红糖澄清工艺的正交试验优化研究

李 一，车夏宁，陆婉瑶，董荣富，徐光辉，黄志伟，谢凌波，王 宝*

(1中粮崇左糖业有限公司，广西崇左532200；2中粮营养健康研究院有限公司/老年营养食品研究北京市工程试验室/营养健康与食品安全北京市重点试验室，北京102209；3广西壮族自治区甘蔗产业链延伸工程研究中心，广西崇左532200)

0 引言

甘蔗糖业是广西的支柱产业之一，对广西的经济建设起到举足轻重的作用。近年来，广西甘蔗种植面积稳定在106.67万hm2左右，占广西总耕地面积的1/3。甘蔗是具有营养和保健功能的农作物，蔗汁中含有多酚类抗氧化物、高级烷醇、氨基酸等多种保健成分及其衍生物[1-5]。红糖是甘蔗经压榨、澄清、蒸发、浓缩过程加工而成的一种非分蜜糖(Non-centrifugal Sugar，NCS)，相比白砂糖等分蜜糖产品的生产工艺，红糖没有经过离心分蜜阶段，因此减少了甘蔗营养成分的流失，最大程度地保留了甘蔗汁中的酚类及黄酮类化合物、维生素、矿物质以及氨基酸等营养成分，被认为是一种含有生物活性成分的食品，具有抗氧化、降血脂、增强免疫力等保健功效；因为红糖中这些成分之间的相互作用，以及红糖加工煮糖阶段发生的美拉德反应，形成了其独特的风味和香气[6-8]。红糖在我国不仅作为调味品，从古到今还被认为是具有保健功能的食品，早在公元一世纪东方朔的“神异论”、南北朝陶弘景的“名医别录”已有记载：红糖能润肺气、助五脏、生津、解毒、助脾气、缓肝气。为最大程度地保留甘蔗中的营养物质，降低红糖加工煮糖阶段中成糖的难度，适度的澄清工艺尤为重要[9-13]。红糖生产的澄清阶段主要利用磷酸和石灰生成磷酸钙沉淀的反应，再结合聚丙烯酰胺形成的大分子网状结构将磷酸钙沉淀快速沉降；在澄清阶段，影响澄清效果的主要因素为磷酸值、pH和蔗汁温度等因素[14-16]。本文以磷酸添加量、主灰 pH和絮凝剂添加量作为关键研究参数，以澄清汁的浊度、视纯度、pH、沉降效果为主要验证指标，通过正交试验研究了红糖澄清环节的关键参数。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘蔗汁(中粮屯河崇左糖业提供)、磷酸(AR)、聚丙烯酰胺(日本T1150)：其余所用试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

数字式阿贝折光仪，日本 ATAGO公司；自动旋光仪，上海精密科学仪器有限公司；电磁炉，广东美的生活电器制造有限公司；UV-2501PC紫外分光光度计，日本岛津公司。

1.3 试验方法

1.3.1 澄清工艺流程

混合汁500 mL→过滤(试验室滤网过滤)→预灰(添加石灰和磷酸，使终点pH为7.3)→一次加热(水浴锅加热到 50℃)→主灰(添加 5%石灰水)→二次加热(电磁炉加热至沸腾)→絮凝沉降(500 mL量筒沉降30 min)→澄清汁。

1.3.2 澄清正交试验方案

根据前期工作基础，选择磷酸添加量(A)、主灰pH(B)和絮凝剂添加量(C)为影响因素，正交试验因素与水平如表1所示。

表1 澄清正交试验因素与水平设计

视纯度、磷酸值、还原糖、浊度和色值均按QB/T 2343.2-2013《赤砂糖试验方法》[17]规定的方法进行测定。

1.3.4 数据分析

试验所得数据均为3次重复试验后的平均值，数据和图表由Design-Expert 8.0.6、Origin 9.2、Excel 2010和SPSS 22.0处理得到。

2 结果与分析

2.1 甘蔗汁指标

在澄清工艺之前，甘蔗汁的理化指标见表2。

表2 混合汁理化指标

2.2 正交试验对甘蔗汁的澄清效果

根据1.3.2节提到的影响因素和水平，设计L9(34)正交试验，记录经过澄清工艺处理后甘蔗澄清汁的视纯度(D)、浊度(E)、色值(F)、pH(G)，并记录絮凝物的沉降速度(H)和絮凝物体积(I)。工厂生产经验中，对于红糖蔗汁澄清效果优劣的重要性排序为：H＞I＞F＞D＞G＞E。其中，絮凝物体积使用量筒中沉淀的高度表示，沉降速度则由单位时间内沉淀下降的高度表示，结果如表3所示。

表3 正交试验后澄清汁理化指标

数据处理采用以下方式：以磷酸添加量、主灰pH和絮凝剂添加量为影响因素，视纯度、浊度、色值、pH、沉降速度、絮凝物体积为反映清汁质量和沉降效果的指标，目的在于考察3个影响因素对响应指标的影响。以磷酸添加量对视纯度的影响为例，研究100、200和300 mg/kg 3个不同添加水平对视纯度的影响，并通过将最大值减去最小值得到极差，试验的极差结果如表4所示。

表4 正交试验极差分析结果

2.2.1 絮凝物体积影响因素分析

通过极差分析得到3个影响因素的排序为：絮凝剂添加量＞磷酸添加量＞主灰pH。影响絮凝物体积的主因素分析结果如图1所示，由图1可知，絮凝剂添加量对絮凝物体积的影响远大于其他2个因素。絮凝剂(聚丙烯酰胺)在体系中形成大型网状结构，从而将甘蔗汁中的悬浮颗粒吸附聚集后快速沉降到底部。在不添加絮凝剂时，在相同时间内聚集的沉淀颗粒较少，沉降速度较慢，导致絮凝物的密度较低，因此表现出的体积较大。而在添加絮凝剂后，蔗汁中形成的絮凝物沉积速度较快，絮凝物的内部结构更为密实，因此在试验中絮凝物的体积反而表现出明显的下降。而在1.5和3.0 mg/kg 2个添加量情况下，絮凝物沉淀均相对密集，体积基本一致。磷酸添加量对絮凝物体积的影响次之，总体而言，磷酸添加量越多则絮凝物体积越大，说明沉降下来的杂质越多。主灰 pH对絮凝物体积的影响则相对较小，在试验所使用的 pH范围内(7.0～7.8)，絮凝物体积并未表现出明显的变化。

2.1.3 不同处理对马铃薯成熟期的影响 CK2处理未喷施任何缓解药剂，植株枯黄最早;处理1、2、3相继枯黄死秧，比CK2推迟了4～7 d，CK1处理与1、2、3 处理相比早成熟了 3～6 d。

图1 絮凝物体积影响因素分析

2.2.2 色值影响因素分析

影响澄清汁色值的主因素分析结果如图2所示，通过极差分析得到3个影响因素的排序为：主灰pH＞磷酸添加量＞絮凝剂添加量。从磷酸添加量对色值的影响趋势可知，磷酸添加量越大则澄清汁的色值越低。而主灰 pH在中性和碱性条件下的结果相差较大，碱性条件下色值相对较高，但 pH=7.4和pH=7.8时的色值接近。相比其他2个因素，絮凝剂对色值的影响较小，1.5 mg/kg絮凝剂添加量条件下澄清汁的色值最低。

图2 色值影响因素分析

2.2.3 浊度影响因素分析

影响澄清汁浊度的主因素分析结果如图3所示，通过极差分析得到3个影响因素的排序为：絮凝剂添加量＞磷酸添加量＞主灰pH，且絮凝剂对浊度的影响远大于其他 2个因素。当絮凝剂添加量为 1.5 mg/kg时，澄清汁的浊度最低。当磷酸添加量从100 mg/kg逐步提高到300 mg/kg时，溶液中的可溶性磷酸盐与钙离子生成的沉淀越多，吸附的悬浮粒子效果越好，澄清汁浊度逐渐降低。在试验范围内为达到最低浊度，磷酸的最优添加量为300 mg/kg。根据图3可知，主灰pH对浊度的影响相对较小，当pH为7.4时浊度最低。

图3 浊度影响因素分析

2.2.4 视纯度影响因素分析

影响澄清汁视纯度的主因素分析结果如图4所示，通过极差分析得到3个影响因素的排序为：磷酸添加量＞絮凝剂添加量＞主灰pH。由图4可知，随着磷酸添加量的增大，清汁的视纯度也随之增大；当磷酸添加量为300 mg/kg时，视纯度达到最高值87.33%。当絮凝剂添加量为1.5 mg/kg、主灰pH为7.8时，澄清汁视纯度相对较高。因此在甘蔗原料纯度偏低的情况下，可采用300 mg/kg磷酸添加量和高主灰pH的深度澄清工艺，有效提高澄清汁纯度。

图4 视纯度影响因素分析

2.2.5 澄清汁pH影响因素分析

澄清汁pH的主因素分析结果如图5所示，通过极差分析得到3个影响因素的排序为：主灰pH＞磷酸添加量＞絮凝剂添加量。由图5可知，澄清汁pH受主灰pH的影响较大，该值随主灰pH的增加而增加。且澄清汁 pH与还原糖含量、煮糖温度及时间有较大联系，磷酸添加量和絮凝剂添加量对澄清汁pH的影响较小。

图5 澄清汁pH影响因素分析

2.2.6 絮凝物沉降速度的影响因素分析

絮凝物沉降速度的主因素分析结果如图6所示，通过极差分析得到3个影响因素的排序为：絮凝剂添加量＞磷酸添加量＞主灰pH。由图6可知，絮凝剂添加量对絮凝物沉降速度的影响远大于磷酸添加量和主灰pH；在未添加絮凝剂条件下，絮凝物的沉降速度仅为6 mL/min，而在添加絮凝剂后，絮凝剂的沉降速度明显上升。在1.5和3.0 mg/kg的磷酸添加量水平下，絮凝物的沉降速度分别为 66和 67 mL/min，表明2种添加量水平对絮凝物沉降速度的效果相当。

图6 沉降速度影响因素分析

2.2.7 最优澄清条件的选择

沉降速度和沉淀质量是实际生产中体现澄清效率的关键性指标，而絮凝物体积是沉淀质量的主要表现形式，因絮凝剂添加量对二者的影响最大，并结合经济成本分析，选择絮凝剂最优添加量为 1.5 mg/kg。磷酸添加量主要影响色值和视纯度，实际生产中澄清汁色值相比视纯度更关键，高色值的澄清汁更易得到风味浓郁的深颜色红糖，再综合经济因素，选择磷酸最优添加量为200 mg/kg。主灰pH主要影响澄清汁pH和色值，澄清汁pH和色值对后续煮糖环节中风味物质的形成起关键作用，主灰 pH较大时易导致红糖产品碱味较重，因此最优主灰pH 为7.4。

3 结论

本文通过红糖澄清工艺的优化正交试验研究，详细分析了磷酸添加量、主灰 pH和絮凝剂添加量对甘蔗汁澄清效果的影响情况。研究结果表明，红糖澄清工艺的最佳澄清条件为：磷酸添加量 200 mg/kg，主灰pH 7.4，絮凝剂添加量1.5 mg/kg；在此条件下，澄清汁纯度为87.32%，浊度为21 MAU，pH为7.41。本研究结果可为蔗汁澄清制备红糖提供更多的理论借鉴。