响应面优化H2O2-Vc体系对糖汁脱色工艺的研究

姜继平，黄永春，黄承都*，杨锋

(1.广西科技大学 生物与化学工程学院，广西 柳州 545006；2.广西糖资源绿色 加工重点实验室，广西 柳州 545006)

色值是衡量制糖工艺效果的重要指标，糖汁的澄清脱色是整个制糖工艺过程的重点和难点[1]。工业上成熟的糖汁的脱色方法有亚硫酸法、石灰法、碳酸法3种，但存在SO2残余量较高、反应温度过高等问题[2,3]。

过氧化氢(H2O2)作为一种具有较强氧化性的物质，其氧化作用主要来自释放出的羟基自由基(·OH)，可以作为一种漂白剂[4]。过氧化氢对糖汁中多酚类物质和色值均有降低作用[5-7]。因此，利用过氧化氢进行糖汁脱色，消除了传统糖汁脱色工艺中SO2对糖汁的污染[8]。为提高过氧化氢分解产生羟基自由基(·OH)的速率，同时解决H2O2过量残留问题，本实验选择Vc作为催化剂，构成H2O2-Vc体系，避免加入Fe2+、Cu2+等金属离子催化剂对糖汁的污染，符合食品安全要求[9,10]。

本文使用响应面对H2O2-Vc体系脱色的条件进行了优化，旨在筛选出H2O2-Vc体系糖汁脱色的最佳工艺条件，为H2O2-Vc体系应用于糖汁脱色工业化提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

粗制白砂糖：广西南宁东亚糖业集团；30%过氧化氢：AR，西陇科学股份有限公司；维生素C：AR，上海麦克林生化有限公司。

BS224S型电子分析天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器 巩义市予华仪器有限责任公司；T6新世纪型紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；2WAJ型阿贝折光仪 上海申光仪器仪表有限公司。

1.2 测定方法

将粗制白砂糖溶于蒸馏水中，配制成浓度为15%的糖汁，加入一定量的过氧化氢和Vc，在一定温度下反应一定时间，待反应后的糖汁温度最接近原汁温度时，取适量待测定的糖汁，在室温下，用阿贝折光仪测出折光锤度，并记下折光仪上显示的温度，再用阿贝折射仪显示的温度查表得出观测锤度，又通过观测锤度查表得出视密度。再利用紫外可见分光光度计测出相应糖汁的吸光度A，测量时将光度计的波长调节为560 nm，空白液为蒸馏水。

糖汁色值的计算公式如下：

IU560 nm=1000×A560 nm/(b×c)。

式中：IU560 nm为波长560 nm处的国际糖色值；A560 nm为波长560 nm处测得样液的吸光度；b为比色皿厚度，cm；c为固溶物的修正浓度(20 ℃)，g/mL；其中，c=折光锤度×20 ℃时的相应视密度/100。

脱色率的计算公式如下：

式中：A0为原糖汁色值；A为脱色后糖汁色值。

1.3 单因素试验

1.3.1 反应温度对糖汁脱色率的影响

取5份浓度为15%的糖汁，每份50 mL。每份糖汁加入5%的过氧化氢0.6 mL，再加入1 mol/L的Vc 0.4 mL，将5份溶液分别在30，40，50，60，70 ℃水浴锅中加热，反应20 min，考察反应温度对糖汁脱色率的影响。

1.3.2 H2O2用量对糖汁脱色率的影响

取3组浓度为15%的糖汁，每组5份，每份50 mL。向第一组糖汁中分别加入5%的过氧化氢0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL，再加入0 mol/L的Vc 0.4 mL；向第二组糖汁中分别加入5%的过氧化氢0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL，再加入1 mol/L的Vc 0.4 mL；向第三组糖汁中分别加入5%的过氧化氢0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL，再加入1.5 mol/L的Vc 0.4 mL，将3组溶液在60 ℃水浴锅中加热，反应20 min，考察过氧化氢的加入量对糖汁脱色率的影响。

1.3.3 Vc用量对糖汁脱色率的影响

取3组浓度为15%的糖汁，每组5份，每份50 mL。向第一组糖汁中加入0%的过氧化氢0.8 mL，再分别加入1 mol/L的Vc 0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mL；向第二组糖汁中加入5%的过氧化氢0.8 mL，再分别加入1 mol/L的Vc 0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mL；向第三组糖汁中加入7%的过氧化氢0.8 mL，再分别加入1 mol/L的Vc 0.2 ,0.4,0.6,0.8,1.0 mL，将3组溶液在60 ℃水浴锅中加热，反应20 min，考察Vc的加入量对糖汁脱色率的影响。

1.3.4 反应时间对糖汁脱色率的影响

取5份浓度为15%的糖汁，每份50 mL。每份糖汁加入5%的过氧化氢0.8 mL，再加入1 mol/L的Vc 0.8 mL，将5份溶液在60 ℃水浴锅中加热，分别反应5,10,15,20,25 min，考察反应时间对糖汁脱色率的影响。

1.4 响应面优化

综合单因素试验结果，固定反应时间10 min，选取反应温度(A)、H2O2用量(B)、Vc用量(C)3个因素，以糖汁脱色率为响应值，优化H2O2-Vc体系对糖汁脱色的工艺，试验因素水平见表1。

表1 响应面因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 反应温度对糖汁脱色率的影响

图1 反应温度对糖汁脱色率的影响Fig.1 Effect of reaction temperature on decolorization rate of sugar juice

由图1可知，随着反应温度的升高，糖汁脱色率明显呈先上升后下降的趋势。当反应温度为60 ℃时，糖汁脱色率达到最大值，为33.4%，这是因为随着温度的升高，过氧化氢分解的速度加快，分解的量增大，羟基自由基与糖汁中色素分子的反应速度提高，糖汁脱色率随之增大；随着温度继续升高，脱色率明显下降，这可能是因为过高的温度导致过氧化氢挥发到空气中，造成溶液中过氧化氢浓度下降，从而降低了·OH自由基的生成速率[11]，不利于糖汁的脱色。综上所述，反应温度选择60 ℃较为适宜。

2.1.2 H2O2用量对糖汁脱色率的影响

图2 H2O2用量对糖汁脱色率的影响Fig.2 Effect of H2O2 dosage on decolorization rate of sugar juice

由图2可知，随着H2O2用量的增加，糖汁脱色率呈缓慢上升趋势，当过氧化氢的用量为0.8 mL时，糖汁脱色率达到最大值，为37.9%，这是因为过氧化氢用量的增加促进了·OH自由基的生成速率，与过氧化氢反应的色素分子逐渐被氧化，糖汁脱色率升高；但过氧化氢用量继续增大后，脱色率变化不大或有小幅度下降，这可能是因为反应已经达到饱和，过量的过氧化氢会与·OH反应生成H2O和O2，消耗了部分过氧化氢[12]；比较脱色率变化情况，发现Vc浓度为1，1.5 mol/L时脱色率明显高于0 mol/L时，且Vc浓度为1，1.5 mol/L时脱色率相近，说明Vc浓度为1 mol/L较合适，既可以提高糖汁脱色率，又可以节约成本。综上所述，H2O2用量选择0.8 mL较为适宜。

2.1.3 Vc用量对糖汁脱色率的影响

由图3可知，随着Vc用量的增加，糖汁脱色率明显呈先上升后稳定的趋势，当Vc用量为0.8 mL时，糖汁脱色率达到最大值，为40.0%，这表明Vc对有色物质的还原起到了一定的脱色作用；当Vc用量继续增加，糖汁脱色率基本保持不变，这表明反应达到饱和，过量的Vc对糖汁脱色影响不大；比较脱色率变化情况，发现过氧化氢为5%、7%时脱色率明显高于0%时，这从侧面说明过氧化氢起到了脱色或者协同脱色作用[13]，且过氧化氢为5%、7%时脱色率相近，说明过氧化氢为5%较合适，既可以提高糖汁脱色率，又可以节约成本。综上所述，Vc用量选择0.8 mL较为适宜。

图3 Vc用量对糖汁脱色率的影响Fig.3 Effect of Vc dosage on decolorization rate of sugar juice

2.1.4 反应时间对糖汁脱色率的影响

图4 反应时间对糖汁脱色率的影响Fig.4 Effect of reaction time on decolorization rate of sugar juice

由图4可知，随着反应时间的增加，糖汁脱色率明显呈先上升后下降的趋势，当反应时间为10 min时，糖汁脱色率达到最大值，为40.1%，这是因为时间过短时，过氧化氢还无法完全分解产生·OH自由基，随着反应时间增大，过氧化氢分解的·OH自由基越来越多，糖汁脱色率明显增大；继续增大反应时间，糖汁脱色率开始下降，这可能是过氧化氢已彻底分解完毕，无法再产生·OH自由基[14]。综上所述，反应时间选择10 min 较为适宜。

2.2 响应面优化试验结果与分析

2.2.1 响应面试验结果

根据Box-Behnken中心组合设计原理，在单因素试验基础上，选取反应温度、过氧化氢用量、Vc用量3个因素为自变量，以脱色率为响应值，设计三因素三水平的响应面分析试验，试验设计方案及结果见表2。

表2 Box-Behnken中心试验设计方案及结果Table 2 Design scheme and results of Box-Behnken center test

2.2.2 回归模型的建立和方差分析

将表2中的试验数据进行回归拟合，得到反应温度、过氧化氢用量、Vc用量的相关回归系数，其回归方程为：Y=-181.18500+5.06825A+55.46250B+92.40000C-0.043350A2-33.37500B2-55.25000C2+0.20000AB+0.18750AC-10.62500BC。

所得的方差分析见表3。

表3 回归方程的方差分析表Table 3 Variance analysis table of regression equation

注：0.010.05为不显著。

由表3可知，回归方程模拟的P<0.0001，为极显著水平，而失拟项P=0.7664>0.05，水平不显著，表明模型与实际结果拟合较好，自变量与响应值关系显著，因此可以用于H2O2-Vc体系对糖汁脱色工艺的分析和预测。

因素A、因素B和因素C的P值均小于0.01，说明反应温度、Vc用量、过氧化氢用量对糖汁脱色率的影响极显著，3个因素对糖汁脱色率影响强弱排序为：反应温度>Vc用量>过氧化氢用量；A2、B2和C2的P值均小于0.01，说明二次项中3个因素对糖汁脱色率的影响极显著，即反应温度、Vc用量、过氧化氢用量3个因素都是在糖汁脱色过程中需要主要控制的因素；各因素交互作用AB、 AC和BC的P值均大于0.05，说明各因素交互作用对糖汁脱色率的影响不显著，即反应温度和Vc用量、反应温度和过氧化氢用量、Vc用量和过氧化氢用量之间的交互作用对糖汁脱色率没有显著影响。

2.2.3 变异系数

响应面试验结果变异系数见表4。

表4 响应面试验结果变异系数Table 4 Coefficients of variation of response test results

由表4可知，模型的回归决定系数R2=0.9868，说明响应值的变化有98.68%来源于所选因素的变化，即回归模型具有高度相关性；校正决定系数RAdj2=0.9699，表明仅有约3%的实验数据不能用该模型进行解释；预测Pred-R2=0.9363，也能合理地说明校正决定系数RAdj2=0.9699值的变化；变异系数C.V.=1.55%，说明该模型1.55的变异不能由该模型解释。综上所述，该模型的拟合度较好，可用该模型代替真实试验点在因素设置范围内对糖汁脱色率进行分析和预测。

2.2.4 三维响应面图和等高线图

根据回归方程，做出3个因素交互作用的三维响应面图和等高线图，结果见图5～图7。

图5 反应温度和过氧化氢用量交互作用的响应面图和等高线图Fig.5 Response surface map and contour map of interaction between reaction temperature and hydrogen peroxide dosage

图6 反应温度和Vc用量交互作用的响应面图和等高线图Fig.6 Response surface map and contour map of interaction between reaction temperature and Vc dosage

图7 过氧化氢用量和Vc用量交互作用的响应面图和等高线图Fig.7 Response surface map and contour map of interaction between hydrogen peroxide dosage and Vc dosage

从响应面图可以直观反映出两因素交互作用的显著程度，曲面倾斜度越陡，因素间交互作用越显著，反之曲面平缓则交互作用不显著[15]；从等高线图也可以直观反映出两因素交互作用的显著程度，等高线形状越接近椭圆形，交互作用越显著，而圆形则与之相反[16]。

由图5可知，3D曲线较为平缓，等高线形状趋于圆形，说明AB交互作用不显著，即反应温度和过氧化氢用量交互作用不显著；由图6可知，3D曲线较为平缓，等高线形状趋于圆形，说明AC交互作用不显著，即反应温度和Vc用量交互作用不显著；由图7可知，3D曲线较为平缓，等高线形状趋于圆形，说明BC交互作用不显著，即过氧化氢用量和Vc用量交互作用不显著。

2.2.5 糖汁脱色率工艺条件的验证

根据Design Expert软件分析，获得糖汁脱色率的最佳工艺条件：反应温度为62.34 ℃，过氧化氢用量为0.88 mL，Vc用量为0.86 mL，此条件下糖汁脱色率为40.8%。考虑到实际试验操作条件，将反应温度调整为62 ℃，过氧化氢用量为0.88 mL，Vc用量为0.86 mL，在此条件下进行3次平行试验，平均糖汁脱色率为42.9%。与预测值40.8%基本一致，表明该模型与实际情况拟合较好，可以较好地预测糖汁的脱色率。

3 结论

本试验通过单因素试验和响应面分析探究了H2O2-Vc体系对糖汁脱色率的影响，考察了反应温度、过氧化氢用量、Vc用量和反应时间对糖汁脱色率的影响，在单因素试验的基础上对影响糖汁脱色率的因素进行筛选，选取反应温度、过氧化氢用量、Vc用量3个因素为自变量，以脱色率为响应值进行响应面试验，得到糖汁脱色率最佳工艺为：反应温度62 ℃，过氧化氢用量0.88 mL，Vc用量0.86 mL，此条件下可得到最佳糖汁脱色率，为糖汁脱色率应用于工业化大生产奠定了理论基础。