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糖汁分离提纯的方法与强化途径 谢名洋1 陈 山2 (1 1 柳州市人民政府 柳州 545001;21 广西大学生物技术与糖业工程学院 南宁 530004) 收稿日期:1999203209 摘 要:通过分析影响糖汁分离提纯的主要因素,有针对性地介绍国内外甘蔗糖厂用于改善糖汁分离提纯效 果的方法与强化途径。 关键词:糖汁;分离提纯;方法;强化途径 中图法分类号: TS244+12 文献标识码: A 文章编号: 100322673 (1999) 0220001205 1 引言 目前,国内甘蔗糖厂尤其是亚硫酸法糖 厂,成品糖的质量一直未能稳定,常因色值、 混浊度两项指标而影响其质量,严重者造成 产品降级或成为等外糖。白砂糖的色值、混 浊度两个因素很大程度上取决于糖浆质量, 而糖浆的质量决定于清汁的好坏,实质上决 定于糖汁分离提纯效能的高低。 制糖过程可简单地描述为从甘蔗原料提 取蔗汁,经过澄清、蒸发、煮炼等工序制成 成品糖的过程。糖汁提纯分离作为一个重要 的中间环节,受到诸多因素的影响。生产上, 糖汁的提纯分离涉及的环节主要有压榨提 汁、 混合汁澄清、 过滤及清汁处理等工序。 因 此,要提高糖汁分离提纯的效能必须综合考 虑各工序的作用。 2 影响糖汁提纯效果的主要因素 211 胶体 胶体物质分为憎水胶体和亲水胶体两大 类。憎水胶体主要是各种无机物质,本身不 溶于水,只在某些特定的条件下才能形成胶 体溶液,它们容易被凝聚去除,对提纯分离 影响不大;亲水胶体主要是各种高分子量的 有机物质,大多数亲水胶体在水溶液中很稳 定,很难去除,对提纯分离的不良影响相当 大。 存在于糖汁中的亲水胶体主要有:蛋白 质1, 2、果胶3, 4、多糖类5、高分子酚类物 质5等,它们含有大量的亲水基团,本身高度 水化,很难脱水。其中只有蛋白质可以因变 性作用被加热凝聚6,而其它则相反,温度升 高大大加速了各种化学反应,特别是高分子 有机物的水解作用,可促进多种有机物质分 散成为胶体,严重阻碍糖汁的提纯分离。 212 无机物(灰分) 糖汁含有无机元素达30多种,无机物以 碱类为主,大多以阳离子状态存在于糖汁中。 硅酸、三价铁及铝大部分都是溶胶状态,其 中以硅酸的含量为最多;磷酸则有单磷酸、 双 磷酸或有机磷酸盐等形式。 糖汁中的P2O5含 量对于糖汁澄清影响极大,一般认为每升糖 汁含320至500毫克P2O2,可获得满意的澄 清效果。若含量过高,不但增加沉淀池及过 滤机的负担,而且沉降速度十分缓慢。 213 色素及有色非糖分 甘蔗本身的有色物质,可通过压榨进入 混合汁,此外,在生产过程中新生成的一些 11999年第2期 广 西 轻 工 业 G1X1L ight Ind1 有色物质,则是某些非糖分之间的化学反应 的结果。糖汁中的有色物质,其含量尽管较 少,但对糖汁或砂糖的外表产生明显的影响。 甘蔗中的天然色素主要有脂溶性和水溶 性两大类。脂溶性色素(叶绿素、叶黄素和 胡罗卜素等)不溶于水,可溶于有机溶剂如 乙醚、丙酮、苯和汽油等,它们在糖汁中通 常与各种蔗脂混合存在,与蛋白质紧密连结, 分散成悬浮微粒;水溶性色素主要是各种酚 类物质,种类多且变化复杂,在生产过程常 可形成更深色的物质,对制糖过程的不良影 响很大。 此外,铁、氧和氧化酶也是糖品出现深 色的基本原因7。 值得注意的是,当糖汁加热时,蔗糖的 焦化、还原糖分解及美拉德反应都可形成褐 色或黑色的物质。 214 还原糖 还原糖中的葡萄糖和果糖在pH = 310 时最稳定。碱性蔗汁若加热超过38则会分 解且不断生成胶体物质、 色素、 有机酸等,还 可与氨基酸起美拉德反应,生成深色物质。 215 有机酸类 糖汁中的有机酸以乌头酸的含量最多, 可占甘蔗重量的01050115%。由于甘蔗中 乌头酸的含量要高于磷酸,在加灰澄清时,它 的存在要抵消一部分石灰的作用, ,因此必须 增加石灰用量才能达到澄清所需的终点pH 值。此外,有机酸及其碱金属盐类都十分容 易溶解于水,都具有造蜜作用。 216 淀粉 甘蔗全株含有01003%至010063%的淀 粉。甘蔗淀粉微细粒子在压榨渗浸过程中很 容易分散到蔗汁,加热后变成淀粉糊,从而 提高糖液的粘度,淀粉引起过滤效率降低已 被证实8。 217 其他影响因素 蔗渣糠等杂质对糖汁的提纯分离影响也 很大。 蔗渣糠实际是一种颗粒度很小的蔗渣, 蔗渣糠中的木素通常包含有甲氧基、 醇羧基、 酚羧基等致色基团,当被加热时,木素在高 温下被破坏分解,它所携带的致色基团必然 增加糖汁的色值。另外,蔗渣糠聚集之处通 常是微生物滋生的地方。 3 糖汁分离提纯的方法与强化途径 311 压榨环节 31111 保证原料蔗的新鲜度及压榨工序的 环境卫生 生产中,保证甘蔗的新鲜程度既可避免 原料蔗被有害细菌感染,又可防止糖分的损 失,对提纯分离至关重要。为此,既要严格 执行砍收规范又要尽量缩短甘蔗从砍收到进 厂压榨之间的时间。做好压榨工序的环境卫 生可防止微生物滋生,尤其在压榨机、蔗汁 曲筛、蔗汁秤管路等处,要定时清理。此外, 要注意曲筛(DSM筛)的里外清洁,还有压 榨机的蔗汁盆设计,要尽量减少蔗屑的积存, 有时应加装螺旋桨叶以便把蔗屑及时排走。 31112 使用杀菌剂 适当使用杀菌剂处理好压榨环境卫生可 减少蔗糖转化为葡聚糖所造成的损失,最有 可能提高糖分的回收率9。添加杀菌剂的目 的主要是杀灭有害微生物,尤其是那些可诱 发生成葡聚糖的细菌。实践表明,这种预防 方法不仅可以避免葡聚糖在压榨过程的形成 而造成糖分损失,而且有助于改善糖汁的提 纯分离10。 在压榨过程中,由于化学作用及微生物 作用而引起的蔗汁变坏,除导致蔗糖损失外, 还会妨碍澄清及过滤操作。在糖汁的化学变 2广 西 轻 工 业 G1X1L ight Ind1 1999年第2期 化方面,一般认为都是pH值较低所致,防治 的办法是在压榨车间进行混合汁的预加灰, 以便提高蔗汁的pH值。最为有效的办法是 每班上机后从每一座榨机开始逐座轮流清 洗,可用压力为4 kg?cm 2 的热水清洗辊面排 汁槽、沟和死角的地方,洗完后再用杀菌剂。 若正确使用国产W FB型杀菌剂,每榨1吨 甘蔗能多回收糖110810 kg11。 31113 添加葡聚糖酶以减少葡聚糖的形成 葡聚糖酶可显著地减少葡聚糖的形成, 避免“蔗饭”的生成,降低物料的粘度,极 大地改善糖汁提纯分离的效能及成品糖的质 量,尤其在处理已变质的原料蔗时更显其重 要性12。 312 澄清环节 目前国内外糖厂采用的澄清方法主要有 石灰法、亚硫酸法和碳酸法三种。石灰法只 能生产红糖、赤砂糖和原料糖等颜色较深的 糖;亚硫酸法可生产直接供消费的耕地白糖, 但亚硫酸法的澄清效率低,生产的白糖不及 碳酸法生产的好,含硫量亦高,且不耐久藏, 糖分收回率也不及碳酸法;碳酸法可去除较 多的非糖分,故糖分收回率较高,且成品糖 具有色值低、质量好、耐贮存的优点,但费 用较高。近来,不少人试图对传统的亚硫酸 法工艺进行改进或寻求新的替代工艺。 31211 蔗汁磷酸澄清法13 磷酸法澄清由于加入了比亚硫酸法澄清 用量还多的磷酸,因而产生了较多的磷酸钙 沉淀,若能加入适量的聚丙烯酰胺絮凝剂,效 果会更好。 适当使用磷酸替代二氧化硫处理蔗汁的 磷酸法,其澄清效率超过了亚硫酸法,接近 或达到碳酸法,如pH值下降小,钙盐含量 少,非糖分除去多,纯度差大,清净效率高, 流程和设备简单,污染减少等。 31212 正确使用絮凝剂 国内大多数甘蔗糖厂使用絮凝剂改善蔗 汁的沉降过程,加快沉降速度,提高清汁质 量。若选用气浮工艺,则要选用优质絮凝剂。 在亚硫酸法糖厂,蔗汁经硫熏中和与二 次加热后形成的沉淀物,颗粒仍较细,沉降 速度不快,如果蔗汁质量较差,沉降速度更 慢。若在二次加热汁中加入12ppm的 PAM ,可形成二次絮凝作用, 在几秒钟内形 成较粗的絮凝团粒,其尺寸比原有的微粒增 大数倍甚至几十倍,沉降速度亦增大数倍。 加 入PAM还可提高清汁的清度,据报道,加入 1ppmPAM可使清汁浊度降低40% 14。 王诰研究开发的G409澄清剂15,是一 种高价聚合铝离子的化合物,加入糖汁中能 使部分有色物和胶体凝聚,与磷酸钙或亚硫 酸钙沉淀物一起排除,提高清净效果。如加 入混合汁中,用量0104%0105% (原液对 混合汁 ), 再进行常规的亚硫酸法处理,清汁 色值可比不加者降低8%20%。黄伟干等 研究的糖品分析用的无毒澄清剂16主要成 分是硫酸铝和铋化合物,效果也很好。 31213 使用单层快速沉降器代替现有的多 尔式四层沉降器17 亚硫酸法糖厂使用单层快速沉降器后, 蔗汁沉降时间由7080分钟缩短至3540 分钟,减少糖分转化损失,减少设备费用及 占地面积约2?3。我国70年代大约有10家 糖厂曾试用过,均因缺乏仪表控制工艺参数 和蔗汁进入沉降器前没有足够缓冲设备而未 能在生产中继续使用。而英国FS公司制造 的这种设备,已在印度尼西亚的亚硫酸法糖 厂普遍应用,效果良好。 313 过滤环节 31311 引进有不锈钢过滤网的真空吸滤 机17 这种吸滤机无需滤布,无滤布真空吸滤 机可利用蔗糠助滤,即节省了滤布消耗的费 31999年第2期 广 西 轻 工 业 G1X1L ight Ind1 用,又能进一步降低滤泥的糖分损失,国外 很多原糖厂均采用这种新型的吸滤机,效果 很好。 31312 混合汁过滤选用新型滤材 传统的压榨间混合汁过滤都是使用铜条 筛网。通常有一次铜条过滤和二次铜条过滤 两类,目的是尽量除去混合汁中的蔗糠。但 在生产中发现,尽管经过二次铜条过滤,但 混合汁中仍有较多的蔗糠未能除去,导致沉 降速度不佳,滤泥量也较大。若改用15目的 尼龙筛网18,既可除去较多的蔗糠,也不影 响过滤速度,同时滤泥量也减少约1?3,有利 于糖汁的提纯分离。在美国,糖厂一般第一 次过滤用板框式压滤机,然后把滤泥用水稀 释,再用真空过滤机过滤和洗涤,即用两段 洗涤方法来减少滤泥的糖分,滤布多用聚丙 烯(114propylene)型的19。 31313 添加助滤剂或滤饼脱水剂 澄清器中泥浆的紧密度影响到糖汁在澄 清器中的滞留时间,过长的滞留时间会影响 到成品糖的色值并造成糖分解,低下的澄清 效率同样会增加糖分在滤饼中的损失20。陈 其斌博士在路易斯安那州的实验表明,正确 选用化学聚合物可减少7%15%的滤饼水 分,并使滤饼的转光度降低015215,且有 助于提高过滤速度。 314 清汁的再处理 从甘蔗糖厂亚硫酸法与碳酸法的生产工 艺对比来看,碳酸法对糖汁进行两次以上的 过滤 处理,其质量更稳定21。陈其斌博士指 出,三种制糖方法中,磷酸上浮法不如磷酸 亚硫酸法脱色好;而在除灰方面,磷酸上浮 法比碳酸法少,磷酸亚硫酸法最少;脱色和 除灰以碳酸法为最好19。因此对亚法糖厂混 合汁进行再处理是有必要。 31411 应用微孔过滤技术 PA微孔过滤系统在实际生产的应用表 明,该 系 统 处 理 混 合 清 汁 迅 速 (13kg ? m in1m 2 ), 对糖汁无污染,且在过滤器中的停 留时间较短(少于1m in ), 可成功地除去非糖 分微粒,混合汁处理后锤度平均下降1BX, 纯度则升高1109A P,色值下降约12% ,混浊 度下降43% 22。 31412 应用离子交换剂 离子交换剂包括离子交换树脂和离子交 换纤维等。交换树脂主要有两种,一种是聚 苯乙烯(polystyrenic)型的,另一种是聚丙 烯(polyacrylic)型的。前者可除去离子型色 素,又能除去芳香性色素,但不易再生,成 本较高;后者能除去大部分阴离子色素,而 不能除去芳香性色素,但易再生(用食盐溶 液即可)。 离子交换纤维是一种新型的高效离 子交换剂,国产V s- 2强碱阴离子交换纤维 的脱色效能及再生效能均优于常用的脱色树 脂,规模20吨(相当纯糖浆)? 天的试验表 明,其脱色率在75%以上,仅需食盐溶液即 可再生,再生时间约23小时23。 若糖汁色值超标,可加入离子交换剂;若 灰分超标,可加入阳离子交换剂,阴离子交 换剂寿命短,而阳离子交换剂的寿命则较 长19。 31413 使用活性炭 活性炭吸收色素的能力很强,但不能脱 除非离子型芳香族色素,不能脱除离子型的 色素,且不能降低灰分。因此,活性炭必须 与其他脱色剂一起使用。 美国常用Calgon型 活性炭,它是用煤来制造,其固有钙离子可 把阴离子色素沉淀下来,并被吸收,所以可 以除去两种色素,一种是芳香族色素,另一 种是阴离子色素24。 31414 使用氧化剂和臭氧脱色 糖汁中的色素大都是含有大量共轭双键 的有机物。过氧化氢(H2O2)和臭氧能迅速 将双键氧化而使它断裂,将原来的分子破坏 生成分子量较低、含双键较少的物质,从而 4广 西 轻 工 业 G1X1L ight Ind1 1999年第2期 消除它对可见光的吸收,颜色消退。 古巴有家糖厂在50的糖浆中通入臭 氧,糖浆很快脱色, 10分钟内脱色率已超过 50% , 30分钟的脱色率超过80% 25; 有人在 pH710、温度为27的糖汁中通入臭氧, 脱 色效果也很好26。 31415 应用超滤技术27, 28 超滤技术由于省能、 高效、 易于操作,已 开始从实验室伸展到生产领域。目前,糖汁 的超滤尚处于开发阶段,过滤模型尚未建立, 且过滤速率仍无法满足生产要求,但超滤在 膜组件的流体管理策略、控制极化和污染以 及降低换膜费用等方面,潜力仍极大,无疑 是糖汁提纯分离的一个发展方向。 4 结语 糖厂生产中,糖汁的分离提纯要通过多 个工序得以实现,因此解决办法要根据生产 实际分阶段实施。上述对策均可改善糖汁的 分离提纯,但实施费用却不尽相同。各糖厂 要针对存在问题,有目的地选择和组合才能 收到理想的效果。 参考文献: 1 陈来同,徐德昌 1 生化工艺学 1 北京大学出版 社, 1997170761 2 B1Hauronitz: Chem istry and Biology of Pro2 teins1 3 西林 1 胶体在制糖生产中的作用 1 制糖译丛 (第一辑), 1956, (1): 691 4 无锡轻工业学院,华南工学院 1 甘蔗制糖工艺 学 1281 5 霍汉镇,沈参秋 1 甘蔗糖厂澄清处理 1 6 霍汉镇 1 制糖科技论文选辑 1 广西大学生物 技术与糖业工程学院选编, 19981281 7 天津轻工业学院等 1 食品生物化学 1360 3881 8 CaneSugarHandbook112thEd1, 19931Pp13603611 9 I1S1J1, 19851P881 10 Cane Sugar Handbook111th Ed1, 1985187 881 11 陈骏佳等 1 甘蔗糖厂的“蔗饭”问题及杀菌 剂 1 甘蔗糖业, 1994, (1): 561 12 陈其斌1 甘蔗糖手册(上册 ), 轻工业出版社, 1987, 1791801 13 余永祥 1 磷酸法澄清工艺研究初报 1 甘蔗糖 业, 1993, (1): 53551 14 霍汉镇 1 絮凝剂的工作原理和应用, 131 15 王诰 1 离子澄清剂G409及其应用 1 现代制 糖