Z e t a電位法優化赤砂糖回溶糖漿絮凝澄清工藝的研究

崔 越，李利軍，李青松，劉 柳，李彥青，劉 燾

（廣西工學院生物與化學工程系，廣西柳州545006）

Zeta電位是表征分散體系穩定性的重要指標[1-2]。根據DLVO理論，Zeta電位的絕對值越小，顆粒之間的排斥力越弱，則分散體系穩定性越差，越容易聚沉[1，3-5]，從而發生絮凝現象。反之，分散體系越穩定，不易聚沉。目前Zeta電位已經廣泛應用于造紙、礦物浮選、醫藥、粘結劑、廢水絮凝處理、高嶺土絮凝處理、菌類懸浮液絮凝處理和膜處理等[6-8]，而在制糖工業中Zeta電位理論的應用還較少。在制糖工藝中，蔗汁澄清過程屬于最重要的工序之一。目前，我國糖廠一般采用的澄清方法主要有石灰法、亞硫酸法和碳酸法。蔗汁澄清過程的本質是蔗汁中的懸浮微粒及膠體顆粒脫穩凝聚和絮凝沉降，在凝聚和絮凝的過程中色素等雜質被吸附分離，從而實現糖汁濁度、色值及雜質的降低。引起懸浮微粒及膠體顆粒脫穩和凝聚的方法主要有添加電解質、加熱或濃度等[9-10]。石灰法是用石灰作為主要澄清劑的蔗汁澄清方法[11]，在我國用石灰澄清蔗汁已有三百多年歷史，其工藝方法已比較成熟。國外糖廠生產糖度在96%以上的粗糖時，一般亦采用石灰法[12]，但是石灰法澄清過程中的Zeta電位及其機理的研究卻很少見報道。本文基于Zeta電位理論，通過研究pH、Ca2+離子、Ca（OH）2、PAM以及Ca（OH）2和PAM的協同作用對赤砂糖回溶糖漿Zeta的影響規律，并分別基于Zeta電位、脫色率、濁度三種指標優化生石灰法澄清赤砂糖回溶糖漿的最佳工藝，結果表明，以Zeta電位、脫色率、濁度為指標，優化的最佳工藝條件基本一致，證明以Zeta電位法優化赤砂糖回溶糖漿絮凝澄清工藝具有可行性。同時，由于Zeta電位更能反映澄清絮凝過程的本質，可為澄清劑、絮凝劑的遴選及確定其最佳用量提供重要的依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

赤砂糖 主要成分為蔗糖，柳州市柳冰食品廠，實驗室配制10°Bx；氫氧化鈣、鹽酸 西隴化工股份有限公司，AR；氫氧化鈉 廣東光華化學廠有限公司，AR；陽離子聚丙烯酰胺（cPAM）、陰離子聚丙烯酰胺（aPAM）、非離子聚丙烯酰胺（nPAM） 相對分子質量為8×106，工業級。

JJ500型電子天平 東莞市新陽儀器設備有限公司；2WAJ-改型阿貝折射儀 上海物理學儀器廠；pHS-25型pH計 上海雷磁儀器廠；恒溫磁力攪拌器 上海碩光電子科技有限公司；微孔膜過濾器 天津市津騰實驗設備有限公司；Nano ZS 90型納米粒度及Zeta電位分析儀 英國馬爾文儀器公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 絮凝實驗 聚丙烯酰胺的配制：準確稱量2g聚丙烯酸胺，將其溶解于蒸餾水中，用磁力攪拌器緩慢攪拌至完全溶解，最后稀釋定容至1000mL容量瓶中，待用。

1.2.2 Zeta電位的測定 用去離子水調節溶液電導率＜50mS·cm-1，取出部分溶液導入電位儀的池子中，測試溫度為25℃，用Zeta電位分析儀測定其Zeta電位值，3次平行樣的平均值。

1.2.3 測定方法 赤砂糖色值按照國際機構ICUMSA（糖品分析統一方法國際委員會）規定使用560nm波長進行測定，其計算公式如下：

IU560=A560/bc×1000 式（1）

式中：IU560—色值；A560—樣液在560nm下測得的吸光度；b—比色皿的厚度（cm）；c—樣液固形物的濃度（g/mL）可用下式計算：c=清汁折光錘度×相應視密度（20℃）/100。

脫色率由式（2）計算得出：

N（%）=（IU前-IU后）/IU后×100 式（2）

式中：N-脫色率（%）；IU前-處理前赤砂糖色值；IU后-處理后赤砂糖色值。

濁度由下式計算得出：M=IU未-IU過

式中：M-濁度；IU未-處理后未過濾赤砂糖色值；IU過-處理后過濾赤砂糖色值。

1.2.4 正交實驗方案 選擇氫氧化鈣量A（g/L）、陽離子聚丙烯酰胺B（g/L）按二因素四水平L16（42）安排正交實驗，見表1～表3。

表1 關于Zeta電位多因素水平表Table 1 The table of Zeta potential multivariate levels

表2 關于脫色率多因素水平表Table 2 The table of decoloration rate multivariate levels

表3 關于濁度多因素水平表Table 3 The table of turbidity multivariate levels

2 結果與討論

2.1 回溶糖漿及絮凝劑的Zeta電位

從圖1～圖4可以看出，回溶糖漿體系的Zeta電位為負值，約為-11mV；陽離子聚丙烯酰胺的電位為正，約為+17mV；非離子聚丙烯酰胺和陰離子聚丙烯酰胺表面均帶有少量負電荷，非離子聚丙烯酰胺電位在-7mV左右，陰離子聚丙烯酰胺點位在-30mV左右。

2.2 pH對回溶糖漿的ZETA電位的影響

由圖5可以看出，Zeta電位很好地反映了回溶糖漿的帶電特性隨pH的變化：回溶糖漿的等電點大致在2.2左右，此時回溶糖漿中膠體凈電荷為零，Zeta電位趨近于零。當pH小于2.2時，膠體Zeta電位為正；當pH大于膠體等電點2.2時，回溶糖漿膠體表面所帶負電荷增多，膠體表面Zeta電位絕對值隨pH的升高呈顯著增長。

2.3 Ca2+對回溶糖漿的ZETA電位的影響

溶膠中加入適量電解質可以引起膠粒的聚沉現象。高價反離子電解質，濃度和價數增加，都將壓縮擴散層，降低斥力勢能的作用；反離子發生特性吸附，降低膠體粒子的帶電量，從而導致聚沉[13]。由于回溶糖漿帶負電，加入含Ca2+的電解質溶液不僅降低膠體粒子帶電量，而且壓縮擴散層降低斥力勢能。從圖6可知，pH=7時，回溶糖漿的Zeta電位隨Ca2+增加，Zeta的絕對值不斷減小，C（Ca2+）=1.0mol/L時達到等電點；當pH=4.5時，回溶糖漿的Zeta電位隨Ca2+增加，Zeta的絕對值先減小后增大，C（Ca2+）=0.5mol/L時達到等電點。

2.4 Ca（OH）2對回溶糖漿的ZETA電位的影響

Ca（OH）2對回溶糖漿的Zeta電位的影響包括Ca2+和pH兩個方面的因素。Ca2+降低回溶糖漿溶液中的膠體粒子的帶電量，同時壓縮擴散層降低斥力勢，使Zeta的絕對值減小；OH-影響溶液pH，Ca（OH）2量過大，pH過大，使溶液負電荷過多，Zeta的絕對值升高。如圖7可知，當氫氧化鈣加入量小于2g/L時，Zeta的絕對值迅速減小；當大于2g/L時，Zeta的絕對值減小速度變緩；當氫氧化鈣加入量等于4g/L時，Zeta電位的絕對值為3，達到最小值；當氫氧化鈣加入量大于4g/L時，Zeta的絕對值開始變大。

2.5 絮凝劑對回溶糖漿的ZETA電位的影響

絮凝劑主要通過電中和、鑲嵌及架橋等作用吸附蔗汁中大量的膠體、色素等非糖成分[14-15]。由于aPAM和nPAM均帶負電，從圖8～圖10可知，它們在一定程度均可以降低回溶糖漿的Zeta的絕對值，但aPAM和nPAM電離出很少量的負電荷，不能同帶負電的回溶糖漿中膠粒發生電中和作用，因此，主要的機理是鑲嵌和架橋作用，所以絮凝效果較差。cPAM可以電離出正電荷，能與回溶糖漿中膠粒的負電荷發生中和作用，所以Zeta的絕對值降低程度較大，并通過架橋和鑲嵌吸附蔗汁中大量的膠體及色素等非糖成分，因此，絮凝效果較好。凝劑加入量為0.008g/L時，Zeta的絕對值隨著氫氧化鈣的加入量先減小后增大，當加入量為4g/L左右時達到最小值，此時，膠粒最容易發生聚集，絮凝效果好。

2.6 cPAM與氫氧化鈣協同作用對回溶糖漿的ZETA電位的影響

選用絮凝效果較好的cPAM與氫氧化鈣協同處理回溶糖漿。由圖11、圖12可知，當加入氫氧化鈣的量為3g/L時，Zeta的絕對值隨著絮凝劑的加入量先減小后增大，當加入量為0.012g/L時，達到最小值；當絮

2.7 正交實驗結果

正交實驗結果如表4～表6所示，根據實驗結果，分別以Zeta電位、脫色率、濁度為指標對正交實驗進行極差R計算。

通過表4～表6分析可知，以Zeta電位為目標，優化赤砂糖回溶糖漿澄清的最佳工藝條件為：氫氧化鈣，5g/L；陽離子聚丙烯酰胺，0.014g/L；以脫色率為目標，優化赤砂糖回溶糖漿澄清的最佳工藝條件為：氫氧化鈣，4g/L；陽離子聚丙烯酰胺，0.014g/L；以濁度為目標，優化赤砂糖回溶糖漿澄清的最佳工藝條件為：氫氧化鈣，5g/L；陽離子聚丙烯酰胺，0.016g/L。可見，以Zeta電位、脫色率、濁度為指標，優化的最佳工藝條件基本一致，證明以Zeta電位法優化赤砂糖回溶糖漿絮凝澄清工藝具有可行性。同時，由于Zeta電位更能反映澄清絮凝過程的本質，可為澄清劑、絮凝劑的遴選及確定其最佳用量提供重要的依據。

3 結論

回溶糖漿的Zeta電位與赤砂糖回溶糖漿澄清具有密切的聯系，優化赤砂糖回溶糖漿澄清的最佳工藝條件：a.以Zeta電位為目標，氫氧化鈣，5g/L；陽離子聚丙烯酰胺，0.014g/L；b.以脫色率為目標，氫氧化鈣，4g/L；陽離子聚丙烯酰胺，0.014g/L；c.以濁度為目標，氫氧化鈣，5g/L；陽離子聚丙烯酰胺，0.016g/L。與脫色率和濁度相比，Zeta電位更能揭示澄清過程的本質，以Zeta電位法優化赤砂糖回溶糖漿絮凝澄清工藝具有可行性。同時Zeta電位法可為澄清劑、絮凝劑的遴選及確定其最佳用量提供重要的依據。

表4 Zeta電位正交實驗結果Table 4 The results of orthogonal experiment

表5 脫色率正交實驗結果Table 5 The results of orthogonal experiment

表6 濁度正交實驗結果Table 6 The results of orthogonal experiment

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