響應(yīng)面優(yōu)化H2O2-Vc體系對糖汁脫色工藝的研究

姜繼平，黃永春，黃承都*，楊鋒

(1.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西糖資源綠色 加工重點實驗室，廣西 柳州 545006)

色值是衡量制糖工藝效果的重要指標，糖汁的澄清脫色是整個制糖工藝過程的重點和難點[1]。工業(yè)上成熟的糖汁的脫色方法有亞硫酸法、石灰法、碳酸法3種，但存在SO2殘余量較高、反應(yīng)溫度過高等問題[2,3]。

過氧化氫(H2O2)作為一種具有較強氧化性的物質(zhì)，其氧化作用主要來自釋放出的羥基自由基(·OH)，可以作為一種漂白劑[4]。過氧化氫對糖汁中多酚類物質(zhì)和色值均有降低作用[5-7]。因此，利用過氧化氫進行糖汁脫色，消除了傳統(tǒng)糖汁脫色工藝中SO2對糖汁的污染[8]。為提高過氧化氫分解產(chǎn)生羥基自由基(·OH)的速率，同時解決H2O2過量殘留問題，本實驗選擇Vc作為催化劑，構(gòu)成H2O2-Vc體系，避免加入Fe2+、Cu2+等金屬離子催化劑對糖汁的污染，符合食品安全要求[9,10]。

本文使用響應(yīng)面對H2O2-Vc體系脫色的條件進行了優(yōu)化，旨在篩選出H2O2-Vc體系糖汁脫色的最佳工藝條件，為H2O2-Vc體系應(yīng)用于糖汁脫色工業(yè)化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

粗制白砂糖：廣西南寧東亞糖業(yè)集團；30%過氧化氫：AR，西隴科學(xué)股份有限公司；維生素C：AR，上海麥克林生化有限公司。

BS224S型電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；T6新世紀型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；2WAJ型阿貝折光儀 上海申光儀器儀表有限公司。

1.2 測定方法

將粗制白砂糖溶于蒸餾水中，配制成濃度為15%的糖汁，加入一定量的過氧化氫和Vc，在一定溫度下反應(yīng)一定時間，待反應(yīng)后的糖汁溫度最接近原汁溫度時，取適量待測定的糖汁，在室溫下，用阿貝折光儀測出折光錘度，并記下折光儀上顯示的溫度，再用阿貝折射儀顯示的溫度查表得出觀測錘度，又通過觀測錘度查表得出視密度。再利用紫外可見分光光度計測出相應(yīng)糖汁的吸光度A，測量時將光度計的波長調(diào)節(jié)為560 nm，空白液為蒸餾水。

糖汁色值的計算公式如下：

IU560 nm=1000×A560 nm/(b×c)。

式中：IU560 nm為波長560 nm處的國際糖色值；A560 nm為波長560 nm處測得樣液的吸光度；b為比色皿厚度，cm；c為固溶物的修正濃度(20 ℃)，g/mL；其中，c=折光錘度×20 ℃時的相應(yīng)視密度/100。

脫色率的計算公式如下：

式中：A0為原糖汁色值；A為脫色后糖汁色值。

1.3 單因素試驗

1.3.1 反應(yīng)溫度對糖汁脫色率的影響

取5份濃度為15%的糖汁，每份50 mL。每份糖汁加入5%的過氧化氫0.6 mL，再加入1 mol/L的Vc 0.4 mL，將5份溶液分別在30，40，50，60，70 ℃水浴鍋中加熱，反應(yīng)20 min，考察反應(yīng)溫度對糖汁脫色率的影響。

1.3.2 H2O2用量對糖汁脫色率的影響

取3組濃度為15%的糖汁，每組5份，每份50 mL。向第一組糖汁中分別加入5%的過氧化氫0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL，再加入0 mol/L的Vc 0.4 mL；向第二組糖汁中分別加入5%的過氧化氫0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL，再加入1 mol/L的Vc 0.4 mL；向第三組糖汁中分別加入5%的過氧化氫0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL，再加入1.5 mol/L的Vc 0.4 mL，將3組溶液在60 ℃水浴鍋中加熱，反應(yīng)20 min，考察過氧化氫的加入量對糖汁脫色率的影響。

1.3.3 Vc用量對糖汁脫色率的影響

取3組濃度為15%的糖汁，每組5份，每份50 mL。向第一組糖汁中加入0%的過氧化氫0.8 mL，再分別加入1 mol/L的Vc 0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mL；向第二組糖汁中加入5%的過氧化氫0.8 mL，再分別加入1 mol/L的Vc 0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mL；向第三組糖汁中加入7%的過氧化氫0.8 mL，再分別加入1 mol/L的Vc 0.2 ,0.4,0.6,0.8,1.0 mL，將3組溶液在60 ℃水浴鍋中加熱，反應(yīng)20 min，考察Vc的加入量對糖汁脫色率的影響。

1.3.4 反應(yīng)時間對糖汁脫色率的影響

取5份濃度為15%的糖汁，每份50 mL。每份糖汁加入5%的過氧化氫0.8 mL，再加入1 mol/L的Vc 0.8 mL，將5份溶液在60 ℃水浴鍋中加熱，分別反應(yīng)5,10,15,20,25 min，考察反應(yīng)時間對糖汁脫色率的影響。

1.4 響應(yīng)面優(yōu)化

綜合單因素試驗結(jié)果，固定反應(yīng)時間10 min，選取反應(yīng)溫度(A)、H2O2用量(B)、Vc用量(C)3個因素，以糖汁脫色率為響應(yīng)值，優(yōu)化H2O2-Vc體系對糖汁脫色的工藝，試驗因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

2.1.1 反應(yīng)溫度對糖汁脫色率的影響

圖1 反應(yīng)溫度對糖汁脫色率的影響Fig.1 Effect of reaction temperature on decolorization rate of sugar juice

由圖1可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，糖汁脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)反應(yīng)溫度為60 ℃時，糖汁脫色率達到最大值，為33.4%，這是因為隨著溫度的升高，過氧化氫分解的速度加快，分解的量增大，羥基自由基與糖汁中色素分子的反應(yīng)速度提高，糖汁脫色率隨之增大；隨著溫度繼續(xù)升高，脫色率明顯下降，這可能是因為過高的溫度導(dǎo)致過氧化氫揮發(fā)到空氣中，造成溶液中過氧化氫濃度下降，從而降低了·OH自由基的生成速率[11]，不利于糖汁的脫色。綜上所述，反應(yīng)溫度選擇60 ℃較為適宜。

2.1.2 H2O2用量對糖汁脫色率的影響

圖2 H2O2用量對糖汁脫色率的影響Fig.2 Effect of H2O2 dosage on decolorization rate of sugar juice

由圖2可知，隨著H2O2用量的增加，糖汁脫色率呈緩慢上升趨勢，當(dāng)過氧化氫的用量為0.8 mL時，糖汁脫色率達到最大值，為37.9%，這是因為過氧化氫用量的增加促進了·OH自由基的生成速率，與過氧化氫反應(yīng)的色素分子逐漸被氧化，糖汁脫色率升高；但過氧化氫用量繼續(xù)增大后，脫色率變化不大或有小幅度下降，這可能是因為反應(yīng)已經(jīng)達到飽和，過量的過氧化氫會與·OH反應(yīng)生成H2O和O2，消耗了部分過氧化氫[12]；比較脫色率變化情況，發(fā)現(xiàn)Vc濃度為1，1.5 mol/L時脫色率明顯高于0 mol/L時，且Vc濃度為1，1.5 mol/L時脫色率相近，說明Vc濃度為1 mol/L較合適，既可以提高糖汁脫色率，又可以節(jié)約成本。綜上所述，H2O2用量選擇0.8 mL較為適宜。

2.1.3 Vc用量對糖汁脫色率的影響

由圖3可知，隨著Vc用量的增加，糖汁脫色率明顯呈先上升后穩(wěn)定的趨勢，當(dāng)Vc用量為0.8 mL時，糖汁脫色率達到最大值，為40.0%，這表明Vc對有色物質(zhì)的還原起到了一定的脫色作用；當(dāng)Vc用量繼續(xù)增加，糖汁脫色率基本保持不變，這表明反應(yīng)達到飽和，過量的Vc對糖汁脫色影響不大；比較脫色率變化情況，發(fā)現(xiàn)過氧化氫為5%、7%時脫色率明顯高于0%時，這從側(cè)面說明過氧化氫起到了脫色或者協(xié)同脫色作用[13]，且過氧化氫為5%、7%時脫色率相近，說明過氧化氫為5%較合適，既可以提高糖汁脫色率，又可以節(jié)約成本。綜上所述，Vc用量選擇0.8 mL較為適宜。

圖3 Vc用量對糖汁脫色率的影響Fig.3 Effect of Vc dosage on decolorization rate of sugar juice

2.1.4 反應(yīng)時間對糖汁脫色率的影響

圖4 反應(yīng)時間對糖汁脫色率的影響Fig.4 Effect of reaction time on decolorization rate of sugar juice

由圖4可知，隨著反應(yīng)時間的增加，糖汁脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)反應(yīng)時間為10 min時，糖汁脫色率達到最大值，為40.1%，這是因為時間過短時，過氧化氫還無法完全分解產(chǎn)生·OH自由基，隨著反應(yīng)時間增大，過氧化氫分解的·OH自由基越來越多，糖汁脫色率明顯增大；繼續(xù)增大反應(yīng)時間，糖汁脫色率開始下降，這可能是過氧化氫已徹底分解完畢，無法再產(chǎn)生·OH自由基[14]。綜上所述，反應(yīng)時間選擇10 min 較為適宜。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計原理，在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取反應(yīng)溫度、過氧化氫用量、Vc用量3個因素為自變量，以脫色率為響應(yīng)值，設(shè)計三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗，試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken中心試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 2 Design scheme and results of Box-Behnken center test

2.2.2 回歸模型的建立和方差分析

將表2中的試驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合，得到反應(yīng)溫度、過氧化氫用量、Vc用量的相關(guān)回歸系數(shù)，其回歸方程為：Y=-181.18500+5.06825A+55.46250B+92.40000C-0.043350A2-33.37500B2-55.25000C2+0.20000AB+0.18750AC-10.62500BC。

所得的方差分析見表3。

表3 回歸方程的方差分析表Table 3 Variance analysis table of regression equation

注：0.010.05為不顯著。

由表3可知，回歸方程模擬的P<0.0001，為極顯著水平，而失擬項P=0.7664>0.05，水平不顯著，表明模型與實際結(jié)果擬合較好，自變量與響應(yīng)值關(guān)系顯著，因此可以用于H2O2-Vc體系對糖汁脫色工藝的分析和預(yù)測。

因素A、因素B和因素C的P值均小于0.01，說明反應(yīng)溫度、Vc用量、過氧化氫用量對糖汁脫色率的影響極顯著，3個因素對糖汁脫色率影響強弱排序為：反應(yīng)溫度>Vc用量>過氧化氫用量；A2、B2和C2的P值均小于0.01，說明二次項中3個因素對糖汁脫色率的影響極顯著，即反應(yīng)溫度、Vc用量、過氧化氫用量3個因素都是在糖汁脫色過程中需要主要控制的因素；各因素交互作用AB、 AC和BC的P值均大于0.05，說明各因素交互作用對糖汁脫色率的影響不顯著，即反應(yīng)溫度和Vc用量、反應(yīng)溫度和過氧化氫用量、Vc用量和過氧化氫用量之間的交互作用對糖汁脫色率沒有顯著影響。

2.2.3 變異系數(shù)

響應(yīng)面試驗結(jié)果變異系數(shù)見表4。

表4 響應(yīng)面試驗結(jié)果變異系數(shù)Table 4 Coefficients of variation of response test results

由表4可知，模型的回歸決定系數(shù)R2=0.9868，說明響應(yīng)值的變化有98.68%來源于所選因素的變化，即回歸模型具有高度相關(guān)性；校正決定系數(shù)RAdj2=0.9699，表明僅有約3%的實驗數(shù)據(jù)不能用該模型進行解釋；預(yù)測Pred-R2=0.9363，也能合理地說明校正決定系數(shù)RAdj2=0.9699值的變化；變異系數(shù)C.V.=1.55%，說明該模型1.55的變異不能由該模型解釋。綜上所述，該模型的擬合度較好，可用該模型代替真實試驗點在因素設(shè)置范圍內(nèi)對糖汁脫色率進行分析和預(yù)測。

2.2.4 三維響應(yīng)面圖和等高線圖

根據(jù)回歸方程，做出3個因素交互作用的三維響應(yīng)面圖和等高線圖，結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 反應(yīng)溫度和過氧化氫用量交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.5 Response surface map and contour map of interaction between reaction temperature and hydrogen peroxide dosage

圖6 反應(yīng)溫度和Vc用量交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.6 Response surface map and contour map of interaction between reaction temperature and Vc dosage

圖7 過氧化氫用量和Vc用量交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.7 Response surface map and contour map of interaction between hydrogen peroxide dosage and Vc dosage

從響應(yīng)面圖可以直觀反映出兩因素交互作用的顯著程度，曲面傾斜度越陡，因素間交互作用越顯著，反之曲面平緩則交互作用不顯著[15]；從等高線圖也可以直觀反映出兩因素交互作用的顯著程度，等高線形狀越接近橢圓形，交互作用越顯著，而圓形則與之相反[16]。

由圖5可知，3D曲線較為平緩，等高線形狀趨于圓形，說明AB交互作用不顯著，即反應(yīng)溫度和過氧化氫用量交互作用不顯著；由圖6可知，3D曲線較為平緩，等高線形狀趨于圓形，說明AC交互作用不顯著，即反應(yīng)溫度和Vc用量交互作用不顯著；由圖7可知，3D曲線較為平緩，等高線形狀趨于圓形，說明BC交互作用不顯著，即過氧化氫用量和Vc用量交互作用不顯著。

2.2.5 糖汁脫色率工藝條件的驗證

根據(jù)Design Expert軟件分析，獲得糖汁脫色率的最佳工藝條件：反應(yīng)溫度為62.34 ℃，過氧化氫用量為0.88 mL，Vc用量為0.86 mL，此條件下糖汁脫色率為40.8%?？紤]到實際試驗操作條件，將反應(yīng)溫度調(diào)整為62 ℃，過氧化氫用量為0.88 mL，Vc用量為0.86 mL，在此條件下進行3次平行試驗，平均糖汁脫色率為42.9%。與預(yù)測值40.8%基本一致，表明該模型與實際情況擬合較好，可以較好地預(yù)測糖汁的脫色率。

3 結(jié)論

本試驗通過單因素試驗和響應(yīng)面分析探究了H2O2-Vc體系對糖汁脫色率的影響，考察了反應(yīng)溫度、過氧化氫用量、Vc用量和反應(yīng)時間對糖汁脫色率的影響，在單因素試驗的基礎(chǔ)上對影響糖汁脫色率的因素進行篩選，選取反應(yīng)溫度、過氧化氫用量、Vc用量3個因素為自變量，以脫色率為響應(yīng)值進行響應(yīng)面試驗，得到糖汁脫色率最佳工藝為：反應(yīng)溫度62 ℃，過氧化氫用量0.88 mL，Vc用量0.86 mL，此條件下可得到最佳糖汁脫色率，為糖汁脫色率應(yīng)用于工業(yè)化大生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)。