水力空化强化糖液亚硫酸法脱色的研究

黄永春 高海芳 吴修超 任仙娥 杨 锋

HUANG Yong－chun GAO Hai－fang WU Xiu－chao REN Xian－eYANG Feng

（广西科技大学生物与化学工程学院，广西 柳州 545006）

（Guangxi University of Science and Technology，College of Biological and Chemical Engineering，Liuzhou，Guangxi 545006，China）

色值是衡量白砂糖质量的一个重要理化指标。目前中国绝大部分甘蔗糖厂均使用亚硫酸法澄清工艺，由于受其自身工艺条件的限制，白砂糖的色值都普遍相对较高［1］。糖浆的色值是指示澄清效果的关键［2］，因此，寻找一种简单有效地强化亚硫酸法澄清脱色的手段成为制糖工业的一个热点。

空化可以通过不同的方法得到，超声空化、水力空化是空化的重要方式。利用超声空化作为强化手段促进糖液胶体物系凝聚与絮凝［3，4］、吸附澄清脱色［5，6］等 的研究已 见 报道。但是，由于超声空化存在能量利用率低、空化效应区域小、装置成本高等问题，其应用范围和应用规模受到了极大的限制。水利空化和超声空化在形成空泡手段上是有差别的，这两种空化方式对过程强化的原理是一样的，强化的效果也差不多。对于能量的利用率来说，水力空化对能量的利用远远高于超声空化［7，8］，在超声空化的过程中低于5%的能量用来空化效应，其余的都以热能形式散发出去，导致系统的温度上升［9］。这种温度的升高既浪费了能量，又不利于对热敏物质的处理。超声空化具有局部性和方向性，它的空化效应仅仅在超声发生器周围的狭小区域内产生，所生成的空泡不会发生整体的迁移运动，从而使空泡形成的过程、发展的过程以及溃灭的过程都被限制在此区域内，这种局部的、非均匀的强化场极大地限制了它的应用规模和范围。水力空化则是通过水力的作用形成，生成的空泡与液体能够发生整体的运动，因此在较大的范围内易形成均匀的强化场，同时它具有操作简单、效率较高、能量消耗较低等特点。水力空化具有的以上优点［10，11］，扩宽了它在工业领域大规模的应用。

本研究拟将水力空化引入到糖液的亚硫酸法澄清工艺，考察水力空化对亚硫酸法澄清工艺糖液脱色效果的影响，为水利空化在制糖业中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

赤砂糖：南宁市万宇科技开发有限公司；

氧化钙、亚硫酸、盐酸、氢氧化钠：AR级，广州化学试剂厂；

聚丙烯酰胺（PAM）：平均相对分子质量为300万，西陇化工股份有限公司。

1.1.2 主要仪器设备

分光光度计：722型，上海精密科学仪器有限公司；

阿贝折光仪：2WAJ型，上海光学仪器厂；

数字酸度计：PUS－25A型，上海大弯仪器设备有限公司；

分析天平：AL104型，上海方瑞仪器有限公司；

光波炉：DKE200－829A型，广州鹏越电器有限公司；

托盘天平：JTP－20郑州中天实验仪器有限公司。

涡流空化装置由本实验室自制，如图1所示。该装置包括：压力表、涡轮、电动机各1个，阀门若干个，辅助管道等。涡轮在电动机的带动下旋转，流经旋转涡轮的液体能够形成涡流，从而在涡流的中心形成了一个压强较低的区域，空化的气泡在液体蒸汽压高于压强时产生，并且随着涡轮的旋转而从涡轮中流出来，在突然变大的压强下溃灭，导致空化效应的产生。

图1 自制涡流空化装置示意图Figure 1 diagram of homemade vortexing cavitation outfit

1.2 分析方法

用蒸馏水把待测样品稀释到10°Bx，然后用NaOH溶液（0.5 mol／L）或 HCl溶液（0.5 mol／L）调节样品的p H 值为7.0左右，再将其倒入到孔径为0.45μm的过滤器中，抽真空，最初的滤液弃去，并测定其折光锤度，放入到比色皿中，最后用分光光度计测定吸光度，光度计的波长为560 nm，同时用蒸馏水作为参考标准。

用ICUMSA方法2测定样品色值［12］：

式中：

IU560——国际糖色值；

A560——样品于560 nm波长处测得的吸光度值；

b—— 比色皿的厚度，cm；

c—— 样品固溶物的浓度，g／m L。

1.3 试验方法

将赤砂糖回溶，配置3 L浓度约15°Bx的糖液。加热到70℃，用洁净干燥的250 m L锥形瓶取未经亚硫酸法处理的糖液200 m L；向剩余的2.8 L糖液中加入氧化钙7 g，用亚硫酸调节溶液p H 至7.0±0.1，搅拌2 min，用洁净干燥的250 m L锥形瓶取糖液200 m L并二次加热到100℃，然后加入浓度为500 mg／L的PAM溶液0.8 m L并轻微搅拌5 min，冷却至室温后取上清液测定样品色值；将剩余糖液在涡轮出口压力为0.1 MPa条件下通过空化装置循环不同时间（3，5，10，20，35 s），用洁净干燥的250 m L锥形瓶取糖液200 m L并二次加热到100℃，然后加入浓度为500 mg／L的PAM溶液0.8 m L并轻微搅拌2 min，冷却至室温后取上清液测定样品色值。

固定其它条件，依次改变涡轮出口压力（0.1，0.2，0.3，0.4 MPa）、糖液温度（30，40，50，60，70 ℃），糖液浓度（15，30，45，60°Bx），重复上述试验。考察空化时间、涡轮出口压力、溶液温度、溶液浓度等条件对强化脱色效果的影响。

2 结果和讨论

2.1 空化时间对糖液色值的影响

在涡轮出口压力为0.1 MPa、糖液温度为70℃、糖液浓度为15°Bx的条件下，分别对糖液水力空化循环处理3，5，10，20，35 s，测定处理后糖液的色值，结果见图2。

图2 空化时间对色值的影响Figure 2 Effect of cavitation treatment time on the color

由图2可知，当空化时间在一定范围内，水力空化能够促进糖液色值下降。一方面亚硫酸钙的沉淀颗粒对色素分子吸附作用的增强，从而强化了脱色效果；另一方面水力空化在大范围内形成一个比较均匀的空化强化场，能够使亚硫酸钙沉淀更加充分，颗粒更加均匀，拥有更大的表面积，吸附能力更强，从而提高糖液的脱色效果。在水力空化循环处理糖液5 s的条件下色值下降最多，说明处理溶液的时间不宜过长。当空化时间达到35 s时，反而使糖液色值上升，这是因为空化时间长，使已经被亚硫酸钙沉淀颗粒吸附的色素分子又重新被解吸下来；而且，过长的空化作用，由于“热点”点效应使糖液中的一些成分被氧化而颜色加深，从而影响了脱色效果，这说明水力空化对糖液脱色的强化作用与空化作用时间有关。

2.2 涡轮出口压力对糖液色值的影响

在糖液温度为70℃、糖液浓度为15°Bx的条件下，分别在涡轮出口压力为0.1，0.2，0.3，0.4 MPa条件下对糖液水力空化循环处理5 s，测定处理后糖液的色值，结果见图3。

图3 涡轮出口压力对色值的影响Figure 3 Effect of turbine outlet pressure on the color

由图3可知，出口压力越大，糖液的色值越高。这是由于较高的出口压力，即较高的下游恢复压力，使涡轮中心产生的空化气泡数量减少、振幅变小，减弱了空化效应，从而使其强化作用变弱。

2.3 溶液温度对糖液色值的影响

在糖液浓度为15°Bx、涡轮出口压力为0.1 MPa的条件下，分别在糖液温度为30，40，50，60，70℃条件下对糖液水力空化循环处理5 s，糖液色值的变化情况见图4。

图4 溶液温度对色值的影响Figure 4 Impact on solution temperature about the color

由图4可知，色值随着溶液温度的升高先下降后上升，当溶液温度为50℃时，糖液的色值下降得最多。这是由于随着温度的升高，糖液的蒸汽压升高、黏度下降，空化易于产生，空化效应增强。但当糖液温度继续升高时，虽然空化更加容易产生，但由于溶液蒸汽压也随着增大，空泡溃灭时产生的冲击力变小，“热点”效应减弱，因而空化效应减小，强化作用降低。故当糖液温度高于50℃时，随着糖液温度的升高，强化脱色作用逐渐降低。

2.4 溶液浓度对糖液色值的影响

在涡轮出口压力为0.1 MPa、糖液温度为50℃的条件下，浓度分别为15，30，45，60°Bx的糖液经水力空化循环处理5 s，糖液色值的变化情况见图5。

由图5可知，色值随着溶液浓度的升高而升高。这是由于随着浓度升高，糖液的黏度升高，蒸汽压下降，空化产生困难，空化效应减弱；而且糖液浓度升高，糖液中所含的色素分子增加，吸附除去的色素分子的比率减小，因而强化脱色作用逐渐降低，脱色率减小。

图5 溶液浓度对色值的影响Figure 5 Effect of solution concentration on the color

3 结论

通过对水力空化强化亚硫酸法糖液澄清过程的脱色的效果探讨，分析了空化作用的循环时间、涡轮出口压力、溶液温度及浓度等影响因素对糖液的脱色效果的变化。试验结果发现，水力空化能够有效地强化糖液脱色，降低糖液的色值；通过单因素试验得到水力空化强化糖液脱色的最佳工艺参数为空化循环时间5 s、涡轮出口压力0.1 MPa、糖液温度50℃，糖液浓度15°Bx，在此条件下糖液的脱色率为69.14%，明显高于无水力空化条件下的脱色率（63.03%）。

水力空化与超声空化相比，具备以下优点：设备装置较为简单，能耗也较低，操作相对方便，维护所需费用合适，容易规模化生产等。之前水力空化对原糖溶液的表面张力影响也做了一定的研究［13］，而本研究主要是水力空化的强化作用对糖液脱色进行了初步研究，虽脱色率的效果不是特别高，但为水力空化在制糖工业中的更进一步研究奠定了基础。本试验的工业化应用还需做更多的试验加以验证，更需通过试验的不断创新提高糖液的脱色率。

1 霍汉镇，陈树功，陈士志.现代制糖工业技术［M］.北京：中国轻工工业出版社，1992.

2 宋春宁，杨瑞标.蔗糖澄清工段糖浆色值影响因素的灰色关联度分析［J］.食品与机械，2013，29（2）：28～31.

3 丘泰球，胡松青，林福兰，等.声场强化胶体物系澄清作用的研究［J］.声学技术，1998，17（3）：108～110.

4 曾思贤，丘泰球，谢雄飞，等.声场对糖浆气浮分离作用的研究［J］.甘蔗糖业，1998，12（3）：34～36.

5 黄永春，鲁聿伦，杨峰，等.超声强化糖汁脱色的研究［J］.食品工业科技，2009，30（12）：284～286.

6 黄永春，鲁聿伦，杨峰，等.超声强化亚硫酸钙法吸附糖汁中的非糖分［J］.食品科学，2010，31（22）：81～85.

7 Kumar P Senthil，Kumar M Siva，Pandit A B.Experimental quantification of chemical effects of hydrodynamic cavitation［J］.Chemical Engineering Science，2000，55（9）：1 633～1 639.

8 Kalumuck K M，Chahine G L.The use of cavitation jets to oxidze organic compounds in water［J］.Journal of Fluids Engineering，2000，122（3）：465～470.

9 Vogel A，Lanterbom W，Timm R.Optical and acoustic investigation of the dynamics of laser produce cavitation bubbles near a solid boundary［J］.J.Fluid Mech.，1998，208（3）：209～308.

10 李志义，张晓东，刘学武，等.水力空化及其对化工过程的强化作用［J］.化学工程，2004，32（4）：27～29.

11 Wang Xikui，Wang Jingang，Guo Peiquan，et al.Degradation of rhodamine B in aqueous solution by using swirling jet－induced cavitation combined with H2O2［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，169（1～3）：486～491.

12 李墉，郑长庚.甘蔗制糖化学管理分析方法［M］.广州：中国轻工业总会甘蔗糖业质量监督检测中心，1995：51～53.

13 黄永春，吴修超，任仙娥，等.水力空化对原糖溶液表面张力的影响［J］.食品与机械，2012，28（6）：16～18.