糖廠糖分回收率影響因素研究
——基于熵權灰色關聯法

劉桂云，柳穎，黃玉南，蟻細苗，曾練強，鐘志才，常國煒，梁達奉

(廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業研究所) 廣東省酶制劑與生物催化工程技術研發中心，廣州 510316)

1 概述

糖分回收率是衡量糖廠甘蔗管理和生產技術水平的一項重要指標，正確評價和分析各個因素對于結果的影響程度，有助于糖廠提出合理措施，高效提高回收率生產實績。目前國內外許多學者的研究方向主要集中在如何提高糖分回收率方面，如Uppal S K等[1]認為對甘蔗預處理可以提高糖分回收率，鐘志才等[2]在甘蔗制糖過程中應用葡聚糖酶使煮煉回收率提高；從統計學方面研究生產技術指標與糖分回收率之間關系的報道還較少，使糖廠在面對糖分回收率低的問題時缺乏相應的理論支撐。

灰色關聯分析法是一種根據序列曲線幾何形狀的相似度來判斷不同數列之間的差異性和關聯程度的方法，已被應用于因素分析、綜合評價、方案決策等研究領域[3]。同時，信息熵可用于計算指標的權重系數[4]，有效避免主觀因素形成的權重分配偏差。因此，基于熵權法和灰色關聯法，本文對廣西某亞硫酸法糖廠6個榨季糖分回收率和相關生產指標數據進行分析，為糖廠生產管理和提高糖分回收率提供了決策依據。

2 數據與方法

2.1 數據來源

數據來源于某糖廠2012/2013～2017/2018榨季生產數據，數據根據各項指標的原始數據經過統計方法得到。

2.2 指標選擇

根據亞硫酸糖廠的生產實踐經驗及日常化學管理指標，從甘蔗質量、壓榨、澄清(包括輔助用料)、結晶、糖分損失5個方面考慮選擇甘蔗蔗糖分、初壓汁純度、初壓汁錘度、甘蔗纖維分、滲透水量(對蔗比)、初混汁純度差、清混汁純度差、丙膏純度、糖蜜純度、糖蜜量(對蔗比)、磷酸用量(有效五氧化二磷對蔗比)、硫磺用量(對蔗比)、石灰用量(對蔗比)、未測定損失、蔗渣轉光度、濾泥轉光度指標。

2.3 熵權法確定權重

2.3.1 數據標準化處理

在進行標準化前需區分正向指標和逆向指標，指標的標準差標準化方法如下：

(1)

(2)

2.3.2 第j項指標第i年份指標值的比重(Pij)

(3)

2.3.3 指標信息熵(ej)

(4)

2.3.4 第j項指標的權重(Wj)

(5)

式中：dj為第j項指標的信息效用值，取決于該指標信息熵ej與1之間的差值，即 dj=1-ej。

2.4 灰色關聯分析法

2.4.1 選擇參考序列和比較序列

本文選擇糖分總回收率作為參考序列，選取的指標作為比較序列。設參考序列為X0'，X0'={x0'(1)，x0'(2)，…，x0'(n)}，比較序列為Xi'，Xi'={xi'(1)，xi'(2)，…，xi'(n)}，i=1，2，…，m。

2.4.2 參考序列和比較序列的無量綱化

為避免系統中各因素量綱與量級不同無法進行比較，需對評價指標的原始數據進行預處理，使指標之間可以直接比較，本文采用初值化的處理方法。

(6)

2.4.3 求關聯系數

利用參考序列和比較序列標準化后的數據，求關聯系數，公式為：

(7)

式中：ξi(k)為比較序列Xi'的第 k個指標與參考序列X0'的第 k個指標之間的關聯系數；ρ∈[0，1]為判別系數，用來削弱最大值過大而失真的影響，提高關聯系數間的差異顯著性，通常取ρ=0.5。

2.4.4 求灰色關聯度

(8)

式中：當0

2.5 求加權關聯度

(9)

式中：W(k)為公式(5)確定的各影響因素權重，k=1,2,…,n。

3 結果分析

各指標的原始數據見表1。

表1 糖廠2012/2013～2017/2018榨季糖分總回收率與生產指標原始數據

續 表

由表1可知，在糖廠6年生產期間，糖廠糖分回收率呈現波動性變化，單從每個指標分析，很難發現影響糖分回收率的主要因素。

3.1 指標權重系數的確定

對選取的正向指標和負向指標分別采用公式(1)和公式(2)計算，再根據公式(3)進行規范化處理，利用公式(4)計算熵權值exi=(0.8989，0.8376，0.9183，0.9084，0.9384，0.8789，0.9488，0.8993，0.9062，0.8822，0.8575，0.8775，0.8941，0.8743，0.8609，0.8690)，由公式(5)算得各指標的權重Wxi=(0.3279，0.5468，0.2707，0.2957，0.1992，0.3975，0.1301，0.2651，0.2537，0.3716，0.4659，0.3891，0.3020，0.3138，0.3220，0.2664)。

3.2 關聯度計算

以糖分總回收率為參考序列，根據公式(6)對糖分總回收率與選取的生產指標數據進行初值化法處理，并根據公式(7)計算糖分總回收率與生產指標之間的關聯系數，計算結果見表2。

表2 糖分總回收率與生產指標的關聯系數

將表2的關聯系數帶入公式(8)和公式(9)，分別得到該糖廠糖分回收率與各影響因素之間的灰色關聯度、加權關聯度及排序，結果見表3。

表3 灰色關聯度、加權關聯度及排序

4 結論與討論

由表3可知，除了未測定損失外，選取的生產指標與糖分總回收率的灰色關聯度都在0.650以上，可見糖分回收率是甘蔗與制糖生產過程中諸多因素相互作用的結果。從個體分析來看，灰色關聯度排名第一的為初壓汁純度，其次是初壓汁錘度、滲透水量和糖蜜純度。此外，灰色關聯度較大(≥0.9)的還包括甘蔗蔗糖分、蔗渣轉光度、甘蔗纖維分、糖蜜量和丙膏純度。

從加權關聯度分析來看，影響糖分回收率的前5位因素分別為初壓汁純度、糖蜜純度、滲透水量、糖蜜量、丙膏純度，綜合上述，可見這5個指標仍然是重要的影響因素，只是順序略有變動。通過因素組合及對比分析，與糖分回收率聯系比較緊密的因素主要集中在甘蔗質量、結晶及壓榨工藝技術方面，而澄清效果及糖分損失對糖分回收率也有一定程度的影響。具體分析如下：

4.1 甘蔗質量

初壓汁加權關聯度排序第一，是影響糖廠糖分回收率的首要因素。蔗汁純度高，即蔗汁中非糖分物質相對較少，澄清與結晶過程更為順暢，糖分易被回收，且根據糖蜜形成理論，非糖分存在與糖蜜的形成有重要關系，因此提高蔗汁純度是提高糖分回收率最有效的舉措。Shahzad S等[6]也研究發現甘蔗品質性狀中純度指標對糖分回收率直接影響最大。甘蔗糖分及初壓汁錘度加權關聯度排序在第六和第十一，說明這2個指標對糖分回收率有一定影響，但較初壓汁純度作用有所降低。甘蔗蔗糖分及初壓汁錘度雖是糖廠產糖率的重要參數指標，但在甘蔗或蔗汁質量下降過程中這3個指標則會相互聯系[7-9]，表現為蔗糖分轉化損失，錘度上升，使得蔗汁純度下降。

纖維分的加權關聯度排序第十，纖維分對糖分回收率影響主要作用在壓榨抽出率，甘蔗纖維分常作為調節滲透水量的參考依據之一，且蔗渣糖分損失和纖維分有很大關系。

4.2 工藝技術

工藝技術的合理與否影響著能否將甘蔗中糖分最大限度提取、結晶出來，對應的是制糖生產中的壓榨和蔗糖結晶工藝。壓榨工藝方面，滲透水用量是影響壓榨抽出率的一個重要指標。研究表明[10]當滲透水量與纖維量之比λ小于2時，抽出率會迅速增加，而該糖廠6個榨季λ值偏小，這是滲透水量加權關聯度排序第三的重要原因。初混汁純度差是壓榨車間一個綜合性指標，體現的是車間清潔衛生管理、壓榨機列效能和輔料質量等，本文中初混汁純度差對糖分回收率的作用不突出，而結合未測定損失指標排序，說明糖廠壓榨車間的衛生管理到位。蔗糖結晶方面，糖蜜純度、糖蜜量和丙膏純度加權關聯度排序都在前五，而結晶一直是糖廠回收蔗汁中蔗糖最難且重要的一環，涉及的因素比較多，糖漿質量、人員操作、煮糖制度等方面都影響煮煉回收率[11]。目前，很多糖廠常采取措施希望降低丙膏純度和糖蜜純度以提高回收率，一定條件下，降低兩者純度對提高糖分回收率是有益的，但丙膏純度過低，糖膏粘度大，糖分吸收困難，糖蜜純度可能會下降，但糖蜜量往往增加，反而增加糖分損失，黃俊生等[12]指出應制定低純度糖蜜和合理丙膏純度。

此外，澄清輔料用量加權關聯度排序在第七、第八、第九，說明糖分回收率對輔料用量有一定依賴作用，合理的輔料用量可提高澄清效果，為蔗糖結晶過程打下基礎。清混汁純度差指標排序靠后，主要是因為甘蔗純度高、非糖分少時，清混汁純度差會相應降低，糖分回收率依然可以很理想，該糖廠2013/2014榨季就說明了這一點，而這也表明清混汁純度差并不是澄清效果的特征指標。

4.3 糖分損失

未測定損失、蔗渣和濾泥轉光度加權關聯度排序較后，它們在蔗糖損失中占比較小。未測定損失主要是生產過程中“跑、冒、滴、漏”及蔗糖轉化等引起的糖分損失，值得注意的是，微生物造成的糖分損失常常是糖廠容易忽略的[13]，微生物在消耗蔗糖的同時，還會伴隨一些多糖形成，造成溶液粘度增加，降低蔗糖的回收率。

5 展望

糖分收回率與甘蔗原料質量、工藝技術及糖分損失等因素有關，從這幾個方面入手對提高糖分回收率有良好的促進作用。其中，甘蔗純度對糖分回收率的影響最為突出，因此需合理安排榨期，盡量保持砍后甘蔗新鮮和降低甘蔗含雜率[14,15]，避免化學作用和微生物作用引起的蔗糖轉化損失；制定合理工藝技術，尤其是在壓榨及結晶方面，在蒸汽充足的情況下，可適當增加滲透水量；合理控制丙膏純度，從煮糖操作和管理等方面降低糖蜜純度和糖蜜量；澄清過程處于制糖生產中間階段，主要作用是為結晶提供高質量物料，因此通過合理輔料用量提高清凈效果也是提高糖分回收率的有效途徑；整體上看，抓住影響糖分回收率的主要矛盾有利于更好指導管理生產，但制糖生產各個工藝緊密相聯，抓好每個環節才能使糖分回收率最大化。除此之外，利用新技術、新設備也是提高糖分回收率的一個重要方向[16]。

通過熵權灰色關聯法分析糖廠糖分回收率的影響因素結果基本符合糖廠的生產實際，說明該方法是可行的且適用性較高。