葡聚糖對原糖精煉過程的影響

常國煒，劉桂云，黎志德，柳穎，傅明輝，梁達(dá)奉*

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 生物醫(yī)藥學(xué)院，廣州 510006；2.廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所) 中國輕工業(yè)甘蔗制糖工程技術(shù)研究中心 廣東省酶制劑與生物催化工程技術(shù)研究中心，廣州 510316)

制糖工業(yè)常說的葡聚糖指的是右旋糖酐，是一種由某些細(xì)菌，如腸膜狀明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)發(fā)酵蔗糖產(chǎn)生的多糖。根據(jù)發(fā)酵菌株和條件的不同，葡聚糖的結(jié)構(gòu)和分子量都存在一些差異，一般具有水溶性[1-5]。我國煉糖廠的原料一般采用進(jìn)口原糖，其原料甘蔗一般采用機(jī)械收割，可能還進(jìn)行過火燒處理，造成甘蔗傷口很多，故原料葡聚糖含量較高。葡聚糖的存在會增大糖液的粘度[6]，導(dǎo)致很多不良影響，包括影響澄清效果、減慢過濾速度、延長煮糖時間、阻礙晶體生長、導(dǎo)致晶體變形、限制產(chǎn)品應(yīng)用等。國內(nèi)外已有多篇綜述提及了葡聚糖對甘蔗制糖和煉糖的不良影響[7,8]，也有一些針對蔗糖結(jié)晶工藝過程的實驗室模擬試驗[9,10]，但鮮見針對精煉糖廠進(jìn)行整體大規(guī)模生產(chǎn)試驗的報道[11,12]，無法得到葡聚糖在煉糖過程中的不良影響充分的數(shù)據(jù)支持。

葡聚糖酶(EC 3.2.1.11)是能專一催化水解葡聚糖的生物制劑，在國外早已商品化[13]，近年來國內(nèi)也有相關(guān)研究并進(jìn)行中試生產(chǎn)[14,15]。同時，有關(guān)葡聚糖的檢測手段也逐漸發(fā)展，其中，免疫比濁法[16]具有測定時間短、準(zhǔn)確度高、測定條件簡單的優(yōu)點，使精煉糖廠將葡聚糖含量檢測作為日常檢測指標(biāo)成為可能。本試驗由對葡聚糖酶和葡聚糖單克隆抗體試劑盒有長期深入研究的廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所)提供相關(guān)試劑和儀器，進(jìn)行統(tǒng)計時長共30 d的精煉糖廠試驗，通過對比高葡聚糖濃度環(huán)境試驗期和低葡聚糖濃度環(huán)境試驗期的數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)線中研究葡聚糖對原糖精煉過程的影響。

1 材料與方法

1.1 主要材料及儀器

試驗地點位于廣西某精煉糖廠生產(chǎn)線，設(shè)計投糖量為1000 t/d；葡聚糖酶制劑(100000 U/mL，最適反應(yīng)溫度和pH分別為55 ℃和5.5；酶學(xué)定義：每分鐘催化葡聚糖T-2000生成1 mol還原糖所需的酶量為1個活力單位)、葡聚糖單克隆抗體試劑盒、濁度儀，均由廣東省生物工程研究所(廣州甘蔗糖業(yè)研究所)提供；其余試劑均為國產(chǎn)分析純試劑；其余儀器均為國產(chǎn)常規(guī)儀器。

1.2 試驗方法

本次大規(guī)模試驗嘗試在原糖精煉生產(chǎn)線中營造高葡聚糖濃度環(huán)境試驗期(以下簡稱為高葡聚糖期)和低葡聚糖濃度環(huán)境試驗期(以下簡稱為低葡聚糖期)，對比兩試驗期的關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)，得出葡聚糖對原糖精煉過程的影響。由于不可能找到只有葡聚糖含量不同但其余物質(zhì)含量均相同的兩批原糖，所以整個試驗只能用同一批原糖作為原料，保證原料供應(yīng)這一關(guān)鍵因素不變，并選擇在生產(chǎn)線前端不添加或添加葡聚糖酶的方法，營造出高葡聚糖濃度或低葡聚糖濃度的生產(chǎn)環(huán)境。整個試驗共30 d，分成各15 d的兩個試驗期：高葡聚糖期和低葡聚糖期。

高葡聚糖期：由于原料帶有葡聚糖，且正常生產(chǎn)工藝無法完全清除葡聚糖，所以整個生產(chǎn)流程都受到了高濃度葡聚糖的影響。

低葡聚糖期：在正常穩(wěn)定生產(chǎn)的同時，在第二原糖溶解箱連續(xù)、勻速地加入葡聚糖酶制劑，添加速度為370 mL/h。此舉旨在生產(chǎn)前端盡量降解葡聚糖，減弱其對生產(chǎn)的影響。為了得到更有代表性的數(shù)據(jù)，在試驗開始前3 d開始連續(xù)加酶，使整條生產(chǎn)線各工序都處于低葡聚糖濃度環(huán)境。

試驗期間，按表1進(jìn)行取樣和測定，測定方法見表2，除測定葡聚糖含量的免疫比濁法外，其他指標(biāo)的檢測方法均為常規(guī)糖廠日常檢測方法，故具體步驟省略。

表2 不同項目的檢測方法Table 2 Testing methods for different items

表1 取樣方法和測定項目Table 1 Sampling methods and measurement items

除測定以上指標(biāo)外，再收集投糖量、產(chǎn)糖量、產(chǎn)糖蜜量等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。全部試驗結(jié)束后，對比兩個試驗期的各項數(shù)據(jù)，得出葡聚糖對原糖精煉的影響情況。

1.3 糖廠工藝及技術(shù)路線

糖廠工藝及技術(shù)路線見圖1。

圖1 糖廠工藝及技術(shù)路線Fig.1 Sugar refining process flow diagram

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗設(shè)計的合理性分析

兩試驗期的原料葡聚糖含量相近(見表3)，經(jīng)過顯著性檢驗，p=0.235>0.05，說明兩試驗期的原料葡聚糖含量無顯著性差異，這是由于兩試驗期使用同一批原糖，保證了原料供給的一致性。低葡聚糖期各糖漿和糖蜜的葡聚糖含量均大幅低于高葡聚糖期，成品精糖更是未檢出葡聚糖，說明在該工藝條件下，葡聚糖酶發(fā)揮了作用，去除了部分葡聚糖，營造出低葡聚糖濃度的生產(chǎn)環(huán)境。但是，煮糖系統(tǒng)物料的葡聚糖并未完全清除，這可能是由于葡聚糖酶在溶糖箱中停留時間不長，沒有足夠的時間將葡聚糖完全降解。盡管如此，兩試驗期的葡聚糖差異已經(jīng)非常大，可認(rèn)為是兩個具有顯著性差異的試驗期，故可視為關(guān)于葡聚糖含量的單因素試驗。

表3 兩試驗期的原料、糖漿及產(chǎn)品葡聚糖含量平均值Table 3 The average of dextran content in raw material, molasses, final product in the two experimental periods

2.2 葡聚糖對澄清的影響

衡量澄清效果最直接的指標(biāo)是脫色率。高葡聚糖期的樹脂脫色率和總脫色率分別降低3.2%、0.4%、1.0%(見表4)，這說明高濃度葡聚糖主要影響碳飽充過程的脫色效果，對樹脂吸附影響不太大。張平軍[17]研究了葡聚糖分子量對模擬煙道氣飽充糖液生成的碳酸鈣物化性質(zhì)的影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)糖液中存在小分子量葡聚糖時，飽充所生成的碳酸鈣顆粒呈分叉鐘乳石狀，弦長范圍和不加權(quán)中位數(shù)弦長較大，這一變化有利于糖液清凈。在降解期加入的葡聚糖酶可以降低葡聚糖分子量，使碳酸鈣顆粒發(fā)生有利于糖液清凈的變化。相對而言，存在期的葡聚糖分子量較大，使碳酸鈣顆粒變成不規(guī)則狀，弦長范圍和不加權(quán)中位數(shù)弦長變小，不僅無法使碳酸鈣顆粒形態(tài)發(fā)生有利于糖液清凈的變化，而且大分子量葡聚糖還增加了糖液粘度，使澄清效果進(jìn)一步惡化。

物料經(jīng)過樹脂脫色后便蒸發(fā)濃縮，成為R1糖漿，故R1糖漿的簡純度亦可說明澄清工藝的效果。R1糖漿的簡純度在存在期下降了0.23%(見表4)，經(jīng)顯著性檢驗，p=0.002<0.01，表明兩試驗期數(shù)據(jù)有極顯著差異，進(jìn)一步說明了葡聚糖會惡化澄清效果。

表4 脫色率和R1糖漿簡純度變化情況Table 4 Change of decolorization ratio and apparent purity of R1 molasses %

2.3 葡聚糖對煮糖的影響

煮糖工序是精糖生產(chǎn)過程的決定性工序，其工作結(jié)果的好壞直接決定精糖的產(chǎn)量和質(zhì)量。通過七系煮糖的各糖漿簡純度見表5。

表5 各系糖漿及糖蜜簡純度的變化情況Table 5 Change of apparent purity of syrups and final molasses %

由表5可知，高濃度葡聚糖使前期的糖漿純度下降而后期的顯著上升，經(jīng)顯著性檢驗，R1糖漿、C糖漿和糖蜜的p值分別為0.002，5×10-5和0.044，分別達(dá)到極顯著差異、極顯著差異和顯著差異。前期糖漿純度下降導(dǎo)致成品糖產(chǎn)量減少，后期糖漿純度上升導(dǎo)致更多蔗糖從糖蜜中損失，而從產(chǎn)糖率和糖蜜損失蔗糖量對糖比這兩組統(tǒng)計數(shù)據(jù)中也證明了這一點，見表6。所以，高葡聚糖濃度會惡化煮糖環(huán)境，降低煮糖效率，增加蔗糖損失，從而降低企業(yè)生產(chǎn)效益。

表6 產(chǎn)糖率和糖分損失變化情況Table 6 Change of sugar yield and sugar loss

由表7可知，高葡聚糖濃度對前期的煮糖時間基本沒有影響，只對后期的煮糖時間有一定影響，但經(jīng)過顯著性檢驗，兩試驗期的各系煮糖時間均無顯著性差異，這與實驗室試驗的“葡聚糖存在會導(dǎo)致煮糖時間延長”這一結(jié)論不符。究其原因，糖廠有嚴(yán)格的煮糖制度，需要保證產(chǎn)品符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和平衡生產(chǎn)，而實驗室用于研究煮糖的儀器并非專業(yè)的制糖設(shè)備，設(shè)備構(gòu)造和生產(chǎn)規(guī)模與糖廠設(shè)備差距較大，所以導(dǎo)致了不同的結(jié)論。

表7 各系煮糖時間的變化情況Table 7 Change of cooking time min

2.4 葡聚糖對成品糖質(zhì)量的影響

根據(jù)葡聚糖對澄清、煮糖的不良影響，可以考慮到會連鎖反應(yīng)般影響精糖質(zhì)量。由表3可知，高葡聚糖期由于R1和R2糖漿葡聚糖濃度高，結(jié)晶時將部分葡聚糖吸附和包藏在晶體中，使糖精帶有葡聚糖，這將限制精糖的適用范圍。而低葡聚糖期R1和R2糖漿的葡聚糖濃度和分子量均較低，所以結(jié)晶時沒有帶到產(chǎn)品中。除了葡聚糖含量這一質(zhì)量指標(biāo)，雖然葡聚糖對于其他質(zhì)量指標(biāo)的影響不一(見表8)，但影響程度不大，整體質(zhì)量情況沒有受到嚴(yán)重影響，這可能得益于嚴(yán)格的制糖制度，保證了成品的質(zhì)量。

表8 精糖質(zhì)量變化情況Table 8 Change of quality of refined sugar

3 結(jié)論

通過大量數(shù)據(jù)分析可知，在原糖精煉中，原糖給生產(chǎn)引入大量葡聚糖，葡聚糖的存在減弱了澄清和脫色的效果，直接導(dǎo)致糖漿的純度下降。糖漿純度下降和葡聚糖的存在必然影響煮糖效果，使成品帶有葡聚糖，限制應(yīng)用，并降低中間制品質(zhì)量和煮煉回收。低質(zhì)量的中間制品通過洗蜜、回溶等途徑繼續(xù)影響生產(chǎn)前端，造成惡性循環(huán)。綜上所述，葡聚糖是能影響整個原糖精煉系統(tǒng)的雜質(zhì)，降解葡聚糖對優(yōu)化整個制糖系統(tǒng)有重大意義。