水力空化強(qiáng)化糖液亞硫酸法脫色的研究

黃永春 高海芳 吳修超 任仙娥 楊 鋒

HUANG Yong－chun GAO Hai－fang WU Xiu－chao REN Xian－eYANG Feng

（廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

（Guangxi University of Science and Technology，College of Biological and Chemical Engineering，Liuzhou，Guangxi 545006，China）

色值是衡量白砂糖質(zhì)量的一個(gè)重要理化指標(biāo)。目前中國絕大部分甘蔗糖廠均使用亞硫酸法澄清工藝，由于受其自身工藝條件的限制，白砂糖的色值都普遍相對較高［1］。糖漿的色值是指示澄清效果的關(guān)鍵［2］，因此，尋找一種簡單有效地強(qiáng)化亞硫酸法澄清脫色的手段成為制糖工業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)。

空化可以通過不同的方法得到，超聲空化、水力空化是空化的重要方式。利用超聲空化作為強(qiáng)化手段促進(jìn)糖液膠體物系凝聚與絮凝［3，4］、吸附澄清脫色［5，6］等 的研究已 見 報(bào)道。但是，由于超聲空化存在能量利用率低、空化效應(yīng)區(qū)域小、裝置成本高等問題，其應(yīng)用范圍和應(yīng)用規(guī)模受到了極大的限制。水利空化和超聲空化在形成空泡手段上是有差別的，這兩種空化方式對過程強(qiáng)化的原理是一樣的，強(qiáng)化的效果也差不多。對于能量的利用率來說，水力空化對能量的利用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于超聲空化［7，8］，在超聲空化的過程中低于5%的能量用來空化效應(yīng)，其余的都以熱能形式散發(fā)出去，導(dǎo)致系統(tǒng)的溫度上升［9］。這種溫度的升高既浪費(fèi)了能量，又不利于對熱敏物質(zhì)的處理。超聲空化具有局部性和方向性，它的空化效應(yīng)僅僅在超聲發(fā)生器周圍的狹小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生，所生成的空泡不會(huì)發(fā)生整體的遷移運(yùn)動(dòng)，從而使空泡形成的過程、發(fā)展的過程以及潰滅的過程都被限制在此區(qū)域內(nèi)，這種局部的、非均勻的強(qiáng)化場極大地限制了它的應(yīng)用規(guī)模和范圍。水力空化則是通過水力的作用形成，生成的空泡與液體能夠發(fā)生整體的運(yùn)動(dòng)，因此在較大的范圍內(nèi)易形成均勻的強(qiáng)化場，同時(shí)它具有操作簡單、效率較高、能量消耗較低等特點(diǎn)。水力空化具有的以上優(yōu)點(diǎn)［10，11］，擴(kuò)寬了它在工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模的應(yīng)用。

本研究擬將水力空化引入到糖液的亞硫酸法澄清工藝，考察水力空化對亞硫酸法澄清工藝糖液脫色效果的影響，為水利空化在制糖業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

赤砂糖：南寧市萬宇科技開發(fā)有限公司；

氧化鈣、亞硫酸、鹽酸、氫氧化鈉：AR級，廣州化學(xué)試劑廠；

聚丙烯酰胺（PAM）：平均相對分子質(zhì)量為300萬，西隴化工股份有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

分光光度計(jì)：722型，上海精密科學(xué)儀器有限公司；

阿貝折光儀：2WAJ型，上海光學(xué)儀器廠；

數(shù)字酸度計(jì)：PUS－25A型，上海大彎儀器設(shè)備有限公司；

分析天平：AL104型，上海方瑞儀器有限公司；

光波爐：DKE200－829A型，廣州鵬越電器有限公司；

托盤天平：JTP－20鄭州中天實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

渦流空化裝置由本實(shí)驗(yàn)室自制，如圖1所示。該裝置包括：壓力表、渦輪、電動(dòng)機(jī)各1個(gè)，閥門若干個(gè)，輔助管道等。渦輪在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，流經(jīng)旋轉(zhuǎn)渦輪的液體能夠形成渦流，從而在渦流的中心形成了一個(gè)壓強(qiáng)較低的區(qū)域，空化的氣泡在液體蒸汽壓高于壓強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生，并且隨著渦輪的旋轉(zhuǎn)而從渦輪中流出來，在突然變大的壓強(qiáng)下潰滅，導(dǎo)致空化效應(yīng)的產(chǎn)生。

圖1 自制渦流空化裝置示意圖Figure 1 diagram of homemade vortexing cavitation outfit

1.2 分析方法

用蒸餾水把待測樣品稀釋到10°Bx，然后用NaOH溶液（0.5 mol／L）或 HCl溶液（0.5 mol／L）調(diào)節(jié)樣品的p H 值為7.0左右，再將其倒入到孔徑為0.45μm的過濾器中，抽真空，最初的濾液棄去，并測定其折光錘度，放入到比色皿中，最后用分光光度計(jì)測定吸光度，光度計(jì)的波長為560 nm，同時(shí)用蒸餾水作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

用ICUMSA方法2測定樣品色值［12］：

式中：

IU560——國際糖色值；

A560——樣品于560 nm波長處測得的吸光度值；

b—— 比色皿的厚度，cm；

c—— 樣品固溶物的濃度，g／m L。

1.3 試驗(yàn)方法

將赤砂糖回溶，配置3 L濃度約15°Bx的糖液。加熱到70℃，用潔凈干燥的250 m L錐形瓶取未經(jīng)亞硫酸法處理的糖液200 m L；向剩余的2.8 L糖液中加入氧化鈣7 g，用亞硫酸調(diào)節(jié)溶液p H 至7.0±0.1，攪拌2 min，用潔凈干燥的250 m L錐形瓶取糖液200 m L并二次加熱到100℃，然后加入濃度為500 mg／L的PAM溶液0.8 m L并輕微攪拌5 min，冷卻至室溫后取上清液測定樣品色值；將剩余糖液在渦輪出口壓力為0.1 MPa條件下通過空化裝置循環(huán)不同時(shí)間（3，5，10，20，35 s），用潔凈干燥的250 m L錐形瓶取糖液200 m L并二次加熱到100℃，然后加入濃度為500 mg／L的PAM溶液0.8 m L并輕微攪拌2 min，冷卻至室溫后取上清液測定樣品色值。

固定其它條件，依次改變渦輪出口壓力（0.1，0.2，0.3，0.4 MPa）、糖液溫度（30，40，50，60，70 ℃），糖液濃度（15，30，45，60°Bx），重復(fù)上述試驗(yàn)?？疾炜栈瘯r(shí)間、渦輪出口壓力、溶液溫度、溶液濃度等條件對強(qiáng)化脫色效果的影響。

2 結(jié)果和討論

2.1 空化時(shí)間對糖液色值的影響

在渦輪出口壓力為0.1 MPa、糖液溫度為70℃、糖液濃度為15°Bx的條件下，分別對糖液水力空化循環(huán)處理3，5，10，20，35 s，測定處理后糖液的色值，結(jié)果見圖2。

圖2 空化時(shí)間對色值的影響Figure 2 Effect of cavitation treatment time on the color

由圖2可知，當(dāng)空化時(shí)間在一定范圍內(nèi)，水力空化能夠促進(jìn)糖液色值下降。一方面亞硫酸鈣的沉淀顆粒對色素分子吸附作用的增強(qiáng)，從而強(qiáng)化了脫色效果；另一方面水力空化在大范圍內(nèi)形成一個(gè)比較均勻的空化強(qiáng)化場，能夠使亞硫酸鈣沉淀更加充分，顆粒更加均勻，擁有更大的表面積，吸附能力更強(qiáng)，從而提高糖液的脫色效果。在水力空化循環(huán)處理糖液5 s的條件下色值下降最多，說明處理溶液的時(shí)間不宜過長。當(dāng)空化時(shí)間達(dá)到35 s時(shí)，反而使糖液色值上升，這是因?yàn)榭栈瘯r(shí)間長，使已經(jīng)被亞硫酸鈣沉淀顆粒吸附的色素分子又重新被解吸下來；而且，過長的空化作用，由于“熱點(diǎn)”點(diǎn)效應(yīng)使糖液中的一些成分被氧化而顏色加深，從而影響了脫色效果，這說明水力空化對糖液脫色的強(qiáng)化作用與空化作用時(shí)間有關(guān)。

2.2 渦輪出口壓力對糖液色值的影響

在糖液溫度為70℃、糖液濃度為15°Bx的條件下，分別在渦輪出口壓力為0.1，0.2，0.3，0.4 MPa條件下對糖液水力空化循環(huán)處理5 s，測定處理后糖液的色值，結(jié)果見圖3。

圖3 渦輪出口壓力對色值的影響Figure 3 Effect of turbine outlet pressure on the color

由圖3可知，出口壓力越大，糖液的色值越高。這是由于較高的出口壓力，即較高的下游恢復(fù)壓力，使渦輪中心產(chǎn)生的空化氣泡數(shù)量減少、振幅變小，減弱了空化效應(yīng)，從而使其強(qiáng)化作用變?nèi)酢?/p>

2.3 溶液溫度對糖液色值的影響

在糖液濃度為15°Bx、渦輪出口壓力為0.1 MPa的條件下，分別在糖液溫度為30，40，50，60，70℃條件下對糖液水力空化循環(huán)處理5 s，糖液色值的變化情況見圖4。

圖4 溶液溫度對色值的影響Figure 4 Impact on solution temperature about the color

由圖4可知，色值隨著溶液溫度的升高先下降后上升，當(dāng)溶液溫度為50℃時(shí)，糖液的色值下降得最多。這是由于隨著溫度的升高，糖液的蒸汽壓升高、黏度下降，空化易于產(chǎn)生，空化效應(yīng)增強(qiáng)。但當(dāng)糖液溫度繼續(xù)升高時(shí)，雖然空化更加容易產(chǎn)生，但由于溶液蒸汽壓也隨著增大，空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊力變小，“熱點(diǎn)”效應(yīng)減弱，因而空化效應(yīng)減小，強(qiáng)化作用降低。故當(dāng)糖液溫度高于50℃時(shí)，隨著糖液溫度的升高，強(qiáng)化脫色作用逐漸降低。

2.4 溶液濃度對糖液色值的影響

在渦輪出口壓力為0.1 MPa、糖液溫度為50℃的條件下，濃度分別為15，30，45，60°Bx的糖液經(jīng)水力空化循環(huán)處理5 s，糖液色值的變化情況見圖5。

由圖5可知，色值隨著溶液濃度的升高而升高。這是由于隨著濃度升高，糖液的黏度升高，蒸汽壓下降，空化產(chǎn)生困難，空化效應(yīng)減弱；而且糖液濃度升高，糖液中所含的色素分子增加，吸附除去的色素分子的比率減小，因而強(qiáng)化脫色作用逐漸降低，脫色率減小。

圖5 溶液濃度對色值的影響Figure 5 Effect of solution concentration on the color

3 結(jié)論

通過對水力空化強(qiáng)化亞硫酸法糖液澄清過程的脫色的效果探討，分析了空化作用的循環(huán)時(shí)間、渦輪出口壓力、溶液溫度及濃度等影響因素對糖液的脫色效果的變化。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水力空化能夠有效地強(qiáng)化糖液脫色，降低糖液的色值；通過單因素試驗(yàn)得到水力空化強(qiáng)化糖液脫色的最佳工藝參數(shù)為空化循環(huán)時(shí)間5 s、渦輪出口壓力0.1 MPa、糖液溫度50℃，糖液濃度15°Bx，在此條件下糖液的脫色率為69.14%，明顯高于無水力空化條件下的脫色率（63.03%）。

水力空化與超聲空化相比，具備以下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備裝置較為簡單，能耗也較低，操作相對方便，維護(hù)所需費(fèi)用合適，容易規(guī)?；a(chǎn)等。之前水力空化對原糖溶液的表面張力影響也做了一定的研究［13］，而本研究主要是水力空化的強(qiáng)化作用對糖液脫色進(jìn)行了初步研究，雖脫色率的效果不是特別高，但為水力空化在制糖工業(yè)中的更進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。本試驗(yàn)的工業(yè)化應(yīng)用還需做更多的試驗(yàn)加以驗(yàn)證，更需通過試驗(yàn)的不斷創(chuàng)新提高糖液的脫色率。

1 霍漢鎮(zhèn)，陳樹功，陳士志.現(xiàn)代制糖工業(yè)技術(shù)［M］.北京：中國輕工工業(yè)出版社，1992.

2 宋春寧，楊瑞標(biāo).蔗糖澄清工段糖漿色值影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度分析［J］.食品與機(jī)械，2013，29（2）：28～31.

3 丘泰球，胡松青，林福蘭，等.聲場強(qiáng)化膠體物系澄清作用的研究［J］.聲學(xué)技術(shù)，1998，17（3）：108～110.

4 曾思賢，丘泰球，謝雄飛，等.聲場對糖漿氣浮分離作用的研究［J］.甘蔗糖業(yè)，1998，12（3）：34～36.

5 黃永春，魯聿倫，楊峰，等.超聲強(qiáng)化糖汁脫色的研究［J］.食品工業(yè)科技，2009，30（12）：284～286.

6 黃永春，魯聿倫，楊峰，等.超聲強(qiáng)化亞硫酸鈣法吸附糖汁中的非糖分［J］.食品科學(xué)，2010，31（22）：81～85.

7 Kumar P Senthil，Kumar M Siva，Pandit A B.Experimental quantification of chemical effects of hydrodynamic cavitation［J］.Chemical Engineering Science，2000，55（9）：1 633～1 639.

8 Kalumuck K M，Chahine G L.The use of cavitation jets to oxidze organic compounds in water［J］.Journal of Fluids Engineering，2000，122（3）：465～470.

9 Vogel A，Lanterbom W，Timm R.Optical and acoustic investigation of the dynamics of laser produce cavitation bubbles near a solid boundary［J］.J.Fluid Mech.，1998，208（3）：209～308.

10 李志義，張曉東，劉學(xué)武，等.水力空化及其對化工過程的強(qiáng)化作用［J］.化學(xué)工程，2004，32（4）：27～29.

11 Wang Xikui，Wang Jingang，Guo Peiquan，et al.Degradation of rhodamine B in aqueous solution by using swirling jet－induced cavitation combined with H2O2［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，169（1～3）：486～491.

12 李墉，鄭長庚.甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法［M］.廣州：中國輕工業(yè)總會(huì)甘蔗糖業(yè)質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，1995：51～53.

13 黃永春，吳修超，任仙娥，等.水力空化對原糖溶液表面張力的影響［J］.食品與機(jī)械，2012，28（6）：16～18.