甘蔗生產(chǎn)過程葡聚糖的形成與檢測研究進(jìn)展

劉桂云，徐艷芳，梁達(dá)奉，蟻細(xì)苗，曾練強(qiáng)，常國煒

(1.廣州甘蔗糖業(yè)研究所甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510316;2.廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 530004;3.廣西糖業(yè)研發(fā)中心，廣西 南寧 530002)

葡聚糖對制糖工業(yè)的危害早已引起國內(nèi)外學(xué)者重視[1-3]，其存在導(dǎo)致制糖生產(chǎn)中糖分損失、粘度增大，影響澄清、蒸發(fā)、煮糖(結(jié)晶)、分蜜等工藝過程，致使能耗增加，糖分收回率下降，影響產(chǎn)品質(zhì)量及其適用性[4-5]。由于葡聚糖傳統(tǒng)檢測方法預(yù)處理復(fù)雜、耗時長、準(zhǔn)確性差[6-7]，且傳統(tǒng)工藝難以消除葡聚糖對制糖的影響，使葡聚糖檢測問題成為制糖生產(chǎn)的難點(diǎn)問題。隨著葡聚糖免疫學(xué)檢測技術(shù)的日益成熟以及葡聚糖酶[8-9](可快速分解清除葡聚糖)的研發(fā)和應(yīng)用，對葡聚糖的關(guān)注已從制糖生產(chǎn)過程溯源到甘蔗生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

業(yè)界早期主要關(guān)注甘蔗砍后存放、車間衛(wèi)生等因素對甘蔗葡聚糖形成的影響，但葡聚糖的形成還與甘蔗生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)密切相關(guān)。受病蟲害侵襲或經(jīng)歷霜凍、臺風(fēng)、干旱等惡劣天氣或火燒、機(jī)械化收獲的甘蔗，更易被微生物入侵感染而產(chǎn)生葡聚糖[10-11]。甘蔗中葡聚糖的形成意味著糖分的損失和純度的降低，導(dǎo)致甘蔗質(zhì)量下降，因此葡聚糖是評價甘蔗新鮮度的一個直接、可靠的指標(biāo)。本文綜述了甘蔗生產(chǎn)過程影響葡聚糖形成的因素、葡聚糖檢測技術(shù)及葡聚糖與甘蔗新鮮度之間的關(guān)系，以期為甘蔗品種選育提供依據(jù)。

1 甘蔗葡聚糖的形成

葡聚糖是以葡萄糖為單體的聚合物總稱。甘蔗與制糖生產(chǎn)過程出現(xiàn)的葡聚糖主要為α-葡聚糖，又稱右旋糖酐，是因甘蔗或蔗汁受腸膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)的感染，葡聚糖蔗糖酶轉(zhuǎn)化蔗糖形成的代謝產(chǎn)物。α-葡聚糖是以α-D-葡萄糖為單體、1-6鍵連接的直鏈為主鏈(約占95%以上)形成的高分子聚合多糖，其分子式為(C6H10O5)n、相對分子質(zhì)量為1.5×104-2×106或者更大[12]，粘度隨著相對分子質(zhì)量的增加而增大，在糖廠死角或曲篩等位置容易形成飯粒一樣的交聯(lián)物，俗稱“蔗飯”[13-14]。

2 影響甘蔗葡聚糖形成的因素

正常生長的新鮮甘蔗中基本不含葡聚糖，但當(dāng)甘蔗受病蟲害、霜凍、火燒、砍收等傷害而暴露其組織細(xì)胞后，就會受微生物入侵感染而生成葡聚糖。影響甘蔗葡聚糖形成的田間因素主要包括甘蔗品種、病蟲害侵襲、霜凍、風(fēng)災(zāi)和砍收方式等。

2.1 甘蔗品種

不同甘蔗品種因基因結(jié)構(gòu)差異而賦有特定的品種性狀，如蔗莖堅(jiān)硬度強(qiáng)、蔗皮厚等，這些形態(tài)特征有助于甘蔗抵制微生物的入侵，降低微生物的感染程度，最終減少葡聚糖的生成。Bevan et al[15]認(rèn)為蔗蠟層是甘蔗抗微生物的因素之一。葡聚糖是甘蔗因不耐貯而變質(zhì)的直接產(chǎn)物，不同品種甘蔗耐貯性不同，在相同環(huán)境條件下受微生物感染難易程度不一，品質(zhì)劣變速度存在差異。Eggleston et al[16]研究了不同甘蔗品種受霜凍后葡聚糖的生成情況，發(fā)現(xiàn)各品種間葡聚糖含量存在顯著性差異。Wright et al[17]認(rèn)為不同品種甘蔗受微生物感染的速率不同。目前國內(nèi)推廣種植的甘蔗新臺糖22號雖表現(xiàn)出較好的工藝性狀，生理生化活性強(qiáng)，但其砍后品質(zhì)惡化快[18-19]，不耐貯存，仍然不能確保糖廠的經(jīng)濟(jì)效益。因此，具有抗旱、抗凍、抗蟲等特性的甘蔗品種可通過減輕旱、凍、蟲等傷害而減少微生物的侵害。此外，甘蔗品種有早熟、中熟、晚熟之分，而甘蔗不成熟或過熟都會影響其葡聚糖含量。研究發(fā)現(xiàn)，早熟品種甘蔗在過熟期砍收時形成的葡聚糖比不熟期砍收的多，而晚熟品種甘蔗在過熟期砍收時形成的葡聚糖比不熟期砍收的少[20]。

2.2 田間環(huán)境

除了甘蔗品種外，田間環(huán)境也是影響甘蔗葡聚糖含量的重要因素之一，包括種植方式、溫度、濕度、日照、土壤條件等。

2.2.1 種植方式 明串球菌是一類進(jìn)行異型發(fā)酵的革蘭氏陽性細(xì)菌，常存在于綠色植物的地上部分和根部，其數(shù)量受作物種植方式及環(huán)境的影[21]。同一甘蔗不同種植方式(輪作、蔗葉還田、覆蓋地膜等)會產(chǎn)生不同的根際微生物群體，影響微生物密度和多樣性[22]。宿根比新植蔗更易感染赤腐病、黑穗病等，從而使甘蔗砍后因抵抗力下降而被明串珠菌等微生物感染。

2.2.2 溫度及濕度 甘蔗為喜溫作物，種植于年平均氣溫17-18℃的熱帶及亞熱帶地區(qū)，但不同蔗區(qū)溫濕度仍存在較大的差異。腸膜明串珠菌最適發(fā)酵溫度為25-35℃，適合在多雨、高溫、潮濕的地區(qū)繁殖生長[23]。溫度及濕度會影響微生物的代謝和有關(guān)酶活性。蔗糖酸性轉(zhuǎn)化酶和葡聚糖蔗糖酶活性在貯藏期間明顯增加，導(dǎo)致甘蔗劣變加快，從而造成葡聚糖含量增加[24]。受損的甘蔗在濕潤條件下比干燥時更易變質(zhì)[25]。因此，春季砍收的甘蔗中葡聚糖含量一般較冬季砍收的多。

2.2.3 日照 甘蔗是高效C4作物，光照強(qiáng)度和日照時數(shù)是影響其生長的重要?dú)夂蛞蜃?。光照?qiáng)度影響著甘蔗各器官與組織的正常發(fā)育，最終影響其抵御能力。同時，強(qiáng)光照會增強(qiáng)砍后露天堆放甘蔗的呼吸作用，提高相關(guān)酶的活性[26-27]，從而影響甘蔗葡聚糖含量。

2.2.4 土壤條件 甘蔗對土壤的適應(yīng)性大于氣候，但土壤條件仍會影響其發(fā)育。生產(chǎn)實(shí)踐表明，缺氮、鉀、鈣等主要元素或其他微量元素都易使甘蔗感染病蟲害[28]。土壤中富含鉀、鎂元素會減少甘蔗葡聚糖含量;土壤含鹽量高可能會降低細(xì)菌感染程度[29]。此外，植物生長調(diào)節(jié)劑可提高甘蔗的抗病及抗逆能力[30]，減少甘蔗微生物的感染和葡聚糖的生成。

2.2.5 夾雜物 蔗糖生產(chǎn)中的微生物主要來源于田間土壤、空氣及甘蔗組織。甘蔗入廠時夾雜的土壤、蔗葉等會影響甘蔗感染微生物變質(zhì)程度[31]。甘蔗含土量與葡聚糖含量有一定關(guān)系，含土量越多，生成的葡聚糖含量越多[32]。

2.3 損傷程度

2.3.1 頑性甘蔗 遭病蟲害、霜凍、火燒等災(zāi)害的頑性甘蔗因體內(nèi)細(xì)胞的活力、生理機(jī)能遭受破壞，導(dǎo)致其表皮破裂，抵抗力減弱，微生物入侵后很快劣化。Madaleno et al[33]報道了甘蔗被吹沫蟲入侵后隨著時間的延長，蔗汁品質(zhì)劣變，葡聚糖量增加?；馃岜砥ど夏芊蛛x出17種不同的微生物，與新鮮甘蔗對比，砍后在相同存放條件下，其葡聚糖生成速率更快[15]，存放48 h后，短、中段的火燒蔗葡聚糖含量是新鮮甘蔗葡聚糖含量的 3 倍左右，高達(dá)3 000 mg·kg-1[34]。Cuddihy et al[35]認(rèn)為即使甘蔗火燒后不砍，7 d 后其葡聚糖含量仍然會達(dá)到2 900 mg·kg-1。

2.3.2 收獲方式 甘蔗有人工砍收和機(jī)械收割兩種收獲方式。人工砍收的甘蔗2 h內(nèi)便會在斷口15 cm內(nèi)出現(xiàn)大量菌類繁殖，而機(jī)械收割比人工砍收更易感染微生物，且蔗段越短葡聚糖生產(chǎn)速率越快[34]。柳穎等[8]研究了機(jī)械收割與人工砍收兩種方式葡聚糖含量的變化，人工砍收的甘蔗在自然條件下存放48 h后葡聚糖含量為150 mg·kg-1，而機(jī)械收割的甘蔗48 h后葡聚糖含量則超過400 mg·kg-1，可見機(jī)械收割感染葡聚糖的速度是人工砍收的2-3倍。這可能是因?yàn)闄C(jī)械收割增加了甘蔗表皮傷口面積，為微生物入侵提供了繁殖生長條件。同時，機(jī)械收割也增加了入廠甘蔗的夾雜物，進(jìn)而引進(jìn)了更多微生物，造成葡聚糖量增加，糖分收回率降低。

3 甘蔗葡聚糖檢測技術(shù)

葡聚糖的實(shí)時監(jiān)測是甘蔗制糖生產(chǎn)控制的一個重要技術(shù)，但其含量卻是甘蔗制糖生產(chǎn)中難以監(jiān)控的盲點(diǎn)。依據(jù)抗體能特異性識別抗原物質(zhì)而不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的原理，α-葡聚糖與其相應(yīng)的抗體發(fā)生特異性的結(jié)合，形成一定的絡(luò)合物，產(chǎn)生濁度。當(dāng)抗體過量時，形成的濁度與α-葡聚糖含量成正比。因此，免疫比濁定量檢測法是解決葡聚糖快速、準(zhǔn)確定量檢測的方向。美國首先研制出葡聚糖檢測試劑盒，但由于種種原因，未能在中國糖廠推廣，也少見國外糖廠應(yīng)用的報道[36]。

α-葡聚糖特異性單克隆抗體的成功制備成為國內(nèi)首個快速準(zhǔn)確定量檢測葡聚糖的單克隆抗體免疫比濁檢測試劑盒[37-38]。利用單克隆抗體(抗體)和葡聚糖(抗原)之間的特異性反應(yīng)產(chǎn)生濁度來定量檢測甘蔗制糖過程中的葡聚糖含量，待測樣品只需簡單過濾，再通過抗體的標(biāo)定及樣品的測定等步驟，在3-5 min內(nèi)就能得出樣品中葡聚糖含量。該方法有顯著性差異的最小濃度為10 mg·L-1，線性范圍為10-500 mg·L-1，檢測結(jié)果不受樣品中色素、pH等影響[39]，可用于測定甘蔗原料、原糖、制糖中間物料、糖產(chǎn)品及副產(chǎn)品中葡聚糖含量。目前，隨著葡聚糖單抗試劑盒的成功研制，免疫比濁定量檢測法在國內(nèi)部分甘蔗制糖及煉糖行業(yè)得到應(yīng)用，其快捷、靈敏度高、適用范圍廣，且不需要特殊儀器和設(shè)備，有望在制糖行業(yè)推廣普及。

4 葡聚糖含量與甘蔗新鮮度的關(guān)系

甘蔗原料的新鮮度對其加工性具有較大影響。目前，國內(nèi)外對甘蔗品質(zhì)指標(biāo)研究主要集中在蔗糖分、還原糖、純度等固有成分上[40-41]。但甘蔗各固有成分的含量會隨品種、土壤、氣候、成熟程度等不同而變化，這種基于甘蔗固有成分的衡量標(biāo)準(zhǔn)對于甘蔗新鮮度評定存在缺陷。葡聚糖是評價甘蔗新鮮度的一個可靠指標(biāo)，跟甘蔗與制糖生產(chǎn)過程及產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)。

葡聚糖是甘蔗變質(zhì)時微生物直接消耗蔗糖的代謝產(chǎn)物。葡聚糖的產(chǎn)生不僅反映了蔗糖的生化損失，還與工藝過程中澄清、過濾、蒸發(fā)、結(jié)晶及產(chǎn)品質(zhì)量密不可分[1]。在正常生長的甘蔗中，葡聚糖是唯一一種在甘蔗收割后才出現(xiàn)的多糖，梁逸等 提出甘蔗變質(zhì)以微生物的破壞最為嚴(yán)重，由腸膜明串珠菌等細(xì)菌作用于蔗糖形成的葡聚糖是衡量甘蔗新鮮度的可靠指標(biāo)。用甘蔗或者蔗汁中葡聚糖的含量反映甘蔗生產(chǎn)中的變質(zhì)程度，對糖廠農(nóng)務(wù)管理、預(yù)測甘蔗的貯存期以及工藝調(diào)整都具有重要意義。

長期以來，國內(nèi)業(yè)界對葡聚糖這一重要生產(chǎn)指標(biāo)認(rèn)識不足，主要受葡聚糖檢測困難這一因素的制約。2014-2015年榨季，本課題組采用葡聚糖單克隆抗體試劑盒法檢測初壓汁、混合汁等物料中的葡聚糖含量。整個榨季的檢測情況表明，甘蔗初壓汁葡聚糖與收回率呈負(fù)相關(guān)(P＜0.05)(圖1)。因此，把葡聚糖作為評價甘蔗新鮮度的直接、可靠指標(biāo)，對糖廠農(nóng)務(wù)管理和生產(chǎn)管理都具有重要意義。

圖1 初壓汁葡聚糖含量與糖廠收回率關(guān)系Fig.1 Relationship between the dextran in initial pressed juice and the recovery rate of sugar refinery

5 展望

我國是世界上蔗糖生產(chǎn)和消費(fèi)大國，甘蔗作為主要的糖料作物，其品質(zhì)好壞直接影響甘蔗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？澈蟾收岬哪唾A藏性是影響甘蔗品質(zhì)的重要因素之一，而葡聚糖的形成與甘蔗生長田間因素有關(guān)，是甘蔗不耐貯藏的表現(xiàn)，其存在嚴(yán)重影響到甘蔗的質(zhì)量及加工性能。因此，在甘蔗日常檢測中，可運(yùn)用特異性葡聚糖單抗試劑盒定量檢測葡聚糖含量，通過葡聚糖評價原料甘蔗的新鮮度，實(shí)現(xiàn)對甘蔗質(zhì)量的把控。初壓汁葡聚糖含量較高時可使用葡聚糖酶分解清除，使生產(chǎn)更順暢，提高效率，降低成本，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。而在甘蔗品種選育方面，可以考慮把收割后葡聚糖形成的難易程度作為對甘蔗品種農(nóng)藝、工藝性狀的評價指標(biāo)之一。

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