水力空化强化H2O2-Vc体系糖汁脱色的研究

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[1]。传统的糖汁脱色方法存在能量消耗大、SO2残余量高等问题[2,3]，制约着制糖业的发展和进步。将H2O2-Vc体系应用于糖汁脱色，主要利用过氧化氢释放的·OH的氧化性进行脱色[4]，以VC作为催化剂，加快了·OH的产生速率。

水力空化作为一种化工过程强化技术，具有空化场均匀、能量消耗低、操作简单等优点[5,6]。水力空化与H2O2氧化法结合能够提高·OH自由基的产量[7]。空化过程中产生空化泡，空化泡在溃灭瞬间会引起局部高温、高压和高射流，产生机械剪切力和释放·OH自由基[8,9]，同时伴随着复杂的物理化学变化，对糖汁脱色起到一定的强化作用[10]。

本研究将水力空化应用于H2O2-Vc体系糖汁脱色工艺，考察水力空化强化作用对糖汁脱色率的影响，为水力空化应用于糖汁脱色提供了理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

粗制白砂糖：广西东亚糖业有限公司；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；SL-2010N智能低温恒温槽 南京顺流仪器有限公司；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 水力空化实验装置

水力空化实验装置见图1。

图1 水力空化实验装置

注：1为溶液储箱；2为泵；3为压力表；4为空化器；5为循环水箱；V为阀门。

1.3 测定方法

将粗制白砂糖溶于蒸馏水中，加入一定量的Vc和过氧化氢，混合均匀后加入水力空化溶液储箱中，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锥度，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：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；c为折光锤度×20 ℃时的相应视密度/100。

式中：A0为原糖汁色值IU560 nm；A为脱色后糖汁色值IU560 nm。

1.4 单因素试验

1.4.1 糖汁浓度对糖汁脱色率的影响

取5份浓度分别为15%、25%、35%、45%、55%的糖汁，每份1000 mL。每份糖汁中加入1 mol/L的Vc 45 mL，再加入5%的过氧化氢20 mL，将5份溶液均在60 ℃的水力空化装置中反应8 min，考察糖汁浓度对糖汁脱色率的影响。

1.4.2 Vc用量对糖汁脱色率的影响

取5份浓度为35%的糖汁，每份1000 mL。每份糖汁中分别加入1 mol/L的Vc 15，25，35，45，55 mL，再加入5%的过氧化氢20 mL，将5份溶液均在60 ℃的水力空化装置中反应8 min，考察Vc用量对糖汁脱色率的影响。

1.4.3 H2O2用量对糖汁脱色率的影响

取5份浓度为35%的糖汁，每份1000 mL。每份糖汁中加入1 mol/L的Vc 45 mL，再分别加入5%的过氧化氢20，30，40，50，60 mL，将5份溶液均在60 ℃的水力空化装置中反应8 min，考察过氧化氢用量对糖汁脱色率的影响。

1.4.4 空化时间对糖汁脱色率的影响

取5份浓度为35%的糖汁，每份1000 mL。每份糖汁中加入1 mol/L的Vc 45 mL ，再加入5%的过氧化氢40 mL，将5份溶液在60 ℃的水力空化装置中分别反应4，5，6，7，8 min，考察空化时间对糖汁脱色率的影响。

1.5 响应面优化

综合单因素试验结果，固定糖汁浓度35%、反应温度60 ℃，选取Vc用量(A)、H2O2用量(B)、空化时间(C)3个因素，以糖汁脱色率为响应值，优化水力空化强化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

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 糖汁浓度对糖汁脱色率的影响

图2 糖汁浓度对糖汁脱色率的影响

由图2可知，随着糖汁浓度的增大，脱色率明显呈先上升后下降的趋势。当糖汁浓度为35%时，糖汁脱色率达到最大值，为53.8%。随着糖汁浓度继续增大，脱色率明显下降，这是因为随着糖汁浓度增大，溶液的黏度升高，蒸汽压下降，空化产生困难，空化效应减弱，因而强化脱色作用逐渐降低[11]。因此，糖汁浓度选择35%较为适宜。

2.1.2 Vc用量对糖汁脱色率的影响

图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下降的趋势，当Vc用量为45 mL时，糖汁脱色率达到最大值，为55.0%，这表明在水力空化强化作用下，增加Vc用量，可释放更多的·OH自由基，促进了糖汁的脱色；当Vc用量继续增加，糖汁脱色率下降，这表明反应达到饱和，过量的Vc并不能增大糖汁的脱色率[12]。因此，Vc用量选择45 mL较为适宜。

2.1.3 H2O2用量对糖汁脱色率的影响

图4 H2O2用量对糖汁脱色率的影响

由图4可知，随着H2O2用量的增加，糖汁脱色率明显呈先上升后下降的趋势，当过氧化氢的用量为40 mL时，糖汁脱色率达到最大值，为56.9%，这是因为过氧化氢用量增加了·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，水力空化作用产生的微射流增大了试剂的接触面积，使反应速率加快，且水力空化作用本身也会产生一部分·OH自由基，另外，水力空化能催化H2O2分解产生更多的·OH自由基，水力空化和H2O2-Vc体系二者产生协同作用，使得糖汁的脱色率显著升高[13]；但过氧化氢用量继续增大后，脱色率开始下降，这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。因此，H2O2用量选择40 mL较为适宜。

2.1.4 空化时间对糖汁脱色率的影响

图5 空化时间对糖汁脱色率的影响

由图5可知，随着空化时间的增加，糖汁脱色率明显呈先上升后下降的趋势，当空化时间为6 min时，糖汁脱色率达到最大值，为58.9%，这是因为时间过短，过氧化氢无法完全分解产生·OH自由基，随着空化时间增大，过氧化氢分解的·OH自由基越来越多，糖汁脱色率明显增大，当空化时间在一定范围内，水力空化在大范围内形成一个比较均匀的空化强化场，能够使溶液混合更加均匀，拥有更大的表面积，从而提高糖汁的脱色率；继续增大空化时间，糖汁脱色率开始下降，这是因为空化时间长，糖汁中绿原酸等多酚类化合物被氧化为颜色更深的物质，糖汁色值增大，由此说明脱色率与空化时间有很大关系[14]。因此，空化时间选择6 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Vc用量、过氧化氢用量、空化时间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

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，得到空化时间、过氧化氢用量、Vc用量的相关回归系数，其回归方程为：Y=-308.23125+11.65125A+4.49625B-0.36250C-0.10100A2-0.045500B2+0.72500C2-0.016000AB-0.22750AC+0.027500BC。

所得的方差分析表见表3。

表3 回归方程的方差分析表

注：P<0.01为极显著，用“**”表示；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=0.0676>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，因此可以用于水力空化强化H2O2-Vc体系对糖汁脱色工艺的分析和预测。因素A和因素B的P值均小于0.01，说明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：Vc用量>过氧化氢用量>空化时间；A2和B2的P值均小于0.01，说明二次项中Vc用量、过氧化氢用量这两个因素对糖汁脱色率影响极显著，即Vc用量、过氧化氢用量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的P值小于0.05， AC的P值小于0.01，BC的P值大于0.05，说明Vc用量和过氧化氢用量之间的交互作用显著，Vc用量和水力空化时间的交互作用极显著，过氧化氢用量和水力空化时间的交互作用不显著。

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

由表4可知，模型的回归决定系数R2=0.9902，说明响应值的变化有99.02%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=0.9776，表明仅有不到3%的试验数据不能用该模型进行解释；预测R2=0.8712，也能合理地说明校正决定系数RAdj2=0.9776值的变化；变异系数(C.V.)=2.15%，说明该模型有2.15%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 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为：Vc用量48.06 mL，过氧化氢用量42.87 mL，空化时间5.61 min，在此条件下糖汁脱色率为60.68%。考虑到实际试验操作条件，因此将Vc用量调整为48 mL，过氧化氢用量为43 mL，空化时间为6 min，在此条件下进行3次平行试验，平均糖汁脱色率为60.3%。与预测值60.68%基本一致，表明该模型与实际情况拟合较好，可以较好预测糖汁的脱色率。

3 结论

本试验通过单因素试验和响应面分析探究了水力空化强化H2O2-Vc体系对糖汁脱色率的影响，考察了糖汁浓度、Vc用量、过氧化氢用量和空化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Vc用量、过氧化氢用量和空化时间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：糖汁浓度35%，Vc用量48 mL，过氧化氢用量43 mL，空化时间6 min，在此条件下糖汁脱色率为60.3%，明显高于无水力空化条件下H2O2-Vc体系的糖汁脱色率(42.9%)，为水力空化应用于糖汁脱色工艺提供了理论参考。