甘蔗的磷酸亚硫酸法澄清工艺条件的优化

姚延志，胡乃仁*，刘汉木，项俊华

（1广西洋浦南华糖业集团股份有限公司，广西南宁530022；2广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004）

0 前言

临沧的甘蔗种植面积居云南之首，该市四季温差小，年均雨量大于1000 mm，较适合甘蔗生长。但该市蔗区以干旱坡地为主，无成熟的灌溉系统，经过多年的种植，甘蔗防虫害能力降低，品种退化，导致该地区的甘蔗蔗糖纯度较低，胶体物质以及还原糖含量较高。

目前，临沧市各糖厂的白砂糖生产主要采用磷酸亚硫酸法清净工艺，因蔗汁中胶体及还原糖含量较高[1]，如选取的工艺条件不适合，不能达到好的蔗汁清净效果，就难以生产出高品质的白砂糖。本文以临沧市某糖厂2013/14年榨季甘蔗汁为研究对象，研究并改进磷酸亚硫酸法澄清工艺，以获得最佳的澄清工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

混合汁：取自云南省临沧市某糖厂2013/14年榨季后期（3～4月）甘蔗混合汁。

试剂：石灰乳（广州汇晟化工科技有限公司，波美度为8○Be）；稀磷酸（天津市化学试剂六厂三分厂，质量浓度为35 g/L）；亚硫酸（天津市化学试剂六厂三分厂，质量浓度为5%）；聚丙烯酰胺（上海巨成化工有限公司，质量浓度为0.1%）。

仪器：波美计0～35○Be，浙江余姚芝林玻璃仪表厂；PHSJ-4A型酸度计，上海精密科学仪器有限公司；WAY-2S数字阿贝折射仪，上海仪电物理光学仪器有限公司；722N可见分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司。

1.2 试验方法

从压榨车间采集蔗汁，依据磷酸亚硫酸法的澄清工艺流程（图1）以及实验方案设定的工艺条件进行室内实验。为便于观测，以1000 mL的量筒为硫熏中和汁的沉降用具，待沉降稳定之余再取上层清汁对其相关的项目进行相应的物化分析[2]。

该地区糖汁沸点为98℃，因此二次加热温度定于98℃；该地区甘蔗还原糖、胶体等含量较高，为防止转化，实验过程中在pH值均偏碱性条件下进行。

图1 磷酸亚硫酸法的澄清工艺流程

1.3 检测和计算

相关物化指标按《甘蔗制糖化学管理分析方法》[3]中的检测方法进行检测。沉降速度是以泥层下沉到量筒刻度为300 mL时所用的时间计，所用时间越短代表沉降速度越快。泥层厚度是以沉降15 min后泥层的顶部到其底部的毫升数计。

2 结果与分析

2.1 单因素试验及分析

2.1.1 单因素实验方案

为确保可探究出具有良好清净效果的澄清工艺条件，分别以预灰pH值(7、8、9)、磷酸添加量(350、400、450、500 mg/kg)、一次加热温度(50、60、70℃)、硫熏强度(22、26、30 g/L)4个因素为变量进行单因素实验。具体步骤为：取500 mL未添加辅材的混合汁，测定其自然磷酸值、pH值、简纯度以及还原糖分，加入相应的磷酸量并用石灰调节至相应的pH，进行一次加热后添加亚硫酸，并用石灰调节中和汁pH，最终使清汁的pH值为7.2，二次加热到沸腾后加入3.5 mg/kg的絮凝剂，静置，测定沉降所用时间与泥层厚度，取上层清汁进行分析。

2.1.2 单因素试验结果与分析

表1是该地区甘蔗磷酸亚硫酸法澄清处理的4个单因素试验所得沉降速度、泥层厚度与清汁质量结果。

由表1的试验结果可看出：

（1）预灰pH值在7～8之间时，沉降速度缓慢升高，泥层厚度缓慢增加；pH超过8时，沉降速度迅速变慢，泥层不够结实，厚度较高。从清汁的质量分析，预灰pH值在7～8之间时清混汁纯度差较大，清净效果相对较好。因此，预灰pH值应取在7～8间；

（2）当总磷酸值在400～450 mg/kg时，蔗汁沉降速度较快，泥层厚度较小，并且清汁纯度也比较高，澄清效果较好。因此，总磷酸值应定在400～450 mg/kg间；

（3）由表 1可以看出，温度较高时清混汁纯度差较大，沉降速度较快，而且泥层厚度也较小，因此，一次加热温度应取在60～70℃间；

（4）随着硫熏强度的增加，蔗汁沉降速度先快后慢，而泥层厚度也越来越厚，色值则随之升高，纯度也趋于降低。综合考虑，为达到较好的澄清效果以及回收，硫熏强度应定在22～26 g/L。

2.2 澄清工艺条件的正交试验方案及分析

事实上，在上述单因素试验的影响因素之中，影响磷酸亚硫酸法清净效果的主要有预灰 pH值、硫熏强度以及中和pH值等3个因素。为获取适合磷酸亚硫酸清净效果最佳参数，须对其进行正交试验[4]。

表1 4个单因素的试验结果

2.2.1 正交试验方案

以磷酸亚硫酸法的澄清过程沉降速度、泥层厚度、色值为考察指标，选取L9(33)正交试验表（表2），其他影响因素设定为：总磷酸值 450 mg/kg；一次加热温度为70℃；二次加热温度98℃。

2.2.2 正交试验的结果与分析

表2 正交试验的因素水平表

表3～表5分别列出了磷酸亚硫酸法澄清效果的正交试验结果及其方差分析结果。

以沉降速度为考核指标，由表5的方差分析结果可以推断，相对于A因素，FB小于F0.05且小于F0.01，因此，B因素无显著意义；同理，C因素亦无显著意义。

以泥层厚度为考核指标，相对于B因素而言，FA小于F0.05且小于F0.01，因此，A因素无显著意义；同理，C因素亦无显著意义。

通常而言，在糖厂生产白砂糖的过程中，白砂糖色值是影响质量最主要的指标[5]。因此，处理该地区甘蔗最适宜的磷酸亚硫酸法工艺条件应是：预灰 pH值为7.6，硫熏强度为26 g/L，中和pH值为7.2。

表3 L9(33)正交试验结果

以清汁色值为考核指标，相对于B因素而言，FA小于F0.05且小于F0.01，因此，A因素无显著意义；而F0.05

根据上述分析结果可知，中和pH是清汁色值的主要影响因素，其对色值影响具有显著意义，因此，若重点考虑色值降低，则其最佳的清净方案是A3B3C3，即，预灰pH值为7.6，硫熏强度为26 g/L，中和pH值为7.2。

表4 试验分析表

表5 方差分析表

2.2.3 验证试验

由上文可知，处理该地区甘蔗最适宜的磷酸亚硫酸法工艺条件应是：总磷酸值450 mg/kg，预灰pH值7.6，一次加热温度70℃，硫熏强度26 g/L，中和pH值7.2，按照此组参数进行3次重复试验，结果见表6。

从表6的数据可知，该地区甘蔗经过磷酸亚硫酸法处理之后，其沉降时间、泥层厚度以及清汁色值等可以描述清净效果的指标均较为理想，且具有很好的稳定性。

表6 最适澄清工艺条件的验证试验结果

3 讨论

（1）当总磷酸值在400～450 mg/kg时，继续添加磷酸对清净效果的影响不大。相反，磷酸量过大会影响清净效果，如沉降变慢，泥汁量过多，直接降低了收回，增加生产成本。故而，总磷酸值应在400～450 mg/kg比较适宜。

（2）当预灰pH在7.0～7.6时，其清净效果比较好。当还原糖含量偏高时，预灰pH可适当提高。正交试验结果表明，当预灰pH 7.6时，清净效果最佳。若预灰pH值过高，则会使得蔗汁在后处理中发生美拉德反应，导致还原糖分解而生成大量的色素，对产品质量造成不良的影响。

（3）一次加热温度应定在70℃，因为较高的一次加热温度对胶体物质的去除有利。

（4）随着硫熏强度的增加，其泥层厚度也越来越小，沉降速度也增快，但是当超过26 g/L后又有所回落。因此，硫熏强度定在22～26 g/L。

（5）中和pH是蔗汁清净效果主要的影响因素。清汁色值随pH的升高而增加，沉降速度随中和pH值的升高而变快。在生产过程中，色值是影响白砂糖质量最主要的指标，因此，中和pH值应控制在7.2为宜。

（6）处理该地区甘蔗最适宜的磷酸亚硫酸法工艺条件应是：预灰pH值为7.6，总磷酸值为400～450 mg/kg，一次加热温度定在70℃，硫熏强度为26 g/L，中和pH值为7.2。

[1] 李晓君，周文吉，周中，等. 临沧甘蔗生产现状与发展建议[J]. 甘蔗糖业，2014(1)：58-61.

[2] 霍汉镇. 现代制糖化学与工艺学[M]. 北京：化学工业出版社，2007：109.

[3] 中国轻工总会甘蔗糖业质量监督检测中心. 甘蔗制糖化学管理分析方法[M]. 广州：中国轻工总会甘蔗糖业质量监督检测中心，1995.

[4] 李云雁，胡传荣. 实验设计与数据处理[M]. 北京：化学工业出版社，2013：124-158.

[5] 杨军，石金鑫. 试论亚硫酸法澄清工艺提高白砂糖质量的方法[J]. 广西蔗糖，2010(1)：32-34.