甘蔗生产过程葡聚糖的形成与检测研究进展

刘桂云，徐艳芳，梁达奉，蚁细苗，曾练强，常国炜

(1.广州甘蔗糖业研究所甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东 广州 510316;2.广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004;3.广西糖业研发中心，广西 南宁 530002)

葡聚糖对制糖工业的危害早已引起国内外学者重视[1-3]，其存在导致制糖生产中糖分损失、粘度增大，影响澄清、蒸发、煮糖(结晶)、分蜜等工艺过程，致使能耗增加，糖分收回率下降，影响产品质量及其适用性[4-5]。由于葡聚糖传统检测方法预处理复杂、耗时长、准确性差[6-7]，且传统工艺难以消除葡聚糖对制糖的影响，使葡聚糖检测问题成为制糖生产的难点问题。随着葡聚糖免疫学检测技术的日益成熟以及葡聚糖酶[8-9](可快速分解清除葡聚糖)的研发和应用，对葡聚糖的关注已从制糖生产过程溯源到甘蔗生产环节。

业界早期主要关注甘蔗砍后存放、车间卫生等因素对甘蔗葡聚糖形成的影响，但葡聚糖的形成还与甘蔗生产的各环节密切相关。受病虫害侵袭或经历霜冻、台风、干旱等恶劣天气或火烧、机械化收获的甘蔗，更易被微生物入侵感染而产生葡聚糖[10-11]。甘蔗中葡聚糖的形成意味着糖分的损失和纯度的降低，导致甘蔗质量下降，因此葡聚糖是评价甘蔗新鲜度的一个直接、可靠的指标。本文综述了甘蔗生产过程影响葡聚糖形成的因素、葡聚糖检测技术及葡聚糖与甘蔗新鲜度之间的关系，以期为甘蔗品种选育提供依据。

1 甘蔗葡聚糖的形成

葡聚糖是以葡萄糖为单体的聚合物总称。甘蔗与制糖生产过程出现的葡聚糖主要为α-葡聚糖，又称右旋糖酐，是因甘蔗或蔗汁受肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)的感染，葡聚糖蔗糖酶转化蔗糖形成的代谢产物。α-葡聚糖是以α-D-葡萄糖为单体、1-6键连接的直链为主链(约占95%以上)形成的高分子聚合多糖，其分子式为(C6H10O5)n、相对分子质量为1.5×104-2×106或者更大[12]，粘度随着相对分子质量的增加而增大，在糖厂死角或曲筛等位置容易形成饭粒一样的交联物，俗称“蔗饭”[13-14]。

2 影响甘蔗葡聚糖形成的因素

正常生长的新鲜甘蔗中基本不含葡聚糖，但当甘蔗受病虫害、霜冻、火烧、砍收等伤害而暴露其组织细胞后，就会受微生物入侵感染而生成葡聚糖。影响甘蔗葡聚糖形成的田间因素主要包括甘蔗品种、病虫害侵袭、霜冻、风灾和砍收方式等。

2.1 甘蔗品种

不同甘蔗品种因基因结构差异而赋有特定的品种性状，如蔗茎坚硬度强、蔗皮厚等，这些形态特征有助于甘蔗抵制微生物的入侵，降低微生物的感染程度，最终减少葡聚糖的生成。Bevan et al[15]认为蔗蜡层是甘蔗抗微生物的因素之一。葡聚糖是甘蔗因不耐贮而变质的直接产物，不同品种甘蔗耐贮性不同，在相同环境条件下受微生物感染难易程度不一，品质劣变速度存在差异。Eggleston et al[16]研究了不同甘蔗品种受霜冻后葡聚糖的生成情况，发现各品种间葡聚糖含量存在显著性差异。Wright et al[17]认为不同品种甘蔗受微生物感染的速率不同。目前国内推广种植的甘蔗新台糖22号虽表现出较好的工艺性状，生理生化活性强，但其砍后品质恶化快[18-19]，不耐贮存，仍然不能确保糖厂的经济效益。因此，具有抗旱、抗冻、抗虫等特性的甘蔗品种可通过减轻旱、冻、虫等伤害而减少微生物的侵害。此外，甘蔗品种有早熟、中熟、晚熟之分，而甘蔗不成熟或过熟都会影响其葡聚糖含量。研究发现，早熟品种甘蔗在过熟期砍收时形成的葡聚糖比不熟期砍收的多，而晚熟品种甘蔗在过熟期砍收时形成的葡聚糖比不熟期砍收的少[20]。

2.2 田间环境

除了甘蔗品种外，田间环境也是影响甘蔗葡聚糖含量的重要因素之一，包括种植方式、温度、湿度、日照、土壤条件等。

2.2.1 种植方式 明串球菌是一类进行异型发酵的革兰氏阳性细菌，常存在于绿色植物的地上部分和根部，其数量受作物种植方式及环境的影[21]。同一甘蔗不同种植方式(轮作、蔗叶还田、覆盖地膜等)会产生不同的根际微生物群体，影响微生物密度和多样性[22]。宿根比新植蔗更易感染赤腐病、黑穗病等，从而使甘蔗砍后因抵抗力下降而被明串珠菌等微生物感染。

2.2.2 温度及湿度 甘蔗为喜温作物，种植于年平均气温17-18℃的热带及亚热带地区，但不同蔗区温湿度仍存在较大的差异。肠膜明串珠菌最适发酵温度为25-35℃，适合在多雨、高温、潮湿的地区繁殖生长[23]。温度及湿度会影响微生物的代谢和有关酶活性。蔗糖酸性转化酶和葡聚糖蔗糖酶活性在贮藏期间明显增加，导致甘蔗劣变加快，从而造成葡聚糖含量增加[24]。受损的甘蔗在湿润条件下比干燥时更易变质[25]。因此，春季砍收的甘蔗中葡聚糖含量一般较冬季砍收的多。

2.2.3 日照 甘蔗是高效C4作物，光照强度和日照时数是影响其生长的重要气候因子。光照强度影响着甘蔗各器官与组织的正常发育，最终影响其抵御能力。同时，强光照会增强砍后露天堆放甘蔗的呼吸作用，提高相关酶的活性[26-27]，从而影响甘蔗葡聚糖含量。

2.2.4 土壤条件 甘蔗对土壤的适应性大于气候，但土壤条件仍会影响其发育。生产实践表明，缺氮、钾、钙等主要元素或其他微量元素都易使甘蔗感染病虫害[28]。土壤中富含钾、镁元素会减少甘蔗葡聚糖含量;土壤含盐量高可能会降低细菌感染程度[29]。此外，植物生长调节剂可提高甘蔗的抗病及抗逆能力[30]，减少甘蔗微生物的感染和葡聚糖的生成。

2.2.5 夹杂物 蔗糖生产中的微生物主要来源于田间土壤、空气及甘蔗组织。甘蔗入厂时夹杂的土壤、蔗叶等会影响甘蔗感染微生物变质程度[31]。甘蔗含土量与葡聚糖含量有一定关系，含土量越多，生成的葡聚糖含量越多[32]。

2.3 损伤程度

2.3.1 顽性甘蔗 遭病虫害、霜冻、火烧等灾害的顽性甘蔗因体内细胞的活力、生理机能遭受破坏，导致其表皮破裂，抵抗力减弱，微生物入侵后很快劣化。Madaleno et al[33]报道了甘蔗被吹沫虫入侵后随着时间的延长，蔗汁品质劣变，葡聚糖量增加。火烧蔗表皮上能分离出17种不同的微生物，与新鲜甘蔗对比，砍后在相同存放条件下，其葡聚糖生成速率更快[15]，存放48 h后，短、中段的火烧蔗葡聚糖含量是新鲜甘蔗葡聚糖含量的 3 倍左右，高达3 000 mg·kg-1[34]。Cuddihy et al[35]认为即使甘蔗火烧后不砍，7 d 后其葡聚糖含量仍然会达到2 900 mg·kg-1。

2.3.2 收获方式 甘蔗有人工砍收和机械收割两种收获方式。人工砍收的甘蔗2 h内便会在断口15 cm内出现大量菌类繁殖，而机械收割比人工砍收更易感染微生物，且蔗段越短葡聚糖生产速率越快[34]。柳颖等[8]研究了机械收割与人工砍收两种方式葡聚糖含量的变化，人工砍收的甘蔗在自然条件下存放48 h后葡聚糖含量为150 mg·kg-1，而机械收割的甘蔗48 h后葡聚糖含量则超过400 mg·kg-1，可见机械收割感染葡聚糖的速度是人工砍收的2-3倍。这可能是因为机械收割增加了甘蔗表皮伤口面积，为微生物入侵提供了繁殖生长条件。同时，机械收割也增加了入厂甘蔗的夹杂物，进而引进了更多微生物，造成葡聚糖量增加，糖分收回率降低。

3 甘蔗葡聚糖检测技术

葡聚糖的实时监测是甘蔗制糖生产控制的一个重要技术，但其含量却是甘蔗制糖生产中难以监控的盲点。依据抗体能特异性识别抗原物质而不与其他物质发生反应的原理，α-葡聚糖与其相应的抗体发生特异性的结合，形成一定的络合物，产生浊度。当抗体过量时，形成的浊度与α-葡聚糖含量成正比。因此，免疫比浊定量检测法是解决葡聚糖快速、准确定量检测的方向。美国首先研制出葡聚糖检测试剂盒，但由于种种原因，未能在中国糖厂推广，也少见国外糖厂应用的报道[36]。

α-葡聚糖特异性单克隆抗体的成功制备成为国内首个快速准确定量检测葡聚糖的单克隆抗体免疫比浊检测试剂盒[37-38]。利用单克隆抗体(抗体)和葡聚糖(抗原)之间的特异性反应产生浊度来定量检测甘蔗制糖过程中的葡聚糖含量，待测样品只需简单过滤，再通过抗体的标定及样品的测定等步骤，在3-5 min内就能得出样品中葡聚糖含量。该方法有显著性差异的最小浓度为10 mg·L-1，线性范围为10-500 mg·L-1，检测结果不受样品中色素、pH等影响[39]，可用于测定甘蔗原料、原糖、制糖中间物料、糖产品及副产品中葡聚糖含量。目前，随着葡聚糖单抗试剂盒的成功研制，免疫比浊定量检测法在国内部分甘蔗制糖及炼糖行业得到应用，其快捷、灵敏度高、适用范围广，且不需要特殊仪器和设备，有望在制糖行业推广普及。

4 葡聚糖含量与甘蔗新鲜度的关系

甘蔗原料的新鲜度对其加工性具有较大影响。目前，国内外对甘蔗品质指标研究主要集中在蔗糖分、还原糖、纯度等固有成分上[40-41]。但甘蔗各固有成分的含量会随品种、土壤、气候、成熟程度等不同而变化，这种基于甘蔗固有成分的衡量标准对于甘蔗新鲜度评定存在缺陷。葡聚糖是评价甘蔗新鲜度的一个可靠指标，跟甘蔗与制糖生产过程及产品质量密切相关。

葡聚糖是甘蔗变质时微生物直接消耗蔗糖的代谢产物。葡聚糖的产生不仅反映了蔗糖的生化损失，还与工艺过程中澄清、过滤、蒸发、结晶及产品质量密不可分[1]。在正常生长的甘蔗中，葡聚糖是唯一一种在甘蔗收割后才出现的多糖，梁逸等 提出甘蔗变质以微生物的破坏最为严重，由肠膜明串珠菌等细菌作用于蔗糖形成的葡聚糖是衡量甘蔗新鲜度的可靠指标。用甘蔗或者蔗汁中葡聚糖的含量反映甘蔗生产中的变质程度，对糖厂农务管理、预测甘蔗的贮存期以及工艺调整都具有重要意义。

长期以来，国内业界对葡聚糖这一重要生产指标认识不足，主要受葡聚糖检测困难这一因素的制约。2014-2015年榨季，本课题组采用葡聚糖单克隆抗体试剂盒法检测初压汁、混合汁等物料中的葡聚糖含量。整个榨季的检测情况表明，甘蔗初压汁葡聚糖与收回率呈负相关(P＜0.05)(图1)。因此，把葡聚糖作为评价甘蔗新鲜度的直接、可靠指标，对糖厂农务管理和生产管理都具有重要意义。

图1 初压汁葡聚糖含量与糖厂收回率关系Fig.1 Relationship between the dextran in initial pressed juice and the recovery rate of sugar refinery

5 展望

我国是世界上蔗糖生产和消费大国，甘蔗作为主要的糖料作物，其品质好坏直接影响甘蔗产业的发展。砍后甘蔗的耐贮藏性是影响甘蔗品质的重要因素之一，而葡聚糖的形成与甘蔗生长田间因素有关，是甘蔗不耐贮藏的表现，其存在严重影响到甘蔗的质量及加工性能。因此，在甘蔗日常检测中，可运用特异性葡聚糖单抗试剂盒定量检测葡聚糖含量，通过葡聚糖评价原料甘蔗的新鲜度，实现对甘蔗质量的把控。初压汁葡聚糖含量较高时可使用葡聚糖酶分解清除，使生产更顺畅，提高效率，降低成本，从而提高产品质量。而在甘蔗品种选育方面，可以考虑把收割后葡聚糖形成的难易程度作为对甘蔗品种农艺、工艺性状的评价指标之一。

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