酶制剂在蔗汁澄清工艺中的研究进展

陈帅，刘炜熹，刘磊，李思佳，孙卫东

(广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530004)

白糖作为一种甜味剂被广泛添加到各类食品中，它不仅可以提供能量，而且可以赋予食品特殊的口感，一直深受广大群众的喜爱。目前，我国甘蔗制糖企业大多数仍采用传统的亚硫酸法工艺，即直接生产白糖。在制糖中必须对压榨甘蔗汁中富含的果胶质、淀粉、葡聚糖、色素及灰分等杂质进行澄清除杂，经分离提纯或重结晶制取白砂糖或精制糖。总体来讲，我国生产的白砂糖与国际糖相比，国产成品白砂糖的品质往往低于国际精制糖的品质，因此在生产技术和产品质量方面具有很大的提升和改进空间[1]。

20世纪60年代就有相关研究报道在制糖工艺中使用酶制剂进行辅助澄清处理。相比于国外，国内有关酶在制糖企业中的研究起步较晚，但近些年的发展较快，特别是酶在甘蔗制糖澄清工艺中的研究。本文主要介绍了国内酶制剂在蔗汁方面的相关研究及国外近5年有关酶制剂的研究领域及方向。

1 国内酶制剂在蔗汁澄清方面的研究

1.1 单一性酶制剂的应用研究

亚硫酸法甘蔗制糖中用于澄清除杂工艺阶段常用的单一酶主要有淀粉酶、葡聚糖酶、果胶酶、过氧化物酶等[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(尤其是直链淀粉)，避免因淀粉过量所造成的成品白砂糖浑浊和酸性絮凝物超标等问题，确保白砂糖成品质量稳定达标。相关研究表明，主要运用的是α-淀粉酶。

黎庆涛等[4]在甘蔗蔗汁的混合汁中加入耐高温的α-淀粉酶，对不同地域采收甘蔗的压榨混合汁进行研究，在不同的酶制剂添加剂量、相应酶解作用的pH值、作用时间和酶解温度等技术参数的作用下，研究了淀粉酶对混合汁中淀粉的除杂率；结果显示：添加的高温α-淀粉酶的剂量大小与所去除的淀粉的降解率高低成正比。最佳酶解工艺参数为：淀粉酶剂量200 U/mL，pH值5.6～6.0，酶解温度区间30～100 ℃。淀粉的降解率均超过72%。

班甲等[5]在亚硫酸工艺中加入了耐高温的淀粉酶，并分析了酶在亚硫酸澄清中的加入点。结果表明，第一个加入点在煮糖罐中，温度为70 ℃左右，pH为6.5左右，符合淀粉酶作用要求，环境条件维持时间长，有利于淀粉的充分降解；第二个加入点为：蔗汁从预灰后到二次加热前的pH始终保持在7左右，温度保持在40～60 ℃之间，同样符合淀粉酶作用要求，且蔗汁锤度相比糖浆较低，溶质分散性好，有利于酶与淀粉充分反应。

1.1.2 葡聚糖酶

葡聚糖酶又称右旋糖酐酶。甘蔗在收割后变质的主要原因是沾染明串珠杆菌，从而发酵生成了右旋糖酐形式的葡聚糖。葡聚糖呈胶粘状，严重阻碍澄清过滤。葡聚糖酶能针对性地水解、清除蔗汁中的葡聚糖杂质，降解生产过程中的“蔗饭”，其中起主要作用的是α-葡聚糖酶[6]。

岑成福[7]以蔗汁为底物，研究了葡聚糖酶的适宜反应温度、pH、反应时间、酶剂量等，在单因素的基础上，通过响应面分析建立了葡聚糖酶降解蔗汁中葡聚糖的数学模型，并优化得到最佳酶解工艺条件：酶剂量为0.05 U/mL，pH为5.3，反应时间为14.9 min，反应温度为51.40 ℃。并在甘蔗制糖生产过程中进行了应用研究，确定加酶点为压榨过程。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、糖浆、废蜜及白砂糖的葡聚糖含量降低95%以上；葡聚糖酶结合亚硫酸法澄清工艺，清混汁纯度差从2.54升至3.38，提高了0.84个百分点；加酶使清汁的浑浊度降低了19.1%；色值变化不明显。

陆海勤等[8]利用细丽毛壳菌发酵生产的α-葡聚糖酶粗酶液在甘蔗蔗汁中的应用进行了研究，结果表明，在混合汁中添加粗酶液后再经过亚硫酸法澄清工艺，添加葡聚糖酶液的混合汁沉降速度与过滤速度提高30%～40%，清汁浑浊度降低60%，清汁葡聚糖含量减少20%；添加酶液后，除去了糖汁中的部分葡聚糖，减少了葡聚糖对旋光读数的影响，虽然用旋光法测定的糖汁的纯度有所下降，但是高效液相色谱法的测定结果表明糖汁中的蔗糖含量并未减少，因此葡聚糖酶的加入对蔗糖无影响。

贺湘[9]在α-葡聚糖酶在甘蔗制糖中的应用及其酶解体系特性研究中，研究了葡聚糖酶在甘蔗混合汁澄清中的应用。首先分析了在自然静置条件下混合汁中葡聚糖含量、过滤速度等指标的变化，通过单因素实验和响应面分析对工艺条件进行了优化，得到了葡聚糖酶降解混合汁中葡聚糖的最佳酶解工艺。再结合糖厂实际生产，提出可供糖厂应用葡聚糖酶降解葡聚糖的工艺条件为：酶剂量10～15 mg/kg，酶解pH 5.0～6.0，酶解温度50～65 ℃，酶解时间10～15 min。在模拟糖厂实际生产流程中，在最佳酶解范围内进行实验验证，清汁葡聚糖含量降低61.32%，沉降时间减少13.30%，简纯度提高0.65%，而pH、锤度无明显变化。

梁达奉[10]在α-葡聚糖酶的基因工程菌构建、发酵及其应用研究中，通过基因工程技术、酶工程技术实现了α-葡聚糖酶在毕赤酵母中的组成型表达。构建了pGAPZaA-DEX重组质粒，进而构建了KM71H/pGAPZaA-DEX毕赤酵母工程菌，发酵罐流加培养KM71H/nGAPZaA-DEX α-葡聚糖酶的活力最高可达398 U/mL，并运用在制糖工艺过程中，利用葡聚糖酶直接分解去除葡聚糖，在实验室和糖厂模拟生产工艺试验，证明α-葡聚糖酶的添加显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%，葡聚糖去除率达58%以上。使用α-葡聚糖酶可使蔗汁澄清的多项指标得到明显的改善，蔗汁中葡聚糖含量越高，降粘效果和葡聚糖去除率越明显。

1.1.3 果胶酶

果胶酶是指能分解果胶物质的多种酶的总称，其中最有应用价值的是内聚半乳糖醛酸酶(endo-PG)、外聚半乳糖醛酸酶(exo-PG)和果胶酯酶(PE)。在食品行业应用广泛，其主要用于降解果胶物质[11-13]，对降低粘度、提高糖澄清度有着显著作用。

陈健旋[14]在应用果胶酶澄清甘蔗汁的研究中，以甘蔗为原料，采用果胶酶和自然澄清方法进行甘蔗汁澄清比较，结果表明，酶促效果好于自然澄清法，100 mL甘蔗汁添加200 U果胶酶在25 ℃，12 h或45 ℃，1 h条件下，均可使甘蔗汁的澄清度由5%提高到95%，同时粘度也明显降低。

杨敏[15]以吉氏芽抱杆菌菌株发酵生产碱性果胶酶为基础，研究了碱性果胶酶在蔗汁澄清过程中的应用，对碱性果胶酶粗酶液在蔗汁中的应用条件进行了研究，经响应曲面优化法分析得酶反应条件：当温度为47 ℃，时间为30 min，pH为9.3，每100 mL蔗汁中酶的添加量为3 mL(144 U)时，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%。初步测定每100 mL蔗汁的粗果胶含量为565 mg，锤度为18.42 °Bx，经过酶反应作用后果胶含量降低85.8%；证明经真空冷冻干燥，酶的总活力和比活力都高于未干燥的酶液。

1.1.4 过氧化物酶

酚类物质是蔗汁中主要的有色物质，主要由甘蔗自身带入。多数酚类化合物不仅自身有颜色，在生产过程中也会发生氧化反应形成深色物质。过氧化物酶主要用于除酚脱色，提高白砂糖的色值。相对于传统的亚硫酸法，酶制剂降低了硫熏和亚硫酸钙的使用量，从而有利于降低硫的残留量。

陆海勤等[16]通过辣根过氧化物酶(HRP)催化H2O2氧化多元酚类物质，用HRP处理亚硫酸法糖厂的混合汁、清汁、糖浆，考察其对糖汁的脱色效果。试验结果表明，酶法的最佳除酚脱色工艺条件为：HRP酶活261.5 U/mg，pH值5.0，工作温度30 ℃，H2O2用量1 mL。其中糖浆的脱色效果最佳，酶解反应仅30 min，含酚量降低了76.07%，脱色率达51.42%，此法除酚脱色的作用显著。陆海勤等[17]用酶催化H2O2法对糖汁进行脱色试验研究，在以糖料甘蔗或甜菜为原料的制糖生产澄清工序中，利用过氧化物酶配合H2O2进行了压榨糖汁的脱色试验。先用软化水对过氧化物酶和H2O2进行稀释、配制、混合(比例为1∶8～8∶1)得到过氧化物酶混合液，并加至压榨糖汁中酶解其中的多元酚类物质，结果表明，可有效降低白糖色值，减少有害残硫，提高产品品质。

1.2 复合酶制剂的应用研究

在实际应用中，一种酶往往不能达到理想的澄清效果。近年来，有人研究了复合酶制剂用于除去制糖过程中存在的杂质。

杨涛[18]在亚硫酸法工艺研究的基础上，发明了一种由葡聚糖酶、果胶酶、漆酶、木聚糖酶、还原糖氧化酶、淀粉酶及抗氧化剂组成的用于甘蔗制糖色值优化的复合酶系。该酶系在用量为6～8 mL/t混合汁时，能有效降解蔗汁中的果胶、花色素、蛋白质、淀粉、葡聚糖、半纤维素等大分子粘性物质及色素。

赵振刚等[19]发明了一种制糖工业复合酶澄清剂及制备方法，该复合酶澄清剂包括α-葡聚糖酶、果胶酶、淀粉酶、纤维素酶和水，使用量为10～30 mg/kg混合汁。该复合酶制剂能有效强化糖汁的清净效率，降低糖液的粘度，加快过滤与沉降速度，提高糖品品质。

王晨曦[20]在固定化酶处理蔗汁的研究中，以氧化改性蔗渣纤维素将游离的酶固定化(耐高温α-淀粉酶和果胶裂解酶)，用两种固定化后的酶处理蔗汁混合汁，并与游离酶的处理效果进行对比研究，结果表明，采用固定化酶处理混合汁，处理后蔗汁的锤度和简纯度变化较小，且能达到较好的澄清效果，色值降低程度也大于游离酶。

2 国外近些年酶制剂在蔗汁澄清方面的研究

本文研究了国外近5年有关酶制剂的相关报道，发现近5年国外在果胶酶方面的研究重点在食品加工领域，特别是在果汁的加工澄清过程方面相关的报道较多，而在制糖方面关于蔗汁澄清的报道较少。

国外近些年对于酶制剂的有关报道主要在果汁澄清的过程方面，如香蕉汁、西瓜汁、苹果汁和葡萄汁等[21-23]。研究结果表明，果胶酶对于果汁具有很好的澄清效果，在经果胶酶处理后能有效降解多糖，导致粘度降低，浊度和吸光度值增加，果汁回收率增加，总溶解性固体含量增加等。近5年国外的研究者还找到一些产果胶酶的新型微生物，如嗜热链球菌的分化菌株SD和黑曲霉等。Dal Magro L等[24]通过共价结合法和交联法把果胶酶和纤维素酶固定化到磁性分子上，从而得到一种新的澄清剂。在澄清完成后，通过外加磁场的方法回收该澄清剂并加以重复利用，大大节约了购买酶制剂的成本。

对于有关蔗汁澄清的研究，Santos Gaschi P等[25]利用陶瓷膜微过滤(Al2O3/TiO2)和超滤技术澄清甘蔗汁，实验结果表明，陶瓷膜能够去除胶体颗粒，使透明渗透汁的颜色减少[26]。Mohammed H等[27]做了关于阴离子磷酸盐优化的聚丙烯酰胺絮凝剂(APF)用于甘蔗汁澄清的复合设计。研究确定以阴离子磷酸盐为P2O5和聚丙烯酰胺絮凝剂(APF)可以产生最佳的澄清效果。

3 结语

国内外将酶制剂用于澄清的相关报道已经很多，并且相关的应用技术也相当成熟，但大多数都是酶制剂的应用，对于酶制剂用于澄清机理方面的研究却鲜有见闻，因此对于酶制剂的澄清机理方面，特别是复合酶制剂的澄清机理，还需要进一步深入的研究；其次，从经济方面考虑，对酶制剂进行回收及再利用也是一个挑战，虽然近些年提出了对酶的固定化，但由于支撑材料的限制，一直不能得到广泛应用。因此，找到一个合适的固定化材料也是一个研究热点。