赤砂糖回溶糖浆的半碳法澄清脱色工艺

李利军，崔 越，李青松，刘 焘，李彦青

（广西科技大学生物与化学工程学院，广西 柳州 545006）

目前，我国甘蔗制糖普遍采用一步法，末段结晶产物为赤砂糖[1]。赤砂糖杂质多，色值高，已不符合市场需求。为了减少或不产赤砂糖，大多数制糖企业将赤砂糖回溶重煮或套种。同时由于赤砂糖非糖分含量和色值均较高[2]，赤砂糖直接回溶重煮或套种也会影响白砂糖质量[3]，使色值偏高甚至超标。且赤砂糖中的色素主要是糖类分解产物和煮炼过程中产生的高分子有色物（呈棕黑至棕黄色，多为焦糖色素及类黑精色素），其晶体转移率很高，对成品糖色值影响比蔗汁本身的色素大得多[4-5]。因此，脱色除杂技术对赤砂糖回溶重煮或套种生产白砂糖至关重要，已成为制糖界难点及研究重点。

目前，有关赤砂糖回溶糖浆的脱色除杂技术主要有硫漂脱色、气浮清净及澄清脱色剂等工艺技术，但均存在不足，难以推广应用[6]。如硫漂脱色作用的暂时性会导致白砂糖在贮存过程中增色，而且赤砂糖回溶糖浆的硫漂处理还存在糖分损失大、白砂糖含硫量高等问题[7]；气浮清净技术因赤砂糖回溶糖浆流量不稳定，操作困难。传统的碳酸法工艺石灰消耗量和CO2排放量大，且滤泥量大，存在原材料成本高，环境污染等不足[7-10]。李政、于淑娟等[1，10]分别对传统碳法工艺进行改进，取得了较好的澄清效果，为解决赤砂糖回溶糖浆的澄清脱色难题提供了新思路[11]。有关糖汁脱色技术除硫法、碳法以及气浮法外，还有离子交换[12-13]、大孔树脂[14]、活性炭[15-16]吸附、氧化脱色[17-18]等技术方法，但这些技术方法或工艺复杂、技术性强，或成本高，难以推广应用[19]。因此，在传统方法和碳法制糖工艺的基础上，研究开发简单高效的赤砂糖回溶糖浆的脱色新技术新工艺仍然非常必要。

本文借鉴半碳法除杂脱色原理，在赤砂糖回溶糖浆预灰后加入适量碳酸氢钠，再用一定量的亚硫酸进行中和及调节pH值，最后利用聚丙烯酸钠进行絮凝沉降[20-21]，获得了理想的澄清脱色效果。在该工艺中，石灰乳先后与碳酸氢钠、亚硫酸分别生成碳酸钙及亚硫酸钙颗粒，并吸咐赤砂糖回溶糖浆中色素等非糖成分后絮凝沉降，实现澄清脱色的目的。该工艺具有3个创新点：一是利用碳酸氢钠替代二氧化碳气体，更容易获得碳酸钙颗粒，且工艺条件易于控制，考虑钠离子的引入，可能导致皂蜜问题，因此选用碳酸氢钠尽可能减少钠离子的引入；二是采用更加安全的聚丙烯酸钠代替具有安全隐患的聚丙烯酰胺作絮凝剂，实验结果表明，聚丙烯酸钠具有与聚丙烯酰胺一样的絮凝效果；三是该新工艺综合了碳法和亚法的优点，同时又克服了各自的不足，不仅提高了脱色率，而且减少了亚硫酸的用量，又避免了碳法滤泥量大及环境污染的问题。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

赤砂糖，主要成分为蔗糖，柳州市柳冰食品厂；氢氧化钙，AR 级，汕头市西陇化工有限公司；碳酸氢钠，AR 级，广东光华化学厂有限公司；亚硫酸，AR 级，广州化学试剂厂；盐酸，AR 级，西陇化工股份有限公司；氢氧化钠，AR 级，广东光华化学厂有限公司；冰乙酸，AR 级，广东光华化学厂有限公司；聚丙烯酸钠（PAAS），相对分子质量5×106，天津市大茂化学试剂厂，AR。

JJ500 型电子天平，东莞市新阳仪器设备有限公司；2WAJ-改型阿贝折射仪，上海物理学仪器厂；pHS-25 型pH 计，上海雷磁仪器厂；恒温磁力搅拌器，上海硕光电子科技有限公司；微孔膜过滤器，天津市津腾实验设备有限公司；722-光栅分光光度计，上海精密科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 实验流程

实验步骤流程图如图1 示。

图1 实验流程图

1.2.2 回溶糖浆、絮凝剂的配制

（1）回溶糖浆的配制 准确称量100 g 赤砂糖，将其溶解于900 mL 蒸馏水中，用磁力搅拌器缓慢搅拌至完全溶解，待用。

（2）聚丙烯酸钠的配制 准确称量1 g 聚丙烯酸钠，将其溶解于蒸馏水中，用磁力搅拌器缓慢搅拌至完全溶解，最后稀释定容至1000 mL 容量瓶中，待用。

1.2.3 测定方法

取100 mL 回溶糖浆，按图1 工艺处理，取上层清液测样液在560 nm 下的吸光度及室温下的锤度，记录数据。

赤砂糖色值按照国际机构ICUMSA（糖品分析统一方法国际委员会）规定使用560 nm 波长进行测定，其计算公式如式（1）。

式中，IU560为色值；A560为样液在560 nm 下测得的吸光度；b为比色皿的厚度，cm；c为样液固形物的浓度，g/mL，c=清汁折光锤度×相应视密度（20℃）/100，脱色率由式（2）计算得出。

式中，N为脱色率，%；IU前为处理前赤砂糖色值；IU后为处理后赤砂糖色值。

2 结果与讨论

2.1 碳酸氢钠用量对糖浆澄清脱色效果的影响

在取定量的氢氧化钙和聚丙烯酸钠条件下，如图1 实验步骤，考察碳酸氢钠量分别为2 g/L、3 g/L、4 g/L、5g/L、6 g/L时对糖浆澄清脱色率的影响。结果如图2。

部分石灰乳与碳酸氢钠生成碳酸钙颗粒，并吸咐赤砂糖回溶糖浆中色素等非糖成分后絮凝沉降，实现澄清脱色的目的。从图2 可以看出，当碳酸氢钠加入量小于0.4 g时，脱色率随着碳酸氢钠的量增加而增长。但当碳酸氢钠的量大于0.4 g时，消耗亚硫酸量增多，但脱色效果变化不大，综合考虑，碳酸氢钠的最佳用量确定为0.4 g，即碳酸氢钠加入量为4 g/L。

2.2 氢氧化钙用量对糖浆澄清脱色效果的影响

在取定量的碳酸氢钠和聚丙烯酸钠条件下，如图1 实验步骤，考察氢氧化钙量分别为4 g/L、5 g/L、6 g/L、7 g/L、8 g/L时对糖浆澄清脱色率的影响。结果如图3。

图2 脱色率与碳酸氢钠用量关系

图3 脱色率与氢氧化钙量的关系

石灰乳先后与碳酸氢钠、亚硫酸分别生成碳酸钙及亚硫酸钙颗粒，并吸咐赤砂糖回溶糖浆中色素等非糖成分后絮凝沉降，实现澄清脱色的目的。从图3 可以看出，当氢氧化钙加入量小于0.7 g时，对色素成分的吸附未达到饱和，增加氢氧化钙的量，对色素的吸附量也随之增大。但当氢氧化钙的量大于0.7 g时，氢氧化钙对色素成分的吸附达到饱和，此时，脱色效果变化不大，为减少后段工序过滤的负担，氢氧化钙的最佳用量宜选0.7 g，即氢氧化钙加入量为7 g/L。

2.3 聚丙烯酰胺用量对糖浆澄清脱色效果的影响

在取定量的碳酸氢钠和氢氧化钙条件下，如图1 实验步骤，考察聚丙烯酸钠量分别为0.0025 g/L、0.0050 g/L、0.0075 g/L、0.0100 g/L、0.0120 g/L时对糖浆澄清脱色率的影响。结果如图4。

图4 脱色率与絮凝剂聚丙烯酸钠用量的关系

由于聚丙烯酰胺作为絮凝剂，其单体丙烯酰胺残留，具有一定的毒性。本试验探讨聚丙烯酸钠作为絮凝剂代替聚丙烯酰胺的可行性。结果表明，聚丙烯酸钠具有聚丙烯酰胺一样的絮凝效果。从图4可以看出，当絮凝剂聚丙烯酸钠的用量小于0.0075 g/L时，脱色率随用量的增加而增大；当用量为0.0075 g/L时，脱色率达到最大值；当用量大于0.0075 g/L时，脱色率呈下降趋势。这符合絮凝机理的一般规律，即絮凝剂使用过量，会重新分散已聚集的胶粒，造成浊度增大[23]。聚丙烯酸钠分子通过电中和及架桥作用吸附胶体颗粒，使胶粒凝聚成较大颗粒后絮凝沉降[24-26]。聚丙烯酸钠用量的过大，导致体系带有过量的负电荷，此时，聚丙烯酸钠分子团聚在胶粒周围，使带有负电荷的胶粒之间相互排斥，阻碍聚丙烯酸钠分子的架桥作用，絮凝体细小且分散，糖浆浑浊度增加[24，26-27]。因此，聚丙烯酸钠的最佳用量宜选0.0075 g/L。

2.4 正交试验方案与结果

选择碳酸氢钠量A（g/L）、氢氧化钙量B（g/L）、絮凝剂聚丙烯酸钠C（g/L）按三因素四水平L16(45)安排正交试验，见表1。

以回溶糖浆为原料，按图1 工艺处理，正交实验结果如表2所示，根据实验结果，以脱色率为指标对正交试验进行极差R计算。

表1 多因素水平表

表2 正交实验结果

通过表2 分析可知，赤砂糖澄清脱色最佳工艺条件为：碳酸氢钠量4 g/L；氢氧化钙量7 g/L；聚丙烯酸钠量0.008 g/L。在最佳条件下做验证实验，脱色率为67.3%（大于正交试验中的最大脱色率64.8%），说明优化结果可靠。

亚硫酸法有很多的缺点，如产品色值、浊度和不溶物含量偏高，存放时易变黄和吸潮，SO2含量较高等[19，28-30]。而传统的碳酸法流程长、设备多、投资大，生产过程中滤泥呈碱性，难以处理，环境污染比较严重。赤砂糖回溶糖浆的半碳法脱色工艺减少了亚硫酸的用量，提高了碳源的利用率，也解决了碳法流程长、滤泥多且污染环境的问题，具有简单、快速、高效、成本低以及安全环保等特点。

3 结论

赤砂糖回溶糖浆的半碳法脱色工艺可行，兼具碳法和亚法工艺的优点，不仅提高了脱色率，同时又减少了亚硫酸的用量，提高了碳源的利用率，也解决了碳法滤泥多且污染环境的问题，具有简单、快速、高效、成本低以及安全环保等特点，在赤砂糖回溶糖浆的澄清脱色方面具有潜在的应用价值。聚丙烯酸钠可以替代聚丙烯酰胺用于赤砂糖回溶糖浆的絮凝沉降。碳酸氢钠可以代替二氧化碳作绿色澄清剂。

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