膜法紅糖加工中納濾甘蔗植物水品質的分析

沈石妍，王智能，楊 柳，楊 婷，尚試雄，崔 杰，應雄美

（云南省農業科學院甘蔗研究所，云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，云南開遠 661699）

甘蔗（Saccharum officinarumL.，ITIS，2018）是禾本科甘蔗屬多年生草本植物，是制糖的重要原料[1]。甘蔗中除蔗糖外還含有蛋白質、氨基酸、多酚以及鉀、鈣、鎂、鋅等礦物元素[2]，儲存于甘蔗中的細胞液占總質量的近70%[3]，經壓榨后與糖分、非糖分一起成為蔗汁的重要組成部分。傳統制糖工藝中蔗汁蒸發后的冷凝水通常用于補充鍋爐軟水或作為生產用水[4]，紅糖加工常壓濃縮產生的蒸汽則不經冷凝直接排放，造成了資源的浪費。

膜分離技術是一種物理分離技術，具有高效、節能、環保的特點[5]，被廣泛運用到眾多領域[6-7]，國內外學者圍繞膜分離技術在制糖上的運用開展了大量的研究工作，在適宜的膜材料的篩選、膜性能提升以及膜通量恢復等方面取得了較大的研究進展[8-11]，使成分復雜的蔗汁通過全物理膜清凈技術得以實現化學澄清劑的零添加，經超濾處理的蔗汁清凈效果較傳統工藝有了很好的改善[12]，清汁從15°Bx濃縮到20°Bx可節約33%的能耗[13]，顯著的節能效果使得膜濃縮成為膜法制糖的一個重要環節，也為蔗汁中甘蔗植物水的開發利用提供了條件。傳統制糖工藝蔗汁蒸發濃縮產生的氣凝水屬于軟水，基本不含營養物質，而膜濃縮則會有較多的小分子營養物質和風味成分透過卷膜進入透過液中，營養價值更高。一直以來膜濃縮透過液主要用作清洗水[14]，或作為超濾工序的稀釋水[15]，多為低效利用，近年來膜濃縮透過液的開發利用逐漸受到重視，葉麗娜等采用陶瓷微濾膜結合反滲透膜系統制取甘蔗濃縮汁并分離甘蔗活性飲用水[16]，研究發現甘蔗活性飲用水中含有氨基酸、二十八烷醇、多酚、有機酸、鐵、鈣、硒等營養成分[17]，各項指標符合國家瓶裝飲用水標準，邁出了甘蔗植物水高值化利用的第一步，但目前尚無針對不同品種甘蔗膜濃縮透過液理化指標、營養成分及揮發性香氣成分差異的系統研究報道。

紅糖生產過程大多不添加滲透水，蔗汁中的水均來自甘蔗的植物細胞液，零添加膜法紅糖清凈工藝提升了紅糖產品的質量品質和安全性，也為純天然甘蔗植物水的開發利用提供了條件。利用納濾膜代替反滲透膜對清汁進行預濃縮，不僅可獲得更好的過濾通量，而且透過液會比反滲透膜具有更多風味營養成分。本試驗擬在前期優化形成的800 nm、50 nm兩級陶瓷膜串聯清凈工藝的基礎上[18]，通過對截留分子量為500、250、150 u的卷式膜過濾通量及透過液指標的綜合評價，篩選適宜的納濾膜進行清汁的預濃縮，并對不同品種甘蔗制成的甘蔗植物水的理化指標、營養指標、揮發性香氣成分進行比較研究，為甘蔗植物水高值化開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅皮果蔗 開遠市西城農貿市場采購得到；新臺糖22號（ROC22） 云南省農業科學院甘蔗研究所第一科研基地提供；沒食子酸標準品 純度≧99.9%，中國食品藥品檢定研究所；亮氨酸標準品純度≧98%，北京普天同創生物科技有限公司；福林-酚試劑 綠源生物科技有限公司；無水Na2CO3、堿式醋酸鉛、中性醋酸鉛、鹽酸、氯化鈉、水合茚三銅、氯化亞錫、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、正丙醇、正丁醇、乙二醇、乙酸、乙酸鈉、抗壞血酸、乙醇 均為國產分析純。

CeraMem-0100陶瓷膜/管式膜小試設備、RNF-0460多功能卷式膜小試設備 廈門福美科技有限公司；kJeltec TM8400全自動凱氏定氮儀 美國Foss公司；L-8900全自動氨基酸分析儀 日本日立高新技術公司；Prodigy電感耦合等離子體發射光譜儀 美國Teledyne Leeman Labs公司；ED 40G電熱消解儀奧普勒儀器有限責任公司；UV-5800 PC紫外分光光度計 上海元析儀器有限公司；DDSJ-308A電導儀 上海儀電科學儀器股份有限公司；TRACE1310/ISQ7000氣相色譜-質譜聯用儀器（GC-MS） 美國Thermo Fisher公司；75 μm碳分子篩/聚二甲基硅氧烷萃取頭（CAR/PDMS） 美國Supelco公司；陶瓷膜上海科瑯膜技術有限公司；卷式膜 美國GE水處理及工藝過程處理公司；膜元件性能參數見表1。

表1 膜元件性能參數Table 1 Performance parameters of membrane components

1.2 實驗方法

1.2.1 甘蔗預處理方法 甘蔗經實驗室小型壓榨機榨汁后，用200目濾網過濾蔗汁，除去其中的懸浮雜質，所得粗濾汁加熱煮沸，撇凈不斷上浮的黑色浮沫，然后經200目濾網過濾得到初步清汁。

1.2.2 膜過濾工藝方案 采用孔徑為800 nm、50 nm的兩組陶瓷膜串聯完成蔗汁的清凈得到清汁，進膜壓力0.25 Mpa，跨膜壓差0.13 MPa，平均溫度50 ℃。清汁采用卷膜預濃縮，進、出口壓力均為3.0 MPa，平均溫度40 ℃。整個工藝過程不添加工藝水及包括石灰乳在內的加工助劑，納濾透過液完全來自甘蔗中的植物水，工藝流程見圖1所示。

圖1 甘蔗植物水分離工藝流程圖Fig.1 Process flowchart of water separated from sugarcane

1.2.3 常規理化指標的測定 錘度、蔗糖分、還原糖分、電導灰分、色值、混濁度按照《甘蔗制糖化學管理分析方法》（1995版）進行測定[19]。

1.2.4 總多酚含量的測定 采用Folin-Ciocalteu法參照文獻[20-21]的方法測定。

1.2.4.1 標準曲線制作 準確吸取 0.1 mg/mL沒食子酸標準溶液0、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70 mL于10 mL比色管中，依次加入0.2 mol/L的福林酚試劑1.0 mL和15% Na2CO3溶液2 mL，用超純水定容至10 mL，充分混合后，室溫靜置1 h，于765 nm波長下測定吸光度值，試劑空白調零，以沒食子酸濃度C（μg/mL）為橫坐標，吸光值A為縱坐標，繪制得到標準曲線為y=0.0952x+0.0023，決定系數R2=0.9979。

1.2.4.2 樣品測定 吸取1 mL樣液于10 mL比色管中按照標準曲線方法進行測定。

1.2.5 游離氨基酸總量的測定 參照GB/T 8314-2013《茶 游離氨基酸總量的測定》測定。

1.2.6 礦物元素含量的測定 委托云南省分析測試中心按照GB 5009.268-2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》第一法電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定。

1.2.7 氨基酸組成的測定 委托云南省分析測試中心按照GB 5009.124-2016《食品安全國家標準 食品中氨基酸的測定》測定。

1.2.8 香氣成分的測定 委托云南省分析測試中心采用微固相萃取頂空進樣氣相色譜-質譜法（GCMS）測定，色譜條件參照楊婷等[22]的方法。

1.2.8.1 GC條件 色譜柱：安捷倫HP-INNOWAX毛細柱（60 m×0.25 mm，0.25 um）；進樣口250 ℃解吸5 min，不分流進樣，載氣He，流量1 mL/min；升溫程序：50 ℃保持1 min，以4 ℃/min升至120 ℃，保持2 min，以4 ℃/min升至200 ℃，保持2 min，以15 ℃/min 升至250 ℃，保持5 min。

1.2.8.2 MS條件 質譜條件：傳輸線 260 ℃，離子源250 ℃，EI源，電離電壓70 eV，掃描范圍 30～450 amu。

1.2.8.3 樣品預處理方法 吸取5 mL樣品放入20 mL頂空瓶中，加入0.6 g NaCl，60 ℃水浴萃取50 min后進行GC-MS檢測。

1.2.9 營養質量評價 采用INQ法，根據《中國居民膳食營養素參考攝入量》[23]推薦值（見表2）按下式計算。當INQ＜1時，表明該類營養素含量低于推薦供給量，長期食用會導致該類營養物質缺乏；當INQ≧1時，表明該類營養素含量達到或高于推薦供給量，說明營養質量好；當INQ＞2時，表明該食物可作為該類營養素的良好來源[24-25]。

表2 營養素參考攝入量及能量需要量Table 2 Nutrient reference intakes and energy requirements

1.3 數據處理

所有實驗進行3次重復測定，利用Microsoft Excel 2010軟件進行數據處理，采用SPSS 22.0進行配對樣本t檢驗，以P＜0.05為差異顯著性標準，結果用平均值±標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 納濾膜的選擇

不同過濾孔徑的納濾膜具有不同的過濾效果。從表3可以看出，3組卷膜的平均通量隨截留分子量的減小依次降低，250、150 u卷膜的平均通量分別為500 u的54.89%和31.95%，采用較大的膜通量可以獲得更高的工藝效率。500和250 u卷膜透過液具有明顯的蔗汁特征香味，150 u卷膜透過液則香味較淡，其色值依次為1918、308、8 IU，與圖2外觀顏色情況一致，說明150 u卷膜有效隔離了蔗汁中的色素物質，而250 u卷膜仍可透過少量色素物質。500 u卷膜透過液的蔗糖分為2.88%，其余兩個樣品分別為0.05%和0%，說明250 u的卷式膜已能實現對蔗糖的分離，但分子量較小的還原糖仍可通過（含量為0.33%），150 u卷膜則對還原糖也有較好的隔離效果（含量僅為0.02%）。

圖2 不同截留分子量卷膜透過液Fig.2 Membrane permeation fluid with different molar weight cut-off

氨基酸、蛋白質、酚類物質是蔗汁中重要的營養物質，從表3可以看出不同截留分子量卷膜透過液中蛋白質、游離氨基酸的質量分數隨卷膜截留分子量減小依次降低，且游離氨基酸和蛋白質的含量較為接近，說明大分子的蛋白質無法進入透過液中，僅游離氨基酸可以透過卷膜。500和250 u卷膜透過液中多酚的質量分數分別為9.5和10.8 mg/100 g，150 u的則較二者明顯降低，僅為1.9 mg/100 g，應與蔗汁中含有較多的奎尼酸、莽草酸、咖啡酸、香豆酸、阿魏酸等酚酸類物質有關[26]，其分子量大多在150～200間，可透過500和250 u卷膜而被150 u卷膜截留。本研究的目的在于考察將膜法紅糖工藝中納濾透過液開發為天然甘蔗植物風味飲用水的價值，故需要盡可能多地保留蔗汁的風味成分和營養成分，減少蔗糖含量，同時兼顧外觀顏色和膜通量的工藝可行性，綜合以上，采用截留分子量為250 u的卷膜效果最佳，后續過程均選擇250 u卷膜進行試驗。

表3 不同截留分子量卷膜透過液（甘蔗植物水）指標情況Table 3 Indexes of membrane permeation fluid (SPW) with different molar weight cut-off

2.2 不同品種甘蔗植物水理化指標

為研究不同品種甘蔗植物水的品質特征，本研究選擇紅皮果蔗和ROC22兩個特性差異較大的甘蔗品種作為實驗對象，按照前述工藝分別制取甘蔗植物水。從表4可看出，兩個甘蔗植物水中均未檢出蔗糖，與葉麗娜[17]分離得到的甘蔗植物水一致。紅皮果蔗植物水中還原糖分為0.40 g/100 g，ROC 22中未檢出還原糖，這應與ROC 22是從甘蔗基地新鮮取樣，蔗汁還原糖含量較低（0.23 g/100 g）有關，而從市場采購的紅皮果蔗本身還原糖含量較高（1.68 g/100 g），有較多還原糖透過卷膜所致，從兩個樣品的錘度分別為0.5°Bx、0.1°Bx也印證了紅皮果蔗植物水中可溶性固形物含量更高。

表4 不同甘蔗品種蔗汁與甘蔗植物水理化指標Table 4 Physicochemical indexes of sugarcane juice and sugarcane plant water from different varieties

兩個品種甘蔗植物水的電導灰分分別為2.21和1.49 g/100 g，均高于相應蔗汁的電導灰分2.12和1.08 g/100 g，說明蔗汁中的礦物元素能透過卷膜富集到透過液中，提高了甘蔗植物水的營養價值，同時濃縮汁灰分降低也可減輕后續熬煮過程設備的結垢。紅皮果蔗植物水的色值和混濁度分別為371IU和29 MAU，略高于ROC 22的357 IU和22 MAU，色值間存在顯著差異（P＜0.05），應與不同甘蔗品種中小分子色素物質種類及含量差異有關。相較于蔗汁，納濾透過液的混濁度去除率分別達到99.8%和99.9%，二者混濁度無顯著差異（P＞0.05），說明250 u卷膜較好地阻隔了蔗汁中的懸浮雜質和大分子不溶性有機物，甘蔗植物水透性較好。

2.3 不同品種甘蔗植物水營養成分及營養質量評價

甘蔗中的多酚具有較好的抗氧化活性[27-28]，有研究表明多酚含量與抗氧化活性間存在極強的正相關性[29-30]，從表5可以看出，紅皮果蔗植物水中總多酚和蛋白質含量均顯著高于ROC 22（P＜0.05），說明果蔗中含有更多小分子的酚類物質和游離氨基酸，紅皮果蔗制成的甘蔗植物水應具有更高的營養價值和抗氧化活性。礦物質是人體必需的重要營養元素，兩個樣品中均檢出7種礦物元素，紅皮果蔗植物水各礦物元素的含量均高于ROC 22，鉀、鈉、鈣、鎂含量存在顯著差異（P＜0.05）。兩個樣品中鉀含量均最高，分別達到90.7和52.5 mg/100 g，應與甘蔗中鉀含量普遍較高有關[31]，鈉、鈣、鎂3種元素其次，質量分數在0.27～2.39 mg/100 g間，微量元素中鐵、鋅、銅的質量分數均大于0.010 mg/100 g，均未檢出硒和鈷（低于檢出限0.005 mg/100 g），與葉麗娜等人的檢測結果鈣含量為3.5 mg/100 g、鐵含量0.61 mg/100 g、硒含量0.003 mg/100 g相比略偏低[17]，應與二者所用甘蔗原料不同、種植地土壤礦物元素組成含量不同，甘蔗本身礦物元素含量也有差異有關。

表5 不同品種甘蔗植物水營養成分及營養質量評價Table 5 Evaluation of nutrient composition and nutritional quality of sugarcane plant water from different varieties

INQ法是食物營養質量評價的常用方法，表5兩個甘蔗植物水樣品中鉀的INQ分別為42.79、45.61，銅的INQ分別為14.15、21.72，均遠大于2，說明甘蔗植物水可作為鉀、銅元素補充的良好來源。香蕉中富含鉀元素，是缺鉀人群補鉀的較佳食用選擇[32]，梁水連等[24]研究結果顯示5個不同品種香蕉中鉀的INQ均值為4.40，本試驗兩個甘蔗植物水樣品中鉀的INQ分別為42.79、45.61，約為香蕉均值的10倍，會較香蕉具有更加突出的補鉀效果。除紅皮果蔗植物水中鐵元素和ROC22植物水中蛋白質的INQ＜1以外，其余營養素的INQ均介于1.37～3.22之間，高于推薦供給量，可滿足人體的需求。本試驗所用250 u卷式膜較好地隔離了蔗汁中的蔗糖，不含蔗糖的甘蔗植物水的能量保持在一個較低的水平，分別為10.20和5.54 kJ/100 g，作為一種日常風味飲用水可適用于不同的消費人群。

2.4 不同品種甘蔗植物水中游離氨基酸種類及含量

氨基酸種類、含量及組成是評價蛋白質營養價值的重要指標，本試驗從紅皮果蔗和ROC 22制成的甘蔗植物水中分別檢出15和14種游離氨基酸（見表6），均含有蘇氨酸、纈氨酸、賴氨酸等7種人體必需氨基酸（EAA），游離氨基酸總量（TFAA）分別為705.13和184.03 mg/L，與葉麗娜[17]檢出的甘蔗植物水中TFAA為500 mg/L的結果在數量級上一致，數值上的差異應與不同品種甘蔗本身氨基酸含量差異有關。本試驗中EAA與TFAA的比值（EAA/TFAA）分別達到69.92%和65.96%，蘇氨酸是其中的重要氨基酸，含量達到474.67和118.11 mg/L，分別占EAA總量的96.28%和95.32%。蘇氨酸是一種重要的營養強化劑，有恢復人體疲勞、促進生長發育的效果[33]，對人體皮膚具有保濕作用，在體內還能促進磷脂合成和脂肪酸氧化[34]。我國居民多以谷類糧食為主食，精米、細面及其他谷類食物中大多缺乏賴氨酸、蘇氨酸等必需氨基酸[35]，降低了人體對蛋白質的利用率，甘蔗植物水具有較高的蘇氨酸比例，可作為谷類糧食蘇氨酸缺乏的一個補充來源。

表6 不同品種甘蔗植物水氨基酸組成情況（mg/L）Table 6 Amino acid composition and concentration of cells water from different sugarcane varieties (mg/L)

2.5 不同品種甘蔗植物水揮發性香氣成分

本試驗從兩個不同品種甘蔗的蔗汁及甘蔗植物水中共檢測出62種揮發性成分（見表7），在紅皮果蔗、ROC22的蔗汁中分別檢測出36和33種揮發性成分，二者共有的組分為29種，包括醇類10種、醛類12種、酸類1種、酯類1種、其它5種。在紅皮果蔗制成的甘蔗植物水中檢出34種揮發性成分，與蔗汁共有組分18種，其中包括醇類7種、醛類7種、酸類1種、酯類1種、其它2種；在ROC22的甘蔗植物細胞水中共檢出41種揮發性成分，其中與蔗汁共有組分20種，包括醇類9種、醛類5種、酸類1種、酯類1種、其它4種。兩種甘蔗植物水中共有的組分為26種，其中醇類12中、醛類6種、酸類3中、酯類3種、其它2種。

表7 不同品種蔗汁與甘蔗植物水揮發性成分及相對含量Table 7 Volatile composition and relative concentration of sugarcane juice and sugarcane plant water

從上述結果可以看出，蔗汁中揮發性成分以醛類最多、醇類其次，二者相對含量總和分別占揮發性物質總量的75.88%和75.76%，其中相對含量較高的是正己醛、苯乙醛、2-庚醇、1-辛烯-3-醇。經超濾和納濾后，甘蔗植物水中的揮發性成分發生了較大的變化，與蔗汁共有的揮發性成分占蔗汁揮發性成分總量的50.00%和60.61%。甘蔗植物水中的揮發性成分以醇類物質最多，占到總量的49.80%和35.56%，其中異辛醇、2-庚醇、1-戊烯-3-醇、正己醇、（-）-異雪松醇的相對含量較高。兩個甘蔗植物水中醛類物質的相對含量均較蔗汁有明顯下降，從47.19%、40.85%下降到10.32%、19.36%，這應與醛類物質的化學性質較為活潑，易發生氧化還原反應生成醇和酸有關[36]。兩個品種的甘蔗植物水均具有蔗汁的特征香味，4個樣品中共有的組分為2-庚醇、正己醇、葉醇、1-辛烯-3-醇、（-）-異雪松醇、5-十八烯醛、5-乙基環戊烯-1-甲醛、3-羥基-4-甲氧基苯甲醛、苯乙醛、鄰苯二甲酸異丁酯、異佛爾酮、2,4-二叔丁基苯酚，初步判定應是蔗汁的重要呈香物質。

續表7

3 結論

本研究是基于膜法紅糖工藝中，以800 nm、50 nm兩級陶瓷膜和250 u卷膜串聯完成蔗汁清凈和預濃縮，結果顯示250 u卷膜可較好地隔離蔗汁中的蔗糖并能讓小分子營養物質進入到納濾透過液中，2個不同品種甘蔗制成的納濾甘蔗植物水中均保持有蔗汁的特征香味，均含有鉀、鈉、鈣等多種礦物元素以及氨基酸、多酚等小分子營養物質，作為一種純天然植物飲用水具有較好的開發利用價值。本試驗屬于探索性研究，僅選取了紅皮果蔗和ROC22兩個不同類型的甘蔗品種進行試驗，所制成的甘蔗植物水中揮發性成分和營養成分均存在不同程度的差異，相比而言紅皮果蔗制成的甘蔗植物水品質更優，營養價值更高。在后續研究中應以甘蔗植物水感官風味和營養品質的提升為目標，在更大范圍內篩選適宜的甘蔗品種，為甘蔗植物水的高值化開發利用提供理論支撐。