劉桂云，柳穎，黃玉南，蟻細(xì)苗，曾練強(qiáng)，鐘志才，常國(guó)煒，梁達(dá)奉

(廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所) 廣東省酶制劑與生物催化工程技術(shù)研發(fā)中心，廣州 510316)

1 概述

糖分回收率是衡量糖廠甘蔗管理和生產(chǎn)技術(shù)水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)，正確評(píng)價(jià)和分析各個(gè)因素對(duì)于結(jié)果的影響程度，有助于糖廠提出合理措施，高效提高回收率生產(chǎn)實(shí)績(jī)。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的研究方向主要集中在如何提高糖分回收率方面，如Uppal S K等[1]認(rèn)為對(duì)甘蔗預(yù)處理可以提高糖分回收率，鐘志才等[2]在甘蔗制糖過(guò)程中應(yīng)用葡聚糖酶使煮煉回收率提高；從統(tǒng)計(jì)學(xué)方面研究生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)與糖分回收率之間關(guān)系的報(bào)道還較少，使糖廠在面對(duì)糖分回收率低的問(wèn)題時(shí)缺乏相應(yīng)的理論支撐。

灰色關(guān)聯(lián)分析法是一種根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似度來(lái)判斷不同數(shù)列之間的差異性和關(guān)聯(lián)程度的方法，已被應(yīng)用于因素分析、綜合評(píng)價(jià)、方案決策等研究領(lǐng)域[3]。同時(shí)，信息熵可用于計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)[4]，有效避免主觀因素形成的權(quán)重分配偏差。因此，基于熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)法，本文對(duì)廣西某亞硫酸法糖廠6個(gè)榨季糖分回收率和相關(guān)生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為糖廠生產(chǎn)管理和提高糖分回收率提供了決策依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于某糖廠2012/2013～2017/2018榨季生產(chǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)方法得到。

2.2 指標(biāo)選擇

根據(jù)亞硫酸糖廠的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及日?；瘜W(xué)管理指標(biāo)，從甘蔗質(zhì)量、壓榨、澄清(包括輔助用料)、結(jié)晶、糖分損失5個(gè)方面考慮選擇甘蔗蔗糖分、初壓汁純度、初壓汁錘度、甘蔗纖維分、滲透水量(對(duì)蔗比)、初混汁純度差、清混汁純度差、丙膏純度、糖蜜純度、糖蜜量(對(duì)蔗比)、磷酸用量(有效五氧化二磷對(duì)蔗比)、硫磺用量(對(duì)蔗比)、石灰用量(對(duì)蔗比)、未測(cè)定損失、蔗渣轉(zhuǎn)光度、濾泥轉(zhuǎn)光度指標(biāo)。

2.3 熵權(quán)法確定權(quán)重

2.3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化前需區(qū)分正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)，指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化方法如下：

(1)

(2)

2.3.2 第j項(xiàng)指標(biāo)第i年份指標(biāo)值的比重(Pij)

(3)

2.3.3 指標(biāo)信息熵(ej)

(4)

2.3.4 第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重(Wj)

(5)

式中：dj為第j項(xiàng)指標(biāo)的信息效用值，取決于該指標(biāo)信息熵ej與1之間的差值，即 dj=1-ej。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法

2.4.1 選擇參考序列和比較序列

本文選擇糖分總回收率作為參考序列，選取的指標(biāo)作為比較序列。設(shè)參考序列為X0'，X0'={x0'(1)，x0'(2)，…，x0'(n)}，比較序列為Xi'，Xi'={xi'(1)，xi'(2)，…，xi'(n)}，i=1，2，…，m。

2.4.2 參考序列和比較序列的無(wú)量綱化

為避免系統(tǒng)中各因素量綱與量級(jí)不同無(wú)法進(jìn)行比較，需對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使指標(biāo)之間可以直接比較，本文采用初值化的處理方法。

(6)

2.4.3 求關(guān)聯(lián)系數(shù)

利用參考序列和比較序列標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，求關(guān)聯(lián)系數(shù)，公式為：

(7)

式中：ξi(k)為比較序列Xi'的第 k個(gè)指標(biāo)與參考序列X0'的第 k個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ∈[0，1]為判別系數(shù)，用來(lái)削弱最大值過(guò)大而失真的影響，提高關(guān)聯(lián)系數(shù)間的差異顯著性，通常取ρ=0.5。

2.4.4 求灰色關(guān)聯(lián)度

(8)

式中：當(dāng)0

2.5 求加權(quán)關(guān)聯(lián)度

(9)

式中：W(k)為公式(5)確定的各影響因素權(quán)重，k=1,2,…,n。

3 結(jié)果分析

各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 糖廠2012/2013～2017/2018榨季糖分總回收率與生產(chǎn)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)

續(xù) 表

由表1可知，在糖廠6年生產(chǎn)期間，糖廠糖分回收率呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，單從每個(gè)指標(biāo)分析，很難發(fā)現(xiàn)影響糖分回收率的主要因素。

3.1 指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定

對(duì)選取的正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)分別采用公式(1)和公式(2)計(jì)算，再根據(jù)公式(3)進(jìn)行規(guī)范化處理，利用公式(4)計(jì)算熵權(quán)值exi=(0.8989，0.8376，0.9183，0.9084，0.9384，0.8789，0.9488，0.8993，0.9062，0.8822，0.8575，0.8775，0.8941，0.8743，0.8609，0.8690)，由公式(5)算得各指標(biāo)的權(quán)重Wxi=(0.3279，0.5468，0.2707，0.2957，0.1992，0.3975，0.1301，0.2651，0.2537，0.3716，0.4659，0.3891，0.3020，0.3138，0.3220，0.2664)。

3.2 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

以糖分總回收率為參考序列，根據(jù)公式(6)對(duì)糖分總回收率與選取的生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行初值化法處理，并根據(jù)公式(7)計(jì)算糖分總回收率與生產(chǎn)指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 糖分總回收率與生產(chǎn)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)

將表2的關(guān)聯(lián)系數(shù)帶入公式(8)和公式(9)，分別得到該糖廠糖分回收率與各影響因素之間的灰色關(guān)聯(lián)度、加權(quán)關(guān)聯(lián)度及排序，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 灰色關(guān)聯(lián)度、加權(quán)關(guān)聯(lián)度及排序

4 結(jié)論與討論

由表3可知，除了未測(cè)定損失外，選取的生產(chǎn)指標(biāo)與糖分總回收率的灰色關(guān)聯(lián)度都在0.650以上，可見(jiàn)糖分回收率是甘蔗與制糖生產(chǎn)過(guò)程中諸多因素相互作用的結(jié)果。從個(gè)體分析來(lái)看，灰色關(guān)聯(lián)度排名第一的為初壓汁純度，其次是初壓汁錘度、滲透水量和糖蜜純度。此外，灰色關(guān)聯(lián)度較大(≥0.9)的還包括甘蔗蔗糖分、蔗渣轉(zhuǎn)光度、甘蔗纖維分、糖蜜量和丙膏純度。

從加權(quán)關(guān)聯(lián)度分析來(lái)看，影響糖分回收率的前5位因素分別為初壓汁純度、糖蜜純度、滲透水量、糖蜜量、丙膏純度，綜合上述，可見(jiàn)這5個(gè)指標(biāo)仍然是重要的影響因素，只是順序略有變動(dòng)。通過(guò)因素組合及對(duì)比分析，與糖分回收率聯(lián)系比較緊密的因素主要集中在甘蔗質(zhì)量、結(jié)晶及壓榨工藝技術(shù)方面，而澄清效果及糖分損失對(duì)糖分回收率也有一定程度的影響。具體分析如下：

4.1 甘蔗質(zhì)量

初壓汁加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序第一，是影響糖廠糖分回收率的首要因素。蔗汁純度高，即蔗汁中非糖分物質(zhì)相對(duì)較少，澄清與結(jié)晶過(guò)程更為順暢，糖分易被回收，且根據(jù)糖蜜形成理論，非糖分存在與糖蜜的形成有重要關(guān)系，因此提高蔗汁純度是提高糖分回收率最有效的舉措。Shahzad S等[6]也研究發(fā)現(xiàn)甘蔗品質(zhì)性狀中純度指標(biāo)對(duì)糖分回收率直接影響最大。甘蔗糖分及初壓汁錘度加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序在第六和第十一，說(shuō)明這2個(gè)指標(biāo)對(duì)糖分回收率有一定影響，但較初壓汁純度作用有所降低。甘蔗蔗糖分及初壓汁錘度雖是糖廠產(chǎn)糖率的重要參數(shù)指標(biāo)，但在甘蔗或蔗汁質(zhì)量下降過(guò)程中這3個(gè)指標(biāo)則會(huì)相互聯(lián)系[7-9]，表現(xiàn)為蔗糖分轉(zhuǎn)化損失，錘度上升，使得蔗汁純度下降。

纖維分的加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序第十，纖維分對(duì)糖分回收率影響主要作用在壓榨抽出率，甘蔗纖維分常作為調(diào)節(jié)滲透水量的參考依據(jù)之一，且蔗渣糖分損失和纖維分有很大關(guān)系。

4.2 工藝技術(shù)

工藝技術(shù)的合理與否影響著能否將甘蔗中糖分最大限度提取、結(jié)晶出來(lái)，對(duì)應(yīng)的是制糖生產(chǎn)中的壓榨和蔗糖結(jié)晶工藝。壓榨工藝方面，滲透水用量是影響壓榨抽出率的一個(gè)重要指標(biāo)。研究表明[10]當(dāng)滲透水量與纖維量之比λ小于2時(shí)，抽出率會(huì)迅速增加，而該糖廠6個(gè)榨季λ值偏小，這是滲透水量加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序第三的重要原因。初混汁純度差是壓榨車(chē)間一個(gè)綜合性指標(biāo)，體現(xiàn)的是車(chē)間清潔衛(wèi)生管理、壓榨機(jī)列效能和輔料質(zhì)量等，本文中初混汁純度差對(duì)糖分回收率的作用不突出，而結(jié)合未測(cè)定損失指標(biāo)排序，說(shuō)明糖廠壓榨車(chē)間的衛(wèi)生管理到位。蔗糖結(jié)晶方面，糖蜜純度、糖蜜量和丙膏純度加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序都在前五，而結(jié)晶一直是糖廠回收蔗汁中蔗糖最難且重要的一環(huán)，涉及的因素比較多，糖漿質(zhì)量、人員操作、煮糖制度等方面都影響煮煉回收率[11]。目前，很多糖廠常采取措施希望降低丙膏純度和糖蜜純度以提高回收率，一定條件下，降低兩者純度對(duì)提高糖分回收率是有益的，但丙膏純度過(guò)低，糖膏粘度大，糖分吸收困難，糖蜜純度可能會(huì)下降，但糖蜜量往往增加，反而增加糖分損失，黃俊生等[12]指出應(yīng)制定低純度糖蜜和合理丙膏純度。

此外，澄清輔料用量加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序在第七、第八、第九，說(shuō)明糖分回收率對(duì)輔料用量有一定依賴(lài)作用，合理的輔料用量可提高澄清效果，為蔗糖結(jié)晶過(guò)程打下基礎(chǔ)。清混汁純度差指標(biāo)排序靠后，主要是因?yàn)楦收峒兌雀?、非糖分少時(shí)，清混汁純度差會(huì)相應(yīng)降低，糖分回收率依然可以很理想，該糖廠2013/2014榨季就說(shuō)明了這一點(diǎn)，而這也表明清混汁純度差并不是澄清效果的特征指標(biāo)。

4.3 糖分損失

未測(cè)定損失、蔗渣和濾泥轉(zhuǎn)光度加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序較后，它們?cè)谡崽菗p失中占比較小。未測(cè)定損失主要是生產(chǎn)過(guò)程中“跑、冒、滴、漏”及蔗糖轉(zhuǎn)化等引起的糖分損失，值得注意的是，微生物造成的糖分損失常常是糖廠容易忽略的[13]，微生物在消耗蔗糖的同時(shí)，還會(huì)伴隨一些多糖形成，造成溶液粘度增加，降低蔗糖的回收率。

5 展望

糖分收回率與甘蔗原料質(zhì)量、工藝技術(shù)及糖分損失等因素有關(guān)，從這幾個(gè)方面入手對(duì)提高糖分回收率有良好的促進(jìn)作用。其中，甘蔗純度對(duì)糖分回收率的影響最為突出，因此需合理安排榨期，盡量保持砍后甘蔗新鮮和降低甘蔗含雜率[14,15]，避免化學(xué)作用和微生物作用引起的蔗糖轉(zhuǎn)化損失；制定合理工藝技術(shù)，尤其是在壓榨及結(jié)晶方面，在蒸汽充足的情況下，可適當(dāng)增加滲透水量；合理控制丙膏純度，從煮糖操作和管理等方面降低糖蜜純度和糖蜜量；澄清過(guò)程處于制糖生產(chǎn)中間階段，主要作用是為結(jié)晶提供高質(zhì)量物料，因此通過(guò)合理輔料用量提高清凈效果也是提高糖分回收率的有效途徑；整體上看，抓住影響糖分回收率的主要矛盾有利于更好指導(dǎo)管理生產(chǎn)，但制糖生產(chǎn)各個(gè)工藝緊密相聯(lián)，抓好每個(gè)環(huán)節(jié)才能使糖分回收率最大化。除此之外，利用新技術(shù)、新設(shè)備也是提高糖分回收率的一個(gè)重要方向[16]。

通過(guò)熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)法分析糖廠糖分回收率的影響因素結(jié)果基本符合糖廠的生產(chǎn)實(shí)際，說(shuō)明該方法是可行的且適用性較高。