蔗糖澄清工段糖浆色值影响因素的灰色关联分析

宋春宁 杨瑞标

SONG Chun-Ning YANG Rui-Biao

（广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004）

(GuangXi University Institute of Electrical Engineering,Nanning,Guangxi530004,China)

澄清工段是蔗糖生产工艺的重要流程之一，包括预灰、一碳饱充、二碳饱充、清汁硫漂、糖浆硫漂5个过程[1]。澄清工段过程复杂，是一个非线性，多变量，大滞后的灰色系统。在澄清工段中，糖浆色值是反映澄清效果的关键指标。澄清效果的好坏直接影响到成品糖的质量。但澄清工段中影响糖浆色值的因素很多，如何找到制约糖浆色值的因素及其对糖浆色值的影响程度是值得探讨的问题。文章运用灰色关联分析，揭示蔗糖澄清工段糖浆色值的影响因素及影响主次。

1 灰色关联分析

灰色关联分析是灰色系统理论[2]的一个重要组成部分，与主成分分析[3]，回归分析[4]，数据包络分析[5]等因素分析法相比，原理简单，计算量小，容易实现，已经广泛用于农业、气象等学科[6]。

灰色关联分析的思想是通过参考序列和若干比较序列之间发展态势的相似程度来判断它们之间关联是否密切。用关联度表示它们之间的相似程度。关联度大的因素对系统发展影响大，关联度小的因素对系统发展影响小甚至没影响[6-10]。

灰色关联分析的基本原理是先定参考序列x0(t)和m个比较序列xi(t)，每个序列有n个数；再对所有序列进行数据处理，统一量纲；然后计算它们的绝对差值

记二级最大差值和最小差值分别是：

接着，比较序列xi（t）和参考序列x0（t）的关联程度就用关联系数γ0i（t）表示，计算公式见式（3）：

式中：

ρ——分辨系数，介于0～1之间，通常取0.5。

最后得出关联度计算公式，即

关联度η0i越大，表示比较序列与参考序列的关联程度越大；反之，关联程度就越小。

2 糖浆色值灰色关联分析

蔗糖澄清工段糖浆色值与关联度大的影响因素有关。分析影响因素与糖浆色值的关联度及它们的主次，得出糖浆色值的主要影响因素。

2.1 参考序列和比较序列的确定

蔗糖澄清工段的糖浆色值和影响因素数据每2 h采样1次，共12组。把糖浆色值（°St）随采样时间变化的数据设为参考序列x0，预灰pH表示为x1，预灰阀位表示为x2，一碳pH表示为x3，一碳阀位表示为x4，二碳pH表示为x5，二碳阀位表示为x6，清汁pH表示为x7，清汁阀位表示为x8，糖浆pH表示为 x9，糖浆阀位表示为 x10，一清色值（°St）表示为 x11，二清色值（°St）表示为 x12，清汁色值（°St）表示为 x13，蔗汁流量（t/h）表示为x14，一碳加灰量(g/100 mL)表示为x15，二清浊度表示为x16。统计结果见表1。

2.2 数据均值化处理

因为各影响因素的单位不同，不仅表示的物理意义不同，而且数量级也不同。因此，为了后续的计算，必须对所有序列的数据进行处理。常用的数据处理方法有标准化、均值化、初值化、归一化。均值化就是这个数列的每一个数除以该数列所有数据的平均值。因为有的序列数据间大小差距较大，所以采用均值化数据处理。这种处理方法既防止数据的分散，又保持数据的信息变化。均值化数据处理的结果见表2。

2.3 绝对差值和二级最大最小差值的计算

表1 蔗糖澄清工段糖浆色值与影响因素覮Table1 Syrup color value and influence factors in the sucrose clarification section

表2 糖浆色值与影响因素的均值化Table2 Mean change value of the syrup color value and influence factors

经过数据均值化处理后，根据式(1)求出比较序列与参考序列的绝对差值，再通过式(2)，从绝对差值的数据表格中找到二级最大差值和最小差值。绝对差值的计算结果见表3。

2.4 关联系数和关联度的求值

关联系数γ0i(t)表示比较序列xi(t)与参考序列x0(t)的相似程度，γ0i(t)越大，比较序列与参考序列的相似程度越大，反之越小。当分辨系数取0.5时，根据式(3)计算比较序列与参考序列的关联系数，结果见表4。

利用式(4)计算比较序列与参考序列的关联度，从而知道各个影响因素对糖浆色值的关联程度，结果见表5。把表中的关联度从大到小排序：η011<η05<η01<η03<η07<η09<η012<η013<η014<η015<η06<η02<η04<η010<η016<η08。显而易见，糖浆色值与一清色值的关联度最大，则二者之间关联程度最大；与清汁阀位的关联度最小，则二者之间的关联程度最小。

表3 糖浆色值与影响因素的绝对差值Table3 Absolute difference value of the syrup color value and influence factors

表4 糖浆色值与影响因素的关联系数Table4 Relational coefficientof the syrup color value and influence factors

表5 糖浆色值与影响因素的关联度Table5 Relational degree of the syrup color value and influence factors

从灰色关联分析结果来看，一清色值与糖浆色值的关联度最大。糖浆色值受一清色值的影响最大。一清色值是蔗糖澄清工段中一碳饱充过滤后蔗汁的色值大小。色值大，说明蔗汁溶液中的色素等非糖分物质多；色值小，说明蔗汁溶液中的色素等非糖分物质就少。一碳饱充的作用有：①生成碳酸钙沉淀，②除去蔗汁中胶体、色素以及其他非糖分物质。碳酸钙沉淀不仅吸附非糖分沉淀物，也能加快它们的沉降过滤。但要注意的是加灰量不宜过多，否则会造成还原糖的分解，一般控制在相对蔗汁溶液的1.2%～1.5%的范围[11]。因此，为了使糖浆色值低，必须做好对一清色值的检测，同时控制好一碳饱充的加灰量。

其次，紧跟着一清色值的是二碳pH，它与糖浆色值的关联度排在第二。二碳pH是蔗糖澄清工段二碳饱充过程的一个重要参数。二碳饱充蔗汁中含有大量的钙盐，添加一定量的CO2和石灰乳，使蔗汁溶液的钙盐含量降低。二碳最适pH一般控制在8.2～8.6[11]，此时的溶液中钙盐含量少，色值低。如果二碳pH达不到这个要求，就会导致钙盐增多，吸附能力下降，不利于糖浆色值的降低。因此要对二碳pH定期检测，便于生产过程调整。

预灰pH、一碳pH、清汁pH和糖浆pH与糖浆色值的关联程度依次递减，但比剩下的影响因素靠前。蔗汁pH关系到胶体的性质和碳酸钙晶体，而胶体物的凝聚沉降影响到沉淀效果，关系到最后的糖浆色值。二清色值和清汁色值对糖浆色值都有重要的影响。它们的好坏反映了二碳饱充和清汁硫漂的澄清效果。蔗汁流量影响糖浆色值是因为蔗汁流量涉及到蔗汁溶液中非糖分的量和钙盐含量。一碳加灰量就是一碳饱充中加灰的用量，控制还原糖的分解，影响碳酸钙沉淀。二碳阀位、预灰阀位、一碳阀位、糖浆阀位和二清浊度对糖浆色值的关联度比较小。

与糖浆色值关联度最低就是清汁阀位，它是清汁硫漂过程中的一个参数。因为二碳饱充的蔗汁钙盐含量很低，所以清汁硫熏中除去钙盐非常少，一般情况下，蔗汁钙盐含量几乎不变。因此清汁阀位的改变不会对糖浆色值有什么影响。

3 结论

糖浆色值是糖浆硫漂过滤后蔗汁的色值，不仅反映了蔗糖澄清工段的澄清效果，也影响了成品糖的质量。蔗糖澄清工段的影响因素对糖浆色值都有一定影响。通过灰色关联分析，揭示了蔗糖澄清工段糖浆色值主要影响因素及影响主次。从关联度排序结果可以看出一清色值、二碳pH、预灰pH和一碳pH对糖浆色值的影响很大。清汁pH、糖浆pH、二清色值、清汁色值、蔗汁流量和一碳加灰量对糖浆色值的影响也比较大。二碳阀位、预灰阀位、一碳阀位、糖浆阀位、二清浊度和清汁阀位对糖浆色值的影响很小甚至没影响。因此，在蔗糖生产中，一清色值反映了一碳饱充中非糖分的除去程度，要做好一清色值的检测。另外，每个过程的pH要定时监测，最适pH时蔗汁中的还原糖不易分解且钙盐含量低。

1 陈维钧，许斯欣，沈参秋，等.甘蔗制糖原理与技术(第二分册)蔗汁清净[M].北京：中国轻工业出版社，2002：145～148.

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11 无锡轻工业学院，华南工学院.甘蔗制糖工艺学[M].北京：轻工业出版社，1993：172～182.