環境友好型絮凝劑代替堿性醋酸鉛在糖料甘蔗試驗中的應用研究

李燾 謝麗萍 閆飛燕 韋宇寧 寧德嬌 肖艷妮 唐莉

摘 要：以環境友好型絮凝劑代替堿性鉛粉進行糖料甘蔗試驗分析，為減少糖料甘蔗品質分析中堿性鉛粉的使用提供參考。結果表明，13種絮凝劑中，以乙酸鋅和氫氧化鈣的過濾效果相對較好；復合型絮凝劑（乙酸鋅+氫氧化鈣）中乙酸鋅和氫氧化鈣加入量與蔗汁比例分別為0.5%和0.4%時，可代替堿性鉛粉滿足糖料甘蔗試驗要求，加入混合絮凝劑后有利于沉降速度的提高 ，減少蔗汁在沉降池中的停留時間，甘蔗品質參數蔗汁糖度、蔗糖分檢測結果與堿性鉛粉處理結果誤差為：蔗汁糖度0.001～0.008（允許誤差0.01），蔗汁蔗糖分0.001～0.006（允許誤差0.02），滿足國家標準GB/T 10499—2014《糖料甘蔗試驗》要求。

關鍵詞：糖度；蔗糖分；絮凝劑；糖料甘蔗

中圖分類號：S566.109.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-820X（2023）03-0005-05

0 引言

糖料甘蔗是我國主要生產食用糖的作物，產糖量占全國食糖的90%［1］，廣西作為全國最大的甘蔗生產區域，甘蔗產量居全國之首，維持在全國總產量的60%以上［2，3］。目前，甘蔗產業已成為廣西區域經濟發展的重要支柱和農民增收的主要來源，廣西蔗糖產業已發展成為千億元產業［4，5］。糖料甘蔗評價指標主要以甘蔗糖度和蔗糖分為主，指標分析一般參照國家標準GB/T 10499—2014《糖料甘蔗試驗》（以下簡稱“國標”）。在糖料甘蔗試驗中，甘蔗蔗汁自身色澤、澄清度會影響甘蔗糖度和蔗糖分的分析結果，為保證蔗汁糖分結果準確，目前國標使用堿性醋酸鉛粉末（以下簡稱“堿性鉛粉”）作為檢測蔗汁糖度、蔗糖分時的蔗汁絮凝沉淀劑。堿性鉛粉與蔗汁（主要成分為蔗糖、果糖、葡萄糖、有機酸、氨基酸、蛋白質、黏液質、鞣質、酸性物質、膠體物質）形成有機膠體吸附［6，7］，團聚下沉，起到澄清作用。但重金屬鉛是一種穩定不可降解的污染物，在環境中可長期積累，對人體也有一定毒害作用［8，9］，且作為實驗室廢棄物，處理要求高、成本開支大，對環境污染嚴重。目前廣西有80多家制糖企業，均涉及甘蔗品質分析，該過程需使用大量堿性鉛粉，不僅增加實驗室廢棄物處理成本，加大保護環境壓力，同時對檢測操作人員的身體產生不可逆危害。因此，尋找高效、無毒、環境友好型的絮凝劑代替堿性鉛粉進行蔗汁品質分析，不僅對檢測人員身體健康有益，還可減少環境污染、降低處理成本，有著顯著的社會、生態和經濟意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

前期篩選試驗采用的甘蔗品種為桂糖42；后期對比試驗采用的甘蔗品種包括桂糖29（1）、桂糖44（2）、桂糖57（3）、桂糖49（4）、桂糖55（5）、桂糖58（6）、桂糖60（7）和柳城05-136（8），括號中為其對應編號。

絮凝劑共13種，包含乙酸鈣、乙酸鋅、氧化鈣、氫氧化鈣、碳酸氫鈉、氧化鎂、二氧化硅、活性炭、高嶺土、硫酸銅、碳酸鈉、草酸和碳酸鈣。

1.2 試驗方法

1.2.1 絮凝劑初篩試驗

采集糖料甘蔗樣品，按照國標方法榨取蔗汁，試驗過程中僅在加入堿性鉛粉步驟用絮凝劑代替。取蔗汁樣液，每份300 mL，置于潔凈的錐形瓶內，各取3 g絮凝劑分別加入不同錐形瓶內對甘蔗汁進行沉淀過濾試驗。以絮凝時間和過濾效果為基準進行篩選。

1.2.2 絮凝劑二次篩選試驗

以初篩結果為基礎，對篩選出的絮凝劑或組合進行二次篩選，對比其絮凝時間和過濾速度。

1.2.3 絮凝劑用量比例試驗

以澄清過濾300 mL甘蔗汁的過濾效果、時間為目標，以堿性鉛粉過濾濾液的檢測結果為對照，設不同比例絮凝劑組合，探索絮凝劑適宜用量。

1.3 測定指標及方法

參照國標方法計算蔗汁糖度和蔗糖分，數值以%表示，計算結果保留小數點后2位。糖度精密度：在重復性條件下獲得的2次獨立測定結果絕對差值不超過算術平均值的1%。蔗糖分精密度：在重復性條件下獲得的2次獨立測定結果絕對差值不超過算術平均值的2%。

1.4 統計分析

采用Excel 2019進行試驗數據的整理和制表。

2 結果與分析

2.1 絮凝劑初篩結果

試驗初篩結果發現，13種絮凝劑中，以乙酸鋅和氫氧化鈣的過濾效果相對較好，絮凝時間較短，濾液顏色為青綠色或褐色，濾液澄清；其他絮凝劑的效果相對較差（表1）。因此，選取乙酸鋅和氫氧化鈣進行二次篩選試驗。

2.2 絮凝劑二次篩選結果

以初篩結果為基礎，結合乙酸鋅和氫氧化鈣與堿性鉛粉有相似的化學性質，以乙酸鋅+氫氧化鈣混合絮凝劑、乙酸鋅、氫氧化鈣、堿性乙酸鉛為試驗對象進行沉淀過濾試驗，比較其過濾效果。以絮凝沉淀300 mL蔗汁樣品為目標，混合沉淀劑中每種成分各1.5 g，乙酸鋅、氫氧化鈣、堿性鉛粉各3.0 g，過濾結果如表2所示。從絮凝時間和10 min過濾體積對比其過濾速度，各處理表現為：堿性鉛粉>乙酸鋅+氫氧化鈣>乙酸鋅>氫氧化鈣。結果表明，乙酸鋅和氫氧化鈣混合物的過濾效果優于二者單獨使用。

2.3 乙酸鋅與氫氧化鈣混合比例篩選結果

2.3.1 乙酸鋅用量篩選

以3.0 g堿性鉛粉為對照（記為處理0），固定氫氧化鈣含量為1.5 g，分別與0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g乙酸鋅組成不同絮凝劑組合（記為處理1～5）進行試驗，以計算乙酸鋅的適宜使用量，結果如表3所示。從表3可知，在不同樣品中，澄清過濾300 mL蔗汁，乙酸鋅使用量在1.5 g及以上時，蔗汁蔗糖分、蔗汁糖度的檢測結果與堿性鉛粉的結果誤差均在國標要求誤差范圍內（蔗汁糖度相對誤差0.01、蔗汁蔗糖分相對誤差0.02，下同），符合國標檢測精密度要求。從保證檢測結果的準確性及最小環境影響、低成本角度考慮，1.5 g乙酸鋅即滿足檢測結果要求，因此乙酸鋅的適宜使用固液比為0.5%。

2.3.2 氫氧化鈣用量篩選

由于氫氧化鈣能使溶液顏色加深，設氫氧化鈣用量分別為0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、2.0 g與1.5 g乙酸鋅組成不同絮凝劑組合（記為處理1～5），以3.0 g堿性鉛粉為對照（記為處理0），以計算氫氧化鈣的適宜使用量，結果如表4所示。當氫氧化鈣用量為1.25 g時，3個甘蔗樣品的蔗汁糖度、蔗糖分檢測結果與堿性鉛粉的結果誤差在國標要求誤差范圍內，其余組的結果誤差在不同樣品中部分超出標準精確度要求。從保證檢測結果的準確性及最小環境影響、低成本角度考慮，1.25 g氫氧化鈣即滿足檢測結果要求，因此氫氧化鈣在混合絮凝劑中的適宜使用固液比約為0.4%。

2.4 乙酸鋅+氫氧化鈣組合與堿性鉛粉結果對比

2.4.1 組合絮凝劑與堿性鉛粉過濾時間對比

各選取3份不同糖料甘蔗樣品，分別使用堿性鉛粉與混合絮凝劑進行過濾，并按國標步驟進行過濾時間對比試驗，分別記錄過濾50、100和150 mL濾液所用時間。由表5可知，乙酸鋅+氫氧化鈣處理提高了甘蔗汁的過濾速度，過濾等量濾液所用時間明顯減少，降低了糖料甘蔗品質分析時間，提高了分析效率。

2.4.2 組合絮凝劑與堿性鉛粉蔗汁糖度、蔗糖分測定精密度對比

選取8份不同糖料甘蔗樣品，分別使用堿性鉛粉和混合絮凝劑進行過濾，并按國標步驟進行試驗，計算蔗汁糖度、蔗糖分及相關檢測精密度，結果如表6所示。絮凝劑處理8個樣品（1B～8B）2次平行結果蔗汁糖度誤差分別為：-0.001、0.000、0.000、0.000、0.000、0.000、0.000和0.000；蔗汁蔗糖分誤差分別為：-0.002、0.000、-0.001、0.000、0.000、0.000、0.004和0.001；蔗汁糖度和蔗糖分誤差均小于允許誤差0.01，符合標準規定精密度要求。

使用混合絮凝劑與國標檢測方法分別測定蔗汁糖度的相對誤差為：0.007、0.001、0.007、0.007、0.007、0.003、0.002和0.008，均小于允許誤差0.01，符合標準精密度要求；測定蔗汁蔗糖分相對誤差分別為：0.004、0.006、0.006、0.006、0.005、0.001、0.004和0.005，均小于允許誤差0.02，符合標準精密度要求。

3 討論與結論

甘蔗汁的主要成分為水、糖分（蔗糖、果糖、葡萄糖）、非糖分（膠體物質、無機物、有機酸、氨基酸、蛋白質、黏液質、鞣質、酸性物質等）等，試驗分析中需保留蔗汁中糖分物質，而絮凝沉淀去除各種非糖分及夾雜物。本研究加入乙酸鋅和氫氧化鈣能有效絮凝沉淀蔗汁中的非糖分物質，可能是蔗汁中帶負電荷的膠體顆粒、氨基酸、蛋白質與帶正電荷的鈣離子、鋅離子在氫氧根離子存在環境下發生橋連作用，促進了非糖分膠體的絮凝，乙酸根離子也能與非糖分有機物發生吸附作用，促進絮凝加速。

本研究結果表明，組合絮凝劑乙酸鋅0.5%+氫氧化鈣0.4%，能滿足國標的試驗要求，確保結果的準確性、有效性，且在沉降速度、澄清效果、環保效益等方面均優于堿性鉛粉，降低了有害重金屬鉛的使用，也極大降低了環境成本，有助于糖料甘蔗檢測的綠色可持續發展。

參考文獻

［1］ 吳建明，李燕嬌，鄧宇馳，等. 中國甘蔗栽培的研究進展［J］. 廣西科學，2022，29（4）：613-626.

［2］ 雷承寶，陳建文，李曳. 廣西糖料蔗生產保護區“非蔗化”情況調研報告［J］. 廣西糖業，2022，42（5）：38-46.

［3］ 舒德志. 廣西糖業高質量發展的困境及應對措施［J］. 廣西糖業，2022，42（2）：35-38.

［4］ 李文綱. 開創新時代廣西千億糖業發展新篇章［J］. 當代廣西，2022（11）：12-13.

［5］ 董舒蕾. 廣西甘蔗產業發展對策研究［D］. 南寧：廣西大學，2022.

［6］ 溫德標，李凱，陸海勤，等. 甘蔗成分對制糖澄清影響研究［J］. 廣西輕工業，2009，25（7）：17-18.

［7］ 王軍. 蔗汁中鐵離子的測定及其對蔗汁色值影響的研究［D］. 南寧：廣西大學，2008.

［8］ 王艷莉，李成國，祝白春，等. 2014—2018年南京市居民蔬菜和食用菌中鉛和鎘膳食暴露評估［J］. 衛生研究，2022，51（1）：118-123.

［9］ Jones E A，Wright J M，Rice G，et al. Metal exposures in an inner-city neonatal population［J］. Environment International，2010，36（7）： 649-654.

（責任編輯 王 暉）