葡聚糖对原糖精炼过程的影响

常国炜，刘桂云，黎志德，柳颖，傅明辉，梁达奉*

(1.广东工业大学 生物医药学院，广州 510006；2.广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所) 中国轻工业甘蔗制糖工程技术研究中心 广东省酶制剂与生物催化工程技术研究中心，广州 510316)

制糖工业常说的葡聚糖指的是右旋糖酐，是一种由某些细菌，如肠膜状明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)发酵蔗糖产生的多糖。根据发酵菌株和条件的不同，葡聚糖的结构和分子量都存在一些差异，一般具有水溶性[1-5]。我国炼糖厂的原料一般采用进口原糖，其原料甘蔗一般采用机械收割，可能还进行过火烧处理，造成甘蔗伤口很多，故原料葡聚糖含量较高。葡聚糖的存在会增大糖液的粘度[6]，导致很多不良影响，包括影响澄清效果、减慢过滤速度、延长煮糖时间、阻碍晶体生长、导致晶体变形、限制产品应用等。国内外已有多篇综述提及了葡聚糖对甘蔗制糖和炼糖的不良影响[7,8]，也有一些针对蔗糖结晶工艺过程的实验室模拟试验[9,10]，但鲜见针对精炼糖厂进行整体大规模生产试验的报道[11,12]，无法得到葡聚糖在炼糖过程中的不良影响充分的数据支持。

葡聚糖酶(EC 3.2.1.11)是能专一催化水解葡聚糖的生物制剂，在国外早已商品化[13]，近年来国内也有相关研究并进行中试生产[14,15]。同时，有关葡聚糖的检测手段也逐渐发展，其中，免疫比浊法[16]具有测定时间短、准确度高、测定条件简单的优点，使精炼糖厂将葡聚糖含量检测作为日常检测指标成为可能。本试验由对葡聚糖酶和葡聚糖单克隆抗体试剂盒有长期深入研究的广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所)提供相关试剂和仪器，进行统计时长共30 d的精炼糖厂试验，通过对比高葡聚糖浓度环境试验期和低葡聚糖浓度环境试验期的数据，在生产线中研究葡聚糖对原糖精炼过程的影响。

1 材料与方法

1.1 主要材料及仪器

试验地点位于广西某精炼糖厂生产线，设计投糖量为1000 t/d；葡聚糖酶制剂(100000 U/mL，最适反应温度和pH分别为55 ℃和5.5；酶学定义：每分钟催化葡聚糖T-2000生成1 mol还原糖所需的酶量为1个活力单位)、葡聚糖单克隆抗体试剂盒、浊度仪，均由广东省生物工程研究所(广州甘蔗糖业研究所)提供；其余试剂均为国产分析纯试剂；其余仪器均为国产常规仪器。

1.2 试验方法

本次大规模试验尝试在原糖精炼生产线中营造高葡聚糖浓度环境试验期(以下简称为高葡聚糖期)和低葡聚糖浓度环境试验期(以下简称为低葡聚糖期)，对比两试验期的关键生产指标，得出葡聚糖对原糖精炼过程的影响。由于不可能找到只有葡聚糖含量不同但其余物质含量均相同的两批原糖，所以整个试验只能用同一批原糖作为原料，保证原料供应这一关键因素不变，并选择在生产线前端不添加或添加葡聚糖酶的方法，营造出高葡聚糖浓度或低葡聚糖浓度的生产环境。整个试验共30 d，分成各15 d的两个试验期：高葡聚糖期和低葡聚糖期。

高葡聚糖期：由于原料带有葡聚糖，且正常生产工艺无法完全清除葡聚糖，所以整个生产流程都受到了高浓度葡聚糖的影响。

低葡聚糖期：在正常稳定生产的同时，在第二原糖溶解箱连续、匀速地加入葡聚糖酶制剂，添加速度为370 mL/h。此举旨在生产前端尽量降解葡聚糖，减弱其对生产的影响。为了得到更有代表性的数据，在试验开始前3 d开始连续加酶，使整条生产线各工序都处于低葡聚糖浓度环境。

试验期间，按表1进行取样和测定，测定方法见表2，除测定葡聚糖含量的免疫比浊法外，其他指标的检测方法均为常规糖厂日常检测方法，故具体步骤省略。

表2 不同项目的检测方法Table 2 Testing methods for different items

表1 取样方法和测定项目Table 1 Sampling methods and measurement items

除测定以上指标外，再收集投糖量、产糖量、产糖蜜量等数据进行统计分析。全部试验结束后，对比两个试验期的各项数据，得出葡聚糖对原糖精炼的影响情况。

1.3 糖厂工艺及技术路线

糖厂工艺及技术路线见图1。

图1 糖厂工艺及技术路线Fig.1 Sugar refining process flow diagram

2 结果与分析

2.1 试验设计的合理性分析

两试验期的原料葡聚糖含量相近(见表3)，经过显著性检验，p=0.235>0.05，说明两试验期的原料葡聚糖含量无显著性差异，这是由于两试验期使用同一批原糖，保证了原料供给的一致性。低葡聚糖期各糖浆和糖蜜的葡聚糖含量均大幅低于高葡聚糖期，成品精糖更是未检出葡聚糖，说明在该工艺条件下，葡聚糖酶发挥了作用，去除了部分葡聚糖，营造出低葡聚糖浓度的生产环境。但是，煮糖系统物料的葡聚糖并未完全清除，这可能是由于葡聚糖酶在溶糖箱中停留时间不长，没有足够的时间将葡聚糖完全降解。尽管如此，两试验期的葡聚糖差异已经非常大，可认为是两个具有显著性差异的试验期，故可视为关于葡聚糖含量的单因素试验。

表3 两试验期的原料、糖浆及产品葡聚糖含量平均值Table 3 The average of dextran content in raw material, molasses, final product in the two experimental periods

2.2 葡聚糖对澄清的影响

衡量澄清效果最直接的指标是脱色率。高葡聚糖期的树脂脱色率和总脱色率分别降低3.2%、0.4%、1.0%(见表4)，这说明高浓度葡聚糖主要影响碳饱充过程的脱色效果，对树脂吸附影响不太大。张平军[17]研究了葡聚糖分子量对模拟烟道气饱充糖液生成的碳酸钙物化性质的影响机理，发现当糖液中存在小分子量葡聚糖时，饱充所生成的碳酸钙颗粒呈分叉钟乳石状，弦长范围和不加权中位数弦长较大，这一变化有利于糖液清净。在降解期加入的葡聚糖酶可以降低葡聚糖分子量，使碳酸钙颗粒发生有利于糖液清净的变化。相对而言，存在期的葡聚糖分子量较大，使碳酸钙颗粒变成不规则状，弦长范围和不加权中位数弦长变小，不仅无法使碳酸钙颗粒形态发生有利于糖液清净的变化，而且大分子量葡聚糖还增加了糖液粘度，使澄清效果进一步恶化。

物料经过树脂脱色后便蒸发浓缩，成为R1糖浆，故R1糖浆的简纯度亦可说明澄清工艺的效果。R1糖浆的简纯度在存在期下降了0.23%(见表4)，经显著性检验，p=0.002<0.01，表明两试验期数据有极显著差异，进一步说明了葡聚糖会恶化澄清效果。

表4 脱色率和R1糖浆简纯度变化情况Table 4 Change of decolorization ratio and apparent purity of R1 molasses %

2.3 葡聚糖对煮糖的影响

煮糖工序是精糖生产过程的决定性工序，其工作结果的好坏直接决定精糖的产量和质量。通过七系煮糖的各糖浆简纯度见表5。

表5 各系糖浆及糖蜜简纯度的变化情况Table 5 Change of apparent purity of syrups and final molasses %

由表5可知，高浓度葡聚糖使前期的糖浆纯度下降而后期的显著上升，经显著性检验，R1糖浆、C糖浆和糖蜜的p值分别为0.002，5×10-5和0.044，分别达到极显著差异、极显著差异和显著差异。前期糖浆纯度下降导致成品糖产量减少，后期糖浆纯度上升导致更多蔗糖从糖蜜中损失，而从产糖率和糖蜜损失蔗糖量对糖比这两组统计数据中也证明了这一点，见表6。所以，高葡聚糖浓度会恶化煮糖环境，降低煮糖效率，增加蔗糖损失，从而降低企业生产效益。

表6 产糖率和糖分损失变化情况Table 6 Change of sugar yield and sugar loss

由表7可知，高葡聚糖浓度对前期的煮糖时间基本没有影响，只对后期的煮糖时间有一定影响，但经过显著性检验，两试验期的各系煮糖时间均无显著性差异，这与实验室试验的“葡聚糖存在会导致煮糖时间延长”这一结论不符。究其原因，糖厂有严格的煮糖制度，需要保证产品符合质量标准和平衡生产，而实验室用于研究煮糖的仪器并非专业的制糖设备，设备构造和生产规模与糖厂设备差距较大，所以导致了不同的结论。

表7 各系煮糖时间的变化情况Table 7 Change of cooking time min

2.4 葡聚糖对成品糖质量的影响

根据葡聚糖对澄清、煮糖的不良影响，可以考虑到会连锁反应般影响精糖质量。由表3可知，高葡聚糖期由于R1和R2糖浆葡聚糖浓度高，结晶时将部分葡聚糖吸附和包藏在晶体中，使糖精带有葡聚糖，这将限制精糖的适用范围。而低葡聚糖期R1和R2糖浆的葡聚糖浓度和分子量均较低，所以结晶时没有带到产品中。除了葡聚糖含量这一质量指标，虽然葡聚糖对于其他质量指标的影响不一(见表8)，但影响程度不大，整体质量情况没有受到严重影响，这可能得益于严格的制糖制度，保证了成品的质量。

表8 精糖质量变化情况Table 8 Change of quality of refined sugar

3 结论

通过大量数据分析可知，在原糖精炼中，原糖给生产引入大量葡聚糖，葡聚糖的存在减弱了澄清和脱色的效果，直接导致糖浆的纯度下降。糖浆纯度下降和葡聚糖的存在必然影响煮糖效果，使成品带有葡聚糖，限制应用，并降低中间制品质量和煮炼回收。低质量的中间制品通过洗蜜、回溶等途径继续影响生产前端，造成恶性循环。综上所述，葡聚糖是能影响整个原糖精炼系统的杂质，降解葡聚糖对优化整个制糖系统有重大意义。