超聲強化過氧化氫-維生素C體系糖汁脫色的研究

黃承都，姜繼平，龍惠，黃永春*，楊鋒

(1.廣西科技大學 生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006；2.廣西糖資源綠色加工重點實驗室，廣西 柳州 545006)

色值是衡量制糖工藝效果的重要指標[1]，傳統的糖汁脫色方法存在能量消耗大、SO2殘余量高等問題[2-5]，制約著制糖業的發展和進步。超聲空化由于其對介質能夠產生空化效應[6,7]，被廣泛應用于化工、食品、醫療等領域[8-10]。超聲技術已在制糖工業中得到廣泛應用：超聲波防除制糖設備的積垢、超聲波強化蔗汁的澄清、超聲強化蔗糖結晶等[11-14]，本課題組前期也利用超聲技術在蔗汁澄清方面進行了大量的研究[15-18]，結果表明超聲技術在制糖工業中具有很好的研究前景。

將過氧化氫-維生素C(簡寫為H2O2-Vc)體系應用于糖汁脫色，主要利用過氧化氫釋放的羥自由基(·OH)的氧化性進行脫色[19]，以維生素C作為催化劑，加快·OH的產生速率[20]，該方法具有低硫、節能、安全等優點，但其脫色率仍有待提升。超聲空化與H2O2氧化法的結合可提高·OH自由基的產量，是基于超聲空化過程中產生空化泡，空化泡在潰滅瞬間會引起局部高溫、高壓和高射流[21,22]，釋放·OH自由基，同時伴隨著復雜的物理化學變化，因而對糖汁脫色起到一定的強化作用[23]。將超聲強化H2O2-Vc技術應用于糖汁脫色，目前尚無文獻報道，其原理類似超聲空化與Fenton試劑聯合作用降解有機物[24,25]。本研究考察了超聲空化強化H2O2-Vc體系對糖汁脫色的影響，為超聲強化H2O2-Vc體系的糖汁脫色工藝提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

1.1.1 材料與試劑

粗制白砂糖：廣西東亞糖業；30%過氧化氫：AR，西隴科學股份有限公司；維生素C：AR，上海麥克林生化科技有限公司。

1.1.2 主要儀器

SL-650SD型智能溫控多頻超聲波細胞粉碎儀(額定功率650 W)、SL-2010N型智能低溫恒溫槽 南京順流儀器有限公司；BS-224S型電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司；T6新世紀型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；2WAJ型阿貝折光儀 上海申光儀器儀表有限公司。

1.2 測定方法

取適量待測定的糖汁，在室溫下，用阿貝折光儀測出折光錘度，并記下折光儀上顯示的溫度，再用阿貝折射儀顯示的溫度查表得出觀測錐度，又通過觀測錘度查表得出視密度。再利用紫外可見分光光度計測出相應糖汁的吸光度A，測量時將光度計的波長調節為560 nm，空白液為蒸餾水。

糖汁色值的計算公式如下[26,27]：

IU560 nm=1000×A560 nm/(b×c)。

四是流域排污總量控制?！稐l例》第一次在流域尺度納入了總量控制制度，建立水功能區限制納污紅線，根據水功能區水質要求提出限制排污總量意見。制定區域排污總量指標時要充分考慮限制排污總量意見，既在流域層面統籌的區域限制排污總量，又使水功能區水質目標要求通過限排意見反映到污染物排放總量削減和控制計劃中，并逐級落實到執行層面。

式中：IU560 nm為波長560 nm處的國際糖色值； A560 nm為波長為560 nm時測得樣液的吸光度；b為比色皿厚度，cm；c為固溶物的修正濃度(20 ℃)，g/mL； 其中，c=折光錘度×20 ℃時的相應視密度/100。

脫色率的計算公式如下：

式中：A0為原糖汁色值；A為脫色后糖汁色值IU560 nm。

1.3 單因素試驗

1.3.1 超聲功率比對糖汁脫色率的影響

將原糖按15%的濃度溶解，分別取5份100 mL倒入夾套保溫燒杯中，將超聲空化器探頭伸入夾套保溫燒杯的糖汁中，設置恒溫水溫度為60 ℃，超聲空化器空化時間設定為20 min；待糖汁溫度升到60 ℃后，用移液槍在每份糖汁中加入1.6 mL H2O2溶液及1.6 mL Vc溶液(即兩者比例均為1∶1)，然后分別以超聲功率比(處理功率占額定功率650 W的百分比)為30%、40%、50%、60%、70%的條件對H2O2-Vc體系的糖汁脫色反應進行超聲空化處理；經處理20 min后，將溶液在冷水浴中降溫至20 ℃，測定糖汁吸光度、觀測錘度以及視密度，并計算糖汁色值及相應脫色率。

分別量取15%糖汁100 mL各5份倒入夾套燒杯中，將超聲空化器探頭伸入夾套燒杯的糖汁中，設置恒溫水溫度為60 ℃，超聲空化器空化時間設定為20 min；待糖汁溫度升到60 ℃后，用移液槍向每份糖汁中分別加入1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,2.0 mL H2O2溶液及相同量的Vc溶液，然后在功率比為40%的條件下進行超聲空化處理；經處理反應20 min后，將溶液在冷水浴中降溫至20 ℃，測定糖汁吸光度、觀測錘度以及視密度，并計算糖汁色值及相應脫色率。

1.3.3 超聲溫度對糖汁脫色率的影響

分別量取15%糖汁100 mL各5份倒入夾套燒杯中，將超聲空化器探頭伸入夾套燒杯的糖汁中，設置超聲空化器空化時間為20 min，再分別設置恒溫水溫度為40,50,60,70,80 ℃，待糖汁溫度升到相應溫度后，用移液槍在每份糖汁中加入1.6 mL H2O2溶液及1.6 mL Vc溶液，然后立即分別在功率比為40%的條件下進行超聲空化處理；經處理反應20 min后，立即將溶液在冷水浴中降溫至20 ℃，測定糖汁吸光度、觀測錘度以及視密度，并計算糖汁色值及相應脫色率。

1.3.4 超聲時間對糖汁脫色率的影響

分別量取15%糖汁100 mL各5份倒入夾套燒杯中，將超聲空化器探頭伸入夾套燒杯的糖汁中，設置恒溫水溫度為60 ℃；待糖汁溫度升到60 ℃后，用移液槍在每份糖汁中分別加入1.6 mL H2O2溶液及相同量的Vc溶液，然后立即在功率比為40%的條件下進行空化，每份糖汁分別空化2,4,6,8,10 min；超聲空化處理結束后，立即將溶液在冷水浴中降溫至20 ℃，測定糖汁吸光度、觀測錘度以及視密度，并計算糖汁色值及相應脫色率。

1.4 正交設計優化

綜合單因素試驗結果，將超聲功率比(A)、H2O2-Vc復合脫色劑用量(B)、空化溫度(C)、超聲時間(D)4個因素，按照四因素三水平L9(34)安排正交試驗，以糖汁脫色率為響應值，優化超聲強化H2O2-Vc體系對糖汁脫色的工藝，試驗因素水平見表1，正交試驗設計方案見表2。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交試驗設計方案表Table 2 Design scheme of orthogonal experiment

按照表2試驗條件進行正交試驗，測定每組試驗的糖汁吸光度、觀測錘度以及視密度，并計算糖汁色值及相應脫色率。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 超聲功率對糖汁脫色率的影響

圖1 超聲功率對糖汁脫色率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic power on decolorization rate of sugar juice

由圖1可知，隨著超聲功率的增大，糖汁的脫色率先增大后下降，即超聲功率比小于40%時，糖汁的脫色率隨著超聲功率的增大而增大，這是由于超聲空化功率越大，產生的·OH越多，自由基能將糖汁中原有的有色物質氧化分解，變成無色物質，使得糖汁的脫色率增大；當超聲功率大于額定功率的40%后，繼續增大，糖汁的脫色率開始下降，這是由于大功率空化所產生的·OH數量過多，過量的·OH會與·H或H2O2反應，使得氧化劑的量減少，從而降低了脫色率，由此說明脫色率與空化功率有很大關系，當超聲功率為額定功率的40%(即260 W)時，糖汁脫色率達到最大值45.6%。

2.1.2 H2O2-Vc復合脫色劑用量對糖汁脫色率的影響

圖2 H2O2-Vc復合脫色劑用量對糖汁脫色率的影響Fig.2 Effect of the amount of H2O2-Vc compound decolorizer on decolorization rate of sugar juice

由圖2可知，隨著H2O2-Vc復合脫色劑用量的增加，糖汁的脫色率明顯呈先增大后下降的趨勢，當H2O2和Vc用量均為1.6 mL時，脫色率達到最大值44.4%，這是因為H2O2-Vc復合脫色劑用量的增加使得·OH的生成速率增大，色素分子隨之被分解，脫色率逐步增大；當H2O2和Vc用量都超過1.6 mL后，脫色率開始下降，這是因為反應已經達到飽和，過量的過氧化氫會與·OH反應生成H2O和O2，同時過量的Vc也會消耗部分過氧化氫和空化所產生的羥基自由基。因此，H2O2和Vc用量選擇1.6 mL較為適宜。

2.1.3 超聲溫度對糖汁脫色率的影響

圖3 超聲溫度對糖汁脫色率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic temperature on decolorization rate of sugar juice

由圖3可知，隨著溫度的上升糖汁脫色率先上升后下降。這是由于隨著溫度的升高，一方面空化效率會有一定的增強；另一方面，隨著溫度升高，H2O2的分解速率增大，體系中有大量·OH產生，使得糖汁中有色物質被分解的速度加快，當溫度達到70 ℃時，糖汁的脫色率達到50.7%。當溫度高于70 ℃后，糖汁脫色率開始下降，這是由于過高的溫度會使H2O2和Vc分解，且無法與有色物質發生作用，使得脫色率下降；同時高溫會使原糖中一些酚類物質發生副反應，有色物質增多。

2.1.4 超聲時間對糖汁脫色率的影響

圖4 超聲時間對糖汁脫色率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic time on decolorizationrate of sugar juice

由圖4可知，隨著超聲處理時間的增加，糖汁脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢，當超聲時間為6 min時，糖汁脫色率達到最大值，53.4%。當超聲時間過短時，H2O2無法完全分解產生·OH，隨著超聲時間增加，過氧化氫分解的·OH越來越多，糖汁脫色率明顯增大；但是超聲時間也不宜過長，如超聲時間超過6 min后，可能會導致一些酚類物質發生副反應，有色物質增多；因此，超聲時間選擇6 min較為適宜。

2.2 正交試驗結果與分析

根據正交設計表，按照表2試驗條件進行正交試驗，測定每組試驗糖汁吸光度、觀測錘度以及視密度，并計算糖汁色值及相應脫色率，試驗結果見表3。

表3 正交試驗結果分析表Table 3 Result analysis of orthogonal experiment

通過正交試驗結果極差分析，得到各個因素對糖汁脫色率影響的主次關系，由表3可知，影響糖汁脫色工藝大小的因素主次為：A>B>D>C，即：超聲功率>復合脫色劑用量>超聲時間>空化溫度，最優方案為A2B3C3D1，即：超聲功率比為40%，復合脫色劑用量為1.8 mL，超聲空化溫度為80 ℃，超聲時間為4 min。根據此條件做驗證試驗，得到糖汁脫色率為54%，進一步驗證了優化的脫色條件是合理的。

3 結論

本試驗通過單因素試驗和正交設計探究了超聲強化H2O2-Vc體系對糖汁脫色率的影響，考察了超聲功率、H2O2-Vc脫色劑用量、超聲溫度和時間對糖汁脫色率的影響，試驗表明超聲空化對H2O2-Vc體系的糖汁脫色效果具有協同強化作用，當處理的糖汁量為100 mL，超聲功率為260 W，H2O2和Vc的使用量都為1.6 mL，空化溫度為70 ℃，超聲時間為6 min時脫色率達到53.4%。通過四因素三水平正交試驗結果極差分析，得到各個因素對糖汁脫色率影響的主次關系：超聲功率>復合脫色劑用量>超聲時間>空化溫度。該工藝用于糖汁脫色，脫色率明顯提升，處理時間縮短，這為今后開發新型低溫無硫糖汁脫色技術提供了理論依據。