王福佳，谢彩锋，马英群，程芳，杭方学，3，陆海勤，3

（1.广西南宁东亚糖业集团，广西南宁530028；2.广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁530004；3.广西蔗糖产业协同创新中心，广西南宁530004；4.中国科技开发院广西分院，广西南宁530012）

随着我国食糖市场国际化和生活水平的提高，低硫、无硫白砂糖需求日益增大，相应澄清工艺开发已成为我国制糖界的主要研究热点。截止目前，我国在降低白砂糖二氧化硫含量方面做了大量研究和实践，取得一定成效[1-7]，但主要集中于低硫工艺开发或通过应用新技术（装备）来减少白砂糖二氧化硫含量，但因为生产中依然使用二氧化硫，因此二氧化硫含量减幅有限。无硫澄清工艺，即整个制糖生产过程不添加SO2的耕地白砂糖生产工艺尚没有应用报道（我国所生产的白砂糖均是用一步法来生产的，严谨来讲应该叫做“耕地白砂糖”，以区别国外二步法所生产的白砂糖，如精制糖）。

单宁（tannins），又称单宁酸、鞣酸，能与氨基酸、蛋白质结合生成沉淀，也能和铁、钙、铝、铜等金属离子络合生成沉淀[8-10]；另外单宁还具有清除自由基和抗氧化作用，可抑制蔗汁有色物质的生成，已在医药、食品、化工、皮革及化妆品等领域广泛应用[11-14]。在甘蔗制糖应用研究方面，广西大学周少基在糖浆上浮试验中使用单宁、单宁改性物质作澄清剂，有效降低了糖汁色值、黏度、钙盐含量[15]。

本研究对比分析了单宁无硫澄清工艺[16]和亚硫酸法的清汁、糖浆及白砂糖等纯度、色值及混浊度等指标的差异显著性[17]，探讨其用于白砂糖生产的可能性；用紫外全波长扫描技术单宁无硫澄清工艺和亚硫酸法的清汁、糖浆及白砂糖进行扫描，同时还用扫描电镜观察无硫澄清工艺Ca3（PO4）2、CaCO3及单宁钙等沉淀物微观结构，并测定这些沉淀物对混合汁胶体、色素去除效果，揭示甘蔗混合汁无硫澄清工艺的除杂脱色机理，完善甘蔗无硫澄清工艺的理论研究。

1 材料与方法

1.1 主要试剂

甘蔗混合汁（未预灰、未加磷酸）：广西某甘蔗糖厂；单宁、磷酸、磷酸氢二钠、无水碳酸钠、硫代硫酸钠、重铬酸钾、碘化钾、碘、三乙醇胺、碱性醋酸铅：国药集团化学试剂有限公司；除了磷酸与石灰为工业级外，其余试剂均为分析纯。CO2气体：广西南宁双佳田乙炔气体有限公司。

8°Be Ca（HCO3）2溶液制备：新鲜制备 8 °Be 石灰乳溶液，持续通入CO2气体，直至溶液pH值下降为6.5。

1.2 仪器与设备

Wzz-2ss数字式自动旋光仪：上海精密科学仪器有限责任公司；S－3400N扫描电子显微镜：日本日立公司；BP210S电子天平：德国SAR TORIUS公司；小型真空蒸发罐：广西大学自制；RAT-5双层玻璃结晶釜：巩义市高科仪器厂；数字阿贝折光仪：上海物理光学仪器厂；Delta 326电导率仪：梅特勒-托利多仪器（上海）公司；UV-2802S型紫外可见分光光度计：尤尼柯（上海）仪器有限公司；2100P便携式浊度仪：美国Hach公司；DDS-11A型数显电导率仪：上海雷磁新泾仪器厂；CSIC-SO201糖品安全速测仪：厦门斯坦道科学仪器股份有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 无硫澄清工艺沉淀物对蔗汁胶体与色素去除的效果

取混合汁，按无硫澄清工艺（下称无硫工艺）在最优工艺条件下进行处理[16]，获一清汁后，取适量样液分析色值及胶体含量，其余分三等分，分别加入石灰乳与 Ca（HCO3）2、石灰乳与单宁，石灰乳、单宁及Ca（HCO3）2溶液进行澄清处理获得二清汁，检测混合汁、一清汁、二清汁的胶体含量[18]、色值[19]，研究无硫工艺中Ca3（PO4）2、CaCO3及单宁钙协同CaCO3对蔗汁中胶体与色素的去除效果。

1.3.2 无硫澄清工艺清汁、糖浆与白砂糖的品质分析

取无硫澄清工艺清汁（最佳工艺条件），用小型真空蒸发罐（真空度 0.06 MPa）蒸发获得（65±2）°Bx糖浆，再经煮制、分蜜（双层玻璃结晶釜，真空度0.092 MPa；离心机，3 000 r/min，6 min）获得白砂糖，分析清汁、糖浆及白砂糖质量指标。以传统亚硫酸澄清工艺处理混合汁制取清汁、糖浆及白砂糖为对比样（蒸发、煮制及分蜜所用设备与操作与无硫工艺的完全一样）。

1.3.3 甘蔗制糖单宁无硫工艺机理研究

1.3.3.1 清汁、糖浆、白砂糖的紫外光谱分析

取甘蔗混合汁单宁无硫工艺的清汁、糖浆及白砂糖，使用紫外分光光度计进行全波长扫描，分析单宁无硫工艺在澄清过程，特别是在高温浓缩阶段，蔗汁中有色物质吸变化情况。以自制的亚硫酸法工艺的清汁、糖浆及白砂糖作对比样。

1.3.3.2 单宁无硫工艺主要沉淀物质结构表征

分别在纯水和蔗汁中制备Ca3（PO4）2、CaCO3及单宁钙等沉淀，过滤收集，观察微观结构。

1）纯水体系沉淀制备：将双蒸水加热至95℃，加入石灰乳调节pH值为8.6±0.1，分四等份，分别加入H3PO4，Ca（HCO3）2溶液，单宁溶液，单宁和 Ca（HCO3）2溶液至pH值下降至7.0±0.1。过滤收集沉淀物质，真空干燥后进行电镜扫描。

2）蔗汁体系沉淀制备：取混合汁，在最优工艺参数条件下用单宁无硫二步澄清工艺处理获得一清汁，将一清汁加热至95℃，用石灰乳调节其pH值至8.6±0.1，分三等份，分别加入 Ca（HCO3）2乳液、单宁溶液、单宁和 Ca（HCO3）2溶液至蔗汁 pH7.0±0.1，分别过滤收集沉淀，真空干燥后进行电镜扫描。

1.4 检测方法

清汁与糖浆纯度、色值、还原糖分及电导灰分测定分别采用二次旋光法[19]、国际食糖分析同一方法委员会（International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis，ICUMSA）方法[19]、兰-艾农恒容法[19]及电导法[19]，浊度采用便携式浊度仪测定[20]。白砂糖质量指标的测定方法均参照GB 317-2006《白砂糖》[21]。

1.5 紫外光谱扫描

将糖液稀释至1°Bx，白砂糖则用蒸馏水溶解成50°Bx溶液，过滤，用紫外-可见分光光度计进行全波长扫描。

2 结果与分析

2.1 无硫工艺主要工序胶体与色素去除

无硫工艺中沉淀物对蔗汁胶体与色素去除率见表1。

表1 无硫工艺中沉淀物对蔗汁胶体与色素去除率Table 1 Removal rates of pigment and color of various precipitates

胶体与色素是制糖澄清去除的主要物质，由表1可知，无硫工艺中，CaCO3、Ca3（PO4）2及单宁钙对蔗汁中胶体去除率分别为25.63%、29.89及32.05%；脱色率分别为29.23%、31.91%及34.89%，均有良好去除效果。在蔗汁体系中同步生成单宁钙与CaCO3沉淀，对胶体与色素去除效果最好，分别达到46.17%和50.61%，优于亚硫酸法水平[21]。因为无硫工艺中，Ca2+与H3PO4，Ca（HCO3）2及单宁之间反应均是碱性条件下进行的，反应更迅速完全，生成沉淀物对胶体色素吸附能力更强；同时蔗汁pH值为8.2～8.5时，蔗汁中胶体物质处于等电点，凝聚作用更明显，也利于它们被沉淀物吸附。

2.2 无硫澄清工艺的清混汁纯度差、糖浆及白砂糖质量

2.2.1 无硫澄清工艺和亚硫酸法的清汁与糖浆质量指标差异显著性分析

无硫澄清工艺和亚硫酸法的清混汁纯度差、清汁与糖浆质量指标如表2。采用SPSS统计软件对二种工艺在清混汁纯度差、清汁与糖浆质量指标等反映澄清效果指标是否存在显著性差异，结果如表3和表4所示。

表2 单宁无硫澄清工艺清汁、糖浆的质量指标Table 2 Quality indicators of clear juice and syrup from sulfur-free clarification process

表4 糖浆质量指标的T检验Table 4 T-test of syrup quality indicators

由表3可知，清混汁△GP及清汁色值、电导灰分及浊度的方差方程Levene检验的Sig.值均大于0.05，认为两种澄清工艺所获清汁在这些考察指标方差齐性；由Sig.（双侧）值可知，清混汁纯度差，清汁色值、还原糖分及电导灰分的Sig.（双侧）值均大于0.05，认为无硫澄清工艺与亚硫酸法澄清工艺在这些指标无显著性差异；而浊度指标的Sig.（双侧）值为0，小于0.05，故认为两种工艺清汁在浊度指标浊度存在显著差异。

结合制糖生产澄清管理分析，清混汁纯度差、色值与糖厂糖分收回与糖品质量紧密相关，是衡量生产澄清效果的核心指标[22]；浊度是反映蔗汁中固体微粒及胶体含量指标，其大小不仅受澄清工艺影响，更容易受沉降、过滤等操作影响，因此在制糖生产中一般仅作为衡量澄清效果辅助指标，不是核心指标。另外，两种工艺清汁的浊度差值小于3 NTU，在工业生产中可认为是生产正常波动范围，因此认为无硫澄清工艺清汁质量与亚硫酸法的相当。

由表4可看出，两种澄清工艺在重力纯度、色值、还原糖、浊度4个指标上，Sig.值均大于0.05，方差齐性，其中重力纯度、色值、还原糖的Sig.（双侧）值大于0.05，表明两种工艺在这些指标上差异不显著，且浊度Sig.（双侧）值为0.003 2，小于0.05，认为存在显著性差异。对于电导灰分，其Sig.值为0.013，小于0.05，认为方差齐性不成立，即两种工艺在电导灰分指标存在显著差异。表明两种工艺所得糖浆，除电导灰分、浊度两指标存在显著差异外，其余无显著差异。结合表2可知，可认为无硫澄清工艺的糖浆电导灰分指标明显优于亚硫酸法，这对提高糖分收回有利[23]。

2.2.2 无硫澄清工艺和亚硫酸法的白砂糖质量指标及其差异显著性分析

表5是采用完全一样煮制条件所获得的无硫澄清工艺和亚硫酸法的白砂糖质量指标，采用SPSS统计软件对二种方法的白砂糖色值、混浊度、电导灰分等质量指标进行差异显著性检验的结果如表6。

表5 无硫澄清工艺白砂糖质量Table 5 Quality indicators of white granulated sugar from sulfur-free clarification process

表6 单宁无硫澄清工艺白砂糖质量指标T检验分析Table 6 T-test of white granulated sugar quality indicators

由表5可知，无硫澄清工艺糖浆制备的白砂糖，指标均符合我国一级白砂糖质量要求[24]，其中SO2含量检测结果为“未检出”，因此无硫澄清工艺产业化应用将会开创我国无硫白砂糖的时代；而对比样亚硫酸法白砂糖SO2含量平均为19.87mg/kg。很难进入可口可乐、雪碧、娃哈哈等对白砂糖SO2含量有严格要求市场[25]。

根据表6，两种澄清工艺所得白砂糖，在蔗糖分、色值、混浊度、还原糖、电导灰分及干燥失重等指标上，Sig.值均大于0.05，表明方差齐性成立；对于Sig.（双侧）值，色值与浊度均小于0.05，而蔗糖分、还原糖分、电导灰分及干燥失重均大于0.05，表明无硫澄清工艺白砂糖，色值与浊度两个指标明显优于亚硫酸法；而蔗糖分、还原糖分、电导灰分及干燥失重等指标则与亚硫酸法没有显著差异。综合清汁、糖浆T检验可知，尽管两种工艺的清汁与糖浆在色值指标上无显著性差异，但产品白砂糖在色值指标却存在显著性差异，无硫澄清工艺明显低于亚硫酸法，是因为蔗糖在结晶过程中对不同色素的吸附、包裹能力不同[26]，无硫工艺糖浆的色素更难被蔗糖晶体吸附、包裹，因此所得白砂糖产品色值更低。

此外，无硫澄清工艺白砂糖混浊度明显低于亚硫酸法，因为在无硫澄清处理中，Ca2+沉淀反应更完全，糖浆中包含Ca2+在内的电导灰分更低，在糖浆煮制过程中因浓缩而结晶析出固体颗粒数量较少，因此白砂糖混浊度也较低。

2.3 糖浆、白砂糖的紫外光谱图

糖浆、白砂糖的紫外光谱图见图1。

由图1可知，无硫澄清工艺的清汁与亚硫酸法的谱图极其相似，吸收强度几乎没有差异，表明无硫澄清工艺的脱色效果与亚硫酸法的相当；无硫澄清工艺糖浆、白砂糖与亚硫酸法的紫外图谱极其相似，但无硫澄清的吸收强度更低，尤其白砂糖在波长为230 nm～300 nm更为明显。原因可能是无硫澄清的清汁，在蒸发过程中增色幅度低于亚硫酸法，且这些色素在结晶时更难被蔗糖晶体吸附、包裹，所以糖浆和白砂糖的色值低于亚硫酸法。这与清汁、糖浆及白砂糖T检验结果一致。

图1 无硫澄清工艺与亚硫酸法清汁、糖浆及白砂糖紫外光谱图Fig.1 The UV spectra of clear juice，syrup and white granulated sugar of sulfur-free process and sulfitation process

2.4 沉淀物的电镜图谱

2.4.1 纯水体系生成沉淀的电镜图谱

在纯水体系沉淀样品扫描电镜图如图2所示。

图2 纯水体系沉淀物质的SEM图Fig.2 The scanning electron microscope spectrum of samples in pure water

由图 2 可知，在 pH 8.6 纯水环境，Ca（HCO3）2乳液与Ca2+反应生成的是方解石型CaCO3，并聚集成不规则粗大团块，颗粒之间存在空隙；单宁钙为无序针状体结构[图 2（b）]。图 2（c）为单宁、Ca（HCO3）2共存生成的沉淀物，相对于图 2（a）、2（b），图 2（c）沉淀物絮团既保留较好单宁钙针状结构，也保留CaCO3絮状结构，表明生成的CaCO3与单宁钙是絮凝在一起的，且絮团内部及之间还存在许多空腔。Ca3（PO4）2沉淀为具有空腔的无定形结构，在样品收集干燥中已变形，因此不考察Ca3（PO4）2沉淀结构。

2.4.2 蔗汁体系中固体沉淀的电镜图谱和分析

图3为在蔗汁中于最佳条件下单宁无硫澄清工艺所得沉淀物的SEM图。

图3 蔗汁体系中沉淀物质的SEM图Fig.3 The scanning electron microscope spectrum of samples in pure water

在蔗汁中生成沉淀物结构差异显著：蔗汁体系中，CaCO3沉淀颗粒之间空隙已被填充已无法观察CaCO3原始方解石结构。原因是在蔗汁存在胶体、色素在CaCO3沉淀生成过程中会被吸附包裹在其晶体表面，使晶体间空隙变小甚至消失，结构密实。

在蔗汁体系中，单宁钙表面较为光滑的团状结构，已无多空腔针状结构。因为单宁钙针形空腔结构具有高比表面积，会将蔗汁中胶体、色素等非糖分吸附覆盖其上；同时因为单宁本身具有物理吸附与化学网络作用，能将蔗汁中加灰凝聚的沉淀絮凝成絮团。

在蔗汁中同步生成单宁钙与CaCO3沉淀时，蔗汁中的胶体、色素及凝聚物质会以其为晶核紧密包裹表面上变成表面较光滑，空隙较少粗大颗粒。

3 结论

甘蔗无硫澄清生成的Ca3（PO4）2、CaCO3及单宁钙对蔗汁中胶体、色素的去除率和脱色率分别达到46.17%和50.61%，可满足一级白砂糖生产的工艺要求。所制备白砂糖，色值46 IU，混浊度为21 MAU、明显优于亚硫酸法工艺；蔗糖分99.81%，还原糖分0.013、电导灰分0.024%及干燥失重0.07%，与亚硫酸法的无显著差异。更为重要的是，无硫澄清工艺所产白砂糖SO2检测结果“未检出”，表明白砂糖不含二氧化硫，可彻底解决一直困扰我国白砂糖含有二氧化硫难题，对拓宽我国白砂糖在高端饮料、食品等市场具有重要意义。