基于抗體法的制(煉)糖生產(chǎn)中右旋糖酐變化規(guī)律研究

劉桂云，黎志德，常國(guó)煒，黃曾慰，梁達(dá)奉

(廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所，廣東省酶制劑與生物催化工程技術(shù)研究中心，廣州 510316)

右旋糖酐(又名葡聚糖)是制糖工業(yè)中腸膜明串珠菌消耗蔗糖產(chǎn)生的一種多糖物質(zhì)，它的形成不僅意味著蔗糖損失，還會(huì)造成系列加工和產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題[1-3]，如增加糖液黏度，使旋光讀數(shù)虛高，減緩過(guò)濾或蒸發(fā)速度，引起蔗糖晶體變形等[4—5]。制糖工業(yè)中的右旋糖酐測(cè)定通常用酶解法、抗體法、Robert's銅法和酒精Haze法等[6—7]。其中，抗體法具有特異性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高及耗時(shí)少等優(yōu)點(diǎn)，并且適用于原料、在制品及產(chǎn)品中右旋糖酐含量的檢測(cè)[8—9]。目前，我國(guó)自主研發(fā)的測(cè)定右旋糖酐的抗體法被ICUMSA(國(guó)際糖品統(tǒng)一分析方法委員會(huì))接受，抗體法也成為國(guó)內(nèi)最大甘蔗產(chǎn)區(qū)——廣西的地方標(biāo)準(zhǔn)方法，這些成果有力促進(jìn)了右旋糖酐的深入研究。

事實(shí)上，基于抗體法的成功研發(fā)，國(guó)內(nèi)已在制糖行業(yè)右旋糖酐危害及生物降解等研究方面取得了重大突破，大大提升了業(yè)界對(duì)右旋糖酐的認(rèn)知。但有關(guān)糖料及其加工過(guò)程中右旋糖酐變化規(guī)律的系統(tǒng)性研究還鮮有報(bào)道，特別是針對(duì)我國(guó)生產(chǎn)耕地白糖及精制糖工藝技術(shù)下的右旋糖酐變化情況。因此，本文基于抗體法，通過(guò)檢測(cè)原料到最終產(chǎn)品整個(gè)制(煉)生產(chǎn)中物料右旋糖酐含量，掌握其形成、清除以及轉(zhuǎn)移規(guī)律等，為識(shí)別右旋糖酐對(duì)各生產(chǎn)階段的負(fù)面影響，及時(shí)、精準(zhǔn)地調(diào)整生產(chǎn)操作，提高生產(chǎn)效率和糖品質(zhì)量提供了依據(jù)，同時(shí)也為用糖企業(yè)提供了參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

右旋糖酐T-2150：Sigma-Aldrich公司；右旋糖酐檢測(cè)試劑盒：廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所(http://ctbiology.com)；甘蔗、蔗汁、原糖及精制糖：廣西某些制(煉)糖廠；國(guó)家儲(chǔ)備原糖：中國(guó)食糖檢測(cè)中心。

1.2 主要設(shè)備儀器

濁度計(jì)：廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所(http://ctbiology.com)；精密移液槍、電子天平等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 入榨甘蔗右旋糖酐含量檢測(cè)

在廣西10家制糖企業(yè)(按右旋糖酐含量高低依次命名為A～J)開(kāi)展入榨甘蔗中右旋糖酐含量檢測(cè)試驗(yàn)，糖廠每天取3次生產(chǎn)線上初壓汁和混合汁瞬時(shí)樣進(jìn)行分析，試驗(yàn)時(shí)間為一個(gè)榨季，每家糖廠數(shù)據(jù)取榨季平均值。

1.3.2 在制品及產(chǎn)品中右旋糖酐含量檢測(cè)

選取A糖廠和一家精制糖廠分別進(jìn)行6 d和15 d在制品及產(chǎn)品中右旋糖酐含量測(cè)定試驗(yàn)，每天取3次生產(chǎn)線上在制品瞬時(shí)樣進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)束后每個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)取平均值。

1.3.3 蔗汁放置時(shí)間對(duì)右旋糖酐形成的影響

取上浮混合汁2 000 mL放置在壓榨車間，每2 h取部分蔗汁測(cè)定其pH、視純度、右旋糖酐含量。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 指標(biāo)分析方法

右旋糖酐測(cè)定按照免疫比濁法[10]，其他常規(guī)指標(biāo)測(cè)定按《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》進(jìn)行測(cè)定。

1.4.2 右旋糖酐轉(zhuǎn)移率

以產(chǎn)物中右旋糖酐與原料中右旋糖酐之比計(jì)算右旋糖酐轉(zhuǎn)移率(DTR)，計(jì)算公式如下：

DTR=(N1/P1)/(N2/P2)×100%。

式中：N1表示產(chǎn)品中右旋糖酐含量(mg/kg)；P1表示產(chǎn)品純度(%)；N2表示原料右旋糖酐含量(mg/kg)；P2表示原料純度(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 入榨甘蔗中右旋糖酐含量

將右旋糖酐納入日常分析指標(biāo)，對(duì)10家糖廠入榨甘蔗右旋糖酐含量進(jìn)行研究，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 入榨甘蔗右旋糖酐含量Fig.1 Dextran content of squeezed sugarcane

由圖1可知，入榨甘蔗右旋糖酐含量范圍在7～141 mg/kg之間，不同糖廠甘蔗右旋糖酐含量存在差異，其中，僅有一家糖廠甘蔗右旋糖酐含量高于100 mg/kg，一半糖廠右旋糖酐含量低于40 mg/kg，兩家糖廠右旋糖酐含量甚至低于20 mg/kg。由研究結(jié)果可知，入榨甘蔗右旋糖酐含量整體不高。

入榨甘蔗中右旋糖酐含量受甘蔗種植地區(qū)、砍收方式、天氣及運(yùn)輸?shù)榷喾N因素影響[11—12]。通常，明串珠菌很難進(jìn)入到無(wú)破損的未收獲甘蔗內(nèi)部，但甘蔗產(chǎn)生明顯生長(zhǎng)裂縫、經(jīng)歷機(jī)收或霜凍會(huì)引起蔗汁滲出，則容易受明串珠菌感染，產(chǎn)生右旋糖酐。目前我國(guó)甘蔗主要以人工砍收方式為主，甘蔗機(jī)收率占比不高，這在一定程度上降低了甘蔗中右旋糖酐的形成。加上自右旋糖酐檢測(cè)以來(lái)，人們?cè)絹?lái)越重視甘蔗收獲后的管理，采取了包括砍后甘蔗盡早入榨、減少甘蔗夾雜物及合理安排砍運(yùn)計(jì)劃等可行措施來(lái)控制右旋糖酐產(chǎn)生[13]。

2.2 甘蔗加工過(guò)程中右旋糖酐含量

甘蔗入榨后，部分微生物被帶到壓榨車間，在適宜溫濕度、pH等條件下快速繁殖并繼續(xù)消耗蔗糖，產(chǎn)生右旋糖酐。

由圖2可知，初壓汁右旋糖酐和混合汁右旋糖酐之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性(R2=0.814 7,P<0.01)，表明甘蔗經(jīng)壓榨提汁處理，右旋糖酐會(huì)隨之進(jìn)入到蔗汁中。甘蔗攜帶的右旋糖酐是生產(chǎn)中右旋糖酐的重要來(lái)源，在微生物控制良好的糖廠，右旋糖酐的唯一來(lái)源甚至只有甘蔗。混合汁中右旋糖酐含量基本高于初壓汁中右旋糖酐含量，表明右旋糖酐的形成不僅發(fā)生在甘蔗變質(zhì)過(guò)程，也易發(fā)生在加工過(guò)程中，這種情況在車間衛(wèi)生條件差或蔗汁停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)最為常見(jiàn)[14—15]。初壓汁在壓榨車間存放一段時(shí)間后pH、純度及右旋糖酐指標(biāo)變化見(jiàn)表1。

圖2 初壓汁和混合汁中右旋糖酐含量關(guān)系Fig.2 Relationship between dextran content in primary pressed juice and mixed juice

表1 蔗汁存放時(shí)間對(duì)右旋糖酐形成的影響Table 1 Effect of storage time of sugarcane juice on the formation of dextran

由表1可知，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，蔗汁的純度及pH呈下降的趨勢(shì)，右旋糖酐含量明顯增加。更為嚴(yán)重的是，右旋糖酐在特定條件下還會(huì)形成一種被稱為“蔗飯”的物質(zhì)，出現(xiàn)在壓榨機(jī)、滾筒篩及管道等設(shè)備處，造成停機(jī)處理事故，嚴(yán)重干擾生產(chǎn)。

一家亞硫酸法糖廠在制品及產(chǎn)品中的右旋糖酐檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。混合汁中右旋糖酐含量為84 mg/kg，清汁中右旋糖酐含量為70 mg/kg，去除率為16.7%，可見(jiàn)亞硫酸法可清除一定比例右旋糖酐。制糖澄清過(guò)程中除去的大多為不可溶性的右旋糖酐，可溶的、低分子量的右旋糖酐往往進(jìn)入到產(chǎn)品中[16—17]，特別是分子量在4 000 Da以下的。

圖3 制糖生產(chǎn)中右旋糖酐含量變化Fig.3 Changes of dextran content during sugar manufacturing

從清汁到蒸發(fā)后的糖漿，右旋糖酐含量基本不變，主要原因是在蒸發(fā)過(guò)程中，高溫條件(一效加熱蒸汽溫度為130 ℃左右)可致產(chǎn)生右旋糖酐的微生物失活，且經(jīng)過(guò)蒸發(fā)濃縮后的糖漿濃度高于60 °Bx，微生物在高濃度糖汁中生長(zhǎng)受抑制。在結(jié)晶階段，物料中右旋糖酐濃度隨著蔗糖不斷析出而升高，糖蜜右旋糖酐含量達(dá)到218 mg/kg，產(chǎn)品右旋糖酐含量為19 mg/kg，表明右旋糖酐主要隨糖蜜排出。有研究表明，結(jié)晶過(guò)程中右旋糖酐主要以表面吸附及共結(jié)晶等方式進(jìn)入到蔗糖晶體中[18]，影響晶貌、晶形，并增加溶液黏度，降低蔗糖結(jié)晶速率以及結(jié)晶率等[19]。

2.3 原糖中右旋糖酐

國(guó)內(nèi)大多數(shù)加工原糖主要依賴進(jìn)口，由于國(guó)外采用的機(jī)械收獲系統(tǒng)會(huì)對(duì)甘蔗造成一定損傷，使得右旋糖酐問(wèn)題往往更加突出。

由表2可知，對(duì)國(guó)外生產(chǎn)的原糖進(jìn)行取樣分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，古巴2020年和巴西2015年原糖樣品中右旋糖酐含量偏高，針對(duì)這類原料，糖廠不得不混合高和低右旋糖酐含量的原糖或添加右旋糖酐酶來(lái)降低其對(duì)生產(chǎn)的負(fù)面影響[20—21]。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)原糖的糖廠少，廣西某家糖廠曾試產(chǎn)過(guò)原糖，經(jīng)測(cè)定，產(chǎn)品中右旋糖酐含量較低，僅為45 mg/kg。此外，在研究過(guò)程中對(duì)98個(gè)國(guó)家儲(chǔ)備原糖樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明，51%樣品中的右旋糖酐指標(biāo)超過(guò)原糖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(400 mg/kg)。原糖中含有或多或少的右旋糖酐也表明原糖澄清工藝石灰法對(duì)右旋糖酐的清除作用有限，根據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道，混合汁中大約20%的右旋糖酐能進(jìn)入到產(chǎn)品原糖中[22]。

表2 各國(guó)原糖中右旋糖酐情況調(diào)查Table 2 Investigation on dextran in raw sugar in different countries

圖4 國(guó)家儲(chǔ)備原糖樣品中的右旋糖酐Fig.4 Dextran in national stored raw sugar samples

2.4 原糖精煉過(guò)程中右旋糖酐

精煉糖廠生產(chǎn)過(guò)程中右旋糖酐情況見(jiàn)圖5。該糖廠無(wú)蜜洗工藝，采用七系煮糖。

圖5 原糖精煉過(guò)程中右旋糖酐含量變化Fig.5 Changes of dextran content during sugar refining

由圖5可知，經(jīng)過(guò)碳飽充和離子交換樹(shù)脂處理后，原糖與R1的右旋糖酐含量相比無(wú)明顯變化，均在240 mg/kg左右。在澄清工藝中，離子交換主要負(fù)責(zé)脫色，因此對(duì)右旋糖酐的清除作用小，但碳酸法卻幾乎無(wú)法有效除去右旋糖酐，結(jié)果可能歸因于原糖生產(chǎn)過(guò)程中石灰法無(wú)法除去殘留在原糖中的右旋糖酐，即使再經(jīng)過(guò)澄清等工藝處理，清除效果仍不理想。但原糖中部分雜質(zhì)存在于其表面的糖蜜薄膜中，若增加洗糖工藝則有望除去一定量的右旋糖酐。與制糖結(jié)晶過(guò)程一樣，隨著蔗糖結(jié)晶進(jìn)行，后系物料的右旋糖酐含量也呈不斷上升趨勢(shì)。整體上看，原糖中的右旋糖酐最終進(jìn)入精制糖和糖蜜，糖蜜右旋糖酐含量為2 899 mg/kg，產(chǎn)品中右旋糖酐含量為135 mg/kg，原糖到產(chǎn)品的DTR達(dá)到55.20%。

該糖廠另一生產(chǎn)階段證實(shí)了原糖精煉過(guò)程中右旋糖酐的高轉(zhuǎn)移率。由表3可知，當(dāng)原糖中右旋糖酐平均含量為113 mg/kg和160 mg/kg時(shí)，DTR分別為53.4%和53.8%，均大于50%。結(jié)合以上研究結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，與白砂糖相比，即使精制糖經(jīng)過(guò)“二步法”，蔗糖純度更高，但右旋糖酐問(wèn)題卻可能更為嚴(yán)重。糖品中右旋糖酐是糖果制造商等終端用戶主要關(guān)心的問(wèn)題，據(jù)報(bào)道，產(chǎn)品中右旋糖酐超過(guò)一定水平，就會(huì)影響硬糖加工[23]。另外，右旋糖酐還是飲料產(chǎn)生酸性絮凝物的重要原因[24]。因此，右旋糖酐的負(fù)面影響將進(jìn)一步體現(xiàn)在精制糖的工業(yè)應(yīng)用中。

表3 原糖和精糖中右旋糖酐含量Table 3 The content of dextran in raw sugar and refined sugar

續(xù) 表

3 結(jié)論與展望

右旋糖酐在許多國(guó)家制糖行業(yè)中仍是一個(gè)重要而具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。在我國(guó)，受人工砍收方式等因素的影響，入榨甘蔗中的右旋糖酐含量多數(shù)低于100 mg/kg，但進(jìn)口原糖特別是國(guó)儲(chǔ)原糖中右旋糖酐含量偏高。在甘蔗加工過(guò)程中，右旋糖酐隨著甘蔗榨汁進(jìn)入到生產(chǎn)過(guò)程，且在特定條件下可繼續(xù)形成，結(jié)果表現(xiàn)為混合汁右旋糖酐含量高于初壓汁右旋糖酐含量，但右旋糖酐新增主要發(fā)生在蒸發(fā)之前。傳統(tǒng)的澄清方法包括石灰法、亞硫酸法等，在清除右旋糖酐作用方面均表現(xiàn)出有限性，其中精煉澄清工藝效果甚微。隨著結(jié)晶進(jìn)行，物料中右旋糖酐濃度不斷提高，部分殘留在糖蜜中，部分進(jìn)入產(chǎn)品中，原糖右旋糖酐到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)移率可達(dá)50%。普遍認(rèn)為純度高、質(zhì)量好的精制糖在右旋糖酐問(wèn)題上可能比白砂糖嚴(yán)重。

目前，雖然大多數(shù)情況下國(guó)內(nèi)甘蔗中右旋糖酐還不會(huì)引起明顯的生產(chǎn)問(wèn)題，但隨著機(jī)收甘蔗增加，右旋糖酐問(wèn)題不可避免，加強(qiáng)對(duì)右旋糖酐的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)將非常必要。由于右旋糖酐形成會(huì)造成蔗糖損失，傳統(tǒng)澄清工藝對(duì)右旋糖酐的去除作用有限，加上其轉(zhuǎn)移率高，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注甘蔗和原糖質(zhì)量，從原料上避免右旋糖酐。對(duì)于用糖企業(yè)，考慮右旋糖酐對(duì)產(chǎn)品適用性的負(fù)面影響，亟需制糖行業(yè)建立產(chǎn)品右旋糖酐有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。此外，“蔗飯”形成機(jī)理及成分組成、生產(chǎn)中右旋糖酐分子量變化、如何促進(jìn)右旋糖酐清除等也是未來(lái)值得深入研究的方向。