孫煥煥，楊 鋒，羅佐帆，黃永春，任仙娥

（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）

射流空化強(qiáng)化糖液亞硫酸法脫色的研究

孫煥煥1，2，楊 鋒1，2，羅佐帆1，2，黃永春1，2，任仙娥1，2

（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）

文章以糖液色值下降率為指標(biāo)，研究了基于文丘里管產(chǎn)生的射流空化對(duì)亞硫酸法糖液澄清脫色的影響。分別考察了空化作用時(shí)間、空化器入口壓力、溶液溫度對(duì)糖液色值的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：糖液的色值下降率隨射流空化時(shí)間、空化器入口壓力、溶液溫度均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。通過正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝條件得出射流空化強(qiáng)化糖液澄清脫色的最佳工藝條件為：空化作用時(shí)間40s，空化器入口壓力0.25MPa，溶液溫度70℃，在該條件下糖液色值下降率達(dá)到最大值2.056%。研究結(jié)果表明：基于文丘里管產(chǎn)生的射流空化能夠有效地強(qiáng)化糖液澄清脫色。

射流空化；文丘里管；糖液；脫色

在制糖生產(chǎn)過程中，色值是衡量白砂糖質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此制糖過程中糖汁的澄清脫色是制糖過程的重點(diǎn)和難點(diǎn)［1］。目前我國(guó)大多數(shù)糖廠采用亞硫酸法生產(chǎn)白砂糖，但常常由于糖廠工藝條件波動(dòng)而使白砂糖色值經(jīng)常超標(biāo)。因此降低蔗糖澄清工藝的色值是當(dāng)前制糖工藝的研究熱點(diǎn)。

空化現(xiàn)象是指當(dāng)液體內(nèi)部局部壓力降低（低于相應(yīng)溫度下該液體的飽和蒸汽壓）時(shí)，液體內(nèi)部或液固交界面上空泡的形成、發(fā)展和潰滅的過程。空化現(xiàn)象的出現(xiàn)將產(chǎn)生一系列效應(yīng)，如機(jī)械效應(yīng)（沖擊波、微射流）、熱效應(yīng)（局部高溫）、光效應(yīng)（聲致發(fā)光）、活化效應(yīng)（水溶液中產(chǎn)生羥自由基）等。這些效應(yīng)對(duì)過程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)化作用，起到節(jié)能、增效的效果［2］。目前研究較多的是超聲空化和水力空化，利用超聲空化作為強(qiáng)化手段促進(jìn)原糖溶液中膠體的凝聚與絮凝［3-4］、強(qiáng)化蔗汁澄清［5-7］的研究已見報(bào)道。但由于超聲空化存在能量利用率低、空化效應(yīng)區(qū)域小、裝置成本高等問題，因此它的應(yīng)用范圍和應(yīng)用規(guī)模受到限制。水力空化與超聲空化對(duì)過程的強(qiáng)化原理是相同的，區(qū)別在于形成空泡的手段上［8］。水力空化的原理是：流體流過一個(gè)收縮裝置（如幾何孔板，文丘里管等）時(shí)產(chǎn)生壓降，當(dāng)壓力降至蒸氣壓甚至負(fù)壓時(shí)，溶解在流體中的氣體會(huì)釋放出來，同時(shí)流體汽化而產(chǎn)生大量空化泡，空泡在隨流體進(jìn)一步流動(dòng)的過程中，遇到周圍的壓力增大時(shí)，體積將急劇縮小直至潰滅［9］。但水力空化的能量利用率明顯高于超聲空化，水力空化是通過水力的作用形成，生成的空泡與液體能夠發(fā)生整體的運(yùn)動(dòng)，因此在較大的范圍內(nèi)易形成均勻的強(qiáng)化場(chǎng)，而且利用水力空化對(duì)化工過程進(jìn)行強(qiáng)化具有操作簡(jiǎn)單、能耗低、效率高、維護(hù)費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)［10-12］，因此水力空化具有大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)將基于文丘里管的射流空化引入到甘蔗制糖的亞硫酸法澄清工序中，考察空化作用時(shí)間、空化器入口壓力、溶液溫度對(duì)亞硫酸法澄清工藝中糖液色值的影響，為水力空化在制糖工業(yè)中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

原糖：一級(jí)原糖，廣東東莞市制糖廠有限公司；

氧化鈣（CaO）：分析純（AR），西隴化工股份有限公司；

亞硫酸（H2SO3）：分析純（AR），廣州化學(xué)試劑廠。

1.1.2 主要儀器與設(shè)備

電磁爐：C19-SH1983型，廣東美的生活電器制造有限公司；

托盤天平：JTP-20型，江蘇常熟衡器廠；

數(shù)字酸度計(jì)：pHS-25CW型，上海般特儀器制造有限公司；

電子分析天平：BS224S型，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；

阿貝折光儀：2WAJ型，上海光學(xué)儀器廠；

紫外可見分光光度計(jì)：UV2000型，尤尼柯（上海）儀器有限公司。

射流空化裝置：本實(shí)驗(yàn)室自制。如圖1所示，液體經(jīng)水泵輸送到射流空化器（文丘里管）的喉部時(shí)由于管徑縮小，液體流速增大，壓強(qiáng)變小，而過了喉部后管徑開始變大，液體的壓強(qiáng)迅速恢復(fù)。液體在空化器中流動(dòng)時(shí)，當(dāng)它的壓強(qiáng)低于液體在該溫度下的飽和蒸氣壓時(shí)形成空泡，氣泡隨著液體流動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)較高壓強(qiáng)區(qū)后氣泡瞬間潰滅，從而產(chǎn)生空化效應(yīng)。

圖1 自制射流空化實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

將原糖回溶，配制3 L濃度為15°Bx的糖液，加熱到70℃，加入20°B′e的石灰乳溶液，用H2SO3調(diào)節(jié)糖液的pH至7.0±0.1，攪拌2min，用潔凈干燥的燒杯取糖液200mL，將剩余的糖液在空化器入口壓力為0.25MPa下通過射流空化裝置循環(huán)空化處理不同的時(shí)間（20s、30s、40s、50s、60s、80s、100s）。分別取經(jīng)過空化處理的糖液各200mL，冷卻至室溫，取上清液測(cè)定糖液的錘度、吸光度，計(jì)算其色值。

固定其他條件，依次改變空化器入口壓力（0.05MPa、0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa、0.30 MPa、0.35MPa），糖液溫度（40℃、50℃、60℃、70℃、80℃），重復(fù)上述試驗(yàn)，分別考察空化器入口壓力、溶液溫度對(duì)糖液澄清脫色效果的影響。

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為尋求射流空化對(duì)糖液澄清脫色的最適宜生產(chǎn)條件，采用正交試驗(yàn)方法［13］，通過用L9（34）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化。

1.3 分析方法

取濃度約為15°Bx的待測(cè)糖液100mL，用稀鹽酸溶液（0.40mol/L）和稀氫氧化鈉溶液（0.40mol/L）調(diào)節(jié)該糖液pH至7.0±0.1。將其倒入孔徑為0.45μm微孔膜過濾器中，抽真空，棄去最初濾液后，用阿貝爾折光儀測(cè)定糖液折光錘度，用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度，調(diào)節(jié)分光光度計(jì)的波長(zhǎng)為560nm，同時(shí)用蒸餾水作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

用ICUMSA方法2計(jì)算糖液的色值［14］。

式中：IU560—用560 nm波長(zhǎng)測(cè)得的國(guó)際糖色值；

A560—用560 nm波長(zhǎng)的分光光度計(jì)測(cè)得的樣液吸光度；

b—石英比色皿厚度，cm；

c—樣液固溶物濃度，g/mL；

計(jì)算出糖液的色值，根據(jù)色值下降率來判斷射流空化強(qiáng)化亞硫酸法澄清脫色效果。

式中：（IU560）0—未經(jīng)過空化處理的糖液的色值；

（IU560）t—經(jīng)過空化處理的糖液的色值。

2 結(jié)果與討論

2.1 射流空化處理時(shí)間對(duì)糖液色值下降率的影響

在射流空化器入口壓力為0.25MPa，糖液溫度為70℃，糖液濃度為15°Bx的條件下，分別對(duì)糖液射流空化循環(huán)處理20s、30s、40s、60s、80s、100s，測(cè)定處理后糖液的色值，結(jié)果見圖2。

圖2 射流空化處理時(shí)間對(duì)色值下降率的影響

由圖2可以看出，隨著空化循環(huán)時(shí)間的增加，糖液色值下降率先上升后下降，最后變?yōu)樨?fù)值，即糖液的色值隨著射流空化處理時(shí)間的增加先降低后升高。說明在合適的空化處理時(shí)間內(nèi)，射流空化可以降低糖液的色值。原因是射流空化產(chǎn)生的強(qiáng)烈的機(jī)械效應(yīng)及較高的沖擊波和微射流，能夠促進(jìn)亞硫酸鈣沉淀顆粒與糖液中有色物質(zhì)等非糖分的接觸碰撞機(jī)率，增強(qiáng)了CaSO3沉淀對(duì)有色物質(zhì)等非糖分的吸附，降低了糖液的色值?？栈?yīng)可以強(qiáng)化SO32-和Ca2+反應(yīng)生成更加均勻、擁有較大比表面積、吸附能力更強(qiáng)的CaSO3沉淀顆粒，加強(qiáng)了其對(duì)有色物質(zhì)等非糖分的吸附，提高了糖液的脫色效果。同時(shí)空化效應(yīng)還可以增加Ca2+與帶負(fù)電的膠體顆粒碰撞機(jī)會(huì)，加強(qiáng)Ca2+與帶負(fù)電的膠體顆粒的凝聚作用，增加H2SO3與糖液中的含有的不飽和鍵的有機(jī)物的接觸機(jī)會(huì)，有利于它們的結(jié)合發(fā)生加成反應(yīng)，破壞其雙鍵結(jié)構(gòu)使糖液的顏色變淺，達(dá)到降低糖液色值的目的?？栈?yīng)也可以破壞親水膠體水化層使其聚結(jié)形成大顆粒絮凝物，從而能夠增強(qiáng)對(duì)非糖分的吸附，降低糖液的色值。但隨著空化處理時(shí)間的增加，射流空化不僅不能起到強(qiáng)化糖汁脫色的效果，反而會(huì)使糖液色值增加，是因?yàn)榭栈?yīng)增強(qiáng)到一定程度后，強(qiáng)烈的空化效應(yīng)會(huì)使已經(jīng)被亞硫酸鈣沉淀顆粒吸附的色素分子重新溶解在糖液中，增加了糖液的色值；另一方面是因?yàn)榭张轁绠a(chǎn)生的高溫高壓作用會(huì)使部分水分子發(fā)生分裂，產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)生成·OH和H2O2，它們具有很強(qiáng)的氧化性［15］，會(huì)把糖液中的酚類物質(zhì)氧化成深色的物質(zhì)，增加了糖液的色值，因此射流空化時(shí)間不宜過長(zhǎng)。

2.2 空化器入口壓力對(duì)糖液色值的影響

在糖液溫度為70℃，糖液濃度為15°Bx條件下，分別在射流空化器入口壓力為0.05MPa、0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa、0.30MPa、0.35MPa條件下對(duì)糖液射流空化循環(huán)處理40s測(cè)定處理后糖液的色值，結(jié)果見圖3。

圖3 射流空化器入口壓力對(duì)糖液色值的影響

由圖3可以看出，隨著射流空化器入口壓力的增大，糖液的色值下降率先上升后下降。原因是在一定范圍內(nèi)提高空化器的入口壓力，可以使液體流速加快，空化數(shù)下降，空化容易發(fā)生，空化泡數(shù)量增多，空泡潰滅機(jī)率增大，強(qiáng)化了空化效果，增強(qiáng)了CaSO3沉淀對(duì)有色物質(zhì)等非糖分的吸附，降低了糖液的色值。但是當(dāng)壓力增大到一定程度后，由于強(qiáng)烈的空化效應(yīng)產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”效應(yīng)使糖液中的一些成分被氧化從而使糖液顏色加深，影響了亞硫酸法澄清脫色效果，所以當(dāng)壓力升高到一定值后澄清效果反而會(huì)降低。因此射流空化對(duì)糖液的澄清脫色有一個(gè)最適壓力。

2.3 糖液空化溫度對(duì)色值的影響

在糖液濃度為15°Bx，射流空化器入口壓力為0.25 MPa的條件下，分別在糖液溫度為40℃、50℃、60℃、70℃、80℃條件下對(duì)糖液射流空化循環(huán)處理40s，測(cè)定處理后糖液的色值，結(jié)果見圖4所示。

圖4 糖液空化溫度對(duì)色值下降率的影響

由圖4可以看出，隨著糖液溫度的升高，糖液的色值下降率先上升后下降。原因是在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著溶液溫度的升高，溶液的飽和蒸汽壓加大，有利于氣核的發(fā)育和生長(zhǎng)，因此隨著溫度的升高，射流空化效應(yīng)增強(qiáng)，糖液中的SO32-和Ca2+的運(yùn)動(dòng)速率加快，有利于它們反應(yīng)生成顆粒均勻、擁有較大比表面積的CaSO3，增強(qiáng)了CaSO3沉淀與色素物質(zhì)等非糖分的接觸機(jī)會(huì)，有效降低了糖液的色值。由圖可以看出當(dāng)溶液溫度升高到70℃后，糖液的色值下降率反而降低，是因?yàn)楫?dāng)糖液溫度升高到一定程度時(shí)，雖然空化更加容易產(chǎn)生，但由于溶液蒸汽壓也隨著增大，空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”效應(yīng)減弱，因而空化效應(yīng)減小，強(qiáng)化作用降低。故當(dāng)糖液溫度高于70℃時(shí)，隨著糖液溫度的升高，射流空化強(qiáng)化脫色作用逐漸降低。

3 正交試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)因素和水平的選擇

根據(jù)上述單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，選用L9（34）型正交表進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)的因素水平安排見表1。

表1 試驗(yàn)因素水平

3.2 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

按L9（34）型正交表進(jìn)行安排試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以色值下降率為指標(biāo)，計(jì)算在各個(gè)條件下的色值下降率，正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析見表2，方差分析見表3。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

表3 方差分析表

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)極差分析可以了解到各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)效果影響的主次關(guān)系，由正交表可知，影響射流空化對(duì)糖液澄清脫色的因素按照主次排序?yàn)镃＞A＞B，即空化器入口壓力＞空化溫度＞空化時(shí)間，最優(yōu)方案為C2A2B2即空化器入口壓力為0.25MPa，空化溫度為70℃，空化時(shí)間是40s。在此條件下做驗(yàn)證試驗(yàn)，得色值下降率為2.056%，大于正交試驗(yàn)中最高色值下降率的6號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.625%，表明正交實(shí)驗(yàn)安排合理。根據(jù)表3的方差數(shù)據(jù)分析可以看出：在所設(shè)計(jì)的水平范圍內(nèi)空化器入口壓力、空化溫度、空化時(shí)間對(duì)糖液澄清脫色均有顯著性影響。最佳工藝條件表明，在射流空化對(duì)糖液色值的影響中，要想得到較好的澄清效果，保證合適的空化壓力和空化溫度是關(guān)鍵，空化反應(yīng)時(shí)間不宜過長(zhǎng)。

4 結(jié)論

通過基于文丘里管產(chǎn)生的射流空化對(duì)亞硫酸法糖液澄清脫色的影響研究，分別考察了空化處理時(shí)間、空化器入口壓力、溶液溫度對(duì)脫色效果的的影響。研究結(jié)果表明，在合適的空化處理時(shí)間、空化器入口壓力、空化溫度下射流空化能強(qiáng)化糖汁的澄清脫色，降低糖液的色值。通過正交試驗(yàn)驗(yàn)證射流空化強(qiáng)化糖液脫色的最佳工藝條件為：空化處理時(shí)間40s，空化器入口壓力0.25MPa，溶液溫度70℃，在此條件下，糖液色值下降率達(dá)到最大值2.056%。

文丘里管是主要的射流空化裝置之一，文丘里管空化裝置產(chǎn)生的氣泡的輻射運(yùn)動(dòng)屬于穩(wěn)定的振蕩型［16］，因此文丘里管空化裝置適合運(yùn)用在一般的化學(xué)反應(yīng)中，而SO32-和Ca2+的反應(yīng)是比較溫和的，生成的CaSO3沉淀吸附的非糖分和在反應(yīng)過程中生成的凝聚物是不穩(wěn)定的，因此文丘里管射流空化裝置適合用來強(qiáng)化亞硫酸法硫熏中和反應(yīng)過程。本研究為射流空化強(qiáng)化糖汁澄清過程的初步研究，為射流空化在制糖工業(yè)中的進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)和參考依據(jù)，同時(shí)豐富了射流空化的應(yīng)用領(lǐng)域，在化工食品行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Study on the decolorization of the raw sugar syrup with sulfitation acid method enhanced by jet cavitation

Sun Huan-huan，Yang Feng，Luo Zuo-fan，Huang Yong-chun，Ren Xian-e
（1.Department of Biological and Chemical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China; 2.Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources，Liuzhou 545006，China）

The drop rate of color value was taken as index to analyze the effect of venturi tube cavitation on enhancing decolorization of the raw sugar syrup with sulfitation acid method．The cavitation treatment time，inlet pressure and solution temperature were investigated respectively．It showed that the the drop rate of color value of syrup increased firstly but decreased lately with the increase of jet cavitation treatment time，inlet pressure or solution temperature．Orthogonal test was used to optimize the experimental conditions，and the results showed that the optimal process conditions were as follows∶cavitation treatment time was 40 s，the jet cavitation inlet pressure was 0．25 MPa，the solution temperature was 70℃．The drop rate of color value was 2．056%under the optimal condition．The results showed that the jet cavitation improved decolorization rate of raw sugar syrup effectively．

jet cavitation;venturi tube;raw sugar syrup;decolorization

TS243.2

B

2095-820X（2016）01-07

2015-12-15

廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2013GXNSFAA019031）；廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)及卓越學(xué)者計(jì)劃資助（桂教人〔2014〕7號(hào)）。

孫煥煥(1988-)，女，山東泰安人，碩士研究生，研究方向：生物資源化工。

黃永春