不同机械化收获方式对甘蔗原料贮存品质影响

王智能 杨柳 杨婷 应雄美 郭家文 尚试雄 沈石妍

(云南农业科学院甘蔗研究所∕云南省甘蔗遗传改良重点实验室 云南开远 661699)

甘蔗收获包括对甘蔗砍削、搬运、装车等工序，其中砍运环节作业量占甘蔗生产全过程总作业量的55%左右［1］。人工收获作业劳动强度大、效率低、作业成本高［2-3］，加上农村大量劳动力向城市转移，不仅造成蔗糖人工成本增加，也挫伤了农民种植甘蔗的积极性［4］。机械收获可弥补以上缺陷.据报道，机械收获成本比人工收获成本低，人工收获成本在苏丹是8.98 苏丹镑每吨（约合75.5 元/t），国内为100～150 元/t，是机械收获成本的两倍以上［5-6］。

我国甘蔗机械收获方式主要为整杆式和切段式［7］，其中整杆式与人工收获相似，收获速率较切段式慢、运输相对不便，而切段式可有效克服整杆式收获的两个缺陷，更适合在蔗区推广应用。然而，由于我国甘蔗多属家庭小规模经营，种植地复杂、自然条件多变，种植品种纷繁杂乱，导致机械化收获普及率较低，但随着科技发展，甘蔗的耕、种、砍、收全程机械化发展是必然趋势，也是必由之路［8-9］。

目前，机械化收获后甘蔗的品质研究主要围绕甘蔗自身生理反应和外源微生物污染两方面。生理反应方面，有研究表明，在甘蔗收获后酸性转化酶和葡聚糖蔗糖酶活性随堆放时间延长上升进而导致蔗糖分急剧下降［10］。刚收获的甘蔗蔗糖分约12.8%，即使在1 月份收获48 和240 h 后也会分别降低 0.25 和 2.25 个百分点。Bhatia 等［11］研究不同成熟度基因型CoJ83（早熟）、CoJ88（中熟）和S70/00（晚熟）甘蔗，在不同时间段下（11 月、1 月和3 月）采收贮藏12 d 后蔗汁可滴定酸度、右旋糖酐、还原糖、蔗糖转化酶等品质参数，表明贮藏期间蔗汁品质参数差异可能是由于不同基因型成熟度水平的差异造成的。另一方面，蔗糖生产过程中受病虫害侵袭、经历霜冻、火烧或机械化收获的甘蔗原料，更易被微生物感染而产生葡聚糖，葡聚糖的形成意味着糖分的损失和纯度的降低，导致甘蔗原料质量下降。据报道，机械收获甘蔗48 h后，葡聚糖含量可超过400 mg/kg，是人工收获蔗茎堆放产生葡聚糖速度的2～3倍［12］。

总之，针对机械收甘蔗的研究主要集中于收获成本及蔗糖分损失等方面，而整杆收获与切段收获方式甘蔗原料在砍运期内品质有何显著差异，以及甘蔗机械收获后到入榨期内的微生物及品质变化情况方面研究鲜有报道。为此，本文选取了两个云南两个主栽甘蔗品种ROC22 与云蔗05-51，人工模拟整杆式与切段式收获方式，于自然条件下堆放0～96 h，分析各个处理样品的主要成分、菌落及品质变化情况，旨在为机械收获、甘蔗入榨时间选择、减少蔗糖损失提供理论依据，有助于推进甘蔗机械化收获技术及原料品质的提升。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试材

选择云南2 个主栽甘蔗品种：ROC22、云蔗05-51。

1.1.2 实验试剂

硝酸银、冰乙酸、硝酸、丙酮、三氯乙酸、苯二钾酸氢钾缓冲溶液、硼砂缓冲溶液、混合磷酸盐缓冲溶液、费林氏试剂、酚酞、氧氧化钠、亚甲基、碱性醋酸铅、盐酸、氯化钠、锌粉、浓硫酸、磷酸二氢钾、钼酸铵、氯化亚锡均为国产分析纯。

1.1.3 仪器与设备

SXZ-8 小型甘蔗压榨机（佛山市乐创网络科技有限公司）；AE224 型分析天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）；Smart-N15VF 型超纯水系统（上海康雷分析仪器有限公司）；ZD-3A 型电位滴定仪（上海本昂科学仪器有限公司）；JH-P400 型全自动旋光仪（上海佳航仪器仪表有限公司）；UV-5800PC 型紫外可见分光光度计（上海元析仪器有限公司）；DHG-9240A 型电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；SHZ-D（111）型循环水式多用真空泵（河南省豫华仪器有限公司）；HWS-26型电热恒温水浴锅（上海一恒科学仪器有限公司）；Sorvall LYNX4000 型落地离心机（Thermo Scientific）。

1.2 方法

1.2.1 样品准备及处理

（1）选取长势、株高、粗细相近的云蔗05-51、ROC22两个品种甘蔗，每个品种砍取20株，分整杆及切段两组砍收方式各10株。

（2）将整杆式甘蔗随机分5 组，每组2 株；切段式甘蔗随机分5组后，每株用闸刀模拟切段式机收为40～50 cm，捆绑。

（3）自然条件下室外堆放（图1）0、24、48、72、96 h，天气变化情况见表1。

（4）每天取样用SXZ-8 小型甘蔗压榨机榨汁，蔗汁150 目尼龙布过滤，备用分析。以20 d 为周期，砍收甘蔗进行3次重复试验。

图1 甘蔗处理及存放环境

1.2.2 项目测定

蔗糖分 采用甘蔗制糖化学管理分析方法［13］，二次旋光法测定。

还原糖分 采用甘蔗制糖化学管理分析方法［13］，兰-艾农法测定。

菌落总数 参照GB4789.2—2016 食品安全国家标准食品微生物学检验菌落总数测定。

葡聚糖 采用改进的罗伯特-铜法［14］，国内测定葡聚糖的标准方法：先加入三氯乙酸除去蛋白质，用80%的酒精分离糖液中的多糖；然后再用碱式硫酸铜处理这些收集到的多糖；通过形成铜-葡聚糖络合物而使葡聚糖与其它多糖分离；用硫酸水解分离出来的葡聚糖与苯酚发生显色反应，最后通过比色法测定葡聚糖的含量。

多酚氧化酶活性 多酚氧化酶活性（PPO）提取与测定参考林波等［15］的论文，将混合液30℃下保持5 min，以1 mL 酶反应液，30℃下每分钟吸光值OD230增加0.01定义为一个酶活单位（U）。

蔗糖转化酶活性 参考Sehtiya 等［16］的文献方法，分别用pH 5.2 醋酸缓冲液和pH 7.0 磷酸缓冲液提取甘蔗汁中的酸性蔗糖转化酶和中性蔗糖转化酶。取5 mL 反应液（1.0 mL 酶提取液，1.5 mL 2%蔗糖液，2.5 mL 50 mmol/L 醋酸缓冲液）在35℃下保温1 h 后，用二硝基水杨酸（DNS）法测定反应液中的还原糖含量以每升甘蔗汁每小时在35℃下蔗糖转化为葡萄糖的毫克数［mg/（L·h）］表示蔗糖转化酶的活性。

1.2.3 数据分析

所有试验进行3 次重复测定，每次重复2 个平行，利用Microsoft Excel 软件进行数据处理，采用OriginPro 8.5 制图及IBM SPSS 19.0 软件进行单因素方差分析，用Duncan 氏法进行多重比较，以p＜0.05 为差异显著性标准，结果用（平均值±标准差）表示。

2 结果与分析

2.1 蔗糖分和还原糖分析

被测样品蔗糖分和还原糖分变化如表2。其中0～96 h 不同品种甘蔗整杆和切段方式的蔗糖分都是先降后略微升高，这种趋势在苏俊波等［2］的研究中也有表现，造成这种现象的可能原因是蔗糖分的转化和甘蔗茎秆内水分蒸发共同作用的结果，前期蔗糖分转化大于水分蒸发作用，后期水分蒸发大于蔗糖转化作用；同时最终蔗糖分比起始有所降低，且最终状态切段式甘蔗样品中的蔗糖分显著低于同一品种整杆式甘蔗，可能原因与不同处理方式的甘蔗样品中蔗糖转化酶有直接联系。还原糖含量在被测甘蔗样品中的变化情况与蔗糖分恰恰相反，随对方时间的变化各处理均表现为先升高再略微降低，这是因为蔗糖水解产生的葡萄糖和果糖均属于还原糖。同时数据还表明，ROC22 同一时间段的整杆或切段甘蔗样品均高于对应处理的云蔗05-51样品，最终还原糖含量不同品种切段式样品均显著高于其整杆式样品的。

表2 各个样品中蔗糖分和还原糖分

2.2 菌落总数分析

甘蔗含水量高达70%以上、含糖15%左右，此外还含有氨基酸、矿物质、粗蛋白等多种营养物质，在摆放的过程中易感染大量微生物。对每天蔗汁中的菌落总数统计，结果见图2。由图2可知，在2种所测甘蔗样品中：（1）同种甘蔗切段式甘蔗比整杆式甘蔗菌落总数增值快，96 h 后，云蔗05-51 整杆、切段及ROC22 整杆、切段的菌落总数平均值分别为3.27×109、 2.67×1010、 4.89×109、4.30×1010cfu/mL；（2） 相同的处理方式下摆放48 h 之后，ROC22比云蔗05-51对应的处理菌落总数大；（3）在摆放48 h 后甘蔗的菌落总数上升幅度最大，比24 h 的菌落总数增殖 1.61×107～3.72×107cfu/mL。

2.3 葡聚糖分析

在制糖工业中易产生葡聚糖且危害很大。据报道，蔗汁中每增加250 mg/L 的葡聚糖，意味着蔗糖损失增加 0.1%［14］。新鲜的甘蔗中含很少量的葡聚糖，但不新鲜的及受细菌感染的甘蔗，葡聚糖含量迅速增加，甘蔗受刀伤、病虫害、火烧、霜冻及在收割后久置，可能受到肠膜明串珠菌感染而产生葡聚糖［12］。2种甘蔗不同处理方式蔗汁中葡聚糖含量随时间变化如图3 所示。对比图2 菌落总数随时间变化趋势不难看出，被测样品中蔗汁中葡聚糖含量变化趋势与菌落总数变化趋势规律相似，也是在48 h 后含量剧增，随后变化缓慢，96 h后云蔗05-51d及ROC22整杆、切段的葡聚糖含量均值分别为598.22、1 036.88、865.18、1 617.86 mg（/kg·°Bx）。研究表明［17］，砍下的长条甘蔗，1 h后含有很少的葡聚糖，但24 h 后葡聚糖增加至74 mg/（kg·°Bx），而破碎的碎蔗段，1 h后葡聚糖便会增加至 170 mg/（kg·°Bx），24 h 后最多可达 1 740 mg/（kg·°Bx）。

图2 菌落总数随时间变化情况

图3 葡聚糖含量随时间变化情况

2.4 多酚氧化酶与蔗糖转化酶分析

甘蔗收获后不久，由于水分流失和缺乏生理生化控制机制，内源转化酶被激活［18］。蔗糖的转化和蔗汁色变在制糖加工过程中是普遍存在的，多酚氧化酶和蔗糖转化酶是评价甘蔗新鲜度的重要指标，多酚氧化酶含量越高说明蔗汁越容易褐变［19-20］，蔗糖转化酶含量越高蔗糖分损失越严重，还原糖含量就 越 高［18］。 黄 寿 林 等［21］研究表明，甘蔗新鲜度与产糖率和煮炼回收率密切相关，堆放 3 d 的 ROC16 甘蔗可减少1.39%产糖率及5.42%的煮炼回收率。

多酚氧化酶酶活在云蔗05-51 整杆、切段及ROC22 整杆、切段中（图4），起始在12.33～13.67 U，48 h 内缓慢上升至23.17～38.02 U；堆放 72 h 左右是甘蔗多酚氧化酶活性最高时，所有样品均可达到最大值，分别为 103.00、 133.50、 53.50、86.33 U，与初始值分别升高了8.35、 10.01、 3.91、 6.56 倍 ；随后又下降，分别为62.33、82.67、34.67、46.33 U。值得指出的是，与其他指标不同，多酚氧化酶酶活在云蔗05-51 蔗汁中大于ROC22，说明云蔗05-51比ROC22更容易发生酶促褐变。

图4 多酚氧化酶活性随时间变化情况

蔗糖转化酶分酸性转化酶和中性转化酶，二者酶活变化情况见图5。其中，在云蔗05-51 和ROC22 中，切段式甘蔗样品中的蔗糖转化酶活性高于对应品种整杆式甘蔗样品；2 种转化酶酶活都是0～48 h 缓慢上升，72 h 激增，随后又缓慢上升；中性转化酶的酶活在48 h 略低于酸性转化酶酶活，72 h 后略高于对应样品中的酸性转化酶酶活；96 h时，云蔗05-51 整杆、切段及ROC22 整杆、切段样品中对应的酸性转化酶酶活均值分别为515.78、803.39、585.03、896.86 mg/（L·h），对应的中性转化酶酶活均值分别为532.97、815.71、604.01、905.94 mg/（L·h），2种转化酶与初始值相比，云蔗051-51 增加了 1.52～2.30 倍、ROC22 增 加 了 1.69～2.50 倍；酸性转化酶与蔗糖转化和甘蔗品质下降有关，酸性转化酶的急剧增加导致蔗糖分损失、还原糖的增加［18］。

图5 蔗糖转化酶活性随时间变化情况

3 结论

在两个被测甘蔗品种云蔗05-51 与ROC22 中，从蔗糖分、还原糖、菌落总数、葡聚糖和蔗糖转化酶变化情况来说，云蔗05-51 比ROC22 更适合切段式方式收割，但是榨汁后云蔗05-51 比ROC22 的多酚氧化酶活性高，说明云蔗05-51更容易发生酶促褐变；甘蔗在砍收后，尤其是切段式收割的甘蔗，建议在48 h 内完成入榨，否则糖分损失严重，更容易受微生物污染；最后，同一品种切段式甘蔗品质下降比整杆式甘蔗品质下降更显著，但48 h内差别不大，若能保证48 h 内完成入榨，切段式甘蔗收割方式无论从收割成本、工作效率及装运便携程度都要优于整杆式收割方式，切段式收割方式在甘蔗机械收割方面有广阔的应用前景。