王健 ，张菡 ，车夏宁 ，3，陈海军 ，3，蒙涛 ，3，马必声 ，3，王宝 ，，赵抒娜 ，

（1.中粮营养健康研究院有限公司/营养健康与食品安全北京市重点实验室/老年营养食品研究北京市工程实验室，北京102209；2.中粮屯河糖业股份有限公司/农业部糖料与番茄质量安全控制重点实验室，新疆昌吉831100；3.中粮屯河崇左糖业有限公司，广西崇左200040）

0 引言

我国是世界上最大的食糖生产与消费国之一，制糖工业在国民经济中占据着重要地位。目前，甘蔗制糖有两种方法：一种是用亚硫酸法或者碳酸法直接生产白砂糖，也称为一步法；另一种是先利用石灰石法制备原糖，然后将原糖回溶、饱充、蒸发，再次结晶获得精炼糖，也称为两步法[1-2]。中粮屯河崇左糖业有限公司采用两步法生产白砂糖，即以甘蔗为原料，通过石灰石法生产原糖，再将自制原糖及外购原糖、国储糖等原料精炼制备白砂糖。相比一步法季节性生产的特点，该工艺基本可以做到全年生产，具有很强的优势。

在制糖工艺过程中，蔗汁的澄清处理工艺好坏直接影响原糖的品质，并进一步影响白砂糖的质量[3]。围绕澄清工艺的改善，国内外开展了一系列研究。杨敏等[4]介绍了甘蔗制糖业的不同澄清剂使用的情况，并结合清洁生产的要求，展望了未来制糖工业澄清剂的发展方向。王宝等[5]采用成本更为低廉的卷式有机纳滤膜对甜菜制糖的二清汁进行过滤，可使二清汁锤度和糖度各提高5～7个百分点，同时纯度提高1～3个百分点。沈石妍等[6]采用4种不同孔径的陶瓷膜和2种不同截留分子量的有机管式膜对蔗汁过滤进行处理，200 nm孔径的陶瓷膜对蔗汁色素物质去除率可达90%以上，清净效果优于传统亚硫酸法澄清汁。张菡等[7]提出当甜菜汁中的葡聚糖浓度在1 g/kg以下时，α-葡聚糖酶的最优作用浓度为5 mg/kg，可进行有效降解，从而解决可能影响到过滤、蒸发、结晶和分蜜等工段过滤等生产问题。林荣珍等[8]使用聚二甲基二烯丙基氯化铵、重硫氧、聚磷硅酸锌对甘蔗混合汁进行澄清脱色，该工艺的效果优于传统制糖工艺。王凤霞等[9]试验表明湿法磷酸与热法磷酸在脱色率、色值、浑浊度上不存在显著性差异。沈石妍[10]等在模拟压榨和清净过程的操作条件试验发现中性条件下可减少蔗汁中蔗糖的分解和色素生成，达到提高糖分回收率和保证产品质量的目的。李雪珍[11]等通过研究发现蔗汁中添加壳聚糖-活性炭的协同作用，甘蔗蔗汁总脱色率平均提高了37.3%,清汁重力纯度平均提高了3.41%,证明壳聚糖-活性炭协同对甘蔗蔗汁具有很好的清净、脱色能力。

在实际榨季生产中，受制于条件的限制，大多数制糖企业通常凭借生产经验来制定澄清工艺操作条件。由于甘蔗的品种、生长条件、成熟程度和新鲜度等存在一定的差异和变化，蔗汁的成分会随之发生波动，因而需要对澄清工艺操作的条件及时地调整以确保达到预期的澄清效果。因此，有必要开展试验以及时、迅速、准确、科学地制定最优的澄清工艺条件，指导制糖工业生产。利用正交表来安排试验方案，对试验结果进行计算分析，既可减少试验次数，缩短周期，获得可靠的试验数据，又能在错综复杂的影响因素中找出关键因素，确定最佳工艺[12-14]。本文通过系统性的正交试验，优选出最佳的磷酸添加量、预灰pH、主灰pH、絮凝剂添加量，并在工业生产线上进行应用验证，通过对澄清工艺指标的优化，可有效改善原糖生产过程中的澄清效率。

1 材料与方法

1.1 材料

混合汁、石灰乳、磷酸和絮凝剂均取自中粮屯河崇左糖业有限公司压榨车间。各物料的理化指标，混合汁锤度：19.67oBx，视纯度：89.37%，自然磷酸值：335 μL/L，pH：5.05；石灰乳：波美度为 11.3oBe；磷酸：将食品级85%磷酸稀释至20%；絮凝剂：将聚丙烯酰胺用自来水稀释至浓度500μL/L。

1.2 实验仪器

本文所涉及的实验仪器：电热恒温水浴锅 （DK-S24，上海森信实验仪器有限公司）；电子分析天平（ME204，美国Mettler公司）；电热鼓风干燥箱（DHG-9240，上海一恒科学仪器有限公司）；自动旋光仪（WZZ 2S，上海仪电物理光学仪器有限公司）；手持锤度计（MASTER-53a，日本ATAGO公司）；台式数显pH计（PHS-25，上海仪电科学仪器股份有限公司）；紫外可见分光光度计[UV-2800，尤尼柯（上海）仪器有限公司]；加热磁力搅拌器（RCT basic，德国IKA公司）。

1.3 试验方法与步骤

1.3.1 正交试验的设计

根据生产实践经验可知，影响澄清效果的因素有蔗汁自然磷酸值、外加磷酸值、预灰pH、主灰pH、絮凝剂添加量、一次加热温度、二次加热温度等，为了减少实验室次数，固定部分工艺条件不变，以磷酸添加量、预灰pH、主灰pH和絮凝剂添加量4个条件为关键因素，每一个因素为3水平，进行L9（34）正交试验（表1）。

由表1中4因素3水平选用L9（34）正交表，即做9个试验就可以代表81个全面试验，根据此表确定试验方案，具体见表2，每个试验方案重复3次。

1.3.2 澄清过程模拟

取新鲜混合汁测定其理化指标，然后按照以下步骤模拟澄清过程：（1）取450mL新鲜混合汁，添加特定含量磷酸；（2）用石灰乳预灰至特定pH；（3）将样品放置于水浴锅一次加热至65℃，停留5min；（4）用石灰乳主灰至特定pH；（5）用电热炉将样品二次加热至沸腾（105℃左右），保持5 min；（6）加入特定比例絮凝剂，搅拌均匀；（7）迅速将样品转移至500mL量筒中，每隔一定时间记录沉降物的体积；（8）静置30min，用洗耳球和橡胶管取上层清汁检测理化指标。

表1 因素和水平Table 1 Factors and levels

表2 试验方案Table 2 Experiment scheme

1.3.3 指标观察及检测

观察量筒中沉降物的结构和颗粒大小，每隔特定时间记录沉降物的高度，并计算沉降速度。待静置30 min时，沉降物高度已基本不变化，此时用洗耳球和橡胶管取上层清汁，检测锤度、视纯度、色值、浊度、pH、钙盐等理化指标，选取沉降速度、视纯度、色值、浊度为关键澄清指标，用以评估混合汁的澄清效率和脱色效果。

2 结果与讨论

模拟澄清过程，记录沉降物的体积，如表3所示。除方案9外，其他方案的样品在静置时均能迅速沉降，10min后泥汁基本沉降完毕，继续沉降，沉降物的体积变化不大；取10min内泥汁的沉降体积变化，计算沉降速度，即将沉降物的体积变化除以沉降时间。将沉降速度及澄清后各样品的理化指标分别列于表4中。

多指标试验设计的分析方法有综合平衡法和综合评分法。综合平衡法先分别将各个指标按单指标进行计算分析，再将各指标的分析结果进行综合平衡，以得到“最优”试验方案。综合评分法是将多指标转化为一个评分指标来进行直观分析的方法。综合平衡法可根据极差大小来排列因素的主次关系，但计算较多，计算过程比较复杂。综合评分法计算简单，但对于多指标的正交试验，其评分标准直接影响结果的准确性[15-16]。本文采用两种方法进行计算，并将结果加以比较和分析。

表3 澄清过程中各样品的沉降速度Table 3 Sedimentation velocity of each sam p le during the clarification process

表4 澄清后各样品的理化指标Table 4 Physicochem ical indexes of each sample after clarification

2.1 综合平衡法

2.1.1 计算K、k值

采用综合平衡法，对表4的数据进行分析，K是指标，k是指标的平均值；以沉降速度受磷酸添加量影响的计算为例：

K1=27+28+27=82，k1=K1/3=82/3=27.3；K2=26+25+29=80，k2=K2/3=80/3=26.7；

K3=24+22+23=69，k3=K3/3=69/3=23.0。以此类推，计算结果如表5所示。

表5 磷酸和絮凝剂添加量、预灰及主灰pH对制糖指标的影响(综合平衡法)Table 5 Effects of phosphoric acid, flocculant addition, prelim ing pH, and lim ing pH on sugar processing indexes(comprehensive equilibrium method)

2.1.2 计算R值

极差R值是指标的变化幅度，即k值的最大值减去最小值。极差R的大小反映该因素变化对考核指标影响的大小，极差R值越大，则该因素对考核指标的影响就越大，对于结果越重要，反之就越小。根据极差大小的顺序，将表5中各因素的主次关系进行排序，由此可得出影响沉降速度的因素主次顺序为：磷酸添加量＞絮凝剂添加量＞预灰pH＞主灰pH，即磷酸添加量对蔗汁的沉降速度影响最大，是关键因素。同理，影响色值的因素主次顺序为：磷酸添加量＞主灰pH＞絮凝剂添加量＞预灰pH。

2.1.3 优化操作条件

对于澄清工艺而言，沉降速度越快越好，视纯度越高越好，色值和浊度越低越好。根据表5中的数据，可以清楚地看出各澄清因素对澄清效果的影响规律。例如，视纯度随着磷酸添加量的增加而增加，随着预灰pH值的升高而增加，随着主灰pH的升高先增加后减小，随着絮凝剂添加量的增加先降低后增加。选取沉降速度、视纯度、色值、浊度4个参数为目标函数，逐一进行分析。根据表5，将各单一目标函数对应的较优方案列于表6中，可以看出对于不同的澄清指标，其较优方案存在一定的差异，例如对于视纯度澄清指标，较优的方案为磷酸添加量300μL/L、预灰pH 7.40、主灰pH 8.20、絮凝剂添加量2.8μL/L；对于色值澄清指标，较优的方案为磷酸添加量300μL/L、预灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝剂添加量3.0μL/L。

表6 各澄清指标所对应的优化方案Table 6 Optim ization schemes for clarifying indexes

2.1.4 优化澄清工艺条件

通过综合平衡，对上述各个较优水平组再进行综合分析，权衡利弊，确定各因素的较优水平组合。找出主要指标的主要因素是什么水平最好，而多数指标中较优水平中出现次数最多是什么水平。如表6所示，磷酸添加量300μL/L、预灰pH 7.40、主灰pH 8.00，在4个试验指标里较优水平出现最多，因此确定磷酸的最佳添加量为300μL/L、预灰的最佳pH为7.40、主灰的最佳pH为8.00。而对于絮凝剂的添加量，在不同水平的各组较优水平出现次数相同，因此须根据生产需要及关键因素确定最佳水平。本公司采用聚丙烯酰胺作为絮凝剂，聚丙烯酰胺在加工过程中不可避免地会发生分解，生成丙烯酰胺，可能会给产品质量安全带来潜在的风险。此外，较低的添加量有助于节省加工成本，因此，经过综合平衡分析，确定磷酸添加量300μL/L、预灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝剂添加量2.8μL/L为最佳澄清工艺条件。

2.2 综合评分法

对于综合评分法，必须将试验效果转化为单一指标，才能进行评分。因此，将沉降速度、视纯度、浊度和色值4个指标转化为百分数，即将最好的情况视为100分，最差的视为0分，中间值进行内插法，计算对应分数值。然后将各百分数进行相加，即将各指标的重要性视为一致，计算总分，通过总分的大小来直观分析最优方案。综合评分法如表7所示，从表7中可以看出方案9的总分最高，即确定磷酸添加量300μL/L、预灰pH 7.40、主灰pH 8.20、絮凝剂添加量2.8μL/L为最佳澄清工艺条件。如2.1所述，综合平衡法的最佳澄清工艺条件为磷酸添加量300μL/L、预灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝剂添加量2.8μL/L，可以看出除了主灰pH存在一定的差异，综合平衡法与综合评分法的分析结果基本一致。两者的差异是由于综合评分法筛选出的最佳工艺条件必定是试验方案中的一种，而综合平衡法不局限于试验方案的约束。

表7 澄清理化指标及得分(综合评分法)Table 7 The physicochem ical indexes and scores of clarification (comprehensive scoring method)

2.3 生产线验证试验

在实际榨季生产中，大多数制糖企业通常凭借生产经验来制定澄清工艺操作条件，而确定的工艺指标往往范围较宽，在生产过程中并没有实现精准的控制。为了验证正交试验结果的可靠性，在中粮集团下属制糖工厂生产线上进行应用试验，选取最佳澄清工艺条件为磷酸添加量300μL/L、预灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝剂添加量2.8μL/L，进行精准控制。选取正交试验优化前常规生产数据与正交试验优化后生产数据，每组各15 d，进行统计分析，取平均值，将结果列于表8中。

表8 生产线验证试验结果Table 8 The test results of production line verification

从表8中可以看出，正交试验优化后，工艺生产数据得到了明显的改善，主要体现在以下几个方面：1）在正交试验优化后的生产期间，清汁的色值下降190 IU，浊度下降20 MAU，即清汁中的色素、胶体等杂质沉降效果较好；2）粗糖浆的还原糖分下降0.21个百分点，色值下降268 IU，粗糖浆的还原糖分下降将降低糖浆的粘度，改善煮糖的效率，提升原糖的质量；3）原糖的色值下降47 IU，不溶于水杂质下降12μg/kg，原糖品质的改善必将降低后续精炼过程负荷，提升精炼过程的效率。以上结果表明，通过正交试验确定最佳澄清工艺条件，为工业生产带来了积极的效果，可以有效地指导制糖工业生产。

3 结论

本文以磷酸添加量、预灰pH、主灰pH和絮凝剂添加量4个条件作为关键因素，每个因素3个水平，进行L9（34）正交试验，选取沉降速度、视纯度、色值、浊度为关键澄清指标，通过综合平衡法和综合评分法来分析澄清效果，最终确定磷酸添加量300μL/L、预灰pH 7.40、主灰pH 8.00、絮凝剂添加量2.8μL/L为最佳澄清工艺条件。在工业生产线上进行验证试验，结果显示澄清工艺优化后清汁的还原糖分、色值和纯度均明显下降，纯度有所升高，原糖的色值和不溶于水杂质均有所下降，表明正交试验可以有效指导工业生产。因此，在榨季生产中，可以根据原料的差异，定期开展正交试验以确定最佳澄清工艺条件，及时调整工艺技术参数，确保澄清工艺处于最佳状态，从而提高煮炼回收率，提升产品质量。