寧方堯，梁 勇，何惠歡，黃 凱

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530001)

0 引言

甘蔗屬于熱帶、亞熱帶植物，在我國(guó)南方種植廣泛，甘蔗汁中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，甘蔗除蔗糖外尚含一些對(duì)人體免疫系統(tǒng)有活性的營(yíng)養(yǎng)物，如多酚化合物、植物甾醇、高級(jí)烷醇、葉綠素、礦物質(zhì)、維生素等功能性物質(zhì)[1]。其中，多種維生素能維持身體健康，調(diào)節(jié)基礎(chǔ)代謝[2]；近10種氨基酸和非氮有機(jī)酸[3]，為蛋白質(zhì)合成以及人體活動(dòng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)；鉀、鈣、鐵、銅、鋅等無機(jī)物[4]為人體提供必需的微量元素；多酚類和黃酮類物質(zhì)具有抗氧化活性，能增強(qiáng)人體對(duì)某些疾病的抵御能力，有利于人體健康[5]。傳統(tǒng)上甘蔗用于制作白砂糖、紅糖和糖漿產(chǎn)品，其寶貴的水資源在加工過程中大部分經(jīng)過蒸發(fā)濃縮除去。因此，全效利用甘蔗中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水資源，對(duì)甘蔗高值化利用有重要作用。

蔗汁用做釀酒生產(chǎn)，則可以通過啤酒花、酵母的作用，全效利用其中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水分和特有的風(fēng)味物質(zhì)。但是甘蔗原汁由于夾雜物等影響，蔗汁混濁對(duì)后期的過濾處理造成很大困難，需要對(duì)蔗汁進(jìn)行澄清處理，以利于其發(fā)酵和過濾。由于蔗汁發(fā)酵生產(chǎn)啤酒直接飲用，對(duì)蔗汁澄清過程的處理要求較高，傳統(tǒng)的沉降、氣浮由于加入了聚丙烯酰胺等助劑，存在一定的食品安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，因此需要開發(fā)新的蔗汁澄清工藝。本文選擇食品安全更高的生物絮凝劑替代聚丙烯酰胺，創(chuàng)新性地采取低溫澄清和強(qiáng)制離心沉降分離耦合技術(shù)，安全、高效地澄清蔗汁，為甘蔗原汁的全汁應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

甘蔗混合汁，取自南寧糖業(yè)明陽(yáng)糖廠預(yù)灰前混合汁。

NaOH、HCl、H3PO4、CaO，均為 AR 級(jí)；生物絮凝劑，山東旭陽(yáng)生物科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

PHSJ-4A型酸度計(jì)：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；HH-S精密恒溫水浴鍋：金壇市醫(yī)療儀器廠；精密天平：上海梅特勒-托利多；HJ-5型多功能攪拌器：常州國(guó)華電器有限公司；島津UV-2501PC紫外分光光度計(jì)：日本島津制作所；WZZ-T2自動(dòng)旋光儀：上海精密科學(xué)儀器有限公司；WAY-2S型阿貝折光儀：上海精密科學(xué)儀器有限公司；中速定性濾紙：杭州富陽(yáng)特種紙業(yè)有限公司；HC-2518高速離心機(jī)：科大創(chuàng)新股份有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)流程：混合汁→預(yù)灰→低溫沉降→沉清糖汁→離心分離澄清→結(jié)果分析。

由于啤酒發(fā)酵工藝的低溫環(huán)境，首先采用高效的生物絮凝劑在低溫下沉清混合汁，根據(jù)前期研究基礎(chǔ)[7]，擬定蔗汁磷酸總值為300 mg/kg，以簡(jiǎn)純度、沉降速度為指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，沉降速度的測(cè)定參考文獻(xiàn)[8]進(jìn)行。對(duì)蔗汁溫度、絮凝劑用量、預(yù)灰pH進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)樣品量為 500 mL。離心沉降實(shí)驗(yàn)以糖汁混濁度為指標(biāo)，考察離心轉(zhuǎn)速、離心時(shí)間的單因素實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)方法依照制糖化學(xué)管理規(guī)定方法[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫沉降單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 溫度對(duì)蔗汁澄清的影響

選用低溫區(qū)絮凝效果好的生物絮凝劑，生物絮凝劑添加量為2 mg/kg，在啤酒發(fā)酵的合適溫度區(qū)間20～40℃范圍進(jìn)行溫度單因素實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行蔗汁較低溫沉降。單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 啤酒發(fā)酵用蔗汁的低溫澄清溫度影響

從圖1可以看出，在固定絮凝劑添加量的情況下，隨著溫度升高，絮團(tuán)沉降速率越高，簡(jiǎn)純度變化值不斷提高，以沉降體積速率的數(shù)據(jù)顯示，速度可達(dá)0.42 mL/s的體積量，簡(jiǎn)純度提高約1%。溫度從 25℃到 30℃的變化速率是最大的，超過 30℃后的沉降速度雖有提升，但是變化速率降低，且在40℃時(shí)出現(xiàn)了下降。其原因可能是溫度升高，較大分子量的生物絮凝劑網(wǎng)絡(luò)絮團(tuán)體積變大，絮團(tuán)也不夠緊實(shí)的原因。因此，在低溫沉降過程溫度不宜超過35℃。

2.1.2 生物絮凝劑的用量對(duì)蔗汁澄清的影響

根據(jù)溫度的單因素實(shí)驗(yàn)，選定實(shí)驗(yàn)溫度30℃，進(jìn)行生物絮凝劑添加量單因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。隨著絮凝劑用量的增加，絮團(tuán)沉降速率與簡(jiǎn)純度變化值基本呈現(xiàn)正比關(guān)系，以沉降體積速率的數(shù)據(jù)顯示，速度可達(dá)0.50 mL/s的體積量，簡(jiǎn)純度提高超過1.0%。用量從1.5 mg/kg到2.0 mg/kg的變化速率是最大的，超過2.0 mg/kg后的沉降速度雖有提升，但是變化速率同溫度因素一致，即也是出現(xiàn)降低，且在3.0 mg/kg時(shí)出現(xiàn)了下降。其原因可能是生物絮凝劑用量過大，網(wǎng)絡(luò)絮團(tuán)出現(xiàn)大規(guī)模抱團(tuán)，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)絮團(tuán)有上浮現(xiàn)象。因此，生物絮凝劑的用量不宜超過2.5 mg/kg，以2.5 mg/kg用量最佳。

考慮啤酒發(fā)酵工藝條件中溫度不高的特點(diǎn)，選擇30℃為優(yōu)選的低溫沉降溫度，生物絮凝劑用量2.5 mg/kg為優(yōu)選低溫沉降絮凝劑量。

圖2 啤酒發(fā)酵用蔗汁的低溫澄清絮凝劑影響

2.1.3 pH對(duì)蔗汁澄清的影響

在實(shí)驗(yàn)溫度 30℃、生物絮凝劑用量 2.5 mg/kg的條件下，進(jìn)行糖汁 pH值影響的單因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，隨著糖汁pH的增加，絮團(tuán)沉降速率與簡(jiǎn)純度變化值基本呈正比關(guān)系，以沉降體積速率的數(shù)據(jù)顯示，速度可達(dá) 0.48 mL/s的體積量，簡(jiǎn)純度提高達(dá)0.84%。在選定溫度下蔗糖在堿性條件下會(huì)有一定的水解，特別是堿度較高的條件下，會(huì)造成有機(jī)酸、氨基酸類的析出變化。因此，綜合考慮，蔗汁pH值選擇7.3。

圖3 啤酒發(fā)酵用蔗汁的低溫澄清蔗汁pH值影響

在磷酸總量為300 mg/kg的條件下，考慮啤酒發(fā)酵工藝條件中溫度不高的特點(diǎn)，選擇30℃為優(yōu)選的低溫沉降溫度，生物絮凝劑用量2.5 mg/kg為優(yōu)選低溫沉降絮凝劑量，蔗汁的pH值為7.3。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

控制磷酸總量一定的條件下，研究蔗汁低溫沉降速率和簡(jiǎn)純度變化情況，以pH值(P)、溫度(T)和絮凝劑添加量(A)進(jìn)行3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)[7]，以沉降速度和簡(jiǎn)純度變化值為目標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

3因素的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 1所示，通過極差分析，可以看出混合汁低溫沉降澄清分離過程影響因素的主次順序?yàn)?P＞A＞T，即溶液的 pH值影響最大，其次是生物絮凝劑添加量，低溫下溫度因素影響最小。其原因可能是在一定的堿性條件下，溶液中的陽(yáng)離子特別是Ca2+參與絮凝物的架橋，從而形成絮團(tuán)大、沉降快、澄清效果好。絮凝劑添加量大雖然會(huì)造成沉降速度的降低，但是對(duì)糖汁純度的提升比較明顯，澄清效率較高。

另外，表1中pH值的較優(yōu)水平為P3/P2，其中P3對(duì)應(yīng)沉降速度，P2對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)純度變化值，考慮簡(jiǎn)純度變化值的K2’和K3’相差不大(0.007%)，而沉降速度的K3與K2相差0.024 mL/s，作為酒精發(fā)酵主要是提升澄清效率，綜合考慮，選擇pH值的P3因素。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最佳的實(shí)驗(yàn)組合是P3T2A3，即糖汁pH值7.3，溫度35℃，生物絮凝劑添加量3 mg/kg。

表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

圖4 低溫澄清糖汁情況

圖5 離心沉降后糖汁情況

2.3 沉清汁強(qiáng)制離心清凈實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過低溫沉降處理后的沉清汁混濁度較高，在980～1300 MAU左右，澄清效果如圖4所示。從圖4中可以看出，由于低溫沉降效率不高，蔗汁比較混濁，需要進(jìn)一步的清凈處理，對(duì)于沉清汁的清凈方式可以采用強(qiáng)制離心沉降和膜分離技術(shù)，膜分離由于膜面污染、再生清洗污染及糖分損耗的影響，所以實(shí)驗(yàn)采用物料停留時(shí)間短、效率高的強(qiáng)制離心沉降技術(shù)進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5和圖6。

圖6 啤酒發(fā)酵用低溫沉清蔗汁的強(qiáng)制離心清凈實(shí)驗(yàn)

從圖6可以看出，經(jīng)過強(qiáng)制離心沉降處理的清汁，在5000 r/min的轉(zhuǎn)速下，180 s的離心處理時(shí)間混濁度可以降到300 MAU以下，對(duì)于后期的發(fā)酵、精濾提供了較好的條件，過長(zhǎng)的沉降時(shí)間不利于工業(yè)化應(yīng)用，因此，強(qiáng)制離心沉降時(shí)間不超過180 s。

通過線性擬合，在5000 r/min的轉(zhuǎn)速下，離心力為 2319.7 g，糖汁沉降的擬合曲線為：y=-233.0ln(x)+694.5，R2=0.993，擬合結(jié)果較好，為離心沉降的設(shè)計(jì)選型提供了理論支持。

3 結(jié)論

通過低溫沉降和強(qiáng)制離心沉降技術(shù)澄清糖汁的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，分析了影響低溫澄清混合汁過程的溫度、生物絮凝劑添加量和 pH因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在低溫澄清工藝的基礎(chǔ)上，選用合適的強(qiáng)制離心沉降條件，就可得到澄清度較好的糖汁，且糖汁純度得到了一定的提升。其中，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)蔗汁磷酸總值為300 mg/kg時(shí)，低溫沉降的條件為：預(yù)灰pH 7.3，蔗汁溫度為35℃，絮凝劑用量3 mg/kg；強(qiáng)制離心沉降實(shí)驗(yàn)條件為：在5000 r/min的轉(zhuǎn)速下，離心力為2319.7 g，離心時(shí)間180 s，糖汁沉降的擬合曲線為：y=-233.0ln(x)+694.5，R2=0.993，擬合結(jié)果較好，為甘蔗原汁安全、高效的全汁利用技術(shù)的進(jìn)一步研究提供了基本依據(jù)。