摘 要：糖汁清净是制糖工艺中的重要环节，它的任务是对来自压榨车间的混合糖汁进行提净处理。目的是通过除去非糖成分以提高糖汁的纯度，并降低其粘度和色值，为煮糖结晶提供优质的原料糖浆。根据糖汁澄清基本原理以及影响糖汁清净的因素，论述了强化糖汁清净过程和提高清净效率的途径。
关键词：甘蔗糖汁；高分子聚合物；胶体；亚硫酸法
中图分类号 S566.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2013）11-117-04
1 糖汁澄清的基本原理
渗出汁中非糖分的存在会对加工造成困难，影响糖品质量并增加废蜜量和糖分的损失。因此在进行糖汁浓缩和结晶之前要进行清净，以尽可能地清除非糖分[1]。清净的目的是：除去渗出汁中的悬浮粒子；中和渗出汁的酸性；除去着色物质；尽量除去非糖分，尤其是表面活性非糖分和胶体物。通过清净使糖汁纯度提高、粘度和色值降低，为煮糖结晶制备好优质原料糖浆。
按照所用主要清净剂的不同，糖汁清净基本上有石灰法、亚硫酸法和碳酸法3类。后者清净效果最佳，通常2次充入碳酸气，又叫双碳酸法。对渗出汁先进行预加灰（以石灰乳形式加入），以中和酸度和最大限度地凝聚和沉淀非糖分（主要是胶体等高分子物质）。然后加热，再加入过量石灰乳，即主加灰，使非糖分在强碱高温作用下分解，提高糖汁的热稳定性，并为以后碳酸饱充提供足够的氢氧化钙。主灰汁经加热后第1次充入碳酸气，将氢氧化钙饱充生成不溶解的碳酸钙。新生的碳酸钙对非糖分有良好的吸附作用，与饱充至最佳碱度下凝聚的非糖分结成颗粒沉淀。经过滤除去沉淀非糖分后再加热进行第2次碳酸饱充，使糖汁中剩余的氢氧化钙和钙盐量降至最低限度。否则在糖汁蒸发过程中会使加热面上严重积垢。而非糖分过多的带入糖浆中不但会使结晶发生困难，且提高废蜜量，增加工艺糖分损失。在蒸发前后糖汁还要进行硫漂（通入SO2），进一步降低色值和粘度，并起杀菌作用。双碳酸法清净一般可除去渗出汁中30%～45%的非糖分。尽管清净效率还不够高，但许多有害非糖分的去除已可满足结晶前的要求，可生产出质量较高的白糖。
1.1 混合汁的组成以及性质 从甘蔗提取的蔗汁具有非常复杂的成分，其中除含量较多的蔗糖外，还有各种无机和有机非糖杂质（称为非糖分），如还原糖、多糖、蛋白质、各种氨基酸与酰胺、有机酸、胶体物、蔗汁蔗蜡、植物色素、灰分等，此外，混合汁中还有相当多的蔗屑和泥沙。这些非糖分的存在，最后必将影响到蔗糖分的提取和产品的质量[2]。因此甘蔗糖厂澄清工段的任务是对来自压榨工段的蔗汁（混合汁）进行提净处理。
部分有机非糖，如蛋白质、果胶、单宁、聚戊糖、色素及部分类脂，因为它们都有不同程度的水化作用，所以又都是亲水胶体；至于无机非糖中的二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁等，在混合汁中相应地生成的硅酸胶、氢氧化铅、氢氧化铁则均属于憎水胶体。各种胶体都具有以下基本性质：高度分散性；不均匀性（又称多相性）；聚结不稳定性。蔗汁胶体由于胶体带电和溶剂化，所以在实际中处于稳定状态。蔗汁中胶体体系的存在或形成对制糖过程都是不利的。胶体的存在能使糖浆、废蜜的粘度增大，从而阻碍结晶、分蜜，增加糖分损失，同时还能使晶粒的色值加深，影响产品的质量，当然也能阻碍沉降过滤的顺利进行。为此，在澄清糖汁时，应最大限度地把胶体除去。
混合汁是一种多元复杂的溶液，其中既有胶态又有晶态的物质，既有强电解质又有弱电解质，既有酸性又有碱性物质及其盐类，既有溶解度小的物质又有溶解度大的物质，既有无机物又有有机物，既有小分子化合物又有高分子化合物，既有简单分子化合物又有复杂的络盐化合物，既有表面活性物质又有表面非活性物质。混合汁不仅多样而且多变，它的变化不但来自本身，易受外界条件的影响。
1.2 清净效率 清净效率的高低一般表现在混合汁澄清处理变为清汁后有多少非糖分被清除掉。因非糖分的多少与糖汁的纯度直接有关，而纯度则是常规化验项目之一，故计算时可设：混合汁纯度P1，非糖分为100-P1，澄清汁纯度P2，非糖分为100-P2，由此得：清净效率=（混合汁中非糖分/糖分-清汁中非糖分/糖分）/（混合汁中非糖分/糖分）×100%={[（100-P1）/P1-（100-P2）/P2]/（（100-P1/P1）}×100%。即：清净效率=[（清净纯度-混合汁纯度）100]/[（100-混合汁纯度）清汁纯度]×100%。纯度一般采用重力纯度，也可以用简纯度，但代表性和准确性都比重力纯度差一些。
2 影响蔗汁清净的因素
2.1 色素及有色非糖分 甘蔗中的天然色素主要分为脂溶性和水溶性两大类。脂溶性色素通常与各种蔗汁混合存在，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，在生产过程常可形成更深色的物质，严重影响制糖过程[3]。铁、氧和氧化酶也可以导致糖品出现深色。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物质。它们都溶解于水，不能为石灰所沉淀，活性炭和离子交换树脂可将其吸附并除去大部分，但亚硫酸法的生产过程除去极少，因此对产品质量有较大的影响。为了减少色素对产品质量的不良影响，应当尽量处理新鲜而成熟的甘蔗，这样可以减少蔗汁中还原糖和氨基酸等被称为色源物质的含量；制糖过程中还应避免糖汁高温和长时间过热；减少铁制设备或注意铁锈的清除。
2.2 还原糖 还原糖是单糖，蔗汁中以葡萄糖和果糖为最多。还原糖能和氨基酸发生美拉德反应，生成一种叫类黑素的色素。还原糖中的葡萄糖和果糖在pH=3.0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，形成的色素称类黑精，反应的副产品CO2和热量还会给糖厂带来许多不正常的情况，如CO2使糖膏发胀并从助晶箱中溢出，放热反应促使糖蜜中的蔗糖加速分解，从而使更多的还原糖参与反应，热量不断增加，严重时不断增加的热量可使糖蜜中所有的糖受热焦化，变成黑褐色泡沫状的炭状物。这种现象称为废蜜燃烧。
2.3 胶体 亲水胶体主要是各种高分子量的有机物质，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、果胶、多糖类、高分子酚类物质等，含有大量的亲水基团，本身高度水化，很难脱水[4]。除了蛋白质可以因变性作用被加热凝聚，其他的高分子有机物通过水解作用，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。
2.4 有机酸类 糖汁中的有机酸有乌头酸、草酸、苹果酸、琥珀酸、柠檬酸、富马酸等，以乌头酸的含量最多，占甘蔗重量的0.05%～0.15%。由于甘蔗中乌头酸的含量要高于磷酸，在加灰澄清时，必须增加石灰用量才能达到澄清所需的终点pH值。以上所有有机酸中，除了草酸能形成钙盐沉淀外，其他有机酸及其碱金属盐类均可溶于水，都具有造蜜作用。蔗汁中的有机酸越多，则中和它加入的石灰量越多，这对减少蒸发积垢及降低结晶过程的造蜜能力都是不利的。
2.5 无机物 糖汁中的无机物以碱类为主，大多以阳离子状态存在于糖汁中。磷酸则有单磷酸、双磷酸或有机磷酸盐等形式；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。糖汁中的P2O5含量对于糖汁澄清影响极大，但是含量过高，不但沉降速度十分缓慢，而且增加沉淀池及过滤机的负担。
3 强化糖汁清净过程和提高蔗汁清净效率的途径
3.1 压榨过程
3.1.1 保证原料蔗的新鲜度及压榨工序的环境卫生 对于糖汁的提纯分离来说，生产中保证甘蔗的新鲜程度是很重要的。为此，既要尽量缩短甘蔗从砍收到进厂压榨之间的时间，又要严格执行砍收规范。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，同时注意压榨机的蔗汁盆设计和曲筛的里外清洁。尤其要定时清理压榨机、蔗汁曲筛、蔗汁秤管路等处，防止微生物的滋生[4]。
3.1.2 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。
3.1.3 使用杀菌剂 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，因此要适当地使用杀菌剂[5]。在糖汁的化学变化方面，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，可用热水清洗辊面排汁槽、沟和死角的地方，洗完后再用杀菌剂。适当使用杀菌剂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。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。
3.2 澄清过程 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3种。因此需要一些辅助的新方法来提高糖汁的澄清程度和效率。
3.2.1 絮凝剂的正确使用 为了改善蔗汁的沉降过程，国内大多数甘蔗糖厂使用絮凝剂。若选用气浮工艺，则要选用优质絮凝剂。絮凝剂一般选用高分子电解质，其中又分为有机高分子絮凝剂和无机高分子絮凝剂两大类。加入高分子电解质作为絮凝剂主要是利用它的分子量和电荷。高分子电解质的絮凝作用还在于具有吸附作用，有如溶液中分散微粒的粘合剂。选用聚丙烯酰胺作絮凝剂时，为了强化絮凝作用，使用前要加碱水解，促使聚丙烯酰胺原来卷曲的分子链得以展开。这种水解体的絮凝能力要比未水解的大得多，沉降速度可提高0.5～1倍。而糖品分析用的无毒澄清剂主要成分是硫酸铝和铋化合物，效果很好。还有一种G409澄清剂，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，提高清净效果。用量0.04%～0.05%（原液对混合汁）的比例加入混合汁中，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%。
3.2.2 蔗汁磷酸澄清法的使用[6] 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，磷酸钙具有较强的吸附作用，其脱色效果远优于亚硫酸钙甚至碳酸钙。磷酸钙的沉淀结构与碳酸钙、亚硫酸钙不同，后两者都是较紧密结实的沉淀粒子，而磷酸钙的沉淀是絮状物，其团块可大到1cm以上，是有许多空腔的网状物。由于磷酸钙絮凝物具网状结构，因此在清净过程除了吸附杂质外，一些微小的胶体微粒，不管是否已失去稳定性，都可由其网状结构捕集而除去。
经过良好磷酸处理的糖汁特别清亮透明，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。
3.2.3 单层快速沉降器的使用 英国FS公司制造了这种单层快速沉降器设备。这种设备已在印度尼西亚的亚硫酸法糖厂普遍应用。我国在20世纪70年代大约有10家亚硫酸法糖厂曾试用过单层快速沉降器，蔗汁沉降时间由70～80min缩短至35～40min，减少糖分转化损失，减少设备费用及占地面积约2/3。可是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。
3.2.4 液态二氧化硫在糖汁澄清过程中的应用 利用液态二氧化硫清净处理的糖汁所煮制的白砂糖之色值比较稳定。不过，产品的混浊度普遍偏高，在停榨时甚至超标，这主要与亚硫酸法澄清工艺的操作有一定的关系，如果配合糖浆上浮处理工序，那么混浊度偏高的问题肯定能够得到解决。
3.2.5 电解法的使用 电解对糖汁产生的提净作用主要有2种：一种为电中和的沉淀作用；一种为电絮凝产生物界面的吸附作用。电解对沉淀的形成沿2个方向进行：一为糖汁pH值变化达到胶体最适的凝聚沉降值；一为金属电极本身析出的阳离子作为中和负电荷胶体的絮凝剂。天然糖汁电解时，可以明显地看到产生大量上浮的泡沫和失去电荷下坠的胶体沉淀，二者均具有良好的吸附作用，有助于糖汁澄清。
3.2.6 糖浆气浮清净新工艺的应用 糖浆气浮清净工艺的本质在于气泡浮生杂质[7]。在气浮过程中，通过微小气泡和初生磷酸钙的聚合作用以及絮凝剂的二次凝聚、网络作用形成极大的凝聚物，从而带走粗糖浆中的杂质（如胶体、灰分、色素等）。在此过程中，初生磷酸钙有吸附功能，气泡起浮升作用，因此气泡的质量十分关键。
在粗糖浆清净工艺中，增加糖浆气浮清净新工艺，可以起到以下的作用：（1）降低粗糖浆的色值；（2）降低粗糖浆的浊度，提高糖浆的清度；（3）降低糖浆的粘度，缩短糖浆的煮制时间；（4）提高白砂糖的合格率和产糖率；（5）降低粗糖浆的灰分含量。
糖浆气浮清净新工艺中使用无机阳离子新型澄清剂，其对糖浆脱色、除浊的原理是：新型澄清剂兼备电解质的离子效应、电中和凝聚作用和高分子本体的架桥絮凝作用，对糖浆中的色素、胶体可产生电中和作用，使胶体粒子表面的§电位与扩散层厚度同时降低。当胶体粒子表面的§电位降为极低时就会脱稳凝聚，而其长链本体则可发挥粘结架桥作用，因此可有效地降低糖浆的色值和浊度。
3.3 过滤过程
3.3.1 混合汁过滤选用新型滤材 使用铜条筛网通常有1次铜条过滤和2次铜条过滤2类，目的是尽量除去混合汁中的蔗糠。但尽管经过2次铜条过滤，但混合汁中仍有较多的蔗糠未能除去，沉降速度不佳，滤泥量较大。在美国，一般采用2段洗涤方法来减少滤泥的糖分。糖厂一般第1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。若改用15目的尼龙筛网，既可除去较多的蔗糠，也不影响过滤速度，有利于糖汁的提纯分离[8]。
3.3.2 添加滤饼脱水剂 汁在澄清器中的滞留时间过长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。陈其斌博士的实验表明，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0.5～2.5，有助于提高过滤速度。
3.4 清汁的再处理
3.4.1 利用超滤膜对甘蔗汁进行过滤 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[9]。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极大，已经成为糖汁提纯分离的一个发展方向。
超滤膜过滤甘蔗汁要采用3次过滤才能达到较好的效果，即1次袋滤或碟片过滤器过滤，2次超滤，滤清汁可以直接进入蒸发工段。超滤膜的孔径为0.01μm，清净效率达到25%以上，清汁的色值平均为69。St，混浊度平均为74。而一般常规的亚硫酸法糖厂清汁色值平均为110。St，混浊度平均为95；清净效率一般是20%～22%。
3.4.2 应用微孔过滤技术 PA微孔过滤系统处理混合清汁迅速，对糖汁无污染，且在过滤器中的停留时间较短（少于1min），可成功地除去非糖分微粒，混合汁处理后锤度平均下降1°BX，纯度则升高1 109AP，色值下降约12%，混浊度下降43%。3.4.3 离子交换剂的应用 离子交换剂包括离子交换树脂和离子交换纤维等。交换树脂分为聚苯乙烯型和聚丙烯型的，可除去离子型色素和芳香性色素，但不易再生，成本较高；离子交换纤维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。离子交换纤维的成本较低，是一种新型的高效离子交换剂，例如国产VS-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，脱色率在75%以上。
3.4.4 使用氧化剂和臭氧脱色 有家糖厂在50℃的糖浆中通入臭氧，糖浆在30min的脱色率超过80%；有人在pH7.0、温度为27℃的糖汁中通入臭氧，10min内脱色率已超过50%。这是因为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）和臭氧能将糖汁中的色素双键氧化而断裂，破坏生成分子量较低、含双键较少的物质，从而消除它对可见光的吸收，从而使颜色消退。
3.4.5 板框型超滤器在蔗汁清净过程中的应用 利用超滤技术处理亚硫酸法糖厂混合清汁，可有效降低其色值和混浊度，提高糖汁纯度。控制超滤压力是发挥超滤效能的关键[10]。压力过低，滤出液流量少；压力过高则滤出液色值、混浊度上升趋势较明显；此外，压力的波动会破坏滤饼，严格影响滤出液质量。实验表明，在压力0.21MPa、进料温度40℃，处理时间超过60min，滤出液的纯度有所降低，色值增加。由于生产过程中的混合清汁温度可达100℃左右，若降温后再处理会增大能耗，不经济。因此，应采用耐高温的膜组件，循环时间控制在30～60min。另外，充分利用滤饼的助滤作用可以适当增大膜的孔径。全回流的试验表明，只要固定进口压力，滤饼的稳定性很好，因此，生产中若能根据滤出液流量连续进料和定时排废，以降低截留液的杂质浓度，既可增加滤出液流量，又可实现连续化生产。
4 结语
糖汁清净在制糖工业中占有非常重要的地位，直接影响了蔗糖成品的质量。糖汁的分离提纯要通过多个工序得以实现，所以解决办法要根据生产实际分阶段实施。因此我们要对糖汁特性进行更深入的了解，掌握更先进的糖汁清净技术。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
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（责编：徐世红）