甘蔗的磷酸亞硫酸法澄清工藝條件的優化

姚延志，胡乃仁*，劉漢木，項俊華

（1廣西洋浦南華糖業集團股份有限公司，廣西南寧530022；2廣西大學輕工與食品工程學院，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。但該市蔗區以干旱坡地為主，無成熟的灌溉系統，經過多年的種植，甘蔗防蟲害能力降低，品種退化，導致該地區的甘蔗蔗糖純度較低，膠體物質以及還原糖含量較高。

目前，臨滄市各糖廠的白砂糖生產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，不能達到好的蔗汁清凈效果，就難以生產出高品質的白砂糖。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○Be）；稀磷酸（天津市化學試劑六廠三分廠，質量濃度為35 g/L）；亞硫酸（天津市化學試劑六廠三分廠，質量濃度為5%）；聚丙烯酰胺（上海巨成化工有限公司，質量濃度為0.1%）。

儀器：波美計0～35○Be，浙江余姚芝林玻璃儀表廠；PHSJ-4A型酸度計，上海精密科學儀器有限公司；WAY-2S數字阿貝折射儀，上海儀電物理光學儀器有限公司；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，依據磷酸亞硫酸法的澄清工藝流程（圖1）以及實驗方案設定的工藝條件進行室內實驗。為便于觀測，以1000 mL的量筒為硫熏中和汁的沉降用具，待沉降穩定之余再取上層清汁對其相關的項目進行相應的物化分析[2]。

該地區糖汁沸點為98℃，因此二次加熱溫度定于98℃；該地區甘蔗還原糖、膠體等含量較高，為防止轉化，實驗過程中在pH值均偏堿性條件下進行。

圖1 磷酸亞硫酸法的澄清工藝流程

1.3 檢測和計算

相關物化指標按《甘蔗制糖化學管理分析方法》[3]中的檢測方法進行檢測。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計。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗及分析

2.1.1 單因素實驗方案

為確保可探究出具有良好清凈效果的澄清工藝條件，分別以預灰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℃)、硫熏強度(22、26、30 g/L)4個因素為變量進行單因素實驗。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，加入相應的磷酸量并用石灰調節至相應的pH，進行一次加熱后添加亞硫酸，并用石灰調節中和汁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，取上層清汁進行分析。

2.1.2 單因素試驗結果與分析

表1是該地區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、泥層厚度與清汁質量結果。

由表1的試驗結果可看出：

（1）預灰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，泥層不夠結實，厚度較高。從清汁的質量分析，預灰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，預灰pH值應取在7～8間；

（2）當總磷酸值在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，一次加熱溫度應取在60～70℃間；

（4）隨著硫熏強度的增加，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，為達到較好的澄清效果以及回收，硫熏強度應定在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灰 pH值、硫熏強度以及中和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，須對其進行正交試驗[4]。

表1 4個單因素的試驗結果

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，選取L9(33)正交試驗表（表2），其他影響因素設定為：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果及其方差分析結果。

以沉降速度為考核指標，由表5的方差分析結果可以推斷，相對于A因素，FB小于F0.05且小于F0.01，因此，B因素無顯著意義；同理，C因素亦無顯著意義。

以泥層厚度為考核指標，相對于B因素而言，FA小于F0.05且小于F0.01，因此，A因素無顯著意義；同理，C因素亦無顯著意義。

通常而言，在糖廠生產白砂糖的過程中，白砂糖色值是影響質量最主要的指標[5]。因此，處理該地區甘蔗最適宜的磷酸亞硫酸法工藝條件應是：預灰 pH值為7.6，硫熏強度為26 g/L，中和pH值為7.2。

表3 L9(33)正交試驗結果

以清汁色值為考核指標，相對于B因素而言，FA小于F0.05且小于F0.01，因此，A因素無顯著意義；而F0.05

根據上述分析結果可知，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，若重點考慮色值降低，則其最佳的清凈方案是A3B3C3，即，預灰pH值為7.6，硫熏強度為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，處理該地區甘蔗最適宜的磷酸亞硫酸法工藝條件應是：總磷酸值450 mg/kg，預灰pH值7.6，一次加熱溫度70℃，硫熏強度26 g/L，中和pH值7.2，按照此組參數進行3次重復試驗，結果見表6。

從表6的數據可知，該地區甘蔗經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均較為理想，且具有很好的穩定性。

表6 最適澄清工藝條件的驗證試驗結果

3 討論

（1）當總磷酸值在400～450 mg/kg時，繼續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，增加生產成本。故而，總磷酸值應在400～450 mg/kg比較適宜。

（2）當預灰pH在7.0～7.6時，其清凈效果比較好。當還原糖含量偏高時，預灰pH可適當提高。正交試驗結果表明，當預灰pH 7.6時，清凈效果最佳。若預灰pH值過高，則會使得蔗汁在后處理中發生美拉德反應，導致還原糖分解而生成大量的色素，對產品質量造成不良的影響。

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

（4）隨著硫熏強度的增加，其泥層厚度也越來越小，沉降速度也增快，但是當超過26 g/L后又有所回落。因此，硫熏強度定在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。在生產過程中，色值是影響白砂糖質量最主要的指標，因此，中和pH值應控制在7.2為宜。

（6）處理該地區甘蔗最適宜的磷酸亞硫酸法工藝條件應是：預灰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. 臨滄甘蔗生產現狀與發展建議[J]. 甘蔗糖業，2014(1)：58-61.

[2] 霍漢鎮. 現代制糖化學與工藝學[M]. 北京：化學工業出版社，2007：109.

[3] 中國輕工總會甘蔗糖業質量監督檢測中心. 甘蔗制糖化學管理分析方法[M]. 廣州：中國輕工總會甘蔗糖業質量監督檢測中心，1995.

[4] 李云雁，胡傳榮. 實驗設計與數據處理[M]. 北京：化學工業出版社，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量的方法[J]. 廣西蔗糖，2010(1)：32-34.