甘蔗汁中絮凝物產生的影響因素

侯楚璇，蘇德智，馮秀靜，張昆華 ，陸海勤，李 凱,5

（1.廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧 530004；2.廣西寧明東亞糖業有限公司，廣西寧明 532501；3.崇左幼兒師范高等?？茖W校，廣西崇左 532200；4.許昌市建安區第一高級中學，河南許昌 461111；5.廣西大學，糖業及綜合利用教育部工程研究中心，廣西南寧 530004）

甘蔗汁中含有多種維生素、果糖、氨基酸、有機酸等營養物質，具有清熱解毒，止渴生津，滋陰潤燥等功效。甘蔗汁擁有較高的甜度及特有的風味，無論是甘蔗汁飲料或與其他果汁搭配，均能得到較好的口感和營養價值。但隨著我國消費者消費能力的提升，飲料體系穩定、果汁無渾濁已成為新的市場需求。因此，額外加工對產品進行加工或丟棄由絮凝物引起渾濁的產品對生產商造成了巨大的經濟損失[1-3]。

由于原料及加工工藝的不同，絮凝物的形成原因也各不相同，分子間的相互作用[4]、原料所包含的特殊成分[5-9]、微生物的作用[1]以及飲料的貯存條件[2,10]等均會影響絮凝物的生成。除此之外，由于所添加甜味劑的質量不達標，也是飲料產生絮凝物的原因之一[11-13]。目前有研究利用化學溶解或物理消除等方法去除絮凝物，如利用超聲技術處理白糖水溶液[14]和利用陶瓷膜技術對甘蔗汁進行超濾[15-16]，但均未從根源上解決問題，抑制絮凝物的生成[9,17]。已有針對飲料中酸性絮凝物的生成條件及原因的研究，但通過陶瓷膜過濾的甘蔗汁一般呈弱堿性，而這種堿性條件下甘蔗汁中絮凝物的生成條件及原因卻鮮有報道[18-21]。

本實驗將通過控制pH確定其對甘蔗汁中堿性絮凝物的影響，并對堿性絮凝物的組成成分進行研究，為甘蔗汁飲料的工業化生產過程中抑制絮凝物的生成提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

甘蔗清汁 由廣西某糖廠提供，經膜孔徑為50 nm的陶瓷膜過濾后，于-18 ℃冰箱冷凍保存；氫氧化鈉、磷酸、硼酸、硫酸銅、硫酸鉀、乙酸鎂、溴化鉀分析純，國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇、硫酸、濃鹽酸 分析純，成都市科隆化學品有限公司；甲基紅指示劑、溴甲酚綠指示劑、亞甲基藍指示劑、堿性酒石酸銅 分析純，上海化學試劑總廠試劑三廠。

TENSOR傅里葉變換紅外光譜儀 德國BRUKER公司；S-3400N帶能譜儀的電子掃描顯微鏡 日本日立公司；其他 均為實驗室常用設備與儀器。

1.2 實驗方法

1.2.1 溫度對甘蔗汁產生絮凝物的影響 將150 mL甘蔗汁加入到250 mL的錐形瓶中, 連接回流冷凝管與錐形瓶，然后將其置于水浴鍋中，分別在20、40、60、80、100 ℃下水浴40 min，并與放置在室溫下的甘蔗汁空白樣進行對照，觀察水浴過程中是否生成絮凝物。水浴結束后，使其冷卻至室溫，并觀察絮狀物是否發生變化。

1.2.2 pH對甘蔗汁產生絮凝物的影響 分別添加20 mL甘蔗汁至具塞玻璃試管中，使用85%的磷酸和0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液，將甘蔗汁的pH精準調節至：2、3、4、5、6、7、8、9、10、11。將調節過pH的甘蔗汁在室溫下靜置1 h，這是由于甘蔗汁中含有大量的糖類物質，久置于室溫下易腐壞，為防止樣品腐壞影響到檢測結果，將樣品的靜置時間合理縮短。靜置后，將試管置于光線明亮處觀察不同pH的甘蔗汁中絮凝沉淀物的生成情況。

1.2.3 絮凝物的制備 分別添加200 g經陶瓷膜過濾后的甘蔗汁至500 mL燒杯中，用0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液將甘蔗汁的pH精準調節至：7、8、9、10、11，獲得含有絮凝物的甘蔗汁，等待進一步的實驗。取離心管進行編號，并稱量以記錄每個管的質量。除去靜置后得到的甘蔗汁上清液，并將下層沉淀物質轉移至50 mL離心管中，以4500 r/min的速度離心20 min，并再次除去上清液。向離心管中加入適量的70%乙醇溶液，并通過振蕩洗滌沉淀物。重復上述步驟5次左右，直到清洗液呈無色透明狀。洗滌后，帶離心管稱重，記錄在不同pH下產生的絮凝沉淀物的質量，并用作提取得到的絮凝物以備后用。

1.3 絮凝物的成分分析

1.3.1 絮凝物中粗蛋白質含量的測定 絮凝物中蛋白質含量的檢測方法將參考國家標準GB5009.5-2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》[22]，凱氏定氮法測定氮。

1.3.2 絮凝物中總糖含量的測定 準確稱量0.5 g制備所得樣品，并轉移至250 mL錐形燒瓶中。分別量取50 mL蒸餾水和25 mL濃鹽酸，依次加入到樣品中。將錐形瓶固定在水浴鍋中，設定溫度100 ℃，水浴2 h，取出靜置冷卻至室溫，向錐形瓶中添加適量1 mol/L NaOH溶液，調節樣品溶液pH至中性，再將樣品溶液轉移至250 mL容量瓶中，并定容。

在250 mL的錐形瓶中，依次加入5 mL的堿性酒石酸銅試液（甲液/乙液），加入10 mL的蒸餾水，加熱煮沸，然后使用樣品的水解液進行滴定，記錄消耗的滴定劑的量[16]。

計算公式如下：

1375 胰腺癌石蠟包埋組織中微 RNA 原位雜交檢測技術的優化 倪晨明，倪燦榮，金 鋼，焦莉娟，李連峰，鄭建明

式中，X：樣品中多糖的含量（以葡萄糖計），%；f：10 mL斐林試劑甲乙混合液相當的葡萄糖質量，mg；m：樣品質量，g；V：所消耗樣品總體積，mL。

1.3.3 絮凝物中灰分含量的測定 絮凝物中灰分含量的測定方法將參考國家標準GB5009.4-2016《食品安全國家標準 食品中灰分的測定》[23]第一法。

1.3.4 傅里葉紅外光譜分析絮凝物中官能團 將制備得到的絮凝物樣品置于烘箱中，并在60 ℃條件下干燥約10 h。將1～2 mg干燥的待測樣品與50～60 mg干燥的溴化鉀粉末混合，置于瑪瑙研缽中將其磨成均勻的細粉末，并放入壓模中在10 kPa壓制成透明薄片。將薄片取出放入紅外光譜儀，在4000～500 cm-1波長范圍內掃描。

1.3.5 掃描電子顯微鏡及能譜儀元素分析 取少量干燥過的待測絮凝物樣品，研磨成粉末狀，用掃描電鏡（SEM）分析其絮凝結構，用能譜（EDs）分析絮凝物中主要元素種類，并對結果進行分析。

1.4 數據處理

每組實驗均進行三次實驗，所得數據為平行實驗平均值。采用Excel 2016對實驗數據進行處理，采用Origin 2019軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 溫度和pH對甘蔗汁中生成絮凝物的影響

圖1為溫度對甘蔗汁中絮凝物產量的影響，通過對比發現甘蔗汁中絮凝物的生成量沒有明顯的變化，因此溫度對絮凝物的生成沒有明顯影響，在本研究中不再進行進一步研究。

圖1 溫度對甘蔗汁中絮凝物產量的影響Fig.1 Effect of temperature on flocculation yield in sugarcane juice

從圖2可以看出，甘蔗汁中的絮凝含量隨pH的增加而增加。研究發現，在酸性條件（pH小于7）下沒有產生絮凝，主要由于甘蔗汁中糖類物質主要由甘露醇和半乳糖單體組成，酸性條件下，二者相互作用生成半乳甘露聚糖大分子物質，該物質可被陶瓷膜完全濾除[15]。在堿性條件下，隨著pH的增加，甘蔗汁中絮狀物產量增加，表明堿性條件或氫氧根能促進甘蔗汁中絮狀物的產生。

圖2 pH對甘蔗汁中絮凝物產量的影響Fig.2 Effect of pH on flocculation yield in sugarcane juice

2.2 絮凝物中蛋白質含量的變化

中國大多數制糖廠使用亞硫酸澄清工藝生產白糖，酸性絮凝物主要由含氮物質,如蛋白質組成，其含量約為19.4%～30.7%[24]。從圖3可以看出，經陶瓷膜超濾后的甘蔗汁中絮凝物蛋白質含量隨pH的增加有少量的增加，但蛋白質在總成分中均占比很小，僅占3.00%左右。這是由于孔徑尺寸為50 nm的陶瓷膜可以有效過濾去除大部分的大分子量的蛋白質。因此，經過超濾的甘蔗汁所生成的絮狀物中蛋白質含量較低。

圖3 不同pH下絮凝物中蛋白質含量變化Fig.3 The content of protein in flocculates varied at different pH values

2.3 絮凝物中總糖含量的變化

從圖4可以看出，在不同pH下絮凝物中主要組成成分中，總糖含量為60.98%～69.45%，隨pH的升高，總糖含量呈下降趨勢，其含量占比遠高于蛋白質含量，這是因為甘蔗汁中的多糖物質包含鼠李糖、阿拉伯糖和葡萄糖等可形成多糖的單糖。這些多糖分子與其他物質（例如氫氧根、金屬離子或蛋白質）相互作用形成凝膠，而金屬離子，尤其是鈣離子，促進了凝膠的三維網狀結構的形成，導致其形成了囊狀結構，該種結構對蛋白質等物質的吸引力增強，從而引起了絮凝物的形成[25]。從圖4可以看出，糖類物質在絮凝物中所占比重最大，可以判斷出絮凝物主要由糖類物質組成，因此糖類是甘蔗汁中絮凝物的主要組成成分之一。

圖4 不同pH下絮凝物中總糖含量變化Fig.4 The content of total sugar in flocculates varied at different pH values

2.4 絮凝物中灰分含量的變化

從圖5可以看出，在堿性條件下，隨pH的增加，絮凝物中的灰分含量先增加后減少，當pH為9時，絮凝物中的灰分含量最高，約占25.58%，可以看出灰分是影響絮凝物生成的重要因素之一。雖然甘蔗植物中金屬離子的含量較低，主要包含鈣、鐵及少量其他金屬元素，然而在甘蔗汁壓榨和運輸的過程中，由于設備的磨損及其他原因，外部金屬離子易混入甘蔗汁中，從而增加了甘蔗汁的灰分含量[26]。

圖5 不同pH下絮凝物中灰分含量變化Fig.5 The content of ash in flocculates varied at different pH values

圖6 不同pH條件下絮凝物的紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectrogram of flocs with different pH environments

2.5 絮凝物紅外光譜分析

通過上述研究可以發現，pH較小的升高對不同成分的占比影響較小，因此取pH為7、9、11三個位置的絮凝物進行紅外光譜分析。通過對以上紅外光譜圖進行觀察，可以發現，不同pH下絮凝物的官能團組成類型相對一致，但絮凝物中存在代表蛋白質N-H鍵的伸縮振動峰以及分子間氫鍵O-H的伸縮振動峰，在不同pH條件下出現的位置有所差異[27]。當pH為7、9和11時，這兩個峰分別出現在3418、3421、3423 cm-1三個位置。另外，三張圖中均出現了向內彎曲的N-H鍵特征峰，其位置分別出現在1621、1625 cm-1以及1627 cm-1。樣品中也均包括了烷烴向內彎曲的C-H鍵吸收峰以及代表醇類的向內彎曲的-OH鍵吸收峰。區別在于，C-H鍵吸收峰在pH為7、9和11時分別出現在1421、1459 cm-1和1420 cm-1三個位置，而-OH鍵吸收峰在pH為7和11時均出現在1353 cm-1處，pH為9時出現在1350 cm-1處。當pH為7、9和11時，均在785 cm-1左右，發現代表含醛基類物質的向外彎的C-H鍵吸收峰以及代表胺類的向外彎曲的N-H鍵的吸收峰，在1045～1060 cm-1處均存在代表蛋白質C-N鍵的吸收峰。通過以上可以判斷出，甘蔗汁中的絮凝物中含有具有N-H鍵的蛋白質，以及具有羥基、醛基等官能團的多糖，即絮凝物主要由蛋白質、多糖為主的多種有機物質組成。

圖7 pH9時絮凝物掃描電鏡圖Fig.7 SEM of flocculent at pH9

圖8 pH11時絮凝物掃描電鏡圖Fig.8 SEM of flocculent at pH11

2.6 掃描電子顯微鏡及能譜儀元素分析

通過比較在pH為9和pH為11情況下絮凝物的100 μm的SEM圖像，可以看出在pH為9時絮凝物的沉淀顆粒比在pH為11時絮凝物的沉淀顆粒小。這是由于隨著pH的升高，使甘蔗汁內生成更多鹽類沉淀物質。在后續的能譜分析中也可以發現，沉淀物質主要由鈣鹽組成，可能是碳酸鈣和磷酸鈣。這類鈣鹽在堿性條件下更易產生，且會與蛋白質等膠質物質網絡在一起，形成了較大的絮狀結構。

圖9 pH為9的絮凝物掃描電鏡的能譜取樣點Fig.9 EDS sampling point of floes at pH 9

由圖9可以看出，能譜的采樣點在晶體材料上。從圖10可以看出，絮凝樣品中所含的元素是C、O、Si、P、K、Ca、Mn和Fe。其中，Ca元素相對含量最大，而鈣元素僅有少部分來自于甘蔗本身，大部分鈣元素主要在生產過程中通過添加石灰乳以調節甘蔗汁的酸堿值而添加到甘蔗汁中。其次是磷元素，其主要來源是在澄清工段中所添加的磷酸，在此階段，鈣離子將與磷酸鹽反應生成磷酸鈣沉淀。鉀元素的主要來源有兩個，分別是甘蔗和水，而鐵元素主要來源于榨汁工段，由于榨機磨損而混入榨汁中。甘蔗汁中鐵離子可與氫氧根反應生成沉淀物，也會與其他無機物質發生絡合反應 ，形成絮狀沉淀。甘蔗中含有一定量的硅元素，硅在甘蔗汁體系中可與其他金屬離子發生反應，生成結構復雜的沉淀物，這也是造成甘蔗汁產生絮凝的一個重要原因。除此之外，在堿性條件下，錳離子和鎂離子與甘蔗汁中游離的氫氧根反應，形成氫氧化錳、氫氧化鎂兩種沉淀物質。堿性條件還可以促進金屬離子（如鐵離子和鈣離子）與蛋白質的反應，生成絮凝物膠體結構。氫氧化鐵膠體結構可以通過吸附帶負電荷的游離氫氧根離子，進而在甘蔗汁中吸附帶正電的離子及大分子，生成絮凝物。另外磷酸鈣物質可通過聚集其他沉淀物質，構成絮凝物。

圖10 pH為9的絮凝物的能譜圖Fig.10 EDS of floes at pH 9

由圖11、圖12可知，當pH為11時，元素類型與pH9時的元素類型相同，并且均為鈣和磷的含量最高。因此，可以推斷出絮凝的無機物成分主要由磷酸鈣組成。另外還含有鉀、錳、鈣、鐵、碳、氧等元素。pH為11時絮凝中各種元素的含量較高，表明甘蔗汁的堿度越強，氫氧化鐵膠體能夠凝結的金屬離子和有機物越多，產生的絮凝沉淀越多。

圖11 pH11的絮凝物掃描電鏡的能譜取樣點Fig.11 EDS sampling point of floes at pH11

3 結論

甘蔗汁的pH對絮凝物的形成具有明顯影響。在酸性條件下，甘蔗汁中沒有明顯的絮凝，因此甘蔗汁在生產酸性飲料時，具有較大優勢；調整甘蔗汁的酸堿度至堿性，果汁中會迅速產生絮凝，且隨著堿性的增加，絮凝物增多，因此，通過調節經膜過濾的甘蔗汁的pH可以抑制絮凝的產生。若需要用甘蔗汁生產弱堿性飲料，則需注意飲料中絮凝物的去除。

圖12 pH11的絮凝物的能譜圖Fig.12 EDS of floes at pH11

通過檢測絮凝物的主要成分，可以發現在pH為7～11的條件下，該種絮凝物中蛋白質含量約為1.93%～3.68%，糖類物質含量約為60.98%～69.45%，灰分物質含量約為23.64%～25.58%。通過電子掃描-能譜分析，甘蔗汁中的絮凝主要由鈣、磷、鐵、硅、錳、碳、氧和其他元素組成。磷酸鈣是絮凝的主要成分。通過分析紅外光譜結果發現，在不同pH條件下，絮凝物中的官能團（主要是蛋白質和糖類）保持不變，這表明在堿性條件下，糖和蛋白質之間的相互作用可能產生絮凝。此時甘蔗汁是堿性的，可與鐵、鈣離子生成氫氧化鐵、氫氧化鈣沉淀，這些沉淀會與多糖，蛋白質網絡起來，生成肉眼可見的絮狀沉淀物。