白砂糖干燥与冷却机理及影响.docx

白砂糖干燥与冷却机理及影响左见军1周少基2张建珍2闭慧华2（1. 湛江华资农垦糖业发展有限公司广丰分公司，广东湛江，524352；2. 广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁 530004）摘要：砂糖的含水量、装包温度和仓储条件对其贮存保质具有重要影响。本文从白砂糖的含水分特性、干燥机理和生产过程环节等对白砂糖干燥与冷却的影响进行深入分析。由于结晶过程的包裹现象，砂糖含水分可分为表面和内部水分，白砂糖干燥过程只能去除前者。生产过程中煮糖、分蜜操作对内部水分含量有影响。贮存过程的内部水分的扩散是 砂糖降质的根本原因，而装包温度和贮存条件是影响内部水分扩散的外在条件。关键词：蔗糖；干燥；冷却中图分类号：ts244.4文献标识码：b甘蔗制糖企业都是季节性地生产白砂糖，产品从生产到销售出去，往往要经历几个月甚至一年的 贮存期，白砂糖贮存过程中常常发生吸潮、增色、结 块和霉变等现象，这些问题困扰着生产厂家、流通 领域和使用单位1。白糖贮存质量的好坏，直接影响 到企业的销售和经济效益。随着社会的发展和人民群众生活质量的不断 提升，我国已建设数家精炼糖厂，而精制糖的吸潮 和结块尤为严重2。如何提高白砂糖仓贮质量，防止变质、降级，避 免客户投诉，是一个长期困扰众多糖厂共同的课 题。白砂糖的仓贮质量与制糖生产过程的成品白砂 糖的干燥、冷却和贮存条件有关。以下从白砂糖晶 体特性、含水分特性、干燥机理和生产过程环节对 白砂糖干燥与冷却的影响进行深入分析，为制糖生 产提供参考。图1蔗糖晶体结构示意图在实际生产条件下，蔗糖分子往往依附于其他固体颗粒或分子作为晶体发展的基础，因此，蔗糖 晶体几乎总是会含有杂质。由于开放的晶体结构， 水分子会以母液的形式被包裹于晶体中。如图2所 示，在白砂糖晶体中，可将含水份分为两种类型。一是表面水分，附着于晶体表面，生产中可通 过蒸发除去。该水分可用卡尔菲舍尔（karl fischer） 方法，采用无水乙醇作为分散剂进行测定。二是内部水分，被包裹于晶体内，目前不能直 接测量。通过测定总含水含量，然后减去表面水分蔗糖晶体含水分特性1如图1所示，蔗糖晶体由两个蔗糖分子组成晶胞，形成单斜晶系晶体3。其结构是一个开放性的结 构，易于将其他分子包裹其中。收稿日期：2014-07-14作者简介：左见军（1974-），男，本科，生产科长。通讯联系人：周少基（1960-），男，博士，副教授，。26左见军等：白砂糖干燥与冷却机理及影响可定量。内部水分含量在0.050.07%之间4。在未饱和条件下，当空气相对湿度低于晶体表面相对湿度时，表面水分会发生蒸发。其干燥过程 为热质同时传递过程，表面水分的干燥速率与空气 湿度和温度有关，也与空气对流速率有关。空气相 对湿度越低，温度越高，空气对流速率越大，干燥速 率越快。白砂糖干燥机理2从以上分析可知，白砂糖晶体含水分包括表面水分和内部水分。因此，基于目前糖厂所采用的干 燥设备，白砂糖的干燥过程可分为两个阶段。2.1表面水分蒸发表面水分内部水分图2白砂糖水分分布示意图在干燥过程中，表面水分的蒸发速率远高于内部水分扩散速率。在理想的条件下，典型的干燥曲 线如图3所示5。内部水分扩散在干燥过程中，随着表面水分的蒸发，晶体内部 与表面存在水分含量梯度，以此作为推动力，内部水 分由于热运动而向表面扩散。2.2图3 白砂糖干燥过程水分变化示意图27左见军等：白砂糖干燥与冷却机理及影响由图3可见，白砂糖干燥过程可分为快速干燥和慢速干燥两个阶段。在快速阶段主要发生的是表 面水分的蒸发，这是生产实际去除的水分。慢速阶 段对应的是内部水分的干燥过程，一般情况下，此 过程需要72小时。慢速阶段在现行的干燥器中是不 可能实现的，只有采用调节仓（陈化仓），才能实现。 调节仓所进行的过程是，采用湿度和温度经调控的 少量空气进行长时间干燥过程。实际上，白砂糖的干燥速率受干燥条件影响较 大，例如，在快速干燥阶段，由于水分的快速蒸发， 在晶体表面快速达到过饱和度，产生不定形结晶。 maciej starzak等指出白砂糖干燥过程，在表面迅速 形成的不定形结晶阻碍内部水分的迁移，是影响干 燥过程的一个重要因素6。和贮存湿度。对于白砂糖干燥而言，主要是控制成品的水分 含量和装包（入库）温度。3.1白砂糖的水分含量指标为了衡量白糖含水分对贮存的影响，我国用安 全系数f作为指标：水分f=100-砂糖转光度f0.333时，砂糖会变质；f=0.250.333时，砂糖容易变质；f0.25时，能安全贮存。澳大利亚等国则用稀释指数di来衡量水分对 砂糖贮存质量：水分di=100-砂糖转光度-水分 100di即为水分对非糖分含量之百分比。di=50相当于f=0.33。按国家标准，各等级糖的安全系数和稀 释指数如表1所示。成品白糖干燥与冷却的控制要求3影响白砂糖贮存质量的因素包括成品干燥、包装和贮存条件。主要的控制参数为水分含量、温度表1按食糖国家标准水分含量规定的各等级糖的安全系数糖品等级精糖优级糖一级糖二级糖干燥失重/%0.040.060.070.10f750.225di252521由表1可见，按国家标准，白砂糖完全满足有关水分含量安全指标要求。但是如果装包和贮存条件 不宜，仍无法保证糖品的质量。更高。4生产过程的影响煮糖过程的影响一般来说，煮糖速度越快，包裹越严重，内部水 分含量越大。煮糖时洗砂、整晶次数多，会出现蚀 象，有“蚀象”的地方，结晶速度快于其它完整的晶 面，易将充满母液的凹纹、空腔填平，从而包裹母 液。虽然煮糖的目标是要生产具有预先确定晶体 数量和大小的糖膏，现实情况是，在煮糖罐产生的晶体是具有一定尺寸范围分布的，有粗有细，还有4.1白砂糖装包温度及贮存要求装包及贮存条件应满足以下要求。一是装包温度低于38；二是贮存温度低于30；三是贮存空气相对湿度在65%以下。空气相对湿度为63%是白砂糖与空气的平衡相 对湿度7，低于此湿度，有利于水分的挥发。但是，白 砂糖与空气的平衡相对湿度与其纯度有关，例如， 由于转化糖的吸潮能力强一些，转化糖含量越高，砂糖与空气的平衡相对湿度更低，而其平衡含水量3.228左见军等：白砂糖干燥与冷却机理及影响并晶、团晶等。产生不正常晶体时，一方面增加了水分的包裹，另一方面对干燥和冷却过程造成重要影 响。一般情况下，晶体大小的分布是一个正太分布 曲线，如图4所示，晶体粒径分别围绕着平均孔径（ma）均匀分布。曲线越高越陡，大的和小的晶体的数量越少，曲线越平，粒径分布越广，其比值称为变 异系数（cv）。在实际生产中，cv最佳值在2832之 间，而控制不佳的结晶，cv高达40。占 百 分 比粒径 m图 4 煮糖过程砂糖粒径分布4.2分蜜过程影响分蜜过程的汽洗和甩干对成品白砂糖的干燥 具有重要影响。汽洗既可以将蜜溶解后分离，提高 成品糖的质量，也可以藉此减少表面液膜，减少表 面水分。而甩干是减少表面水分的最重要手段。如 果汽洗的过热度太大，除了焦糖外，也会使表面产 生不定形结晶的可能。显然，提高分蜜机的分离因 素对减少表面水分，提高干燥效率具有重要意义。装包袋材质对砂糖贮存水分变化也有影响，图5是采用聚乙烯塑料袋和纸袋装包水分砂糖水分变 化的比较。由图5可见，采用纸包装有利于水分的减 少。干燥与冷却设备我国常用的白糖干燥与冷却机为振动输送槽 干燥机。振动输送槽自然干燥机是一种在输送中进 行的自然干燥设备，利用砂糖从分蜜机卸下时具有 的温度进行干燥。它具有结构简单，耗用动力小，干 燥速度快，砂糖不受或少受磨损，操作管理简便等 优点。该设备的缺点表现在。一是它受自然条件所影响，气候潮湿时，干燥 时间较长，砂糖水分较难控制。二是为了达到干燥的目的，需采用乏汽进行分 蜜，以提高湿糖的温度。分蜜耗汽量高达2%。三是为了达到冷却的目的，需要输送距离足够4.4装包影响我国一级白砂糖含水分在0.060.07%之间，这 刚好是内部水分的含量范围，说明成品糖的含水分 主要是内部水分。一般情况下，我国白砂糖的装包 温度均在40以上，装包温度远高于室温，这就无可 避免的使内部水分在贮藏过程中迁移至表面，如果 贮存条件不佳，便会产生结块等不良影响。装包温 度越高，结块越严重。4.329左见军等：白砂糖干燥与冷却机理及影响含水分%存储天数图 5 装包材料对砂糖含水分变化的影响长，占地面积较大。为了克服振动输送槽的缺点，尤其在糖厂扩大 生产规模的情况下，有些糖厂采用转筒式干燥机。 转筒式干燥机中砂糖与热空气均匀接触，干燥与冷 却速度快，生产能力大，但晶粒磨损较多，砂糖光泽 较差。对此法国的fives cail 公司对转筒式干燥机进 行改造，采用多管式转筒，如图6所示，使砂糖的抛 卸高度减小，增大砂糖的铺散面，收到较好的效果。 但是该机结构复杂，设备庞大，目前国内没有引进 报道。近年来我国甘蔗制糖行业引进振动流化床干燥机，采用国际先进的振动流化技术应用于白砂糖 的干燥与冷却，工业应用效果良好。流化床的缺陷 是，为了获得可靠的流化状态，气体的孔流速度较 大，由此引起砂糖之间的相对剪切速度较大，砂糖 磨损严重，糖粉量较大。同时风机风压也较大，耗用 功率较大。实际上引进上述设备只是解决了砂糖的冷却 问题，使装包温度有所降低，对白糖贮存质量有一 定的改善，但是，由于仍无法解决内部水分的干燥 问题，白砂糖，尤其是精制糖的贮存仍存在问题。解 决内部水分问题，国外采用的设备是调节仓。调节 仓是一个临时的贮存糖斗，一般不超过3天，在此过 程中，通入适量调温调湿的空气。由于调节仓提供 足够的停留时间使内部水分迁移到晶体表面并去 除。目前工业应用的调节仓，根据空气通入的方式， 分为上下进气、中间进气和上进气三种类型的调节 仓。结论5一是由于结晶过程的包裹现象，砂糖含水分可分为表面和内部水分，白糖干燥过程只能去除表面 水分。二是生产过程中煮糖、分蜜操作对内部水分含图6 多转筒干燥机30左见军等：白砂糖干燥与冷却机理及影响量有影响。三是贮存过程的内部水分的扩散是砂糖降质 的根本原因，而装包温度和贮存条件是影响内部水 分扩散的外在条件。四是白砂糖应冷却至38 以下，贮存温度应保 持在30以下，以避免内部水分迁移至表面。五是贮存仓内的空气相对湿度应控制在63 65%，以避免砂糖的返潮。六是应引进调节仓技术。2 严春瑾，沈雁霜. 精制幼砂糖生产过程中脱色及干燥问题j. 中国甜菜糖业，2006，（3）：55，49.3 陈维钧，许斯欣，等.甘蔗制糖原理技术：蔗糖结晶与成 糖m. 北京：中国轻工业出版社，2001.4 bostock p. a theory of sugar drying，22nd british society of sugar technologists meeting，2009，brisbane，autralia.5karabet rastikian & richard capart. mathematical model of sugar dehydration during storage in a laboratory siloj. journal of food engineering，1998，35：419-431.6starzak m and mathlouthi m. formation of amorphous sugar in the syrup film a key factor in modelling of industrial sugar dryingj. food chemistry，2010，122: 394-409.7hugot e. hand book of cane sugar engineeringm. amsterdam: elseier science publishers，1986.参考文献1 杨海耀. 白砂糖贮存过程中增色和结块问题初探j. 广 州食品工业科技，2003，19（1）：38-40.the mechanism and influencesof drying and cooling of sugarzuo jianjun1，zhou shaoji2，zhang jianzhen2，and bi huihua2（1. zhanjiang huazi sugar industry development co.，ltd. guangfeng branch，guangdong，zhanjiang，524352；2. school of light industry ang food eng. guangxi univ. nanning，guangxi，prc 530004）abstract：the moisture content，bagging temperature and storage conditions of sugar have a significant effect on its storage quality. the characteristics of moisture content，the drying mechanism and the influ ences of process o