Колір цукру вказує на його якість. Клітинний сік цукрового буряка не має забарвлення. Воно з’являється під час переробки цукрового буряка, змінюючи освітлений сік із жовтого на коричневий колір. Зміна забарвлення цукрового соку залежить від температури, рівня рН, концентрації сухої речовини, редукуючих сполук, а також концентрації амінокислот під час переробки.

У процесі переробки цукрових буряків концентрація кольорових домішок збільшується у сім разів. Кольорові сполуки представлені меланінами, карамельними субстанціями, продуктами інвертного розкладу, а також продуктами реакції Майяра (меланоїдинами). Традиційні способи видалення кольорових сполук часто передбачають використання діоксиду сірки. Але це може викликати перевищення залишків сірки у кінцевому продукті, що може бути шкідливим для здоров’я. Щоб зменшити забарвлення цукрові заводи використовують активоване вугілля та смолу. Ці заходи є дорогими та викликають певні технологічні труднощі. Крім того, також застосовується іонний обмін, кісткове вугілля, мембранний процес, електродіаліз та адсорбція для виробництва цукру високого ступеня очищення. Наявність кольорових сполук призводить до втрати білого кольору та чистоти кінцевих продуктів цукру. Таким чином, у процесі переробки цукру необхідно видаляти всі кольорові сполуки.

Багато дослідників, які вивчали застосування озону в цукровій галузі, підтверджують, що використання озону зменшує забарвлення очищеного соку та цукрового сиропу при переробці як цукрових буряків, так і цукрової тростини. Озонування може зменшити мутність та забарвлення цукрового розчину до 75% одиниць ICUMSA. Якість озонованого цукрового соку виявилася вищою через відсутність залишкових хімічних сполук після процесу знебарвлення. Крім того, було виявлено, що озонування цукрових розчинів при рН вище 8,5 може викликати знищення цукру. У процесі переробки цукрової тростини процес сульфітації можна замінити озонуванням. Результати досліджень свідчать про незначне збільшення концентрації цукрози та відновлювальних речовин, а також значне зменшення забарвлення. Тростинний сік повинен бути нагрітим до 75 °С. Деякі дослідження вивчали зменшення запаху шляхом озонування під час переробки цукрового буряка. Також було досліджено можливість використання озону у знебарвленні клеровки. Вплив на знебарвлення тростинних сиропів склав понад 70%.

Метою проведених досліджень було вивчення впливу озонування сирого (дифузійного) соку на процес дефекації та сатурації (процес очищення дифузійного соку) та якості сатураційного соку, отриманого після цих процесів.

Припускалося, що озонування дифузійного соку матиме позитивний вплив на його хімічну та мікробіологічну якість та зможе вирішити багато проблем, які виникають під час переробки цукрових буряків. Основним предметом досліджень були процеси вапнування (дефекації) та сатурації, що проводилися у лабораторних умовах із використанням озонованого та неозонованого дифузійного соку. Якість сатураційних соків, отриманих після цих процесів, визначалася на основі хіміко-мікробіологічного аналізу.

Матеріали та методи

Зразки дифузійного соку були отримані після дифузорів під час виробничого сезону 2014/2015 та 2015/2016 МР. Озон надходив із генератора озону шляхом його вприскування у дифузійний сік. Швидкість потоку газу становила 600 л/год із номінальною місткістю 5 г/год. Доза озону, що надходив у рідину (S), визначалася шляхом вимірювання концентрації озону на основі непрямого методу з 10%-м розчином тіосульфату натрію та йодиду калію, використовуючи наступну формулу:

S = a * N * 24  [mgO₃/dm³]
               Vp   
де:
а — кількість тіосульфату натрію, споживаного для титрування зразка [см³]

N — нормальний тіосульфат натрію

24 — грамовий еквівалент озону

Vp — об’єм повітряно-озонової суміші, що проходить через скрубер [дм³].

Концентрація озону в повітряно-озоновій суміші склала 42,6 мг О₃/л. Було підраховано, що в дифузійний сік надходило 255,5 г/л/хв озону. Температура соку становила приблизно 18 °С, об’єм проби  – 4000 мл, час аналізу – 4 год. Доза озону була використана на підставі результатів попередніх досліджень. Дифузійний сік з обробкою озоном або без нього очищався відповідно до наступних стадій: преддефекація (попередня обробка), основне вапнування, перша сатурація, перша фільтрація, друга сатурація, друга фільтрація.

Процес попередньої обробки проводили при температурі 50 °С протягом приблизно 25 хв., після чого здійснювалось основне вапнування (дефекація) при 90 °С протягом приблизно 10 хв. На наступному етапі очищення соку до нього додавали СО₂ для одержання відходів вапна та коригування значення рН до приблизно 10 одиниць (перша сатурація). Потім сік фільтрувався під тиском, нагрівався до 90 °С і насичувався приблизно 2 хв. допоки не було досягнуто рН приблизно 8-9 (друга сатурація). Процес очищення завершувався фільтрацією, проведеною під дією тиску.

Визначено наступні параметри дифузійного та сатураційного соку: концентрація сухих речовин (Bx)  – за допомогою рефрактометричного методу; концентрація цукрози в соці (Ck) – за допомогою поляриметричного методу; рН – потенціометричним методом; цукрове забарвлення – спектрофотометричним методом (при довжині хвилі = 560 нм), редукуючі компоненти (глюкоза та фруктозо-інвертовані) – методом титрування з тіосульфатом натрію та крохмалем, як індикаторами, лужність  – методом титрування з використанням соляної кислоти та фенолфталеїну, як індикатора (аналіз сатураційного соку), солі кальцію (Sw) – методом титрування з динатрієвою сіллю (ЕДТА) та еріохромом чорним, який, як індикатор, застосовувався лише для аналізу сатураційного соку.

Чистота соків (Cz) була розрахована за формулою:

Cz = 100 * Ck
             Bx

Ck — концентрація цукрози у соці [%]

Вх — концентрація сухих речовин у соці [%].

Очищення дифузійного соку (E) було розраховано за формулою:

E = 10 000 * (Cz₂ – Cz₁)
         Cz₂ * (100 – Cz₁)

Cz₁ — чистота дифузійного соку [%]

Cz₂ — чистота сатураційного соку [%]

Крім того, було визначено кількість мезофілів, цвілевих та дріжджових грибів, слизових та термофільних аеробних бактерій у дифузійному та сатураційному соці.

Результати досліджень

Основні параметри процесу очищення дифузійного соку без використання озону

Основні параметри процесу очищення озонованого та неозонованого дифузійного соку вказано в Таблиці 1. Кожен експеримент було проведено повторно п’ять разів.

Як видно з даних, наведених у таблиці, основні параметри процесу очищення дифузійного соку були трохи нижчими за значення, яке вважалося оптимальним. Не було суттєвих відмінностей практично між усіма параметрами очищення соку з озонуванням та без нього. Єдина різниця була пов’язана з кількістю вапна, яке використовувалося у процесі основного вапнування. Основне вапнування соку, обробленого озоном, потребувало на 14% більше вапна, у порівнянні з вапнуванням неозонованого соку. Відповідно до проведених досліджень, оптимальне значення рН після процесу преддефекації повинно складати близько 11.25-11.50. На підставі отриманих результатів можна сказати, що процес преддефекації було проведено правильно. Остаточна лужність нефільтрованого соку за даними таблиці повинна коливатися від 0,18 до 0,23 г СаО/100 мл. Однак, слід підкреслити, що оптимальний кінець процесу преддефекації залежить від хімічного складу дифузійного соку та рівня його лужності.

Хімічний склад та мікробіологічна якість дифузійного соку перед озонуванням вказані в Таблицях 2 та 3.

Хімічний аналіз зразків дифузійного соку до обробки озоном показав, що концентрація сухих речовин коливається від 15,9 до 17,7%, а концентрація цукрози – від 12,5 до 16,5%. Чистота відібраних зразків коливається між 90,6 та 93,2%, рН – від 5.9 до 6.7, забарвлення – від 12 119 до 30 846 IU560, кількість редукуючих сполук – від 0,065 до 0,173%. Поширення мікроорганізмів, особливо мезофілів, було найбільшим в неозонованому дифузійному соці.

Чисельність мезофілів коливалася від 3,2×106 до 1,8×107 КОЕ/мл, кількість цвілевих грибків – від 3,0×102 до 1,4×103 КОЕ/мл, кількість дріжджових грибів – від 0 до 6,6×103 КОЕ/мл, кількість термофільних аеробних бактерій – від 1,1×102 до 3,1×102 КОЕ/мл, слизових бактерій – від 3,2×104 до 8,3×105.

Озонування дифузійного соку

Озонування не вплинуло на рівень концентрації сухих речовин Вx, цукрози та чистоти дифузійного соку (Табл. 3). Були чітко вказані та статистично підтверджені відмінності між рН та кольоровими сполуками.

Забарвлення дифузійного соку зменшилося на 69%, рН – на 0.9. Також спостерігалося зменшення поширення мікроорганізмів (Табл. 2). Кількість слизових бактерій зменшилася на 3.7 log, загальна кількість мезофілів – на 2.5 log, дріжджових грибів – на 2.1 log, а кількість цвілевих та термофільних аеробних бактерій – лише на 0.3 log. Усі відмінності були статистично підтверджені та вказують на те, що озонування впливає на скорочення кількості мікроорганізмів у дифузійному соці.

Позитивний вплив від озонування на дифузійний сік виникає тоді, коли отриманий озонований сік характеризується кращими показниками якості, особливостями зниження концентрації кольорових сполук. Крім того, не було значного скорочення концентрації цукрози у дифузійному соці, а концентрація кальцієвої солі повинна бути настільки низькою, наскільки це можливо. Висновки показали, що озонування позитивно впливає на якість дифузійного соку.

Очищення дифузійного соку

Хімічний склад та мікробіологічна якість сатураційного соку, отриманого після очищення дифузійного соку без або після озонування, вказані в Таблицях 2, 3. Колір неозонованого очищеного (сатураційного) соку зменшився на 96,9%. Концентрація редукуючих компонентів зменшилася на 79,1%. Ефективність процесу очищення досягла 13,5%.

Результати досліджень також показали, що в сатураційному соці не було виявлено цвілевих та дріжджових грибів, слизових бактерій незалежно від того, чи було використано озонування. Загальна кількість мезофілів зменшилася на 3.0 log, цвілевих грибків – на 2.85 log, дріжджових – на 3.2 log і термофільних аеробних бактерій – на 2.0 log (Табл. 2).

Для очищення неозонованого соку необхідна менша доза вапняного молока (Табл. 1). Забарвлення сатураційного соку, отриманого у процесі очищення, зменшилося на 48% (IU560), у порівнянні з очищенням озонованого соку. Концентрація солей кальцію у сатураційному соці, отриманому після процесу дефекації та сатурації озонованого соку, була значно вищою (71%), ніж після очищення неозоновано гсоку. Отримані дані не мали істотних відмінностей між концентрацією сухих речовин та цукрози в соці, редукуючих речовин, лужністю та ефективністю очищення.

Незважаючи на те, що результати дослідів підтвердили користь озонування у бурякоцукровій галузі, ці дослідження представляють лише часткові результати використання озону в процесі очищення дифузійного соку. Доступної інформації про вплив озонування на дифузійний сік занадто мало.

Відповідно до досліджень, проведених наприкінці ХХ ст. на цукровому заводі в Малелан (Південна Африка), озонування зменшило забарвлення дифузійного соку та сиропу принаймні на 70%. Найкращі результати озонування показало при температурі 70 °С та рН — 6 та 7. Крім того, ефект від озонування був кращим у комбінації з процесами карбонатації та сульфітації, які включають процес фільтрації.

Проте, лабораторні процеси не змогли повністю відтворити умови безперервного процесу карбонатації, який проходить на цукровому заводі. Отримані результати показали, що в поєднанні з процесом очищення озонування не зменшує забарвлення, що краще, порівняно з класичним методом (тільки очищення).

Для зменшення забарвлення дифузійного соку на 60% доза озону повинна складати 12 500 мг/м³. Ця доза занадто висока з точки зору економічної рентабельності. Оптимальна доза озону, яка дає задовільні результати, була визначена у попередніх дослідженнях, проведених у рамках проекту «Вплив озонування дифузійного соку на його хімічну та мікробіологічну якість». Вона дозволила ефективно зменшити забарвлення дифузійного соку та його мікробіологічне забруднення і була найвищою у використанні в лабораторних умовах. Ця доза озону була використана у даних дослідженнях. У відношенні до всього процесу очищення вона, можливо, є занадто низькою.

Механізми зменшення забарвлення шляхом озонування дуже складні. Озон діє, зокрема, на сполучений подвійний зв’язок, відповідальний за забарвлення більшості кольорових речовин. Але озон також може знищити попередників кольорових сполук, таких як аміни та феноли.

Однак, деякі продукти, які формуються під час озонування, можуть трансформуватися та додати кольору соку під час переробки цукрових буряків. Тобто є компоненти, які слід видаляти під час процесу очищення.

У процесі озонування збільшується іонний склад соку, що полегшує видалення кольорових сполук.

Щодо озону, який використовується на одному з етапів очищення, його застосування є дуже важливим через зміну інгредієнтів соку (особливо цукрових та кольорових сполук), які спостерігаються протягом усього процесу очищення.

У даних дослідженнях процес очищення включає прогресивне попереднє, основне вапнування, озонування, першу сатурацію, фільтрацію соків, другу сатурацію та фільтрацію сатураційного соку. Озон застосовувався під час процесу очищення у концентрації 3-12  г/нм³. Згідно з цим методом, озон покращив ефективність очищення соку на 2,5%, порівняно з
традиційним процесом очищення.

Чистота сатураційного соку була вищою на 0,33%, а його забарвлення зменшилося на 11,9% після традиційного методу очищення. За словами багатьох російських дослідників, озонування потрібно проводити після першої фільтрації, оскільки існує можливість збільшення дози озону без пептизації відходів, що може відбуватися, коли озонування виконується під час основного вапнування. Підсумовуючи вищесказане, можна припустити, що обробка озоном була проведена на невідповідному етапі процесу очищення.