食用单宁在甘蔗制糖生产中的应用效果分析

摘要：食用单宁具有絮凝、抗氧化及抑菌等作用。为了提高甘蔗汁的澄清效果，减少磷酸亚硫酸法甘蔗制糖生产中石灰、硫磺和磷酸等澄清剂的用量，以食用单宁（浓度≥32%）为澄清助剂，在广西糖业集团西江制糖有限公司2023/2024年榨季甘蔗制糖生产中应用，结果表明，食用单宁可提高糖厂清混汁重力纯度差、减少清汁和糖浆重力纯度差、减少硫磺和石灰用量和降低生产蒸汽损耗。其中，添加食用单宁后，清混汁重力纯度差提高1.47 GP，清汁和糖浆重力纯度差降低0.47 GP，糖分损失减少，硫磺和石灰用量分别减少35.71%和33.00%，白砂糖二氧化硫残留量平均降至8.0 mg/kg以下，吨蔗耗汽量下降0.83%（绝对值）。因此，将食用单宁应用于甘蔗制糖生产，对改变传统的磷酸亚硫酸法生产工艺及减少糖分损失和提高产糖率具有重要意义。

关键词：食用单宁；甘蔗制糖；蔗汁澄清；应用效果

中图分类号：TS244.2 文献标志码：A 文章编号：2095-820X（2024）05-0366-06

0 引言

我国的制糖原料主要为甘蔗和甜菜，其中又以甘蔗制糖占主导地位。广西是我国甘蔗的主产区，2021/2022年榨季食糖产量占全国食糖总产糖量的64.01%［1］。压榨甘蔗获得的蔗汁（混合汁）含有糖分、色素和胶体等复杂成分，为了提高混合汁中糖分的提取量和成品糖质量，需对其进行澄清处理。目前，国内甘蔗制糖行业的蔗汁澄清主要使用磷酸亚硫酸法澄清工艺［2］，其中的澄清助剂主要为石灰、磷酸和硫磺［3］。但磷酸亚硫酸法澄清工艺存在澄清助剂用量大、清净效率不高、辅料成本较高及产品二氧化硫含量残留较高和产品保质期短等缺点，使用化学澄清工艺的糖厂无法将蔗汁和制糖过程中产生的有色物质全部去除［4-5］。因此，如何提高磷酸亚硫酸法糖厂的澄清效率，从而提高糖品质量、产糖率及降低生产成本，是甘蔗糖厂亟需解决的问题。在传统的磷酸亚硫酸法甘蔗制糖中加入二氧化硫，其作用是通过亚硫酸与氢氧化钙反应生成亚硫酸钙沉淀，亚硫酸钙难溶于水，通过絮凝剂的絮凝作用可将蔗汁中非糖分的胶体物质和色素杂质絮凝成大颗粒沉淀物而除去［6］。植物单宁也称植物多酚，主要分布在植物的叶片、果肉、根茎、壳和表皮等部位，分子量一般为500～3000 Da，能沉淀生物碱、胶体和蛋白等，已在医药、食品、革鞣和造纸等领域得到广泛应用［7］。食用单宁是一种天然植物多酚，分子量为2000～3000 Da，是以坚木芯为原料，经粉碎、水性浸提和多效蒸发浓缩而成的产品［8］，富含原花青素和儿茶素，能与糖汁中色素、蛋白和无机盐等产生物理吸附，在pH为6.0～8.0范围内形成不可溶的聚合物［9］。此外，食用单宁具有抗氧化、抑制细菌繁殖和抗霉菌作用，能有效减少糖分转化损失［10］。基于食用单宁的诸多优点，本研究以广西糖业集团西江制糖有限公司2023/2024年榨季生产运行过程中使用的单宁助剂为研究对象，分析食用单宁作为澄清助剂在甘蔗制糖生产中的作用和效果，为食用单宁澄清助剂在蔗汁澄清中的推广应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

食用单宁（浓度≥32%）购自浙江善禄生物科技有限公司，甘蔗汁、生产线设备及加热蒸汽由广西糖业集团西江制糖有限公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 变量控制

2023/2024年榨季广西糖业集团西江制糖有限公司以食用单宁为生产助剂，验证其蔗汁澄清效果。采用单一变量方法，仅改变磷酸亚硫酸法工艺的硫熏强度指标，保持其他工艺指标及控制条件不变，观察添加食用单宁对各生产指标的影响。

1.2.2 食用单宁添加方法

添加食用单宁跟添加磷酸相似，也是添加到压榨混合汁箱内，利用混合汁的冲击力及流动性，初步将其与混合汁混匀，再经混合汁的泵送过程充分混合。添加食用单宁时无需稀释，可直接用计量泵进行泵送。通过调节计量泵频率，用量筒测量流量，多次测试直至流量与榨量对应。食用单宁添加量为榨蔗量的0.008%，蔗汁密度为1.125 g/mL，制定食用单宁添加量与榨蔗量对应表，当榨蔗量变动时及时根据对应表调节食用单宁添加量。食用单宁黏度随着温度的降低而增加，温度越低，流量越小，因此每天3个工作班次均需进行1次单宁流量测定。在桶装食用单宁更换、榨量调节和气温明显降低时也需进行食用单宁流量测定，确保食用单宁添加量准确。

1.3 统计与分析

广西糖业集团西江制糖有限公司2023/2024年榨季从2024年1月12日开始使用食用单宁直至榨季结束，选取应用食用单宁前2023年12月23日至2024年1月6日的混合汁重力纯度、清汁重力纯度和清混汁重力纯度差与2024年1月12日至1月26日的混合汁重力纯度、清汁重力纯度和清混汁重力纯度差进行比较，同时，对比清汁和糖浆重力纯度差、辅助材料用量、产品质量和蒸汽用量，分析食用单宁对蔗汁的澄清效果。

2 结果与分析

2.1 食用单宁澄清助剂的作用机理

食用单宁分子结构中同时携带阴离子和阳离子（图1），因此，既可溶于碱性介质，也可溶于酸性介质，根据介质pH的不同表现出阴离子或阳离子特性［11］。根据该特点，食用单宁可跟非糖分和显色物质以氢键结合，在pH为6.0～8.0时形成不溶物，与杂质一起被清除。食用单宁在中性pH范围内不溶解，使得絮凝沉淀过程得以发生，其絮凝澄清能力得益于其抗溶解能力。

食用单宁对无机和有机胶体颗粒具有很强的絮凝性能，能参与非糖分悬浮固体表面电荷中和，该过程仅涉及电荷吸附作用，不参与化学反应；能与非糖分颗粒凝聚形成微小絮凝物，随后逐渐聚合形成更大的絮凝物而沉淀［12］。食用单宁的清净原理主要是通过氢键与蔗汁中的显色体结合，并形成团聚颗粒将显色体沉淀而除去（图2）。此外，食用单宁能与细菌细胞壁的多糖结合产生抑菌作用，从而减少微生物繁殖引起的糖分损失［13］。

2.2 添加单宁对蔗汁澄清效果的影响

自2024年1月12日开始至1月26日，按榨蔗量的0.008%添加食用单宁，预灰pH适当提高至弱碱性，其他工艺指标不变。由表1和表2可知，添加食用单宁后，甘蔗混合汁的平均重力纯度仅为82.89 GP，与添加食用单宁前相比降低0.27 GP，说明使用食用单宁前蔗汁质量相对较差（添加食用单宁前测定的蔗糖分仅为12.49%）；添加食用单宁后，清汁的平均重力纯度较添加食用单宁前提高1.20 GP，清混汁的平均重力纯度差与添加前相比提高1.47 GP。由此可见，应用食用单宁作为澄清助剂可有效提高蔗汁的清净效率，有利于提高产糖率。

2.3 添加食用单宁对甘蔗清汁和糖浆重力纯度差的影响

由表3和表4可知，添加食用单宁前，甘蔗的平均清汁和糖浆重力纯度差为1.10 GP，说明清汁经蒸发后糖分损失较大；添加食用单宁后，平均清汁和糖浆重力纯度差仅为0.63 GP，即清汁经蒸发后重力纯度差降低了0.47 GP，说明糖分损失减少。由此可见，应用食用单宁作为澄清助剂可有效减少蔗汁澄清过程中的糖分损失。

2.4 添加食用单宁对磷酸亚硫酸法甘蔗制糖辅助材料用量的影响

食用单宁的作用与亚硫酸钙的作用相似，能与非糖分颗粒凝聚而去除色素。因此，应用食用单宁能有效减少甘蔗制糖过程中的石灰和硫磺用量。当硫熏强度高时凝聚物颗粒较结实，沉淀速度较快［14］。2024年1月12日至1月26日添加食用单宁后，蔗汁的硫熏强度从28 mL降至18 mL，硫磺用量减少35.71%（硫熏强度为28 mL时，硫磺用量为4.50 t/d，硫熏强度降至18 mL时，硫磺用量减少了1.61 t/d）。按石灰/硫磺等于2.10计算，添加食用单宁后石灰用量减少3.38 t/d，下降33.00%。

广西糖业集团西江制糖有限公司在甘蔗制糖生产中通过增加食用单宁用量以实现蔗汁澄清，在应用中发现，为了获得良好的沉淀效果，需提高絮凝剂使用量。当絮凝剂用量增加50%时，中和汁的沉降速度和沉降颗粒大小与添加食用单宁前效果相当。

2.5 添加食用单宁对磷酸亚硫酸法甘蔗制糖产品质量的影响

在亚硫酸法生产工艺中的蔗汁澄清脱色是因为亚硫酸与石灰反应形成带正电的亚硫酸钙，能吸附已聚凝的非糖分胶体粒子和色素；通过氧化还原反应，使蔗汁中的显色物质进行还原，达到退色效果［15］。二氧化硫具有还原性，能减弱氧化反应，减缓白砂糖的变色过程，但随着白砂糖存储时间的延长，二氧化硫逐渐被氧化而消失，白砂糖的氧化增色速度变快，而磷酸亚硫酸法生产的白砂糖在存放后期色值升高更快［16］。食用单宁通过蔗汁中对显色物质的吸附絮凝，可提高澄清效率，能将澄清形成的沉淀除去；添加食用单宁后硫熏强度明显降低，硫磺用量大幅减少，可降低白砂糖中的二氧化硫残留量。经统计，添加食用单宁后，所生产白砂糖的二氧化硫残留量降至8.0 mg/kg以下，因此，在成品糖存储时，其增色速度加快现象得以改善，有利于延长产品保质期。

2.6 添加食用单宁对磷酸亚硫酸法甘蔗制糖蒸汽用量的影响

广西糖业集团西江制糖有限公司2024年1月12、21和22日的日榨蔗量低于3000 t，蒸汽损耗明显增大，因此剔除这3 d的蒸汽用量数据后计算平均值。由表5和表6可知，日榨蔗量在3000 t以上时，添加食用单宁进行蔗汁澄清的甘蔗制糖蒸汽损耗下降，平均吨蔗耗汽量下降0.83%（绝对值）。说明应用食用单可降低硫磺和石灰用量，使得蒸发罐产生的积垢较松软且减少，在通洗频率不变的情况下进行通洗时容易脱落而通洗干净，传热效率提高，致使蒸汽用量降低。同时，由于石灰用量减少，石灰消和用水随之减少，减轻了蒸发负荷，使得蒸发耗汽量减少，从而达到节能降耗目的。

3 讨论

本研究结果表明，添加食用单宁后甘蔗混合汁的平均重力纯度仅为82.89 GP，较添加食用单宁前降低0.27 GP，而添加食用单宁前的蔗糖分较低，仅12.49%，与2022/2023年榨季广西甘蔗制糖行业蔗糖分平均水平14.51%相比降低2.02%（绝对值）；添加食用单宁后甘蔗清混汁的平均重力纯度差较添加前提高1.47 GP，提高幅度较大。说明在甘蔗质量较差时应用食用单宁进行蔗汁澄清效果较好。但添加食用单宁后甘蔗清混汁的平均重力纯度差较添加前提高幅度较大是否与甘蔗质量较差有关，需进一步探讨。

糖汁在蒸发过程中各类物质会发生分解产生酸性物质而降低糖汁碱度并加快糖汁转化，其中，主要分解物质酰胺在清净处理过程中未能全部去除，进而分解成氨氮类形成不凝气体排出［17］。本研究中，添加食用单宁后甘蔗的平均清汁和糖浆重力纯度差较添加前降低0.47 GP，与添加食用单宁能较好地除去酰胺类物质有关，也与添加食用单宁后可提高清混汁平均重力纯度（即提高清净效率）的结果相吻合。

在添加食用单宁能使硫熏强度降至20 mL以下时，吸滤机处理泥汁开始变得困难，泥层变薄，滤泥水分偏高，泥汁处理量下降，特别是下雨天，甘蔗带泥多时会降低榨蔗量，究其原因是使用食用单宁后硫熏强度下降，絮凝沉降颗粒不够结实，同时絮凝剂用量增加50%，使泥汁黏度增大。通过在泥汁槽添加蔗糠虽可解决泥汁黏度增大问题，但其提高滤泥过滤性能的效果有限。因此，应用食用单宁后如何减少蔗汁清净过程中的絮凝剂用量还需进一步探究。提高产糖率一直是甘蔗制糖行业追求的目标，也是提高企业市场竞争力的根本条件。传统的磷酸亚硫酸法制糖生产工艺比较成熟，已无通过改善生产环境提高产糖率的空间。但食用单宁的应用改变了传统的制糖生产工艺，其在提高甘蔗清混汁平均重力纯度差与降低清汁和糖浆重力纯度差方面效果明显，在提高产糖率方面应用前景广阔。

4 结论

食用单宁在pH为6.0～8.0时能与非糖分以氢键形式结合形成聚合物沉淀，达到澄清去除非糖分的目的。将食用单宁作为澄清助剂应用于甘蔗制糖生产，可提高甘蔗的清汁和混汁重力纯度差，降低清汁和糖浆重力纯度差，即降低糖汁在蒸发过程中的糖分损失，提高产糖率。

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（责任编辑 思利华）

收稿日期：2024-09-05

基金项目：广西糖业集团西江制糖有限公司科技项目（广糖发〔2024〕157号）

第一作者：刘胜杰（1987-），男，工程师，主要从事甘蔗制糖生产工艺与设备研究工作，E-mail：354682436@qq.com