引用本文
M. Saska, B. S. Zossi, Hui-Xia Liu. 石灰法、亚硫酸法和碳酸法清净对蔗汁脱色[J]. 甘蔗糖业, 2013,(2): 33-36.
M. Saska, B. S. Zossi, Hui-Xia Liu. Removal of Colour in Sugar Cane Juice Clarification by Defecation, Sulfitation and Carbonation(PartⅠ)[J]. Sugarcane and Canesugar, 2013,(2): 33-36.
石灰法、亚硫酸法和碳酸法清净对蔗汁脱色
M. Saska1, B. S. Zossi2, Hui-Xia Liu3
1. 路易斯安那州立大学奥杜邦糖业研究所, 美国;2. 奥比斯堡哥伦布农业与工业实验中心, 阿根廷;3. 广西大学轻工与食品工程学院, 广西, 南宁 530004
收稿日期：2013-03-08;修回日期：2013-04-20
作者简介：李鲜能(1987- )，女，广西玉林人，硕士研究生，研究方向：制糖过程强化理论与技术。lxn0602@163.com。
通讯作者：刘慧霞，教授。E-mail：sugarliu@gxu.edu.cn。
摘要：色值是糖品最重要的特性，但在蔗汁清净中，通常不把脱色看作主要目标。根据实验结果，所有的常规清净方法都有显著的脱色潜力，甚至比工业实践中所意识到的更高。测试了4种主要的清净方法：热汁加灰石灰法、亚硫酸法、单碳酸法和双碳酸法，并研究了各种清汁的色值特性。碳酸法在甘蔗糖业中的应用不是很广泛，但硫磺价格的周期性上涨、糖质量问题和环境问题，都促使人们设法考虑用发酵车间免费的CO2替代或补充SO2。研究了粗汁和清汁间的相对脱色率，石灰法、亚硫酸法、单碳酸法和双碳酸法的平均脱色率分别为35%、47%、44%、74%。检测了影响石灰法清汁色值的几个因素，即：沉降停留时间和温度、蔗渣和滤泥含量、磷酸和蛋白质添加量的影响。加灰量低于1kg CaO/t蔗（石灰法、亚硫酸法、单碳酸法）情况下，除了新生成的磷酸钙沉淀对色素的吸附外，很大一部分脱色效果来自于受热凝结的甘蔗蛋白的吸附。在常规清净方法中，用于吸附色素的磷酸钙沉淀是过量的。亚硫酸法和单碳酸法的脱色效果接近，但单碳酸法处理得到的清汁和糖浆的热稳定性明显较差，需要进一步研究。
关键词：
碳酸饱充
清净
色值
甘蔗
硫熏
Removal of Colour in Sugar Cane Juice Clarification by Defecation, Sulfitation and Carbonation
M. Saska1, B. S. Zossi2, Hui-Xia Liu3
1. Audubon Sugar Institute, Louisiana State University Agricultural Center, St.Gabriel, Louisiana, USA;2. Estacion Experimental Agroindustrial Obispo Colombres(EEAOC), Tucuman, Argentina;3. College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004
Abstract: Colour is the most important commercial sugar attribute but in juice clarification its removal is usually not considered among primary objectives.However,based on results presented,all standard clarification procedures have the potential for significantly higher removal of colour than is realised in the industrial practice.Four principal juice clarification procedures,viz.defecation by hot liming,sulfitation,carbonation and double-carbonation were tested and various aspects of colour behaviour investigated.Carbonation is not widely used in the cane sugar industry,but periodic spikes in sulfur prices,sugar quality issues and environmental concerns have stimulated efforts to consider replacing or supplementing sulfur dioxide with carbon dioxide that may be available cost-free from the fermentation plant.The colour removal,viz.the relative difference between colour of raw and clarified juice,obtained in our tests was on average 35,47,44 and 74% for defecation,sulfitation,single-carbonation and modified double-carbonation,respectively.Several factors affecting clarified juice colour in hot liming were tested,viz.the time and temperature during settling;bagacillo and soil content,
Key words:
Carbonation
Clarification
Colour
Sugarcane
Sulfitation
无论原糖厂、一步法糖厂，还是精炼糖厂，色
值都是白糖最重要的商品属性，制糖工作者为使产
品色值符合市场要求花费大量资源。结晶能有效脱
除 95%～99%的色素，且在精糖生产中，无论是通
过活性炭和离子交换树脂吸附色素，或是利用化学
方法将色素分子变无色，结晶都是一种辅助的脱色
方法。
原糖厂蔗汁清净的主要目的是提高 pH 和去除
悬浮固体。脱色只是一个次要目标，很少在化验室
中检测。据我们所知，从来没有把它作为标准来评
估，更不用来控制过程。SO2在生产耕地白糖的蔗
汁澄清中应用广泛，然而，硫磺价格的周期性上涨
和糖品质量问题，激发了减少甚至消除 SO2使用的
尝试。基于此，测试了一种新碳酸法，并将它与标
准亚硫酸法和石灰法做比较。碳酸饱充不仅可减少
SO2的使用，还为部分利用糖蜜或蔗汁发酵的糖厂
提供一种免费利用和减少过量 CO2排放的方法。传
统的双碳酸法清净蔗汁最初在爪哇使用[1]，随后在
南非实践了多年[2]，现今在中国和其它地方的一些
糖厂仍有使用[3]。据报道能得到极好的低色值清汁，
但 11～15 kg CaO/ t 蔗的高加灰量难以维持经济效
益。本研究试验了一些改进的方法以降低加灰量，
一碳汁全汁过滤改为沉降和泥汁过滤。
1 材料与方法
粗汁由运输至美国路易斯安那州奥杜邦糖业研
究所的新鲜甘蔗压榨而得。将 0.6～0.8 L 的压榨汁
稀释至 1 L，使蔗汁锤度接近糖厂混合汁，再用 4
种方法澄清：热汁加灰石灰法、亚硫酸法、单碳酸
法和双碳酸法。
对于石灰法，先将稀释汁放在微波炉内沸腾约
1 min，迅速加入石灰乳搅拌，加灰至 pH7～8.2，再
边搅拌边加入 2.5 ppm Magnafloc LT340 絮凝剂，将
加灰汁倒入加盖的 1 L 玻璃烧杯，96℃水浴沉降 60
min，分析上清液。
硫熏是在一个带搅拌的夹套温控玻璃反应器内
完成，反应器配备石灰乳和进气口，装有 pH、温度
显示与调节器。通常，1 L 稀释汁在 50℃预灰至
pH8～9，加入 SO2至 pH7 左右。或者先加入 SO2
至 pH3～4，再加灰至 pH7。两者的清净效果接近，
但前者更合适，与碳酸饱充试验更有可比性，因为
CO2在 pH6 以下吸收微弱，必须在碱性 pH 下加入
（图 1） 。2 种情况下，都是将硫熏汁和加灰汁加热
并维持沸腾 1 min， 絮凝剂的加入和沉降试验与石灰
法一样。
图1(Figure 1)
图 1 CO2和 SO2在加灰汁中的吸收率
单碳酸饱充是将稀释汁放在一个 6 L 搅拌反应
器内进行，维持温度 50～60℃，加灰至 pH8～9，
并在此 pH 维持 2～5 min， 然后在 5 min 内加入 CO2
至 pH7～8。加热、加入絮凝剂和沉降处理如前面实
验一样。为保证 2 种方法的直接可比性，亚硫酸法
和单碳酸法的加灰量一致，加灰量与南/中美洲的耕
地白糖糖厂用量接近。下文中，室温测定的 pH（约
25℃）用 pH25表示。
双碳酸饱充是将 1 L 稀释粗汁放在 6 L 反应器
内预热至 50℃，然后加入 3～5 g CaO 至 pH 10.5～
11，加入 CO2至 pH 接近 10，加热至 60℃，加入絮
凝剂，沉降 60 min 至泥渣体积为一碳汁的 25%～
30%，没有专门除去溶解在蔗汁中的空气。将澄清
汁和滤清汁混合，混合清汁加入 CO2至 pH6.5～7。
煮沸二碳饱充汁，真空抽滤除去沉淀。一碳泥渣过
滤性检测装置与先前测试沉降器泥汁的一样，过程
也大部分一致[4]。 相关数据为： 温度 60℃， 压力 0.07、
0.14、0.21 MPa，过滤面积 3.1 cm2，由添加了
HyfloSuper Cel 助滤剂的 20 μm 不锈钢丝网支撑。
有建议应在澄清蔗汁前消和石灰乳，但本研究
中，所用的分析纯 Ca(OH)2 1:10 加水混合后立即使
用，没发现对沉降或除浊有不良影响。所有试验均
在 2008/09 年榨季进行，蔗汁由路易斯安那州目前最主要的甘蔗品种压榨得来 （L97-128， HoCP96-540，
LCP85-384 等） 。而在阿根廷奥比斯堡哥伦布农业与
工业实验中心的其它试验已经证实[5]，蔗汁澄清中
色值特性结论与本报道的一致性，这些蔗汁来自图
库曼种植的 2 种主要品种的甘蔗。
2 结果与讨论
2.1 清净脱色
由于甘蔗品种、甘蔗情况和蔗段夹带的蔗梢和
蔗叶含量的差异，粗汁色值在 10000～20000 IU 范
围变动。相对脱色率定义为：100×（粗汁色值－清
汁色值）/粗汁色值，石灰法的脱色率平均为 32%，
亚硫酸法和单碳酸法的脱色效果接近， 分别为 45 和
42%，相应的加灰量（CaO）为 0.7 g/L 和 0.9 g/L,
常规的石灰法则是 0.5 g/L。尽管糖厂很少检测清汁
色值，但有限的实验数据表明[6,7]，糖厂的脱色效能
明显低于实验室试验结果（表 1） 。糖厂实践和实验
室脱色率之间差异的原因可能是工艺流程中局部过
热，或者是过量加灰，蔗汁或泥汁在加热器、沉降
器或是过滤器的停留时间过长，或是其它因素。
表1
Table 1
表1(Table 1)
表 1 蔗汁清净前后的色值、石灰加入量和相对脱色率
表 1 蔗汁清净前后的色值、石灰加入量和相对脱色率
没有系统地测量泥汁沉降特性，但 3 种方法得
到的泥汁都很容易沉降，沉降速度没有明显差别。
清汁混浊度主要为 50～150 NTU，与工业清汁的变
动范围相似。3 种泥汁的沉降速度没有系统性差异。
CaO 添加量的大偏差是加灰过程故意设定的，以检
验方法的稳定性和效果。
2.2 沉降过程蔗汁 pH 和色值变化
清汁的组成影响沉降、蒸发和煮糖过程色值的
增加。因此，评估清净时需要考虑蔗汁的热稳定性。
为了测定蔗汁的热稳定性，将 3 种清汁在 96℃停留
0.5～4 h 之间（表 2） ，接近工业沉降器的平均温度，
热汁加灰法的清汁则为 85℃。
表2
Table 2
表2(Table 2)
表 2 不同清净条件的蔗汁在沉降过程中的色值增加和 pH 降
表 2 不同清净条件的蔗汁在沉降过程中的色值增加和 pH 降
石灰法和单碳酸法清汁在 96℃的色值增加大
体相同，约 600 IU/h，高于亚硫酸法汁。石灰法清
汁在沉降过程中的 pH 降显著高于亚硫酸法和单碳
酸法汁。石灰法汁的沉降温度从 96℃降至 85℃，色
值增加速率和 pH 降有显著影响。色值增加降低 6
倍至低于 100 IU/h，pH 降约减少 2 倍。虽然没有研
究亚硫酸法和单碳酸法，但也很可能有相似效果。
曾经有人提出一种不增加任何冷却器装置即实现糖
厂沉降器降温的方法，即将返回到混合汁箱的滤汁
直接送至沉降器[8]。加灰汁像往常一样加热，自蒸发，但它在下游的凝结水自蒸发器被低温的滤液冷
却。这样有望降低蔗汁色值和蔗糖转化，与缩短沉
降器内的停留时间有相似效果。
2.3 糖浆的热稳定性
在低水分含量下，美拉德反应和其它机制的色
素形成速率会提高。因此，利用原糖存储测试的方
法[9]，进行了一系列糖浆在 70℃的“热存储”试验。
用旋转蒸发器在 50～55°C 真空蒸发清汁制备糖浆。
存储过程中，每种糖浆的色值都增加（图 2） 。石灰
法、亚硫酸法、单碳酸法和双碳酸法的色值增加率
分别为 15、9、29、13 IU/h。存储试验的温度较低，
色素形成速率比沉降过程低很多（表 2） ，亚硫酸法
糖浆的色值增加速率依然最低。 4 种糖浆的 pH 降幅
较接近（图 3） ，明显低于初始清汁 pH。
图2(Figure 2)
图 2 4 种不同澄清方法得到的 60～70゜Bx 糖浆在 70℃存储的色值增加
图3(Figure 3)
图 3 4 种不同澄清方法得到的糖浆在存储过程的 pH 降
2.4 糖汁脱色机理
通常认为，在蔗汁清净中，脱色完全是因为初
生态的磷酸钙晶体和其它微溶阴离子对色素的吸
附，类似于经常研究的磷酸盐澄清或碳酸饱充的糖
精炼过程的色素特性。但图 4 和图 5 的实验表明，
受热凝结的甘蔗蛋白质的吸附也许是蔗汁清净过程
中一个显著的脱色机制。
图4(Figure 4)
图 4 粗汁、煮沸粗汁和加灰前添加磷酸的清汁色值
图5(Figure 5)
图 5 粗汁、对照和加入牛血清白蛋白的石灰法清汁色值
图 4 实验中，不加灰煮沸蔗汁可除去粗汁将近
7000 IU 或 39%的色值。而石灰法清净的脱色率为
45%，仅增加 6%。混合汁在加灰前加入每 100 mg/L
的磷酸，石灰法的脱色率增加 600 IU。
图 5 实验中，连续加入与甘蔗蛋白结构相似的
牛血清白蛋白（BSA）补充原有的甘蔗蛋白质。稀
释的混合汁加入 1.5 g/L 蛋白质， 石灰法的蔗汁色值
降低 1500 IU。得到的清汁再加入 3 g/L BSA（总计
4.5 g/L） ，短暂煮沸，但不加入石灰。色值降低 1300
IU。重复此操作，蛋白质总添加量达到 7.5 g/L，色
值再降低 600 IU。由此可见，BSA 和甘蔗蛋白在受
热凝结或在热凝结过程中对甘蔗色素有很强的亲合
力。然而，增加的脱色效果随着蛋白质的增加而降
低，也许是因为蛋白质只对蔗汁中的某些色素有亲
合力。 试验可知鸡蛋清白蛋白对蔗汁脱色没有效果。
粗滤工业蔗汁中的蔗渣和滤泥颗粒对沉降器内
的泥汁特性有实质性影响，尤其是蔗渣，大大增加
泥汁体积。但不太确定它们是否影响清汁色值。图
6 的实验结果表明，没有任何高于正常实验误差的
可检测影响。图 6 标明的添加量用 g /100mL（干固
物/粗汁）表示。
图6(Figure 6)
图 6 对照和加入蔗渣、干滤泥的石灰法清汁色值
沉降器泥汁由 90%～95%的清汁组成，假设停
留时间相当，其色值与沉降器清汁大致相同。但以
前的糖厂测试表明， “泥汁”进入真空抽滤器并从滤
泥中收回的蔗汁的色值有时候低于沉降器清汁的色
值。这促使我们试验确定泥汁微粒对色值吸附能力
的饱和状态。石灰法清净的蔗汁色值照常检测（表
3 的清汁色值和脱色率 1） 。泥汁用搅拌机搅拌几秒
钟，离心分离固体，检测上清液色值。总共进行 20
个实验，结果如表 3 所示。混合泥汁得到的上清液
色值（表 3 的泥汁色值和脱色率 2）总是降低，有
时多达 2700 IU， 证明标准石灰法沉淀的吸附能力是
过量的。可能是混合泥汁的时候暴露了沉淀的内表面，它们可以吸附更多的色素。可以看出，存在着
比表 1 所示的更高的脱色潜能。
表3
Table 3
表3(Table 3)
表 3 粗汁、石灰法清汁和混入泥渣的“泥汁”色值
表 3 粗汁、石灰法清汁和混入泥渣的“泥汁”色值
2.5 双碳酸饱充
在改进的双碳酸饱充流程中，CaO 添加量减少
至 3.1 g/L（表 4） ，约为目前工业生产方法的 1/4。
平均脱色率为 74%，某些高于 80%。清汁混浊度低
于 10 NTU，离子色谱检测 Ca 和 Mg 离子含量分别
为 500 mg/L 和 200 mg/L。
表4
Table 4
表4(Table 4)
表 4 双碳酸法清净蔗汁的效能
表 4 双碳酸法清净蔗汁的效能
一碳泥渣的过滤性或许是改进方法的关键。因
此，测定了石灰加入量对过滤性的影响。结果是沉
降增浓至原体积 30%的泥汁的过滤性不受影响（图
7） ，与标准石灰清净法泥汁的过滤性有可比性。与
现行双碳酸法比较，其需要过滤的蔗汁大大减少，
可增大过滤器的处理能力。
图7(Figure 7)
图 7 不同 CaO 加入量的泥渣过滤性
3 结论
实验室条件下进行的石灰法、亚硫酸法、单碳
酸法和改进的双碳酸法蔗汁清净试验，清汁的平均
脱色率分别为 35%、47%、44%、74%，高于常规石
灰法和亚硫酸法糖厂的脱色率。
用 CO2（碳酸饱充）代替 SO2是可行的，可以
得到相近的脱色效果和泥汁沉降特性，但单碳酸法
处理得到的清汁和糖浆的热稳定性明显较低，需要
进一步研究。
在典型工业沉降条件下，石灰法和单碳酸法的
清汁色值增加大约为 600 IU/h， 亚硫酸法清汁约 350
IU/h。将沉降温度降低 11℃，色值增加降低至 100
IU/h。
在蔗汁澄清中，大部分的脱色作用来自于甘蔗
蛋白受热凝结对甘蔗色素的吸附，而不是初生态的
钙沉淀，常规澄清方法的部分吸附能力还没有充分
发挥利用。
蔗渣或泥渣在蔗汁清净中的脱色效果不显著。
将工业双碳酸法的 CaO 加入量减少至 3 kg /t
蔗是有可能的，并在二碳饱充后用沉降和过滤法处
理一碳泥渣。
参考文献
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本文献在全文中的定位：
... 传
统的双碳酸法清净蔗汁最初在爪哇使用[1] ...
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本文献在全文中的定位：
... 随后在
南非实践了多年[2]，现今在中国和其它地方的一些
糖厂仍有使用 ...
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... 现今在中国和其它地方的一些
糖厂仍有使用[3]。据报道能得到极好的低色值清汁，
但 11～15 kg CaO/ t 蔗的高加灰量难以维持经济效
益。 ...
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本文献在全文中的定位：
... 一碳泥渣过
滤性检测装置与先前测试沉降器泥汁的一样，过程
也大部分一致[4] ...
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... 而在阿根廷奥比斯堡哥伦布农业与
工业实验中心的其它试验已经证实[5]，蔗汁澄清中
色值特性结论与本报道的一致性，这些蔗汁来自图
库曼种植的 2 种主要品种的甘蔗。 ...
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本文献在全文中的定位：
... 尽管糖厂很少检测清汁
色值，但有限的实验数据表明[6,7]，糖厂的脱色效能
明显低于实验室试验结果 ...
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... 尽管糖厂很少检测清汁
色值，但有限的实验数据表明[6,7]，糖厂的脱色效能
明显低于实验室试验结果 ...
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本文献在全文中的定位：
... 即将返回到混合汁箱的滤汁
直接送至沉降器[8]。 ...
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本文献在全文中的定位：
... 因此，利用原糖存储测试的方
法[9]，进行了一系列糖浆在 70℃的“热存储”试验。 ...
(本篇责任编校：朱涤荃)