2013
2. 奥比斯堡哥伦布农业与工业实验中心, 阿根廷;
3. 广西大学轻工与食品工程学院, 广西, 南宁 530004
2. Estacion Experimental Agroindustrial Obispo Colombres(EEAOC), Tucuman, Argentina;
3. College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004
无论原糖厂、一步法糖厂，还是精炼糖厂，色 值都是白糖最重要的商品属性，制糖工作者为使产 品色值符合市场要求花费大量资源。结晶能有效脱 除 95%～99%的色素，且在精糖生产中，无论是通 过活性炭和离子交换树脂吸附色素，或是利用化学 方法将色素分子变无色，结晶都是一种辅助的脱色 方法。
原糖厂蔗汁清净的主要目的是提高 pH 和去除 悬浮固体。脱色只是一个次要目标，很少在化验室 中检测。据我们所知，从来没有把它作为标准来评 估，更不用来控制过程。SO2在生产耕地白糖的蔗 汁澄清中应用广泛，然而，硫磺价格的周期性上涨 和糖品质量问题，激发了减少甚至消除 SO2使用的 尝试。基于此，测试了一种新碳酸法，并将它与标 准亚硫酸法和石灰法做比较。碳酸饱充不仅可减少 SO2的使用，还为部分利用糖蜜或蔗汁发酵的糖厂 提供一种免费利用和减少过量 CO2排放的方法。传 统的双碳酸法清净蔗汁最初在爪哇使用[1]，随后在 南非实践了多年[2]，现今在中国和其它地方的一些 糖厂仍有使用[3]。据报道能得到极好的低色值清汁， 但 11～15 kg CaO/ t 蔗的高加灰量难以维持经济效 益。本研究试验了一些改进的方法以降低加灰量， 一碳汁全汁过滤改为沉降和泥汁过滤。
粗汁由运输至美国路易斯安那州奥杜邦糖业研 究所的新鲜甘蔗压榨而得。将 0.6～0.8 L 的压榨汁 稀释至 1 L，使蔗汁锤度接近糖厂混合汁，再用 4 种方法澄清：热汁加灰石灰法、亚硫酸法、单碳酸 法和双碳酸法。
对于石灰法，先将稀释汁放在微波炉内沸腾约 1 min，迅速加入石灰乳搅拌，加灰至 pH7～8.2，再 边搅拌边加入 2.5 ppm Magnafloc LT340 絮凝剂，将 加灰汁倒入加盖的 1 L 玻璃烧杯，96℃水浴沉降 60 min，分析上清液。
硫熏是在一个带搅拌的夹套温控玻璃反应器内 完成，反应器配备石灰乳和进气口，装有 pH、温度 显示与调节器。通常，1 L 稀释汁在 50℃预灰至 pH8～9，加入 SO2至 pH7 左右。或者先加入 SO2 至 pH3～4，再加灰至 pH7。两者的清净效果接近， 但前者更合适，与碳酸饱充试验更有可比性，因为 CO2在 pH6 以下吸收微弱，必须在碱性 pH 下加入 （图 1） 。2 种情况下，都是将硫熏汁和加灰汁加热 并维持沸腾 1 min， 絮凝剂的加入和沉降试验与石灰 法一样。
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图 1 CO2和 SO2在加灰汁中的吸收率 |
单碳酸饱充是将稀释汁放在一个 6 L 搅拌反应 器内进行，维持温度 50～60℃，加灰至 pH8～9， 并在此 pH 维持 2～5 min， 然后在 5 min 内加入 CO2 至 pH7～8。加热、加入絮凝剂和沉降处理如前面实 验一样。为保证 2 种方法的直接可比性，亚硫酸法 和单碳酸法的加灰量一致，加灰量与南/中美洲的耕 地白糖糖厂用量接近。下文中，室温测定的 pH（约 25℃）用 pH25表示。
双碳酸饱充是将 1 L 稀释粗汁放在 6 L 反应器 内预热至 50℃，然后加入 3～5 g CaO 至 pH 10.5～ 11，加入 CO2至 pH 接近 10，加热至 60℃，加入絮 凝剂，沉降 60 min 至泥渣体积为一碳汁的 25%～ 30%，没有专门除去溶解在蔗汁中的空气。将澄清 汁和滤清汁混合，混合清汁加入 CO2至 pH6.5～7。 煮沸二碳饱充汁，真空抽滤除去沉淀。一碳泥渣过 滤性检测装置与先前测试沉降器泥汁的一样，过程 也大部分一致[4]。 相关数据为： 温度 60℃， 压力 0.07、 0.14、0.21 MPa，过滤面积 3.1 cm2，由添加了 HyfloSuper Cel 助滤剂的 20 μm 不锈钢丝网支撑。
有建议应在澄清蔗汁前消和石灰乳，但本研究 中，所用的分析纯 Ca(OH)2 1:10 加水混合后立即使 用，没发现对沉降或除浊有不良影响。所有试验均 在 2008/09 年榨季进行，蔗汁由路易斯安那州目前最主要的甘蔗品种压榨得来 （L97-128， HoCP96-540， LCP85-384 等） 。而在阿根廷奥比斯堡哥伦布农业与 工业实验中心的其它试验已经证实[5]，蔗汁澄清中 色值特性结论与本报道的一致性，这些蔗汁来自图 库曼种植的 2 种主要品种的甘蔗。
由于甘蔗品种、甘蔗情况和蔗段夹带的蔗梢和 蔗叶含量的差异，粗汁色值在 10000～20000 IU 范 围变动。相对脱色率定义为：100×（粗汁色值－清 汁色值）/粗汁色值，石灰法的脱色率平均为 32%， 亚硫酸法和单碳酸法的脱色效果接近， 分别为 45 和 42%，相应的加灰量（CaO）为 0.7 g/L 和 0.9 g/L, 常规的石灰法则是 0.5 g/L。尽管糖厂很少检测清汁 色值，但有限的实验数据表明[6,7]，糖厂的脱色效能 明显低于实验室试验结果（表 1） 。糖厂实践和实验 室脱色率之间差异的原因可能是工艺流程中局部过 热，或者是过量加灰，蔗汁或泥汁在加热器、沉降 器或是过滤器的停留时间过长，或是其它因素。
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表 1 蔗汁清净前后的色值、石灰加入量和相对脱色率 |
没有系统地测量泥汁沉降特性，但 3 种方法得 到的泥汁都很容易沉降，沉降速度没有明显差别。 清汁混浊度主要为 50～150 NTU，与工业清汁的变 动范围相似。3 种泥汁的沉降速度没有系统性差异。 CaO 添加量的大偏差是加灰过程故意设定的，以检 验方法的稳定性和效果。
清汁的组成影响沉降、蒸发和煮糖过程色值的 增加。因此，评估清净时需要考虑蔗汁的热稳定性。 为了测定蔗汁的热稳定性，将 3 种清汁在 96℃停留 0.5～4 h 之间（表 2） ，接近工业沉降器的平均温度， 热汁加灰法的清汁则为 85℃。
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表 2 不同清净条件的蔗汁在沉降过程中的色值增加和 pH 降 |
石灰法和单碳酸法清汁在 96℃的色值增加大 体相同，约 600 IU/h，高于亚硫酸法汁。石灰法清 汁在沉降过程中的 pH 降显著高于亚硫酸法和单碳 酸法汁。石灰法汁的沉降温度从 96℃降至 85℃，色 值增加速率和 pH 降有显著影响。色值增加降低 6 倍至低于 100 IU/h，pH 降约减少 2 倍。虽然没有研 究亚硫酸法和单碳酸法，但也很可能有相似效果。 曾经有人提出一种不增加任何冷却器装置即实现糖 厂沉降器降温的方法，即将返回到混合汁箱的滤汁 直接送至沉降器[8]。加灰汁像往常一样加热，自蒸发，但它在下游的凝结水自蒸发器被低温的滤液冷 却。这样有望降低蔗汁色值和蔗糖转化，与缩短沉 降器内的停留时间有相似效果。
在低水分含量下，美拉德反应和其它机制的色 素形成速率会提高。因此，利用原糖存储测试的方 法[9]，进行了一系列糖浆在 70℃的“热存储”试验。 用旋转蒸发器在 50～55°C 真空蒸发清汁制备糖浆。 存储过程中，每种糖浆的色值都增加（图 2） 。石灰 法、亚硫酸法、单碳酸法和双碳酸法的色值增加率 分别为 15、9、29、13 IU/h。存储试验的温度较低， 色素形成速率比沉降过程低很多（表 2） ，亚硫酸法 糖浆的色值增加速率依然最低。 4 种糖浆的 pH 降幅 较接近（图 3） ，明显低于初始清汁 pH。
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图 2 4 种不同澄清方法得到的 60～70゜Bx 糖浆在 70℃存储的色值增加 |
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图 3 4 种不同澄清方法得到的糖浆在存储过程的 pH 降 |
通常认为，在蔗汁清净中，脱色完全是因为初 生态的磷酸钙晶体和其它微溶阴离子对色素的吸 附，类似于经常研究的磷酸盐澄清或碳酸饱充的糖 精炼过程的色素特性。但图 4 和图 5 的实验表明， 受热凝结的甘蔗蛋白质的吸附也许是蔗汁清净过程 中一个显著的脱色机制。
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图 4 粗汁、煮沸粗汁和加灰前添加磷酸的清汁色值 |
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图 5 粗汁、对照和加入牛血清白蛋白的石灰法清汁色值 |
图 4 实验中，不加灰煮沸蔗汁可除去粗汁将近 7000 IU 或 39%的色值。而石灰法清净的脱色率为 45%，仅增加 6%。混合汁在加灰前加入每 100 mg/L 的磷酸，石灰法的脱色率增加 600 IU。
图 5 实验中，连续加入与甘蔗蛋白结构相似的 牛血清白蛋白（BSA）补充原有的甘蔗蛋白质。稀 释的混合汁加入 1.5 g/L 蛋白质， 石灰法的蔗汁色值 降低 1500 IU。得到的清汁再加入 3 g/L BSA（总计 4.5 g/L） ，短暂煮沸，但不加入石灰。色值降低 1300 IU。重复此操作，蛋白质总添加量达到 7.5 g/L，色 值再降低 600 IU。由此可见，BSA 和甘蔗蛋白在受 热凝结或在热凝结过程中对甘蔗色素有很强的亲合 力。然而，增加的脱色效果随着蛋白质的增加而降 低，也许是因为蛋白质只对蔗汁中的某些色素有亲 合力。 试验可知鸡蛋清白蛋白对蔗汁脱色没有效果。
粗滤工业蔗汁中的蔗渣和滤泥颗粒对沉降器内 的泥汁特性有实质性影响，尤其是蔗渣，大大增加 泥汁体积。但不太确定它们是否影响清汁色值。图 6 的实验结果表明，没有任何高于正常实验误差的 可检测影响。图 6 标明的添加量用 g /100mL（干固 物/粗汁）表示。
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图 6 对照和加入蔗渣、干滤泥的石灰法清汁色值 |
沉降器泥汁由 90%～95%的清汁组成，假设停 留时间相当，其色值与沉降器清汁大致相同。但以 前的糖厂测试表明， “泥汁”进入真空抽滤器并从滤 泥中收回的蔗汁的色值有时候低于沉降器清汁的色 值。这促使我们试验确定泥汁微粒对色值吸附能力 的饱和状态。石灰法清净的蔗汁色值照常检测（表 3 的清汁色值和脱色率 1） 。泥汁用搅拌机搅拌几秒 钟，离心分离固体，检测上清液色值。总共进行 20 个实验，结果如表 3 所示。混合泥汁得到的上清液 色值（表 3 的泥汁色值和脱色率 2）总是降低，有 时多达 2700 IU， 证明标准石灰法沉淀的吸附能力是 过量的。可能是混合泥汁的时候暴露了沉淀的内表面，它们可以吸附更多的色素。可以看出，存在着 比表 1 所示的更高的脱色潜能。
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表 3 粗汁、石灰法清汁和混入泥渣的“泥汁”色值 |
在改进的双碳酸饱充流程中，CaO 添加量减少 至 3.1 g/L（表 4） ，约为目前工业生产方法的 1/4。 平均脱色率为 74%，某些高于 80%。清汁混浊度低 于 10 NTU，离子色谱检测 Ca 和 Mg 离子含量分别 为 500 mg/L 和 200 mg/L。
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表 4 双碳酸法清净蔗汁的效能 |
一碳泥渣的过滤性或许是改进方法的关键。因 此，测定了石灰加入量对过滤性的影响。结果是沉 降增浓至原体积 30%的泥汁的过滤性不受影响（图 7） ，与标准石灰清净法泥汁的过滤性有可比性。与 现行双碳酸法比较，其需要过滤的蔗汁大大减少， 可增大过滤器的处理能力。
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图 7 不同 CaO 加入量的泥渣过滤性 |
实验室条件下进行的石灰法、亚硫酸法、单碳 酸法和改进的双碳酸法蔗汁清净试验，清汁的平均 脱色率分别为 35%、47%、44%、74%，高于常规石 灰法和亚硫酸法糖厂的脱色率。
用 CO2（碳酸饱充）代替 SO2是可行的，可以 得到相近的脱色效果和泥汁沉降特性，但单碳酸法 处理得到的清汁和糖浆的热稳定性明显较低，需要 进一步研究。
在典型工业沉降条件下，石灰法和单碳酸法的 清汁色值增加大约为 600 IU/h， 亚硫酸法清汁约 350 IU/h。将沉降温度降低 11℃，色值增加降低至 100 IU/h。
在蔗汁澄清中，大部分的脱色作用来自于甘蔗 蛋白受热凝结对甘蔗色素的吸附，而不是初生态的 钙沉淀，常规澄清方法的部分吸附能力还没有充分 发挥利用。
蔗渣或泥渣在蔗汁清净中的脱色效果不显著。
将工业双碳酸法的 CaO 加入量减少至 3 kg /t 蔗是有可能的，并在二碳饱充后用沉降和过滤法处 理一碳泥渣。
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