王健 ，張菡 ，車夏寧 ，3，陳海軍 ，3，蒙濤 ，3，馬必聲 ，3，王寶 ，，趙抒娜 ，

（1.中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司/營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點實驗室/老年營養(yǎng)食品研究北京市工程實驗室，北京102209；2.中糧屯河糖業(yè)股份有限公司/農(nóng)業(yè)部糖料與番茄質(zhì)量安全控制重點實驗室，新疆昌吉831100；3.中糧屯河崇左糖業(yè)有限公司，廣西崇左200040）

0 引言

我國是世界上最大的食糖生產(chǎn)與消費國之一，制糖工業(yè)在國民經(jīng)濟中占據(jù)著重要地位。目前，甘蔗制糖有兩種方法：一種是用亞硫酸法或者碳酸法直接生產(chǎn)白砂糖，也稱為一步法；另一種是先利用石灰石法制備原糖，然后將原糖回溶、飽充、蒸發(fā)，再次結(jié)晶獲得精煉糖，也稱為兩步法[1-2]。中糧屯河崇左糖業(yè)有限公司采用兩步法生產(chǎn)白砂糖，即以甘蔗為原料，通過石灰石法生產(chǎn)原糖，再將自制原糖及外購原糖、國儲糖等原料精煉制備白砂糖。相比一步法季節(jié)性生產(chǎn)的特點，該工藝基本可以做到全年生產(chǎn)，具有很強的優(yōu)勢。

在制糖工藝過程中，蔗汁的澄清處理工藝好壞直接影響原糖的品質(zhì)，并進一步影響白砂糖的質(zhì)量[3]。圍繞澄清工藝的改善，國內(nèi)外開展了一系列研究。楊敏等[4]介紹了甘蔗制糖業(yè)的不同澄清劑使用的情況，并結(jié)合清潔生產(chǎn)的要求，展望了未來制糖工業(yè)澄清劑的發(fā)展方向。王寶等[5]采用成本更為低廉的卷式有機納濾膜對甜菜制糖的二清汁進行過濾，可使二清汁錘度和糖度各提高5～7個百分點，同時純度提高1～3個百分點。沈石妍等[6]采用4種不同孔徑的陶瓷膜和2種不同截留分子量的有機管式膜對蔗汁過濾進行處理，200 nm孔徑的陶瓷膜對蔗汁色素物質(zhì)去除率可達90%以上，清凈效果優(yōu)于傳統(tǒng)亞硫酸法澄清汁。張菡等[7]提出當甜菜汁中的葡聚糖濃度在1 g/kg以下時，α-葡聚糖酶的最優(yōu)作用濃度為5 mg/kg，可進行有效降解，從而解決可能影響到過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶和分蜜等工段過濾等生產(chǎn)問題。林榮珍等[8]使用聚二甲基二烯丙基氯化銨、重硫氧、聚磷硅酸鋅對甘蔗混合汁進行澄清脫色，該工藝的效果優(yōu)于傳統(tǒng)制糖工藝。王鳳霞等[9]試驗表明濕法磷酸與熱法磷酸在脫色率、色值、渾濁度上不存在顯著性差異。沈石妍[10]等在模擬壓榨和清凈過程的操作條件試驗發(fā)現(xiàn)中性條件下可減少蔗汁中蔗糖的分解和色素生成，達到提高糖分回收率和保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的。李雪珍[11]等通過研究發(fā)現(xiàn)蔗汁中添加殼聚糖-活性炭的協(xié)同作用，甘蔗蔗汁總脫色率平均提高了37.3%,清汁重力純度平均提高了3.41%,證明殼聚糖-活性炭協(xié)同對甘蔗蔗汁具有很好的清凈、脫色能力。

在實際榨季生產(chǎn)中，受制于條件的限制，大多數(shù)制糖企業(yè)通常憑借生產(chǎn)經(jīng)驗來制定澄清工藝操作條件。由于甘蔗的品種、生長條件、成熟程度和新鮮度等存在一定的差異和變化，蔗汁的成分會隨之發(fā)生波動，因而需要對澄清工藝操作的條件及時地調(diào)整以確保達到預期的澄清效果。因此，有必要開展試驗以及時、迅速、準確、科學地制定最優(yōu)的澄清工藝條件，指導制糖工業(yè)生產(chǎn)。利用正交表來安排試驗方案，對試驗結(jié)果進行計算分析，既可減少試驗次數(shù)，縮短周期，獲得可靠的試驗數(shù)據(jù)，又能在錯綜復雜的影響因素中找出關(guān)鍵因素，確定最佳工藝[12-14]。本文通過系統(tǒng)性的正交試驗，優(yōu)選出最佳的磷酸添加量、預灰pH、主灰pH、絮凝劑添加量，并在工業(yè)生產(chǎn)線上進行應用驗證，通過對澄清工藝指標的優(yōu)化，可有效改善原糖生產(chǎn)過程中的澄清效率。

1 材料與方法

1.1 材料

混合汁、石灰乳、磷酸和絮凝劑均取自中糧屯河崇左糖業(yè)有限公司壓榨車間。各物料的理化指標，混合汁錘度：19.67oBx，視純度：89.37%，自然磷酸值：335 μL/L，pH：5.05；石灰乳：波美度為 11.3oBe；磷酸：將食品級85%磷酸稀釋至20%；絮凝劑：將聚丙烯酰胺用自來水稀釋至濃度500μL/L。

1.2 實驗儀器

本文所涉及的實驗儀器：電熱恒溫水浴鍋 （DK-S24，上海森信實驗儀器有限公司）；電子分析天平（ME204，美國Mettler公司）；電熱鼓風干燥箱（DHG-9240，上海一恒科學儀器有限公司）；自動旋光儀（WZZ 2S，上海儀電物理光學儀器有限公司）；手持錘度計（MASTER-53a，日本ATAGO公司）；臺式數(shù)顯pH計（PHS-25，上海儀電科學儀器股份有限公司）；紫外可見分光光度計[UV-2800，尤尼柯（上海）儀器有限公司]；加熱磁力攪拌器（RCT basic，德國IKA公司）。

1.3 試驗方法與步驟

1.3.1 正交試驗的設計

根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗可知，影響澄清效果的因素有蔗汁自然磷酸值、外加磷酸值、預灰pH、主灰pH、絮凝劑添加量、一次加熱溫度、二次加熱溫度等，為了減少實驗室次數(shù)，固定部分工藝條件不變，以磷酸添加量、預灰pH、主灰pH和絮凝劑添加量4個條件為關(guān)鍵因素，每一個因素為3水平，進行L9（34）正交試驗（表1）。

由表1中4因素3水平選用L9（34）正交表，即做9個試驗就可以代表81個全面試驗，根據(jù)此表確定試驗方案，具體見表2，每個試驗方案重復3次。

1.3.2 澄清過程模擬

取新鮮混合汁測定其理化指標，然后按照以下步驟模擬澄清過程：（1）取450mL新鮮混合汁，添加特定含量磷酸；（2）用石灰乳預灰至特定pH；（3）將樣品放置于水浴鍋一次加熱至65℃，停留5min；（4）用石灰乳主灰至特定pH；（5）用電熱爐將樣品二次加熱至沸騰（105℃左右），保持5 min；（6）加入特定比例絮凝劑，攪拌均勻；（7）迅速將樣品轉(zhuǎn)移至500mL量筒中，每隔一定時間記錄沉降物的體積；（8）靜置30min，用洗耳球和橡膠管取上層清汁檢測理化指標。

表1 因素和水平Table 1 Factors and levels

表2 試驗方案Table 2 Experiment scheme

1.3.3 指標觀察及檢測

觀察量筒中沉降物的結(jié)構(gòu)和顆粒大小，每隔特定時間記錄沉降物的高度，并計算沉降速度。待靜置30 min時，沉降物高度已基本不變化，此時用洗耳球和橡膠管取上層清汁，檢測錘度、視純度、色值、濁度、pH、鈣鹽等理化指標，選取沉降速度、視純度、色值、濁度為關(guān)鍵澄清指標，用以評估混合汁的澄清效率和脫色效果。

2 結(jié)果與討論

模擬澄清過程，記錄沉降物的體積，如表3所示。除方案9外，其他方案的樣品在靜置時均能迅速沉降，10min后泥汁基本沉降完畢，繼續(xù)沉降，沉降物的體積變化不大；取10min內(nèi)泥汁的沉降體積變化，計算沉降速度，即將沉降物的體積變化除以沉降時間。將沉降速度及澄清后各樣品的理化指標分別列于表4中。

多指標試驗設計的分析方法有綜合平衡法和綜合評分法。綜合平衡法先分別將各個指標按單指標進行計算分析，再將各指標的分析結(jié)果進行綜合平衡，以得到“最優(yōu)”試驗方案。綜合評分法是將多指標轉(zhuǎn)化為一個評分指標來進行直觀分析的方法。綜合平衡法可根據(jù)極差大小來排列因素的主次關(guān)系，但計算較多，計算過程比較復雜。綜合評分法計算簡單，但對于多指標的正交試驗，其評分標準直接影響結(jié)果的準確性[15-16]。本文采用兩種方法進行計算，并將結(jié)果加以比較和分析。

表3 澄清過程中各樣品的沉降速度Table 3 Sedimentation velocity of each sam p le during the clarification process

表4 澄清后各樣品的理化指標Table 4 Physicochem ical indexes of each sample after clarification

2.1 綜合平衡法

2.1.1 計算K、k值

采用綜合平衡法，對表4的數(shù)據(jù)進行分析，K是指標，k是指標的平均值；以沉降速度受磷酸添加量影響的計算為例：

K1=27+28+27=82，k1=K1/3=82/3=27.3；K2=26+25+29=80，k2=K2/3=80/3=26.7；

K3=24+22+23=69，k3=K3/3=69/3=23.0。以此類推，計算結(jié)果如表5所示。

表5 磷酸和絮凝劑添加量、預灰及主灰pH對制糖指標的影響(綜合平衡法)Table 5 Effects of phosphoric acid, flocculant addition, prelim ing pH, and lim ing pH on sugar processing indexes(comprehensive equilibrium method)

2.1.2 計算R值

極差R值是指標的變化幅度，即k值的最大值減去最小值。極差R的大小反映該因素變化對考核指標影響的大小，極差R值越大，則該因素對考核指標的影響就越大，對于結(jié)果越重要，反之就越小。根據(jù)極差大小的順序，將表5中各因素的主次關(guān)系進行排序，由此可得出影響沉降速度的因素主次順序為：磷酸添加量＞絮凝劑添加量＞預灰pH＞主灰pH，即磷酸添加量對蔗汁的沉降速度影響最大，是關(guān)鍵因素。同理，影響色值的因素主次順序為：磷酸添加量＞主灰pH＞絮凝劑添加量＞預灰pH。

2.1.3 優(yōu)化操作條件

對于澄清工藝而言，沉降速度越快越好，視純度越高越好，色值和濁度越低越好。根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)，可以清楚地看出各澄清因素對澄清效果的影響規(guī)律。例如，視純度隨著磷酸添加量的增加而增加，隨著預灰pH值的升高而增加，隨著主灰pH的升高先增加后減小，隨著絮凝劑添加量的增加先降低后增加。選取沉降速度、視純度、色值、濁度4個參數(shù)為目標函數(shù)，逐一進行分析。根據(jù)表5，將各單一目標函數(shù)對應的較優(yōu)方案列于表6中，可以看出對于不同的澄清指標，其較優(yōu)方案存在一定的差異，例如對于視純度澄清指標，較優(yōu)的方案為磷酸添加量300μL/L、預灰pH 7.40、主灰pH 8.20、絮凝劑添加量2.8μL/L；對于色值澄清指標，較優(yōu)的方案為磷酸添加量300μL/L、預灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝劑添加量3.0μL/L。

表6 各澄清指標所對應的優(yōu)化方案Table 6 Optim ization schemes for clarifying indexes

2.1.4 優(yōu)化澄清工藝條件

通過綜合平衡，對上述各個較優(yōu)水平組再進行綜合分析，權(quán)衡利弊，確定各因素的較優(yōu)水平組合。找出主要指標的主要因素是什么水平最好，而多數(shù)指標中較優(yōu)水平中出現(xiàn)次數(shù)最多是什么水平。如表6所示，磷酸添加量300μL/L、預灰pH 7.40、主灰pH 8.00，在4個試驗指標里較優(yōu)水平出現(xiàn)最多，因此確定磷酸的最佳添加量為300μL/L、預灰的最佳pH為7.40、主灰的最佳pH為8.00。而對于絮凝劑的添加量，在不同水平的各組較優(yōu)水平出現(xiàn)次數(shù)相同，因此須根據(jù)生產(chǎn)需要及關(guān)鍵因素確定最佳水平。本公司采用聚丙烯酰胺作為絮凝劑，聚丙烯酰胺在加工過程中不可避免地會發(fā)生分解，生成丙烯酰胺，可能會給產(chǎn)品質(zhì)量安全帶來潛在的風險。此外，較低的添加量有助于節(jié)省加工成本，因此，經(jīng)過綜合平衡分析，確定磷酸添加量300μL/L、預灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝劑添加量2.8μL/L為最佳澄清工藝條件。

2.2 綜合評分法

對于綜合評分法，必須將試驗效果轉(zhuǎn)化為單一指標，才能進行評分。因此，將沉降速度、視純度、濁度和色值4個指標轉(zhuǎn)化為百分數(shù)，即將最好的情況視為100分，最差的視為0分，中間值進行內(nèi)插法，計算對應分數(shù)值。然后將各百分數(shù)進行相加，即將各指標的重要性視為一致，計算總分，通過總分的大小來直觀分析最優(yōu)方案。綜合評分法如表7所示，從表7中可以看出方案9的總分最高，即確定磷酸添加量300μL/L、預灰pH 7.40、主灰pH 8.20、絮凝劑添加量2.8μL/L為最佳澄清工藝條件。如2.1所述，綜合平衡法的最佳澄清工藝條件為磷酸添加量300μL/L、預灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝劑添加量2.8μL/L，可以看出除了主灰pH存在一定的差異，綜合平衡法與綜合評分法的分析結(jié)果基本一致。兩者的差異是由于綜合評分法篩選出的最佳工藝條件必定是試驗方案中的一種，而綜合平衡法不局限于試驗方案的約束。

表7 澄清理化指標及得分(綜合評分法)Table 7 The physicochem ical indexes and scores of clarification (comprehensive scoring method)

2.3 生產(chǎn)線驗證試驗

在實際榨季生產(chǎn)中，大多數(shù)制糖企業(yè)通常憑借生產(chǎn)經(jīng)驗來制定澄清工藝操作條件，而確定的工藝指標往往范圍較寬，在生產(chǎn)過程中并沒有實現(xiàn)精準的控制。為了驗證正交試驗結(jié)果的可靠性，在中糧集團下屬制糖工廠生產(chǎn)線上進行應用試驗，選取最佳澄清工藝條件為磷酸添加量300μL/L、預灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝劑添加量2.8μL/L，進行精準控制。選取正交試驗優(yōu)化前常規(guī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與正交試驗優(yōu)化后生產(chǎn)數(shù)據(jù)，每組各15 d，進行統(tǒng)計分析，取平均值，將結(jié)果列于表8中。

表8 生產(chǎn)線驗證試驗結(jié)果Table 8 The test results of production line verification

從表8中可以看出，正交試驗優(yōu)化后，工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到了明顯的改善，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）在正交試驗優(yōu)化后的生產(chǎn)期間，清汁的色值下降190 IU，濁度下降20 MAU，即清汁中的色素、膠體等雜質(zhì)沉降效果較好；2）粗糖漿的還原糖分下降0.21個百分點，色值下降268 IU，粗糖漿的還原糖分下降將降低糖漿的粘度，改善煮糖的效率，提升原糖的質(zhì)量；3）原糖的色值下降47 IU，不溶于水雜質(zhì)下降12μg/kg，原糖品質(zhì)的改善必將降低后續(xù)精煉過程負荷，提升精煉過程的效率。以上結(jié)果表明，通過正交試驗確定最佳澄清工藝條件，為工業(yè)生產(chǎn)帶來了積極的效果，可以有效地指導制糖工業(yè)生產(chǎn)。

3 結(jié)論

本文以磷酸添加量、預灰pH、主灰pH和絮凝劑添加量4個條件作為關(guān)鍵因素，每個因素3個水平，進行L9（34）正交試驗，選取沉降速度、視純度、色值、濁度為關(guān)鍵澄清指標，通過綜合平衡法和綜合評分法來分析澄清效果，最終確定磷酸添加量300μL/L、預灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝劑添加量2.8μL/L為最佳澄清工藝條件。在工業(yè)生產(chǎn)線上進行驗證試驗，結(jié)果顯示澄清工藝優(yōu)化后清汁的還原糖分、色值和純度均明顯下降，純度有所升高，原糖的色值和不溶于水雜質(zhì)均有所下降，表明正交試驗可以有效指導工業(yè)生產(chǎn)。因此，在榨季生產(chǎn)中，可以根據(jù)原料的差異，定期開展正交試驗以確定最佳澄清工藝條件，及時調(diào)整工藝技術(shù)參數(shù)，確保澄清工藝處于最佳狀態(tài)，從而提高煮煉回收率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。