酶制劑在蔗汁澄清工藝中的研究進展

陳帥，劉煒熹，劉磊，李思佳，孫衛(wèi)東

(廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院，南寧 530004)

白糖作為一種甜味劑被廣泛添加到各類食品中，它不僅可以提供能量，而且可以賦予食品特殊的口感，一直深受廣大群眾的喜愛。目前，我國甘蔗制糖企業(yè)大多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的亞硫酸法工藝，即直接生產(chǎn)白糖。在制糖中必須對壓榨甘蔗汁中富含的果膠質(zhì)、淀粉、葡聚糖、色素及灰分等雜質(zhì)進行澄清除雜，經(jīng)分離提純或重結(jié)晶制取白砂糖或精制糖?？傮w來講，我國生產(chǎn)的白砂糖與國際糖相比，國產(chǎn)成品白砂糖的品質(zhì)往往低于國際精制糖的品質(zhì)，因此在生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量方面具有很大的提升和改進空間[1]。

20世紀60年代就有相關(guān)研究報道在制糖工藝中使用酶制劑進行輔助澄清處理。相比于國外，國內(nèi)有關(guān)酶在制糖企業(yè)中的研究起步較晚，但近些年的發(fā)展較快，特別是酶在甘蔗制糖澄清工藝中的研究。本文主要介紹了國內(nèi)酶制劑在蔗汁方面的相關(guān)研究及國外近5年有關(guān)酶制劑的研究領(lǐng)域及方向。

1 國內(nèi)酶制劑在蔗汁澄清方面的研究

1.1 單一性酶制劑的應(yīng)用研究

亞硫酸法甘蔗制糖中用于澄清除雜工藝階段常用的單一酶主要有淀粉酶、葡聚糖酶、果膠酶、過氧化物酶等[2,3]。

1.1.1 淀粉酶

淀粉酶的作用是清除蔗汁中的淀粉成分(尤其是直鏈淀粉)，避免因淀粉過量所造成的成品白砂糖渾濁和酸性絮凝物超標等問題，確保白砂糖成品質(zhì)量穩(wěn)定達標。相關(guān)研究表明，主要運用的是α-淀粉酶。

黎慶濤等[4]在甘蔗蔗汁的混合汁中加入耐高溫的α-淀粉酶，對不同地域采收甘蔗的壓榨混合汁進行研究，在不同的酶制劑添加劑量、相應(yīng)酶解作用的pH值、作用時間和酶解溫度等技術(shù)參數(shù)的作用下，研究了淀粉酶對混合汁中淀粉的除雜率；結(jié)果顯示：添加的高溫α-淀粉酶的劑量大小與所去除的淀粉的降解率高低成正比。最佳酶解工藝參數(shù)為：淀粉酶劑量200 U/mL，pH值5.6～6.0，酶解溫度區(qū)間30～100 ℃。淀粉的降解率均超過72%。

班甲等[5]在亞硫酸工藝中加入了耐高溫的淀粉酶，并分析了酶在亞硫酸澄清中的加入點。結(jié)果表明，第一個加入點在煮糖罐中，溫度為70 ℃左右，pH為6.5左右，符合淀粉酶作用要求，環(huán)境條件維持時間長，有利于淀粉的充分降解；第二個加入點為：蔗汁從預(yù)灰后到二次加熱前的pH始終保持在7左右，溫度保持在40～60 ℃之間，同樣符合淀粉酶作用要求，且蔗汁錘度相比糖漿較低，溶質(zhì)分散性好，有利于酶與淀粉充分反應(yīng)。

1.1.2 葡聚糖酶

葡聚糖酶又稱右旋糖酐酶。甘蔗在收割后變質(zhì)的主要原因是沾染明串珠桿菌，從而發(fā)酵生成了右旋糖酐形式的葡聚糖。葡聚糖呈膠粘狀，嚴重阻礙澄清過濾。葡聚糖酶能針對性地水解、清除蔗汁中的葡聚糖雜質(zhì)，降解生產(chǎn)過程中的“蔗飯”，其中起主要作用的是α-葡聚糖酶[6]。

岑成福[7]以蔗汁為底物，研究了葡聚糖酶的適宜反應(yīng)溫度、pH、反應(yīng)時間、酶劑量等，在單因素的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面分析建立了葡聚糖酶降解蔗汁中葡聚糖的數(shù)學(xué)模型，并優(yōu)化得到最佳酶解工藝條件：酶劑量為0.05 U/mL，pH為5.3，反應(yīng)時間為14.9 min，反應(yīng)溫度為51.40 ℃。并在甘蔗制糖生產(chǎn)過程中進行了應(yīng)用研究，確定加酶點為壓榨過程。研究表明，添加100 U/L的葡聚糖酶，混合汁的葡聚糖含量降低67.3%、清汁、糖漿、廢蜜及白砂糖的葡聚糖含量降低95%以上；葡聚糖酶結(jié)合亞硫酸法澄清工藝，清混汁純度差從2.54升至3.38，提高了0.84個百分點；加酶使清汁的渾濁度降低了19.1%；色值變化不明顯。

陸海勤等[8]利用細麗毛殼菌發(fā)酵生產(chǎn)的α-葡聚糖酶粗酶液在甘蔗蔗汁中的應(yīng)用進行了研究，結(jié)果表明，在混合汁中添加粗酶液后再經(jīng)過亞硫酸法澄清工藝，添加葡聚糖酶液的混合汁沉降速度與過濾速度提高30%～40%，清汁渾濁度降低60%，清汁葡聚糖含量減少20%；添加酶液后，除去了糖汁中的部分葡聚糖，減少了葡聚糖對旋光讀數(shù)的影響，雖然用旋光法測定的糖汁的純度有所下降，但是高效液相色譜法的測定結(jié)果表明糖汁中的蔗糖含量并未減少，因此葡聚糖酶的加入對蔗糖無影響。

賀湘[9]在α-葡聚糖酶在甘蔗制糖中的應(yīng)用及其酶解體系特性研究中，研究了葡聚糖酶在甘蔗混合汁澄清中的應(yīng)用。首先分析了在自然靜置條件下混合汁中葡聚糖含量、過濾速度等指標的變化，通過單因素實驗和響應(yīng)面分析對工藝條件進行了優(yōu)化，得到了葡聚糖酶降解混合汁中葡聚糖的最佳酶解工藝。再結(jié)合糖廠實際生產(chǎn)，提出可供糖廠應(yīng)用葡聚糖酶降解葡聚糖的工藝條件為：酶劑量10～15 mg/kg，酶解pH 5.0～6.0，酶解溫度50～65 ℃，酶解時間10～15 min。在模擬糖廠實際生產(chǎn)流程中，在最佳酶解范圍內(nèi)進行實驗驗證，清汁葡聚糖含量降低61.32%，沉降時間減少13.30%，簡純度提高0.65%，而pH、錘度無明顯變化。

梁達奉[10]在α-葡聚糖酶的基因工程菌構(gòu)建、發(fā)酵及其應(yīng)用研究中，通過基因工程技術(shù)、酶工程技術(shù)實現(xiàn)了α-葡聚糖酶在畢赤酵母中的組成型表達。構(gòu)建了pGAPZaA-DEX重組質(zhì)粒，進而構(gòu)建了KM71H/pGAPZaA-DEX畢赤酵母工程菌，發(fā)酵罐流加培養(yǎng)KM71H/nGAPZaA-DEX α-葡聚糖酶的活力最高可達398 U/mL，并運用在制糖工藝過程中，利用葡聚糖酶直接分解去除葡聚糖，在實驗室和糖廠模擬生產(chǎn)工藝試驗，證明α-葡聚糖酶的添加顯著提升了蔗汁的澄清效果。1 U/mL的α-葡聚糖酶，酶解5 min即可使蔗汁的粘度降低53.57%，葡聚糖去除率達58%以上。使用α-葡聚糖酶可使蔗汁澄清的多項指標得到明顯的改善，蔗汁中葡聚糖含量越高，降粘效果和葡聚糖去除率越明顯。

1.1.3 果膠酶

果膠酶是指能分解果膠物質(zhì)的多種酶的總稱，其中最有應(yīng)用價值的是內(nèi)聚半乳糖醛酸酶(endo-PG)、外聚半乳糖醛酸酶(exo-PG)和果膠酯酶(PE)。在食品行業(yè)應(yīng)用廣泛，其主要用于降解果膠物質(zhì)[11-13]，對降低粘度、提高糖澄清度有著顯著作用。

陳健旋[14]在應(yīng)用果膠酶澄清甘蔗汁的研究中，以甘蔗為原料，采用果膠酶和自然澄清方法進行甘蔗汁澄清比較，結(jié)果表明，酶促效果好于自然澄清法，100 mL甘蔗汁添加200 U果膠酶在25 ℃，12 h或45 ℃，1 h條件下，均可使甘蔗汁的澄清度由5%提高到95%，同時粘度也明顯降低。

楊敏[15]以吉氏芽抱桿菌菌株發(fā)酵生產(chǎn)堿性果膠酶為基礎(chǔ)，研究了堿性果膠酶在蔗汁澄清過程中的應(yīng)用，對堿性果膠酶粗酶液在蔗汁中的應(yīng)用條件進行了研究，經(jīng)響應(yīng)曲面優(yōu)化法分析得酶反應(yīng)條件：當(dāng)溫度為47 ℃，時間為30 min，pH為9.3，每100 mL蔗汁中酶的添加量為3 mL(144 U)時，蔗汁的粘度由4.60 mPa·s降至1.13 mPa·s，透光率由24.1%增加到88.5%。初步測定每100 mL蔗汁的粗果膠含量為565 mg，錘度為18.42 °Bx，經(jīng)過酶反應(yīng)作用后果膠含量降低85.8%；證明經(jīng)真空冷凍干燥，酶的總活力和比活力都高于未干燥的酶液。

1.1.4 過氧化物酶

酚類物質(zhì)是蔗汁中主要的有色物質(zhì)，主要由甘蔗自身帶入。多數(shù)酚類化合物不僅自身有顏色，在生產(chǎn)過程中也會發(fā)生氧化反應(yīng)形成深色物質(zhì)。過氧化物酶主要用于除酚脫色，提高白砂糖的色值。相對于傳統(tǒng)的亞硫酸法，酶制劑降低了硫熏和亞硫酸鈣的使用量，從而有利于降低硫的殘留量。

陸海勤等[16]通過辣根過氧化物酶(HRP)催化H2O2氧化多元酚類物質(zhì)，用HRP處理亞硫酸法糖廠的混合汁、清汁、糖漿，考察其對糖汁的脫色效果。試驗結(jié)果表明，酶法的最佳除酚脫色工藝條件為：HRP酶活261.5 U/mg，pH值5.0，工作溫度30 ℃，H2O2用量1 mL。其中糖漿的脫色效果最佳，酶解反應(yīng)僅30 min，含酚量降低了76.07%，脫色率達51.42%，此法除酚脫色的作用顯著。陸海勤等[17]用酶催化H2O2法對糖汁進行脫色試驗研究，在以糖料甘蔗或甜菜為原料的制糖生產(chǎn)澄清工序中，利用過氧化物酶配合H2O2進行了壓榨糖汁的脫色試驗。先用軟化水對過氧化物酶和H2O2進行稀釋、配制、混合(比例為1∶8～8∶1)得到過氧化物酶混合液，并加至壓榨糖汁中酶解其中的多元酚類物質(zhì)，結(jié)果表明，可有效降低白糖色值，減少有害殘硫，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

1.2 復(fù)合酶制劑的應(yīng)用研究

在實際應(yīng)用中，一種酶往往不能達到理想的澄清效果。近年來，有人研究了復(fù)合酶制劑用于除去制糖過程中存在的雜質(zhì)。

楊濤[18]在亞硫酸法工藝研究的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種由葡聚糖酶、果膠酶、漆酶、木聚糖酶、還原糖氧化酶、淀粉酶及抗氧化劑組成的用于甘蔗制糖色值優(yōu)化的復(fù)合酶系。該酶系在用量為6～8 mL/t混合汁時，能有效降解蔗汁中的果膠、花色素、蛋白質(zhì)、淀粉、葡聚糖、半纖維素等大分子粘性物質(zhì)及色素。

趙振剛等[19]發(fā)明了一種制糖工業(yè)復(fù)合酶澄清劑及制備方法，該復(fù)合酶澄清劑包括α-葡聚糖酶、果膠酶、淀粉酶、纖維素酶和水，使用量為10～30 mg/kg混合汁。該復(fù)合酶制劑能有效強化糖汁的清凈效率，降低糖液的粘度，加快過濾與沉降速度，提高糖品品質(zhì)。

王晨曦[20]在固定化酶處理蔗汁的研究中，以氧化改性蔗渣纖維素將游離的酶固定化(耐高溫α-淀粉酶和果膠裂解酶)，用兩種固定化后的酶處理蔗汁混合汁，并與游離酶的處理效果進行對比研究，結(jié)果表明，采用固定化酶處理混合汁，處理后蔗汁的錘度和簡純度變化較小，且能達到較好的澄清效果，色值降低程度也大于游離酶。

2 國外近些年酶制劑在蔗汁澄清方面的研究

本文研究了國外近5年有關(guān)酶制劑的相關(guān)報道，發(fā)現(xiàn)近5年國外在果膠酶方面的研究重點在食品加工領(lǐng)域，特別是在果汁的加工澄清過程方面相關(guān)的報道較多，而在制糖方面關(guān)于蔗汁澄清的報道較少。

國外近些年對于酶制劑的有關(guān)報道主要在果汁澄清的過程方面，如香蕉汁、西瓜汁、蘋果汁和葡萄汁等[21-23]。研究結(jié)果表明，果膠酶對于果汁具有很好的澄清效果，在經(jīng)果膠酶處理后能有效降解多糖，導(dǎo)致粘度降低，濁度和吸光度值增加，果汁回收率增加，總?cè)芙庑怨腆w含量增加等。近5年國外的研究者還找到一些產(chǎn)果膠酶的新型微生物，如嗜熱鏈球菌的分化菌株SD和黑曲霉等。Dal Magro L等[24]通過共價結(jié)合法和交聯(lián)法把果膠酶和纖維素酶固定化到磁性分子上，從而得到一種新的澄清劑。在澄清完成后，通過外加磁場的方法回收該澄清劑并加以重復(fù)利用，大大節(jié)約了購買酶制劑的成本。

對于有關(guān)蔗汁澄清的研究，Santos Gaschi P等[25]利用陶瓷膜微過濾(Al2O3/TiO2)和超濾技術(shù)澄清甘蔗汁，實驗結(jié)果表明，陶瓷膜能夠去除膠體顆粒，使透明滲透汁的顏色減少[26]。Mohammed H等[27]做了關(guān)于陰離子磷酸鹽優(yōu)化的聚丙烯酰胺絮凝劑(APF)用于甘蔗汁澄清的復(fù)合設(shè)計。研究確定以陰離子磷酸鹽為P2O5和聚丙烯酰胺絮凝劑(APF)可以產(chǎn)生最佳的澄清效果。

3 結(jié)語

國內(nèi)外將酶制劑用于澄清的相關(guān)報道已經(jīng)很多，并且相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)也相當(dāng)成熟，但大多數(shù)都是酶制劑的應(yīng)用，對于酶制劑用于澄清機理方面的研究卻鮮有見聞，因此對于酶制劑的澄清機理方面，特別是復(fù)合酶制劑的澄清機理，還需要進一步深入的研究；其次，從經(jīng)濟方面考慮，對酶制劑進行回收及再利用也是一個挑戰(zhàn)，雖然近些年提出了對酶的固定化，但由于支撐材料的限制，一直不能得到廣泛應(yīng)用。因此，找到一個合適的固定化材料也是一個研究熱點。