姜繼平，黃永春，黃承都*，楊鋒

(1.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西糖資源綠色 加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 柳州 545006)

色值是衡量制糖工藝效果的重要指標(biāo)，糖汁的澄清脫色是整個(gè)制糖工藝過(guò)程的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。工業(yè)上成熟的糖汁的脫色方法有亞硫酸法、石灰法、碳酸法3種，但存在SO2殘余量較高、反應(yīng)溫度過(guò)高等問(wèn)題[2,3]。

過(guò)氧化氫(H2O2)作為一種具有較強(qiáng)氧化性的物質(zhì)，其氧化作用主要來(lái)自釋放出的羥基自由基(·OH)，可以作為一種漂白劑[4]。過(guò)氧化氫對(duì)糖汁中多酚類物質(zhì)和色值均有降低作用[5-7]。因此，利用過(guò)氧化氫進(jìn)行糖汁脫色，消除了傳統(tǒng)糖汁脫色工藝中SO2對(duì)糖汁的污染[8]。為提高過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生羥基自由基(·OH)的速率，同時(shí)解決H2O2過(guò)量殘留問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)選擇Vc作為催化劑，構(gòu)成H2O2-Vc體系，避免加入Fe2+、Cu2+等金屬離子催化劑對(duì)糖汁的污染，符合食品安全要求[9,10]。

本文使用響應(yīng)面對(duì)H2O2-Vc體系脫色的條件進(jìn)行了優(yōu)化，旨在篩選出H2O2-Vc體系糖汁脫色的最佳工藝條件，為H2O2-Vc體系應(yīng)用于糖汁脫色工業(yè)化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

粗制白砂糖：廣西南寧東亞糖業(yè)集團(tuán)；30%過(guò)氧化氫：AR，西隴科學(xué)股份有限公司；維生素C：AR，上海麥克林生化有限公司。

BS224S型電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；T6新世紀(jì)型紫外可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；2WAJ型阿貝折光儀 上海申光儀器儀表有限公司。

1.2 測(cè)定方法

將粗制白砂糖溶于蒸餾水中，配制成濃度為15%的糖汁，加入一定量的過(guò)氧化氫和Vc，在一定溫度下反應(yīng)一定時(shí)間，待反應(yīng)后的糖汁溫度最接近原汁溫度時(shí)，取適量待測(cè)定的糖汁，在室溫下，用阿貝折光儀測(cè)出折光錘度，并記下折光儀上顯示的溫度，再用阿貝折射儀顯示的溫度查表得出觀測(cè)錘度，又通過(guò)觀測(cè)錘度查表得出視密度。再利用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)出相應(yīng)糖汁的吸光度A，測(cè)量時(shí)將光度計(jì)的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)為560 nm，空白液為蒸餾水。

糖汁色值的計(jì)算公式如下：

IU560 nm=1000×A560 nm/(b×c)。

式中：IU560 nm為波長(zhǎng)560 nm處的國(guó)際糖色值；A560 nm為波長(zhǎng)560 nm處測(cè)得樣液的吸光度；b為比色皿厚度，cm；c為固溶物的修正濃度(20 ℃)，g/mL；其中，c=折光錘度×20 ℃時(shí)的相應(yīng)視密度/100。

脫色率的計(jì)算公式如下：

式中：A0為原糖汁色值；A為脫色后糖汁色值。

1.3 單因素試驗(yàn)

1.3.1 反應(yīng)溫度對(duì)糖汁脫色率的影響

取5份濃度為15%的糖汁，每份50 mL。每份糖汁加入5%的過(guò)氧化氫0.6 mL，再加入1 mol/L的Vc 0.4 mL，將5份溶液分別在30，40，50，60，70 ℃水浴鍋中加熱，反應(yīng)20 min，考察反應(yīng)溫度對(duì)糖汁脫色率的影響。

1.3.2 H2O2用量對(duì)糖汁脫色率的影響

取3組濃度為15%的糖汁，每組5份，每份50 mL。向第一組糖汁中分別加入5%的過(guò)氧化氫0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL，再加入0 mol/L的Vc 0.4 mL；向第二組糖汁中分別加入5%的過(guò)氧化氫0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL，再加入1 mol/L的Vc 0.4 mL；向第三組糖汁中分別加入5%的過(guò)氧化氫0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mL，再加入1.5 mol/L的Vc 0.4 mL，將3組溶液在60 ℃水浴鍋中加熱，反應(yīng)20 min，考察過(guò)氧化氫的加入量對(duì)糖汁脫色率的影響。

1.3.3 Vc用量對(duì)糖汁脫色率的影響

取3組濃度為15%的糖汁，每組5份，每份50 mL。向第一組糖汁中加入0%的過(guò)氧化氫0.8 mL，再分別加入1 mol/L的Vc 0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mL；向第二組糖汁中加入5%的過(guò)氧化氫0.8 mL，再分別加入1 mol/L的Vc 0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mL；向第三組糖汁中加入7%的過(guò)氧化氫0.8 mL，再分別加入1 mol/L的Vc 0.2 ,0.4,0.6,0.8,1.0 mL，將3組溶液在60 ℃水浴鍋中加熱，反應(yīng)20 min，考察Vc的加入量對(duì)糖汁脫色率的影響。

1.3.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)糖汁脫色率的影響

取5份濃度為15%的糖汁，每份50 mL。每份糖汁加入5%的過(guò)氧化氫0.8 mL，再加入1 mol/L的Vc 0.8 mL，將5份溶液在60 ℃水浴鍋中加熱，分別反應(yīng)5,10,15,20,25 min，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)糖汁脫色率的影響。

1.4 響應(yīng)面優(yōu)化

綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，固定反應(yīng)時(shí)間10 min，選取反應(yīng)溫度(A)、H2O2用量(B)、Vc用量(C)3個(gè)因素，以糖汁脫色率為響應(yīng)值，優(yōu)化H2O2-Vc體系對(duì)糖汁脫色的工藝，試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 反應(yīng)溫度對(duì)糖汁脫色率的影響

圖1 反應(yīng)溫度對(duì)糖汁脫色率的影響Fig.1 Effect of reaction temperature on decolorization rate of sugar juice

由圖1可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，糖汁脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)，糖汁脫色率達(dá)到最大值，為33.4%，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，過(guò)氧化氫分解的速度加快，分解的量增大，羥基自由基與糖汁中色素分子的反應(yīng)速度提高，糖汁脫色率隨之增大；隨著溫度繼續(xù)升高，脫色率明顯下降，這可能是因?yàn)檫^(guò)高的溫度導(dǎo)致過(guò)氧化氫揮發(fā)到空氣中，造成溶液中過(guò)氧化氫濃度下降，從而降低了·OH自由基的生成速率[11]，不利于糖汁的脫色。綜上所述，反應(yīng)溫度選擇60 ℃較為適宜。

2.1.2 H2O2用量對(duì)糖汁脫色率的影響

圖2 H2O2用量對(duì)糖汁脫色率的影響Fig.2 Effect of H2O2 dosage on decolorization rate of sugar juice

由圖2可知，隨著H2O2用量的增加，糖汁脫色率呈緩慢上升趨勢(shì)，當(dāng)過(guò)氧化氫的用量為0.8 mL時(shí)，糖汁脫色率達(dá)到最大值，為37.9%，這是因?yàn)檫^(guò)氧化氫用量的增加促進(jìn)了·OH自由基的生成速率，與過(guò)氧化氫反應(yīng)的色素分子逐漸被氧化，糖汁脫色率升高；但過(guò)氧化氫用量繼續(xù)增大后，脫色率變化不大或有小幅度下降，這可能是因?yàn)榉磻?yīng)已經(jīng)達(dá)到飽和，過(guò)量的過(guò)氧化氫會(huì)與·OH反應(yīng)生成H2O和O2，消耗了部分過(guò)氧化氫[12]；比較脫色率變化情況，發(fā)現(xiàn)Vc濃度為1，1.5 mol/L時(shí)脫色率明顯高于0 mol/L時(shí)，且Vc濃度為1，1.5 mol/L時(shí)脫色率相近，說(shuō)明Vc濃度為1 mol/L較合適，既可以提高糖汁脫色率，又可以節(jié)約成本。綜上所述，H2O2用量選擇0.8 mL較為適宜。

2.1.3 Vc用量對(duì)糖汁脫色率的影響

由圖3可知，隨著Vc用量的增加，糖汁脫色率明顯呈先上升后穩(wěn)定的趨勢(shì)，當(dāng)Vc用量為0.8 mL時(shí)，糖汁脫色率達(dá)到最大值，為40.0%，這表明Vc對(duì)有色物質(zhì)的還原起到了一定的脫色作用；當(dāng)Vc用量繼續(xù)增加，糖汁脫色率基本保持不變，這表明反應(yīng)達(dá)到飽和，過(guò)量的Vc對(duì)糖汁脫色影響不大；比較脫色率變化情況，發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化氫為5%、7%時(shí)脫色率明顯高于0%時(shí)，這從側(cè)面說(shuō)明過(guò)氧化氫起到了脫色或者協(xié)同脫色作用[13]，且過(guò)氧化氫為5%、7%時(shí)脫色率相近，說(shuō)明過(guò)氧化氫為5%較合適，既可以提高糖汁脫色率，又可以節(jié)約成本。綜上所述，Vc用量選擇0.8 mL較為適宜。

圖3 Vc用量對(duì)糖汁脫色率的影響Fig.3 Effect of Vc dosage on decolorization rate of sugar juice

2.1.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)糖汁脫色率的影響

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)糖汁脫色率的影響Fig.4 Effect of reaction time on decolorization rate of sugar juice

由圖4可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，糖汁脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為10 min時(shí)，糖汁脫色率達(dá)到最大值，為40.1%，這是因?yàn)闀r(shí)間過(guò)短時(shí)，過(guò)氧化氫還無(wú)法完全分解產(chǎn)生·OH自由基，隨著反應(yīng)時(shí)間增大，過(guò)氧化氫分解的·OH自由基越來(lái)越多，糖汁脫色率明顯增大；繼續(xù)增大反應(yīng)時(shí)間，糖汁脫色率開始下降，這可能是過(guò)氧化氫已徹底分解完畢，無(wú)法再產(chǎn)生·OH自由基[14]。綜上所述，反應(yīng)時(shí)間選擇10 min 較為適宜。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取反應(yīng)溫度、過(guò)氧化氫用量、Vc用量3個(gè)因素為自變量，以脫色率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken中心試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Design scheme and results of Box-Behnken center test

2.2.2 回歸模型的建立和方差分析

將表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到反應(yīng)溫度、過(guò)氧化氫用量、Vc用量的相關(guān)回歸系數(shù)，其回歸方程為：Y=-181.18500+5.06825A+55.46250B+92.40000C-0.043350A2-33.37500B2-55.25000C2+0.20000AB+0.18750AC-10.62500BC。

所得的方差分析見表3。

表3 回歸方程的方差分析表Table 3 Variance analysis table of regression equation

注：0.010.05為不顯著。

由表3可知，回歸方程模擬的P<0.0001，為極顯著水平，而失擬項(xiàng)P=0.7664>0.05，水平不顯著，表明模型與實(shí)際結(jié)果擬合較好，自變量與響應(yīng)值關(guān)系顯著，因此可以用于H2O2-Vc體系對(duì)糖汁脫色工藝的分析和預(yù)測(cè)。

因素A、因素B和因素C的P值均小于0.01，說(shuō)明反應(yīng)溫度、Vc用量、過(guò)氧化氫用量對(duì)糖汁脫色率的影響極顯著，3個(gè)因素對(duì)糖汁脫色率影響強(qiáng)弱排序?yàn)椋悍磻?yīng)溫度>Vc用量>過(guò)氧化氫用量；A2、B2和C2的P值均小于0.01，說(shuō)明二次項(xiàng)中3個(gè)因素對(duì)糖汁脫色率的影響極顯著，即反應(yīng)溫度、Vc用量、過(guò)氧化氫用量3個(gè)因素都是在糖汁脫色過(guò)程中需要主要控制的因素；各因素交互作用AB、 AC和BC的P值均大于0.05，說(shuō)明各因素交互作用對(duì)糖汁脫色率的影響不顯著，即反應(yīng)溫度和Vc用量、反應(yīng)溫度和過(guò)氧化氫用量、Vc用量和過(guò)氧化氫用量之間的交互作用對(duì)糖汁脫色率沒(méi)有顯著影響。

2.2.3 變異系數(shù)

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)見表4。

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)Table 4 Coefficients of variation of response test results

由表4可知，模型的回歸決定系數(shù)R2=0.9868，說(shuō)明響應(yīng)值的變化有98.68%來(lái)源于所選因素的變化，即回歸模型具有高度相關(guān)性；校正決定系數(shù)RAdj2=0.9699，表明僅有約3%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能用該模型進(jìn)行解釋；預(yù)測(cè)Pred-R2=0.9363，也能合理地說(shuō)明校正決定系數(shù)RAdj2=0.9699值的變化；變異系數(shù)C.V.=1.55%，說(shuō)明該模型1.55的變異不能由該模型解釋。綜上所述，該模型的擬合度較好，可用該模型代替真實(shí)試驗(yàn)點(diǎn)在因素設(shè)置范圍內(nèi)對(duì)糖汁脫色率進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

2.2.4 三維響應(yīng)面圖和等高線圖

根據(jù)回歸方程，做出3個(gè)因素交互作用的三維響應(yīng)面圖和等高線圖，結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 反應(yīng)溫度和過(guò)氧化氫用量交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.5 Response surface map and contour map of interaction between reaction temperature and hydrogen peroxide dosage

圖6 反應(yīng)溫度和Vc用量交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.6 Response surface map and contour map of interaction between reaction temperature and Vc dosage

圖7 過(guò)氧化氫用量和Vc用量交互作用的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.7 Response surface map and contour map of interaction between hydrogen peroxide dosage and Vc dosage

從響應(yīng)面圖可以直觀反映出兩因素交互作用的顯著程度，曲面傾斜度越陡，因素間交互作用越顯著，反之曲面平緩則交互作用不顯著[15]；從等高線圖也可以直觀反映出兩因素交互作用的顯著程度，等高線形狀越接近橢圓形，交互作用越顯著，而圓形則與之相反[16]。

由圖5可知，3D曲線較為平緩，等高線形狀趨于圓形，說(shuō)明AB交互作用不顯著，即反應(yīng)溫度和過(guò)氧化氫用量交互作用不顯著；由圖6可知，3D曲線較為平緩，等高線形狀趨于圓形，說(shuō)明AC交互作用不顯著，即反應(yīng)溫度和Vc用量交互作用不顯著；由圖7可知，3D曲線較為平緩，等高線形狀趨于圓形，說(shuō)明BC交互作用不顯著，即過(guò)氧化氫用量和Vc用量交互作用不顯著。

2.2.5 糖汁脫色率工藝條件的驗(yàn)證

根據(jù)Design Expert軟件分析，獲得糖汁脫色率的最佳工藝條件：反應(yīng)溫度為62.34 ℃，過(guò)氧化氫用量為0.88 mL，Vc用量為0.86 mL，此條件下糖汁脫色率為40.8%。考慮到實(shí)際試驗(yàn)操作條件，將反應(yīng)溫度調(diào)整為62 ℃，過(guò)氧化氫用量為0.88 mL，Vc用量為0.86 mL，在此條件下進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，平均糖汁脫色率為42.9%。與預(yù)測(cè)值40.8%基本一致，表明該模型與實(shí)際情況擬合較好，可以較好地預(yù)測(cè)糖汁的脫色率。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面分析探究了H2O2-Vc體系對(duì)糖汁脫色率的影響，考察了反應(yīng)溫度、過(guò)氧化氫用量、Vc用量和反應(yīng)時(shí)間對(duì)糖汁脫色率的影響，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)影響糖汁脫色率的因素進(jìn)行篩選，選取反應(yīng)溫度、過(guò)氧化氫用量、Vc用量3個(gè)因素為自變量，以脫色率為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，得到糖汁脫色率最佳工藝為：反應(yīng)溫度62 ℃，過(guò)氧化氫用量0.88 mL，Vc用量0.86 mL，此條件下可得到最佳糖汁脫色率，為糖汁脫色率應(yīng)用于工業(yè)化大生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)。