蔗汁中葡聚糖清除技術(shù)和效果研究

王鞠萱，黃振軍，馬海峰

(1云南英茂糖業(yè)(集團(tuán))有限公司，云南昆明650228；2云南西雙版納英茂糖業(yè)有限公司，云南景洪666100；3英茂糖業(yè)勐捧糖業(yè)有限責(zé)任公司，云南勐臘666300)

0 引言

正常生長(zhǎng)的甘蔗收獲前一般不含葡聚糖，但甘蔗受刀砍、火燒、霜凍、砍收后放置時(shí)間長(zhǎng)、氣溫高或空氣濕度較高等因素影響，會(huì)因腸膜串珠菌等微生物作用而形成葡聚糖。制糖生產(chǎn)過(guò)程中糖汁也會(huì)受感染而形成葡聚糖。制糖過(guò)程中出現(xiàn)的葡聚糖又稱右旋糖酐，俗稱“蔗飯”(以下統(tǒng)稱葡聚糖)，它是葡萄糖的高分子縮合物，相對(duì)分子質(zhì)量由數(shù)萬(wàn)到數(shù)百萬(wàn)，呈膠粘狀，粘度隨分子量和濃度的增加而增加。葡聚糖的存在對(duì)制糖過(guò)程造成極大的不利，粘度的增加效應(yīng)明顯，由此引起的糖分損失非常顯著。克拉克對(duì)葡聚糖問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的研究，砍下的長(zhǎng)條甘蔗，1 h內(nèi)葡聚糖很少，但24 h后葡聚糖增加至0.074%Bx，每千克蔗汁中葡聚糖含量每增加250 mg，意味著蔗糖損失增加0.1%[1]。從蔗汁到產(chǎn)品，制糖工藝過(guò)程自始至終存在著葡聚糖引起的不良影響，葡聚糖會(huì)引起糖分損失，明顯增大糖液的粘度，降低糖液的過(guò)濾性，使蔗糖結(jié)晶時(shí)生成異常形態(tài)的晶體，蔗糖回收率減少，制糖能耗增加，同時(shí)也影響成品糖的品質(zhì)和產(chǎn)品的適用性[2-3]。如何消除或減少葡聚糖對(duì)制糖工業(yè)的負(fù)面影響一直受到糖業(yè)界的重視，也采取了一定的措施，如做好生產(chǎn)車(chē)間衛(wèi)生管理，使用殺菌劑等以減少生產(chǎn)過(guò)程葡聚糖的產(chǎn)生，但要減少或清除甘蔗中生成的葡聚糖，目前最有效的方法就是使用葡聚糖酶[4-5]。根據(jù)2018/19年榨季和2019/20年榨季云南勐捧糖廠采用抗體法對(duì)初壓汁和混合汁的檢測(cè)葡聚糖含量的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，榨季后期(進(jìn)入 4月份)初壓汁和混合汁葡聚糖含量明顯偏高。2020年3月24日至4月16日因新冠肺炎疫情防控的需要邊境口岸封關(guān)，該糖廠停榨(該廠甘蔗種植地絕大部分在老撾境內(nèi))，從4月16日重新開(kāi)榨后產(chǎn)糖率持續(xù)下降，因糖膏粘度大難煮制。自2020年5月上旬開(kāi)始在生產(chǎn)過(guò)程中添加葡聚糖酶進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)研究，嘗試緩解糖廠生產(chǎn)問(wèn)題。該試驗(yàn)在壓榨工段添加葡聚糖酶，通過(guò)對(duì)比添加葡聚糖酶前中后的初壓汁、混合汁、產(chǎn)糖率情況，評(píng)價(jià)在榨季后期蔗汁葡聚糖含量高時(shí)葡聚糖酶的生產(chǎn)應(yīng)用效果。

1 材料與方法

1.1 主要材料及設(shè)備

葡聚糖單抗試劑盒；葡聚糖酶；阿貝折光儀；濁度儀；蠕動(dòng)泵。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 葡聚糖檢測(cè)原理

樣品所含的葡聚糖與葡聚糖單克隆抗體(以下簡(jiǎn)稱“葡聚糖單抗”)反應(yīng)，形成葡聚糖-葡聚糖單抗復(fù)合物，使反應(yīng)體系濁度增加，濁度增量和葡聚糖含量成正比，通過(guò)檢測(cè)濁度值變化從而計(jì)算出樣品中葡聚糖含量。

1.2.2 樣品的檢測(cè)方法及計(jì)算

樣品測(cè)定：定時(shí)取初壓汁、混合汁瞬時(shí)樣品，用濾網(wǎng)或?yàn)V布過(guò)濾后，用阿貝折光儀測(cè)定樣品折光錘度(°Bx)，再以水系濾膜(濾膜孔徑 0.45 μm)過(guò)濾備用。吸取1.5 mL葡聚糖單抗溶液置于測(cè)試皿，開(kāi)啟秒表計(jì)時(shí)，將測(cè)試皿放入濁度儀，蓋上濁度儀蓋子，準(zhǔn)確讀取1 min時(shí)的濁度值(N0)；取出測(cè)試皿，用移液器將15 μL試樣溶液加入葡聚糖單抗溶液中，開(kāi)啟秒表計(jì)時(shí)。用蓋子蓋住測(cè)試皿，上下顛倒6次混勻，混勻過(guò)程中應(yīng)避免產(chǎn)生氣泡。將測(cè)試皿放入濁度儀，蓋上濁度儀蓋子，準(zhǔn)確讀取1 min時(shí)的濁度值(N)。

計(jì)算樣品葡聚糖含量代入下列公式計(jì)算：

式⑴中，X：樣品中葡聚糖含量，單位為(mg/kg·°Bx)；ΔNTU：反應(yīng)溶液體系濁度增量，單位為NTU，ΔNTU=N-N0(N：反應(yīng)后體系濁度，單位為 NTU；N0：反應(yīng)前體系濁度，單位為 NTU)；CF：轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位為毫克每千克每NTU(mg/kg·NTU-1)；Bx：液態(tài)樣品錘度，單位為錘度(°Bx)

1.2.3 試驗(yàn)方案

1.2.3.1 試驗(yàn)時(shí)間及加酶量(見(jiàn)表1)

表1 試驗(yàn)時(shí)間及加酶情況

1.2.3.2 葡聚糖酶添加方式

根據(jù)葡聚糖酶學(xué)性質(zhì)研究結(jié)果[6]，再結(jié)合甘蔗制糖生產(chǎn)的工藝條件確定酶添加位置。加酶點(diǎn)定在甘蔗壓榨機(jī)組的第1座壓榨機(jī)下的蔗汁收集槽處。利用蠕動(dòng)計(jì)量泵勻速流加酶。

1.2.3.3 葡聚糖酶使用效果的評(píng)價(jià)方法

采用未加酶組空白試驗(yàn)與加酶組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)加酶前后初壓汁、混合汁、白砂糖等中間制品及產(chǎn)品的葡聚糖含量變化評(píng)價(jià)葡聚糖酶的清除效果，統(tǒng)計(jì)加酶前后產(chǎn)糖率的變化評(píng)價(jià)葡聚糖酶使用能否為糖廠增加收益。

2 結(jié)果與分析

2.1 生產(chǎn)過(guò)程初壓汁，混合汁，白砂糖葡聚糖含量變化

2.1.1 2018/19年榨季情況

勐捧糖廠于2019年1月下旬引進(jìn)葡聚糖單克隆抗體免疫比濁法檢測(cè)葡聚糖含量技術(shù)，對(duì)初壓汁和混合汁葡聚糖含量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。在1月24日至3月31日間，初壓汁的葡聚糖含量不高，很少檢測(cè)到 80 mg/kg·°Bx以上的數(shù)據(jù)，平均為 53 mg/kg·°Bx；混合汁葡聚糖含量平均為 54 mg/kg·°Bx；白砂糖葡聚糖含量平均為 19 mg/kg·°Bx。但進(jìn)入 4月份后，氣溫逐步升高，初壓汁的葡聚糖含量基本在 80 mg/kg·°Bx 以上，平均達(dá)到 94 mg/kg·°Bx；混合汁葡聚糖含量同步升高至100 mg/kg·°Bx；白砂糖葡聚糖含量也隨之升高至平均47 mg/kg·°Bx?？梢?jiàn)，在榨季末期，初壓汁葡聚糖含量明顯升高，應(yīng)該與氣溫升高有一定關(guān)系。曾嘗試在甘蔗輸送帶上噴灑石灰水，但混合汁的葡聚糖含量并無(wú)下降，白砂糖葡聚糖含量也隨初壓汁的葡聚糖含量增加而增加。證明在甘蔗輸送帶上噴灑石灰水的方法并不能清除或減少蔗汁中葡聚糖含量。

2.1.2 2019/20年榨季情況

從2020年5月11日開(kāi)始至5月31日對(duì)初壓汁、混合汁，白砂糖進(jìn)行葡聚糖含量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 2018/19榨季蔗汁和白砂糖葡聚糖含量檢測(cè)結(jié)果

表3 2019/20榨季蔗汁和白砂糖葡聚糖含量檢測(cè)結(jié)果

在經(jīng)歷停榨，糖廠4月中旬重新開(kāi)榨，開(kāi)榨后初壓汁、混合汁葡聚糖含量平均值與上一榨季后期情況基本相同，基本都在80 mg/kg·°Bx以上，壓榨車(chē)間滾筒曲篩篩網(wǎng)處和一次加熱器清洗排底時(shí)發(fā)現(xiàn)有蔗飯，而且檢測(cè)白砂糖產(chǎn)品葡聚糖含量也有 40 mg/kg，而在加酶期間，混合汁的葡聚糖含量大幅下降，平均值只有 17 mg/kg·°Bx，葡聚糖清除率達(dá)到83.2%，白砂糖產(chǎn)品葡聚糖含量未檢出，5月 24日停止加酶又進(jìn)行空白試驗(yàn)，初壓汁葡聚糖含量與加酶期間差不多，但混合汁葡聚糖含量馬上回復(fù)到較高的含量為 67 mg/kg·°Bx，白砂糖產(chǎn)品的葡聚糖含量也又回復(fù)到45 mg/kg，跟加酶前空白試驗(yàn)的情況基本相同。

2.2 加葡聚糖酶對(duì)糖分回收的影響

由于勐捧糖廠近2個(gè)榨季的甘蔗總產(chǎn)量達(dá)到約44萬(wàn)t和約50萬(wàn)t的水平，而壓榨能力還是日平均處理甘蔗3000 t，榨季時(shí)長(zhǎng)達(dá)到160天以上，產(chǎn)糖率在榨季后期(4月份后)都出現(xiàn)了下降情況。2020年更是受新冠肺炎病毒疫情影響，3月24日至4月16日因疫情防控的需要邊境口岸封關(guān)停榨(該廠甘蔗種植地絕大部分在老撾境內(nèi))，從4月17日重新開(kāi)榨至6月4日榨季結(jié)束，榨季時(shí)長(zhǎng)達(dá)206天。根據(jù)2018/19年榨季和2019/20年榨季產(chǎn)糖率的線性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，自4月初開(kāi)始的產(chǎn)糖率均隨時(shí)間后移而逐步下降。圖1為 2018/19年榨季產(chǎn)糖率線性變化趨勢(shì)圖，圖2為2019/20年榨季產(chǎn)糖率線性變化趨勢(shì)圖，因 2019/20年榨季停榨時(shí)間更晚，產(chǎn)糖率的下降趨勢(shì)更大些，甘蔗的蔗糖分和純度的下降是主要原因，但也有與甘蔗初壓汁葡聚糖含量增加使糖汁粘度增大影響澄清和煮糖有關(guān)，因上榨季采用在甘蔗輸送帶上噴灑石灰水的試驗(yàn)基本沒(méi)有效果，我們收集了近年有關(guān)葡聚糖酶的資料[7]，決定于2020年5月 9～31日用添加葡聚糖酶的生物制糖技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，為了更準(zhǔn)確的反映加酶與不加酶對(duì)產(chǎn)糖率的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)為兩頭空白試驗(yàn)，中間加酶試驗(yàn)，將兩頭空白的產(chǎn)糖率數(shù)據(jù)進(jìn)行平均與中間加酶試驗(yàn)的平均產(chǎn)糖率進(jìn)行比對(duì)(表1)，從而得出結(jié)論，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖1 2018/19年榨季產(chǎn)糖率變化趨勢(shì)

圖2 2019/20年榨季產(chǎn)糖率變化趨勢(shì)

表4 2019/20年榨季試驗(yàn)期間加酶與不加酶平均產(chǎn)糖率對(duì)比

表4數(shù)據(jù)表明，盡管前空白試驗(yàn)期的平均產(chǎn)糖率為12.17%，大于加酶期間的平均產(chǎn)糖率11.77%，但從圖3可以看到，5月9～17日的前空白期試驗(yàn)期間，每天的產(chǎn)糖率線性圖呈下降趨勢(shì)，而5月18～24日加酶期間，每天的產(chǎn)糖率線性圖如圖4所示呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明加酶清除蔗汁中的葡聚糖后，降低了糖汁的粘度，對(duì)澄清及煮糖有好的幫助，克服了因糖漿粘度增加造成的煮糖糖分吸收困難的問(wèn)題，從而對(duì)產(chǎn)糖率的提升有修復(fù)向好的作用。在停止加酶的后空白試驗(yàn)期(5月 25～31日)止，每天的產(chǎn)糖率線性圖又呈下降趨勢(shì)，見(jiàn)圖5所示，平均產(chǎn)糖率下降至11.12%，因此我們認(rèn)為可以假設(shè)沒(méi)有加酶干預(yù)的情況下，根據(jù)圖2的2019/20年榨季產(chǎn)糖率趨勢(shì)圖顯示榨季后期的產(chǎn)糖率是隨時(shí)間呈線性下降，則不加酶的空白試驗(yàn)期平均產(chǎn)糖率約為(12.17%+11.12%)÷2=11.65%。但加酶期平均產(chǎn)糖率為11.77%，比假設(shè)情況高出0.12個(gè)百分點(diǎn)，這在一定程度上說(shuō)明添加葡聚糖酶對(duì)產(chǎn)糖率提升有修復(fù)向好的作用。根據(jù)產(chǎn)糖率提高0.12個(gè)百分點(diǎn)計(jì)算，每天將多產(chǎn)3.6 t白砂糖，糖價(jià)按5000元/t計(jì)算，每天多產(chǎn)糖的增加值為 1.8萬(wàn)元。按試驗(yàn)期間加酶量及檢測(cè)試劑的成本的情況，每天需消耗檢測(cè)和酶的材料成本 3000元，投入產(chǎn)出比為 1∶6。假設(shè)按勐捧糖廠榨季后期30天需要處理甘蔗量9萬(wàn)t要添加葡聚糖酶來(lái)減少因葡聚糖含量升高對(duì)產(chǎn)糖率下降造成影響的話，可多產(chǎn)白砂糖108 t，價(jià)值可達(dá)到54萬(wàn)元，耗材需要的成本約為9萬(wàn)元，糖廠收益絕對(duì)增加值到達(dá)45萬(wàn)元，而且白砂糖的品質(zhì)得到提高(不含葡聚糖)。

圖3 前空白試驗(yàn)期產(chǎn)糖率變化趨勢(shì)

圖4 加酶試驗(yàn)期產(chǎn)糖率變化趨勢(shì)

圖5 后空白試驗(yàn)期產(chǎn)糖率變化趨勢(shì)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)勐捧糖廠2018/19年和2019/20年榨季葡聚糖檢測(cè)及清除的試驗(yàn)證明，勐捧糖廠榨季后期(每年4月份后)的甘蔗葡聚糖含量呈明顯升高趨勢(shì)，并對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生了一系列不良影響，甘蔗初壓汁葡聚糖含量增加使糖汁粘度增大，導(dǎo)致澄清和煮糖的不良影響，2018/19年榨季采用的在甘蔗輸送帶上噴灑石灰水的試驗(yàn)基本沒(méi)有取得任何效果，2019/20年榨季采用添加葡聚糖酶生物制糖技術(shù)的試驗(yàn)，在不改變?cè)に嚄l件下，在第一座壓榨機(jī)底槽添加葡聚糖酶，能有效降解甘蔗原料帶來(lái)的葡聚糖，清除率達(dá)到83.2%，使糖汁的粘度因清除葡聚糖后有所下降，有利于產(chǎn)糖率提升；從而提高糖廠的經(jīng)濟(jì)效益，是值得推廣的技術(shù)；并且加酶后生產(chǎn)的白砂糖不含葡聚糖，能夠提升白砂糖品質(zhì)。