王健 ，張菡 ，車(chē)夏寧 ，3，陳海軍 ，3，蒙濤 ，3，馬必聲 ，3，王寶 ，，趙抒娜 ，

（1.中糧營(yíng)養(yǎng)健康研究院有限公司/營(yíng)養(yǎng)健康與食品安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/老年?duì)I養(yǎng)食品研究北京市工程實(shí)驗(yàn)室，北京102209；2.中糧屯河糖業(yè)股份有限公司/農(nóng)業(yè)部糖料與番茄質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆昌吉831100；3.中糧屯河崇左糖業(yè)有限公司，廣西崇左200040）

0 引言

我國(guó)是世界上最大的食糖生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)之一，制糖工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著重要地位。目前，甘蔗制糖有兩種方法：一種是用亞硫酸法或者碳酸法直接生產(chǎn)白砂糖，也稱(chēng)為一步法；另一種是先利用石灰石法制備原糖，然后將原糖回溶、飽充、蒸發(fā)，再次結(jié)晶獲得精煉糖，也稱(chēng)為兩步法[1-2]。中糧屯河崇左糖業(yè)有限公司采用兩步法生產(chǎn)白砂糖，即以甘蔗為原料，通過(guò)石灰石法生產(chǎn)原糖，再將自制原糖及外購(gòu)原糖、國(guó)儲(chǔ)糖等原料精煉制備白砂糖。相比一步法季節(jié)性生產(chǎn)的特點(diǎn)，該工藝基本可以做到全年生產(chǎn)，具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

在制糖工藝過(guò)程中，蔗汁的澄清處理工藝好壞直接影響原糖的品質(zhì)，并進(jìn)一步影響白砂糖的質(zhì)量[3]。圍繞澄清工藝的改善，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列研究。楊敏等[4]介紹了甘蔗制糖業(yè)的不同澄清劑使用的情況，并結(jié)合清潔生產(chǎn)的要求，展望了未來(lái)制糖工業(yè)澄清劑的發(fā)展方向。王寶等[5]采用成本更為低廉的卷式有機(jī)納濾膜對(duì)甜菜制糖的二清汁進(jìn)行過(guò)濾，可使二清汁錘度和糖度各提高5～7個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)純度提高1～3個(gè)百分點(diǎn)。沈石妍等[6]采用4種不同孔徑的陶瓷膜和2種不同截留分子量的有機(jī)管式膜對(duì)蔗汁過(guò)濾進(jìn)行處理，200 nm孔徑的陶瓷膜對(duì)蔗汁色素物質(zhì)去除率可達(dá)90%以上，清凈效果優(yōu)于傳統(tǒng)亞硫酸法澄清汁。張菡等[7]提出當(dāng)甜菜汁中的葡聚糖濃度在1 g/kg以下時(shí)，α-葡聚糖酶的最優(yōu)作用濃度為5 mg/kg，可進(jìn)行有效降解，從而解決可能影響到過(guò)濾、蒸發(fā)、結(jié)晶和分蜜等工段過(guò)濾等生產(chǎn)問(wèn)題。林榮珍等[8]使用聚二甲基二烯丙基氯化銨、重硫氧、聚磷硅酸鋅對(duì)甘蔗混合汁進(jìn)行澄清脫色，該工藝的效果優(yōu)于傳統(tǒng)制糖工藝。王鳳霞等[9]試驗(yàn)表明濕法磷酸與熱法磷酸在脫色率、色值、渾濁度上不存在顯著性差異。沈石妍[10]等在模擬壓榨和清凈過(guò)程的操作條件試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中性條件下可減少蔗汁中蔗糖的分解和色素生成，達(dá)到提高糖分回收率和保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的。李雪珍[11]等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)蔗汁中添加殼聚糖-活性炭的協(xié)同作用，甘蔗蔗汁總脫色率平均提高了37.3%,清汁重力純度平均提高了3.41%,證明殼聚糖-活性炭協(xié)同對(duì)甘蔗蔗汁具有很好的清凈、脫色能力。

在實(shí)際榨季生產(chǎn)中，受制于條件的限制，大多數(shù)制糖企業(yè)通常憑借生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定澄清工藝操作條件。由于甘蔗的品種、生長(zhǎng)條件、成熟程度和新鮮度等存在一定的差異和變化，蔗汁的成分會(huì)隨之發(fā)生波動(dòng)，因而需要對(duì)澄清工藝操作的條件及時(shí)地調(diào)整以確保達(dá)到預(yù)期的澄清效果。因此，有必要開(kāi)展試驗(yàn)以及時(shí)、迅速、準(zhǔn)確、科學(xué)地制定最優(yōu)的澄清工藝條件，指導(dǎo)制糖工業(yè)生產(chǎn)。利用正交表來(lái)安排試驗(yàn)方案，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，既可減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短周期，獲得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，又能在錯(cuò)綜復(fù)雜的影響因素中找出關(guān)鍵因素，確定最佳工藝[12-14]。本文通過(guò)系統(tǒng)性的正交試驗(yàn)，優(yōu)選出最佳的磷酸添加量、預(yù)灰pH、主灰pH、絮凝劑添加量，并在工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)澄清工藝指標(biāo)的優(yōu)化，可有效改善原糖生產(chǎn)過(guò)程中的澄清效率。

1 材料與方法

1.1 材料

混合汁、石灰乳、磷酸和絮凝劑均取自中糧屯河崇左糖業(yè)有限公司壓榨車(chē)間。各物料的理化指標(biāo)，混合汁錘度：19.67oBx，視純度：89.37%，自然磷酸值：335 μL/L，pH：5.05；石灰乳：波美度為 11.3oBe；磷酸：將食品級(jí)85%磷酸稀釋至20%；絮凝劑：將聚丙烯酰胺用自來(lái)水稀釋至濃度500μL/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本文所涉及的實(shí)驗(yàn)儀器：電熱恒溫水浴鍋 （DK-S24，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；電子分析天平（ME204，美國(guó)Mettler公司）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9240，上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；自動(dòng)旋光儀（WZZ 2S，上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司）；手持錘度計(jì)（MASTER-53a，日本ATAGO公司）；臺(tái)式數(shù)顯pH計(jì)（PHS-25，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)[UV-2800，尤尼柯（上海）儀器有限公司]；加熱磁力攪拌器（RCT basic，德國(guó)IKA公司）。

1.3 試驗(yàn)方法與步驟

1.3.1 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，影響澄清效果的因素有蔗汁自然磷酸值、外加磷酸值、預(yù)灰pH、主灰pH、絮凝劑添加量、一次加熱溫度、二次加熱溫度等，為了減少實(shí)驗(yàn)室次數(shù)，固定部分工藝條件不變，以磷酸添加量、預(yù)灰pH、主灰pH和絮凝劑添加量4個(gè)條件為關(guān)鍵因素，每一個(gè)因素為3水平，進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)（表1）。

由表1中4因素3水平選用L9（34）正交表，即做9個(gè)試驗(yàn)就可以代表81個(gè)全面試驗(yàn)，根據(jù)此表確定試驗(yàn)方案，具體見(jiàn)表2，每個(gè)試驗(yàn)方案重復(fù)3次。

1.3.2 澄清過(guò)程模擬

取新鮮混合汁測(cè)定其理化指標(biāo)，然后按照以下步驟模擬澄清過(guò)程：（1）取450mL新鮮混合汁，添加特定含量磷酸；（2）用石灰乳預(yù)灰至特定pH；（3）將樣品放置于水浴鍋一次加熱至65℃，停留5min；（4）用石灰乳主灰至特定pH；（5）用電熱爐將樣品二次加熱至沸騰（105℃左右），保持5 min；（6）加入特定比例絮凝劑，攪拌均勻；（7）迅速將樣品轉(zhuǎn)移至500mL量筒中，每隔一定時(shí)間記錄沉降物的體積；（8）靜置30min，用洗耳球和橡膠管取上層清汁檢測(cè)理化指標(biāo)。

表1 因素和水平Table 1 Factors and levels

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Experiment scheme

1.3.3 指標(biāo)觀察及檢測(cè)

觀察量筒中沉降物的結(jié)構(gòu)和顆粒大小，每隔特定時(shí)間記錄沉降物的高度，并計(jì)算沉降速度。待靜置30 min時(shí)，沉降物高度已基本不變化，此時(shí)用洗耳球和橡膠管取上層清汁，檢測(cè)錘度、視純度、色值、濁度、pH、鈣鹽等理化指標(biāo)，選取沉降速度、視純度、色值、濁度為關(guān)鍵澄清指標(biāo)，用以評(píng)估混合汁的澄清效率和脫色效果。

2 結(jié)果與討論

模擬澄清過(guò)程，記錄沉降物的體積，如表3所示。除方案9外，其他方案的樣品在靜置時(shí)均能迅速沉降，10min后泥汁基本沉降完畢，繼續(xù)沉降，沉降物的體積變化不大；取10min內(nèi)泥汁的沉降體積變化，計(jì)算沉降速度，即將沉降物的體積變化除以沉降時(shí)間。將沉降速度及澄清后各樣品的理化指標(biāo)分別列于表4中。

多指標(biāo)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的分析方法有綜合平衡法和綜合評(píng)分法。綜合平衡法先分別將各個(gè)指標(biāo)按單指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析，再將各指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行綜合平衡，以得到“最優(yōu)”試驗(yàn)方案。綜合評(píng)分法是將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為一個(gè)評(píng)分指標(biāo)來(lái)進(jìn)行直觀分析的方法。綜合平衡法可根據(jù)極差大小來(lái)排列因素的主次關(guān)系，但計(jì)算較多，計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜。綜合評(píng)分法計(jì)算簡(jiǎn)單，但對(duì)于多指標(biāo)的正交試驗(yàn)，其評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性[15-16]。本文采用兩種方法進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果加以比較和分析。

表3 澄清過(guò)程中各樣品的沉降速度Table 3 Sedimentation velocity of each sam p le during the clarification process

表4 澄清后各樣品的理化指標(biāo)Table 4 Physicochem ical indexes of each sample after clarification

2.1 綜合平衡法

2.1.1 計(jì)算K、k值

采用綜合平衡法，對(duì)表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，K是指標(biāo)，k是指標(biāo)的平均值；以沉降速度受磷酸添加量影響的計(jì)算為例：

K1=27+28+27=82，k1=K1/3=82/3=27.3；K2=26+25+29=80，k2=K2/3=80/3=26.7；

K3=24+22+23=69，k3=K3/3=69/3=23.0。以此類(lèi)推，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 磷酸和絮凝劑添加量、預(yù)灰及主灰pH對(duì)制糖指標(biāo)的影響(綜合平衡法)Table 5 Effects of phosphoric acid, flocculant addition, prelim ing pH, and lim ing pH on sugar processing indexes(comprehensive equilibrium method)

2.1.2 計(jì)算R值

極差R值是指標(biāo)的變化幅度，即k值的最大值減去最小值。極差R的大小反映該因素變化對(duì)考核指標(biāo)影響的大小，極差R值越大，則該因素對(duì)考核指標(biāo)的影響就越大，對(duì)于結(jié)果越重要，反之就越小。根據(jù)極差大小的順序，將表5中各因素的主次關(guān)系進(jìn)行排序，由此可得出影響沉降速度的因素主次順序?yàn)椋毫姿崽砑恿浚拘跄齽┨砑恿浚绢A(yù)灰pH＞主灰pH，即磷酸添加量對(duì)蔗汁的沉降速度影響最大，是關(guān)鍵因素。同理，影響色值的因素主次順序?yàn)椋毫姿崽砑恿浚局骰襭H＞絮凝劑添加量＞預(yù)灰pH。

2.1.3 優(yōu)化操作條件

對(duì)于澄清工藝而言，沉降速度越快越好，視純度越高越好，色值和濁度越低越好。根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)，可以清楚地看出各澄清因素對(duì)澄清效果的影響規(guī)律。例如，視純度隨著磷酸添加量的增加而增加，隨著預(yù)灰pH值的升高而增加，隨著主灰pH的升高先增加后減小，隨著絮凝劑添加量的增加先降低后增加。選取沉降速度、視純度、色值、濁度4個(gè)參數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，逐一進(jìn)行分析。根據(jù)表5，將各單一目標(biāo)函數(shù)對(duì)應(yīng)的較優(yōu)方案列于表6中，可以看出對(duì)于不同的澄清指標(biāo)，其較優(yōu)方案存在一定的差異，例如對(duì)于視純度澄清指標(biāo)，較優(yōu)的方案為磷酸添加量300μL/L、預(yù)灰pH 7.40、主灰pH 8.20、絮凝劑添加量2.8μL/L；對(duì)于色值澄清指標(biāo)，較優(yōu)的方案為磷酸添加量300μL/L、預(yù)灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝劑添加量3.0μL/L。

表6 各澄清指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的優(yōu)化方案Table 6 Optim ization schemes for clarifying indexes

2.1.4 優(yōu)化澄清工藝條件

通過(guò)綜合平衡，對(duì)上述各個(gè)較優(yōu)水平組再進(jìn)行綜合分析，權(quán)衡利弊，確定各因素的較優(yōu)水平組合。找出主要指標(biāo)的主要因素是什么水平最好，而多數(shù)指標(biāo)中較優(yōu)水平中出現(xiàn)次數(shù)最多是什么水平。如表6所示，磷酸添加量300μL/L、預(yù)灰pH 7.40、主灰pH 8.00，在4個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)里較優(yōu)水平出現(xiàn)最多，因此確定磷酸的最佳添加量為300μL/L、預(yù)灰的最佳pH為7.40、主灰的最佳pH為8.00。而對(duì)于絮凝劑的添加量，在不同水平的各組較優(yōu)水平出現(xiàn)次數(shù)相同，因此須根據(jù)生產(chǎn)需要及關(guān)鍵因素確定最佳水平。本公司采用聚丙烯酰胺作為絮凝劑，聚丙烯酰胺在加工過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生分解，生成丙烯酰胺，可能會(huì)給產(chǎn)品質(zhì)量安全帶來(lái)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。此外，較低的添加量有助于節(jié)省加工成本，因此，經(jīng)過(guò)綜合平衡分析，確定磷酸添加量300μL/L、預(yù)灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝劑添加量2.8μL/L為最佳澄清工藝條件。

2.2 綜合評(píng)分法

對(duì)于綜合評(píng)分法，必須將試驗(yàn)效果轉(zhuǎn)化為單一指標(biāo)，才能進(jìn)行評(píng)分。因此，將沉降速度、視純度、濁度和色值4個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為百分?jǐn)?shù)，即將最好的情況視為100分，最差的視為0分，中間值進(jìn)行內(nèi)插法，計(jì)算對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)值。然后將各百分?jǐn)?shù)進(jìn)行相加，即將各指標(biāo)的重要性視為一致，計(jì)算總分，通過(guò)總分的大小來(lái)直觀分析最優(yōu)方案。綜合評(píng)分法如表7所示，從表7中可以看出方案9的總分最高，即確定磷酸添加量300μL/L、預(yù)灰pH 7.40、主灰pH 8.20、絮凝劑添加量2.8μL/L為最佳澄清工藝條件。如2.1所述，綜合平衡法的最佳澄清工藝條件為磷酸添加量300μL/L、預(yù)灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝劑添加量2.8μL/L，可以看出除了主灰pH存在一定的差異，綜合平衡法與綜合評(píng)分法的分析結(jié)果基本一致。兩者的差異是由于綜合評(píng)分法篩選出的最佳工藝條件必定是試驗(yàn)方案中的一種，而綜合平衡法不局限于試驗(yàn)方案的約束。

表7 澄清理化指標(biāo)及得分(綜合評(píng)分法)Table 7 The physicochem ical indexes and scores of clarification (comprehensive scoring method)

2.3 生產(chǎn)線(xiàn)驗(yàn)證試驗(yàn)

在實(shí)際榨季生產(chǎn)中，大多數(shù)制糖企業(yè)通常憑借生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定澄清工藝操作條件，而確定的工藝指標(biāo)往往范圍較寬，在生產(chǎn)過(guò)程中并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。為了驗(yàn)證正交試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在中糧集團(tuán)下屬制糖工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，選取最佳澄清工藝條件為磷酸添加量300μL/L、預(yù)灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝劑添加量2.8μL/L，進(jìn)行精準(zhǔn)控制。選取正交試驗(yàn)優(yōu)化前常規(guī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與正交試驗(yàn)優(yōu)化后生產(chǎn)數(shù)據(jù)，每組各15 d，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，取平均值，將結(jié)果列于表8中。

表8 生產(chǎn)線(xiàn)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 8 The test results of production line verification

從表8中可以看出，正交試驗(yàn)優(yōu)化后，工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到了明顯的改善，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）在正交試驗(yàn)優(yōu)化后的生產(chǎn)期間，清汁的色值下降190 IU，濁度下降20 MAU，即清汁中的色素、膠體等雜質(zhì)沉降效果較好；2）粗糖漿的還原糖分下降0.21個(gè)百分點(diǎn)，色值下降268 IU，粗糖漿的還原糖分下降將降低糖漿的粘度，改善煮糖的效率，提升原糖的質(zhì)量；3）原糖的色值下降47 IU，不溶于水雜質(zhì)下降12μg/kg，原糖品質(zhì)的改善必將降低后續(xù)精煉過(guò)程負(fù)荷，提升精煉過(guò)程的效率。以上結(jié)果表明，通過(guò)正交試驗(yàn)確定最佳澄清工藝條件，為工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了積極的效果，可以有效地指導(dǎo)制糖工業(yè)生產(chǎn)。

3 結(jié)論

本文以磷酸添加量、預(yù)灰pH、主灰pH和絮凝劑添加量4個(gè)條件作為關(guān)鍵因素，每個(gè)因素3個(gè)水平，進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，選取沉降速度、視純度、色值、濁度為關(guān)鍵澄清指標(biāo)，通過(guò)綜合平衡法和綜合評(píng)分法來(lái)分析澄清效果，最終確定磷酸添加量300μL/L、預(yù)灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝劑添加量2.8μL/L為最佳澄清工藝條件。在工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果顯示澄清工藝優(yōu)化后清汁的還原糖分、色值和純度均明顯下降，純度有所升高，原糖的色值和不溶于水雜質(zhì)均有所下降，表明正交試驗(yàn)可以有效指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。因此，在榨季生產(chǎn)中，可以根據(jù)原料的差異，定期開(kāi)展正交試驗(yàn)以確定最佳澄清工藝條件，及時(shí)調(diào)整工藝技術(shù)參數(shù)，確保澄清工藝處于最佳狀態(tài)，從而提高煮煉回收率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。