甘蔗混合汁臭氧脫色的研究

呂雪萍，丁慧敏

（1.廣西鳳糖生化股份有限公司，廣西 柳州 545002；2.廣西大學，廣西 南寧 530003）

0 前言

我國是世界第三產糖大國，近年來食糖年產量1000萬噸以上，其中超過90%以甘蔗為原料使用亞硫酸法澄清工藝生產的，即用SO2作澄清劑，與石灰乳的Ca2+反應生成具有強吸附除雜的CaSO3沉淀，將蔗汁中有膠體、色素等非糖分吸附形成沉淀，然后再通過固液分離技術將它們除去，提高蔗汁純度和降低蔗汁色值；同時SO2具有還原性，還能與蔗汁酚類色素、還原糖堿性分解中間產物等帶有不飽和鍵的致色物質發生加成反應，起到漂白、抑制新色素生成作用。因此SO2在亞硫酸法制糖生產中一直處于不可替代位置。但在亞硫酸法澄清過程，整個澄清過程蔗汁均控制在中性范圍，而SO2溶解水生成的H2SO3在此條件下很難完全發生二級電離與Ca2+生成Ca-SO3沉淀，因此不可避免有部分SO2殘留清汁中；同時，由于蔗汁本身是一個成分復雜且變異性很強的體系，所含膠體物質會阻礙SO2與Ca2+的反應，增加了清汁中SO2含量。蔗汁所含的SO2，在糖漿煮制過程中，會被蔗糖晶體吸附、包裹進入到白砂糖晶體內部，導致白砂糖SO2含量超標。SO2食用過程會損害人體呼吸道、眼睛、消化系統、肝組織及淋巴系統等，因此白砂糖SO2含量高低涉及食糖安全性，我國對此指標有嚴格要求，若白砂糖SO2含量超過30mg/kg禁止出廠。同時國內外知名品牌食品和飲料對白砂糖SO2含量要求一直很苛刻，SO2含量不能高于15mg/kg，甚至不含SO2，因此目前我國白砂糖大部分無法進入這一巨大市場，很大程度削弱了我國白砂糖市場競爭力，影響我國糖業發展。因此，如何在降低白砂糖色值同時降低其SO2含量一直是我國制糖界研究熱點之一。

臭氧具有強氧化性，可將蔗汁中色素或致色物質的不飽和鍵氧化、斷裂，生成小分子無色或淺色物質，達到脫色效果。相比于SO2，臭氧脫色徹底、完全，沒有可逆性，不用擔心白砂糖返色問題。關于甘蔗制糖臭氧脫色工藝技術應用在全世界制糖行業中仍屬新興技術，全世界僅在巴西有幾家糖廠有過生產應用的案例，而在我國，僅有廣西大學的黃谷亮等做了清汁、糖漿方面的試驗室脫色研究，關于用臭氧處理混合汁的研究在國內尚沒有報道。

1 材料與方法

1.1 試劑與設備

1.1.1 試劑

甘蔗混合汁：未預灰、未加磷酸，采于廣西某甘蔗糖廠；磷酸、亞硫酸、氧化鈣、堿性醋酸鉛。

1.1.2 主要儀器設備

臭氧發生器（臭氧產生量1000g/h，即臭氧流量是16.67g/min，做試驗時從臭氧出氣管中接出一分支，流量是1.5L/min，濃度是110mg/L）；Wzz-2ss數字式自動旋光儀電子天平 BP210S，pH計PHS-3C；752型紫外可見分光光度計。

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗流程

圖1 臭氧處理試驗流程

臭氧與混合汁中的色素及致色物質反應與體系pH值、溫度及反應時間等因素密切相關，同時考慮到由于臭氧具有強氧化性，若混合汁中臭氧濃度短時間過高的話極可能會將部分蔗糖氧化，增加糖份損失，因此本試驗還對臭氧的加入方式進行分析。

1.2.2 混合汁臭氧脫色工藝參數的選擇

1.2.2.1 pH值

取預灰加磷酸混合汁，調整pH值為6.8、7.2、7.8、8.2，通入臭氧時間20分鐘，在通入臭氧過程使用石灰乳調節pH值使蔗汁pH值維持在初始。分析處理前后蔗汁簡純度、色值。

以調節pH值但未進行臭氧處理的混合汁作對比樣，分析簡純度、色值。

1.2.2.2 溫度

取預灰加磷酸后混合汁，調節pH值為最佳值，改變蔗汁溫度為50℃、55℃、60℃、65℃、70℃，進行臭氧脫色處理。通入臭氧時間為20分鐘，在通入臭氧過程使用石灰乳調節使蔗汁維持在初始pH值。處理完畢后取汁分析簡純度、色值。

1.2.2.3 濃度（通入臭氧時間）

取預灰加磷酸后混合汁，調節pH值和溫度為最佳水平，改變通入臭氧時間，時間5min、10min、15 min、20 min、25 min，進行處理。處理完畢后取汁分析簡純度、色值。

1.2.2.4 加入方式

將臭氧處理分成1次、2次及3次加入，處理完畢后取汁分析簡純度、色值。分析對比樣的簡純度、色值。

1.2.2.5 混合汁臭氧處理后進行硫熏中和的澄清效果

混合汁臭氧處理后，再進行硫熏中和，檢測沉降速度、清汁色值及純度，并以傳統亞硫酸法澄清作為對比樣。

2 結果與討論

2.1 反應pH值

表1 反應pH值對臭氧脫色反應的影響

由表1可知，使用臭氧處理蔗汁，在酸性條件下（pH≤6.8），不僅不起到脫色作用，反而起到增色作用，可能是因為臭氧脫色反應不徹底，而臭氧發生氧化還原反應后有氧氣生成，將蔗汁未被臭氧反應的有色物質氧化增色。當pH值大于7.2時，其脫色率隨著pH值升高而升高，表明在提高pH值對臭氧脫色處理有利。同時由處理前后蔗汁純度差異可看出，使用臭氧處理后蔗汁純度略有下降，可能原因包括部分蔗糖被氧化，或臭氧處理后蔗汁中有色物質被分散成溶于水的小分物質，增加了蔗汁錘度，從而導致蔗汁純度有所下降。

2.2 反應溫度

表2 反應溫度對臭氧脫色反應的影響

由上表2可知，反應時蔗汁溫度對臭氧對蔗汁脫色效果也有明顯影響，當溫度低于50℃，不僅沒起到脫色作用，還起到增色作用，分析主要原因可能是在低溫時臭氧氧化脫色反應速度過慢或氧化反應不徹底，故所生產的氧氣反而將蔗汁中的有色物質氧化，導致蔗汁色澤增加。當反應溫度上升至55℃以上時，隨著溫度升高，脫色率有所增加，但當溫度達到70℃時，脫色率上升幅度減緩。表明，當蔗汁溫度控制在60℃至65℃時，臭氧脫色效果較好。

2.2.1 蔗汁中臭氧濃度

由表3可知，通入臭氧時間，即脫色處理時蔗汁中臭氧濃度對臭氧對蔗汁脫色效果有明顯影響，當時間少于10 min，即臭氧濃度低于165mg/L時，脫色作用不明顯，延長通入臭氧時間，增加蔗汁臭氧濃度，脫色率增加，但當時間超過15min，即當蔗汁臭氧濃度由248mg/L至330mg/L時，脫色率上升，但上升幅度不明顯。

表3 臭氧濃度對臭氧脫色反應的影響

2.2.2 加入次數

表4 臭氧使用方式對臭氧脫色反應的影響

由表4可知，臭氧分次加入對其脫色效果影響不明顯，但純度變化有較明顯影響，臭氧分成多次加入，有利于保護蔗糖，蔗汁純度下降不明顯。

綜上所述，使用臭氧處理混合汁，蔗汁pH值盡可能控制在堿性范圍，溫度控制在60℃～65℃，蔗汁中臭氧濃度達到330 mg/L時，并保證有一定停留時間，分次加入，脫色效果好。

表5 臭氧處理混合汁結合硫熏中和的澄清效果與亞硫酸法的對比

2.3 混合汁臭氧處理結合亞硫酸法的澄清效果

由表5知，先使用臭氧處理混合汁（在最適宜條件下），再對其進行硫熏中和（硫熏強度1.2g/L），整個新工藝的總脫色率與傳統亞硫酸法的相當；表明臭氧處理蔗汁后再進行硫熏中和處理時，在達到相當脫色率時，硫熏強度可以明顯下降。同時在蔗汁沉降過程觀察到，蔗汁使用臭氧處理后再進行硫熏中和，沉降速度明顯加快，所形成絮狀物較粗大。

3 結論

使用臭氧在堿性條件對混合汁進行處理，當反應溫度為60℃～65℃，蔗汁中臭氧濃度達到330 mg/L時，并保證有一定停留時間時，在降低硫熏強度達到50%時其脫色效果與傳統亞硫酸法相當，表明使用臭氧對混合汁進行脫色處理，可以明顯降低硫熏中和強度，從而降低白砂糖二氧化硫殘留量，對提高食糖食用安全具有積極意義。