復(fù)配酶制劑提高糖汁純度的應(yīng)用研究

吳 鵬，宋宵因，趙 路，劉寶龍

(蘇州昆藍(lán)生物科技有限公司，江蘇蘇州 215123)

0 引言

在甘蔗制糖行業(yè)，純度是糖汁等物料的重要指標(biāo)之一，其反映了物料中蔗糖占固形物的比例[1]。受糖廠開榨季節(jié)的制約，前期甘蔗不成熟，或甘蔗受到霜凍、干旱等自然災(zāi)害都會造成重力純度低，也意味著非糖分雜質(zhì)含量高[2]。甘蔗新鮮度不高時，部分蔗糖分會轉(zhuǎn)化為非糖分，也導(dǎo)致糖汁純度下降。非糖分雜質(zhì)溶于熱水后大多吸水溶脹，會增加糖液的粘度，使糖液中蔗糖的擴(kuò)散、沉積和結(jié)晶速度變慢，造成煮糖操作上的困難，同時會增加蔗糖在糖膏母液中的溶解度，使最終廢蜜中蔗糖含量增加，相對增加了廢蜜量，從而損失更多的糖分[3]。

受氣候等因素影響，云南省某糖廠2018/19年榨季開榨后1個月，混合汁、精糖漿重力純度均低于2017/18年榨季同期水平，如表1所示。這直接導(dǎo)致產(chǎn)糖率下降、廢蜜產(chǎn)量增加，糖分損失提高，對糖廠效益造成很大損失。因此某糖廠亟需解決物料純度低這一問題。

表1 2018/19年榨季前30天與2017/18年榨季前30天生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比

為了提高物料純度、增加產(chǎn)糖率，必須將非糖分雜質(zhì)去除。通常來講，甘蔗壓榨過程中進(jìn)入蔗汁的主要非糖分包括淀粉、纖維素、α-葡聚糖、木聚糖、果膠、蛋白質(zhì)等。這些大分子有機(jī)物溶于熱的蔗汁或糖漿中，吸水溶脹，增加粘度，不利于物料傳質(zhì)[4-6]。比如淀粉溶于蔗汁會使蔗汁粘度升高，過濾速度下降，蔗糖晶體的生長變慢，部分淀粉進(jìn)入蔗糖晶體中，影響白砂糖質(zhì)量。淀粉還會導(dǎo)致糖蜜中帶走的糖分增加，造成產(chǎn)糖率下降[7]。α-葡聚糖在清汁濃縮和煮糖過程中，會提高糖漿和糖膏的粘度并使蔗糖結(jié)晶速率下降。糖膏粘度的提高，會導(dǎo)致煮制時間延長及蔗糖轉(zhuǎn)化增多的綜合效應(yīng)，降低生產(chǎn)效率[8]。霍漢鎮(zhèn)指出了這些非糖分介入蔗糖產(chǎn)品的幾種方式：包裹作用、吸附作用和沉淀物混雜[9-10]。部分非糖分進(jìn)入蔗糖晶體還會對白砂糖的品質(zhì)造成不利影響，比如形成酸性絮凝物、增加白砂糖混濁度等[11-12]。

現(xiàn)有亞硫酸法制糖工藝對上述幾種非糖分的去除率比較有限。生物酶作為高效生物催化劑可用于水解上述非糖分，已經(jīng)受到制糖行業(yè)的重視，并對復(fù)合酶在制糖澄清工藝中的應(yīng)用進(jìn)行了摸索，特別是對淀粉酶和α-葡聚糖酶進(jìn)行了較多的研究，其應(yīng)用效果也在實際生產(chǎn)過程中得到了驗證[13-14]。1967～1968年在南非就有利用淀粉酶降解糖漿中淀粉的報道。相對其他工藝，應(yīng)用淀粉酶降解淀粉是非常高效、經(jīng)濟(jì)的處理方法[15]。Kumbhar用生物酶處理甘蔗汁，甘蔗汁的過濾速度顯著提高，提高了溶液的純度[16]。由于生物酶對反應(yīng)底物作用具有專一性，每種酶只能降解一種非糖分，而蔗汁純度低往往是由于多種不同的非糖分引起，因此需要多種生物酶的共同作用才能更好地消除非糖分雜質(zhì)對制糖帶來的不良影響，提高蔗汁純度。

為了解決某糖廠存在的物料純度低問題，我們對蔗汁中主要非糖分的含量進(jìn)行分析，并用蘇州昆藍(lán)生物科技有限公司自主研發(fā)的制糖專用復(fù)配酶制劑進(jìn)行了一系列試驗。該復(fù)配酶制劑由纖維素酶、α-葡聚糖酶、木聚糖酶、果膠酶等多種酶制劑復(fù)合而成，可有效降解糖液中存在的纖維素、α-葡聚糖、木聚糖、果膠等非糖分雜質(zhì)，并且該酶不含任何蔗糖酶活力，不會水解蔗糖造成糖分損失。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所需混合汁與糖漿均取自糖廠生產(chǎn)線。

1.2 主要分析檢測方法

1.2.1 制糖常規(guī)檢測指標(biāo)

錘度、蔗糖分、重力純度、結(jié)晶率、白砂糖質(zhì)量指標(biāo)等檢測按照《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》[17]相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

1.2.2 淀粉含量檢測方法

25 mL比色管中加入2 mL經(jīng)過淀粉酶處理后的無淀粉蔗汁或糖漿，另一只25 mL比色管中加入2 mL蔗汁或糖漿，依次加入1 mL 1 mol/L鹽酸、5 mL稀碘液，搖勻后加水至10 mL定容。以無淀粉蔗汁或糖漿為空白調(diào)零，于580 nm波長下測定樣品淀粉吸光度，再根據(jù)工作曲線計算其淀粉含量[18]。

1.2.3 α-葡聚糖含量檢測方法

樣品中的α-葡聚糖可以與葡聚糖單克隆抗體反應(yīng)，形成葡聚糖-葡聚糖單抗復(fù)合物，使反應(yīng)體系濁度增加，濁度增量和葡聚糖含量成正比，通過檢測濁度值變化從而計算出樣品中葡聚糖含量。具體參照王鞠萱等[19]文中提供的方法進(jìn)行。

1.2.4 果膠含量檢測方法

按照楊敏[20]果膠含量的測定方法進(jìn)行檢測。

1.2.5 蛋白質(zhì)含量檢測方法

按凱氏定氮法[21]進(jìn)行檢測。

1.2.6 纖維素含量檢測方法

蔗汁或糖漿加入淀粉酶、α-葡聚糖酶、果膠酶、蛋白酶、木聚糖酶處理后，按照《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》[17]檢測膠體含量即為纖維素含量。

1.2.7 木聚糖含量檢測方法

蔗汁或糖漿加入淀粉酶、α-葡聚糖酶、果膠酶、蛋白酶、纖維素酶處理后，按照《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》[17]檢測膠體含量即為木聚糖含量。

1.3 試驗方法

1.3.1 混合汁與精糖漿非糖分含量的檢測

從該糖廠生產(chǎn)線取混合汁與精糖漿分別檢測非糖分物質(zhì)，根據(jù)非糖分含量，確定引起物料純度低的原因。

1.3.2 確定復(fù)配酶制劑對非糖分的降解作用及其在生產(chǎn)上的添加點

制糖專用復(fù)配酶制劑的作用效果主要受溫度和pH影響。黃康寧[22]對酶制劑澄清條件進(jìn)行研究，確定了復(fù)合酶用于澄清的最適條件為：最適pH值為4.7，最適溫度為30℃。而制糖工藝由于其特殊性，pH和溫度不能大幅度改變，以防止蔗糖轉(zhuǎn)化和澄清效果下降，因此只能讓酶制劑去適應(yīng)制糖工藝條件?，F(xiàn)有制糖工藝中，從混合汁到清汁的清凈階段pH在7.5～10.0范圍內(nèi)，并且溫度較高，溫度和pH值變化快。而從粗糖漿到煮糖過程中pH在5.5～7.0范圍內(nèi)，溫度50～65℃，更適合制糖專用復(fù)配酶制劑的作用。混合汁升溫前有10～20 min作用相對適合制糖專用復(fù)配酶制劑作用。為此可通過對比實驗，確定制糖專用復(fù)配酶制劑最佳添加點。

由于酶制劑對大分子多糖物質(zhì)的主要水解產(chǎn)物為葡萄糖、木糖等小分子糖，也需要除去，因此在生產(chǎn)線上選取混合汁和粗糖漿作為加酶點進(jìn)行對比，借助現(xiàn)有澄清工藝去除酶作用產(chǎn)生的小分子糖。

在糖廠生產(chǎn)線分別從混合汁和粗糖漿連續(xù)添加制糖專用復(fù)配酶制劑24 h，添加量分別為150 mg/L混合汁和150 mg/L粗糖漿，每2 h檢測1次混合汁、粗糖漿、精糖漿重力純度變化?；旌现痛痔菨{采樣點在加酶點之前。

1.3.3 確定復(fù)配酶制劑最佳添加量

在糖廠生產(chǎn)線從粗糖漿連續(xù)添加制糖專用復(fù)配酶制劑24 h，0～8 h添加量為100 mg/L粗糖漿，8～16 h添加量為150 mg/L粗糖漿，16～24 h添加量為200 mg/L粗糖漿，每2 h檢測1次精糖漿重力純度變化。

1.3.4 添加復(fù)配酶制劑對主要非糖分的去除效果

從糖廠生產(chǎn)線取1000 mL粗糖漿，加入制糖專用復(fù)配酶制劑150 mg/L，60℃水浴反應(yīng)1 h，分別檢測纖維素、α-葡聚糖、木聚糖、果膠等非糖分含量，并與未加酶時對比。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 混合汁與糖漿中主要非糖分含量

混合汁和糖漿中主要非糖分含量見表2。由表2可知，混合汁和糖漿中淀粉與蛋白質(zhì)含量相對較低，去除率分別為25.49%、72.46%。纖維素、α-葡聚糖、木聚糖、果膠含量較高，并且現(xiàn)有制糖清凈工藝對這4種非糖分的去除率分別為35.90%、33.19%、18.71%、25.13%，這4種非糖分是導(dǎo)致物料純度低的主要原因，需要將之去除。

表2 混合汁與糖漿中主要非糖分含量

2.2 制糖專用復(fù)配酶制劑添加點的確定

由表3可知，混合汁添加組和粗糖漿添加組的混合汁重力純度接近，說明原料純度接近?；旌现砑咏M的粗糖漿與混合汁純度差比粗糖漿添加組的高0.21%，這說明在混合汁加酶后，可提高粗糖漿純度。粗糖漿添加組的粗糖漿經(jīng)過加酶、磷酸上浮工藝后得到的精糖漿純度得到提高，并高于混合汁添加組的精糖漿重力純度，說明在粗糖漿中添加更有利于復(fù)配酶制劑作用，這可能是因為粗糖漿中非糖分濃度更高，更容易與酶接觸從而被降解除去。

表3 不同添加點加酶后重力純度變化

2.3 制糖專用復(fù)配酶制劑加量的確定

由表4可知，添加制糖專用復(fù)配酶制劑100、150、200 mg/L，其精糖漿與粗糖漿重力純度差相比加酶前分別增加0.21%、0.31%、0.36%(絕對值)，其中添加150與200 mg/L，重力純度差僅增加0.05%，從加酶成本考慮，添加150 mg/L更為經(jīng)濟(jì)。

表4 不同添加量對精糖漿重力純度的影響

2.4 添加復(fù)配酶制劑對主要非糖分的去除效果

由圖1可知，加制糖專用復(fù)配酶制劑反應(yīng)后，纖維素、α-葡聚糖、木聚糖、果膠去除率分別達(dá)到81.03%、85.87%、79.38%、81.35%，去除效果顯著，從而降低非糖分給制糖帶來的不利影響。

圖1 非糖分含量變化

3 應(yīng)用復(fù)配酶制劑對煮糖的影響

3.1 試驗步驟

為了進(jìn)一步驗證復(fù)配酶制劑在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果，我們在煮糖車間生產(chǎn)線上，在甲膏煮制過程中，應(yīng)用復(fù)配酶制劑進(jìn)行對比，連續(xù)10罐加酶作為加酶組，10罐不加酶作為對照組。

制糖專用復(fù)配酶制劑KL-0056添加量為150 mg/L粗糖漿。

為了準(zhǔn)確計量每鍋甲膏的煮制體積和對應(yīng)白砂糖的產(chǎn)量，煮制前后2鍋甲膏之間需對物料進(jìn)行截斷，方式如表5所示。

表5 試驗步驟

3.2 試驗結(jié)果

表6中加酶組的粗糖漿純度為加酶前檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加酶組與對照組相比，糖漿純度接近，這說明加酶組與對照組物料差異小，試驗結(jié)果更能真實反映復(fù)配酶制劑的效果。

表6 甲膏數(shù)據(jù)對比

在粗糖漿純度一致的前提下，應(yīng)用復(fù)配酶制劑后精糖漿與粗糖漿純度差比對照組增加0.28%，這說明由于纖維素、α-葡聚糖、木聚糖、果膠等非糖分的去除，增加了精糖漿的純度。加酶組甲膏純度比對照組提高0.32%(絕對值)、甲膏與甲原純度差提 高0.59%(絕對值)、結(jié)晶率提高1.26%(絕對值)，提高意味著更多的蔗糖分子可以形成結(jié)晶，從而可以得到更多的蔗糖。從立方甲膏產(chǎn)糖量數(shù)據(jù)也可以看到，加酶后，每立方甲膏能多生產(chǎn)18.31 kg白砂糖，同時在煮糖過程中，煮糖工人反映加酶后物料對流更好，母液粘度下降，晶體吸收更快，可縮短煮糖周期，直接增加白砂糖產(chǎn)量和糖廠效益。

由表7可知，加酶后由于物料純度提高、結(jié)晶率提高，白砂糖質(zhì)量得到提升，特別是無酸性絮凝物產(chǎn)生，可滿足高端飲料糖的需求。

表7 白砂糖質(zhì)量測定結(jié)果

4 生產(chǎn)線連續(xù)使用制糖用復(fù)配酶制劑的效果

在生產(chǎn)線上連續(xù)應(yīng)用制糖專用復(fù)配酶制劑30天，與未加酶30天，及上榨季同期進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)如表8所示。加酶30天，相比未加酶30天，甲膏純度、結(jié)晶率、產(chǎn)糖率均得到提高，廢蜜產(chǎn)率降低，生產(chǎn)效率大幅度提升。盡管加酶組甲膏純度稍低于上榨季同期，但結(jié)晶率和產(chǎn)糖率均優(yōu)于上榨季同期水平，可能是由于大分子多糖被降解后，糖膏粘度下降，物料傳質(zhì)效果更好，有利于蔗糖結(jié)晶。

表8 復(fù)配酶制劑應(yīng)用數(shù)據(jù)對比

5 糖廠整個榨季經(jīng)濟(jì)效益估算

根據(jù)上述連續(xù)添加復(fù)配酶制劑30天所取得效果，我們可以估算加酶后所能獲得的經(jīng)濟(jì)效益。

以每處理1萬t甘蔗計算：

加酶成本為：噸甘蔗加酶量×甘蔗重量×酶單價=25 g/t甘蔗(根據(jù)甘蔗與糖漿數(shù)量比換算)×10000 t甘蔗×97元/kg=24250元。

產(chǎn)糖率提高可以帶來效益：甘蔗重量×產(chǎn)糖率增加量×蔗糖單價=10000 t×0.24%×5500元/t=132000元。

廢蜜減少造成的損失：甘蔗重量×廢蜜產(chǎn)率減少量×廢蜜單價=10000 t×0.45%×1000元/t=45000元。

加酶后，每處理1萬t甘蔗可增加效益：132000元-24250元-45000元=62750元。

該糖廠年榨量40萬t甘蔗，加酶后可增加效益40×62750元=251萬元。

6 結(jié)論

云南省某糖廠2018/19年榨季蔗汁重力純度低，對正常生產(chǎn)造成顯著不利影響。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，蔗汁純度低主要是由于纖維素、α-葡聚糖、木聚糖、果膠等非糖分含量較高引起。通過應(yīng)用制糖專用復(fù)配酶制劑，可有效去除這些非糖分雜質(zhì)，降低糖漿粘度，從而提高產(chǎn)糖率。連續(xù)應(yīng)用復(fù)配酶制劑30天，甲膏純度提高0.37%(絕對值)，結(jié)晶率提高1.24%(絕對值)，產(chǎn)糖率提高0.24%(絕對值)，廢蜜產(chǎn)率降低0.45%(絕對值)，可為糖廠帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益。