甘蔗糖厂糖蜜及酒精废液应用现状与展望

沈大春，敖俊华，吴启华，黄 莹，卢颖林，江 永

(广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所) 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东广州510316)

0 引言

甘蔗是我国主要的糖料作物，约90%以上的食糖来源于甘蔗，其主要种植在我国广西、云南、广东和海南等省，甘蔗产业在支持和稳定地方经济发展中具有重要作用。糖蜜是甘蔗压榨制糖过程中产生的副产物，其含糖量高，主要包括蔗糖(含量在25%～35%之间)、葡萄糖和果糖，锤度一般为80°Bx，且还含有多酚和黄酮类等抗氧化性成分，还包括水、蛋白质、维生素、氨基酸、有机酸和钾钠盐等成分[1]。同时在甘蔗糖蜜中含有大量的具有蔗香风味的色素类物质，将其从甘蔗糖蜜中分离制备，可作为酱油、饮料等食品添加剂使用，从而显著提高甘蔗糖蜜的附加值[2]。由于糖蜜本身组分呈多样化，同时市场采购成本较低廉，因此其用途比较广泛，可充当饲料添加剂、提取液体糖、制备焦糖色素，还能作为发酵辅料和微生物培养基的复合碳源[3-6]。另外，酒精废液是糖蜜发酵生产酒精过程中产生的有机高浓度废水，由于其富含有机无机养分，作为肥料利用可作为土壤调理剂，调节土壤理化性质[7-8]。

甘蔗糖厂副产物糖蜜及酒精废液富含多种有机成分，且产量巨大，价格低廉，引起了农学、食品加工、微生物发酵等相关学科和产业的重视，相关技术开发和应用研究也取得了较丰富的成果。因此，就目前制糖副产物糖蜜及酒精废液综合利用的最新研究进展进行综述，通过阐述糖蜜及酒精废液的利用现状及存在问题，进一步探索新的开发途径，开发具有低成本、低污染、高附加值的产品，对提高甘蔗糖厂的附加经济效益，资源的循环利用率和生态环境保护，特别是促进我国甘蔗产业的可持续发展具有重要的意义。

1 糖蜜利用现状

甘蔗糖厂的糖蜜又称“废蜜”、“桔水”，是甘蔗制糖工业的一种副产物，呈深棕色、黏稠状和半流动液态。糖蜜产率一般为原料蔗的 3%～4%左右，糖蜜组分因原料蔗品种、栽培管理条件、成熟度以及制糖工艺不同而有一定差异。糖蜜目前的利用方式主要包括以下几个方面：

1.1 糖蜜用作饲料

糖蜜含有丰富的糖类及蛋白质等营养物质，是一种优良的饲料原料，糖蜜的适口性好，容易被动物消化吸收，另外还含有多种生物素、氨基酸、维生素以及微量元素等物质。糖蜜用作反刍动物饲料不仅利用效率较高，同时又绿色环保。一方面是由于糖蜜甜味可掩盖饲料的不良气味，改善饲料的适口性；另一方面是由于糖蜜本身的黏稠性和半流动状态使其具有粘结作用，可降低饲料的粉尘率、提高饲料质量[9]。在荷兰、苏格兰、美国和加拿大等奶牛产业比较发达的国家，糖蜜是作为常用的能量饲料添加到奶牛日粮中[10]。糖蜜用微生物发酵生产饲料，可提高饲料的粗蛋白含量，并改善其适口性。胡咏梅[11]等采用黑曲霉、绿色木霉和产朊假丝酵母3种菌种，蔗渣、糖蜜按8∶2配料，料水比1∶3，添加6% (NH4)2SO4，自然pH值，发酵温度30℃，混菌发酵36 h，发酵后的饲料粗蛋白含量能提高到11.48%，香味、适口性较蔗渣大为改观，可用做牛、羊等的饲料；利用糖蜜发酵生产酵母单细胞蛋白可弥补常规蛋白饲料资源的不足。李大鹏[12]利用糖蜜发酵生产酵母单细胞蛋白，配合饲料中使用3%的甘蔗糖蜜，猪日增重提高2.8%，饲料增重比下降4.3%；鸡产蛋率提高2.05%，料蛋比下降3.7%。胡敏等[13]开展的甘蔗糖蜜废水生产饲料蛋白质的菌种和发酵条件优选试验，结果表明了热带假丝酵母是能充分利用糖蜜废水生产饲料蛋白质的较好菌株，饲料蛋白产量达12.5 g/L，化学耗氧量去除率为40%。

另外，在青贮饲料调制过程中，糖蜜能够为乳酸菌增殖提供发酵底物，常被用作青贮饲料发酵促进剂。吴金彩等[14]在全株“张杂谷”青贮中添加糖蜜发现，添加糖蜜可不同程度地提高营养物质降解率和体外发酵参数。马吉锋[15]等研究表明，糖蜜尿素复合处理能够提高玉米芯的营养价值，饲喂经糖蜜尿素复合处理的玉米芯能够提高肉牛的生产性能和育肥效益，对肉牛健康无不良影响。李志春[16]等利用添加糖蜜(糖蜜组、混合组)可明显改善青贮饲料的感官品质，提高蛋白质含量，降低pH、氨态氮和单宁含量；联合添加糖蜜与米糠(混合组)不仅显著提高了青贮饲料的干物质和粗蛋白含量，还有效降低了氨态氮、粗纤维和单宁含量，呈协同作用。原现军[17]等研究发现，添加糖蜜显著改善了青稞秸秆和多年生黑麦草混合青贮的发酵品质，降低了pH值、丁酸和氨态氮含量，显著提高了乳酸和水溶性碳水化合物含量，保留了较高的粗蛋白含量，促进了部分半纤维素和纤维素的降解。张万金[18]等通过在奶牛饲粮中添加糖蜜，结果表明其可以缓解夏季奶牛热应激采食量的下降，提高泌乳量和乳蛋白率。

1.2 糖蜜制备酒精

甘蔗糖蜜是制糖工业中的一种副产物，含有大量的蔗糖，总糖约 40%～60%，同时含有大量的胶体物质以及无机盐类，用糖蜜原料生产酒精可以省去蒸煮、制曲、糖化等工序，投资少，成本较低。但糖蜜中杂质较多，前处理过程复杂，设备易结垢，产生的废液难处理。以糖蜜为原料生产酒精所产生的废液是一种难降解的废水，其有机污染物浓度高，COD含量一般为100 000～200 000 mg/L，BOD可达40 000～50 000 mg/L，如果直接排放，会造成水体富营养化，对环境污染大。目前国内多数大型糖厂都以糖蜜为原料发酵生产酒精的方式处理糖蜜，大部分糖厂均设有酒精车间，其酒精生产工艺也较为成熟，但酒精废液的排放量大，对酒精废液的有效治理是各糖厂亟待解决的问题，另外有些酒精厂也用糖蜜作为生产朗姆酒和二氧化碳的原料[19-22]。

糖蜜生产酒精目前利用自絮凝颗粒酵母发酵甘蔗糖蜜生产乙醇，得到了较好的结果。凌长清[23]研究高产酿酒酵母菌株MF1001的甘蔗糖蜜酒精发酵特性及利用该菌株进行甘蔗糖蜜高浓度酒精发酵，将该菌株用于5万t规模的甘蔗糖蜜酒精发酵生产，全年生产的成熟醪酒精含量维持在 12.5%(体积比)以上，发酵效率维持在 91%～93%，生产吨酒精的废液排放维持在8 t左右，生产效益显著。郭艺山[24]和王晓斐[25]等分别利用固定化酵母载体制备方法和固定化酵母工艺条件优化，丰富酵母在载体中生长代谢的传质通道和优化发酵参数，提高了发酵效率，满足了糖蜜酒精连续生产以及酒精最大产量的需求。目前，国内甘蔗糖厂利用糖蜜发酵生产酒精的工艺，大多广泛采用多孔圆柱体固定化酵母载体进行连续发酵，同传统酒精发酵工艺相比，固定化酵母技术发酵周期短、设备利用率高、杂菌感染少、发酵效率高和生产成本低[26-29]。

1.3 糖蜜生产酵母

酵母菌是一种单细胞真核微生物，适宜生长在含糖量较高的偏酸性(pH 4.0～7.0)环境中，其本身含有大量的蛋白质和丰富的维生素，营养要求不高，能够迅速生长。糖蜜是制糖业的一种主要副产物，价格低廉，含有丰富的糖分和无机盐等营养物质，以及少量的生长因子，总糖和蔗糖含量均很高，是发酵生产酵母菌的良好原料，现已作为一种生产原料被广泛用于发酵领域。利用甘蔗糖蜜作为碳源规模化培养酵母菌，具有重要意义。酵母菌具有菌体大、蛋白含量高、易培养、生长期短和代谢产物多等优点，广泛应用于微生物发酵领域，例如：营养酵母(饲用酵母)、生防酵母和酿酒酵母。

谢式云[30]等通过甘蔗糖蜜培养饲用酵母菌YS-01条件优化的研究，结果表明：利用单因素试验和正交试验的初步优化，饲用酵母菌YS-01在处理糖蜜中生长良好，优化的培养条件下 OD值达到14.6，活菌数达到2.5×108CFU/mL。王鹏[31]等以糖蜜作为原料对Rhodosporidium paludigenum进行发酵培养，并通过碳氮源的筛选，确定了一种以糖蜜为碳源的廉价的培养基质以取代昂贵的 NY-DB培养基，并研究其培养条件，为生防酵母 R.paludigenum的大规模生产奠定基础。酵母菌 R.paludigenum在其发酵培养条件下细胞干重能够达到13.50 g/L，比NYDB培养基中的生物量(7.46 g/L)有较大幅度的增长。蔡子康[32]等以葡萄有孢汉逊酵母CM2为研究对象，细胞生物量为测定指标，利用甘蔗糖蜜作为发酵原料，对糖蜜培养基的优化进行较为全面的探讨。采用煮沸法、磷酸法、硫酸法、活性炭法、亚铁氰化钾法对糖蜜进行预处理，结果表明硫酸处理法优于其他处理方法。糖蜜作为碳源已成功应用于生防酵母 Pichiaanomala、P.agglomerans及Candida sake的发酵生产过程。

酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是单细胞微生物，属于真菌类，耐酸性强，是兼性厌氧菌。酿酒酵母营养成分十分丰富，含有菌体蛋白质、多种氨基酸、维生素、脂肪、食物纤维、矿物质元素及生理活性物质等。陈雪[33]等以糖蜜为碳源的培养基作为发酵培养基，在单因素条件的基础上，进行正交试验，对酿酒酵母的发酵条件进行优化，为后期高密度发酵和工业化生产酵母类的饲料添加剂提供参考依据。陈伟康[34]等通过发酵工艺条件优化，确定了酿酒酵母ZM1-5在糖蜜发酵培养基的优化配方，通过优化，得到了含水量65%左右的鲜酵母，活菌率为65.95%的干酵母。

甘蔗糖蜜的使用提高了酵母菌的生产量，同时也降低了生产成本，便于工业规模化生产。

1.4 糖蜜其他利用

糖类具有一定的缓凝功能，糖蜜作为缓凝剂价格又低廉，因此使用也较为广泛。何燕[35]等研究了糖蜜与聚羧酸减水剂复配，对水泥浆体流动性、凝结时间及砂浆力学强度的影响，并揭示了糖蜜与聚羧酸减水剂作用机理以及相容性，为聚羧酸减水剂复配效应在高性能混凝土的实践应用提供理论指导和方法。赵明[36]等研究也说明了糖蜜与聚羧酸减水剂复合，具有显著缓凝效果，但不具有辅助塑化效果，随着糖蜜掺量增加，聚羧酸减水剂初始分散性能以及60 min分散性能显著下降，而水泥浆体凝结时间显著延长。

糖蜜由于含有大量的蔗糖，可以用于提取液体糖，液体糖主要供于水果罐头业，各种非酒精饮料及面包加工业等使用，减少甜蜜素、糖精钠等合成甜味剂的使用，特别适用于那些不需考虑糖的颜色的产品中。秦祖赠[37]等采用絮凝分离的方法，从甘蔗糖蜜中制得液体食用糖，所得食用糖符合国家对食品的卫生标准，可用于食品工业。

糖蜜最突出的特点是含糖分很高(35%～40%)，可作为微生物发酵所需的碳源来生产细菌纤维素及酶(葡糖淀粉酶、谷氨酰胺转移酶)、功能性糖醇(表多糖、丁醇、甘露醇)、有机酸(丙酸、琥珀酸等)等。姚丽萍[38]等研究了糖蜜预处理方法及糖蜜添加量对谷氨酸棒状杆菌发酵产L-丝氨酸过程的影响，结果表明以质量分数为9%蔗糖和1%糖蜜总糖为混合碳源有利于菌体生长及产L-丝氨酸。

细菌纤维素(BC)是一类由微生物产生的纤维素。细菌纤维素以其独特的物理和化学性质被广泛应用于医药、食品、造纸、纺织等领域。然而，BC应用的最大挑战是其生产成本，尤其是发酵生产碳源的成本相对较高。以相对廉价的糖蜜为原料，陈军[39]等研究比较了不同预处理方法(硫酸热处理、热处理和未处理)以及生产菌种(木葡糖醋杆菌和红茶菌)对细菌纤维素产量的影响，结果表明硫酸热处理之后的糖蜜获得的细菌纤维素产量最高，可达 6.0 g/L，比用葡萄糖制备细菌纤维素的产量提高了78%。当以红茶菌为菌种，细菌纤维素的产量可达12.0 g/L，是木葡糖醋杆菌作为菌种的2倍。

彭超[40]等通过培养高山被孢霉利用糖蜜来发酵生产花生四烯酸(ARA)，研究了不同甘蔗糖蜜预处理方法对ARA发酵生产的影响。研究表明硫酸法是最利于ARA发酵生产的糖蜜预处理方法，其利用预处理的甘蔗糖蜜发酵生产ARA，通过单因素实验设计，确定了最优的培养条件。

白洁[41]等通过比较用酸、酶制剂等方法处理糖蜜后对产L-赖氨酸的影响，确定了酶制剂处理为糖蜜的最佳处理方法，以及酶制剂处理糖蜜的最佳条件。经试验验证，利用酶制剂处理糖蜜后，葡萄糖含量达到 145 g/L在最佳处理条件下处理糖蜜，L-赖氨酸产量比不处理提高了 58.3%，比酸处理提高了21.8%。

张秀凤[42]等对红酵母利用糖蜜发酵产类胡萝卜素进行了研究，结果表明：对糖蜜的预处理的最佳酸为硫酸；利用经过酸处理后的糖蜜发酵，菌株的生物量为30.75 g/L，单细胞色素含量为104 μg/g，色素产量为26 mg/L；最佳发酵时间为168 h。使用糖蜜代替葡萄糖作廉价碳源对红酵母进行发酵，确定添加量为170 g/L，色素产量最大值为葡萄糖发酵的0.97倍，生物量为1.04倍。

但是用糖蜜作为碳源替代物的综合利用途径仍多处于实验室阶段，产品商品化生产并不多，这可能是因为新技术还有待产业化扩大实验的验证。另外，利用糖蜜发酵酒精已是一个较为稳定的副产物利用和企业创收途径，大部分制糖企业不需要或不愿意承担新技术带来的风险，只有小部分企业用糖蜜来生产味精(谷氨酸钠)、柠檬酸、赖氨酸和酵母等。

2 糖蜜酒精废液的治理和利用

糖蜜生产酒精过程产生大量的废液，生产每1 t的酒精约产生12～14 t，COD 8～12万mg/L，BOD54～6万mg/L的酒精废液[43-44]。由于糖蜜酒精废液的特性，其治理难度很大，酒精废液较传统的处理方法是用氧化塘自然氧化，这种处理方法时间长，占用大量土地，容易对地下水造成污染，通常排放时间长、量多及大雨时氧化塘常常溢出，污染江河、农田，同时在氧化过程中产生的废气(实际是好氧和厌氧过程)也对周围空气造成污染，因此可以说糖蜜酒精废液治理和再利用是一项重大工程。

酒精废液的治理方法主要有浓缩法、发酵生产饲料蛋白法、燃烧法、生物膜、超滤膜处理法、生产光合菌法、厌氧消化生产沼气法及稀释农灌法等处理和综合利用方法[45-46]。目前糖蜜原料生产酒精的废液处理主要采用以下几种方法：

2.1 农灌法

将酒精废液经过一定处理后灌溉农田。该方法成本低，但易破坏土壤的结构，引起土壤营养元素失衡，长期使用会使农田酸化并结块。但相关研究表明[47]，试验施用糖蜜酒精废液可有效增加土壤速效养分，促进甘蔗作物生长。韦绍龙[48]等采用水肥一体化浇灌糖蜜酒精废液，研究结果表明，糖蜜酒精废液可以提高蕉园土壤肥力，促进香蕉产量提升。

2.2 浓缩燃烧法

此工艺是将糖蜜酒精废液蒸发浓缩至锤度60～70°Bx，送至焚烧炉进行焚烧，以回收热量，残渣还可用作肥料，但蒸发酒精废液的耗能高，浓缩燃烧产生蒸汽法能较彻底治理酒精废液的污染，还能回收富钾炉灰，但蒸发系统和锅炉发电设备投资较大，运行费用很高，对生产厂家造成较大压力。

2.3 浓缩制有机复混肥[49]

酒精废液含有大量的有机质和K、N、P、Ca、Mg、Mn和Zn等无机盐，也富含其它植物活性小分子，适宜来制作复混肥。由于酒精废液中的有机物胶质太多，对后工序的造粒、烘干和产品存放造成影响，必须对废液中的这些大分子有机物先进行降解，使其变成小分子，才能明显减少吸湿情况。浓废液加入多孔性吸附剂、分散剂等，有效地降低粘稠的影响，经干燥后再按一定比例加入适当的氮、磷、钾单元化肥及肥力增效剂后混合，经圆盘造粒机造粒，送转筒式干燥机干燥、筛选、包装，得到复混肥产品。

2.4 生物处理法

生物处理法是通过微生物对酒精废液进入厌氧、好氧或厌氧-好氧结合处理，使废液中的各种复杂有机物转化为甲烷和CO2等物质。但生物处理法占地面积较大，投资高，废液达标排放难度大，沼气的利用很难有效的解决，同时厌氧产生沼气未能彻底消除污染，由于其投资大，运行费用高，很多糖蜜酒精厂的厌氧产生沼气的治理工程都难于维持而停产。

2.5 酒精废液作糖厂锅炉的冲灰水

糖蜜酒精厂一般附属在糖厂内，糖厂锅炉较大，酒精废液代替水作烟气冲灰除尘。废液先用石灰中和后，利用锅炉烟气作热源，在冲灰除尘过程中，蒸发出酒精废液中的水分，废液经沉降除去炉灰，循环复用冲灰除尘，废液得到浓缩，浓度可达40°Bx。

此外糖蜜酒精废液处理方法还有絮泥法、催化氧化法等。

3 展望

⑴糖蜜作为传统的甘蔗制糖过程的副产物，由于其本身成分组成的复杂性和市场价值低廉，因此可广泛应用在环保、农业、食品和相关轻工业领域，具有较广阔的应用前景，但开发具有较高附加值的产品仍然需要进一步技术理论和方法的积累和改进。例如在农业肥料制造领域，糖蜜作为直接的肥料价格低廉，无法产生有效的竞争力，若通过微生物发酵降解和转化形成生物活性小分子则可以很大程度上提升甘蔗糖厂糖蜜的价值，这目前也是很多科研工作者努力的方向。

⑵糖蜜酒精废液由于本身排放量太大，成分又不稳定和复杂性，目前从成本和生态经济效益角度出发，最直接有效的是采用直接还田技术，但糖蜜酒精废液的直接还田还需要结合甘蔗作物品种的耐受性和土壤养分情况平衡考虑，同时也要结合其他农艺措施配套使用，从整体上可提高糖蜜酒精废液的附加值。虽然采用液体冲施还田模式可消化一部分酒精废液，但对于大规模的糖厂制造酒精仍然有很大难度。因此，利用糖蜜酒精废液开发液体冲施肥料产品，使其以商品的模式固定下来，对于生态环境保护和增加甘蔗产业链价值具有重要实际意义，可以说糖蜜酒精废液也有一定的应用前景，但更具有挑战性。