ZTC澄清剂用于赤砂糖回溶糖浆的澄清脱色研究

李青松，李利军，崔 越，李彦青（广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州545006）

ZTC澄清剂用于赤砂糖回溶糖浆的澄清脱色研究

李青松，李利军*，崔 越，李彦青
（广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州545006）

研究了ZTC澄清剂对赤砂糖回溶糖浆的澄清脱色效果。考察了ZTC澄清剂组分A、B的添加顺序、添加比例、用量、pH和反应温度等因素的影响，在单因素实验的基础上运用正交实验对澄清工艺进行优化，结果表明，最佳澄清脱色条件为：添加顺序是先添加ZTC组分B后添加ZTC组分A；B与A的用量比例为3∶1；A和B的总用量为6mL；pH为5.5；反应温度为40℃。在此条件下，脱色率达到63.5%，除浊率达到94.7%。利用Zeta电位理论对絮凝机理进行了初步的探讨。

赤砂糖，ZTC澄清剂，脱色率，除浊率，Zeta电位

赤砂糖是制糖生产的末端产物，其含杂质多、色值高，含糖约为90%[1]。糖厂为提高产糖率，一般将赤砂糖回溶处理或者用作乙糖膏的种子，这两种方式处理不当都会影响白砂糖的品质[2]。传统方法常对赤砂糖回溶糖浆进行硫漂处理，但这种方法存在糖分损失大、含硫量高等问题。此外，硫漂脱色作用的暂时性还会导致白砂糖在贮存过程中增色[3]。澄清脱色作为甘蔗制糖生产工艺中的关键环节之一，生产成本较高[4]。寻求新型高效澄清剂对赤砂糖进行澄清脱色成为近些年制糖界的一个研究热点。

ZTC澄清剂是一种天然高分子絮凝剂，与聚丙烯酰、聚合氯化铝等人工合成絮凝剂相比，安全无毒、高效[5]。ZTC澄清剂分为A、B两组分，B组分起主絮凝作用，A组分起辅助絮凝作用。B组分的架桥卷扫作用能使蛋白质等杂质颗粒团聚在一起，A组分带有与B组分相反的电荷，具有再架桥作用，能使絮凝物体积迅速增大，快速沉降[6]。

Zeta电位是胶体颗粒之间吸引力和排斥力强度的度量[7]。Zeta电位绝对值越高，胶体颗粒之间的排斥力较大，体系越稳定；Zeta电位绝对值越小，体系越不稳定，胶体颗粒凝聚越快[8]。由于Zeta电位与絮凝效果密切相关，近年来，Zeta电位在医药、造纸、水处理等领域得到了较广泛的应用[9]。刘惠君[10]通过实验得出结论：Zeta电位在一定程度上可反映混凝剂水处理的效果。

ZTC澄清剂目前已经商业化，在食品以及中药提取等方面得到广泛的应用，但未见用于糖汁澄清脱色的报道。本文首次将ZTC澄清剂应用于赤砂糖回溶糖浆的澄清脱色，探索其可行性，结果表明，ZTC澄清剂对赤砂糖回溶糖浆澄清脱色具有很好的效果，并结合ZTC澄清剂对赤砂糖回溶糖浆澄清脱色过程中体系Zeta电位的变化规律，对絮凝机理进行了探讨。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

赤砂糖回溶糖浆 实验室配制15°Bx；ZTC澄清剂 天津正天成生物科技有限公司，生化试剂；冰醋酸氢氧化钠 广东光华化学厂有限公司，分析纯；盐酸 西陇化工股份有限公司，分析纯。

AB104-N型电子分析天平 奥豪斯（上海）有限公司；2WAJ-改型阿贝折射仪 上海物理学仪器厂；DF-101S型恒温磁力搅拌器、SHZ-D型循环水真空泵 巩义市予华仪器有限公司；UV-2000型分光光度计 龙尼柯（上海）仪器有限公司；PHS-25CW型pH计 上海般特仪器制造有限公司；JSM-6700F型冷场发射扫描电子显微镜 日本电子株式会社；NanoZS90型纳米粒径及Zeta电位分析仪 英国马尔文仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 实验流程 实验步骤流程图如图1所示。

图1 实验流程图Fig.1 Experiment flow chart

1.2.2 分析方法

1.2.2.1 糖浆色值和浊度的测定 见参考文献[11]。其中脱色率由式（1）计算得出：

N（%）=（IU前-IU后）/IU前×100 式（1）

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

除浊率由式（2）计算得出：

除浊率（%）=（MAU前-MAU后）/MAU前×100式（2）

式中：MAU前-处理前赤砂糖浊度；MAU后-处理后赤砂糖浊度。

1.2.2.2 Zeta电位 由纳米粒径及Zeta电位分析仪测定。

1.2.2.3 样品的表面形貌 使用JEOL JSM-6700F型扫描电子显微镜观察，工作电压是5kV。扫描前将样品在真空条件下喷金处理。

1.2.3 絮凝剂的配制

1.2.3.1 澄清剂组分A的配制 准确称取10g组分A，将其溶解于适量去离子水中，溶胀24h后稀释定容至1000mL容量瓶中，待用。

1.2.3.2 澄清剂组分B的配制 准确称取10g组分B，将其溶解于适量1%的醋酸溶液中，溶胀24h后用1%的醋酸溶液稀释定容至1000mL容量瓶中，待用。

1.2.4 澄清剂组分A、B添加顺序考察 取100mL赤砂糖回溶糖浆，在澄清剂用量为6mL，组分B∶组分A分别为2∶1、1∶1、1∶2的条件下对其澄清处理，考察A、B组分在不同的添加顺序下对澄清效果的影响，并测定脱色率和除浊率。

1.2.5 单因素实验

1.2.5.1 组分A、B添加比例对澄清脱色效果的影响 在确定A、B添加顺序为先添加B后添加A的基础上，取100mL糖浆，在澄清剂总用量为6mL，B与A用量比分别为4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2的条件下对糖浆进行澄清处理，测定脱色率和除浊率，并绘制曲线。

1.2.5.2 温度对澄清脱色效果的影响 取100mL糖浆，在澄清剂总用量为6mL，B∶A=2∶1，温度分别为40、50、60、70、80℃的条件下对糖浆进行澄清处理，测定脱色率和除浊率，并绘制曲线。

1.2.5.3 pH对澄清脱色效果的影响 取100mL糖浆，在澄清剂总用量为6mL，B∶A=2∶1，温度为40℃，pH分别4、5、6、7、8的条件下对糖浆进行澄清处理，测定脱色率和除浊率，并绘制曲线。

1.2.5.4 澄清剂用量对澄清脱色效果的影响 取100mL糖浆，在B∶A=2∶1，温度为40℃，pH为5，澄清剂用量分别为3、6、9、12、15mL的条件下对糖浆进行澄清处理，测定脱色率和除浊率，并绘制曲线。

1.2.6 正交实验 选择B∶A的比例、温度（℃）、pH、澄清剂用量（mL）按四因素三水平L9（34）安排正交实验，见表1。

表1 因素水平表Table 1 The table of multivariate levels

2 结果与讨论

2.1 澄清剂组分A、B添加顺序的选择

由表2结果可以看出，在相同的澄清剂用量和相同的添加比例条件下，组分A、B添加顺序的不同对澄清脱色效果有着较大影响，先添加B后添加A的澄清脱色效果明显优于先添加A后添加B。因此，选择先添加B后添加A为最佳添加顺序。

表2 澄清剂组分A、B添加顺序表Table 2 The order of adding clarifying agent component A，B

2.2 各因素对澄清脱色效果的影响

2.2.1 组分A、B的用量比对澄清脱色效果的影响 由图2可以看出，当B∶A=2∶1的时候，脱色率略低于B∶A= 4∶1和B∶A=3∶1，但当B∶A=2∶1的时候，澄清剂除浊效果最好，除浊率达到最高，综合两方面考虑，选择B∶A= 2∶1为最佳比例。

2.2.2 温度对澄清脱色效果的影响 由图3可知，当温度小于50℃时，除浊率随温度的升高呈上升趋势。温度的升高使溶液中分子运动加快，这有效地增加了分子间的碰撞几率，胶体颗粒在澄清剂的卷扫和架桥作用下很快聚集在一起而沉降下来。当温度大于50℃时，除浊率随温度的升高呈下降趋势。较高的温度会使澄清剂分子老化，从而降低其澄清效果[5]。

脱色率随温度的升高而降低，但整体变化不大。温度的升高造成了澄清剂分子轻度老化，这降低了其对色素分子的吸引能力，温度的升高还会使少量已聚集的小分子色素重新分散，使糖浆色值略微升高。在50℃时，除浊率最高，脱色率相对于40℃时变化不大，综合两方面考虑，选择50℃作为最佳反应温度。

图2 脱色率和除浊率与用量比的关系Fig.2 The relationship between decoloration rate，removal rate of turbidity and the ratio of dosage

2.2.3 pH对澄清脱色效果的影响 图4结果显示，pH为6的条件下，除浊率最高；当pH大于6时，脱色率和除浊率下降较快；在碱性条件下（pH大于8），澄清剂几乎没有澄清脱色效果。这主要是因为氢离子浓度会影响澄清剂的解离度、改变澄清剂分子的带电性，从而影响其吸附能力。因此，最佳pH在6左右。

2.2.4 澄清剂用量对澄清脱色效果的影响 由图5结果来看，当絮凝剂用量为6mL时，除浊率达到最大值；当用量小于6mL时，脱色率和除浊率都随用量的增加而提高，脱色率上升较快；当用量大于6mL时，除浊率呈下降趋势，脱色率提高趋于缓慢；当用量大12mL时，脱色率几乎不再增加。这符合絮凝机理的一般规律，即絮凝剂的过量会使已聚集的胶粒重新分散，絮凝剂分子团聚在胶粒周围阻碍了分子间的架桥作用，絮凝物细小且分散，糖液浑浊度增加[12]。为减小后续过滤的难度，以及从经济角度考虑，澄清剂用量不宜过高，选择6mL为最佳用量。

图4 脱色率和除浊率与pH的关系Fig.4 The relationship between decoloration rate，removal rate of turbidity and pH

图5 脱色率和除浊率与澄清剂用量的关系Fig.5 The relationship between decoloration rate，removal rate of turbidity and dosage

2.3 正交实验结果

正交实验结果如表3所示，根据实验结果，以脱色率和除浊率为指标对正交实验进行极差R计算。

由表3极差大小可知，影响脱色率的因素，按影响程度从大到小排列为：D＞A＞B＞C，优选A3B1C1D3；影响除浊率的因素，按影响程度从大到小排列为：D＞B＞C=A，优选A2B1C2D1；综合各方面考虑，我们选择A2B1C2D1为最佳方案。在最佳条件下为B∶A=3∶1；温度为40℃，pH为5.5，澄清剂用量为6mL，做验证实验，脱色率为63.5%，除浊率为94.7%。

2.4 Zeta电位分析

由正交实验优化的最佳工艺条件为：B∶A=3∶1；温度为40℃；pH为5.5；澄清剂用量为6mL。在此条件下，往糖汁中先添加组分B，测定絮凝后溶液的Zeta电位，结果如图6所示：Zeta电位为-1.7。

图7为糖浆原液测得的Zeta电位值，其Zeta电位值为-9.54。ZTC澄清剂组分B带有正电荷，其Zeta电位值为76.65；组分A带有负电荷，其Zeta电位值为-91.95，测定结果如图8和图9所示。可见，往糖汁中添加组分B后，由于组分B具有较高Zeta电位值（正值），糖浆原液的Zeta电位值为负值，因此发生电中和作用，使糖浆Zeta电位值的绝对值变小，糖浆原液负电荷减少，糖浆中胶粒之间的排斥力减小，因此，容易发生凝聚。继续添加组分A，由于组分A的Zeta电位为负值，加入后与组分B发生电中和及架桥等作用，能迅速聚集较分散的凝聚颗粒，使絮凝物紧密成团，沉降迅速[13]。

表3 正交实验结果Table 3 The results of orthogonality experiment

图6 最佳工艺条件下絮凝过程中Zeta电位值Fig.6 The Zeta potential values in the the flocculation process under optimum conditions

图7 糖浆原液的Zeta电位值Fig.7 The Zeta potential values of syrup dope

图8 组分B的Zeta电位值Fig.8 The Zeta potential values of component B

图9 组分A的Zeta电位值Fig.9 The Zeta potential values of component A

2.5 扫描电镜分析

图10为澄清剂B组分的扫描电镜图，从图10中可以看出，其表面呈凹凸不平的棉絮状结构，此结构使其具有强大的卷扫网捕能力，能将细小胶体颗粒聚拢在一起，组分A通过其再架桥作用使絮凝物变得更为密实、沉降速度明显加快。

3 结论

实验结果表明ZTC澄清剂用于赤砂糖回溶糖浆澄清脱色可行，脱色除杂及沉降效果理想。ZTC澄清剂中含有组分A和组分B，其中组分B的Zeta电位为正值，组分A的Zeta电位为负值，两者之间通过电中和及架桥作用，能迅速聚集分散的胶体颗粒，使絮凝物紧密成团，沉降迅速。该工艺简单、快速、高效，在糖液澄清方面具有一定的应用前景。

图10 澄清剂B组分的扫描电镜图Fig.10 SEM image of component B

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Study on decolorizing brown granulated sugar with ZTC natural clarifying agent

LI Qing-song，LI Li-jun*，CUI Yue，LI Yan-qing
（Institute of Biological and Chemical Engineering，Guangxi University of Technology，Liuzhou 545006，China）

The ZTC natural clarifying agent was employed to clarify brown sugar juice and the effect of some factors such as the adding sequence of ZTC clarifiers A and B，the adding proportion，the dosage，and the reaction temperature were investigated.To optimize the reaction condition，the experiment was arranged by orthogonal design in the base of analyzing of single factor.The optimum condition of reaction was obtained as follows：the adding sequence of ZTC natural clarifying agent was clarifier B before clarifier A.The adding proportion of B and A was 3∶1.The total dosage of A and B was 6mL.The reaction temperature was 40℃. Under these conditions，the clarification rate and the removal rate of turbidity may achieve 63.5%and 94.7%，respectively.The mechanism of flocculation was discussed via the theory of Zeta potential.

brown granulated sugar；ZTC clarifier；decoloration rate；Zeta potential

TS201.1

B

1002-0306（2014）14-0245-05

10.13386/j.issn1002-0306.2014.14.046

2013－10－23 *通讯联系人

李青松（1985-），男，硕士研究生，研究方向：生化过程检测与控制以及应用化学。

国家自然科学基金项目（31060219）。