环境友好型絮凝剂代替碱性醋...在糖料甘蔗试验中的应用研究_李焘.pdf

环境友好型絮凝剂代替碱性醋酸铅在糖料甘蔗试验中的应用研究李焘，谢丽萍*，闫飞燕，韦宇宁，宁德娇，肖艳妮，唐莉（广西农业科学院农产品质量安全与检测技术研究所，广西南宁530007）摘要：以环境友好型絮凝剂代替碱性铅粉进行糖料甘蔗试验分析，为减少糖料甘蔗品质分析中碱性铅粉的使用提供参考。结果表明，13种絮凝剂中，以乙酸锌和氢氧化钙的过滤效果相对较好；复合型絮凝剂（乙酸锌+氢氧化钙）中乙酸锌和氢氧化钙加入量与蔗汁比例分别为0.5%和0.4%时，可代替碱性铅粉满足糖料甘蔗试验要求，加入混合絮凝剂后有利于沉降速度的提高，减少蔗汁在沉降池中的停留时间，甘蔗品质参数蔗汁糖度、蔗糖分检测结果与碱性铅粉处理结果误差为：蔗汁糖度0.0010.008（允许误差0.01），蔗汁蔗糖分0.0010.006（允许误差0.02），满足国家标准GB/T 104992014 糖料甘蔗试验 要求。关键词：糖度；蔗糖分；絮凝剂；糖料甘蔗中图分类号：S566.109.9文献标志码：A文章编号：2095-820X（2023）03-0005-050引言糖料甘蔗是我国主要生产食用糖的作物，产糖量占全国食糖的90%1，广西作为全国最大的甘蔗生产区域，甘蔗产量居全国之首，维持在全国总产量的60%以上2，3。目前，甘蔗产业已成为广西区域经济发展的重要支柱和农民增收的主要来源，广西蔗糖产业已发展成为千亿元产业4，5。糖料甘蔗评价指标主要以甘蔗糖度和蔗糖分为主，指标分析一般参照国家标准GB/T 104992014 糖料甘蔗试验（以下简称“国标”）。在糖料甘蔗试验中，甘蔗蔗汁自身色泽、澄清度会影响甘蔗糖度和蔗糖分的分析结果，为保证蔗汁糖分结果准确，目前国标使用碱性醋酸铅粉末（以下简称“碱性铅粉”）作为检测蔗汁糖度、蔗糖分时的蔗汁絮凝沉淀剂。碱性铅粉与蔗汁（主要成分为蔗糖、果糖、葡萄糖、有机酸、氨基酸、蛋白质、黏液质、鞣质、酸性物质、胶体物质）形成有机胶体吸附6，7，团聚下沉，起到澄清作用。但重金属铅是一种稳定不可降解的污染物，在环境中可长期积累，对人体也有一定毒害作用8，9，且作为实验室废弃物，处理要求高、成本开支大，对环境污染严重。目前广西有80多家制糖企业，均涉及甘蔗品质分析，该过程需使用大量碱性铅粉，不仅增加实验室废弃物处理成本，加大保护环境压力，同时对检测操作人员的身体产生不可逆危害。因此，寻找高效、无毒、环境友好型的絮凝剂代替碱性铅粉进行蔗汁品质分析，不仅对检测人员身体健康有益，还可减少环境污染、降低处理成本，有着显著的社会、生态和经济意义。1材料与方法1.1试验材料前期筛选试验采用的甘蔗品种为桂糖42；后期对比试验采用的甘蔗品种包括桂糖29（1）、桂糖44（2）、桂糖57（3）、桂糖49（4）、桂糖55（5）、桂糖58（6）、桂糖60（7）和柳城05-136（8），括号中为其对应编号。收稿日期：2023-05-15基金项目：科技先锋队“强农富民”“六个一”专项行动（桂农科盟202316）；广西农业科学院基本科研业务专项（桂农科2021YT136）；广西农业科学院科技发展基金项目（桂农科2021JM120）通讯作者：谢丽萍（1980-），女，高级工程师，主要从事农产品质量安全研究工作，E-mail：第一作者：李焘（1986-），男，助理研究员，主要从事农产品分析测试工作，E-mail：2023 年 6 月第 43 卷 第 3 期广西糖业GUANGXI SUGAR INDUSTRYVol.43，No.3，Jun.20235絮凝剂共13种，包含乙酸钙、乙酸锌、氧化钙、氢氧化钙、碳酸氢钠、氧化镁、二氧化硅、活性炭、高岭土、硫酸铜、碳酸钠、草酸和碳酸钙。1.2试验方法1.2.1絮凝剂初筛试验采集糖料甘蔗样品，按照国标方法榨取蔗汁，试验过程中仅在加入碱性铅粉步骤用絮凝剂代替。取蔗汁样液，每份300 mL，置于洁净的锥形瓶内，各取3 g絮凝剂分别加入不同锥形瓶内对甘蔗汁进行沉淀过滤试验。以絮凝时间和过滤效果为基准进行筛选。1.2.2絮凝剂二次筛选试验以初筛结果为基础，对筛选出的絮凝剂或组合进行二次筛选，对比其絮凝时间和过滤速度。1.2.3絮凝剂用量比例试验以澄清过滤300 mL甘蔗汁的过滤效果、时间为目标，以碱性铅粉过滤滤液的检测结果为对照，设不同比例絮凝剂组合，探索絮凝剂适宜用量。1.3测定指标及方法参照国标方法计算蔗汁糖度和蔗糖分，数值以%表示，计算结果保留小数点后2位。糖度精密度：在重复性条件下获得的2次独立测定结果绝对差值不超过算术平均值的1%。蔗糖分精密度：在重复性条件下获得的2次独立测定结果绝对差值不超过算术平均值的2%。1.4统计分析采用Excel 2019进行试验数据的整理和制表。2结果与分析2.1絮凝剂初筛结果试验初筛结果发现，13种絮凝剂中，以乙酸锌和氢氧化钙的过滤效果相对较好，絮凝时间较短，滤液颜色为青绿色或褐色，滤液澄清；其他絮凝剂的效果相对较差（表1）。因此，选取乙酸锌和氢氧化钙进行二次筛选试验。2.2絮凝剂二次筛选结果以初筛结果为基础，结合乙酸锌和氢氧化钙与碱性铅粉有相似的化学性质，以乙酸锌+氢氧化钙混合絮凝剂、乙酸锌、氢氧化钙、碱性乙酸铅为试验对象进行沉淀过滤试验，比较其过滤效果。以絮凝沉淀300 mL蔗汁样品为目标，混合沉淀剂中每种成分各1.5 g，乙酸锌、氢氧化钙、碱性铅粉各3.0 g，过滤结果如表2所示。从絮凝时间和10 min过滤体积对比其过滤速度，各处理表现为：碱性铅粉乙酸锌+氢氧化钙乙酸锌氢氧化钙。结果表明，乙酸锌和氢氧化钙混合物的过滤效果优于二者单独使用。2.3乙酸锌与氢氧化钙混合比例筛选结果2.3.1乙酸锌用量筛选以3.0 g碱性铅粉为对照（记为处理0），固定氢氧化钙含量为1.5 g，分别与0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g乙酸锌组成不同絮凝剂组合（记为处理15）进行试验，以计算乙酸锌的适宜使用量，结果如表3所示。从表3可知，在不同样品中，澄清过滤300 mL蔗汁，乙酸锌使用量在1.5 g及以上时，蔗汁蔗糖分、蔗汁处理絮凝时间（min）10 min过滤体积（mL）碱性铅粉455乙酸锌640氢氧化钙725乙酸锌+氢氧化钙550指标絮凝时间（min）滤液颜色滤液澄清度絮凝剂氢氧化钙7褐色澄清氧化钙9深褐色澄清草酸8褐色浑浊乙酸锌6青绿色澄清乙酸钙8青绿色微浑浊活性碳无絮凝绿色浑浊碳酸氢钠10淡黄色浑浊碳酸钠11淡黄色浑浊乙酸铵无絮凝淡黄色浑浊氧化镁10褐色微浑浊二氧化硅无絮凝淡黄色浑浊高岭土无絮凝淡黄色浑浊碳酸钙无絮凝淡黄色浑浊表1不同絮凝剂过滤效果比较表2不同絮凝剂过滤速度比较李焘等：环境友好型絮凝剂代替碱性醋酸铅在糖料甘蔗试验中的应用研究6糖度的检测结果与碱性铅粉的结果误差均在国标要求误差范围内（蔗汁糖度相对误差0.01、蔗汁蔗糖分相对误差0.02，下同），符合国标检测精密度要求。从保证检测结果的准确性及最小环境影响、低成本角度考虑，1.5 g乙酸锌即满足检测结果要求，因此乙酸锌的适宜使用固液比为0.5%。2.3.2氢氧化钙用量筛选由于氢氧化钙能使溶液颜色加深，设氢氧化钙用量分别为0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、2.0 g与1.5 g乙酸锌组成不同絮凝剂组合（记为处理15），以3.0 g碱性铅粉为对照（记为处理0），以计算氢氧化钙的适宜使用量，结果如表4所示。当氢氧化钙用量为1.25 g时，3个甘蔗样品的蔗汁糖度、蔗糖分检测结果与碱性铅粉的结果误差在国标要求误差范围内，其余组的结果误差在不同样品中部分超出标准精确度要求。从保证检测结果的准确性及最小环境影响、低成本角度考虑，1.25 g氢氧化钙即满足检测结果要求，因此氢氧化钙在混合絮凝剂中的适宜使用固液比约为0.4%。2.4乙酸锌+氢氧化钙组合与碱性铅粉结果对比2.4.1组合絮凝剂与碱性铅粉过滤时间对比各选取3份不同糖料甘蔗样品，分别使用碱性铅粉与混合絮凝剂进行过滤，并按国标步骤进行过滤时间对比试验，分别记录过滤50、100和150 mL滤液所用时间。由表5可知，乙酸锌+氢氧化钙处理提高了甘蔗汁的过滤速度，过滤等量滤液所用时间明显减少，降低了糖料甘蔗品质分析时间，提高了分析效率。2.4.2组合絮凝剂与碱性铅粉蔗汁糖度、蔗糖分测定精密度对比选取8份不同糖料甘蔗样品，分别使用碱性铅粉和混合絮凝剂进行过滤，并按国标步骤进行试验，计算蔗汁糖度、蔗糖分及相关检测精密度，结果如表6所示。絮凝剂处理8个样品（1B8B）2次平行结果蔗汁糖度误差分别为：-0.001、0.000、0.000、0.000、0.000、0.000、0.000和0.000；蔗汁蔗糖分误差分别为：-0.002、0.000、-0.001、0.000、0.000、0.000、0.004和0.001；蔗汁糖度和蔗糖分误差均小于允许误差0.01，符合标准规定精密度要求。使用混合絮凝剂与国标检测方法分别测定蔗汁糖度的相对误差为：0.007、0.001、0.007、0.007、0.007、0.003、0.002和0.008，均小于允许误差0.01，符合标准精密度要求；测定蔗汁蔗糖分相对误差分别为：0.004、0.006、0.006、0.006、0.005、0.001、0.004和0.005，均小于允许误差0.02，符合标准精密度要求。样品编号1-01-11-21-31-41-51-62-02-12-22-32-42-52-6氢氧化钙用量（g）01.51.51.51.51.51.501.51.51.51.51.51.5乙酸锌用量（g）00.51.01.52.02.53.000.51.01.52.02.53.0碱性铅粉用量（g）3.00000003.0000000蔗汁糖度（%）18.9718.4118.9118.8118.9019.2719.2218.9618.6118.5818.7818.8218.8918.81蔗汁糖度测定精密度0.0000.0300.0270.0060.0050.0200.0020.0000.0190.0200.0090.0070.0040.008蔗汁糖度允许精密度0.010.01蔗汁蔗糖分（%）19.4218.5419.6519.3519.4319.8319.7919.6919.3819.5219.6319.7019.8219.69蔗汁蔗糖分测定精密度0.0000.0450.0120.0030.0010.0210.0190.0000.0160.0090.0030.0000.0060.000蔗汁蔗糖分允许精密度0.020.02表3不同乙酸锌用量混合絮凝剂过滤蔗汁的糖度和蔗糖分结果注：样品编号中前面的数字为品种编号，后面的数字为处理编号。表4同李焘等：环境友好型絮凝剂代替碱性醋酸铅在糖料甘蔗试验中的应用研究73讨论与结论甘蔗汁的主要成分为水、糖分（蔗糖、果糖、葡萄糖）、非糖分（胶体物质、无机物、有机酸、氨基酸、蛋白质、黏液质、鞣质、酸性物质等）等，试验分析中需保留蔗汁中糖分物质，而絮凝沉淀去除各种非糖分及夹杂物。本研究加入乙酸锌和氢氧化钙能有效絮凝沉淀蔗汁中的非糖分物质，可能是蔗汁中带负电荷的胶体颗粒、氨基酸、蛋白质与带正电荷的钙离子、锌离子在氢氧根离子存在环境下发生桥连作用，促进了非糖分胶体的絮凝，乙酸根离子也能与非糖分有机物发生吸附作用，促进絮凝加速。本研究结果表明，组合絮凝剂乙酸锌0.5%+氢氧化钙0.4%，能满足国标的试验要求，确保结果的准确性、有效性，且在沉降速度、澄清效果、环保效益等方面均优于碱性铅粉，降低了有害重金属铅的使用，也极大降低了环境成本，有助于糖料甘蔗检测的绿色可持续发展。样品编号1A1A2A2A3A3A过滤时间50 mL9 min 15 s7 min 39 s14 min 25 s16 min 39 s17 min 24 s21 min 15 s100 mL23 min15 s17 min 56 s36 min 32 s37 min 25 s40 min 38 s56 min 23 s150 mL41 min 46 s39 min 32 s49 min 56