甘蔗糖廠糖蜜及酒精廢液應用現狀與展望

沈大春，敖俊華，吳啟華，黃 瑩，盧穎林，江 永

(廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業研究所) 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點實驗室，廣東廣州510316)

0 引言

甘蔗是我國主要的糖料作物，約90%以上的食糖來源于甘蔗，其主要種植在我國廣西、云南、廣東和海南等省，甘蔗產業在支持和穩定地方經濟發展中具有重要作用。糖蜜是甘蔗壓榨制糖過程中產生的副產物，其含糖量高，主要包括蔗糖(含量在25%～35%之間)、葡萄糖和果糖，錘度一般為80°Bx，且還含有多酚和黃酮類等抗氧化性成分，還包括水、蛋白質、維生素、氨基酸、有機酸和鉀鈉鹽等成分[1]。同時在甘蔗糖蜜中含有大量的具有蔗香風味的色素類物質，將其從甘蔗糖蜜中分離制備，可作為醬油、飲料等食品添加劑使用，從而顯著提高甘蔗糖蜜的附加值[2]。由于糖蜜本身組分呈多樣化，同時市場采購成本較低廉，因此其用途比較廣泛，可充當飼料添加劑、提取液體糖、制備焦糖色素，還能作為發酵輔料和微生物培養基的復合碳源[3-6]。另外，酒精廢液是糖蜜發酵生產酒精過程中產生的有機高濃度廢水，由于其富含有機無機養分，作為肥料利用可作為土壤調理劑，調節土壤理化性質[7-8]。

甘蔗糖廠副產物糖蜜及酒精廢液富含多種有機成分，且產量巨大，價格低廉，引起了農學、食品加工、微生物發酵等相關學科和產業的重視，相關技術開發和應用研究也取得了較豐富的成果。因此，就目前制糖副產物糖蜜及酒精廢液綜合利用的最新研究進展進行綜述，通過闡述糖蜜及酒精廢液的利用現狀及存在問題，進一步探索新的開發途徑，開發具有低成本、低污染、高附加值的產品，對提高甘蔗糖廠的附加經濟效益，資源的循環利用率和生態環境保護，特別是促進我國甘蔗產業的可持續發展具有重要的意義。

1 糖蜜利用現狀

甘蔗糖廠的糖蜜又稱“廢蜜”、“桔水”，是甘蔗制糖工業的一種副產物，呈深棕色、黏稠狀和半流動液態。糖蜜產率一般為原料蔗的 3%～4%左右，糖蜜組分因原料蔗品種、栽培管理條件、成熟度以及制糖工藝不同而有一定差異。糖蜜目前的利用方式主要包括以下幾個方面：

1.1 糖蜜用作飼料

糖蜜含有豐富的糖類及蛋白質等營養物質，是一種優良的飼料原料，糖蜜的適口性好，容易被動物消化吸收，另外還含有多種生物素、氨基酸、維生素以及微量元素等物質。糖蜜用作反芻動物飼料不僅利用效率較高，同時又綠色環保。一方面是由于糖蜜甜味可掩蓋飼料的不良氣味，改善飼料的適口性；另一方面是由于糖蜜本身的黏稠性和半流動狀態使其具有粘結作用，可降低飼料的粉塵率、提高飼料質量[9]。在荷蘭、蘇格蘭、美國和加拿大等奶牛產業比較發達的國家，糖蜜是作為常用的能量飼料添加到奶牛日糧中[10]。糖蜜用微生物發酵生產飼料，可提高飼料的粗蛋白含量，并改善其適口性。胡詠梅[11]等采用黑曲霉、綠色木霉和產朊假絲酵母3種菌種，蔗渣、糖蜜按8∶2配料，料水比1∶3，添加6% (NH4)2SO4，自然pH值，發酵溫度30℃，混菌發酵36 h，發酵后的飼料粗蛋白含量能提高到11.48%，香味、適口性較蔗渣大為改觀，可用做牛、羊等的飼料；利用糖蜜發酵生產酵母單細胞蛋白可彌補常規蛋白飼料資源的不足。李大鵬[12]利用糖蜜發酵生產酵母單細胞蛋白，配合飼料中使用3%的甘蔗糖蜜，豬日增重提高2.8%，飼料增重比下降4.3%；雞產蛋率提高2.05%，料蛋比下降3.7%。胡敏等[13]開展的甘蔗糖蜜廢水生產飼料蛋白質的菌種和發酵條件優選試驗，結果表明了熱帶假絲酵母是能充分利用糖蜜廢水生產飼料蛋白質的較好菌株，飼料蛋白產量達12.5 g/L，化學耗氧量去除率為40%。

另外，在青貯飼料調制過程中，糖蜜能夠為乳酸菌增殖提供發酵底物，常被用作青貯飼料發酵促進劑。吳金彩等[14]在全株“張雜谷”青貯中添加糖蜜發現，添加糖蜜可不同程度地提高營養物質降解率和體外發酵參數。馬吉鋒[15]等研究表明，糖蜜尿素復合處理能夠提高玉米芯的營養價值，飼喂經糖蜜尿素復合處理的玉米芯能夠提高肉牛的生產性能和育肥效益，對肉牛健康無不良影響。李志春[16]等利用添加糖蜜(糖蜜組、混合組)可明顯改善青貯飼料的感官品質，提高蛋白質含量，降低pH、氨態氮和單寧含量；聯合添加糖蜜與米糠(混合組)不僅顯著提高了青貯飼料的干物質和粗蛋白含量，還有效降低了氨態氮、粗纖維和單寧含量，呈協同作用。原現軍[17]等研究發現，添加糖蜜顯著改善了青稞秸稈和多年生黑麥草混合青貯的發酵品質，降低了pH值、丁酸和氨態氮含量，顯著提高了乳酸和水溶性碳水化合物含量，保留了較高的粗蛋白含量，促進了部分半纖維素和纖維素的降解。張萬金[18]等通過在奶牛飼糧中添加糖蜜，結果表明其可以緩解夏季奶牛熱應激采食量的下降，提高泌乳量和乳蛋白率。

1.2 糖蜜制備酒精

甘蔗糖蜜是制糖工業中的一種副產物，含有大量的蔗糖，總糖約 40%～60%，同時含有大量的膠體物質以及無機鹽類，用糖蜜原料生產酒精可以省去蒸煮、制曲、糖化等工序，投資少，成本較低。但糖蜜中雜質較多，前處理過程復雜，設備易結垢，產生的廢液難處理。以糖蜜為原料生產酒精所產生的廢液是一種難降解的廢水，其有機污染物濃度高，COD含量一般為100 000～200 000 mg/L，BOD可達40 000～50 000 mg/L，如果直接排放，會造成水體富營養化，對環境污染大。目前國內多數大型糖廠都以糖蜜為原料發酵生產酒精的方式處理糖蜜，大部分糖廠均設有酒精車間，其酒精生產工藝也較為成熟，但酒精廢液的排放量大，對酒精廢液的有效治理是各糖廠亟待解決的問題，另外有些酒精廠也用糖蜜作為生產朗姆酒和二氧化碳的原料[19-22]。

糖蜜生產酒精目前利用自絮凝顆粒酵母發酵甘蔗糖蜜生產乙醇，得到了較好的結果。凌長清[23]研究高產釀酒酵母菌株MF1001的甘蔗糖蜜酒精發酵特性及利用該菌株進行甘蔗糖蜜高濃度酒精發酵，將該菌株用于5萬t規模的甘蔗糖蜜酒精發酵生產，全年生產的成熟醪酒精含量維持在 12.5%(體積比)以上，發酵效率維持在 91%～93%，生產噸酒精的廢液排放維持在8 t左右，生產效益顯著。郭藝山[24]和王曉斐[25]等分別利用固定化酵母載體制備方法和固定化酵母工藝條件優化，豐富酵母在載體中生長代謝的傳質通道和優化發酵參數，提高了發酵效率，滿足了糖蜜酒精連續生產以及酒精最大產量的需求。目前，國內甘蔗糖廠利用糖蜜發酵生產酒精的工藝，大多廣泛采用多孔圓柱體固定化酵母載體進行連續發酵，同傳統酒精發酵工藝相比，固定化酵母技術發酵周期短、設備利用率高、雜菌感染少、發酵效率高和生產成本低[26-29]。

1.3 糖蜜生產酵母

酵母菌是一種單細胞真核微生物，適宜生長在含糖量較高的偏酸性(pH 4.0～7.0)環境中，其本身含有大量的蛋白質和豐富的維生素，營養要求不高，能夠迅速生長。糖蜜是制糖業的一種主要副產物，價格低廉，含有豐富的糖分和無機鹽等營養物質，以及少量的生長因子，總糖和蔗糖含量均很高，是發酵生產酵母菌的良好原料，現已作為一種生產原料被廣泛用于發酵領域。利用甘蔗糖蜜作為碳源規模化培養酵母菌，具有重要意義。酵母菌具有菌體大、蛋白含量高、易培養、生長期短和代謝產物多等優點，廣泛應用于微生物發酵領域，例如：營養酵母(飼用酵母)、生防酵母和釀酒酵母。

謝式云[30]等通過甘蔗糖蜜培養飼用酵母菌YS-01條件優化的研究，結果表明：利用單因素試驗和正交試驗的初步優化，飼用酵母菌YS-01在處理糖蜜中生長良好，優化的培養條件下 OD值達到14.6，活菌數達到2.5×108CFU/mL。王鵬[31]等以糖蜜作為原料對Rhodosporidium paludigenum進行發酵培養，并通過碳氮源的篩選，確定了一種以糖蜜為碳源的廉價的培養基質以取代昂貴的 NY-DB培養基，并研究其培養條件，為生防酵母 R.paludigenum的大規模生產奠定基礎。酵母菌 R.paludigenum在其發酵培養條件下細胞干重能夠達到13.50 g/L，比NYDB培養基中的生物量(7.46 g/L)有較大幅度的增長。蔡子康[32]等以葡萄有孢漢遜酵母CM2為研究對象，細胞生物量為測定指標，利用甘蔗糖蜜作為發酵原料，對糖蜜培養基的優化進行較為全面的探討。采用煮沸法、磷酸法、硫酸法、活性炭法、亞鐵氰化鉀法對糖蜜進行預處理，結果表明硫酸處理法優于其他處理方法。糖蜜作為碳源已成功應用于生防酵母 Pichiaanomala、P.agglomerans及Candida sake的發酵生產過程。

釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是單細胞微生物，屬于真菌類，耐酸性強，是兼性厭氧菌。釀酒酵母營養成分十分豐富，含有菌體蛋白質、多種氨基酸、維生素、脂肪、食物纖維、礦物質元素及生理活性物質等。陳雪[33]等以糖蜜為碳源的培養基作為發酵培養基，在單因素條件的基礎上，進行正交試驗，對釀酒酵母的發酵條件進行優化，為后期高密度發酵和工業化生產酵母類的飼料添加劑提供參考依據。陳偉康[34]等通過發酵工藝條件優化，確定了釀酒酵母ZM1-5在糖蜜發酵培養基的優化配方，通過優化，得到了含水量65%左右的鮮酵母，活菌率為65.95%的干酵母。

甘蔗糖蜜的使用提高了酵母菌的生產量，同時也降低了生產成本，便于工業規模化生產。

1.4 糖蜜其他利用

糖類具有一定的緩凝功能，糖蜜作為緩凝劑價格又低廉，因此使用也較為廣泛。何燕[35]等研究了糖蜜與聚羧酸減水劑復配，對水泥漿體流動性、凝結時間及砂漿力學強度的影響，并揭示了糖蜜與聚羧酸減水劑作用機理以及相容性，為聚羧酸減水劑復配效應在高性能混凝土的實踐應用提供理論指導和方法。趙明[36]等研究也說明了糖蜜與聚羧酸減水劑復合，具有顯著緩凝效果，但不具有輔助塑化效果，隨著糖蜜摻量增加，聚羧酸減水劑初始分散性能以及60 min分散性能顯著下降，而水泥漿體凝結時間顯著延長。

糖蜜由于含有大量的蔗糖，可以用于提取液體糖，液體糖主要供于水果罐頭業，各種非酒精飲料及面包加工業等使用，減少甜蜜素、糖精鈉等合成甜味劑的使用，特別適用于那些不需考慮糖的顏色的產品中。秦祖贈[37]等采用絮凝分離的方法，從甘蔗糖蜜中制得液體食用糖，所得食用糖符合國家對食品的衛生標準，可用于食品工業。

糖蜜最突出的特點是含糖分很高(35%～40%)，可作為微生物發酵所需的碳源來生產細菌纖維素及酶(葡糖淀粉酶、谷氨酰胺轉移酶)、功能性糖醇(表多糖、丁醇、甘露醇)、有機酸(丙酸、琥珀酸等)等。姚麗萍[38]等研究了糖蜜預處理方法及糖蜜添加量對谷氨酸棒狀桿菌發酵產L-絲氨酸過程的影響，結果表明以質量分數為9%蔗糖和1%糖蜜總糖為混合碳源有利于菌體生長及產L-絲氨酸。

細菌纖維素(BC)是一類由微生物產生的纖維素。細菌纖維素以其獨特的物理和化學性質被廣泛應用于醫藥、食品、造紙、紡織等領域。然而，BC應用的最大挑戰是其生產成本，尤其是發酵生產碳源的成本相對較高。以相對廉價的糖蜜為原料，陳軍[39]等研究比較了不同預處理方法(硫酸熱處理、熱處理和未處理)以及生產菌種(木葡糖醋桿菌和紅茶菌)對細菌纖維素產量的影響，結果表明硫酸熱處理之后的糖蜜獲得的細菌纖維素產量最高，可達 6.0 g/L，比用葡萄糖制備細菌纖維素的產量提高了78%。當以紅茶菌為菌種，細菌纖維素的產量可達12.0 g/L，是木葡糖醋桿菌作為菌種的2倍。

彭超[40]等通過培養高山被孢霉利用糖蜜來發酵生產花生四烯酸(ARA)，研究了不同甘蔗糖蜜預處理方法對ARA發酵生產的影響。研究表明硫酸法是最利于ARA發酵生產的糖蜜預處理方法，其利用預處理的甘蔗糖蜜發酵生產ARA，通過單因素實驗設計，確定了最優的培養條件。

白潔[41]等通過比較用酸、酶制劑等方法處理糖蜜后對產L-賴氨酸的影響，確定了酶制劑處理為糖蜜的最佳處理方法，以及酶制劑處理糖蜜的最佳條件。經試驗驗證，利用酶制劑處理糖蜜后，葡萄糖含量達到 145 g/L在最佳處理條件下處理糖蜜，L-賴氨酸產量比不處理提高了 58.3%，比酸處理提高了21.8%。

張秀鳳[42]等對紅酵母利用糖蜜發酵產類胡蘿卜素進行了研究，結果表明：對糖蜜的預處理的最佳酸為硫酸；利用經過酸處理后的糖蜜發酵，菌株的生物量為30.75 g/L，單細胞色素含量為104 μg/g，色素產量為26 mg/L；最佳發酵時間為168 h。使用糖蜜代替葡萄糖作廉價碳源對紅酵母進行發酵，確定添加量為170 g/L，色素產量最大值為葡萄糖發酵的0.97倍，生物量為1.04倍。

但是用糖蜜作為碳源替代物的綜合利用途徑仍多處于實驗室階段，產品商品化生產并不多，這可能是因為新技術還有待產業化擴大實驗的驗證。另外，利用糖蜜發酵酒精已是一個較為穩定的副產物利用和企業創收途徑，大部分制糖企業不需要或不愿意承擔新技術帶來的風險，只有小部分企業用糖蜜來生產味精(谷氨酸鈉)、檸檬酸、賴氨酸和酵母等。

2 糖蜜酒精廢液的治理和利用

糖蜜生產酒精過程產生大量的廢液，生產每1 t的酒精約產生12～14 t，COD 8～12萬mg/L，BOD54～6萬mg/L的酒精廢液[43-44]。由于糖蜜酒精廢液的特性，其治理難度很大，酒精廢液較傳統的處理方法是用氧化塘自然氧化，這種處理方法時間長，占用大量土地，容易對地下水造成污染，通常排放時間長、量多及大雨時氧化塘常常溢出，污染江河、農田，同時在氧化過程中產生的廢氣(實際是好氧和厭氧過程)也對周圍空氣造成污染，因此可以說糖蜜酒精廢液治理和再利用是一項重大工程。

酒精廢液的治理方法主要有濃縮法、發酵生產飼料蛋白法、燃燒法、生物膜、超濾膜處理法、生產光合菌法、厭氧消化生產沼氣法及稀釋農灌法等處理和綜合利用方法[45-46]。目前糖蜜原料生產酒精的廢液處理主要采用以下幾種方法：

2.1 農灌法

將酒精廢液經過一定處理后灌溉農田。該方法成本低，但易破壞土壤的結構，引起土壤營養元素失衡，長期使用會使農田酸化并結塊。但相關研究表明[47]，試驗施用糖蜜酒精廢液可有效增加土壤速效養分，促進甘蔗作物生長。韋紹龍[48]等采用水肥一體化澆灌糖蜜酒精廢液，研究結果表明，糖蜜酒精廢液可以提高蕉園土壤肥力，促進香蕉產量提升。

2.2 濃縮燃燒法

此工藝是將糖蜜酒精廢液蒸發濃縮至錘度60～70°Bx，送至焚燒爐進行焚燒，以回收熱量，殘渣還可用作肥料，但蒸發酒精廢液的耗能高，濃縮燃燒產生蒸汽法能較徹底治理酒精廢液的污染，還能回收富鉀爐灰，但蒸發系統和鍋爐發電設備投資較大，運行費用很高，對生產廠家造成較大壓力。

2.3 濃縮制有機復混肥[49]

酒精廢液含有大量的有機質和K、N、P、Ca、Mg、Mn和Zn等無機鹽，也富含其它植物活性小分子，適宜來制作復混肥。由于酒精廢液中的有機物膠質太多，對后工序的造粒、烘干和產品存放造成影響，必須對廢液中的這些大分子有機物先進行降解，使其變成小分子，才能明顯減少吸濕情況。濃廢液加入多孔性吸附劑、分散劑等，有效地降低粘稠的影響，經干燥后再按一定比例加入適當的氮、磷、鉀單元化肥及肥力增效劑后混合，經圓盤造粒機造粒，送轉筒式干燥機干燥、篩選、包裝，得到復混肥產品。

2.4 生物處理法

生物處理法是通過微生物對酒精廢液進入厭氧、好氧或厭氧-好氧結合處理，使廢液中的各種復雜有機物轉化為甲烷和CO2等物質。但生物處理法占地面積較大，投資高，廢液達標排放難度大，沼氣的利用很難有效的解決，同時厭氧產生沼氣未能徹底消除污染，由于其投資大，運行費用高，很多糖蜜酒精廠的厭氧產生沼氣的治理工程都難于維持而停產。

2.5 酒精廢液作糖廠鍋爐的沖灰水

糖蜜酒精廠一般附屬在糖廠內，糖廠鍋爐較大，酒精廢液代替水作煙氣沖灰除塵。廢液先用石灰中和后，利用鍋爐煙氣作熱源，在沖灰除塵過程中，蒸發出酒精廢液中的水分，廢液經沉降除去爐灰，循環復用沖灰除塵，廢液得到濃縮，濃度可達40°Bx。

此外糖蜜酒精廢液處理方法還有絮泥法、催化氧化法等。

3 展望

⑴糖蜜作為傳統的甘蔗制糖過程的副產物，由于其本身成分組成的復雜性和市場價值低廉，因此可廣泛應用在環保、農業、食品和相關輕工業領域，具有較廣闊的應用前景，但開發具有較高附加值的產品仍然需要進一步技術理論和方法的積累和改進。例如在農業肥料制造領域，糖蜜作為直接的肥料價格低廉，無法產生有效的競爭力，若通過微生物發酵降解和轉化形成生物活性小分子則可以很大程度上提升甘蔗糖廠糖蜜的價值，這目前也是很多科研工作者努力的方向。

⑵糖蜜酒精廢液由于本身排放量太大，成分又不穩定和復雜性，目前從成本和生態經濟效益角度出發，最直接有效的是采用直接還田技術，但糖蜜酒精廢液的直接還田還需要結合甘蔗作物品種的耐受性和土壤養分情況平衡考慮，同時也要結合其他農藝措施配套使用，從整體上可提高糖蜜酒精廢液的附加值。雖然采用液體沖施還田模式可消化一部分酒精廢液，但對于大規模的糖廠制造酒精仍然有很大難度。因此，利用糖蜜酒精廢液開發液體沖施肥料產品，使其以商品的模式固定下來，對于生態環境保護和增加甘蔗產業鏈價值具有重要實際意義，可以說糖蜜酒精廢液也有一定的應用前景，但更具有挑戰性。