食用單寧在甘蔗制糖生產(chǎn)中的應(yīng)用效果分析

摘要：食用單寧具有絮凝、抗氧化及抑菌等作用。為了提高甘蔗汁的澄清效果，減少磷酸亞硫酸法甘蔗制糖生產(chǎn)中石灰、硫磺和磷酸等澄清劑的用量，以食用單寧（濃度≥32%）為澄清助劑，在廣西糖業(yè)集團西江制糖有限公司2023/2024年榨季甘蔗制糖生產(chǎn)中應(yīng)用，結(jié)果表明，食用單寧可提高糖廠清混汁重力純度差、減少清汁和糖漿重力純度差、減少硫磺和石灰用量和降低生產(chǎn)蒸汽損耗。其中，添加食用單寧后，清混汁重力純度差提高1.47 GP，清汁和糖漿重力純度差降低0.47 GP，糖分損失減少，硫磺和石灰用量分別減少35.71%和33.00%，白砂糖二氧化硫殘留量平均降至8.0 mg/kg以下，噸蔗耗汽量下降0.83%（絕對值）。因此，將食用單寧應(yīng)用于甘蔗制糖生產(chǎn)，對改變傳統(tǒng)的磷酸亞硫酸法生產(chǎn)工藝及減少糖分損失和提高產(chǎn)糖率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：食用單寧；甘蔗制糖；蔗汁澄清；應(yīng)用效果

中圖分類號：TS244.2 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-820X（2024）05-0366-06

0 引言

我國的制糖原料主要為甘蔗和甜菜，其中又以甘蔗制糖占主導(dǎo)地位。廣西是我國甘蔗的主產(chǎn)區(qū)，2021/2022年榨季食糖產(chǎn)量占全國食糖總產(chǎn)糖量的64.01%［1］。壓榨甘蔗獲得的蔗汁（混合汁）含有糖分、色素和膠體等復(fù)雜成分，為了提高混合汁中糖分的提取量和成品糖質(zhì)量，需對其進行澄清處理。目前，國內(nèi)甘蔗制糖行業(yè)的蔗汁澄清主要使用磷酸亞硫酸法澄清工藝［2］，其中的澄清助劑主要為石灰、磷酸和硫磺［3］。但磷酸亞硫酸法澄清工藝存在澄清助劑用量大、清凈效率不高、輔料成本較高及產(chǎn)品二氧化硫含量殘留較高和產(chǎn)品保質(zhì)期短等缺點，使用化學(xué)澄清工藝的糖廠無法將蔗汁和制糖過程中產(chǎn)生的有色物質(zhì)全部去除［4-5］。因此，如何提高磷酸亞硫酸法糖廠的澄清效率，從而提高糖品質(zhì)量、產(chǎn)糖率及降低生產(chǎn)成本，是甘蔗糖廠亟需解決的問題。在傳統(tǒng)的磷酸亞硫酸法甘蔗制糖中加入二氧化硫，其作用是通過亞硫酸與氫氧化鈣反應(yīng)生成亞硫酸鈣沉淀，亞硫酸鈣難溶于水，通過絮凝劑的絮凝作用可將蔗汁中非糖分的膠體物質(zhì)和色素雜質(zhì)絮凝成大顆粒沉淀物而除去［6］。植物單寧也稱植物多酚，主要分布在植物的葉片、果肉、根莖、殼和表皮等部位，分子量一般為500～3000 Da，能沉淀生物堿、膠體和蛋白等，已在醫(yī)藥、食品、革鞣和造紙等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［7］。食用單寧是一種天然植物多酚，分子量為2000～3000 Da，是以堅木芯為原料，經(jīng)粉碎、水性浸提和多效蒸發(fā)濃縮而成的產(chǎn)品［8］，富含原花青素和兒茶素，能與糖汁中色素、蛋白和無機鹽等產(chǎn)生物理吸附，在pH為6.0～8.0范圍內(nèi)形成不可溶的聚合物［9］。此外，食用單寧具有抗氧化、抑制細菌繁殖和抗霉菌作用，能有效減少糖分轉(zhuǎn)化損失［10］。基于食用單寧的諸多優(yōu)點，本研究以廣西糖業(yè)集團西江制糖有限公司2023/2024年榨季生產(chǎn)運行過程中使用的單寧助劑為研究對象，分析食用單寧作為澄清助劑在甘蔗制糖生產(chǎn)中的作用和效果，為食用單寧澄清助劑在蔗汁澄清中的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

食用單寧（濃度≥32%）購自浙江善祿生物科技有限公司，甘蔗汁、生產(chǎn)線設(shè)備及加熱蒸汽由廣西糖業(yè)集團西江制糖有限公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 變量控制

2023/2024年榨季廣西糖業(yè)集團西江制糖有限公司以食用單寧為生產(chǎn)助劑，驗證其蔗汁澄清效果。采用單一變量方法，僅改變磷酸亞硫酸法工藝的硫熏強度指標(biāo)，保持其他工藝指標(biāo)及控制條件不變，觀察添加食用單寧對各生產(chǎn)指標(biāo)的影響。

1.2.2 食用單寧添加方法

添加食用單寧跟添加磷酸相似，也是添加到壓榨混合汁箱內(nèi)，利用混合汁的沖擊力及流動性，初步將其與混合汁混勻，再經(jīng)混合汁的泵送過程充分混合。添加食用單寧時無需稀釋，可直接用計量泵進行泵送。通過調(diào)節(jié)計量泵頻率，用量筒測量流量，多次測試直至流量與榨量對應(yīng)。食用單寧添加量為榨蔗量的0.008%，蔗汁密度為1.125 g/mL，制定食用單寧添加量與榨蔗量對應(yīng)表，當(dāng)榨蔗量變動時及時根據(jù)對應(yīng)表調(diào)節(jié)食用單寧添加量。食用單寧黏度隨著溫度的降低而增加，溫度越低，流量越小，因此每天3個工作班次均需進行1次單寧流量測定。在桶裝食用單寧更換、榨量調(diào)節(jié)和氣溫明顯降低時也需進行食用單寧流量測定，確保食用單寧添加量準(zhǔn)確。

1.3 統(tǒng)計與分析

廣西糖業(yè)集團西江制糖有限公司2023/2024年榨季從2024年1月12日開始使用食用單寧直至榨季結(jié)束，選取應(yīng)用食用單寧前2023年12月23日至2024年1月6日的混合汁重力純度、清汁重力純度和清混汁重力純度差與2024年1月12日至1月26日的混合汁重力純度、清汁重力純度和清混汁重力純度差進行比較，同時，對比清汁和糖漿重力純度差、輔助材料用量、產(chǎn)品質(zhì)量和蒸汽用量，分析食用單寧對蔗汁的澄清效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 食用單寧澄清助劑的作用機理

食用單寧分子結(jié)構(gòu)中同時攜帶陰離子和陽離子（圖1），因此，既可溶于堿性介質(zhì)，也可溶于酸性介質(zhì)，根據(jù)介質(zhì)pH的不同表現(xiàn)出陰離子或陽離子特性［11］。根據(jù)該特點，食用單寧可跟非糖分和顯色物質(zhì)以氫鍵結(jié)合，在pH為6.0～8.0時形成不溶物，與雜質(zhì)一起被清除。食用單寧在中性pH范圍內(nèi)不溶解，使得絮凝沉淀過程得以發(fā)生，其絮凝澄清能力得益于其抗溶解能力。

食用單寧對無機和有機膠體顆粒具有很強的絮凝性能，能參與非糖分懸浮固體表面電荷中和，該過程僅涉及電荷吸附作用，不參與化學(xué)反應(yīng)；能與非糖分顆粒凝聚形成微小絮凝物，隨后逐漸聚合形成更大的絮凝物而沉淀［12］。食用單寧的清凈原理主要是通過氫鍵與蔗汁中的顯色體結(jié)合，并形成團聚顆粒將顯色體沉淀而除去（圖2）。此外，食用單寧能與細菌細胞壁的多糖結(jié)合產(chǎn)生抑菌作用，從而減少微生物繁殖引起的糖分損失［13］。

2.2 添加單寧對蔗汁澄清效果的影響

自2024年1月12日開始至1月26日，按榨蔗量的0.008%添加食用單寧，預(yù)灰pH適當(dāng)提高至弱堿性，其他工藝指標(biāo)不變。由表1和表2可知，添加食用單寧后，甘蔗混合汁的平均重力純度僅為82.89 GP，與添加食用單寧前相比降低0.27 GP，說明使用食用單寧前蔗汁質(zhì)量相對較差（添加食用單寧前測定的蔗糖分僅為12.49%）；添加食用單寧后，清汁的平均重力純度較添加食用單寧前提高1.20 GP，清混汁的平均重力純度差與添加前相比提高1.47 GP。由此可見，應(yīng)用食用單寧作為澄清助劑可有效提高蔗汁的清凈效率，有利于提高產(chǎn)糖率。

2.3 添加食用單寧對甘蔗清汁和糖漿重力純度差的影響

由表3和表4可知，添加食用單寧前，甘蔗的平均清汁和糖漿重力純度差為1.10 GP，說明清汁經(jīng)蒸發(fā)后糖分損失較大；添加食用單寧后，平均清汁和糖漿重力純度差僅為0.63 GP，即清汁經(jīng)蒸發(fā)后重力純度差降低了0.47 GP，說明糖分損失減少。由此可見，應(yīng)用食用單寧作為澄清助劑可有效減少蔗汁澄清過程中的糖分損失。

2.4 添加食用單寧對磷酸亞硫酸法甘蔗制糖輔助材料用量的影響

食用單寧的作用與亞硫酸鈣的作用相似，能與非糖分顆粒凝聚而去除色素。因此，應(yīng)用食用單寧能有效減少甘蔗制糖過程中的石灰和硫磺用量。當(dāng)硫熏強度高時凝聚物顆粒較結(jié)實，沉淀速度較快［14］。2024年1月12日至1月26日添加食用單寧后，蔗汁的硫熏強度從28 mL降至18 mL，硫磺用量減少35.71%（硫熏強度為28 mL時，硫磺用量為4.50 t/d，硫熏強度降至18 mL時，硫磺用量減少了1.61 t/d）。按石灰/硫磺等于2.10計算，添加食用單寧后石灰用量減少3.38 t/d，下降33.00%。

廣西糖業(yè)集團西江制糖有限公司在甘蔗制糖生產(chǎn)中通過增加食用單寧用量以實現(xiàn)蔗汁澄清，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，為了獲得良好的沉淀效果，需提高絮凝劑使用量。當(dāng)絮凝劑用量增加50%時，中和汁的沉降速度和沉降顆粒大小與添加食用單寧前效果相當(dāng)。

2.5 添加食用單寧對磷酸亞硫酸法甘蔗制糖產(chǎn)品質(zhì)量的影響

在亞硫酸法生產(chǎn)工藝中的蔗汁澄清脫色是因為亞硫酸與石灰反應(yīng)形成帶正電的亞硫酸鈣，能吸附已聚凝的非糖分膠體粒子和色素；通過氧化還原反應(yīng)，使蔗汁中的顯色物質(zhì)進行還原，達到退色效果［15］。二氧化硫具有還原性，能減弱氧化反應(yīng)，減緩白砂糖的變色過程，但隨著白砂糖存儲時間的延長，二氧化硫逐漸被氧化而消失，白砂糖的氧化增色速度變快，而磷酸亞硫酸法生產(chǎn)的白砂糖在存放后期色值升高更快［16］。食用單寧通過蔗汁中對顯色物質(zhì)的吸附絮凝，可提高澄清效率，能將澄清形成的沉淀除去；添加食用單寧后硫熏強度明顯降低，硫磺用量大幅減少，可降低白砂糖中的二氧化硫殘留量。經(jīng)統(tǒng)計，添加食用單寧后，所生產(chǎn)白砂糖的二氧化硫殘留量降至8.0 mg/kg以下，因此，在成品糖存儲時，其增色速度加快現(xiàn)象得以改善，有利于延長產(chǎn)品保質(zhì)期。

2.6 添加食用單寧對磷酸亞硫酸法甘蔗制糖蒸汽用量的影響

廣西糖業(yè)集團西江制糖有限公司2024年1月12、21和22日的日榨蔗量低于3000 t，蒸汽損耗明顯增大，因此剔除這3 d的蒸汽用量數(shù)據(jù)后計算平均值。由表5和表6可知，日榨蔗量在3000 t以上時，添加食用單寧進行蔗汁澄清的甘蔗制糖蒸汽損耗下降，平均噸蔗耗汽量下降0.83%（絕對值）。說明應(yīng)用食用單可降低硫磺和石灰用量，使得蒸發(fā)罐產(chǎn)生的積垢較松軟且減少，在通洗頻率不變的情況下進行通洗時容易脫落而通洗干凈，傳熱效率提高，致使蒸汽用量降低。同時，由于石灰用量減少，石灰消和用水隨之減少，減輕了蒸發(fā)負荷，使得蒸發(fā)耗汽量減少，從而達到節(jié)能降耗目的。

3 討論

本研究結(jié)果表明，添加食用單寧后甘蔗混合汁的平均重力純度僅為82.89 GP，較添加食用單寧前降低0.27 GP，而添加食用單寧前的蔗糖分較低，僅12.49%，與2022/2023年榨季廣西甘蔗制糖行業(yè)蔗糖分平均水平14.51%相比降低2.02%（絕對值）；添加食用單寧后甘蔗清混汁的平均重力純度差較添加前提高1.47 GP，提高幅度較大。說明在甘蔗質(zhì)量較差時應(yīng)用食用單寧進行蔗汁澄清效果較好。但添加食用單寧后甘蔗清混汁的平均重力純度差較添加前提高幅度較大是否與甘蔗質(zhì)量較差有關(guān)，需進一步探討。

糖汁在蒸發(fā)過程中各類物質(zhì)會發(fā)生分解產(chǎn)生酸性物質(zhì)而降低糖汁堿度并加快糖汁轉(zhuǎn)化，其中，主要分解物質(zhì)酰胺在清凈處理過程中未能全部去除，進而分解成氨氮類形成不凝氣體排出［17］。本研究中，添加食用單寧后甘蔗的平均清汁和糖漿重力純度差較添加前降低0.47 GP，與添加食用單寧能較好地除去酰胺類物質(zhì)有關(guān)，也與添加食用單寧后可提高清混汁平均重力純度（即提高清凈效率）的結(jié)果相吻合。

在添加食用單寧能使硫熏強度降至20 mL以下時，吸濾機處理泥汁開始變得困難，泥層變薄，濾泥水分偏高，泥汁處理量下降，特別是下雨天，甘蔗帶泥多時會降低榨蔗量，究其原因是使用食用單寧后硫熏強度下降，絮凝沉降顆粒不夠結(jié)實，同時絮凝劑用量增加50%，使泥汁黏度增大。通過在泥汁槽添加蔗糠雖可解決泥汁黏度增大問題，但其提高濾泥過濾性能的效果有限。因此，應(yīng)用食用單寧后如何減少蔗汁清凈過程中的絮凝劑用量還需進一步探究。提高產(chǎn)糖率一直是甘蔗制糖行業(yè)追求的目標(biāo)，也是提高企業(yè)市場競爭力的根本條件。傳統(tǒng)的磷酸亞硫酸法制糖生產(chǎn)工藝比較成熟，已無通過改善生產(chǎn)環(huán)境提高產(chǎn)糖率的空間。但食用單寧的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的制糖生產(chǎn)工藝，其在提高甘蔗清混汁平均重力純度差與降低清汁和糖漿重力純度差方面效果明顯，在提高產(chǎn)糖率方面應(yīng)用前景廣闊。

4 結(jié)論

食用單寧在pH為6.0～8.0時能與非糖分以氫鍵形式結(jié)合形成聚合物沉淀，達到澄清去除非糖分的目的。將食用單寧作為澄清助劑應(yīng)用于甘蔗制糖生產(chǎn)，可提高甘蔗的清汁和混汁重力純度差，降低清汁和糖漿重力純度差，即降低糖汁在蒸發(fā)過程中的糖分損失，提高產(chǎn)糖率。

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（責(zé)任編輯 思利華）

收稿日期：2024-09-05

基金項目：廣西糖業(yè)集團西江制糖有限公司科技項目（廣糖發(fā)〔2024〕157號）

第一作者：劉勝杰（1987-），男，工程師，主要從事甘蔗制糖生產(chǎn)工藝與設(shè)備研究工作，E-mail：354682436@qq.com