甘蔗糖蜜沉析率的影響因素研究

蘇江濱，徐日益，尚紅巖，黃向陽

（廣州甘蔗糖業(yè)研究所，廣東省生物工程研究所，廣東 廣州 510316）

甘蔗糖蜜沉析率的影響因素研究

蘇江濱，徐日益，尚紅巖，黃向陽

（廣州甘蔗糖業(yè)研究所，廣東省生物工程研究所，廣東 廣州 510316）

通過酒精聚沉并反復洗滌所得甘蔗糖蜜膠體凝聚物經(jīng)電鏡能譜分析表明，除了粘性蛋白復合物、多糖碳水化合物外，還含有大量的K+、Ca2+、Na+鹽。由此可反映糖蜜自身所含無機鹽可破壞膠粒水化層且中和膠粒電荷，膠粒隨后克服分子間阻力并相互碰撞凝聚逐步析出，即表明糖蜜沉析是鹽析過程。進一步研究表明，pH、溫度、保溫時間對糖蜜沉析率基本無影響。在46～66°Bx間，糖蜜沉析率和錘度成正向線性關系，以糖蜜錘度為橫坐標（x）、沉析率為縱坐標（y），線性回歸方程為y=0.000908x－0.020157，R2=0.9999，溫度、保溫時間、pH對糖蜜沉析率基本無影響，最佳沉析條件為66°Bx、溫度和pH自然、靜置半小時，沉析率達3.96%。該沉析法簡單、節(jié)能、安全且能顯著提高甘蔗糖蜜的沉析率。

甘蔗糖蜜；膠體凝聚物；鹽析；沉析率

甘蔗糖蜜是制糖加工過程中產(chǎn)生的廢品，錘度80～90°Bx，含糖量約50%，用途廣泛，可作為碳源發(fā)酵制取酒精、單細胞蛋白、味精等［1-3］，經(jīng)過澄清處理可制作食用液體糖或牲畜飼料添加劑［4-5］，亦可從中提取色素和抗氧化劑［6-7］，甚至可作水泥緩凝減水劑［8-9］。糖蜜屬于膠體分散體系，膠體粒徑分布于1～100nm之間，大部分是由類果膠、糖和粘性蛋白構成的粘性復合物，每毫升糖蜜大概含有106個粒子［10］。糖蜜酒精發(fā)酵工業(yè)中，膠體是發(fā)酵罐、蒸餾塔結垢的主要誘因，膠粒還可以附著在酵母細胞表面，嚴重時甚至會促使細胞絮凝結團，從而大大降低發(fā)酵率，因此去除糖蜜膠體是提高糖蜜酒精發(fā)酵效率的有效途徑?？v觀國內外文獻，蔗汁或糖蜜膠體含量評價方法一般有兩種：一是添加酒精聚沉膠體后用濾紙過濾并用酒精脫糖后稱膠體干重［11］；二是間接采用膠體沉淀厚度、濕沉質量或上清液含糖量做為參考指標［12-13］。現(xiàn)階段研究者普遍采用磷酸-石灰法、高溫-硫酸法、聚丙烯酰胺法來去除糖蜜膠體［14-15］，但是殘留的添加助劑會給后期處理或食品安全帶來隱患［16］。其實糖蜜本身含有大量的鉀鈣金屬無機鹽，只需進行適當?shù)念A處理，便可使膠體鹽析，過程簡單、安全。本文首先改進了膠體凝聚物檢測方法，提高其準確性和重復性，初步分析膠體凝聚物的成份，并在此基礎上研究糖蜜錘度、溫度、加熱時間及pH對糖蜜沉析率的影響，建立最優(yōu)沉析工藝。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

主要試劑：糖蜜83.27°Bx，廣東三和酒精廠，去離子水，蒸餾水，無水酒精，濃鹽酸，α-萘酚。

主要儀器：恒溫干燥箱，恒溫水浴鍋，超聲波清洗儀，漩渦振蕩器，PAL-α迷你數(shù)顯折射儀，pH計，BS201S電子分析天平，TDL-5A離心機，掃描電鏡，能譜分析儀。

1.2 方法

1.2.1 糖蜜膠體凝聚物提取及檢測

酒精聚沉法［17-18］，稍作改進，筆者用4000rpm離心代替濾紙過濾，用超聲波振蕩代替玻璃棒攪拌，具體步驟如下：取烘干的15mL塑膠離心管1和2，取重量為0.9～1g糖蜜于離心管1，加去離子水約4.4～4.6g，加稀鹽酸調pH4.3～4.4，振蕩均勻，取2mL稀釋液4000rpm離心3min（此可除去不溶懸浮物），取上清液1.5mL糖蜜稀釋液于離心管2，于管2中慢慢加入無水酒精至11mL（邊加邊搖勻以免膠體和糖分結塊聚沉），振蕩10min，4000rpm離心3min，棄上清液，沉淀加10mL 90%酒精置于超聲波清洗儀中50℃振散5min，4000rpm離心3min，如此洗滌5遍以上，直至上清液不與萘酚-濃硫酸發(fā)生紫色反應，證明沉淀糖分洗脫完全，將沉淀置于50℃過夜干燥，制片后掃描電鏡觀察結構，能譜儀分析其元素組成。

1.2.2 糖蜜沉析率的測定

取重量為M的原糖蜜，經(jīng)過預處理（稀釋、酸化、加熱等）后置于離心管中2000rpm離心5min，棄上清液，沉淀加10mL90%酒精置于超聲波清洗儀中50℃振散10min，2000rpm離心5min，如此洗滌4遍以上，直至上清液不與萘酚-濃硫酸發(fā)生紫色反應，證明沉淀糖分洗脫完全，將含有沉淀物的離心管置于50℃過夜干燥至恒重，稱得干燥物重m，預處理糖蜜沉析率（g/g原蜜）=m/M。

1.2.3 錘度、溫度、保溫時間、pH影響因素實驗設計

將等量糖蜜分別用去離子水稀釋成70°Bx、67°Bx、66°Bx、60°Bx、53°Bx、46°Bx，pH自然于室溫25～30℃靜置半小時，測各組沉析率。

將等量糖蜜用去離子水稀釋成60°Bx，pH自然分別置于40℃、50℃、60℃水浴保溫半小時，對照組為自然溫度31℃，測各組沉析率。

將等量糖蜜用去離子水稀釋成60°Bx，pH自然置于60℃分別水浴0.5h、1h、1.5h、2h后，測各組沉析率。

為了避免因添加硫酸而析出硫酸鈣，采用鹽酸將等量60°Bx糖蜜稀釋液分別調 pH至4.0、3.62、3.13、2.85，對照組為自然pH5.21，于室溫靜置0.5～1h，測各組沉析率。

分析上述單因素實驗結果，建立最優(yōu)沉析工藝。

2 結果與分析

2.1 糖蜜膠體凝聚物成份初步分析

如圖1、2所示，膠體凝聚物呈現(xiàn)復雜的不規(guī)則狀態(tài)，由片狀物、晶狀物和不規(guī)則的小顆粒組成，通過表1、2可推斷其中除了含有蛋白復合物、類果膠等成份，還含大量K+、Ca2+、Na+等金屬鹽，也說明了金屬無機鹽無法通過90%酒精洗脫完全，側面反映了糖蜜沉析是鹽析的過程。

圖1 糖蜜膠體凝聚物樣品A的SEM/EDS分析

表1 樣品A的EDS分析

圖2 糖蜜膠體凝聚物樣品B的SEM/EDS分析

表2 樣品B的EDS分析

2.2 糖蜜錘度對沉析率的影響

圖3 糖蜜錘度對沉析率的影響

研究發(fā)現(xiàn)在46～66°Bx范圍內，沉析率和錘度呈正向線性關系，以糖蜜錘度為橫坐標（x）、沉析率為縱坐標（y），線性回歸方程為y=0.000908x－0.020157，R2=0.9999，推測隨著糖蜜錘度的增加，無機鹽濃度亦增加，在66°Bx時達到鹽析最佳濃度，沉析率達3.96%，當大于67°Bx時，沉析率開始下降，這是由于粘度太大，膠粒布朗運動被分子阻力所抑制，膠?；ハ嗯鲎矙C會隨之減少。

2.3 溫度對糖蜜沉析率的影響

如表3所示，隨著溫度從自然31℃升至60℃，沉析率從3.63%略降至3.56%，推測是由于隨膠體析出的金屬鹽呈高溫溶解的趨勢，根據(jù)SPSS方差分析表4可知P>0.05，說明溫度對沉析率的影響不顯著。糖蜜儲存于大型儲罐內，伴隨著耐高滲微生物釋放的生物熱和內部生化反應熱，溫度可達40℃以上，稀釋后通常都在30℃以上。因此選擇自然溫度既沉析率高又節(jié)能。

表3 溫度對糖蜜沉析率的影響

表4 溫度對沉析率的影響顯著性分析

2.4 保溫時間對糖蜜沉析率的影響

如表5所示，4種保溫時間對應的沉析率都在3.49%～3.50%，根據(jù)SPSS方差分析表6可知P>0.05，說明保溫時間對沉析率的影響不顯著。工業(yè)生產(chǎn)中使用100m3左右的酸化罐，體積大保溫效果好，一般一小時降溫的幅度很小，所以基本可以不考慮持續(xù)加熱保溫，只要初始溫度達到便可。

表5 保溫時間對沉析率的影響

2.5 pH對糖蜜沉析率的影響

pH即等電點普遍被認為是影響膠體聚沉的重要因素，但本研究結果卻相反，如表7所示：當pH2. 85～5.21時，沉析率處于3.48%～3.50%，工業(yè)中糖蜜用于發(fā)酵生產(chǎn)酒精時pH調至3～5，推測糖蜜等電點不在此pH范圍內，根據(jù)SPSS方差分析表8可知P>0.05，說明pH對沉析率的影響不顯著。目前糖蜜酒精無酸發(fā)酵技術倍受青睞，因此選擇pH自然既可以節(jié)省硫酸又環(huán)保。

表6 保溫時間對沉析率的影響顯著性分析

表7 pH對沉析率的影響

表8 pH對沉析率的影響顯著性分析

3 結論與探討

傳統(tǒng)酒精聚沉法是添加酒精聚沉膠體后用濾紙過濾并用酒精洗凈烘干后稱干重，但膠體沉淀物是粘性物質，過濾時會強力粘附于濾紙，以至于難以攪勻并洗脫摻雜于沉淀物內部的糖分，攪拌的同時還伴有物料損失，導致實驗數(shù)據(jù)的準確性和重現(xiàn)性很差；筆者用4000rpm離心代替濾紙過濾、用超聲波振蕩代替玻璃棒攪拌洗脫糖分，從表3、5、7的三次重復實驗數(shù)據(jù)可知準確性和重現(xiàn)性大大提高。甘蔗糖蜜膠體凝聚物經(jīng)電鏡能譜分析得知，不但含有粘性蛋白、果膠多糖類等有機物，而且含有大量的鉀、鈣、鈉金屬無機鹽，反映了糖蜜沉析是鹽析的過程。因此傳統(tǒng)的酒精聚沉法所得糖蜜膠體凝聚物是膠體和金屬鹽的混合物，并不能表征純膠體總量，只能作為不同類別糖蜜的膠體含量的橫向對比指標。想要測純膠體含量，須用透析技術將金屬鹽除去，分析糖蜜內膠體分子量分布范圍和含量也是下一步研究計劃內容。

相比熱酸法、聚丙烯酰胺法等，該沉析法簡單、節(jié)能、安全。在46～66°Bx范圍內糖蜜沉析率和錘度有正向線性關系，以糖蜜錘度為橫坐標（x）、沉析率為縱坐標（y），線性回歸方程為y=0.000908x－0.020157，R2=0.9999；當溫度處于31～60℃之間，溫度和保溫時間對沉析率基本無影響；當pH處于2.85～5.21時，pH對沉析率基本無影響。最佳沉析條件是66°Bx，溫度和pH自然，靜止半小時，沉析率可顯著提高至3.96%。本研究為糖蜜脫膠和除灰工藝工業(yè)應用提供了重要依據(jù)。

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Study on the influence factors of precipitation rate of sugarcane molasses

Su Jiang-bin，Xu Ri-yi，Shang Hong-yan，Huang Xiang-yang
（Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute，Guangzhou 510316，China）

As little as 0.008%of molasses colloids have an unfavorable effect to the yeast cells，therefore it is a useful approach in increasing the alcohol productivity by removing the molasses colloids.SEMEDS analysis showed that the precipitate formed by alcohol addition consisting of potassium、calcium、sodium salts and colloidal particles.It revealed that precipitation was a complex process mixed with?colloids and metal saults aggregation.In other words，the precipitation process is salting out.Further study showed that pH、temperature and soaking time had few effect on the colloidal precipitation rate.In a range from 46 to 66°Bx，the colloidal precipitation rate rose in step with the molasses brix，the equation was y=0.000908x－0.020157，R2=0.9999.The optimum conditions for precipitation were leaving the 66° Bx molasses with natural pH for half an hour at the natural temperature，and the colloidal precipitation rate was amount to 3.96%.This method was simple、energy-saving and safe，which also increased the precipitation rate significantly.

sugarcane molasses，colloidal agglomerate，salting out，precipitation rate

TS244

B

2016-08-12

廣東省省級科技計劃項目（2013B010102002；2014A010107017；2016B070701005），廣東省科學院科研平臺環(huán)境與能力建設專項資金項目（2016GDASPT-0208）。

蘇江濱（1982-），男，福建人，工程師，研究方向：發(fā)酵工程。

徐日益（1984-），男，江西人，工學碩士，高級工程師，研究方向：發(fā)酵工程。Email:scutriyal@163.com