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中国的甘蔗制糖企业多采用亚硫酸法澄清工艺,糖液的pH值是亚硫酸法最重要的工艺参数之一。在糖厂的生产线上,许多地方需要测量糖汁的pH值,比如预加灰pH、中和汁pH、清汁pH、糖浆pH等。这些测量点糖物料pH值的准确测量和精确控制在制糖厂生产中起着非常重要的作用,更重要的是,蔗汁的pH值变化还直接影响到蔗糖转化速率和还原糖的分解速率,最终会影响到白砂糖的品质和产量。因此系统研究蔗汁的pH特性是十分必要的。
针对pH对亚硫酸法生产工艺的重要性,本论文对蔗汁的pH变化规律研究包括各主要成分pH的变化规律,以及对蔗汁在加热、预加灰、硫熏等重要工艺环节处理前后pH的变化规律进行了研究;并在此基础上探索pH对蔗糖转化的影响。试图为制糖生产过程的准确控制pH值提供参考依据,为有效地降低成品糖的灰分和色值,提高蔗糖回收率打好基础。
本课题的主要研究内容及结果如下:
1.通过对蔗汁各主要成分酸碱性质的研究来分析蔗汁pH特性的本质。蔗汁的pH性质是蔗汁各成分pH的总的表现。要分析蔗汁的pH的性质,从本质上了解这种性质产生的原因,就要从构成蔗汁的各成分解离出氢离子的能力进行分析,研究各个成分的pH性质,以及这些成分对蔗汁pH的影响和贡献。根据蔗汁中各种成分的比例,进行模拟糖汁的实验得到蔗汁主要成分的pH范围:蔗糖(6.5～6.7)、还原糖(6.8～6.9)、淀粉(6.5～6.7)、乳酸(2.8～3.2)、醋酸(3.1～3.5)、草酸(1.9～2.6)、氯化钾(5.8～6.4)、氯化钙(6.5～6.7)、氯化镁(5.9～6.1)、氯化铁(2.6～3.1)、天冬氨酸(3.4～3.8)、谷氨酸(3.5～3.9)、赖氨酸(8.9～9.1)、丙氨酸(6.6～6.8)。由此可看出,对蔗汁pH贡献度最高的是各种有机酸,酸性氨基酸和铁盐等。通过对各种主要成分的解离度的分析得到以下结论:当pH在5～7变化时,蔗糖、乌头酸、柠檬酸和醋酸,铁盐以及酸性氨基酸处于部分电离状态,具有一定的缓冲性,能够随着pH升高继续释放出氢离子。主要酸性物质电离范围如下:柠檬酸二级(二级3.51～5.97)、柠檬酸三级(4.17～6.53),乌头酸二级(3.22～5.68)、乌头酸三级(4.59～7.03)、醋酸(3.52～5.98)、草酸二级(2.97～5.43)、氯化铁(3.34～5.50),即当这些物质处于这个pH范围时有缓冲作用。当碱性和中性氨基酸在pH范围为5到7之间时,是稳定的离子或分子状态,只有酸性氨基酸未解离完全,在蔗汁中有极微弱的缓冲性。其他无机盐、草酸、乳酸、中性和碱性氨基酸等则完全解离出氢离子或者完全不解离的状态,不具有缓冲性,对pH的变动无影响。如将蔗汁当作一种弱酸,实验得到蔗汁的解离度α为2.88x10-4。
2.对蔗汁经过各种工艺处理后,其pH的变化规律进行分析。通过实验模拟糖厂生产,记录蔗汁进行各种处理后pH的变化规律,建立与之对应的数学模型。
(1)蔗汁在某pH值下的电离出氢离子能力方程:pH=-0.0021d2+0.2001d+6.0507
(2)加热对蔗汁pH值特性的影响,得到蔗汁pH-温度的回归方程为:pH=-0.0021T+5.8576
(3)加入石灰乳后蔗汁pH值的变化情况,加石灰量同pH的关系方程:pH=-4.1736×10-4d2+0.0907d+5.8871
(4)加入亚硫酸蔗汁pH值的变化情况,亚硫酸-pH关系方程为:pH=-0.0007d2+0.1308d+2.2554
(5)加入磷酸后蔗汁pH值的变化情况,得到磷酸-pH关系方程:pH=-0.0018d3+0.0666d2-0.8174d+5.5034
在pH小于10时,蔗汁具有明显的缓冲作用;加热对pH测量的结果有一定影响,随着温度的升高,pH逐渐降低;加石灰乳、亚硫酸和磷酸均会使蔗汁pH发生较大变化,因蔗汁中含有缓冲物质的缘故,pH变化速率远不及这些物质加入到蒸馏水中的变化速率。
3.研究蔗糖转化的影响因素。通过试验说明影响不纯糖液中蔗糖分解速度常数的显著因素为pH、温度,而其他非糖分在蔗糖转化过程中的影响作用都是不显著的。推导出特定温度下pH变化时蔗糖转化反应常数简化公式:k=a[H+]=a*10-ph(a为常数)重点研究了蔗糖在60℃、90℃时的转化规律,建立对应的指数回归模型:v1=2471.01e-2.188ph,R2=0.976v2=91364.684e-2.352ph,R2=0.993此模型用以提供生产中蔗糖转化的速率,便于计算生产中蔗糖的转化量。