蔗汁中葡聚糖清除技术和效果研究

王鞠萱，黄振军，马海峰

(1云南英茂糖业(集团)有限公司，云南昆明650228；2云南西双版纳英茂糖业有限公司，云南景洪666100；3英茂糖业勐捧糖业有限责任公司，云南勐腊666300)

0 引言

正常生长的甘蔗收获前一般不含葡聚糖，但甘蔗受刀砍、火烧、霜冻、砍收后放置时间长、气温高或空气湿度较高等因素影响，会因肠膜串珠菌等微生物作用而形成葡聚糖。制糖生产过程中糖汁也会受感染而形成葡聚糖。制糖过程中出现的葡聚糖又称右旋糖酐，俗称“蔗饭”(以下统称葡聚糖)，它是葡萄糖的高分子缩合物，相对分子质量由数万到数百万，呈胶粘状，粘度随分子量和浓度的增加而增加。葡聚糖的存在对制糖过程造成极大的不利，粘度的增加效应明显，由此引起的糖分损失非常显著。克拉克对葡聚糖问题进行了详细的研究，砍下的长条甘蔗，1 h内葡聚糖很少，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，意味着蔗糖损失增加0.1%[1]。从蔗汁到产品，制糖工艺过程自始至终存在着葡聚糖引起的不良影响，葡聚糖会引起糖分损失，明显增大糖液的粘度，降低糖液的过滤性，使蔗糖结晶时生成异常形态的晶体，蔗糖回收率减少，制糖能耗增加，同时也影响成品糖的品质和产品的适用性[2-3]。如何消除或减少葡聚糖对制糖工业的负面影响一直受到糖业界的重视，也采取了一定的措施，如做好生产车间卫生管理，使用杀菌剂等以减少生产过程葡聚糖的产生，但要减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]。根据2018/19年榨季和2019/20年榨季云南勐捧糖厂采用抗体法对初压汁和混合汁的检测葡聚糖含量的数据分析发现，榨季后期(进入 4月份)初压汁和混合汁葡聚糖含量明显偏高。2020年3月24日至4月16日因新冠肺炎疫情防控的需要边境口岸封关，该糖厂停榨(该厂甘蔗种植地绝大部分在老挝境内)，从4月16日重新开榨后产糖率持续下降，因糖膏粘度大难煮制。自2020年5月上旬开始在生产过程中添加葡聚糖酶进行了生产性试验研究，尝试缓解糖厂生产问题。该试验在压榨工段添加葡聚糖酶，通过对比添加葡聚糖酶前中后的初压汁、混合汁、产糖率情况，评价在榨季后期蔗汁葡聚糖含量高时葡聚糖酶的生产应用效果。

1 材料与方法

1.1 主要材料及设备

葡聚糖单抗试剂盒；葡聚糖酶；阿贝折光仪；浊度仪；蠕动泵。

1.2 试验方法

1.2.1 葡聚糖检测原理

样品所含的葡聚糖与葡聚糖单克隆抗体(以下简称“葡聚糖单抗”)反应，形成葡聚糖-葡聚糖单抗复合物，使反应体系浊度增加，浊度增量和葡聚糖含量成正比，通过检测浊度值变化从而计算出样品中葡聚糖含量。

1.2.2 样品的检测方法及计算

样品测定：定时取初压汁、混合汁瞬时样品，用滤网或滤布过滤后，用阿贝折光仪测定样品折光锤度(°Bx)，再以水系滤膜(滤膜孔径 0.45 μm)过滤备用。吸取1.5 mL葡聚糖单抗溶液置于测试皿，开启秒表计时，将测试皿放入浊度仪，盖上浊度仪盖子，准确读取1 min时的浊度值(N0)；取出测试皿，用移液器将15 μL试样溶液加入葡聚糖单抗溶液中，开启秒表计时。用盖子盖住测试皿，上下颠倒6次混匀，混匀过程中应避免产生气泡。将测试皿放入浊度仪，盖上浊度仪盖子，准确读取1 min时的浊度值(N)。

计算样品葡聚糖含量代入下列公式计算：

式⑴中，X：样品中葡聚糖含量，单位为(mg/kg·°Bx)；ΔNTU：反应溶液体系浊度增量，单位为NTU，ΔNTU=N-N0(N：反应后体系浊度，单位为 NTU；N0：反应前体系浊度，单位为 NTU)；CF：转换系数，单位为毫克每千克每NTU(mg/kg·NTU-1)；Bx：液态样品锤度，单位为锤度(°Bx)

1.2.3 试验方案

1.2.3.1 试验时间及加酶量(见表1)

表1 试验时间及加酶情况

1.2.3.2 葡聚糖酶添加方式

根据葡聚糖酶学性质研究结果[6]，再结合甘蔗制糖生产的工艺条件确定酶添加位置。加酶点定在甘蔗压榨机组的第1座压榨机下的蔗汁收集槽处。利用蠕动计量泵匀速流加酶。

1.2.3.3 葡聚糖酶使用效果的评价方法

采用未加酶组空白试验与加酶组试验进行对比，通过加酶前后初压汁、混合汁、白砂糖等中间制品及产品的葡聚糖含量变化评价葡聚糖酶的清除效果，统计加酶前后产糖率的变化评价葡聚糖酶使用能否为糖厂增加收益。

2 结果与分析

2.1 生产过程初压汁，混合汁，白砂糖葡聚糖含量变化

2.1.1 2018/19年榨季情况

勐捧糖厂于2019年1月下旬引进葡聚糖单克隆抗体免疫比浊法检测葡聚糖含量技术，对初压汁和混合汁葡聚糖含量进行检测，检测结果见表2。在1月24日至3月31日间，初压汁的葡聚糖含量不高，很少检测到 80 mg/kg·°Bx以上的数据，平均为 53 mg/kg·°Bx；混合汁葡聚糖含量平均为 54 mg/kg·°Bx；白砂糖葡聚糖含量平均为 19 mg/kg·°Bx。但进入 4月份后，气温逐步升高，初压汁的葡聚糖含量基本在 80 mg/kg·°Bx 以上，平均达到 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随之升高至平均47 mg/kg·°Bx。可见，在榨季末期，初压汁葡聚糖含量明显升高，应该与气温升高有一定关系。曾尝试在甘蔗输送带上喷洒石灰水，但混合汁的葡聚糖含量并无下降，白砂糖葡聚糖含量也随初压汁的葡聚糖含量增加而增加。证明在甘蔗输送带上喷洒石灰水的方法并不能清除或减少蔗汁中葡聚糖含量。

2.1.2 2019/20年榨季情况

从2020年5月11日开始至5月31日对初压汁、混合汁，白砂糖进行葡聚糖含量检测，检测结果见表3。

表2 2018/19榨季蔗汁和白砂糖葡聚糖含量检测结果

表3 2019/20榨季蔗汁和白砂糖葡聚糖含量检测结果

在经历停榨，糖厂4月中旬重新开榨，开榨后初压汁、混合汁葡聚糖含量平均值与上一榨季后期情况基本相同，基本都在80 mg/kg·°Bx以上，压榨车间滚筒曲筛筛网处和一次加热器清洗排底时发现有蔗饭，而且检测白砂糖产品葡聚糖含量也有 40 mg/kg，而在加酶期间，混合汁的葡聚糖含量大幅下降，平均值只有 17 mg/kg·°Bx，葡聚糖清除率达到83.2%，白砂糖产品葡聚糖含量未检出，5月 24日停止加酶又进行空白试验，初压汁葡聚糖含量与加酶期间差不多，但混合汁葡聚糖含量马上回复到较高的含量为 67 mg/kg·°Bx，白砂糖产品的葡聚糖含量也又回复到45 mg/kg，跟加酶前空白试验的情况基本相同。

2.2 加葡聚糖酶对糖分回收的影响

由于勐捧糖厂近2个榨季的甘蔗总产量达到约44万t和约50万t的水平，而压榨能力还是日平均处理甘蔗3000 t，榨季时长达到160天以上，产糖率在榨季后期(4月份后)都出现了下降情况。2020年更是受新冠肺炎病毒疫情影响，3月24日至4月16日因疫情防控的需要边境口岸封关停榨(该厂甘蔗种植地绝大部分在老挝境内)，从4月17日重新开榨至6月4日榨季结束，榨季时长达206天。根据2018/19年榨季和2019/20年榨季产糖率的线性数据统计，自4月初开始的产糖率均随时间后移而逐步下降。图1为 2018/19年榨季产糖率线性变化趋势图，图2为2019/20年榨季产糖率线性变化趋势图，因 2019/20年榨季停榨时间更晚，产糖率的下降趋势更大些，甘蔗的蔗糖分和纯度的下降是主要原因，但也有与甘蔗初压汁葡聚糖含量增加使糖汁粘度增大影响澄清和煮糖有关，因上榨季采用在甘蔗输送带上喷洒石灰水的试验基本没有效果，我们收集了近年有关葡聚糖酶的资料[7]，决定于2020年5月 9～31日用添加葡聚糖酶的生物制糖技术进行试验，为了更准确的反映加酶与不加酶对产糖率的影响，我们设计为两头空白试验，中间加酶试验，将两头空白的产糖率数据进行平均与中间加酶试验的平均产糖率进行比对(表1)，从而得出结论，结果见表4。

图1 2018/19年榨季产糖率变化趋势

图2 2019/20年榨季产糖率变化趋势

表4 2019/20年榨季试验期间加酶与不加酶平均产糖率对比

表4数据表明，尽管前空白试验期的平均产糖率为12.17%，大于加酶期间的平均产糖率11.77%，但从图3可以看到，5月9～17日的前空白期试验期间，每天的产糖率线性图呈下降趋势，而5月18～24日加酶期间，每天的产糖率线性图如图4所示呈上升趋势，说明加酶清除蔗汁中的葡聚糖后，降低了糖汁的粘度，对澄清及煮糖有好的帮助，克服了因糖浆粘度增加造成的煮糖糖分吸收困难的问题，从而对产糖率的提升有修复向好的作用。在停止加酶的后空白试验期(5月 25～31日)止，每天的产糖率线性图又呈下降趋势，见图5所示，平均产糖率下降至11.12%，因此我们认为可以假设没有加酶干预的情况下，根据图2的2019/20年榨季产糖率趋势图显示榨季后期的产糖率是随时间呈线性下降，则不加酶的空白试验期平均产糖率约为(12.17%+11.12%)÷2=11.65%。但加酶期平均产糖率为11.77%，比假设情况高出0.12个百分点，这在一定程度上说明添加葡聚糖酶对产糖率提升有修复向好的作用。根据产糖率提高0.12个百分点计算，每天将多产3.6 t白砂糖，糖价按5000元/t计算，每天多产糖的增加值为 1.8万元。按试验期间加酶量及检测试剂的成本的情况，每天需消耗检测和酶的材料成本 3000元，投入产出比为 1∶6。假设按勐捧糖厂榨季后期30天需要处理甘蔗量9万t要添加葡聚糖酶来减少因葡聚糖含量升高对产糖率下降造成影响的话，可多产白砂糖108 t，价值可达到54万元，耗材需要的成本约为9万元，糖厂收益绝对增加值到达45万元，而且白砂糖的品质得到提高(不含葡聚糖)。

图3 前空白试验期产糖率变化趋势

图4 加酶试验期产糖率变化趋势

图5 后空白试验期产糖率变化趋势

3 结语

通过对勐捧糖厂2018/19年和2019/20年榨季葡聚糖检测及清除的试验证明，勐捧糖厂榨季后期(每年4月份后)的甘蔗葡聚糖含量呈明显升高趋势，并对生产产生了一系列不良影响，甘蔗初压汁葡聚糖含量增加使糖汁粘度增大，导致澄清和煮糖的不良影响，2018/19年榨季采用的在甘蔗输送带上喷洒石灰水的试验基本没有取得任何效果，2019/20年榨季采用添加葡聚糖酶生物制糖技术的试验，在不改变原工艺条件下，在第一座压榨机底槽添加葡聚糖酶，能有效降解甘蔗原料带来的葡聚糖，清除率达到83.2%，使糖汁的粘度因清除葡聚糖后有所下降，有利于产糖率提升；从而提高糖厂的经济效益，是值得推广的技术；并且加酶后生产的白砂糖不含葡聚糖，能够提升白砂糖品质。