葡聚糖對原糖精煉過程的影響

常國煒，劉桂云，黎志德，柳穎，傅明輝，梁達奉*

(1.廣東工業大學 生物醫藥學院，廣州 510006；2.廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業研究所) 中國輕工業甘蔗制糖工程技術研究中心 廣東省酶制劑與生物催化工程技術研究中心，廣州 510316)

制糖工業常說的葡聚糖指的是右旋糖酐，是一種由某些細菌，如腸膜狀明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)發酵蔗糖產生的多糖。根據發酵菌株和條件的不同，葡聚糖的結構和分子量都存在一些差異，一般具有水溶性[1-5]。我國煉糖廠的原料一般采用進口原糖，其原料甘蔗一般采用機械收割，可能還進行過火燒處理，造成甘蔗傷口很多，故原料葡聚糖含量較高。葡聚糖的存在會增大糖液的粘度[6]，導致很多不良影響，包括影響澄清效果、減慢過濾速度、延長煮糖時間、阻礙晶體生長、導致晶體變形、限制產品應用等。國內外已有多篇綜述提及了葡聚糖對甘蔗制糖和煉糖的不良影響[7,8]，也有一些針對蔗糖結晶工藝過程的實驗室模擬試驗[9,10]，但鮮見針對精煉糖廠進行整體大規模生產試驗的報道[11,12]，無法得到葡聚糖在煉糖過程中的不良影響充分的數據支持。

葡聚糖酶(EC 3.2.1.11)是能專一催化水解葡聚糖的生物制劑，在國外早已商品化[13]，近年來國內也有相關研究并進行中試生產[14,15]。同時，有關葡聚糖的檢測手段也逐漸發展，其中，免疫比濁法[16]具有測定時間短、準確度高、測定條件簡單的優點，使精煉糖廠將葡聚糖含量檢測作為日常檢測指標成為可能。本試驗由對葡聚糖酶和葡聚糖單克隆抗體試劑盒有長期深入研究的廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業研究所)提供相關試劑和儀器，進行統計時長共30 d的精煉糖廠試驗，通過對比高葡聚糖濃度環境試驗期和低葡聚糖濃度環境試驗期的數據，在生產線中研究葡聚糖對原糖精煉過程的影響。

1 材料與方法

1.1 主要材料及儀器

試驗地點位于廣西某精煉糖廠生產線，設計投糖量為1000 t/d；葡聚糖酶制劑(100000 U/mL，最適反應溫度和pH分別為55 ℃和5.5；酶學定義：每分鐘催化葡聚糖T-2000生成1 mol還原糖所需的酶量為1個活力單位)、葡聚糖單克隆抗體試劑盒、濁度儀，均由廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業研究所)提供；其余試劑均為國產分析純試劑；其余儀器均為國產常規儀器。

1.2 試驗方法

本次大規模試驗嘗試在原糖精煉生產線中營造高葡聚糖濃度環境試驗期(以下簡稱為高葡聚糖期)和低葡聚糖濃度環境試驗期(以下簡稱為低葡聚糖期)，對比兩試驗期的關鍵生產指標，得出葡聚糖對原糖精煉過程的影響。由于不可能找到只有葡聚糖含量不同但其余物質含量均相同的兩批原糖，所以整個試驗只能用同一批原糖作為原料，保證原料供應這一關鍵因素不變，并選擇在生產線前端不添加或添加葡聚糖酶的方法，營造出高葡聚糖濃度或低葡聚糖濃度的生產環境。整個試驗共30 d，分成各15 d的兩個試驗期：高葡聚糖期和低葡聚糖期。

高葡聚糖期：由于原料帶有葡聚糖，且正常生產工藝無法完全清除葡聚糖，所以整個生產流程都受到了高濃度葡聚糖的影響。

低葡聚糖期：在正常穩定生產的同時，在第二原糖溶解箱連續、勻速地加入葡聚糖酶制劑，添加速度為370 mL/h。此舉旨在生產前端盡量降解葡聚糖，減弱其對生產的影響。為了得到更有代表性的數據，在試驗開始前3 d開始連續加酶，使整條生產線各工序都處于低葡聚糖濃度環境。

試驗期間，按表1進行取樣和測定，測定方法見表2，除測定葡聚糖含量的免疫比濁法外，其他指標的檢測方法均為常規糖廠日常檢測方法，故具體步驟省略。

表2 不同項目的檢測方法Table 2 Testing methods for different items

表1 取樣方法和測定項目Table 1 Sampling methods and measurement items

除測定以上指標外，再收集投糖量、產糖量、產糖蜜量等數據進行統計分析。全部試驗結束后，對比兩個試驗期的各項數據，得出葡聚糖對原糖精煉的影響情況。

1.3 糖廠工藝及技術路線

糖廠工藝及技術路線見圖1。

圖1 糖廠工藝及技術路線Fig.1 Sugar refining process flow diagram

2 結果與分析

2.1 試驗設計的合理性分析

兩試驗期的原料葡聚糖含量相近(見表3)，經過顯著性檢驗，p=0.235>0.05，說明兩試驗期的原料葡聚糖含量無顯著性差異，這是由于兩試驗期使用同一批原糖，保證了原料供給的一致性。低葡聚糖期各糖漿和糖蜜的葡聚糖含量均大幅低于高葡聚糖期，成品精糖更是未檢出葡聚糖，說明在該工藝條件下，葡聚糖酶發揮了作用，去除了部分葡聚糖，營造出低葡聚糖濃度的生產環境。但是，煮糖系統物料的葡聚糖并未完全清除，這可能是由于葡聚糖酶在溶糖箱中停留時間不長，沒有足夠的時間將葡聚糖完全降解。盡管如此，兩試驗期的葡聚糖差異已經非常大，可認為是兩個具有顯著性差異的試驗期，故可視為關于葡聚糖含量的單因素試驗。

表3 兩試驗期的原料、糖漿及產品葡聚糖含量平均值Table 3 The average of dextran content in raw material, molasses, final product in the two experimental periods

2.2 葡聚糖對澄清的影響

衡量澄清效果最直接的指標是脫色率。高葡聚糖期的樹脂脫色率和總脫色率分別降低3.2%、0.4%、1.0%(見表4)，這說明高濃度葡聚糖主要影響碳飽充過程的脫色效果，對樹脂吸附影響不太大。張平軍[17]研究了葡聚糖分子量對模擬煙道氣飽充糖液生成的碳酸鈣物化性質的影響機理，發現當糖液中存在小分子量葡聚糖時，飽充所生成的碳酸鈣顆粒呈分叉鐘乳石狀，弦長范圍和不加權中位數弦長較大，這一變化有利于糖液清凈。在降解期加入的葡聚糖酶可以降低葡聚糖分子量，使碳酸鈣顆粒發生有利于糖液清凈的變化。相對而言，存在期的葡聚糖分子量較大，使碳酸鈣顆粒變成不規則狀，弦長范圍和不加權中位數弦長變小，不僅無法使碳酸鈣顆粒形態發生有利于糖液清凈的變化，而且大分子量葡聚糖還增加了糖液粘度，使澄清效果進一步惡化。

物料經過樹脂脫色后便蒸發濃縮，成為R1糖漿，故R1糖漿的簡純度亦可說明澄清工藝的效果。R1糖漿的簡純度在存在期下降了0.23%(見表4)，經顯著性檢驗，p=0.002<0.01，表明兩試驗期數據有極顯著差異，進一步說明了葡聚糖會惡化澄清效果。

表4 脫色率和R1糖漿簡純度變化情況Table 4 Change of decolorization ratio and apparent purity of R1 molasses %

2.3 葡聚糖對煮糖的影響

煮糖工序是精糖生產過程的決定性工序，其工作結果的好壞直接決定精糖的產量和質量。通過七系煮糖的各糖漿簡純度見表5。

表5 各系糖漿及糖蜜簡純度的變化情況Table 5 Change of apparent purity of syrups and final molasses %

由表5可知，高濃度葡聚糖使前期的糖漿純度下降而后期的顯著上升，經顯著性檢驗，R1糖漿、C糖漿和糖蜜的p值分別為0.002，5×10-5和0.044，分別達到極顯著差異、極顯著差異和顯著差異。前期糖漿純度下降導致成品糖產量減少，后期糖漿純度上升導致更多蔗糖從糖蜜中損失，而從產糖率和糖蜜損失蔗糖量對糖比這兩組統計數據中也證明了這一點，見表6。所以，高葡聚糖濃度會惡化煮糖環境，降低煮糖效率，增加蔗糖損失，從而降低企業生產效益。

表6 產糖率和糖分損失變化情況Table 6 Change of sugar yield and sugar loss

由表7可知，高葡聚糖濃度對前期的煮糖時間基本沒有影響，只對后期的煮糖時間有一定影響，但經過顯著性檢驗，兩試驗期的各系煮糖時間均無顯著性差異，這與實驗室試驗的“葡聚糖存在會導致煮糖時間延長”這一結論不符。究其原因，糖廠有嚴格的煮糖制度，需要保證產品符合質量標準和平衡生產，而實驗室用于研究煮糖的儀器并非專業的制糖設備，設備構造和生產規模與糖廠設備差距較大，所以導致了不同的結論。

表7 各系煮糖時間的變化情況Table 7 Change of cooking time min

2.4 葡聚糖對成品糖質量的影響

根據葡聚糖對澄清、煮糖的不良影響，可以考慮到會連鎖反應般影響精糖質量。由表3可知，高葡聚糖期由于R1和R2糖漿葡聚糖濃度高，結晶時將部分葡聚糖吸附和包藏在晶體中，使糖精帶有葡聚糖，這將限制精糖的適用范圍。而低葡聚糖期R1和R2糖漿的葡聚糖濃度和分子量均較低，所以結晶時沒有帶到產品中。除了葡聚糖含量這一質量指標，雖然葡聚糖對于其他質量指標的影響不一(見表8)，但影響程度不大，整體質量情況沒有受到嚴重影響，這可能得益于嚴格的制糖制度，保證了成品的質量。

表8 精糖質量變化情況Table 8 Change of quality of refined sugar

3 結論

通過大量數據分析可知，在原糖精煉中，原糖給生產引入大量葡聚糖，葡聚糖的存在減弱了澄清和脫色的效果，直接導致糖漿的純度下降。糖漿純度下降和葡聚糖的存在必然影響煮糖效果，使成品帶有葡聚糖，限制應用，并降低中間制品質量和煮煉回收。低質量的中間制品通過洗蜜、回溶等途徑繼續影響生產前端，造成惡性循環。綜上所述，葡聚糖是能影響整個原糖精煉系統的雜質，降解葡聚糖對優化整個制糖系統有重大意義。