基于抗體法的制(煉)糖生產中右旋糖酐變化規律研究

劉桂云，黎志德，常國煒，黃曾慰，梁達奉

(廣東省科學院生物與醫學工程研究所，廣東省酶制劑與生物催化工程技術研究中心，廣州 510316)

右旋糖酐(又名葡聚糖)是制糖工業中腸膜明串珠菌消耗蔗糖產生的一種多糖物質，它的形成不僅意味著蔗糖損失，還會造成系列加工和產品質量問題[1-3]，如增加糖液黏度，使旋光讀數虛高，減緩過濾或蒸發速度，引起蔗糖晶體變形等[4—5]。制糖工業中的右旋糖酐測定通常用酶解法、抗體法、Robert's銅法和酒精Haze法等[6—7]。其中，抗體法具有特異性強、準確度高及耗時少等優點，并且適用于原料、在制品及產品中右旋糖酐含量的檢測[8—9]。目前，我國自主研發的測定右旋糖酐的抗體法被ICUMSA(國際糖品統一分析方法委員會)接受，抗體法也成為國內最大甘蔗產區——廣西的地方標準方法，這些成果有力促進了右旋糖酐的深入研究。

事實上，基于抗體法的成功研發，國內已在制糖行業右旋糖酐危害及生物降解等研究方面取得了重大突破，大大提升了業界對右旋糖酐的認知。但有關糖料及其加工過程中右旋糖酐變化規律的系統性研究還鮮有報道，特別是針對我國生產耕地白糖及精制糖工藝技術下的右旋糖酐變化情況。因此，本文基于抗體法，通過檢測原料到最終產品整個制(煉)生產中物料右旋糖酐含量，掌握其形成、清除以及轉移規律等，為識別右旋糖酐對各生產階段的負面影響，及時、精準地調整生產操作，提高生產效率和糖品質量提供了依據，同時也為用糖企業提供了參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

右旋糖酐T-2150：Sigma-Aldrich公司；右旋糖酐檢測試劑盒：廣東省科學院生物與醫學工程研究所(http://ctbiology.com)；甘蔗、蔗汁、原糖及精制糖：廣西某些制(煉)糖廠；國家儲備原糖：中國食糖檢測中心。

1.2 主要設備儀器

濁度計：廣東省科學院生物與醫學工程研究所(http://ctbiology.com)；精密移液槍、電子天平等。

1.3 試驗方法

1.3.1 入榨甘蔗右旋糖酐含量檢測

在廣西10家制糖企業(按右旋糖酐含量高低依次命名為A～J)開展入榨甘蔗中右旋糖酐含量檢測試驗，糖廠每天取3次生產線上初壓汁和混合汁瞬時樣進行分析，試驗時間為一個榨季，每家糖廠數據取榨季平均值。

1.3.2 在制品及產品中右旋糖酐含量檢測

選取A糖廠和一家精制糖廠分別進行6 d和15 d在制品及產品中右旋糖酐含量測定試驗，每天取3次生產線上在制品瞬時樣進行分析，試驗結束后每個指標數據取平均值。

1.3.3 蔗汁放置時間對右旋糖酐形成的影響

取上浮混合汁2 000 mL放置在壓榨車間，每2 h取部分蔗汁測定其pH、視純度、右旋糖酐含量。

1.4 測定方法

1.4.1 指標分析方法

右旋糖酐測定按照免疫比濁法[10]，其他常規指標測定按《甘蔗制糖化學管理分析方法》進行測定。

1.4.2 右旋糖酐轉移率

以產物中右旋糖酐與原料中右旋糖酐之比計算右旋糖酐轉移率(DTR)，計算公式如下：

DTR=(N1/P1)/(N2/P2)×100%。

式中：N1表示產品中右旋糖酐含量(mg/kg)；P1表示產品純度(%)；N2表示原料右旋糖酐含量(mg/kg)；P2表示原料純度(%)。

2 結果與分析

2.1 入榨甘蔗中右旋糖酐含量

將右旋糖酐納入日常分析指標，對10家糖廠入榨甘蔗右旋糖酐含量進行研究，結果見圖1。

圖1 入榨甘蔗右旋糖酐含量Fig.1 Dextran content of squeezed sugarcane

由圖1可知，入榨甘蔗右旋糖酐含量范圍在7～141 mg/kg之間，不同糖廠甘蔗右旋糖酐含量存在差異，其中，僅有一家糖廠甘蔗右旋糖酐含量高于100 mg/kg，一半糖廠右旋糖酐含量低于40 mg/kg，兩家糖廠右旋糖酐含量甚至低于20 mg/kg。由研究結果可知，入榨甘蔗右旋糖酐含量整體不高。

入榨甘蔗中右旋糖酐含量受甘蔗種植地區、砍收方式、天氣及運輸等多種因素影響[11—12]。通常，明串珠菌很難進入到無破損的未收獲甘蔗內部，但甘蔗產生明顯生長裂縫、經歷機收或霜凍會引起蔗汁滲出，則容易受明串珠菌感染，產生右旋糖酐。目前我國甘蔗主要以人工砍收方式為主，甘蔗機收率占比不高，這在一定程度上降低了甘蔗中右旋糖酐的形成。加上自右旋糖酐檢測以來，人們越來越重視甘蔗收獲后的管理，采取了包括砍后甘蔗盡早入榨、減少甘蔗夾雜物及合理安排砍運計劃等可行措施來控制右旋糖酐產生[13]。

2.2 甘蔗加工過程中右旋糖酐含量

甘蔗入榨后，部分微生物被帶到壓榨車間，在適宜溫濕度、pH等條件下快速繁殖并繼續消耗蔗糖，產生右旋糖酐。

由圖2可知，初壓汁右旋糖酐和混合汁右旋糖酐之間具有較強的相關性(R2=0.814 7,P<0.01)，表明甘蔗經壓榨提汁處理，右旋糖酐會隨之進入到蔗汁中。甘蔗攜帶的右旋糖酐是生產中右旋糖酐的重要來源，在微生物控制良好的糖廠，右旋糖酐的唯一來源甚至只有甘蔗。混合汁中右旋糖酐含量基本高于初壓汁中右旋糖酐含量，表明右旋糖酐的形成不僅發生在甘蔗變質過程，也易發生在加工過程中，這種情況在車間衛生條件差或蔗汁停留時間過長時最為常見[14—15]。初壓汁在壓榨車間存放一段時間后pH、純度及右旋糖酐指標變化見表1。

圖2 初壓汁和混合汁中右旋糖酐含量關系Fig.2 Relationship between dextran content in primary pressed juice and mixed juice

表1 蔗汁存放時間對右旋糖酐形成的影響Table 1 Effect of storage time of sugarcane juice on the formation of dextran

由表1可知，隨著放置時間的延長，蔗汁的純度及pH呈下降的趨勢，右旋糖酐含量明顯增加。更為嚴重的是，右旋糖酐在特定條件下還會形成一種被稱為“蔗飯”的物質，出現在壓榨機、滾筒篩及管道等設備處，造成停機處理事故，嚴重干擾生產。

一家亞硫酸法糖廠在制品及產品中的右旋糖酐檢測結果見圖3。混合汁中右旋糖酐含量為84 mg/kg，清汁中右旋糖酐含量為70 mg/kg，去除率為16.7%，可見亞硫酸法可清除一定比例右旋糖酐。制糖澄清過程中除去的大多為不可溶性的右旋糖酐，可溶的、低分子量的右旋糖酐往往進入到產品中[16—17]，特別是分子量在4 000 Da以下的。

圖3 制糖生產中右旋糖酐含量變化Fig.3 Changes of dextran content during sugar manufacturing

從清汁到蒸發后的糖漿，右旋糖酐含量基本不變，主要原因是在蒸發過程中，高溫條件(一效加熱蒸汽溫度為130 ℃左右)可致產生右旋糖酐的微生物失活，且經過蒸發濃縮后的糖漿濃度高于60 °Bx，微生物在高濃度糖汁中生長受抑制。在結晶階段，物料中右旋糖酐濃度隨著蔗糖不斷析出而升高，糖蜜右旋糖酐含量達到218 mg/kg，產品右旋糖酐含量為19 mg/kg，表明右旋糖酐主要隨糖蜜排出。有研究表明，結晶過程中右旋糖酐主要以表面吸附及共結晶等方式進入到蔗糖晶體中[18]，影響晶貌、晶形，并增加溶液黏度，降低蔗糖結晶速率以及結晶率等[19]。

2.3 原糖中右旋糖酐

國內大多數加工原糖主要依賴進口，由于國外采用的機械收獲系統會對甘蔗造成一定損傷，使得右旋糖酐問題往往更加突出。

由表2可知，對國外生產的原糖進行取樣分析時發現，古巴2020年和巴西2015年原糖樣品中右旋糖酐含量偏高，針對這類原料，糖廠不得不混合高和低右旋糖酐含量的原糖或添加右旋糖酐酶來降低其對生產的負面影響[20—21]。國內生產原糖的糖廠少，廣西某家糖廠曾試產過原糖，經測定，產品中右旋糖酐含量較低，僅為45 mg/kg。此外，在研究過程中對98個國家儲備原糖樣品進行分析，結果表明，51%樣品中的右旋糖酐指標超過原糖國家標準(400 mg/kg)。原糖中含有或多或少的右旋糖酐也表明原糖澄清工藝石灰法對右旋糖酐的清除作用有限，根據國外文獻報道，混合汁中大約20%的右旋糖酐能進入到產品原糖中[22]。

表2 各國原糖中右旋糖酐情況調查Table 2 Investigation on dextran in raw sugar in different countries

圖4 國家儲備原糖樣品中的右旋糖酐Fig.4 Dextran in national stored raw sugar samples

2.4 原糖精煉過程中右旋糖酐

精煉糖廠生產過程中右旋糖酐情況見圖5。該糖廠無蜜洗工藝，采用七系煮糖。

圖5 原糖精煉過程中右旋糖酐含量變化Fig.5 Changes of dextran content during sugar refining

由圖5可知，經過碳飽充和離子交換樹脂處理后，原糖與R1的右旋糖酐含量相比無明顯變化，均在240 mg/kg左右。在澄清工藝中，離子交換主要負責脫色，因此對右旋糖酐的清除作用小，但碳酸法卻幾乎無法有效除去右旋糖酐，結果可能歸因于原糖生產過程中石灰法無法除去殘留在原糖中的右旋糖酐，即使再經過澄清等工藝處理，清除效果仍不理想。但原糖中部分雜質存在于其表面的糖蜜薄膜中，若增加洗糖工藝則有望除去一定量的右旋糖酐。與制糖結晶過程一樣，隨著蔗糖結晶進行，后系物料的右旋糖酐含量也呈不斷上升趨勢。整體上看，原糖中的右旋糖酐最終進入精制糖和糖蜜，糖蜜右旋糖酐含量為2 899 mg/kg，產品中右旋糖酐含量為135 mg/kg，原糖到產品的DTR達到55.20%。

該糖廠另一生產階段證實了原糖精煉過程中右旋糖酐的高轉移率。由表3可知，當原糖中右旋糖酐平均含量為113 mg/kg和160 mg/kg時，DTR分別為53.4%和53.8%，均大于50%。結合以上研究結果還可以發現，與白砂糖相比，即使精制糖經過“二步法”，蔗糖純度更高，但右旋糖酐問題卻可能更為嚴重。糖品中右旋糖酐是糖果制造商等終端用戶主要關心的問題，據報道，產品中右旋糖酐超過一定水平，就會影響硬糖加工[23]。另外，右旋糖酐還是飲料產生酸性絮凝物的重要原因[24]。因此，右旋糖酐的負面影響將進一步體現在精制糖的工業應用中。

表3 原糖和精糖中右旋糖酐含量Table 3 The content of dextran in raw sugar and refined sugar

續 表

3 結論與展望

右旋糖酐在許多國家制糖行業中仍是一個重要而具有挑戰性的問題。在我國，受人工砍收方式等因素的影響，入榨甘蔗中的右旋糖酐含量多數低于100 mg/kg，但進口原糖特別是國儲原糖中右旋糖酐含量偏高。在甘蔗加工過程中，右旋糖酐隨著甘蔗榨汁進入到生產過程，且在特定條件下可繼續形成，結果表現為混合汁右旋糖酐含量高于初壓汁右旋糖酐含量，但右旋糖酐新增主要發生在蒸發之前。傳統的澄清方法包括石灰法、亞硫酸法等，在清除右旋糖酐作用方面均表現出有限性，其中精煉澄清工藝效果甚微。隨著結晶進行，物料中右旋糖酐濃度不斷提高，部分殘留在糖蜜中，部分進入產品中，原糖右旋糖酐到產品的轉移率可達50%。普遍認為純度高、質量好的精制糖在右旋糖酐問題上可能比白砂糖嚴重。

目前，雖然大多數情況下國內甘蔗中右旋糖酐還不會引起明顯的生產問題，但隨著機收甘蔗增加，右旋糖酐問題不可避免，加強對右旋糖酐的實時監測將非常必要。由于右旋糖酐形成會造成蔗糖損失，傳統澄清工藝對右旋糖酐的去除作用有限，加上其轉移率高，應重點關注甘蔗和原糖質量，從原料上避免右旋糖酐。對于用糖企業，考慮右旋糖酐對產品適用性的負面影響，亟需制糖行業建立產品右旋糖酐有關標準。此外，“蔗飯”形成機理及成分組成、生產中右旋糖酐分子量變化、如何促進右旋糖酐清除等也是未來值得深入研究的方向。