射流空化强化糖液亚硫酸法脱色的研究

孙焕焕，杨 锋，罗佐帆，黄永春，任仙娥

（1.广西科技大学生物与化学工程学院，广西 柳州 545006；2.广西糖资源绿色加工重点实验室，广西 柳州 545006）

射流空化强化糖液亚硫酸法脱色的研究

孙焕焕1，2，杨 锋1，2，罗佐帆1，2，黄永春1，2，任仙娥1，2

（1.广西科技大学生物与化学工程学院，广西 柳州 545006；2.广西糖资源绿色加工重点实验室，广西 柳州 545006）

文章以糖液色值下降率为指标，研究了基于文丘里管产生的射流空化对亚硫酸法糖液澄清脱色的影响。分别考察了空化作用时间、空化器入口压力、溶液温度对糖液色值的影响。实验结果表明：糖液的色值下降率随射流空化时间、空化器入口压力、溶液温度均呈现先上升后下降的趋势。通过正交试验优化工艺条件得出射流空化强化糖液澄清脱色的最佳工艺条件为：空化作用时间40s，空化器入口压力0.25MPa，溶液温度70℃，在该条件下糖液色值下降率达到最大值2.056%。研究结果表明：基于文丘里管产生的射流空化能够有效地强化糖液澄清脱色。

射流空化；文丘里管；糖液；脱色

在制糖生产过程中，色值是衡量白砂糖质量的一项重要指标，因此制糖过程中糖汁的澄清脱色是制糖过程的重点和难点［1］。目前我国大多数糖厂采用亚硫酸法生产白砂糖，但常常由于糖厂工艺条件波动而使白砂糖色值经常超标。因此降低蔗糖澄清工艺的色值是当前制糖工艺的研究热点。

空化现象是指当液体内部局部压力降低（低于相应温度下该液体的饱和蒸汽压）时，液体内部或液固交界面上空泡的形成、发展和溃灭的过程。空化现象的出现将产生一系列效应，如机械效应（冲击波、微射流）、热效应（局部高温）、光效应（声致发光）、活化效应（水溶液中产生羟自由基）等。这些效应对过程会产生强化作用，起到节能、增效的效果［2］。目前研究较多的是超声空化和水力空化，利用超声空化作为强化手段促进原糖溶液中胶体的凝聚与絮凝［3-4］、强化蔗汁澄清［5-7］的研究已见报道。但由于超声空化存在能量利用率低、空化效应区域小、装置成本高等问题，因此它的应用范围和应用规模受到限制。水力空化与超声空化对过程的强化原理是相同的，区别在于形成空泡的手段上［8］。水力空化的原理是：流体流过一个收缩装置（如几何孔板，文丘里管等）时产生压降，当压力降至蒸气压甚至负压时，溶解在流体中的气体会释放出来，同时流体汽化而产生大量空化泡，空泡在随流体进一步流动的过程中，遇到周围的压力增大时，体积将急剧缩小直至溃灭［9］。但水力空化的能量利用率明显高于超声空化，水力空化是通过水力的作用形成，生成的空泡与液体能够发生整体的运动，因此在较大的范围内易形成均匀的强化场，而且利用水力空化对化工过程进行强化具有操作简单、能耗低、效率高、维护费用低廉等优点［10-12］，因此水力空化具有大规模工业应用的优势。本实验将基于文丘里管的射流空化引入到甘蔗制糖的亚硫酸法澄清工序中，考察空化作用时间、空化器入口压力、溶液温度对亚硫酸法澄清工艺中糖液色值的影响，为水力空化在制糖工业中的应用提供基础和参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

原糖：一级原糖，广东东莞市制糖厂有限公司；

氧化钙（CaO）：分析纯（AR），西陇化工股份有限公司；

亚硫酸（H2SO3）：分析纯（AR），广州化学试剂厂。

1.1.2 主要仪器与设备

电磁炉：C19-SH1983型，广东美的生活电器制造有限公司；

托盘天平：JTP-20型，江苏常熟衡器厂；

数字酸度计：pHS-25CW型，上海般特仪器制造有限公司；

电子分析天平：BS224S型，北京赛多利斯仪器系统有限公司；

阿贝折光仪：2WAJ型，上海光学仪器厂；

紫外可见分光光度计：UV2000型，尤尼柯（上海）仪器有限公司。

射流空化装置：本实验室自制。如图1所示，液体经水泵输送到射流空化器（文丘里管）的喉部时由于管径缩小，液体流速增大，压强变小，而过了喉部后管径开始变大，液体的压强迅速恢复。液体在空化器中流动时，当它的压强低于液体在该温度下的饱和蒸气压时形成空泡，气泡随着液体流动，当到达较高压强区后气泡瞬间溃灭，从而产生空化效应。

图1 自制射流空化实验装置示意图

1.2 实验内容与步骤

将原糖回溶，配制3 L浓度为15°Bx的糖液，加热到70℃，加入20°B′e的石灰乳溶液，用H2SO3调节糖液的pH至7.0±0.1，搅拌2min，用洁净干燥的烧杯取糖液200mL，将剩余的糖液在空化器入口压力为0.25MPa下通过射流空化装置循环空化处理不同的时间（20s、30s、40s、50s、60s、80s、100s）。分别取经过空化处理的糖液各200mL，冷却至室温，取上清液测定糖液的锤度、吸光度，计算其色值。

固定其他条件，依次改变空化器入口压力（0.05MPa、0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa、0.30 MPa、0.35MPa），糖液温度（40℃、50℃、60℃、70℃、80℃），重复上述试验，分别考察空化器入口压力、溶液温度对糖液澄清脱色效果的影响。

在单因素实验的基础上，为寻求射流空化对糖液澄清脱色的最适宜生产条件，采用正交试验方法［13］，通过用L9（34）正交表进行正交试验对试验条件进行优化。

1.3 分析方法

取浓度约为15°Bx的待测糖液100mL，用稀盐酸溶液（0.40mol/L）和稀氢氧化钠溶液（0.40mol/L）调节该糖液pH至7.0±0.1。将其倒入孔径为0.45μm微孔膜过滤器中，抽真空，弃去最初滤液后，用阿贝尔折光仪测定糖液折光锤度，用紫外可见分光光度计测定其吸光度，调节分光光度计的波长为560nm，同时用蒸馏水作为参考标准。

用ICUMSA方法2计算糖液的色值［14］。

式中：IU560—用560 nm波长测得的国际糖色值；

A560—用560 nm波长的分光光度计测得的样液吸光度；

b—石英比色皿厚度，cm；

c—样液固溶物浓度，g/mL；

计算出糖液的色值，根据色值下降率来判断射流空化强化亚硫酸法澄清脱色效果。

式中：（IU560）0—未经过空化处理的糖液的色值；

（IU560）t—经过空化处理的糖液的色值。

2 结果与讨论

2.1 射流空化处理时间对糖液色值下降率的影响

在射流空化器入口压力为0.25MPa，糖液温度为70℃，糖液浓度为15°Bx的条件下，分别对糖液射流空化循环处理20s、30s、40s、60s、80s、100s，测定处理后糖液的色值，结果见图2。

图2 射流空化处理时间对色值下降率的影响

由图2可以看出，随着空化循环时间的增加，糖液色值下降率先上升后下降，最后变为负值，即糖液的色值随着射流空化处理时间的增加先降低后升高。说明在合适的空化处理时间内，射流空化可以降低糖液的色值。原因是射流空化产生的强烈的机械效应及较高的冲击波和微射流，能够促进亚硫酸钙沉淀颗粒与糖液中有色物质等非糖分的接触碰撞机率，增强了CaSO3沉淀对有色物质等非糖分的吸附，降低了糖液的色值。空化效应可以强化SO32-和Ca2+反应生成更加均匀、拥有较大比表面积、吸附能力更强的CaSO3沉淀颗粒，加强了其对有色物质等非糖分的吸附，提高了糖液的脱色效果。同时空化效应还可以增加Ca2+与带负电的胶体颗粒碰撞机会，加强Ca2+与带负电的胶体颗粒的凝聚作用，增加H2SO3与糖液中的含有的不饱和键的有机物的接触机会，有利于它们的结合发生加成反应，破坏其双键结构使糖液的颜色变浅，达到降低糖液色值的目的。空化效应也可以破坏亲水胶体水化层使其聚结形成大颗粒絮凝物，从而能够增强对非糖分的吸附，降低糖液的色值。但随着空化处理时间的增加，射流空化不仅不能起到强化糖汁脱色的效果，反而会使糖液色值增加，是因为空化效应增强到一定程度后，强烈的空化效应会使已经被亚硫酸钙沉淀颗粒吸附的色素分子重新溶解在糖液中，增加了糖液的色值；另一方面是因为空泡溃灭产生的高温高压作用会使部分水分子发生分裂，产生链式反应生成·OH和H2O2，它们具有很强的氧化性［15］，会把糖液中的酚类物质氧化成深色的物质，增加了糖液的色值，因此射流空化时间不宜过长。

2.2 空化器入口压力对糖液色值的影响

在糖液温度为70℃，糖液浓度为15°Bx条件下，分别在射流空化器入口压力为0.05MPa、0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa、0.30MPa、0.35MPa条件下对糖液射流空化循环处理40s测定处理后糖液的色值，结果见图3。

图3 射流空化器入口压力对糖液色值的影响

由图3可以看出，随着射流空化器入口压力的增大，糖液的色值下降率先上升后下降。原因是在一定范围内提高空化器的入口压力，可以使液体流速加快，空化数下降，空化容易发生，空化泡数量增多，空泡溃灭机率增大，强化了空化效果，增强了CaSO3沉淀对有色物质等非糖分的吸附，降低了糖液的色值。但是当压力增大到一定程度后，由于强烈的空化效应产生的“热点”效应使糖液中的一些成分被氧化从而使糖液颜色加深，影响了亚硫酸法澄清脱色效果，所以当压力升高到一定值后澄清效果反而会降低。因此射流空化对糖液的澄清脱色有一个最适压力。

2.3 糖液空化温度对色值的影响

在糖液浓度为15°Bx，射流空化器入口压力为0.25 MPa的条件下，分别在糖液温度为40℃、50℃、60℃、70℃、80℃条件下对糖液射流空化循环处理40s，测定处理后糖液的色值，结果见图4所示。

图4 糖液空化温度对色值下降率的影响

由图4可以看出，随着糖液温度的升高，糖液的色值下降率先上升后下降。原因是在一定的温度范围内，随着溶液温度的升高，溶液的饱和蒸汽压加大，有利于气核的发育和生长，因此随着温度的升高，射流空化效应增强，糖液中的SO32-和Ca2+的运动速率加快，有利于它们反应生成颗粒均匀、拥有较大比表面积的CaSO3，增强了CaSO3沉淀与色素物质等非糖分的接触机会，有效降低了糖液的色值。由图可以看出当溶液温度升高到70℃后，糖液的色值下降率反而降低，是因为当糖液温度升高到一定程度时，虽然空化更加容易产生，但由于溶液蒸汽压也随着增大，空泡溃灭时产生的“热点”效应减弱，因而空化效应减小，强化作用降低。故当糖液温度高于70℃时，随着糖液温度的升高，射流空化强化脱色作用逐渐降低。

3 正交试验结果

3.1 试验因素和水平的选择

根据上述单因素实验的结果，选用L9（34）型正交表进行试验研究，试验的因素水平安排见表1。

表1 试验因素水平

3.2 正交试验及结果分析

按L9（34）型正交表进行安排试验，根据试验结果，以色值下降率为指标，计算在各个条件下的色值下降率，正交试验结果及极差分析见表2，方差分析见表3。

表2 正交试验结果及极差分析

表3 方差分析表

对试验结果进行数据分析，根据极差分析可以了解到各因素对实验效果影响的主次关系，由正交表可知，影响射流空化对糖液澄清脱色的因素按照主次排序为C＞A＞B，即空化器入口压力＞空化温度＞空化时间，最优方案为C2A2B2即空化器入口压力为0.25MPa，空化温度为70℃，空化时间是40s。在此条件下做验证试验，得色值下降率为2.056%，大于正交试验中最高色值下降率的6号实验结果1.625%，表明正交实验安排合理。根据表3的方差数据分析可以看出：在所设计的水平范围内空化器入口压力、空化温度、空化时间对糖液澄清脱色均有显著性影响。最佳工艺条件表明，在射流空化对糖液色值的影响中，要想得到较好的澄清效果，保证合适的空化压力和空化温度是关键，空化反应时间不宜过长。

4 结论

通过基于文丘里管产生的射流空化对亚硫酸法糖液澄清脱色的影响研究，分别考察了空化处理时间、空化器入口压力、溶液温度对脱色效果的的影响。研究结果表明，在合适的空化处理时间、空化器入口压力、空化温度下射流空化能强化糖汁的澄清脱色，降低糖液的色值。通过正交试验验证射流空化强化糖液脱色的最佳工艺条件为：空化处理时间40s，空化器入口压力0.25MPa，溶液温度70℃，在此条件下，糖液色值下降率达到最大值2.056%。

文丘里管是主要的射流空化装置之一，文丘里管空化装置产生的气泡的辐射运动属于稳定的振荡型［16］，因此文丘里管空化装置适合运用在一般的化学反应中，而SO32-和Ca2+的反应是比较温和的，生成的CaSO3沉淀吸附的非糖分和在反应过程中生成的凝聚物是不稳定的，因此文丘里管射流空化装置适合用来强化亚硫酸法硫熏中和反应过程。本研究为射流空化强化糖汁澄清过程的初步研究，为射流空化在制糖工业中的进一步研究提供基础和参考依据，同时丰富了射流空化的应用领域，在化工食品行业中具有广泛的应用前景。

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Study on the decolorization of the raw sugar syrup with sulfitation acid method enhanced by jet cavitation

Sun Huan-huan，Yang Feng，Luo Zuo-fan，Huang Yong-chun，Ren Xian-e
（1.Department of Biological and Chemical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China; 2.Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources，Liuzhou 545006，China）

The drop rate of color value was taken as index to analyze the effect of venturi tube cavitation on enhancing decolorization of the raw sugar syrup with sulfitation acid method．The cavitation treatment time，inlet pressure and solution temperature were investigated respectively．It showed that the the drop rate of color value of syrup increased firstly but decreased lately with the increase of jet cavitation treatment time，inlet pressure or solution temperature．Orthogonal test was used to optimize the experimental conditions，and the results showed that the optimal process conditions were as follows∶cavitation treatment time was 40 s，the jet cavitation inlet pressure was 0．25 MPa，the solution temperature was 70℃．The drop rate of color value was 2．056%under the optimal condition．The results showed that the jet cavitation improved decolorization rate of raw sugar syrup effectively．

jet cavitation;venturi tube;raw sugar syrup;decolorization

TS243.2

B

2095-820X（2016）01-07

2015-12-15

广西自然科学基金项目（2013GXNSFAA019031）；广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划资助（桂教人〔2014〕7号）。

孙焕焕(1988-)，女，山东泰安人，硕士研究生，研究方向：生物资源化工。

黄永春