甘蔗机械采收杂质对甘蔗加工性能及成本的影响

陈海军，王宝，李一，张菡，赵抒娜

（1.中粮屯河崇左糖业有限公司，广西崇左 200040；2.中粮屯河糖业股份有限公司/农业农村部糖料与番茄质量安全控制重点实验室，新疆昌吉 831100；3.中粮营养健康研究院有限公司/老年营养食品研究北京市工程实验室/营养健康与食品安全北京市重点实验室，北京102209）

0 引言

我国甘蔗生产全程机械化得到了国家各层面的高度重视，并在积极推进，目前甘蔗生产耕作环节已基本实现机械作业，但收获环节还存在短板[1]。广西虽是我国最大的糖用甘蔗生产基地，但糖料甘蔗机械采收的比例较低。由于甘蔗人工收获耗时费力，如果无法进行规模化机械采收，收甘蔗所需繁重体力劳动的压力会使蔗农放弃甘蔗而转向种植其它作物，从而导致蔗区萎缩，已经成为当前蔗糖生产发展的瓶颈问题，严重制约了蔗糖产业的升级换代及广西农业现代化水平[2-6]。

目前国内甘蔗机械采收研究尚处初步阶段，孙涛等[7]从甘蔗的品种选择、种植量、行间距、地膜覆盖和中耕管理等分析探索了甘蔗机械化的高效生产模式，为机械化的节约成本和操作的简便性方面提供了依据，并提出了解决机械收获问题的对策。张长献等[8]从制糖工艺、行业标准、环境和运营主体等方面分析了甘蔗机械化收获遇到的问题，并提出甘蔗机械采收不是一个孤立的环节，需要政府、科研机构和糖厂共同努力实现。谭俊杰等[9]从甘蔗种植的角度对比了6 个榨季的全程机械化、半机械化和手工种植对甘蔗含糖量、产量和生产成本等方面的影响，论证了广西发展全程机械化以降低农业生产成本的必要性。近年政府及制糖行业内都意识到机械采收对甘蔗糖料生产的重要性，积极拓展甘蔗收获机的应用[1,10]。2017/2018 年榨季已有部分市县和糖厂的蔗区进行机械采收，榨季累计完成机收作业量6.2万吨，最高单机作业量2830 t/台，与人工采收相比，大幅提升了甘蔗收获能力[11]。但同时由于进行机械采收，一些蔗梢、蔗叶甚至沙石和土壤也会随着收获机进入到原料中，这些除了甘蔗茎以外的其它物质对后续的生产加工可能会造成不良影响[12-14]。在路易斯安那州（美国）进行的研究[15]表明，收获的甘蔗中每升高10%的杂质，可使甘蔗中纤维增加1.8%，汁液总糖分减少3.7%，蔗糖汁减少0.9%，最终每吨甘蔗损失15 kg糖。

目前国内应用机械采收的甘蔗仍处于发展阶段，对机械采收后的甘蔗杂质的思考尚不成熟，对采收后甘蔗杂质对制糖工厂加工性能和成本影响的研究也涉及不多。由于甘蔗原料品质对于后续加工成本具有显著的影响，高品质的原料不仅可以提升食糖成品的品质，还可以对整个加工环节的成本降低具有重要意义，因此对于甘蔗的原料品质控制非常重要。本文拟通过对国外机械采收后的甘蔗杂质对糖厂加工性能和成本影响的相关研究进行汇总，为未来国内在甘蔗机械采收广泛推广后制糖工厂评估机械采收的甘蔗品质定级，并对制糖加工过程中造成的影响进行预判提供可借鉴的参考与指导。

1 机械采收后甘蔗杂质的研究现状

1.1 不同类型杂质的影响

在甘蔗制糖行业中，除了制糖所需的甘蔗茎之外，其它任何物料如蔗梢、蔗叶、甚至沙石和土壤等统称为杂质（Extraneous matter，简称EM）[16]。甘蔗中的杂质一般细分为3 类：（1）蔗梢；（2）泥沙（沙石和土壤）；（3）废叶（即来自蔗茎的叶子和来自蔗梢的绿叶）[17]。不同类型杂质对甘蔗原料的指标均造成不同影响。

根据Scott[18]等人的研究，蔗梢对甘蔗纤维含量的影响很小，并且对破碎率和纤维比例没有不利影响，因为蔗梢具有较低的纤维含量，并且相对比较柔软，这使得它们易于破碎，蔗梢似乎没有影响总糖分和蔗渣水分，但可能造成蔗渣产量的增加。机械收获带入的泥沙通常低于甘蔗的2%，甘蔗渣中的沙石和土壤对锅炉和辅助设备造成较大破坏，导致炉子清洁问题，还会造成甘蔗渣的热值降低等不利影响[19]。然而，对食糖加工的影响进行充分探讨的文献匮乏，缺乏充足数据的支撑，因此，泥沙对食糖加工的不利影响难以量化评估。在废叶方面，甘蔗废叶含量与纤维含量和破碎率直接相关，相关系数分别为0.64 和-0.73[20]。Scott 等[21]还研究不同物料中的纤维含量变化，发现低含杂甘蔗、蔗梢和废叶的纤维含量分别为12.8%、16.6%和58.6%，这说明废叶可显著提高甘蔗的纤维含量。因此废叶纤维比对甘蔗茎纤维更具干扰性，因为废叶纤维的含量变化幅度较大，如果废叶在甘蔗原料所占比例较高，至少会对甘蔗原料中纤维含量的影响较大，造成原料品质较大的波动。Larrahondo等[22]对机收甘蔗产生杂质的研究表明：叶子（7.2%）、土壤（3.1%）和蔗梢（2.8%）的百分比较高。

1.2 机收速度对杂质的影响

如果采用低于正常地速的速度操作收获机，可以得到低杂质的甘蔗茎，而如果采用具有较低抽风机风速的收获机进行正常至高地速收获，将产生高含杂的甘蔗茎[23-25]。根据Kent等人[26-27]的研究，使用不同的地速和抽风机速度通过机械收获得到低含杂和高含杂的甘蔗，其杂质的平均百分含量水平如表1所示。从表1可以看出，通过同一时期两种不同机械收获方法获得的高含杂甘蔗及低含杂甘蔗，在整体甘蔗杂质水平普遍较高[26]的情况下，高含杂甘蔗（20.85%）比低含杂甘蔗（13.40%）杂质平均增加了7.45 个百分点，而对应的甘蔗废叶杂质增加了5.01个百分点，占总体所增加甘蔗杂质的67%左右。而在其另一项研究[27]可看出，在杂质普遍偏低水平的情况下，相对低含杂的甘蔗杂质为7.95%，而同时期的高含杂甘蔗杂质为15.89%，杂质含量总体差异为7.94个百分点；而对应的废叶杂质增加了6.38 个百分点，占总杂质含量的80%左右。由此可看出，甘蔗废叶偏高杂质水平和偏低杂质水平都是造成机械收获后甘蔗杂质的主要组成成份，占比在60%～80%。而其它杂质含量相差不大，且均在10%以内。

表1 机械收获的甘蔗杂质中低含杂和高含杂的甘蔗茎的构成Table 1 Composition of extraneous matter of clean and dirty cane from mechanical harvesting

1.3 机收与人工砍收的差异

根据国内外甘蔗机械采收的应用情况来看，Ahmed 等[28]为了解决苏丹甘蔗收获劳动力短缺问题，在Sennar糖厂开展评估手工和机械两种收获系统，通过研究生产效率、成本和杂质等对工厂的影响，得出手工和机械采收的杂质百分比分别为3.66%和9.49%。由此可以看出机械采收产生杂质量更大。Larrahondo等[22]对比了人工采收甘蔗和机收甘蔗产生杂质的差异，机收甘蔗的平均杂质总量增加了11%。孙涛等[29]调查了西双版纳区机械采收甘蔗和人工砍收对甘蔗产量和出苗等影响的差异，得出机械收获与人工砍收出苗率差异不明显，机械采收的宿根蔗破头率为7.69%～10.29%，割茬产量损失比人工砍收高2 010 kg/hm2。Kent等[26]通过对比机械采收后甘蔗杂质中低含杂和高含杂的甘蔗茎发现，机械采收与人工收获的甘蔗杂质相比，差异比较明显的是甘蔗废叶；同样，对于灼烧后（低含杂）和未灼烧（高含杂）的甘蔗茎，造成原料差异的杂质也主要是甘蔗废叶。

2 甘蔗杂质对制糖加工性能的影响

通过对甘蔗机械收获的杂质部分主要组成的分析，可以看出在机械收获的过程中，甘蔗中的废叶在甘蔗机械收获的总体杂质中占比最高，远超过蔗梢和泥沙，成为机械采收过程中形成甘蔗杂质的主要组分，可能对后续的加工造成比较明显的影响。基于工业试验结果，并通过收集和分析国外机械采收后甘蔗杂质的数据，可用于评估机械采收杂质对工厂加工性能可能造成的影响。由于甘蔗废叶是机械采收后的主要甘蔗杂质组分，并且甘蔗废叶中的纤维比例较高，比蔗梢这类杂质对甘蔗原料品质的干扰更大，下文如果没有明确说明，甘蔗杂质将以甘蔗废叶为主进行阐述。

2.1 废叶对原料的影响

甘蔗作为制糖企业用于生产蔗糖的最基础原料，其品质优劣直接关系到糖厂的生产效益。综合以上文献可看出，废叶会增加甘蔗中的纤维含量，从而导致破碎率的变化。因此汇总了相关文献关于废叶含量的变化在制糖加工过程中对原料破碎率和纤维含量影响的结果，如表2所示。

表2 原料破碎率和纤维比例随废叶含量(每增加1%)变化的趋势Table 2 The tendency of breaking rate and fiber ratio in raw cane with PP increase in trash content

由表2 可以看出，废叶含量增加1%时，甘蔗原料破碎率均呈现下降趋势，下降范围在0.8～3.4 个百分点之间。而甘蔗原料纤维比例的变化则表现出明显的地区差异，随着废叶含量的增加，美国和南非的纤维比例上升，而澳大利亚则相反。主要原因在于澳大利亚地区的甘蔗开花，造成蔗叶中叶片含量较大，使纤维含量降低，而南非和美国的甘蔗开花现象较少。因此，可以认为纤维比例的变化除了受废叶含量的影响外，还与产地有较大关系。

2.2 废叶对蔗汁的影响

目前国内外研究中都没有涉及废叶对食糖生产直接影响的评估，糖产量的可能变化可通过混合汁纯度来体现，其可以用于估计糖和糖蜜的产量。总糖分和混合汁纯度作为检测蔗汁质量的主要指标，因此汇总了相关文献关于废叶含量的变化在制糖加工过程中对蔗汁总糖分和混合汁纯度影响的结果，如表3所示。

由表3 可以看出，废叶含量增加1%时，蔗汁总糖分总体呈现减少变化，减少范围在0.10～0.30 个百分点，但部分文献显示糖分升高，而升高的量（0.02 和0.06）相比减少的百分数较小。另外，混合汁纯度均呈现降低变化，下降范围在0.07～0.33 个百分点。根据Scott 等[21]的说法，通过实验室调查，总糖分随着废叶含量的增加而呈线性减少趋势，值得指出的是，蔗梢似乎对总糖分的变化没有显著影响。Larrahondo[22]对比机械和人工两种收获方式的差异可知，总糖分含量和纯度之间存在显著差异；相对于人工采收甘蔗，检测到来自机械收获甘蔗的混合（或稀释）汁液中蔗糖总糖分平均减少2.0个单位。

表3 总糖分和混合汁纯度随废叶含量(每增加1%)的变化趋势Table 3 The trend of total sugar and mixed juice purity with PP increase in trash content

2.3 废叶对蔗渣的影响

随着甘蔗废叶在机械采收过程中进入甘蔗杂质中去，引起甘蔗渣含水量的变化，收集国外几家糖厂关于废叶对蔗渣含水量影响的统计数据，如表4所示。

从表4 可以看出，在废叶含量增加1%的情况下，Kent等人[26-27]的工厂生产数据均显示，工厂蔗渣的含水量会有小幅度（0.12%和0.35%）的增加；但同时，其他两家糖厂的蔗渣含水量数据则显示略微的降低（0.03%和0.06%）。根据Lamusse等人[24]提出的研究结果发现，对于灼烧的甘蔗蔗渣含水量没有明显增加的情况，这可能是因为甘蔗叶被烧掉一部分，但同时也伴随着燃烧过程中一些其它指标的变化。值得注意的是，不同文献显示的数据结果也存在一些相反的结果，如Kent 等人[26]在高杂质水平的情况下经过统计发现，蔗渣含水量的变化没有显著差异，而其团队在另一项低杂质水平[27]的情况下研究发现，甘蔗杂质对甘蔗渣含水量的影响具有统计学意义。

表4 蔗渣含水量随废叶含量(每增加1%)的变化趋势Table 4 Increase in bagasse moisture content with PP increase in trash content

3 机械采收甘蔗杂质对原料成本的影响

由于国内甘蔗机械采收规模相对较小，并没有大量的机械采收数据，本文收集了澳大利亚某甘蔗机械采收工厂在2004—2014 年间的甘蔗杂质变化数据（未发表），如图1 所示。由图1 可以看出，在机械采收过程中，甘蔗的杂质水平波动幅度很大（5.7%～15.0%），如果管理不佳，杂质含量水平可高达15.0%，总体杂质中约有70%的物质为甘蔗废叶。

图1 澳大利亚某甘蔗机械采收工厂的杂质水平变化趋势Fig.1 Extraneous matter level of a sugar mill in Australia

根据澳大利亚某糖厂结合工厂生产数据（未发表）与积累，甘蔗的可回收糖分（CCS）、总糖分、锤度和价格由以下经验公式进行计算，并且基于以下假设得到关于甘蔗支付节省的成本。需要指出的是，下述的经验公式是澳大利亚糖厂根据自身工厂多年的原料数据及生产成本对应的经验公式，对于国内不同工厂需要根据自己工厂做一定程度的修正。

假定：（1）糖价：410 澳元/吨;（2）甘蔗中杂质的含量：15%;（3）甘蔗中纤维的含量：16%;（4）初压汁（FEJ）总糖分：18.70%;（5）FEJ 锤度（Brix）：22.0%。

按照以下工厂经验方程进行核算：

(1)甘蔗可回收糖分=甘蔗总糖分-1/2×（甘蔗锤度-甘蔗总糖分）

(2)甘蔗总糖分=初压汁总糖分×[100-（纤维含量+5）]/100

(3)甘蔗锤度=初压汁锤度×[100-（纤维含量+3）]/100

(4)甘蔗价格=糖价×（甘蔗可回收糖分-4）×0.009+1.6

对机械采收的制糖加工工厂而言，假设平均杂质含量为甘蔗的15%，平均可回收糖分在13%，每年压榨22 万吨甘蔗，其杂质降低对工厂性能的影响结果根据经验方程进行核算，结果见表5。根据表5 的统计数据可以看出，如果平均杂质含量下降1%（由15%下降到14%），其增产的糖产品为286 t，假设糖价格为410 AUD/t，增加的利润可以达117 260 AUD。并且，甘蔗榨季缩短了3 d，由于杂质百分含量水平的降低，也相应地降低了成本。

表5 杂质含量对澳大利亚某工厂产能的影响Table 5 The effect of extraneous matter content on factory performance of a sugar mill in Australia

表6 杂质的含量对甘蔗支付的影响Table 6 The effect of extraneous matter level on cane payment

甘蔗的成本及价格核算后如表6 所示，以甘蔗中的杂质百分含量降低1%为例，假设甘蔗杂质由15%下降至14%时，废叶含量降低0.7%，根据经验公式，由此计算出甘蔗总糖分由14.77%上升至14.83%，甘蔗锤度由17.82%上升至17.86%，每吨甘蔗的可回收糖分13.25%上升至13.32%，同时甘蔗价格应由35.73 AUD/t上升至36.00 AUD/t；如果按照工厂220 万吨的甘蔗压榨量，降低1%的杂质可以处理2 174 kt甘蔗即可以完成，因此总付款将由78 607 000 AUD降至78 276 000 AUD，甘蔗支付最少可以减少332 000 AUD。

除了对甘蔗原料成本的影响之外，Kent等人[27]的研究也提到，平均箱重从高含杂的甘蔗茎（15.89%）7.32 t 增加到低含杂甘蔗茎（7.97%）的8.64 t，表明平均箱重增加18%，因为杂质含量增加1%，这意味着随着杂质含量的降低，运输成本可以直接降低。根据Bernhardt 等人[31]的说法，与低含杂（烧焦）甘蔗相比，未燃烧甘蔗的平均车辆有效载荷减少了约20%。目前尚未有文献具体阐述甘蔗运输环节对原料成本的影响，文中对实现机械采收的低含杂水平甘蔗原料的运输成本也未详细核算，还有待进一步研究。

4 小结

本文通过查阅国外机械采收的甘蔗杂质对加工性能和成本的影响，并选取一家工厂的实际生产数据进行总结和评估，甘蔗的机械收获与人工采收相比，额外增加10%的杂质，最终可能使每吨甘蔗损失15 kg 糖；但若使甘蔗的杂质含量降低1%，糖产量可以增加，并且榨季的长度可缩短几天。

通过对现有机械采收甘蔗杂质对甘蔗质量的研究，建议未来机械收获甘蔗的糖厂可通过收集和分析原料及加工数据，对机械采收的甘蔗杂质对未来甘蔗成本影响进行更准确的评估，以便协助制糖厂在未来机械采收普遍推行的情况下，通过提高对原料的预测和评估，控制原料成本，降低因机械采收后甘蔗杂质对加工环节造成不必要的不良影响。