射流空化強化糖液亞硫酸法脫色的研究

孫煥煥，楊 鋒，羅佐帆，黃永春，任仙娥

（1.廣西科技大學生物與化學工程學院，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）

射流空化強化糖液亞硫酸法脫色的研究

孫煥煥1，2，楊 鋒1，2，羅佐帆1，2，黃永春1，2，任仙娥1，2

（1.廣西科技大學生物與化學工程學院，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）

文章以糖液色值下降率為指標，研究了基于文丘里管產生的射流空化對亞硫酸法糖液澄清脫色的影響。分別考察了空化作用時間、空化器入口壓力、溶液溫度對糖液色值的影響。實驗結果表明：糖液的色值下降率隨射流空化時間、空化器入口壓力、溶液溫度均呈現先上升后下降的趨勢。通過正交試驗優化工藝條件得出射流空化強化糖液澄清脫色的最佳工藝條件為：空化作用時間40s，空化器入口壓力0.25MPa，溶液溫度70℃，在該條件下糖液色值下降率達到最大值2.056%。研究結果表明：基于文丘里管產生的射流空化能夠有效地強化糖液澄清脫色。

射流空化；文丘里管；糖液；脫色

在制糖生產過程中，色值是衡量白砂糖質量的一項重要指標，因此制糖過程中糖汁的澄清脫色是制糖過程的重點和難點［1］。目前我國大多數糖廠采用亞硫酸法生產白砂糖，但常常由于糖廠工藝條件波動而使白砂糖色值經常超標。因此降低蔗糖澄清工藝的色值是當前制糖工藝的研究熱點。

空化現象是指當液體內部局部壓力降低（低于相應溫度下該液體的飽和蒸汽壓）時，液體內部或液固交界面上空泡的形成、發展和潰滅的過程。空化現象的出現將產生一系列效應，如機械效應（沖擊波、微射流）、熱效應（局部高溫）、光效應（聲致發光）、活化效應（水溶液中產生羥自由基）等。這些效應對過程會產生強化作用，起到節能、增效的效果［2］。目前研究較多的是超聲空化和水力空化，利用超聲空化作為強化手段促進原糖溶液中膠體的凝聚與絮凝［3-4］、強化蔗汁澄清［5-7］的研究已見報道。但由于超聲空化存在能量利用率低、空化效應區域小、裝置成本高等問題，因此它的應用范圍和應用規模受到限制。水力空化與超聲空化對過程的強化原理是相同的，區別在于形成空泡的手段上［8］。水力空化的原理是：流體流過一個收縮裝置（如幾何孔板，文丘里管等）時產生壓降，當壓力降至蒸氣壓甚至負壓時，溶解在流體中的氣體會釋放出來，同時流體汽化而產生大量空化泡，空泡在隨流體進一步流動的過程中，遇到周圍的壓力增大時，體積將急劇縮小直至潰滅［9］。但水力空化的能量利用率明顯高于超聲空化，水力空化是通過水力的作用形成，生成的空泡與液體能夠發生整體的運動，因此在較大的范圍內易形成均勻的強化場，而且利用水力空化對化工過程進行強化具有操作簡單、能耗低、效率高、維護費用低廉等優點［10-12］，因此水力空化具有大規模工業應用的優勢。本實驗將基于文丘里管的射流空化引入到甘蔗制糖的亞硫酸法澄清工序中，考察空化作用時間、空化器入口壓力、溶液溫度對亞硫酸法澄清工藝中糖液色值的影響，為水力空化在制糖工業中的應用提供基礎和參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

原糖：一級原糖，廣東東莞市制糖廠有限公司；

氧化鈣（CaO）：分析純（AR），西隴化工股份有限公司；

亞硫酸（H2SO3）：分析純（AR），廣州化學試劑廠。

1.1.2 主要儀器與設備

電磁爐：C19-SH1983型，廣東美的生活電器制造有限公司；

托盤天平：JTP-20型，江蘇常熟衡器廠；

數字酸度計：pHS-25CW型，上海般特儀器制造有限公司；

電子分析天平：BS224S型，北京賽多利斯儀器系統有限公司；

阿貝折光儀：2WAJ型，上海光學儀器廠；

紫外可見分光光度計：UV2000型，尤尼柯（上海）儀器有限公司。

射流空化裝置：本實驗室自制。如圖1所示，液體經水泵輸送到射流空化器（文丘里管）的喉部時由于管徑縮小，液體流速增大，壓強變小，而過了喉部后管徑開始變大，液體的壓強迅速恢復。液體在空化器中流動時，當它的壓強低于液體在該溫度下的飽和蒸氣壓時形成空泡，氣泡隨著液體流動，當到達較高壓強區后氣泡瞬間潰滅，從而產生空化效應。

圖1 自制射流空化實驗裝置示意圖

1.2 實驗內容與步驟

將原糖回溶，配制3 L濃度為15°Bx的糖液，加熱到70℃，加入20°B′e的石灰乳溶液，用H2SO3調節糖液的pH至7.0±0.1，攪拌2min，用潔凈干燥的燒杯取糖液200mL，將剩余的糖液在空化器入口壓力為0.25MPa下通過射流空化裝置循環空化處理不同的時間（20s、30s、40s、50s、60s、80s、100s）。分別取經過空化處理的糖液各200mL，冷卻至室溫，取上清液測定糖液的錘度、吸光度，計算其色值。

固定其他條件，依次改變空化器入口壓力（0.05MPa、0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa、0.30 MPa、0.35MPa），糖液溫度（40℃、50℃、60℃、70℃、80℃），重復上述試驗，分別考察空化器入口壓力、溶液溫度對糖液澄清脫色效果的影響。

在單因素實驗的基礎上，為尋求射流空化對糖液澄清脫色的最適宜生產條件，采用正交試驗方法［13］，通過用L9（34）正交表進行正交試驗對試驗條件進行優化。

1.3 分析方法

取濃度約為15°Bx的待測糖液100mL，用稀鹽酸溶液（0.40mol/L）和稀氫氧化鈉溶液（0.40mol/L）調節該糖液pH至7.0±0.1。將其倒入孔徑為0.45μm微孔膜過濾器中，抽真空，棄去最初濾液后，用阿貝爾折光儀測定糖液折光錘度，用紫外可見分光光度計測定其吸光度，調節分光光度計的波長為560nm，同時用蒸餾水作為參考標準。

用ICUMSA方法2計算糖液的色值［14］。

式中：IU560—用560 nm波長測得的國際糖色值；

A560—用560 nm波長的分光光度計測得的樣液吸光度；

b—石英比色皿厚度，cm；

c—樣液固溶物濃度，g/mL；

計算出糖液的色值，根據色值下降率來判斷射流空化強化亞硫酸法澄清脫色效果。

式中：（IU560）0—未經過空化處理的糖液的色值；

（IU560）t—經過空化處理的糖液的色值。

2 結果與討論

2.1 射流空化處理時間對糖液色值下降率的影響

在射流空化器入口壓力為0.25MPa，糖液溫度為70℃，糖液濃度為15°Bx的條件下，分別對糖液射流空化循環處理20s、30s、40s、60s、80s、100s，測定處理后糖液的色值，結果見圖2。

圖2 射流空化處理時間對色值下降率的影響

由圖2可以看出，隨著空化循環時間的增加，糖液色值下降率先上升后下降，最后變為負值，即糖液的色值隨著射流空化處理時間的增加先降低后升高。說明在合適的空化處理時間內，射流空化可以降低糖液的色值。原因是射流空化產生的強烈的機械效應及較高的沖擊波和微射流，能夠促進亞硫酸鈣沉淀顆粒與糖液中有色物質等非糖分的接觸碰撞機率，增強了CaSO3沉淀對有色物質等非糖分的吸附，降低了糖液的色值。空化效應可以強化SO32-和Ca2+反應生成更加均勻、擁有較大比表面積、吸附能力更強的CaSO3沉淀顆粒，加強了其對有色物質等非糖分的吸附，提高了糖液的脫色效果。同時空化效應還可以增加Ca2+與帶負電的膠體顆粒碰撞機會，加強Ca2+與帶負電的膠體顆粒的凝聚作用，增加H2SO3與糖液中的含有的不飽和鍵的有機物的接觸機會，有利于它們的結合發生加成反應，破壞其雙鍵結構使糖液的顏色變淺，達到降低糖液色值的目的。空化效應也可以破壞親水膠體水化層使其聚結形成大顆粒絮凝物，從而能夠增強對非糖分的吸附，降低糖液的色值。但隨著空化處理時間的增加，射流空化不僅不能起到強化糖汁脫色的效果，反而會使糖液色值增加，是因為空化效應增強到一定程度后，強烈的空化效應會使已經被亞硫酸鈣沉淀顆粒吸附的色素分子重新溶解在糖液中，增加了糖液的色值；另一方面是因為空泡潰滅產生的高溫高壓作用會使部分水分子發生分裂，產生鏈式反應生成·OH和H2O2，它們具有很強的氧化性［15］，會把糖液中的酚類物質氧化成深色的物質，增加了糖液的色值，因此射流空化時間不宜過長。

2.2 空化器入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條件下，分別在射流空化器入口壓力為0.05MPa、0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa、0.30MPa、0.35MPa條件下對糖液射流空化循環處理40s測定處理后糖液的色值，結果見圖3。

圖3 射流空化器入口壓力對糖液色值的影響

由圖3可以看出，隨著射流空化器入口壓力的增大，糖液的色值下降率先上升后下降。原因是在一定范圍內提高空化器的入口壓力，可以使液體流速加快，空化數下降，空化容易發生，空化泡數量增多，空泡潰滅機率增大，強化了空化效果，增強了CaSO3沉淀對有色物質等非糖分的吸附，降低了糖液的色值。但是當壓力增大到一定程度后，由于強烈的空化效應產生的“熱點”效應使糖液中的一些成分被氧化從而使糖液顏色加深，影響了亞硫酸法澄清脫色效果，所以當壓力升高到一定值后澄清效果反而會降低。因此射流空化對糖液的澄清脫色有一個最適壓力。

2.3 糖液空化溫度對色值的影響

在糖液濃度為15°Bx，射流空化器入口壓力為0.25 MPa的條件下，分別在糖液溫度為40℃、50℃、60℃、70℃、80℃條件下對糖液射流空化循環處理40s，測定處理后糖液的色值，結果見圖4所示。

圖4 糖液空化溫度對色值下降率的影響

由圖4可以看出，隨著糖液溫度的升高，糖液的色值下降率先上升后下降。原因是在一定的溫度范圍內，隨著溶液溫度的升高，溶液的飽和蒸汽壓加大，有利于氣核的發育和生長，因此隨著溫度的升高，射流空化效應增強，糖液中的SO32-和Ca2+的運動速率加快，有利于它們反應生成顆粒均勻、擁有較大比表面積的CaSO3，增強了CaSO3沉淀與色素物質等非糖分的接觸機會，有效降低了糖液的色值。由圖可以看出當溶液溫度升高到70℃后，糖液的色值下降率反而降低，是因為當糖液溫度升高到一定程度時，雖然空化更加容易產生，但由于溶液蒸汽壓也隨著增大，空泡潰滅時產生的“熱點”效應減弱，因而空化效應減小，強化作用降低。故當糖液溫度高于70℃時，隨著糖液溫度的升高，射流空化強化脫色作用逐漸降低。

3 正交試驗結果

3.1 試驗因素和水平的選擇

根據上述單因素實驗的結果，選用L9（34）型正交表進行試驗研究，試驗的因素水平安排見表1。

表1 試驗因素水平

3.2 正交試驗及結果分析

按L9（34）型正交表進行安排試驗，根據試驗結果，以色值下降率為指標，計算在各個條件下的色值下降率，正交試驗結果及極差分析見表2，方差分析見表3。

表2 正交試驗結果及極差分析

表3 方差分析表

對試驗結果進行數據分析，根據極差分析可以了解到各因素對實驗效果影響的主次關系，由正交表可知，影響射流空化對糖液澄清脫色的因素按照主次排序為C＞A＞B，即空化器入口壓力＞空化溫度＞空化時間，最優方案為C2A2B2即空化器入口壓力為0.25MPa，空化溫度為70℃，空化時間是40s。在此條件下做驗證試驗，得色值下降率為2.056%，大于正交試驗中最高色值下降率的6號實驗結果1.625%，表明正交實驗安排合理。根據表3的方差數據分析可以看出：在所設計的水平范圍內空化器入口壓力、空化溫度、空化時間對糖液澄清脫色均有顯著性影響。最佳工藝條件表明，在射流空化對糖液色值的影響中，要想得到較好的澄清效果，保證合適的空化壓力和空化溫度是關鍵，空化反應時間不宜過長。

4 結論

通過基于文丘里管產生的射流空化對亞硫酸法糖液澄清脫色的影響研究，分別考察了空化處理時間、空化器入口壓力、溶液溫度對脫色效果的的影響。研究結果表明，在合適的空化處理時間、空化器入口壓力、空化溫度下射流空化能強化糖汁的澄清脫色，降低糖液的色值。通過正交試驗驗證射流空化強化糖液脫色的最佳工藝條件為：空化處理時間40s，空化器入口壓力0.25MPa，溶液溫度70℃，在此條件下，糖液色值下降率達到最大值2.056%。

文丘里管是主要的射流空化裝置之一，文丘里管空化裝置產生的氣泡的輻射運動屬于穩定的振蕩型［16］，因此文丘里管空化裝置適合運用在一般的化學反應中，而SO32-和Ca2+的反應是比較溫和的，生成的CaSO3沉淀吸附的非糖分和在反應過程中生成的凝聚物是不穩定的，因此文丘里管射流空化裝置適合用來強化亞硫酸法硫熏中和反應過程。本研究為射流空化強化糖汁澄清過程的初步研究，為射流空化在制糖工業中的進一步研究提供基礎和參考依據，同時豐富了射流空化的應用領域，在化工食品行業中具有廣泛的應用前景。

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Study on the decolorization of the raw sugar syrup with sulfitation acid method enhanced by jet cavitation

Sun Huan-huan，Yang Feng，Luo Zuo-fan，Huang Yong-chun，Ren Xian-e
（1.Department of Biological and Chemical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China; 2.Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources，Liuzhou 545006，China）

The drop rate of color value was taken as index to analyze the effect of venturi tube cavitation on enhancing decolorization of the raw sugar syrup with sulfitation acid method．The cavitation treatment time，inlet pressure and solution temperature were investigated respectively．It showed that the the drop rate of color value of syrup increased firstly but decreased lately with the increase of jet cavitation treatment time，inlet pressure or solution temperature．Orthogonal test was used to optimize the experimental conditions，and the results showed that the optimal process conditions were as follows∶cavitation treatment time was 40 s，the jet cavitation inlet pressure was 0．25 MPa，the solution temperature was 70℃．The drop rate of color value was 2．056%under the optimal condition．The results showed that the jet cavitation improved decolorization rate of raw sugar syrup effectively．

jet cavitation;venturi tube;raw sugar syrup;decolorization

TS243.2

B

2095-820X（2016）01-07

2015-12-15

廣西自然科學基金項目（2013GXNSFAA019031）；廣西高等學校高水平創新團隊及卓越學者計劃資助（桂教人〔2014〕7號）。

孫煥煥(1988-)，女，山東泰安人，碩士研究生，研究方向：生物資源化工。

黃永春