蔗汁中葡聚糖清除技術和效果研究

王鞠萱，黃振軍，馬海峰

(1云南英茂糖業(集團)有限公司，云南昆明650228；2云南西雙版納英茂糖業有限公司，云南景洪666100；3英茂糖業勐捧糖業有限責任公司，云南勐臘666300)

0 引言

正常生長的甘蔗收獲前一般不含葡聚糖，但甘蔗受刀砍、火燒、霜凍、砍收后放置時間長、氣溫高或空氣濕度較高等因素影響，會因腸膜串珠菌等微生物作用而形成葡聚糖。制糖生產過程中糖汁也會受感染而形成葡聚糖。制糖過程中出現的葡聚糖又稱右旋糖酐，俗稱“蔗飯”(以下統稱葡聚糖)，它是葡萄糖的高分子縮合物，相對分子質量由數萬到數百萬，呈膠粘狀，粘度隨分子量和濃度的增加而增加。葡聚糖的存在對制糖過程造成極大的不利，粘度的增加效應明顯，由此引起的糖分損失非常顯著。克拉克對葡聚糖問題進行了詳細的研究，砍下的長條甘蔗，1 h內葡聚糖很少，但24 h后葡聚糖增加至0.074%Bx，每千克蔗汁中葡聚糖含量每增加250 mg，意味著蔗糖損失增加0.1%[1]。從蔗汁到產品，制糖工藝過程自始至終存在著葡聚糖引起的不良影響，葡聚糖會引起糖分損失，明顯增大糖液的粘度，降低糖液的過濾性，使蔗糖結晶時生成異常形態的晶體，蔗糖回收率減少，制糖能耗增加，同時也影響成品糖的品質和產品的適用性[2-3]。如何消除或減少葡聚糖對制糖工業的負面影響一直受到糖業界的重視，也采取了一定的措施，如做好生產車間衛生管理，使用殺菌劑等以減少生產過程葡聚糖的產生，但要減少或清除甘蔗中生成的葡聚糖，目前最有效的方法就是使用葡聚糖酶[4-5]。根據2018/19年榨季和2019/20年榨季云南勐捧糖廠采用抗體法對初壓汁和混合汁的檢測葡聚糖含量的數據分析發現，榨季后期(進入 4月份)初壓汁和混合汁葡聚糖含量明顯偏高。2020年3月24日至4月16日因新冠肺炎疫情防控的需要邊境口岸封關，該糖廠停榨(該廠甘蔗種植地絕大部分在老撾境內)，從4月16日重新開榨后產糖率持續下降，因糖膏粘度大難煮制。自2020年5月上旬開始在生產過程中添加葡聚糖酶進行了生產性試驗研究，嘗試緩解糖廠生產問題。該試驗在壓榨工段添加葡聚糖酶，通過對比添加葡聚糖酶前中后的初壓汁、混合汁、產糖率情況，評價在榨季后期蔗汁葡聚糖含量高時葡聚糖酶的生產應用效果。

1 材料與方法

1.1 主要材料及設備

葡聚糖單抗試劑盒；葡聚糖酶；阿貝折光儀；濁度儀；蠕動泵。

1.2 試驗方法

1.2.1 葡聚糖檢測原理

樣品所含的葡聚糖與葡聚糖單克隆抗體(以下簡稱“葡聚糖單抗”)反應，形成葡聚糖-葡聚糖單抗復合物，使反應體系濁度增加，濁度增量和葡聚糖含量成正比，通過檢測濁度值變化從而計算出樣品中葡聚糖含量。

1.2.2 樣品的檢測方法及計算

樣品測定：定時取初壓汁、混合汁瞬時樣品，用濾網或濾布過濾后，用阿貝折光儀測定樣品折光錘度(°Bx)，再以水系濾膜(濾膜孔徑 0.45 μm)過濾備用。吸取1.5 mL葡聚糖單抗溶液置于測試皿，開啟秒表計時，將測試皿放入濁度儀，蓋上濁度儀蓋子，準確讀取1 min時的濁度值(N0)；取出測試皿，用移液器將15 μL試樣溶液加入葡聚糖單抗溶液中，開啟秒表計時。用蓋子蓋住測試皿，上下顛倒6次混勻，混勻過程中應避免產生氣泡。將測試皿放入濁度儀，蓋上濁度儀蓋子，準確讀取1 min時的濁度值(N)。

計算樣品葡聚糖含量代入下列公式計算：

式⑴中，X：樣品中葡聚糖含量，單位為(mg/kg·°Bx)；ΔNTU：反應溶液體系濁度增量，單位為NTU，ΔNTU=N-N0(N：反應后體系濁度，單位為 NTU；N0：反應前體系濁度，單位為 NTU)；CF：轉換系數，單位為毫克每千克每NTU(mg/kg·NTU-1)；Bx：液態樣品錘度，單位為錘度(°Bx)

1.2.3 試驗方案

1.2.3.1 試驗時間及加酶量(見表1)

表1 試驗時間及加酶情況

1.2.3.2 葡聚糖酶添加方式

根據葡聚糖酶學性質研究結果[6]，再結合甘蔗制糖生產的工藝條件確定酶添加位置。加酶點定在甘蔗壓榨機組的第1座壓榨機下的蔗汁收集槽處。利用蠕動計量泵勻速流加酶。

1.2.3.3 葡聚糖酶使用效果的評價方法

采用未加酶組空白試驗與加酶組試驗進行對比，通過加酶前后初壓汁、混合汁、白砂糖等中間制品及產品的葡聚糖含量變化評價葡聚糖酶的清除效果，統計加酶前后產糖率的變化評價葡聚糖酶使用能否為糖廠增加收益。

2 結果與分析

2.1 生產過程初壓汁，混合汁，白砂糖葡聚糖含量變化

2.1.1 2018/19年榨季情況

勐捧糖廠于2019年1月下旬引進葡聚糖單克隆抗體免疫比濁法檢測葡聚糖含量技術，對初壓汁和混合汁葡聚糖含量進行檢測，檢測結果見表2。在1月24日至3月31日間，初壓汁的葡聚糖含量不高，很少檢測到 80 mg/kg·°Bx以上的數據，平均為 53 mg/kg·°Bx；混合汁葡聚糖含量平均為 54 mg/kg·°Bx；白砂糖葡聚糖含量平均為 19 mg/kg·°Bx。但進入 4月份后，氣溫逐步升高，初壓汁的葡聚糖含量基本在 80 mg/kg·°Bx 以上，平均達到 94 mg/kg·°Bx；混合汁葡聚糖含量同步升高至100 mg/kg·°Bx；白砂糖葡聚糖含量也隨之升高至平均47 mg/kg·°Bx。可見，在榨季末期，初壓汁葡聚糖含量明顯升高，應該與氣溫升高有一定關系。曾嘗試在甘蔗輸送帶上噴灑石灰水，但混合汁的葡聚糖含量并無下降，白砂糖葡聚糖含量也隨初壓汁的葡聚糖含量增加而增加。證明在甘蔗輸送帶上噴灑石灰水的方法并不能清除或減少蔗汁中葡聚糖含量。

2.1.2 2019/20年榨季情況

從2020年5月11日開始至5月31日對初壓汁、混合汁，白砂糖進行葡聚糖含量檢測，檢測結果見表3。

表2 2018/19榨季蔗汁和白砂糖葡聚糖含量檢測結果

表3 2019/20榨季蔗汁和白砂糖葡聚糖含量檢測結果

在經歷停榨，糖廠4月中旬重新開榨，開榨后初壓汁、混合汁葡聚糖含量平均值與上一榨季后期情況基本相同，基本都在80 mg/kg·°Bx以上，壓榨車間滾筒曲篩篩網處和一次加熱器清洗排底時發現有蔗飯，而且檢測白砂糖產品葡聚糖含量也有 40 mg/kg，而在加酶期間，混合汁的葡聚糖含量大幅下降，平均值只有 17 mg/kg·°Bx，葡聚糖清除率達到83.2%，白砂糖產品葡聚糖含量未檢出，5月 24日停止加酶又進行空白試驗，初壓汁葡聚糖含量與加酶期間差不多，但混合汁葡聚糖含量馬上回復到較高的含量為 67 mg/kg·°Bx，白砂糖產品的葡聚糖含量也又回復到45 mg/kg，跟加酶前空白試驗的情況基本相同。

2.2 加葡聚糖酶對糖分回收的影響

由于勐捧糖廠近2個榨季的甘蔗總產量達到約44萬t和約50萬t的水平，而壓榨能力還是日平均處理甘蔗3000 t，榨季時長達到160天以上，產糖率在榨季后期(4月份后)都出現了下降情況。2020年更是受新冠肺炎病毒疫情影響，3月24日至4月16日因疫情防控的需要邊境口岸封關停榨(該廠甘蔗種植地絕大部分在老撾境內)，從4月17日重新開榨至6月4日榨季結束，榨季時長達206天。根據2018/19年榨季和2019/20年榨季產糖率的線性數據統計，自4月初開始的產糖率均隨時間后移而逐步下降。圖1為 2018/19年榨季產糖率線性變化趨勢圖，圖2為2019/20年榨季產糖率線性變化趨勢圖，因 2019/20年榨季停榨時間更晚，產糖率的下降趨勢更大些，甘蔗的蔗糖分和純度的下降是主要原因，但也有與甘蔗初壓汁葡聚糖含量增加使糖汁粘度增大影響澄清和煮糖有關，因上榨季采用在甘蔗輸送帶上噴灑石灰水的試驗基本沒有效果，我們收集了近年有關葡聚糖酶的資料[7]，決定于2020年5月 9～31日用添加葡聚糖酶的生物制糖技術進行試驗，為了更準確的反映加酶與不加酶對產糖率的影響，我們設計為兩頭空白試驗，中間加酶試驗，將兩頭空白的產糖率數據進行平均與中間加酶試驗的平均產糖率進行比對(表1)，從而得出結論，結果見表4。

圖1 2018/19年榨季產糖率變化趨勢

圖2 2019/20年榨季產糖率變化趨勢

表4 2019/20年榨季試驗期間加酶與不加酶平均產糖率對比

表4數據表明，盡管前空白試驗期的平均產糖率為12.17%，大于加酶期間的平均產糖率11.77%，但從圖3可以看到，5月9～17日的前空白期試驗期間，每天的產糖率線性圖呈下降趨勢，而5月18～24日加酶期間，每天的產糖率線性圖如圖4所示呈上升趨勢，說明加酶清除蔗汁中的葡聚糖后，降低了糖汁的粘度，對澄清及煮糖有好的幫助，克服了因糖漿粘度增加造成的煮糖糖分吸收困難的問題，從而對產糖率的提升有修復向好的作用。在停止加酶的后空白試驗期(5月 25～31日)止，每天的產糖率線性圖又呈下降趨勢，見圖5所示，平均產糖率下降至11.12%，因此我們認為可以假設沒有加酶干預的情況下，根據圖2的2019/20年榨季產糖率趨勢圖顯示榨季后期的產糖率是隨時間呈線性下降，則不加酶的空白試驗期平均產糖率約為(12.17%+11.12%)÷2=11.65%。但加酶期平均產糖率為11.77%，比假設情況高出0.12個百分點，這在一定程度上說明添加葡聚糖酶對產糖率提升有修復向好的作用。根據產糖率提高0.12個百分點計算，每天將多產3.6 t白砂糖，糖價按5000元/t計算，每天多產糖的增加值為 1.8萬元。按試驗期間加酶量及檢測試劑的成本的情況，每天需消耗檢測和酶的材料成本 3000元，投入產出比為 1∶6。假設按勐捧糖廠榨季后期30天需要處理甘蔗量9萬t要添加葡聚糖酶來減少因葡聚糖含量升高對產糖率下降造成影響的話，可多產白砂糖108 t，價值可達到54萬元，耗材需要的成本約為9萬元，糖廠收益絕對增加值到達45萬元，而且白砂糖的品質得到提高(不含葡聚糖)。

圖3 前空白試驗期產糖率變化趨勢

圖4 加酶試驗期產糖率變化趨勢

圖5 后空白試驗期產糖率變化趨勢

3 結語

通過對勐捧糖廠2018/19年和2019/20年榨季葡聚糖檢測及清除的試驗證明，勐捧糖廠榨季后期(每年4月份后)的甘蔗葡聚糖含量呈明顯升高趨勢，并對生產產生了一系列不良影響，甘蔗初壓汁葡聚糖含量增加使糖汁粘度增大，導致澄清和煮糖的不良影響，2018/19年榨季采用的在甘蔗輸送帶上噴灑石灰水的試驗基本沒有取得任何效果，2019/20年榨季采用添加葡聚糖酶生物制糖技術的試驗，在不改變原工藝條件下，在第一座壓榨機底槽添加葡聚糖酶，能有效降解甘蔗原料帶來的葡聚糖，清除率達到83.2%，使糖汁的粘度因清除葡聚糖后有所下降，有利于產糖率提升；從而提高糖廠的經濟效益，是值得推廣的技術；并且加酶后生產的白砂糖不含葡聚糖，能夠提升白砂糖品質。