。

4 結(jié)語

糖汁清凈在制糖工業(yè)中占有非常重要的地位，直接影響了蔗糖成品的質(zhì)量。糖汁的分離提純要通過多個工序得以實現(xiàn)，所以解決辦法要根據(jù)生產(chǎn)實際分階段實施。因此我們要對糖汁特性進行更深入的了解，掌握更先進的糖汁清凈技術(shù)。各糖廠要針對存在問題，有目的地選擇和組合才能收到理想的效果。

參考文獻

[1]陳維鈞，許斯欣.蔗汁清凈[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2001：10-14.

[2]陳其斌.甘蔗糖手冊（上冊）[M].北京：輕工業(yè)出版社，1987：179-180.

[3]謝名洋，郭祀遠，程崇順.影響亞法糖廠成品白砂糖色值因素的灰色關聯(lián)度分析[J].甘蔗糖業(yè)，1991（6）：25-28.

[4]謝名洋，陳山.糖汁分離提純的方法與強化途徑[J].廣西輕工業(yè)，1999（2）：5-10.

[5]陳駿佳，黃玉南.甘蔗糖廠的“蔗飯”問題及殺菌劑[J].甘蔗糖業(yè)，1994（1）：56-58.

[6]余永祥.磷酸法澄清工藝研究初報[J].甘蔗糖業(yè)，1993（1）：53-55.

[7]許喜林，賴鳳英，許斯欣，等.糖漿氣浮清凈新工藝的理論與實踐[J].華南理工大學學報：自然科學版，2000（11）：53-55.

[8]李開偉，謝名洋.混合汁過濾由銅篩網(wǎng)改用尼龍篩網(wǎng)的實踐[J].廣西蔗糖，1998（4）：35-39.

[9]于淑娟，閔亞光，高大維.膜分離技術(shù)在制糖工業(yè)中的應用[J].中國甜菜糖業(yè)，1999（1）：11-14.

[10]陳山，郭祀遠，蔡妙顏，等.板框型超濾器在糖汁清凈過程中的時效變化[J].包裝與食品機械，2002（1）：35-38.

（責編：徐世紅）