基于抗体法的制(炼)糖生产中右旋糖酐变化规律研究

刘桂云，黎志德，常国炜，黄曾慰，梁达奉

(广东省科学院生物与医学工程研究所，广东省酶制剂与生物催化工程技术研究中心，广州 510316)

右旋糖酐(又名葡聚糖)是制糖工业中肠膜明串珠菌消耗蔗糖产生的一种多糖物质，它的形成不仅意味着蔗糖损失，还会造成系列加工和产品质量问题[1-3]，如增加糖液黏度，使旋光读数虚高，减缓过滤或蒸发速度，引起蔗糖晶体变形等[4—5]。制糖工业中的右旋糖酐测定通常用酶解法、抗体法、Robert's铜法和酒精Haze法等[6—7]。其中，抗体法具有特异性强、准确度高及耗时少等优点，并且适用于原料、在制品及产品中右旋糖酐含量的检测[8—9]。目前，我国自主研发的测定右旋糖酐的抗体法被ICUMSA(国际糖品统一分析方法委员会)接受，抗体法也成为国内最大甘蔗产区——广西的地方标准方法，这些成果有力促进了右旋糖酐的深入研究。

事实上，基于抗体法的成功研发，国内已在制糖行业右旋糖酐危害及生物降解等研究方面取得了重大突破，大大提升了业界对右旋糖酐的认知。但有关糖料及其加工过程中右旋糖酐变化规律的系统性研究还鲜有报道，特别是针对我国生产耕地白糖及精制糖工艺技术下的右旋糖酐变化情况。因此，本文基于抗体法，通过检测原料到最终产品整个制(炼)生产中物料右旋糖酐含量，掌握其形成、清除以及转移规律等，为识别右旋糖酐对各生产阶段的负面影响，及时、精准地调整生产操作，提高生产效率和糖品质量提供了依据，同时也为用糖企业提供了参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

右旋糖酐T-2150：Sigma-Aldrich公司；右旋糖酐检测试剂盒：广东省科学院生物与医学工程研究所(http://ctbiology.com)；甘蔗、蔗汁、原糖及精制糖：广西某些制(炼)糖厂；国家储备原糖：中国食糖检测中心。

1.2 主要设备仪器

浊度计：广东省科学院生物与医学工程研究所(http://ctbiology.com)；精密移液枪、电子天平等。

1.3 试验方法

1.3.1 入榨甘蔗右旋糖酐含量检测

在广西10家制糖企业(按右旋糖酐含量高低依次命名为A～J)开展入榨甘蔗中右旋糖酐含量检测试验，糖厂每天取3次生产线上初压汁和混合汁瞬时样进行分析，试验时间为一个榨季，每家糖厂数据取榨季平均值。

1.3.2 在制品及产品中右旋糖酐含量检测

选取A糖厂和一家精制糖厂分别进行6 d和15 d在制品及产品中右旋糖酐含量测定试验，每天取3次生产线上在制品瞬时样进行分析，试验结束后每个指标数据取平均值。

1.3.3 蔗汁放置时间对右旋糖酐形成的影响

取上浮混合汁2 000 mL放置在压榨车间，每2 h取部分蔗汁测定其pH、视纯度、右旋糖酐含量。

1.4 测定方法

1.4.1 指标分析方法

右旋糖酐测定按照免疫比浊法[10]，其他常规指标测定按《甘蔗制糖化学管理分析方法》进行测定。

1.4.2 右旋糖酐转移率

以产物中右旋糖酐与原料中右旋糖酐之比计算右旋糖酐转移率(DTR)，计算公式如下：

DTR=(N1/P1)/(N2/P2)×100%。

式中：N1表示产品中右旋糖酐含量(mg/kg)；P1表示产品纯度(%)；N2表示原料右旋糖酐含量(mg/kg)；P2表示原料纯度(%)。

2 结果与分析

2.1 入榨甘蔗中右旋糖酐含量

将右旋糖酐纳入日常分析指标，对10家糖厂入榨甘蔗右旋糖酐含量进行研究，结果见图1。

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

由图1可知，入榨甘蔗右旋糖酐含量范围在7～141 mg/kg之间，不同糖厂甘蔗右旋糖酐含量存在差异，其中，仅有一家糖厂甘蔗右旋糖酐含量高于100 mg/kg，一半糖厂右旋糖酐含量低于40 mg/kg，两家糖厂右旋糖酐含量甚至低于20 mg/kg。由研究结果可知，入榨甘蔗右旋糖酐含量整体不高。

入榨甘蔗中右旋糖酐含量受甘蔗种植地区、砍收方式、天气及运输等多种因素影响[11—12]。通常，明串珠菌很难进入到无破损的未收获甘蔗内部，但甘蔗产生明显生长裂缝、经历机收或霜冻会引起蔗汁渗出，则容易受明串珠菌感染，产生右旋糖酐。目前我国甘蔗主要以人工砍收方式为主，甘蔗机收率占比不高，这在一定程度上降低了甘蔗中右旋糖酐的形成。加上自右旋糖酐检测以来，人们越来越重视甘蔗收获后的管理，采取了包括砍后甘蔗尽早入榨、减少甘蔗夹杂物及合理安排砍运计划等可行措施来控制右旋糖酐产生[13]。

2.2 甘蔗加工过程中右旋糖酐含量

甘蔗入榨后，部分微生物被带到压榨车间，在适宜温湿度、pH等条件下快速繁殖并继续消耗蔗糖，产生右旋糖酐。

由图2可知，初压汁右旋糖酐和混合汁右旋糖酐之间具有较强的相关性(R2=0.814 7,P<0.01)，表明甘蔗经压榨提汁处理，右旋糖酐会随之进入到蔗汁中。甘蔗携带的右旋糖酐是生产中右旋糖酐的重要来源，在微生物控制良好的糖厂，右旋糖酐的唯一来源甚至只有甘蔗。混合汁中右旋糖酐含量基本高于初压汁中右旋糖酐含量，表明右旋糖酐的形成不仅发生在甘蔗变质过程，也易发生在加工过程中，这种情况在车间卫生条件差或蔗汁停留时间过长时最为常见[14—15]。初压汁在压榨车间存放一段时间后pH、纯度及右旋糖酐指标变化见表1。

图2 初压汁和混合汁中右旋糖酐含量关系Fig.2 Relationship between dextran content in primary pressed juice and mixed juice

表1 蔗汁存放时间对右旋糖酐形成的影响Table 1 Effect of storage time of sugarcane juice on the formation of dextran

由表1可知，随着放置时间的延长，蔗汁的纯度及pH呈下降的趋势，右旋糖酐含量明显增加。更为严重的是，右旋糖酐在特定条件下还会形成一种被称为“蔗饭”的物质，出现在压榨机、滚筒筛及管道等设备处，造成停机处理事故，严重干扰生产。

一家亚硫酸法糖厂在制品及产品中的右旋糖酐检测结果见图3。混合汁中右旋糖酐含量为84 mg/kg，清汁中右旋糖酐含量为70 mg/kg，去除率为16.7%，可见亚硫酸法可清除一定比例右旋糖酐。制糖澄清过程中除去的大多为不可溶性的右旋糖酐，可溶的、低分子量的右旋糖酐往往进入到产品中[16—17]，特别是分子量在4 000 Da以下的。

图3 制糖生产中右旋糖酐含量变化Fig.3 Changes of dextran content during sugar manufacturing

从清汁到蒸发后的糖浆，右旋糖酐含量基本不变，主要原因是在蒸发过程中，高温条件(一效加热蒸汽温度为130 ℃左右)可致产生右旋糖酐的微生物失活，且经过蒸发浓缩后的糖浆浓度高于60 °Bx，微生物在高浓度糖汁中生长受抑制。在结晶阶段，物料中右旋糖酐浓度随着蔗糖不断析出而升高，糖蜜右旋糖酐含量达到218 mg/kg，产品右旋糖酐含量为19 mg/kg，表明右旋糖酐主要随糖蜜排出。有研究表明，结晶过程中右旋糖酐主要以表面吸附及共结晶等方式进入到蔗糖晶体中[18]，影响晶貌、晶形，并增加溶液黏度，降低蔗糖结晶速率以及结晶率等[19]。

2.3 原糖中右旋糖酐

国内大多数加工原糖主要依赖进口，由于国外采用的机械收获系统会对甘蔗造成一定损伤，使得右旋糖酐问题往往更加突出。

由表2可知，对国外生产的原糖进行取样分析时发现，古巴2020年和巴西2015年原糖样品中右旋糖酐含量偏高，针对这类原料，糖厂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来降低其对生产的负面影响[20—21]。国内生产原糖的糖厂少，广西某家糖厂曾试产过原糖，经测定，产品中右旋糖酐含量较低，仅为45 mg/kg。此外，在研究过程中对98个国家储备原糖样品进行分析，结果表明，51%样品中的右旋糖酐指标超过原糖国家标准(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艺石灰法对右旋糖酐的清除作用有限，根据国外文献报道，混合汁中大约20%的右旋糖酐能进入到产品原糖中[22]。

表2 各国原糖中右旋糖酐情况调查Table 2 Investigation on dextran in raw sugar in different countries

图4 国家储备原糖样品中的右旋糖酐Fig.4 Dextran in national stored raw sugar samples

2.4 原糖精炼过程中右旋糖酐

精炼糖厂生产过程中右旋糖酐情况见图5。该糖厂无蜜洗工艺，采用七系煮糖。

图5 原糖精炼过程中右旋糖酐含量变化Fig.5 Changes of dextran content during sugar refining

由图5可知，经过碳饱充和离子交换树脂处理后，原糖与R1的右旋糖酐含量相比无明显变化，均在240 mg/kg左右。在澄清工艺中，离子交换主要负责脱色，因此对右旋糖酐的清除作用小，但碳酸法却几乎无法有效除去右旋糖酐，结果可能归因于原糖生产过程中石灰法无法除去残留在原糖中的右旋糖酐，即使再经过澄清等工艺处理，清除效果仍不理想。但原糖中部分杂质存在于其表面的糖蜜薄膜中，若增加洗糖工艺则有望除去一定量的右旋糖酐。与制糖结晶过程一样，随着蔗糖结晶进行，后系物料的右旋糖酐含量也呈不断上升趋势。整体上看，原糖中的右旋糖酐最终进入精制糖和糖蜜，糖蜜右旋糖酐含量为2 899 mg/kg，产品中右旋糖酐含量为135 mg/kg，原糖到产品的DTR达到55.20%。

该糖厂另一生产阶段证实了原糖精炼过程中右旋糖酐的高转移率。由表3可知，当原糖中右旋糖酐平均含量为113 mg/kg和160 mg/kg时，DTR分别为53.4%和53.8%，均大于50%。结合以上研究结果还可以发现，与白砂糖相比，即使精制糖经过“二步法”，蔗糖纯度更高，但右旋糖酐问题却可能更为严重。糖品中右旋糖酐是糖果制造商等终端用户主要关心的问题，据报道，产品中右旋糖酐超过一定水平，就会影响硬糖加工[23]。另外，右旋糖酐还是饮料产生酸性絮凝物的重要原因[24]。因此，右旋糖酐的负面影响将进一步体现在精制糖的工业应用中。

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

续 表

3 结论与展望

右旋糖酐在许多国家制糖行业中仍是一个重要而具有挑战性的问题。在我国，受人工砍收方式等因素的影响，入榨甘蔗中的右旋糖酐含量多数低于100 mg/kg，但进口原糖特别是国储原糖中右旋糖酐含量偏高。在甘蔗加工过程中，右旋糖酐随着甘蔗榨汁进入到生产过程，且在特定条件下可继续形成，结果表现为混合汁右旋糖酐含量高于初压汁右旋糖酐含量，但右旋糖酐新增主要发生在蒸发之前。传统的澄清方法包括石灰法、亚硫酸法等，在清除右旋糖酐作用方面均表现出有限性，其中精炼澄清工艺效果甚微。随着结晶进行，物料中右旋糖酐浓度不断提高，部分残留在糖蜜中，部分进入产品中，原糖右旋糖酐到产品的转移率可达50%。普遍认为纯度高、质量好的精制糖在右旋糖酐问题上可能比白砂糖严重。

目前，虽然大多数情况下国内甘蔗中右旋糖酐还不会引起明显的生产问题，但随着机收甘蔗增加，右旋糖酐问题不可避免，加强对右旋糖酐的实时监测将非常必要。由于右旋糖酐形成会造成蔗糖损失，传统澄清工艺对右旋糖酐的去除作用有限，加上其转移率高，应重点关注甘蔗和原糖质量，从原料上避免右旋糖酐。对于用糖企业，考虑右旋糖酐对产品适用性的负面影响，亟需制糖行业建立产品右旋糖酐有关标准。此外，“蔗饭”形成机理及成分组成、生产中右旋糖酐分子量变化、如何促进右旋糖酐清除等也是未来值得深入研究的方向。