摘 要：糖汁清凈是制糖工藝中的重要環(huán)節(jié)，它的任務(wù)是對來自壓榨車間的混合糖汁進行提凈處理。目的是通過除去非糖成分以提高糖汁的純度，并降低其粘度和色值，為煮糖結(jié)晶提供優(yōu)質(zhì)的原料糖漿。根據(jù)糖汁澄清基本原理以及影響糖汁清凈的因素，論述了強化糖汁清凈過程和提高清凈效率的途徑。

關(guān)鍵詞：甘蔗糖汁；高分子聚合物；膠體；亞硫酸法

中圖分類號 S566.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）11-117-04

1 糖汁澄清的基本原理

滲出汁中非糖分的存在會對加工造成困難，影響糖品質(zhì)量并增加廢蜜量和糖分的損失。因此在進行糖汁濃縮和結(jié)晶之前要進行清凈，以盡可能地清除非糖分[1]。清凈的目的是：除去滲出汁中的懸浮粒子；中和滲出汁的酸性；除去著色物質(zhì)；盡量除去非糖分，尤其是表面活性非糖分和膠體物。通過清凈使糖汁純度提高、粘度和色值降低，為煮糖結(jié)晶制備好優(yōu)質(zhì)原料糖漿。

按照所用主要清凈劑的不同，糖汁清凈基本上有石灰法、亞硫酸法和碳酸法3類。后者清凈效果最佳，通常2次充入碳酸氣，又叫雙碳酸法。對滲出汁先進行預(yù)加灰（以石灰乳形式加入），以中和酸度和最大限度地凝聚和沉淀非糖分（主要是膠體等高分子物質(zhì)）。然后加熱，再加入過量石灰乳，即主加灰，使非糖分在強堿高溫作用下分解，提高糖汁的熱穩(wěn)定性，并為以后碳酸飽充提供足夠的氫氧化鈣。主灰汁經(jīng)加熱后第1次充入碳酸氣，將氫氧化鈣飽充生成不溶解的碳酸鈣。新生的碳酸鈣對非糖分有良好的吸附作用，與飽充至最佳堿度下凝聚的非糖分結(jié)成顆粒沉淀。經(jīng)過濾除去沉淀非糖分后再加熱進行第2次碳酸飽充，使糖汁中剩余的氫氧化鈣和鈣鹽量降至最低限度。否則在糖汁蒸發(fā)過程中會使加熱面上嚴重積垢。而非糖分過多的帶入糖漿中不但會使結(jié)晶發(fā)生困難，且提高廢蜜量，增加工藝糖分損失。在蒸發(fā)前后糖汁還要進行硫漂（通入SO2），進一步降低色值和粘度，并起殺菌作用。雙碳酸法清凈一般可除去滲出汁中30%～45%的非糖分。盡管清凈效率還不夠高，但許多有害非糖分的去除已可滿足結(jié)晶前的要求，可生產(chǎn)出質(zhì)量較高的白糖。

1.1 混合汁的組成以及性質(zhì) 從甘蔗提取的蔗汁具有非常復(fù)雜的成分，其中除含量較多的蔗糖外，還有各種無機和有機非糖雜質(zhì)（稱為非糖分），如還原糖、多糖、蛋白質(zhì)、各種氨基酸與酰胺、有機酸、膠體物、蔗汁蔗蠟、植物色素、灰分等，此外，混合汁中還有相當多的蔗屑和泥沙。這些非糖分的存在，最后必將影響到蔗糖分的提取和產(chǎn)品的質(zhì)量[2]。因此甘蔗糖廠澄清工段的任務(wù)是對來自壓榨工段的蔗汁（混合汁）進行提凈處理。

部分有機非糖，如蛋白質(zhì)、果膠、單寧、聚戊糖、色素及部分類脂，因為它們都有不同程度的水化作用，所以又都是親水膠體；至于無機非糖中的二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵等，在混合汁中相應(yīng)地生成的硅酸膠、氫氧化鉛、氫氧化鐵則均屬于憎水膠體。各種膠體都具有以下基本性質(zhì)：高度分散性；不均勻性（又稱多相性）；聚結(jié)不穩(wěn)定性。蔗汁膠體由于膠體帶電和溶劑化，所以在實際中處于穩(wěn)定狀態(tài)。蔗汁中膠體體系的存在或形成對制糖過程都是不利的。膠體的存在能使糖漿、廢蜜的粘度增大，從而阻礙結(jié)晶、分蜜，增加糖分損失，同時還能使晶粒的色值加深，影響產(chǎn)品的質(zhì)量，當然也能阻礙沉降過濾的順利進行。為此，在澄清糖汁時，應(yīng)最大限度地把膠體除去。

混合汁是一種多元復(fù)雜的溶液，其中既有膠態(tài)又有晶態(tài)的物質(zhì)，既有強電解質(zhì)又有弱電解質(zhì)，既有酸性又有堿性物質(zhì)及其鹽類，既有溶解度小的物質(zhì)又有溶解度大的物質(zhì)，既有無機物又有有機物，既有小分子化合物又有高分子化合物，既有簡單分子化合物又有復(fù)雜的絡(luò)鹽化合物，既有表面活性物質(zhì)又有表面非活性物質(zhì)?；旌现粌H多樣而且多變，它的變化不但來自本身，易受外界條件的影響。

1.2 清凈效率 清凈效率的高低一般表現(xiàn)在混合汁澄清處理變?yōu)榍逯笥卸嗌俜翘欠直磺宄?。因非糖分的多少與糖汁的純度直接有關(guān)，而純度則是常規(guī)化驗項目之一，故計算時可設(shè)：混合汁純度P1，非糖分為100-P1，澄清汁純度P2，非糖分為100-P2，由此得：清凈效率=（混合汁中非糖分/糖分-清汁中非糖分/糖分）/（混合汁中非糖分/糖分）×100%={[（100-P1）/P1-（100-P2）/P2]/（（100-P1/P1）}×100%。即：清凈效率=[（清凈純度-混合汁純度）100]/[（100-混合汁純度）清汁純度]×100%。純度一般采用重力純度，也可以用簡純度，但代表性和準確性都比重力純度差一些。

2 影響蔗汁清凈的因素

2.1 色素及有色非糖分 甘蔗中的天然色素主要分為脂溶性和水溶性兩大類。脂溶性色素通常與各種蔗汁混合存在，與蛋白質(zhì)緊密連結(jié)，分散成懸浮微粒；水溶性色素主要是各種酚類物質(zhì)，在生產(chǎn)過程?？尚纬筛钌奈镔|(zhì)，嚴重影響制糖過程[3]。鐵、氧和氧化酶也可以導(dǎo)致糖品出現(xiàn)深色。當糖汁加熱時，蔗糖的焦化、還原糖分解及美拉德反應(yīng)都可形成褐色物質(zhì)。它們都溶解于水，不能為石灰所沉淀，活性炭和離子交換樹脂可將其吸附并除去大部分，但亞硫酸法的生產(chǎn)過程除去極少，因此對產(chǎn)品質(zhì)量有較大的影響。為了減少色素對產(chǎn)品質(zhì)量的不良影響，應(yīng)當盡量處理新鮮而成熟的甘蔗，這樣可以減少蔗汁中還原糖和氨基酸等被稱為色源物質(zhì)的含量；制糖過程中還應(yīng)避免糖汁高溫和長時間過熱；減少鐵制設(shè)備或注意鐵銹的清除。

2.2 還原糖 還原糖是單糖，蔗汁中以葡萄糖和果糖為最多。還原糖能和氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng)，生成一種叫類黑素的色素。還原糖中的葡萄糖和果糖在pH=3.0最穩(wěn)定。堿性蔗汁若加熱超過38℃則會分解且不斷生成膠體物質(zhì)、色素、有機酸等，還可與氨基酸起美拉德反應(yīng)，形成的色素稱類黑精，反應(yīng)的副產(chǎn)品CO2和熱量還會給糖廠帶來許多不正常的情況，如CO2使糖膏發(fā)脹并從助晶箱中溢出，放熱反應(yīng)促使糖蜜中的蔗糖加速分解，從而使更多的還原糖參與反應(yīng)，熱量不斷增加，嚴重時不斷增加的熱量可使糖蜜中所有的糖受熱焦化，變成黑褐色泡沫狀的炭狀物。這種現(xiàn)象稱為廢蜜燃燒。

2.3 膠體 親水膠體主要是各種高分子量的有機物質(zhì)，對提純分離的不良影響相當大。存在于糖汁中的親水膠體主要有：蛋白質(zhì)、果膠、多糖類、高分子酚類物質(zhì)等，含有大量的親水基團，本身高度水化，很難脫水[4]。除了蛋白質(zhì)可以因變性作用被加熱凝聚，其他的高分子有機物通過水解作用，可促進多種有機物質(zhì)分散成為膠體，嚴重阻礙糖汁的提純分離。

2.4 有機酸類 糖汁中的有機酸有烏頭酸、草酸、蘋果酸、琥珀酸、檸檬酸、富馬酸等，以烏頭酸的含量最多，占甘蔗重量的0.05%～0.15%。由于甘蔗中烏頭酸的含量要高于磷酸，在加灰澄清時，必須增加石灰用量才能達到澄清所需的終點pH值。以上所有有機酸中，除了草酸能形成鈣鹽沉淀外，其他有機酸及其堿金屬鹽類均可溶于水，都具有造蜜作用。蔗汁中的有機酸越多，則中和它加入的石灰量越多，這對減少蒸發(fā)積垢及降低結(jié)晶過程的造蜜能力都是不利的。

2.5 無機物 糖汁中的無機物以堿類為主，大多以陽離子狀態(tài)存在于糖汁中。磷酸則有單磷酸、雙磷酸或有機磷酸鹽等形式；硅酸、三價鐵及鋁大部分都是溶膠狀態(tài)，其中以硅酸的含量為最多。糖汁中的P2O5含量對于糖汁澄清影響極大，但是含量過高，不但沉降速度十分緩慢，而且增加沉淀池及過濾機的負擔。

3 強化糖汁清凈過程和提高蔗汁清凈效率的途徑

3.1 壓榨過程

3.1.1 保證原料蔗的新鮮度及壓榨工序的環(huán)境衛(wèi)生 對于糖汁的提純分離來說，生產(chǎn)中保證甘蔗的新鮮程度是很重要的。為此，既要盡量縮短甘蔗從砍收到進廠壓榨之間的時間，又要嚴格執(zhí)行砍收規(guī)范。要盡量減少蔗屑的積存，有時應(yīng)加裝螺旋槳葉以便把蔗屑及時排走，同時注意壓榨機的蔗汁盆設(shè)計和曲篩的里外清潔。尤其要定時清理壓榨機、蔗汁曲篩、蔗汁秤管路等處，防止微生物的滋生[4]。

3.1.2 添加葡聚糖酶以減少葡聚糖的形成 葡聚糖酶可顯著地減少葡聚糖的形成，避免“蔗飯”的生成，降低物料的粘度，極大地改善糖汁提純分離的效能及成品糖的質(zhì)量，尤其在處理已變質(zhì)的原料蔗時更顯其重要性。

3.1.3 使用殺菌劑 在壓榨過程中，由于化學(xué)作用及微生物作用而引起的蔗汁變壞，除導(dǎo)致蔗糖損失外，還會妨礙澄清及過濾操作，因此要適當?shù)厥褂脷⒕鷦5]。在糖汁的化學(xué)變化方面，一般認為都是pH值較低所致，防治的辦法是在壓榨車間進行混合汁的預(yù)加灰，以便提高蔗汁的pH值。最為有效的辦法是每班上機后從每一座榨機開始逐座輪流清洗，可用熱水清洗輥面排汁槽、溝和死角的地方，洗完后再用殺菌劑。適當使用殺菌劑可減少蔗糖轉(zhuǎn)化為葡聚糖所造成的損失，最有可能提高糖分的回收率。這種預(yù)防方法不僅可以避免葡聚糖在壓榨過程的形成而造成糖分損失，而且有助于改善糖汁的提純分離。

3.2 澄清過程 目前國內(nèi)外糖廠采用的澄清方法主要有石灰法、亞硫酸法和碳酸法3種。因此需要一些輔助的新方法來提高糖汁的澄清程度和效率。

3.2.1 絮凝劑的正確使用 為了改善蔗汁的沉降過程，國內(nèi)大多數(shù)甘蔗糖廠使用絮凝劑。若選用氣浮工藝，則要選用優(yōu)質(zhì)絮凝劑。絮凝劑一般選用高分子電解質(zhì)，其中又分為有機高分子絮凝劑和無機高分子絮凝劑兩大類。加入高分子電解質(zhì)作為絮凝劑主要是利用它的分子量和電荷。高分子電解質(zhì)的絮凝作用還在于具有吸附作用，有如溶液中分散微粒的粘合劑。選用聚丙烯酰胺作絮凝劑時，為了強化絮凝作用，使用前要加堿水解，促使聚丙烯酰胺原來卷曲的分子鏈得以展開。這種水解體的絮凝能力要比未水解的大得多，沉降速度可提高0.5～1倍。而糖品分析用的無毒澄清劑主要成分是硫酸鋁和鉍化合物，效果很好。還有一種G409澄清劑，是一種高價聚合鋁離子的化合物，加入糖汁中能使部分有色物和膠體凝聚，提高清凈效果。用量0.04%～0.05%（原液對混合汁）的比例加入混合汁中，再進行常規(guī)的亞硫酸法處理，清汁色值可比不加者降低8%～20%。

3.2.2 蔗汁磷酸澄清法的使用[6] 磷酸法澄清由于加入了比亞硫酸法澄清用量還多的磷酸，因而產(chǎn)生了較多的磷酸鈣沉淀，磷酸鈣具有較強的吸附作用，其脫色效果遠優(yōu)于亞硫酸鈣甚至碳酸鈣。磷酸鈣的沉淀結(jié)構(gòu)與碳酸鈣、亞硫酸鈣不同，后兩者都是較緊密結(jié)實的沉淀粒子，而磷酸鈣的沉淀是絮狀物，其團塊可大到1cm以上，是有許多空腔的網(wǎng)狀物。由于磷酸鈣絮凝物具網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此在清凈過程除了吸附雜質(zhì)外，一些微小的膠體微粒，不管是否已失去穩(wěn)定性，都可由其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)捕集而除去。

經(jīng)過良好磷酸處理的糖汁特別清亮透明，若能加入適量的聚丙烯酰胺絮凝劑，效果會更好。適當使用磷酸替代二氧化硫處理蔗汁的磷酸法，其澄清效率超過了亞硫酸法，接近或達到碳酸法。

3.2.3 單層快速沉降器的使用 英國FS公司制造了這種單層快速沉降器設(shè)備。這種設(shè)備已在印度尼西亞的亞硫酸法糖廠普遍應(yīng)用。我國在20世紀70年代大約有10家亞硫酸法糖廠曾試用過單層快速沉降器，蔗汁沉降時間由70～80min縮短至35～40min，減少糖分轉(zhuǎn)化損失，減少設(shè)備費用及占地面積約2/3?？墒蔷蛉狈x表控制工藝參數(shù)和蔗汁進入沉降器前沒有足夠緩沖設(shè)備而未能在生產(chǎn)中繼續(xù)使用。

3.2.4 液態(tài)二氧化硫在糖汁澄清過程中的應(yīng)用 利用液態(tài)二氧化硫清凈處理的糖汁所煮制的白砂糖之色值比較穩(wěn)定。不過，產(chǎn)品的混濁度普遍偏高，在停榨時甚至超標，這主要與亞硫酸法澄清工藝的操作有一定的關(guān)系，如果配合糖漿上浮處理工序，那么混濁度偏高的問題肯定能夠得到解決。

3.2.5 電解法的使用 電解對糖汁產(chǎn)生的提凈作用主要有2種：一種為電中和的沉淀作用；一種為電絮凝產(chǎn)生物界面的吸附作用。電解對沉淀的形成沿2個方向進行：一為糖汁pH值變化達到膠體最適的凝聚沉降值；一為金屬電極本身析出的陽離子作為中和負電荷膠體的絮凝劑。天然糖汁電解時，可以明顯地看到產(chǎn)生大量上浮的泡沫和失去電荷下墜的膠體沉淀，二者均具有良好的吸附作用，有助于糖汁澄清。

3.2.6 糖漿氣浮清凈新工藝的應(yīng)用 糖漿氣浮清凈工藝的本質(zhì)在于氣泡浮生雜質(zhì)[7]。在氣浮過程中，通過微小氣泡和初生磷酸鈣的聚合作用以及絮凝劑的二次凝聚、網(wǎng)絡(luò)作用形成極大的凝聚物，從而帶走粗糖漿中的雜質(zhì)（如膠體、灰分、色素等）。在此過程中，初生磷酸鈣有吸附功能，氣泡起浮升作用，因此氣泡的質(zhì)量十分關(guān)鍵。

在粗糖漿清凈工藝中，增加糖漿氣浮清凈新工藝，可以起到以下的作用：（1）降低粗糖漿的色值；（2）降低粗糖漿的濁度，提高糖漿的清度；（3）降低糖漿的粘度，縮短糖漿的煮制時間；（4）提高白砂糖的合格率和產(chǎn)糖率；（5）降低粗糖漿的灰分含量。

糖漿氣浮清凈新工藝中使用無機陽離子新型澄清劑，其對糖漿脫色、除濁的原理是：新型澄清劑兼?zhèn)潆娊赓|(zhì)的離子效應(yīng)、電中和凝聚作用和高分子本體的架橋絮凝作用，對糖漿中的色素、膠體可產(chǎn)生電中和作用，使膠體粒子表面的§電位與擴散層厚度同時降低。當膠體粒子表面的§電位降為極低時就會脫穩(wěn)凝聚，而其長鏈本體則可發(fā)揮粘結(jié)架橋作用，因此可有效地降低糖漿的色值和濁度。

3.3 過濾過程

3.3.1 混合汁過濾選用新型濾材 使用銅條篩網(wǎng)通常有1次銅條過濾和2次銅條過濾2類，目的是盡量除去混合汁中的蔗糠。但盡管經(jīng)過2次銅條過濾，但混合汁中仍有較多的蔗糠未能除去，沉降速度不佳，濾泥量較大。在美國，一般采用2段洗滌方法來減少濾泥的糖分。糖廠一般第1次過濾用板框式壓濾機，然后把濾泥用水稀釋，再用真空過濾機過濾和洗滌。若改用15目的尼龍篩網(wǎng)，既可除去較多的蔗糠，也不影響過濾速度，有利于糖汁的提純分離[8]。

3.3.2 添加濾餅脫水劑 汁在澄清器中的滯留時間過長會影響到成品糖的色值并造成糖分解，低下的澄清效率同樣會增加糖分在濾餅中的損失。陳其斌博士的實驗表明，正確選用化學(xué)聚合物可減少7%～15%的濾餅水分，并使濾餅的轉(zhuǎn)光度降低0.5～2.5，有助于提高過濾速度。

3.4 清汁的再處理

3.4.1 利用超濾膜對甘蔗汁進行過濾 超濾技術(shù)由于省能、高效、易于操作，已開始從實驗室伸展到生產(chǎn)領(lǐng)域[9]。超濾在膜組件的流體管理策略、控制極化和污染以及降低換膜費用等方面潛力極大，已經(jīng)成為糖汁提純分離的一個發(fā)展方向。

超濾膜過濾甘蔗汁要采用3次過濾才能達到較好的效果，即1次袋濾或碟片過濾器過濾，2次超濾，濾清汁可以直接進入蒸發(fā)工段。超濾膜的孔徑為0.01μm，清凈效率達到25%以上，清汁的色值平均為69。St，混濁度平均為74。而一般常規(guī)的亞硫酸法糖廠清汁色值平均為110。St，混濁度平均為95；清凈效率一般是20%～22%。

3.4.2 應(yīng)用微孔過濾技術(shù) PA微孔過濾系統(tǒng)處理混合清汁迅速，對糖汁無污染，且在過濾器中的停留時間較短（少于1min），可成功地除去非糖分微粒，混合汁處理后錘度平均下降1°BX，純度則升高1 109AP，色值下降約12%，混濁度下降43%。3.4.3 離子交換劑的應(yīng)用 離子交換劑包括離子交換樹脂和離子交換纖維等。交換樹脂分為聚苯乙烯型和聚丙烯型的，可除去離子型色素和芳香性色素，但不易再生，成本較高；離子交換纖維能除去大部分陰離子色素，而不能除去芳香性色素，但易再生。離子交換纖維的成本較低，是一種新型的高效離子交換劑，例如國產(chǎn)VS-2強堿陰離子交換纖維的脫色效能及再生效能均優(yōu)于常用的脫色樹脂，脫色率在75%以上。

3.4.4 使用氧化劑和臭氧脫色 有家糖廠在50℃的糖漿中通入臭氧，糖漿在30min的脫色率超過80%；有人在pH7.0、溫度為27℃的糖汁中通入臭氧，10min內(nèi)脫色率已超過50%。這是因為糖汁中的色素大都是含有大量共軛雙鍵的有機物。過氧化氫（H2O2）和臭氧能將糖汁中的色素雙鍵氧化而斷裂，破壞生成分子量較低、含雙鍵較少的物質(zhì)，從而消除它對可見光的吸收，從而使顏色消退。

3.4.5 板框型超濾器在蔗汁清凈過程中的應(yīng)用 利用超濾技術(shù)處理亞硫酸法糖廠混合清汁，可有效降低其色值和混濁度，提高糖汁純度?？刂瞥瑸V壓力是發(fā)揮超濾效能的關(guān)鍵[10]。壓力過低，濾出液流量少；壓力過高則濾出液色值、混濁度上升趨勢較明顯；此外，壓力的波動會破壞濾餅，嚴格影響濾出液質(zhì)量。實驗表明，在壓力0.21MPa、進料溫度40℃，處理時間超過60min，濾出液的純度有所降低，色值增加。由于生產(chǎn)過程中的混合清汁溫度可達100℃左右，若降溫后再處理會增大能耗，不經(jīng)濟。因此，應(yīng)采用耐高溫的膜組件，循環(huán)時間控制在30～60min。另外，充分利用濾餅的助濾作用可以適當增大膜的孔徑。全回流的試驗表明，只要固定進口壓力，濾餅的穩(wěn)定性很好，因此，生產(chǎn)中若能根據(jù)濾出液流量連續(xù)進料和定時排廢，以降低截留液的雜質(zhì)濃度，既可增加濾出液流量，又可實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。

4 結(jié)語

糖汁清凈在制糖工業(yè)中占有非常重要的地位，直接影響了蔗糖成品的質(zhì)量。糖汁的分離提純要通過多個工序得以實現(xiàn)，所以解決辦法要根據(jù)生產(chǎn)實際分階段實施。因此我們要對糖汁特性進行更深入的了解，掌握更先進的糖汁清凈技術(shù)。各糖廠要針對存在問題，有目的地選擇和組合才能收到理想的效果。

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（責編：徐世紅）