李雪珍，沈石妍，郭家文

（云南農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開遠(yuǎn)661699）

制糖生產(chǎn)中，蔗汁的澄清工藝有亞硫酸法、碳酸法和離子交換法，亞硫酸法和碳酸法均使用二氧化硫硫熏脫色，容易造成二氧化硫污染和成品白砂糖二氧化硫超標(biāo)，碳酸法還因副產(chǎn)物濾泥堿度高，而難以被再利用，離子交換法的不足之處在于，樹脂的再生需要耗費(fèi)大量的水和化學(xué)試劑，對(duì)環(huán)境不利。蔗汁中，含有很多的懸浮顆粒物，如蔗糠、蔗蠟等，還有大量半懸浮微粒，如淀粉等，這些非糖分在低溫下呈現(xiàn)不溶狀態(tài)，在澄清過程中，隨著加熱時(shí)間的增長(zhǎng)，會(huì)部分溶解或以膠體的形式分散在蔗汁中，且蔗汁的顏色加深，新生成的有色物質(zhì)在生產(chǎn)中很難被除去，對(duì)后續(xù)工序的處理和白砂糖的質(zhì)量帶來不良影響[1]，研究低溫沉清脫色對(duì)制糖生產(chǎn)具有重要的意義。

殼聚糖是一種天然陽離子型高分子絮凝劑，是天然多糖中唯一的堿性氨基多糖。溶于稀酸溶液，帶正電荷，殼聚糖作為絮凝劑兼有電中和絮凝和吸附、絮凝雙重作用，當(dāng)加入到糖汁中時(shí)，會(huì)吸附絮凝糖汁中帶負(fù)電荷的色素、果膠、單寧等形成絮凝物[2]。殼聚糖在果汁的澄清中運(yùn)用較多，如菠蘿汁、獼猴桃果汁、蘋果汁等的澄清[3-5]，此外，殼聚糖還具有一定的抑菌保鮮作用[6-9]，而在甘蔗制糖生產(chǎn)中應(yīng)用很少?；钚蕴渴且环N具有非極性表面的多孔吸附劑，其吸附的理想狀態(tài)是從水溶液中吸附有機(jī)物質(zhì)[10]，是一種高效的糖液脫色劑，其生產(chǎn)取材廣泛，富含碳的纖維材料都能用來生產(chǎn)活性炭，包括制糖生產(chǎn)的副產(chǎn)物蔗渣[11]?；钚蕴吭谥铺菢I(yè)中多用于對(duì)粗糖或紅糖糖漿進(jìn)一步的脫色生產(chǎn)精制糖[12-14]，國(guó)內(nèi)很少用于甘蔗全汁的脫色?；跉ぞ厶堑男跄院鸵志?，活性炭的吸附脫色性，本實(shí)驗(yàn)就殼聚糖協(xié)同活性炭在室溫下對(duì)甘蔗蔗汁脫色情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 材料

蔗汁：甘蔗經(jīng)小型壓榨機(jī)壓榨一次提汁；殼聚糖：分析純，200 mPa.s～400 mPa.s；活性炭：云南永德康偉生物碳業(yè)有限公司；殼聚糖溶液：稱取1.0 g殼聚糖于100 mL含1 mL冰乙酸的水中搖至完全溶解，4℃保存?zhèn)溆茫ㄒ恢軆?nèi)使用）。

1.2 儀器

旋光儀：JH-P400（上海佳航儀器儀表有限公司）；電子天平：JH3102（上海精科天美科學(xué)儀器有限公司）；手動(dòng)移液器：5 mL（Sartorius）；阿貝折射儀：WAY-2S（上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司）；小型壓榨機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 殼聚糖絮凝實(shí)驗(yàn)[15]殼聚糖溶液用量的單因素絮凝實(shí)驗(yàn)，量取100 mL蔗汁于不同的燒杯中，分別加入不同體積用量的殼聚糖溶液，迅速攪拌均勻，觀察蔗汁絮凝現(xiàn)象，當(dāng)蔗汁出現(xiàn)瞬間絮凝時(shí)，選取此殼聚糖溶液體積用量為最佳添加量。

1.3.2 殼聚糖絮凝下活性炭單變量脫色實(shí)驗(yàn) 活性炭用量的單變量脫色實(shí)驗(yàn)，量取100 mL蔗汁于不同的燒杯中，加入最佳的殼聚糖溶液體積毫升數(shù)，攪拌均勻后分別加入不等量的活性炭，調(diào)節(jié)混合物pH為7.0，靜置脫色20 min后，測(cè)其色值。

1.3.3 對(duì)不同甘蔗汁的協(xié)同脫色實(shí)驗(yàn) 以殼聚糖溶液的最佳使用量協(xié)同一定的活性炭對(duì)不同品種的甘蔗汁進(jìn)行脫色實(shí)驗(yàn)。脫色實(shí)驗(yàn)操作同1.3.2，并分別測(cè)量脫色前后蔗汁、清汁的重力純度。

1.3.4 檢測(cè)方法 色值：參照文獻(xiàn)[16]在制品和深色制品色值的測(cè)定方法，波長(zhǎng)420 nm。

脫色率=（脫色前蔗汁色值-清汁色值）/脫色前蔗汁色值×100

重力純度：參照《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》[16]蔗糖分采用二次旋光法測(cè)定，錘度采用折光法測(cè)定。

重力純度差=脫色后清汁的重力純度-脫色前蔗汁的重力純度

2 結(jié)果與分析

2.1 殼聚糖絮凝實(shí)驗(yàn)結(jié)果

取一甘蔗汁，進(jìn)行殼聚糖的單因素絮凝實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果如表1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，隨著殼聚糖加入量的增加，蔗汁出現(xiàn)絮凝的速度逐漸加快，當(dāng)用量增至5.0 mL時(shí)，蔗汁中絮凝在瞬間出現(xiàn)，據(jù)此確定實(shí)驗(yàn)中殼聚糖溶液的最佳用量為5.0 mL。

表1 殼聚糖的絮凝試驗(yàn)結(jié)果

2.2 殼聚糖絮凝下活性炭單變量脫色效果

表2 活性炭脫色結(jié)果

在殼聚糖的絮凝下，對(duì)活性炭進(jìn)行單變量脫色實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。運(yùn)用SPSS分析工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如圖1至圖4所示。相對(duì)于蔗汁，脫色率變化情況如圖1所示，總脫色率隨活性炭用量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從建立的數(shù)學(xué)模型中來看：y1=-80.714x2+110.586x+59.363，y1表示總脫色率，x表示活性炭用量。調(diào)整R2為0.984，檢驗(yàn)sig 0.001＜0.05，模型在95%的置信度下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，總脫色率殘差為2.7%。當(dāng)x=0.0 g時(shí)，總脫色率y1=59.369%，把曲線向下平移通過零點(diǎn)，即得到活性炭相對(duì)于蔗汁的脫色率變化曲線，在殼聚糖的協(xié)同下總脫色率遠(yuǎn)高于活性炭的脫色率，很明顯，蔗汁中近60%的有色物質(zhì)被殼聚糖吸附絮凝。

圖1 脫色率曲線圖

圖2 協(xié)同脫色清汁色值曲線圖

圖3 活性炭脫色曲線圖

相對(duì)于蔗汁，清汁色值變化情況如圖2所示。在圖2中所示，清汁色值隨著活性炭協(xié)同用量的增加，清汁色值逐漸降低。其色值降低軌跡為，y2=14198x2-19385x+7098.2，其中y2表示清汁色值，x表示活性炭的協(xié)同用量，當(dāng)x=0，時(shí)y（2）=7098.2 IU，占蔗汁色值17404 IU的40.78%。可見，蔗汁中尚有近40%的有色物質(zhì)未被殼聚糖吸附絮凝，這部分有色物質(zhì)即是活性炭吸附的對(duì)象。

結(jié)合圖1和圖2的分析，可以得到活性炭相對(duì)于未被吸附絮凝的有色物質(zhì)吸附脫色的變化軌跡，在圖3中所示，活性炭相對(duì)于蔗汁中未被殼聚糖吸附絮凝的有色物質(zhì)，隨著活性炭用量的增加，吸附脫色率逐漸增加至90%以上?？梢姡跉ぞ厶?活性炭協(xié)同脫色的過程中，活性炭的吸附脫色同樣重要。

各協(xié)同因子對(duì)總脫色率的影響如圖4所示，各協(xié)同因子在總脫色率中的變化規(guī)律，隨著活性炭的增加，脫色率隨之增加，活性炭對(duì)總脫色率的影響百分比逐漸遞增接近40%，而殼聚糖對(duì)總脫色率的影響百分比卻隨著活性炭用量的增加逐漸遞減接近60%。且殼聚糖協(xié)同因子對(duì)總脫色率的影響百分比大于活性炭因子對(duì)總脫色率的影響百分比，它們之間最小差距近20%。

綜上，在殼聚糖活性炭協(xié)同脫色過程中，大部分有色物質(zhì)被殼聚糖吸附絮凝，其余由活性炭吸附。雖然殼聚糖的脫色率在總脫色率中占有較大的比重，但只有在活性炭的協(xié)同下才能使脫色近乎完全。

圖4 協(xié)同因子對(duì)總脫色率的影響

2.3 對(duì)不同蔗汁協(xié)同脫色效果

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)室溫下，殼聚糖-活性炭的脫色效果，將活性炭的最大協(xié)同添加量選擇為1 g，取不同品種的甘蔗蔗汁各100mL，并分別加入5 mL的殼聚糖溶液和1 g活性炭，進(jìn)行脫色效果的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，不同的蔗汁經(jīng)脫色后，清汁的重力純度都有提高，色值均有大幅度的下降，證明殼聚糖-活性炭協(xié)同有很好的清凈脫色能力。

表3 殼聚糖-活性炭脫色結(jié)果

運(yùn)用SPSS分析工具對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，重力純度差、清汁色值和脫色率的描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示，在95%的置信度下，重力純度差、清汁色值、脫色率的均值及其范圍和標(biāo)準(zhǔn)差，說明了5 mL殼聚糖溶液協(xié)同1 g活性炭對(duì)5000 IU～17000 IU范圍內(nèi)的蔗汁，有很高的脫色率，能得到較低的清汁色值和較好的清凈效果。

表4 95%置信度下的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

殼聚糖與活性炭協(xié)同處理蔗汁，由圖5可知，脫色率隨著蔗汁色值呈線性上升趨勢(shì)，脫色率y與蔗汁色值x有數(shù)學(xué)關(guān)系式y(tǒng)=0.0003x+92.887。y與x相關(guān)系數(shù)R2為0.886，具有線性強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，模型有效檢驗(yàn)sig 0.001＜0.05，建立的數(shù)學(xué)模型在95%的置信度下具有數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)意義。不同色值的蔗汁，通過協(xié)同脫色后清汁色值是可估計(jì)的。

綜合分析說明，殼聚糖-活性炭協(xié)同處理蔗汁，因能有效脫除有色及無色的非糖物質(zhì)，所以能有效降低加熱給后續(xù)加工帶來的不良影響。

圖5 蔗汁色值與脫色率關(guān)系

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，殼聚糖的加入，對(duì)提高總的脫色率起著重要作用，可以使總脫色率提高了近60%，也就是說色值可以直接降低近60%。而活性炭的脫色作用主要發(fā)生在殼聚糖的絮凝之后，能脫除剩余的近40%的色值，它們?cè)趨f(xié)同脫色過程中都發(fā)揮了各自的脫色作用，使整個(gè)脫色過程能有較高的脫色率。在5mL殼聚糖協(xié)同1 g活性炭對(duì)不同蔗汁的脫色結(jié)果可以看到總脫色率能達(dá)到96.7%，而清汁的重力純度平均提高了3.41%，清汁的色值均值為326 IU，略高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的白砂糖二級(jí)糖色值上限，240 IU[17]，證明殼聚糖與活性炭的協(xié)同作用，能有效減少蔗汁中的非糖物質(zhì)，從而能有效降低加熱給制糖生產(chǎn)中后續(xù)加工帶來的不良影響。對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，避免亞硫酸法中二氧化硫的污染，及提高碳酸法生產(chǎn)副產(chǎn)物濾泥的綜合利用是有意義的。

由于試驗(yàn)所用甘蔗，砍后放置只有1～2d，甘蔗經(jīng)一次壓榨提汁，蔗汁的新鮮度好，非糖物質(zhì)相對(duì)較少，清凈脫色比較容易，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的局限性，對(duì)于生產(chǎn)實(shí)際中的蔗汁殼聚糖與活性炭的使用有待于進(jìn)一步的研究。

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