甘蔗的磷酸亞硫酸法澄清工藝條件的優(yōu)化

姚延志，胡乃仁*，劉漢木，項俊華

（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廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530004）

0 前言

臨滄的甘蔗種植面積居云南之首，該市四季溫差小，年均雨量大于1000 mm，較適合甘蔗生長。但該市蔗區(qū)以干旱坡地為主，無成熟的灌溉系統(tǒng)，經(jīng)過多年的種植，甘蔗防蟲害能力降低，品種退化，導(dǎo)致該地區(qū)的甘蔗蔗糖純度較低，膠體物質(zhì)以及還原糖含量較高。

目前，臨滄市各糖廠的白砂糖生產(chǎn)主要采用磷酸亞硫酸法清凈工藝，因蔗汁中膠體及還原糖含量較高[1]，如選取的工藝條件不適合，不能達(dá)到好的蔗汁清凈效果，就難以生產(chǎn)出高品質(zhì)的白砂糖。本文以臨滄市某糖廠2013/14年榨季甘蔗汁為研究對象，研究并改進(jìn)磷酸亞硫酸法澄清工藝，以獲得最佳的澄清工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

混合汁：取自云南省臨滄市某糖廠2013/14年榨季后期（3～4月）甘蔗混合汁。

試劑：石灰乳（廣州匯晟化工科技有限公司，波美度為8○B(yǎng)e）；稀磷酸（天津市化學(xué)試劑六廠三分廠，質(zhì)量濃度為35 g/L）；亞硫酸（天津市化學(xué)試劑六廠三分廠，質(zhì)量濃度為5%）；聚丙烯酰胺（上海巨成化工有限公司，質(zhì)量濃度為0.1%）。

儀器：波美計0～35○B(yǎng)e，浙江余姚芝林玻璃儀表廠；PHSJ-4A型酸度計，上海精密科學(xué)儀器有限公司；WAY-2S數(shù)字阿貝折射儀，上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司；722N可見分光光度計，上海儀電分析儀器有限公司。

1.2 試驗方法

從壓榨車間采集蔗汁，依據(jù)磷酸亞硫酸法的澄清工藝流程（圖1）以及實(shí)驗方案設(shè)定的工藝條件進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗。為便于觀測，以1000 mL的量筒為硫熏中和汁的沉降用具，待沉降穩(wěn)定之余再取上層清汁對其相關(guān)的項目進(jìn)行相應(yīng)的物化分析[2]。

該地區(qū)糖汁沸點(diǎn)為98℃，因此二次加熱溫度定于98℃；該地區(qū)甘蔗還原糖、膠體等含量較高，為防止轉(zhuǎn)化，實(shí)驗過程中在pH值均偏堿性條件下進(jìn)行。

圖1 磷酸亞硫酸法的澄清工藝流程

1.3 檢測和計算

相關(guān)物化指標(biāo)按《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》[3]中的檢測方法進(jìn)行檢測。沉降速度是以泥層下沉到量筒刻度為300 mL時所用的時間計，所用時間越短代表沉降速度越快。泥層厚度是以沉降15 min后泥層的頂部到其底部的毫升數(shù)計。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗及分析

2.1.1 單因素實(shí)驗方案

為確?？商骄砍鼍哂辛己们鍍粜Ч某吻骞に嚄l件，分別以預(yù)灰pH值(7、8、9)、磷酸添加量(350、400、450、500 mg/kg)、一次加熱溫度(50、60、70℃)、硫熏強(qiáng)度(22、26、30 g/L)4個因素為變量進(jìn)行單因素實(shí)驗。具體步驟為：取500 mL未添加輔材的混合汁，測定其自然磷酸值、pH值、簡純度以及還原糖分，加入相應(yīng)的磷酸量并用石灰調(diào)節(jié)至相應(yīng)的pH，進(jìn)行一次加熱后添加亞硫酸，并用石灰調(diào)節(jié)中和汁pH，最終使清汁的pH值為7.2，二次加熱到沸騰后加入3.5 mg/kg的絮凝劑，靜置，測定沉降所用時間與泥層厚度，取上層清汁進(jìn)行分析。

2.1.2 單因素試驗結(jié)果與分析

表1是該地區(qū)甘蔗磷酸亞硫酸法澄清處理的4個單因素試驗所得沉降速度、泥層厚度與清汁質(zhì)量結(jié)果。

由表1的試驗結(jié)果可看出：

（1）預(yù)灰pH值在7～8之間時，沉降速度緩慢升高，泥層厚度緩慢增加；pH超過8時，沉降速度迅速變慢，泥層不夠結(jié)實(shí)，厚度較高。從清汁的質(zhì)量分析，預(yù)灰pH值在7～8之間時清混汁純度差較大，清凈效果相對較好。因此，預(yù)灰pH值應(yīng)取在7～8間；

（2）當(dāng)總磷酸值在400～450 mg/kg時，蔗汁沉降速度較快，泥層厚度較小，并且清汁純度也比較高，澄清效果較好。因此，總磷酸值應(yīng)定在400～450 mg/kg間；

（3）由表 1可以看出，溫度較高時清混汁純度差較大，沉降速度較快，而且泥層厚度也較小，因此，一次加熱溫度應(yīng)取在60～70℃間；

（4）隨著硫熏強(qiáng)度的增加，蔗汁沉降速度先快后慢，而泥層厚度也越來越厚，色值則隨之升高，純度也趨于降低。綜合考慮，為達(dá)到較好的澄清效果以及回收，硫熏強(qiáng)度應(yīng)定在22～26 g/L。

2.2 澄清工藝條件的正交試驗方案及分析

事實(shí)上，在上述單因素試驗的影響因素之中，影響磷酸亞硫酸法清凈效果的主要有預(yù)灰 pH值、硫熏強(qiáng)度以及中和pH值等3個因素。為獲取適合磷酸亞硫酸清凈效果最佳參數(shù)，須對其進(jìn)行正交試驗[4]。

表1 4個單因素的試驗結(jié)果

2.2.1 正交試驗方案

以磷酸亞硫酸法的澄清過程沉降速度、泥層厚度、色值為考察指標(biāo)，選取L9(33)正交試驗表（表2），其他影響因素設(shè)定為：總磷酸值 450 mg/kg；一次加熱溫度為70℃；二次加熱溫度98℃。

2.2.2 正交試驗的結(jié)果與分析

表2 正交試驗的因素水平表

表3～表5分別列出了磷酸亞硫酸法澄清效果的正交試驗結(jié)果及其方差分析結(jié)果。

以沉降速度為考核指標(biāo)，由表5的方差分析結(jié)果可以推斷，相對于A因素，F(xiàn)B小于F0.05且小于F0.01，因此，B因素?zé)o顯著意義；同理，C因素亦無顯著意義。

以泥層厚度為考核指標(biāo)，相對于B因素而言，F(xiàn)A小于F0.05且小于F0.01，因此，A因素?zé)o顯著意義；同理，C因素亦無顯著意義。

通常而言，在糖廠生產(chǎn)白砂糖的過程中，白砂糖色值是影響質(zhì)量最主要的指標(biāo)[5]。因此，處理該地區(qū)甘蔗最適宜的磷酸亞硫酸法工藝條件應(yīng)是：預(yù)灰 pH值為7.6，硫熏強(qiáng)度為26 g/L，中和pH值為7.2。

表3 L9(33)正交試驗結(jié)果

以清汁色值為考核指標(biāo)，相對于B因素而言，F(xiàn)A小于F0.05且小于F0.01，因此，A因素?zé)o顯著意義；而F0.05

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，中和pH是清汁色值的主要影響因素，其對色值影響具有顯著意義，因此，若重點(diǎn)考慮色值降低，則其最佳的清凈方案是A3B3C3，即，預(yù)灰pH值為7.6，硫熏強(qiáng)度為26 g/L，中和pH值為7.2。

表4 試驗分析表

表5 方差分析表

2.2.3 驗證試驗

由上文可知，處理該地區(qū)甘蔗最適宜的磷酸亞硫酸法工藝條件應(yīng)是：總磷酸值450 mg/kg，預(yù)灰pH值7.6，一次加熱溫度70℃，硫熏強(qiáng)度26 g/L，中和pH值7.2，按照此組參數(shù)進(jìn)行3次重復(fù)試驗，結(jié)果見表6。

從表6的數(shù)據(jù)可知，該地區(qū)甘蔗經(jīng)過磷酸亞硫酸法處理之后，其沉降時間、泥層厚度以及清汁色值等可以描述清凈效果的指標(biāo)均較為理想，且具有很好的穩(wěn)定性。

表6 最適澄清工藝條件的驗證試驗結(jié)果

3 討論

（1）當(dāng)總磷酸值在400～450 mg/kg時，繼續(xù)添加磷酸對清凈效果的影響不大。相反，磷酸量過大會影響清凈效果，如沉降變慢，泥汁量過多，直接降低了收回，增加生產(chǎn)成本。故而，總磷酸值應(yīng)在400～450 mg/kg比較適宜。

（2）當(dāng)預(yù)灰pH在7.0～7.6時，其清凈效果比較好。當(dāng)還原糖含量偏高時，預(yù)灰pH可適當(dāng)提高。正交試驗結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)灰pH 7.6時，清凈效果最佳。若預(yù)灰pH值過高，則會使得蔗汁在后處理中發(fā)生美拉德反應(yīng)，導(dǎo)致還原糖分解而生成大量的色素，對產(chǎn)品質(zhì)量造成不良的影響。

（3）一次加熱溫度應(yīng)定在70℃，因為較高的一次加熱溫度對膠體物質(zhì)的去除有利。

（4）隨著硫熏強(qiáng)度的增加，其泥層厚度也越來越小，沉降速度也增快，但是當(dāng)超過26 g/L后又有所回落。因此，硫熏強(qiáng)度定在22～26 g/L。

（5）中和pH是蔗汁清凈效果主要的影響因素。清汁色值隨pH的升高而增加，沉降速度隨中和pH值的升高而變快。在生產(chǎn)過程中，色值是影響白砂糖質(zhì)量最主要的指標(biāo)，因此，中和pH值應(yīng)控制在7.2為宜。

（6）處理該地區(qū)甘蔗最適宜的磷酸亞硫酸法工藝條件應(yīng)是：預(yù)灰pH值為7.6，總磷酸值為400～450 mg/kg，一次加熱溫度定在70℃，硫熏強(qiáng)度為26 g/L，中和pH值為7.2。

[1] 李曉君，周文吉，周中，等. 臨滄甘蔗生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J]. 甘蔗糖業(yè)，2014(1)：58-61.

[2] 霍漢鎮(zhèn). 現(xiàn)代制糖化學(xué)與工藝學(xué)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：109.

[3] 中國輕工總會甘蔗糖業(yè)質(zhì)量監(jiān)督檢測中心. 甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法[M]. 廣州：中國輕工總會甘蔗糖業(yè)質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，1995.

[4] 李云雁，胡傳榮. 實(shí)驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：124-158.

[5] 楊軍，石金鑫. 試論亞硫酸法澄清工藝提高白砂糖質(zhì)量的方法[J]. 廣西蔗糖，2010(1)：32-34.