水力空化強化糖液亞硫酸法脫色的研究

黃永春 高海芳 吳修超 任仙娥 楊 鋒

HUANG Yong－chun GAO Hai－fang WU Xiu－chao REN Xian－eYANG Feng

（廣西科技大學生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006）

（Guangxi University of Science and Technology，College of Biological and Chemical Engineering，Liuzhou，Guangxi 545006，China）

色值是衡量白砂糖質量的一個重要理化指標。目前中國絕大部分甘蔗糖廠均使用亞硫酸法澄清工藝，由于受其自身工藝條件的限制，白砂糖的色值都普遍相對較高［1］。糖漿的色值是指示澄清效果的關鍵［2］，因此，尋找一種簡單有效地強化亞硫酸法澄清脫色的手段成為制糖工業的一個熱點。

空化可以通過不同的方法得到，超聲空化、水力空化是空化的重要方式。利用超聲空化作為強化手段促進糖液膠體物系凝聚與絮凝［3，4］、吸附澄清脫色［5，6］等 的研究已 見 報道。但是，由于超聲空化存在能量利用率低、空化效應區域小、裝置成本高等問題，其應用范圍和應用規模受到了極大的限制。水利空化和超聲空化在形成空泡手段上是有差別的，這兩種空化方式對過程強化的原理是一樣的，強化的效果也差不多。對于能量的利用率來說，水力空化對能量的利用遠遠高于超聲空化［7，8］，在超聲空化的過程中低于5%的能量用來空化效應，其余的都以熱能形式散發出去，導致系統的溫度上升［9］。這種溫度的升高既浪費了能量，又不利于對熱敏物質的處理。超聲空化具有局部性和方向性，它的空化效應僅僅在超聲發生器周圍的狹小區域內產生，所生成的空泡不會發生整體的遷移運動，從而使空泡形成的過程、發展的過程以及潰滅的過程都被限制在此區域內，這種局部的、非均勻的強化場極大地限制了它的應用規模和范圍。水力空化則是通過水力的作用形成，生成的空泡與液體能夠發生整體的運動，因此在較大的范圍內易形成均勻的強化場，同時它具有操作簡單、效率較高、能量消耗較低等特點。水力空化具有的以上優點［10，11］，擴寬了它在工業領域大規模的應用。

本研究擬將水力空化引入到糖液的亞硫酸法澄清工藝，考察水力空化對亞硫酸法澄清工藝糖液脫色效果的影響，為水利空化在制糖業中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

赤砂糖：南寧市萬宇科技開發有限公司；

氧化鈣、亞硫酸、鹽酸、氫氧化鈉：AR級，廣州化學試劑廠；

聚丙烯酰胺（PAM）：平均相對分子質量為300萬，西隴化工股份有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

分光光度計：722型，上海精密科學儀器有限公司；

阿貝折光儀：2WAJ型，上海光學儀器廠；

數字酸度計：PUS－25A型，上海大彎儀器設備有限公司；

分析天平：AL104型，上海方瑞儀器有限公司；

光波爐：DKE200－829A型，廣州鵬越電器有限公司；

托盤天平：JTP－20鄭州中天實驗儀器有限公司。

渦流空化裝置由本實驗室自制，如圖1所示。該裝置包括：壓力表、渦輪、電動機各1個，閥門若干個，輔助管道等。渦輪在電動機的帶動下旋轉，流經旋轉渦輪的液體能夠形成渦流，從而在渦流的中心形成了一個壓強較低的區域，空化的氣泡在液體蒸汽壓高于壓強時產生，并且隨著渦輪的旋轉而從渦輪中流出來，在突然變大的壓強下潰滅，導致空化效應的產生。

圖1 自制渦流空化裝置示意圖Figure 1 diagram of homemade vortexing cavitation outfit

1.2 分析方法

用蒸餾水把待測樣品稀釋到10°Bx，然后用NaOH溶液（0.5 mol／L）或 HCl溶液（0.5 mol／L）調節樣品的p H 值為7.0左右，再將其倒入到孔徑為0.45μm的過濾器中，抽真空，最初的濾液棄去，并測定其折光錘度，放入到比色皿中，最后用分光光度計測定吸光度，光度計的波長為560 nm，同時用蒸餾水作為參考標準。

用ICUMSA方法2測定樣品色值［12］：

式中：

IU560——國際糖色值；

A560——樣品于560 nm波長處測得的吸光度值；

b—— 比色皿的厚度，cm；

c—— 樣品固溶物的濃度，g／m L。

1.3 試驗方法

將赤砂糖回溶，配置3 L濃度約15°Bx的糖液。加熱到70℃，用潔凈干燥的250 m L錐形瓶取未經亞硫酸法處理的糖液200 m L；向剩余的2.8 L糖液中加入氧化鈣7 g，用亞硫酸調節溶液p H 至7.0±0.1，攪拌2 min，用潔凈干燥的250 m L錐形瓶取糖液200 m L并二次加熱到100℃，然后加入濃度為500 mg／L的PAM溶液0.8 m L并輕微攪拌5 min，冷卻至室溫后取上清液測定樣品色值；將剩余糖液在渦輪出口壓力為0.1 MPa條件下通過空化裝置循環不同時間（3，5，10，20，35 s），用潔凈干燥的250 m L錐形瓶取糖液200 m L并二次加熱到100℃，然后加入濃度為500 mg／L的PAM溶液0.8 m L并輕微攪拌2 min，冷卻至室溫后取上清液測定樣品色值。

固定其它條件，依次改變渦輪出口壓力（0.1，0.2，0.3，0.4 MPa）、糖液溫度（30，40，50，60，70 ℃），糖液濃度（15，30，45，60°Bx），重復上述試驗。考察空化時間、渦輪出口壓力、溶液溫度、溶液濃度等條件對強化脫色效果的影響。

2 結果和討論

2.1 空化時間對糖液色值的影響

在渦輪出口壓力為0.1 MPa、糖液溫度為70℃、糖液濃度為15°Bx的條件下，分別對糖液水力空化循環處理3，5，10，20，35 s，測定處理后糖液的色值，結果見圖2。

圖2 空化時間對色值的影響Figure 2 Effect of cavitation treatment time on the color

由圖2可知，當空化時間在一定范圍內，水力空化能夠促進糖液色值下降。一方面亞硫酸鈣的沉淀顆粒對色素分子吸附作用的增強，從而強化了脫色效果；另一方面水力空化在大范圍內形成一個比較均勻的空化強化場，能夠使亞硫酸鈣沉淀更加充分，顆粒更加均勻，擁有更大的表面積，吸附能力更強，從而提高糖液的脫色效果。在水力空化循環處理糖液5 s的條件下色值下降最多，說明處理溶液的時間不宜過長。當空化時間達到35 s時，反而使糖液色值上升，這是因為空化時間長，使已經被亞硫酸鈣沉淀顆粒吸附的色素分子又重新被解吸下來；而且，過長的空化作用，由于“熱點”點效應使糖液中的一些成分被氧化而顏色加深，從而影響了脫色效果，這說明水力空化對糖液脫色的強化作用與空化作用時間有關。

2.2 渦輪出口壓力對糖液色值的影響

在糖液溫度為70℃、糖液濃度為15°Bx的條件下，分別在渦輪出口壓力為0.1，0.2，0.3，0.4 MPa條件下對糖液水力空化循環處理5 s，測定處理后糖液的色值，結果見圖3。

圖3 渦輪出口壓力對色值的影響Figure 3 Effect of turbine outlet pressure on the color

由圖3可知，出口壓力越大，糖液的色值越高。這是由于較高的出口壓力，即較高的下游恢復壓力，使渦輪中心產生的空化氣泡數量減少、振幅變小，減弱了空化效應，從而使其強化作用變弱。

2.3 溶液溫度對糖液色值的影響

在糖液濃度為15°Bx、渦輪出口壓力為0.1 MPa的條件下，分別在糖液溫度為30，40，50，60，70℃條件下對糖液水力空化循環處理5 s，糖液色值的變化情況見圖4。

圖4 溶液溫度對色值的影響Figure 4 Impact on solution temperature about the color

由圖4可知，色值隨著溶液溫度的升高先下降后上升，當溶液溫度為50℃時，糖液的色值下降得最多。這是由于隨著溫度的升高，糖液的蒸汽壓升高、黏度下降，空化易于產生，空化效應增強。但當糖液溫度繼續升高時，雖然空化更加容易產生，但由于溶液蒸汽壓也隨著增大，空泡潰滅時產生的沖擊力變小，“熱點”效應減弱，因而空化效應減小，強化作用降低。故當糖液溫度高于50℃時，隨著糖液溫度的升高，強化脫色作用逐漸降低。

2.4 溶液濃度對糖液色值的影響

在渦輪出口壓力為0.1 MPa、糖液溫度為50℃的條件下，濃度分別為15，30，45，60°Bx的糖液經水力空化循環處理5 s，糖液色值的變化情況見圖5。

由圖5可知，色值隨著溶液濃度的升高而升高。這是由于隨著濃度升高，糖液的黏度升高，蒸汽壓下降，空化產生困難，空化效應減弱；而且糖液濃度升高，糖液中所含的色素分子增加，吸附除去的色素分子的比率減小，因而強化脫色作用逐漸降低，脫色率減小。

圖5 溶液濃度對色值的影響Figure 5 Effect of solution concentration on the color

3 結論

通過對水力空化強化亞硫酸法糖液澄清過程的脫色的效果探討，分析了空化作用的循環時間、渦輪出口壓力、溶液溫度及濃度等影響因素對糖液的脫色效果的變化。試驗結果發現，水力空化能夠有效地強化糖液脫色，降低糖液的色值；通過單因素試驗得到水力空化強化糖液脫色的最佳工藝參數為空化循環時間5 s、渦輪出口壓力0.1 MPa、糖液溫度50℃，糖液濃度15°Bx，在此條件下糖液的脫色率為69.14%，明顯高于無水力空化條件下的脫色率（63.03%）。

水力空化與超聲空化相比，具備以下優點：設備裝置較為簡單，能耗也較低，操作相對方便，維護所需費用合適，容易規模化生產等。之前水力空化對原糖溶液的表面張力影響也做了一定的研究［13］，而本研究主要是水力空化的強化作用對糖液脫色進行了初步研究，雖脫色率的效果不是特別高，但為水力空化在制糖工業中的更進一步研究奠定了基礎。本試驗的工業化應用還需做更多的試驗加以驗證，更需通過試驗的不斷創新提高糖液的脫色率。

1 霍漢鎮，陳樹功，陳士志.現代制糖工業技術［M］.北京：中國輕工工業出版社，1992.

2 宋春寧，楊瑞標.蔗糖澄清工段糖漿色值影響因素的灰色關聯度分析［J］.食品與機械，2013，29（2）：28～31.

3 丘泰球，胡松青，林福蘭，等.聲場強化膠體物系澄清作用的研究［J］.聲學技術，1998，17（3）：108～110.

4 曾思賢，丘泰球，謝雄飛，等.聲場對糖漿氣浮分離作用的研究［J］.甘蔗糖業，1998，12（3）：34～36.

5 黃永春，魯聿倫，楊峰，等.超聲強化糖汁脫色的研究［J］.食品工業科技，2009，30（12）：284～286.

6 黃永春，魯聿倫，楊峰，等.超聲強化亞硫酸鈣法吸附糖汁中的非糖分［J］.食品科學，2010，31（22）：81～85.

7 Kumar P Senthil，Kumar M Siva，Pandit A B.Experimental quantification of chemical effects of hydrodynamic cavitation［J］.Chemical Engineering Science，2000，55（9）：1 633～1 639.

8 Kalumuck K M，Chahine G L.The use of cavitation jets to oxidze organic compounds in water［J］.Journal of Fluids Engineering，2000，122（3）：465～470.

9 Vogel A，Lanterbom W，Timm R.Optical and acoustic investigation of the dynamics of laser produce cavitation bubbles near a solid boundary［J］.J.Fluid Mech.，1998，208（3）：209～308.

10 李志義，張曉東，劉學武，等.水力空化及其對化工過程的強化作用［J］.化學工程，2004，32（4）：27～29.

11 Wang Xikui，Wang Jingang，Guo Peiquan，et al.Degradation of rhodamine B in aqueous solution by using swirling jet－induced cavitation combined with H2O2［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，169（1～3）：486～491.

12 李墉，鄭長庚.甘蔗制糖化學管理分析方法［M］.廣州：中國輕工業總會甘蔗糖業質量監督檢測中心，1995：51～53.

13 黃永春，吳修超，任仙娥，等.水力空化對原糖溶液表面張力的影響［J］.食品與機械，2012，28（6）：16～18.