曹紹俊，周 勇，黃景勝，謝顯華

(1廣西洋浦南華糖業(yè)集團股份有限公司，廣西南寧 530022；2廣西田東南華糖業(yè)有限責任公司，廣西百色 531500；3中國輕工業(yè)廣州工程有限公司，廣東廣州 510640)

0 前言

糖漿理化指標直接影響制糖企業(yè)的煮煉收回效率與產(chǎn)品質(zhì)量，其中糖漿的純度、色值及還原糖這3個核心指標的高低，直接影響煮煉效率和產(chǎn)品質(zhì)量，但糖漿pH值對糖膏煮制的影響卻一直存在爭議，特別是糖漿pH值偏低造成的煮糖轉(zhuǎn)化損失量是否很大、降低糖漿pH值是否真的有利于降低煮糖粘度等問題都只有經(jīng)驗上的定性判斷。因此本文擬從糖漿pH值與糖膏煮制過程的蔗糖轉(zhuǎn)化、糖膏粘度及產(chǎn)品質(zhì)量等3方面探討其對糖膏煮制的影響。

1 糖漿pH值對煮糖過程蔗糖轉(zhuǎn)化的影響

蔗糖水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖、果糖的反應屬準一級反應，純蔗糖溶液的轉(zhuǎn)化動力學方程滿足：lgC=Kt+B[1]，當蔗糖濃度C一定時，反應速度系數(shù)K值越大，蔗糖分解速度越快，K值主要取決于溫度、催化劑濃度(最常用的催化劑即為氫離子H+的濃度)。而對于糖漿這種非純蔗糖溶液，因為溶液中所有非糖分處于電離平衡，此時無論是有機酸、無機鹽還是含氮物質(zhì)、膠體物質(zhì)均不會再對糖液的H+濃度有所貢獻[2]，所以純蔗糖溶液在不同的溫度、pH值轉(zhuǎn)化速率參數(shù)可以用于測算煮糖過程的蔗糖轉(zhuǎn)化。

1.1 煮糖過程的蔗糖轉(zhuǎn)化計算基礎

煮糖過程的蔗糖轉(zhuǎn)化與蔗比的計算公式為：蔗糖轉(zhuǎn)化與蔗比=物料與蔗比×錘度×重力純度×蔗糖轉(zhuǎn)化百分比。其中，蔗糖轉(zhuǎn)化百分比的計算公式為[1]：

式⑴中：X-蔗糖轉(zhuǎn)化百分比；a-蔗糖水解前的濃度，可取100%；t-物料在罐內(nèi)的平均停留時間，h；k-蔗糖的水解速度常數(shù)；e-自然常數(shù)，取2.71828。

其中，蔗糖的水解速度常數(shù)k的計算公式為式⑵所示。

式⑵中：T-糖膏煮制溫度(糖膏煮制溫度一般在60～70℃，現(xiàn)擬取65℃，則T=273+65)，K；pH-物料pH值。

根據(jù)實際情況擬定的計算條件及基礎數(shù)據(jù)如下：

⑴根據(jù)某廠物料平衡計算結(jié)果、實際的煮糖原料情況：擬定糖漿與蔗比25%、錘度65°Bx、重力純度87 GP；甲蜜與蔗比13%、錘度86°Bx、重力純度69 GP；乙蜜與蔗比4%、錘度91°Bx、重力純度49 GP。

⑵結(jié)合各系糖膏的實際煮制時間，且為方便估算，甲膏分蜜簡化只分甲蜜，甲蜜全部用于煮乙膏，忽略各系糖膏的種子煮制，僅在煮制時間上做一定補償，則各系糖膏煮制時的物料停留時間為：甲膏煮制時間按4.5 h、全用糖漿，糖漿在罐內(nèi)停留時間取平均值，即2.25 h；乙膏煮制時間按7 h、全用甲蜜，甲蜜在罐內(nèi)停留時間取平均值，即3.5 h；丙膏煮制時間9 h，全用乙蜜，乙蜜在罐內(nèi)停留時間取平均值，即4.5 h；

⑶糖漿、糖蜜pH情況：根據(jù)企業(yè)對各系糖膏、糖蜜的pH值查定數(shù)據(jù)，擬按表1的原料pH值數(shù)據(jù)來計算煮糖轉(zhuǎn)化損失。

表1 糖漿及糖蜜pH值

1.2 煮糖過程的蔗糖轉(zhuǎn)化的計算結(jié)果與分析

根據(jù)1.1所述的式(1)、式(2)、基礎數(shù)據(jù)及擬定的條件，計算出煮糖過程蔗糖轉(zhuǎn)化情況，計算結(jié)果如表2所示。

表2 蔗糖轉(zhuǎn)化計算結(jié)果

表2的數(shù)據(jù)顯示，各系糖膏在正常的煮制時間、煮制量的條件下，糖漿pH從6.8降到6.2，煮糖過程的蔗糖轉(zhuǎn)化與蔗比從0.00343%提升到了0.01052%，增加了約2.067倍；但測算出來的煮糖過程蔗糖轉(zhuǎn)化與蔗比的數(shù)值來分析，因糖漿pH值降低導致的煮糖轉(zhuǎn)化損失較小。

2 糖漿pH值對煮糖降粘的影響

“降低糖漿pH值，煮糖粘度會下降”，這條經(jīng)驗無論是在教科書上[3]，還是在煮糖工口中，都是經(jīng)常提到的，然而降低糖漿pH值為什么會降低煮糖的粘度，現(xiàn)有文獻未深入說明。本文對此問題進行探究。

2.1 糖膏粘度的分類

按粘度對流體進行分類，可以分為牛頓流體與非牛頓流體。牛頓流體的特征是剪切應力和速度梯度之間是線性關系，恒溫下牛頓流體的粘度是一個常數(shù)。而糖漿的剪切應力與剪切速度成明顯的線性關系，為典型的牛頓流體[4]，如圖1所示。

圖1 不同溫度下糖漿的剪切應力與速率關系

影響糖漿的粘度的因素包括溫度和垂度等，其中，糖漿粘度大小與溫度成反比、與錘度成正比，相關研究表明，糖漿pH值高低對其粘度的影響并不大[5-6]，70℃下粗糖漿與硫漂后的精糖漿的物理粘度分別是8.6×10-3和8.2×10-3Pa·s[4]，相差甚小，數(shù)據(jù)上沒有明顯的降粘作用。

糖膏為結(jié)晶糖和母液的混合物，是非牛頓流體，糖膏的切應力和速度梯度之間不是線性關系[4]。進一步細分，可以將糖膏視為一種假塑性流體，它在流動很慢時，其剪切粘度保持為常數(shù)，而隨剪切速度增大，粘度反而減少。通過給煮糖罐加裝強制攪拌，施加外在的切應力來降低糖膏粘度，就是利用糖膏非牛頓流體的這種特性。

糖膏的粘度是隨煮糖時間而變化的(圖2)。煮糖初期，糖膏錘度低，晶體較細，粘度也較小，糖膏的流動性良好；當煮糖到達一定時間之后，特別是煮糖后期，由于糖膏錘度增大，晶體長大，其粘度將大大地增加，糖膏的流動性變差[4]。糖膏煮制過程中晶體含量的增加與過飽和度的增大是影響糖膏粘度的主要因素。

圖2 糖膏煮制過程的粘度變化

2.2 糖漿pH值對糖膏粘度的影響

根據(jù)糖漿pH值對其本身的粘度基本不存在影響，那它對糖膏粘度的影響的機理是：

視糖膏中的有機物質(zhì)呈無規(guī)線團狀，但彼此交疊、纏結(jié)在一起相互貫穿成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，增大糖膏中的酸值，也就是H+離子濃度，會降低聚電解質(zhì)的靜電斥力，致使無規(guī)線團體積收縮，結(jié)果減弱了纏結(jié)程度，粘度因而變小[7]。這種狀態(tài)下蔗糖分子更容易穿過其他有機物質(zhì)層，到達蔗糖晶體表面，促使晶體長大。

3 糖漿pH值對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

雖然降低糖漿pH值對糖膏煮制有一定的降粘作用，且過程的轉(zhuǎn)化損失并不大，但過低的糖漿pH值對大多數(shù)制糖企業(yè)來說是會影響白砂糖產(chǎn)品質(zhì)量的。因為，糖漿pH值過低，會加速對非不銹鋼材質(zhì)或沒有防腐處理過的煮糖罐、管路、儲箱的腐蝕，溶解出Fe2+，并且Fe2+進一步被氧化產(chǎn)生Fe3+，F(xiàn)e3+進一步和物料中的酚類色素絡合，生產(chǎn)深色物料，并且Fe3+與酚類色值絡合的產(chǎn)物色值更高，如圖3所示[8]。

圖3 不同價位鐵離子對中間制品色值的影響

不少企業(yè)出現(xiàn)糖漿色值在工藝指標范圍內(nèi)，但后段的乙、丙糖色值偏高，感觀偏紅，造成白砂糖的色值較高。這其中一個重要原因就是由于糖漿pH值偏低(5.8～6.2)，后段糖膏煮制所用的原洗蜜pH值則更低。再加上煮制時間長，煮煉基礎設備較差的企業(yè)在這個過程中就會溶解出相對多的鐵離子進入物料中去，這樣乙、丙糖結(jié)晶時吸收這部分有色物質(zhì)的量也就相應增多了。

4 結(jié)論與建議

從本文的研究結(jié)果來看，通過適當降低糖漿pH來降低糖膏粘度在實踐上有效果，在理論上也是有據(jù)可依，同時因糖漿pH值降低導致的蔗糖轉(zhuǎn)化量相比于整個生產(chǎn)損失的蔗糖量來說就非常小：糖漿pH值6.2～6.8時，轉(zhuǎn)化損失的蔗糖量與蔗比對應為0.01052%～0.00343%。

但要注意糖漿pH值過低導致的設備腐蝕問題，及其引發(fā)的過多鐵離子與酚類色素絡合，產(chǎn)生的產(chǎn)品色值問題，特別是煮煉設備均為碳鋼、且防腐不到位的企業(yè)要更加關注這個問題。因此，建議硫漂或糖漿上浮出來的精糖漿的pH值宜控制在pH值6.5左右，如煮煉設備多為不銹鋼或防腐到位的設備，可以嘗試控制糖漿在更低pH值范圍，如6.2左右。