甘蔗汁澄清工艺研究杨帆;魏锡均;沈王庆【摘要】为了明确振荡工艺和离心工艺对甘蔗汁澄清效果的影响,采用单因素试验探讨了振荡时间、振荡温度和振荡速度对甘蔗汁澄清效果的影响,并利用L9(34)正交试验得出最优振荡条件组合;在最优振荡条件组合的基础上进一步考察了离心机的转速、离心时间和升降速度对甘蔗汁澄清效果的影响,并利用L9(3 4)正交试验得出最优离心条件组合.结果表明,最优振荡条件组合为:振荡时间60 min、振荡温度70 ℃、振荡速度150 r/min,各因素的主次影响顺序依次为振荡温度、振荡速度、振荡时间;最优离心条件组合为:离心机转速9 000 r/min、离心时间12 min、升降速度10档,各因素的主次影响顺序依次为离心机转速、离心时间、升降速度,在最优振荡条件和离心条件下,甘蔗汁的透光率达86.3％.【期刊名称】《河南农业科学》【年(卷),期】2015(044)002【总页数】5页(P151-155)【关键词】振荡工艺;离心工艺;澄清;甘蔗汁【作者】杨帆;魏锡均;沈王庆【作者单位】内江师范学院化学化工学院,四川内江641112;内江师范学院化学化工学院,四川内江641112;内江师范学院化学化工学院,四川内江641112【正文语种】中文【中图分类】TS275.5甘蔗含糖量十分丰富，还含有大量的铁、锌、锰等人体必需的微量元素，其中铁的含量特别多，达9 mg/kg，居水果之首，素有“补血果”的美称。
此外，还含有谷氨酸、天门冬酸、丝氨酸等多种氨基酸，并含有苹果酸、柠檬酸等有机酸［1］。
甘蔗鲜汁具有营养丰富、味道鲜美、通便解结、缓解酒精中毒等特点，深受广大消费者喜爱，但鲜甘蔗汁色泽浑浊，影响销售，因而需要对甘蔗鲜汁进行澄清。
同时，我国是甘蔗生产大国，甘蔗是我国糖业生产的主要原料，在以甘蔗为原料生产蔗糖过程中也需要经过澄清工艺过程。
甘蔗汁澄清工艺的效果是影响蔗糖产品产量和质量的最主要因素，同时澄清工艺的消耗在整个制糖工艺中也占了很大的比例，因此甘蔗汁的澄清工艺一直是制糖行业关注的焦点，也是制糖工艺的难点［2-3］。
目前，甘蔗汁的澄清方法主要有石灰法、亚硫酸法、碳酸法等，其他还有磷酸法、离子交换法、薄膜分离法等［3］。
石灰法工艺简单，操作方便，但是其脱色效果比不上亚硫酸法和碳酸法，我国现有的制糖澄清工艺大多采用亚硫酸法和碳酸法。
但这2种澄清工艺复杂，设备投资高，特别是CaO消耗量大，且需消耗大量能源，同时CO2和SO2以及滤泥污染严重。
磷酸法易产生较多的沉淀物质，清理设备时比较麻烦，而且磷酸价格高，如果作为主要澄清剂会增加生产成本，因此其一般作为亚硫酸法和碳酸法的辅助澄清法。
离子交换法对交换前的甘蔗汁澄清度有较大的要求，若甘蔗汁含有过多的不溶物，易堵塞滤孔造成处理量降低，而且交换材料的再生性和价格较高是其投入生产尚需解决的关键问题。
与传统的碳酸法、亚硫酸法相比，薄膜分离法所得的滤汁色值低、清亮度好、CaO含量低，纯度提高2个单位以上，但该法的生产能力小，膜清理困难，从而影响了膜分离法在工业中的推广应用。
此外，絮凝剂的应用研究也比较多，一些无机絮凝剂、高分子絮凝剂、生物絮凝剂等在甘蔗汁澄清工艺中得到应用，但由于絮凝剂对不同性质甘蔗汁的絮凝效果不同、不易操作管理、成本较高等因素，目前，絮凝剂仅在传统澄清工艺后作为一种补充，起到进一步的澄清作用［2-5］。
加热振荡工艺能加速甘蔗汁里的色素等的分解，可以提高甘蔗汁的透光率;离心工艺可加速甘蔗汁中一些胶体物质、大分子蛋白质等凝聚、沉淀，进一步提高甘蔗汁的透光率，从而达到甘蔗汁的澄清目的。
加热振荡工艺和离心工艺过程中无需加入任何其他物质，因而产生的沉淀物质少、易分离，且具有易操作、能耗低、设备投资成本小等综合优点，但目前还未见相关研究报道。
鉴于此，本研究采用单因素试验和L9(34)正交试验考查振荡工艺和离心工艺对甘蔗汁澄清效果的影响，得出最优的振荡工艺和离心工艺组合，以期优化甘蔗汁的澄清工艺，提高甘蔗汁的澄清效果。
1 材料和方法1.1 材料与仪器供试材料:新鲜甘蔗为符合生产工艺要求的黑皮甘蔗，产于四川内江;水，符合GB 5749—85要求。
主要仪器:TG－16台式高速离心机(四川蜀科仪器有限公司)、SJ201A－250苏泊尔榨汁机(浙江苏泊尔股份有限公司)、SHA－CA水浴恒温振荡器(常州诺基仪器有限公司)、722N可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)、AB135－3电子天平(瑞士METTLER TOLEDO公司)。
1.2 甘蔗原汁的制备选取符合生产工艺要求的黑皮甘蔗，清洗甘蔗表面，之后将整根甘蔗沿关节处砍断，切成小块，再用榨汁机榨取甘蔗汁，用滤布(孔径0.147 mm)过滤甘蔗汁，滤掉甘蔗汁中残留的甘蔗屑。
1.3 振荡工艺对甘蔗汁澄清的影响试验1.3.1 振荡条件的单因素试验1.3.1.1 振荡时间分别取10 mL的甘蔗原汁置于5个有标号的25 mL具塞锥形瓶中。
在振荡温度为40℃、振荡速度为150 r/min的条件下分别振荡30、45、60、75、90 min，置于转速为7 000 r/min、升降速度设为6档的条件下离心5 min，测定透光率，计算相对透光率。
相对透光率=T/T0，其中T为待测样品的透光率，T0为甘蔗原汁在离心机升降速度为6档、转速7 000 r/min下离心5 min测定的透光率。
1.3.1.2 振荡温度分别取10 mL的甘蔗原汁置于5个有标号的25 mL具塞锥形瓶中。
在振荡速度为150 r/min、振荡温度分别为30、40、50、60、70 ℃条件下振荡60 min，置于转速为7 000 r/min、升降速度为6档的条件下离心5 min，测定透光率，并计算相对透光率。
1.3.1.3 振荡速度分别取10 mL的甘蔗原汁置于5个有标号的25 mL具塞锥形瓶中。
在振荡温度为40 ℃、振荡速度分别为 50、100、150、200、250 r/min条件下振荡60 min，置于转速为7 000 r/min、升降速度为6档的条件下离心5 min，测定透光率，并计算相对透光率。
1.3.2 振荡条件的正交试验在单因素试验的基础上进行L9(34)正交试验，正交试验的因素和水平见表1。
分别取10 mL甘蔗原汁置于9个有标号的25 mL具塞锥形瓶中。
经正交试验条件下振荡后，置于转速为7 000 r/min、升降速度为6档的条件下离心5 min，测定透光率，并计算相对透光率。
表1 振荡条件的因素水平水平振荡时间(A)/min振荡温度(B)/℃振荡速度(C)/(r/min)1 45 50 100 2 60 60 150 3 75 70 2001.4 离心工艺对甘蔗汁澄清的影响试验1.4.1 离心条件的单因素试验1.4.1.1 离心机转速分别取10 mL甘蔗原汁置于5个有标号的25 mL具塞锥形瓶中。
在1.3所得出的最优振荡条件下振荡，置于转速分别为4 000、5 000、6 000、7 000、8 000、9 000 r/min，升降速度为6档的条件下离心10 min，测定透光率，并计算相对透光率。
1.4.1.2 离心时间分别取10 mL甘蔗原汁置于5个有标号的25 mL具塞锥形瓶中。
在1.3所得出的最优振荡条件下振荡，置于转速为7 000 r/min、升降速度为6档的条件下分别离心6、8、10、12、14 min，测定透光率，并计算相对透光率。
1.4.1.3 离心机升降速度分别取10 mL甘蔗原汁置于5个有标号的25 mL具塞锥形瓶中。
在1.3所得出的最优振荡条件下振荡，置于转速为7 000 r/min，升降速度分别为2、4、6、8、10 档的条件下离心10 min，测定透光率，并计算相对透光率。
1.4.2 离心条件的正交试验在离心条件单因素试验的基础上进行L9(34)正交试验，正交试验因素和水平见表2。
分别取10 mL甘蔗原汁置于9个有标号的25 mL具塞锥形瓶中。
在1.3所得出的最优振荡条件下振荡，再置于正交试验条件下离心后，测定透光率，并计算相对透光率。
表2 离心条件的因素水平水平离心转速(A)/(r/min)离心时间(B)/min升降速度档位(C)1 5 000 8 6 2 7 000 10 8 3 9 000 12 102 结果与分析2.1 振荡工艺对甘蔗汁澄清的影响2.1.1 振荡条件的单因素试验结果2.1.1.1 振荡时间由图1可知，随振荡时间的延长，甘蔗汁的相对透光率不断增大，当振荡时间超过75 min后甘蔗汁的相对透光率增幅较小。
这是由于开始时甘蔗汁中的一些胶体物质、大分子蛋白质和部分天然色素物质随振荡时间的延长发生了沉淀或分解［3］，相对透光率不断增大，当振荡时间为75 min时，沉淀或分解基本完全，此后再增加振荡时间，相对透光率基本不变。
图1 振荡时间对甘蔗汁澄清的影响2.1.1.2 振荡温度由图2可知，当振荡温度为30～60℃时，甘蔗汁的相对透光率不断增大，60℃达到最大值，此后随振荡温度的升高，甘蔗汁的相对透光率不断减小。
这主要是因为甘蔗汁中色素分为脂溶性色素和水溶性色素，脂溶性色素在甘蔗汁受热时和各种悬浮物、胶体和蛋白质等一起凝结;水溶性色素主要是各种酚类物质，在高温和氧化的条件下发生更多种化学反应和缩聚反应，如儿茶素生成缩合鞣质，花色素在光和热的作用下形成高分子的褐色物［3］。
当振荡温度为30～60℃时脂溶性色素在甘蔗汁中的凝结速度大于水溶性色素的反应速度，此时表现为相对透光率不断增大;当振荡温度超过60℃后，随振荡温度的升高，水溶性色素的反应速度大于脂溶性色素的凝结速度，表现为相对透光率不断减小。
图2 振荡温度对甘蔗汁澄清的影响2.1.1.3 振荡速度由图3可知，振荡速度为50～200 r/min时，甘蔗汁的相对透光率不断增加，此后随振荡速度的增大，相对透光率减小。
这主要是因为甘蔗汁中含有少量的带电胶体，随振荡速度的增大，它们之间的凝聚、沉淀作用也不断增大，从而表现为相对透光率不断增大;当振荡速度超过200 r/min后，随振荡速度的增大，沉淀物的溶解速度超过了沉淀物的沉降速度，此时透光率反而减小。
图3 振荡速度对甘蔗汁澄清的影响2.1.2 振荡条件的正交试验结果由表3可知，各振荡因素对甘蔗汁澄清效果影响的主次顺序依次为B、C、A，即振荡温度、振荡速度、振荡时间。
最优振荡组合为在A2B3C2，即振荡时间为60 min、振荡温度为70℃、振荡速度为150 r/min。
在A2B3C2条件下甘蔗汁的相对透光率为2.2，优于表3中的试验结果。
表3 振荡条件的正交试验结果编号水平A B C 相对透光率1 1.4 2 1 2 2 1.5 1 1 1 3 1.7 4 2 1 2 1.4 1 3 3 5 1.6 6 2 3 1 1.7 2 2 3 7 1.5 8 3 2 1 1.0 3 1 3 9 3 3 21.9 k1 1.53 1.43 1.40 k2 1.60 1.40 1.63 k3 1.47 1.77 1.60 R 0.13 0.37 0.232.2 离心工艺对甘蔗汁澄清的影响2.2.1 离心条件的单因素试验结果2.2.1.1 离心机转速由图4可知，随离心机转速的增大，甘蔗汁的相对透光率不断增大，当转速超过7 000 r/min后，相对透光率基本不变。