基于抗體法的制(煉)糖生產(chǎn)中右旋糖酐變化規(guī)律研究

劉桂云，黎志德，常國煒，黃曾慰，梁達(dá)奉

(廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所，廣東省酶制劑與生物催化工程技術(shù)研究中心，廣州 510316)

右旋糖酐(又名葡聚糖)是制糖工業(yè)中腸膜明串珠菌消耗蔗糖產(chǎn)生的一種多糖物質(zhì)，它的形成不僅意味著蔗糖損失，還會造成系列加工和產(chǎn)品質(zhì)量問題[1-3]，如增加糖液黏度，使旋光讀數(shù)虛高，減緩過濾或蒸發(fā)速度，引起蔗糖晶體變形等[4—5]。制糖工業(yè)中的右旋糖酐測定通常用酶解法、抗體法、Robert's銅法和酒精Haze法等[6—7]。其中，抗體法具有特異性強、準(zhǔn)確度高及耗時少等優(yōu)點，并且適用于原料、在制品及產(chǎn)品中右旋糖酐含量的檢測[8—9]。目前，我國自主研發(fā)的測定右旋糖酐的抗體法被ICUMSA(國際糖品統(tǒng)一分析方法委員會)接受，抗體法也成為國內(nèi)最大甘蔗產(chǎn)區(qū)——廣西的地方標(biāo)準(zhǔn)方法，這些成果有力促進(jìn)了右旋糖酐的深入研究。

事實上，基于抗體法的成功研發(fā)，國內(nèi)已在制糖行業(yè)右旋糖酐危害及生物降解等研究方面取得了重大突破，大大提升了業(yè)界對右旋糖酐的認(rèn)知。但有關(guān)糖料及其加工過程中右旋糖酐變化規(guī)律的系統(tǒng)性研究還鮮有報道，特別是針對我國生產(chǎn)耕地白糖及精制糖工藝技術(shù)下的右旋糖酐變化情況。因此，本文基于抗體法，通過檢測原料到最終產(chǎn)品整個制(煉)生產(chǎn)中物料右旋糖酐含量，掌握其形成、清除以及轉(zhuǎn)移規(guī)律等，為識別右旋糖酐對各生產(chǎn)階段的負(fù)面影響，及時、精準(zhǔn)地調(diào)整生產(chǎn)操作，提高生產(chǎn)效率和糖品質(zhì)量提供了依據(jù)，同時也為用糖企業(yè)提供了參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

右旋糖酐T-2150：Sigma-Aldrich公司；右旋糖酐檢測試劑盒：廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所(http://ctbiology.com)；甘蔗、蔗汁、原糖及精制糖：廣西某些制(煉)糖廠；國家儲備原糖：中國食糖檢測中心。

1.2 主要設(shè)備儀器

濁度計：廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所(http://ctbiology.com)；精密移液槍、電子天平等。

1.3 試驗方法

1.3.1 入榨甘蔗右旋糖酐含量檢測

在廣西10家制糖企業(yè)(按右旋糖酐含量高低依次命名為A～J)開展入榨甘蔗中右旋糖酐含量檢測試驗，糖廠每天取3次生產(chǎn)線上初壓汁和混合汁瞬時樣進(jìn)行分析，試驗時間為一個榨季，每家糖廠數(shù)據(jù)取榨季平均值。

1.3.2 在制品及產(chǎn)品中右旋糖酐含量檢測

選取A糖廠和一家精制糖廠分別進(jìn)行6 d和15 d在制品及產(chǎn)品中右旋糖酐含量測定試驗，每天取3次生產(chǎn)線上在制品瞬時樣進(jìn)行分析，試驗結(jié)束后每個指標(biāo)數(shù)據(jù)取平均值。

1.3.3 蔗汁放置時間對右旋糖酐形成的影響

取上浮混合汁2 000 mL放置在壓榨車間，每2 h取部分蔗汁測定其pH、視純度、右旋糖酐含量。

1.4 測定方法

1.4.1 指標(biāo)分析方法

右旋糖酐測定按照免疫比濁法[10]，其他常規(guī)指標(biāo)測定按《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》進(jìn)行測定。

1.4.2 右旋糖酐轉(zhuǎn)移率

以產(chǎn)物中右旋糖酐與原料中右旋糖酐之比計算右旋糖酐轉(zhuǎn)移率(DTR)，計算公式如下：

DTR=(N1/P1)/(N2/P2)×100%。

式中：N1表示產(chǎn)品中右旋糖酐含量(mg/kg)；P1表示產(chǎn)品純度(%)；N2表示原料右旋糖酐含量(mg/kg)；P2表示原料純度(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 入榨甘蔗中右旋糖酐含量

將右旋糖酐納入日常分析指標(biāo)，對10家糖廠入榨甘蔗右旋糖酐含量進(jìn)行研究，結(jié)果見圖1。

圖1 入榨甘蔗右旋糖酐含量Fig.1 Dextran content of squeezed sugarcane

由圖1可知，入榨甘蔗右旋糖酐含量范圍在7～141 mg/kg之間，不同糖廠甘蔗右旋糖酐含量存在差異，其中，僅有一家糖廠甘蔗右旋糖酐含量高于100 mg/kg，一半糖廠右旋糖酐含量低于40 mg/kg，兩家糖廠右旋糖酐含量甚至低于20 mg/kg。由研究結(jié)果可知，入榨甘蔗右旋糖酐含量整體不高。

入榨甘蔗中右旋糖酐含量受甘蔗種植地區(qū)、砍收方式、天氣及運輸?shù)榷喾N因素影響[11—12]。通常，明串珠菌很難進(jìn)入到無破損的未收獲甘蔗內(nèi)部，但甘蔗產(chǎn)生明顯生長裂縫、經(jīng)歷機收或霜凍會引起蔗汁滲出，則容易受明串珠菌感染，產(chǎn)生右旋糖酐。目前我國甘蔗主要以人工砍收方式為主，甘蔗機收率占比不高，這在一定程度上降低了甘蔗中右旋糖酐的形成。加上自右旋糖酐檢測以來，人們越來越重視甘蔗收獲后的管理，采取了包括砍后甘蔗盡早入榨、減少甘蔗夾雜物及合理安排砍運計劃等可行措施來控制右旋糖酐產(chǎn)生[13]。

2.2 甘蔗加工過程中右旋糖酐含量

甘蔗入榨后，部分微生物被帶到壓榨車間，在適宜溫濕度、pH等條件下快速繁殖并繼續(xù)消耗蔗糖，產(chǎn)生右旋糖酐。

由圖2可知，初壓汁右旋糖酐和混合汁右旋糖酐之間具有較強的相關(guān)性(R2=0.814 7,P<0.01)，表明甘蔗經(jīng)壓榨提汁處理，右旋糖酐會隨之進(jìn)入到蔗汁中。甘蔗攜帶的右旋糖酐是生產(chǎn)中右旋糖酐的重要來源，在微生物控制良好的糖廠，右旋糖酐的唯一來源甚至只有甘蔗?；旌现杏倚囚炕靖哂诔鯄褐杏倚囚浚砻饔倚囚男纬刹粌H發(fā)生在甘蔗變質(zhì)過程，也易發(fā)生在加工過程中，這種情況在車間衛(wèi)生條件差或蔗汁停留時間過長時最為常見[14—15]。初壓汁在壓榨車間存放一段時間后pH、純度及右旋糖酐指標(biāo)變化見表1。

圖2 初壓汁和混合汁中右旋糖酐含量關(guān)系Fig.2 Relationship between dextran content in primary pressed juice and mixed juice

表1 蔗汁存放時間對右旋糖酐形成的影響Table 1 Effect of storage time of sugarcane juice on the formation of dextran

由表1可知，隨著放置時間的延長，蔗汁的純度及pH呈下降的趨勢，右旋糖酐含量明顯增加。更為嚴(yán)重的是，右旋糖酐在特定條件下還會形成一種被稱為“蔗飯”的物質(zhì)，出現(xiàn)在壓榨機、滾筒篩及管道等設(shè)備處，造成停機處理事故，嚴(yán)重干擾生產(chǎn)。

一家亞硫酸法糖廠在制品及產(chǎn)品中的右旋糖酐檢測結(jié)果見圖3?；旌现杏倚囚繛?4 mg/kg，清汁中右旋糖酐含量為70 mg/kg，去除率為16.7%，可見亞硫酸法可清除一定比例右旋糖酐。制糖澄清過程中除去的大多為不可溶性的右旋糖酐，可溶的、低分子量的右旋糖酐往往進(jìn)入到產(chǎn)品中[16—17]，特別是分子量在4 000 Da以下的。

圖3 制糖生產(chǎn)中右旋糖酐含量變化Fig.3 Changes of dextran content during sugar manufacturing

從清汁到蒸發(fā)后的糖漿，右旋糖酐含量基本不變，主要原因是在蒸發(fā)過程中，高溫條件(一效加熱蒸汽溫度為130 ℃左右)可致產(chǎn)生右旋糖酐的微生物失活，且經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后的糖漿濃度高于60 °Bx，微生物在高濃度糖汁中生長受抑制。在結(jié)晶階段，物料中右旋糖酐濃度隨著蔗糖不斷析出而升高，糖蜜右旋糖酐含量達(dá)到218 mg/kg，產(chǎn)品右旋糖酐含量為19 mg/kg，表明右旋糖酐主要隨糖蜜排出。有研究表明，結(jié)晶過程中右旋糖酐主要以表面吸附及共結(jié)晶等方式進(jìn)入到蔗糖晶體中[18]，影響晶貌、晶形，并增加溶液黏度，降低蔗糖結(jié)晶速率以及結(jié)晶率等[19]。

2.3 原糖中右旋糖酐

國內(nèi)大多數(shù)加工原糖主要依賴進(jìn)口，由于國外采用的機械收獲系統(tǒng)會對甘蔗造成一定損傷，使得右旋糖酐問題往往更加突出。

由表2可知，對國外生產(chǎn)的原糖進(jìn)行取樣分析時發(fā)現(xiàn)，古巴2020年和巴西2015年原糖樣品中右旋糖酐含量偏高，針對這類原料，糖廠不得不混合高和低右旋糖酐含量的原糖或添加右旋糖酐酶來降低其對生產(chǎn)的負(fù)面影響[20—21]。國內(nèi)生產(chǎn)原糖的糖廠少，廣西某家糖廠曾試產(chǎn)過原糖，經(jīng)測定，產(chǎn)品中右旋糖酐含量較低，僅為45 mg/kg。此外，在研究過程中對98個國家儲備原糖樣品進(jìn)行分析，結(jié)果表明，51%樣品中的右旋糖酐指標(biāo)超過原糖國家標(biāo)準(zhǔn)(400 mg/kg)。原糖中含有或多或少的右旋糖酐也表明原糖澄清工藝石灰法對右旋糖酐的清除作用有限，根據(jù)國外文獻(xiàn)報道，混合汁中大約20%的右旋糖酐能進(jìn)入到產(chǎn)品原糖中[22]。

表2 各國原糖中右旋糖酐情況調(diào)查Table 2 Investigation on dextran in raw sugar in different countries

圖4 國家儲備原糖樣品中的右旋糖酐Fig.4 Dextran in national stored raw sugar samples

2.4 原糖精煉過程中右旋糖酐

精煉糖廠生產(chǎn)過程中右旋糖酐情況見圖5。該糖廠無蜜洗工藝，采用七系煮糖。

圖5 原糖精煉過程中右旋糖酐含量變化Fig.5 Changes of dextran content during sugar refining

由圖5可知，經(jīng)過碳飽充和離子交換樹脂處理后，原糖與R1的右旋糖酐含量相比無明顯變化，均在240 mg/kg左右。在澄清工藝中，離子交換主要負(fù)責(zé)脫色，因此對右旋糖酐的清除作用小，但碳酸法卻幾乎無法有效除去右旋糖酐，結(jié)果可能歸因于原糖生產(chǎn)過程中石灰法無法除去殘留在原糖中的右旋糖酐，即使再經(jīng)過澄清等工藝處理，清除效果仍不理想。但原糖中部分雜質(zhì)存在于其表面的糖蜜薄膜中，若增加洗糖工藝則有望除去一定量的右旋糖酐。與制糖結(jié)晶過程一樣，隨著蔗糖結(jié)晶進(jìn)行，后系物料的右旋糖酐含量也呈不斷上升趨勢。整體上看，原糖中的右旋糖酐最終進(jìn)入精制糖和糖蜜，糖蜜右旋糖酐含量為2 899 mg/kg，產(chǎn)品中右旋糖酐含量為135 mg/kg，原糖到產(chǎn)品的DTR達(dá)到55.20%。

該糖廠另一生產(chǎn)階段證實了原糖精煉過程中右旋糖酐的高轉(zhuǎn)移率。由表3可知，當(dāng)原糖中右旋糖酐平均含量為113 mg/kg和160 mg/kg時，DTR分別為53.4%和53.8%，均大于50%。結(jié)合以上研究結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，與白砂糖相比，即使精制糖經(jīng)過“二步法”，蔗糖純度更高，但右旋糖酐問題卻可能更為嚴(yán)重。糖品中右旋糖酐是糖果制造商等終端用戶主要關(guān)心的問題，據(jù)報道，產(chǎn)品中右旋糖酐超過一定水平，就會影響硬糖加工[23]。另外，右旋糖酐還是飲料產(chǎn)生酸性絮凝物的重要原因[24]。因此，右旋糖酐的負(fù)面影響將進(jìn)一步體現(xiàn)在精制糖的工業(yè)應(yīng)用中。

表3 原糖和精糖中右旋糖酐含量Table 3 The content of dextran in raw sugar and refined sugar

續(xù) 表

3 結(jié)論與展望

右旋糖酐在許多國家制糖行業(yè)中仍是一個重要而具有挑戰(zhàn)性的問題。在我國，受人工砍收方式等因素的影響，入榨甘蔗中的右旋糖酐含量多數(shù)低于100 mg/kg，但進(jìn)口原糖特別是國儲原糖中右旋糖酐含量偏高。在甘蔗加工過程中，右旋糖酐隨著甘蔗榨汁進(jìn)入到生產(chǎn)過程，且在特定條件下可繼續(xù)形成，結(jié)果表現(xiàn)為混合汁右旋糖酐含量高于初壓汁右旋糖酐含量，但右旋糖酐新增主要發(fā)生在蒸發(fā)之前。傳統(tǒng)的澄清方法包括石灰法、亞硫酸法等，在清除右旋糖酐作用方面均表現(xiàn)出有限性，其中精煉澄清工藝效果甚微。隨著結(jié)晶進(jìn)行，物料中右旋糖酐濃度不斷提高，部分殘留在糖蜜中，部分進(jìn)入產(chǎn)品中，原糖右旋糖酐到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)移率可達(dá)50%。普遍認(rèn)為純度高、質(zhì)量好的精制糖在右旋糖酐問題上可能比白砂糖嚴(yán)重。

目前，雖然大多數(shù)情況下國內(nèi)甘蔗中右旋糖酐還不會引起明顯的生產(chǎn)問題，但隨著機收甘蔗增加，右旋糖酐問題不可避免，加強對右旋糖酐的實時監(jiān)測將非常必要。由于右旋糖酐形成會造成蔗糖損失，傳統(tǒng)澄清工藝對右旋糖酐的去除作用有限，加上其轉(zhuǎn)移率高，應(yīng)重點關(guān)注甘蔗和原糖質(zhì)量，從原料上避免右旋糖酐。對于用糖企業(yè)，考慮右旋糖酐對產(chǎn)品適用性的負(fù)面影響，亟需制糖行業(yè)建立產(chǎn)品右旋糖酐有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。此外，“蔗飯”形成機理及成分組成、生產(chǎn)中右旋糖酐分子量變化、如何促進(jìn)右旋糖酐清除等也是未來值得深入研究的方向。