甘蔗混合汁臭氧脱色的研究

吕雪萍，丁慧敏

（1.广西凤糖生化股份有限公司，广西 柳州 545002；2.广西大学，广西 南宁 530003）

0 前言

我国是世界第三产糖大国，近年来食糖年产量1000万吨以上，其中超过90%以甘蔗为原料使用亚硫酸法澄清工艺生产的，即用SO2作澄清剂，与石灰乳的Ca2+反应生成具有强吸附除杂的CaSO3沉淀，将蔗汁中有胶体、色素等非糖分吸附形成沉淀，然后再通过固液分离技术将它们除去，提高蔗汁纯度和降低蔗汁色值；同时SO2具有还原性，还能与蔗汁酚类色素、还原糖碱性分解中间产物等带有不饱和键的致色物质发生加成反应，起到漂白、抑制新色素生成作用。因此SO2在亚硫酸法制糖生产中一直处于不可替代位置。但在亚硫酸法澄清过程，整个澄清过程蔗汁均控制在中性范围，而SO2溶解水生成的H2SO3在此条件下很难完全发生二级电离与Ca2+生成Ca-SO3沉淀，因此不可避免有部分SO2残留清汁中；同时，由于蔗汁本身是一个成分复杂且变异性很强的体系，所含胶体物质会阻碍SO2与Ca2+的反应，增加了清汁中SO2含量。蔗汁所含的SO2，在糖浆煮制过程中，会被蔗糖晶体吸附、包裹进入到白砂糖晶体内部，导致白砂糖SO2含量超标。SO2食用过程会损害人体呼吸道、眼睛、消化系统、肝组织及淋巴系统等，因此白砂糖SO2含量高低涉及食糖安全性，我国对此指标有严格要求，若白砂糖SO2含量超过30mg/kg禁止出厂。同时国内外知名品牌食品和饮料对白砂糖SO2含量要求一直很苛刻，SO2含量不能高于15mg/kg，甚至不含SO2，因此目前我国白砂糖大部分无法进入这一巨大市场，很大程度削弱了我国白砂糖市场竞争力，影响我国糖业发展。因此，如何在降低白砂糖色值同时降低其SO2含量一直是我国制糖界研究热点之一。

臭氧具有强氧化性，可将蔗汁中色素或致色物质的不饱和键氧化、断裂，生成小分子无色或浅色物质，达到脱色效果。相比于SO2，臭氧脱色彻底、完全，没有可逆性，不用担心白砂糖返色问题。关于甘蔗制糖臭氧脱色工艺技术应用在全世界制糖行业中仍属新兴技术，全世界仅在巴西有几家糖厂有过生产应用的案例，而在我国，仅有广西大学的黄谷亮等做了清汁、糖浆方面的试验室脱色研究，关于用臭氧处理混合汁的研究在国内尚没有报道。

1 材料与方法

1.1 试剂与设备

1.1.1 试剂

甘蔗混合汁：未预灰、未加磷酸，采于广西某甘蔗糖厂；磷酸、亚硫酸、氧化钙、碱性醋酸铅。

1.1.2 主要仪器设备

臭氧发生器（臭氧产生量1000g/h，即臭氧流量是16.67g/min，做试验时从臭氧出气管中接出一分支，流量是1.5L/min，浓度是110mg/L）；Wzz-2ss数字式自动旋光仪电子天平 BP210S，pH计PHS-3C；752型紫外可见分光光度计。

1.2 试验方案

1.2.1 试验流程

图1 臭氧处理试验流程

臭氧与混合汁中的色素及致色物质反应与体系pH值、温度及反应时间等因素密切相关，同时考虑到由于臭氧具有强氧化性，若混合汁中臭氧浓度短时间过高的话极可能会将部分蔗糖氧化，增加糖份损失，因此本试验还对臭氧的加入方式进行分析。

1.2.2 混合汁臭氧脱色工艺参数的选择

1.2.2.1 pH值

取预灰加磷酸混合汁，调整pH值为6.8、7.2、7.8、8.2，通入臭氧时间20分钟，在通入臭氧过程使用石灰乳调节pH值使蔗汁pH值维持在初始。分析处理前后蔗汁简纯度、色值。

以调节pH值但未进行臭氧处理的混合汁作对比样，分析简纯度、色值。

1.2.2.2 温度

取预灰加磷酸后混合汁，调节pH值为最佳值，改变蔗汁温度为50℃、55℃、60℃、65℃、70℃，进行臭氧脱色处理。通入臭氧时间为20分钟，在通入臭氧过程使用石灰乳调节使蔗汁维持在初始pH值。处理完毕后取汁分析简纯度、色值。

1.2.2.3 浓度（通入臭氧时间）

取预灰加磷酸后混合汁，调节pH值和温度为最佳水平，改变通入臭氧时间，时间5min、10min、15 min、20 min、25 min，进行处理。处理完毕后取汁分析简纯度、色值。

1.2.2.4 加入方式

将臭氧处理分成1次、2次及3次加入，处理完毕后取汁分析简纯度、色值。分析对比样的简纯度、色值。

1.2.2.5 混合汁臭氧处理后进行硫熏中和的澄清效果

混合汁臭氧处理后，再进行硫熏中和，检测沉降速度、清汁色值及纯度，并以传统亚硫酸法澄清作为对比样。

2 结果与讨论

2.1 反应pH值

表1 反应pH值对臭氧脱色反应的影响

由表1可知，使用臭氧处理蔗汁，在酸性条件下（pH≤6.8），不仅不起到脱色作用，反而起到增色作用，可能是因为臭氧脱色反应不彻底，而臭氧发生氧化还原反应后有氧气生成，将蔗汁未被臭氧反应的有色物质氧化增色。当pH值大于7.2时，其脱色率随着pH值升高而升高，表明在提高pH值对臭氧脱色处理有利。同时由处理前后蔗汁纯度差异可看出，使用臭氧处理后蔗汁纯度略有下降，可能原因包括部分蔗糖被氧化，或臭氧处理后蔗汁中有色物质被分散成溶于水的小分物质，增加了蔗汁锤度，从而导致蔗汁纯度有所下降。

2.2 反应温度

表2 反应温度对臭氧脱色反应的影响

由上表2可知，反应时蔗汁温度对臭氧对蔗汁脱色效果也有明显影响，当温度低于50℃，不仅没起到脱色作用，还起到增色作用，分析主要原因可能是在低温时臭氧氧化脱色反应速度过慢或氧化反应不彻底，故所生产的氧气反而将蔗汁中的有色物质氧化，导致蔗汁色泽增加。当反应温度上升至55℃以上时，随着温度升高，脱色率有所增加，但当温度达到70℃时，脱色率上升幅度减缓。表明，当蔗汁温度控制在60℃至65℃时，臭氧脱色效果较好。

2.2.1 蔗汁中臭氧浓度

由表3可知，通入臭氧时间，即脱色处理时蔗汁中臭氧浓度对臭氧对蔗汁脱色效果有明显影响，当时间少于10 min，即臭氧浓度低于165mg/L时，脱色作用不明显，延长通入臭氧时间，增加蔗汁臭氧浓度，脱色率增加，但当时间超过15min，即当蔗汁臭氧浓度由248mg/L至330mg/L时，脱色率上升，但上升幅度不明显。

表3 臭氧浓度对臭氧脱色反应的影响

2.2.2 加入次数

表4 臭氧使用方式对臭氧脱色反应的影响

由表4可知，臭氧分次加入对其脱色效果影响不明显，但纯度变化有较明显影响，臭氧分成多次加入，有利于保护蔗糖，蔗汁纯度下降不明显。

综上所述，使用臭氧处理混合汁，蔗汁pH值尽可能控制在碱性范围，温度控制在60℃～65℃，蔗汁中臭氧浓度达到330 mg/L时，并保证有一定停留时间，分次加入，脱色效果好。

表5 臭氧处理混合汁结合硫熏中和的澄清效果与亚硫酸法的对比

2.3 混合汁臭氧处理结合亚硫酸法的澄清效果

由表5知，先使用臭氧处理混合汁（在最适宜条件下），再对其进行硫熏中和（硫熏强度1.2g/L），整个新工艺的总脱色率与传统亚硫酸法的相当；表明臭氧处理蔗汁后再进行硫熏中和处理时，在达到相当脱色率时，硫熏强度可以明显下降。同时在蔗汁沉降过程观察到，蔗汁使用臭氧处理后再进行硫熏中和，沉降速度明显加快，所形成絮状物较粗大。

3 结论

使用臭氧在碱性条件对混合汁进行处理，当反应温度为60℃～65℃，蔗汁中臭氧浓度达到330 mg/L时，并保证有一定停留时间时，在降低硫熏强度达到50%时其脱色效果与传统亚硫酸法相当，表明使用臭氧对混合汁进行脱色处理，可以明显降低硫熏中和强度，从而降低白砂糖二氧化硫残留量，对提高食糖食用安全具有积极意义。