蘇江濱，徐日益，尚紅巖，黃向陽(yáng)

（廣州甘蔗糖業(yè)研究所，廣東省生物工程研究所，廣東 廣州 510316）

甘蔗糖蜜沉析率的影響因素研究

蘇江濱，徐日益，尚紅巖，黃向陽(yáng)

（廣州甘蔗糖業(yè)研究所，廣東省生物工程研究所，廣東 廣州 510316）

通過(guò)酒精聚沉并反復(fù)洗滌所得甘蔗糖蜜膠體凝聚物經(jīng)電鏡能譜分析表明，除了粘性蛋白復(fù)合物、多糖碳水化合物外，還含有大量的K+、Ca2+、Na+鹽。由此可反映糖蜜自身所含無(wú)機(jī)鹽可破壞膠粒水化層且中和膠粒電荷，膠粒隨后克服分子間阻力并相互碰撞凝聚逐步析出，即表明糖蜜沉析是鹽析過(guò)程。進(jìn)一步研究表明，pH、溫度、保溫時(shí)間對(duì)糖蜜沉析率基本無(wú)影響。在46～66°Bx間，糖蜜沉析率和錘度成正向線性關(guān)系，以糖蜜錘度為橫坐標(biāo)（x）、沉析率為縱坐標(biāo)（y），線性回歸方程為y=0.000908x－0.020157，R2=0.9999，溫度、保溫時(shí)間、pH對(duì)糖蜜沉析率基本無(wú)影響，最佳沉析條件為66°Bx、溫度和pH自然、靜置半小時(shí)，沉析率達(dá)3.96%。該沉析法簡(jiǎn)單、節(jié)能、安全且能顯著提高甘蔗糖蜜的沉析率。

甘蔗糖蜜；膠體凝聚物；鹽析；沉析率

甘蔗糖蜜是制糖加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢品，錘度80～90°Bx，含糖量約50%，用途廣泛，可作為碳源發(fā)酵制取酒精、單細(xì)胞蛋白、味精等［1-3］，經(jīng)過(guò)澄清處理可制作食用液體糖或牲畜飼料添加劑［4-5］，亦可從中提取色素和抗氧化劑［6-7］，甚至可作水泥緩凝減水劑［8-9］。糖蜜屬于膠體分散體系，膠體粒徑分布于1～100nm之間，大部分是由類果膠、糖和粘性蛋白構(gòu)成的粘性復(fù)合物，每毫升糖蜜大概含有106個(gè)粒子［10］。糖蜜酒精發(fā)酵工業(yè)中，膠體是發(fā)酵罐、蒸餾塔結(jié)垢的主要誘因，膠粒還可以附著在酵母細(xì)胞表面，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)偈辜?xì)胞絮凝結(jié)團(tuán)，從而大大降低發(fā)酵率，因此去除糖蜜膠體是提高糖蜜酒精發(fā)酵效率的有效途徑?？v觀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，蔗汁或糖蜜膠體含量評(píng)價(jià)方法一般有兩種：一是添加酒精聚沉膠體后用濾紙過(guò)濾并用酒精脫糖后稱膠體干重［11］；二是間接采用膠體沉淀厚度、濕沉質(zhì)量或上清液含糖量做為參考指標(biāo)［12-13］。現(xiàn)階段研究者普遍采用磷酸-石灰法、高溫-硫酸法、聚丙烯酰胺法來(lái)去除糖蜜膠體［14-15］，但是殘留的添加助劑會(huì)給后期處理或食品安全帶來(lái)隱患［16］。其實(shí)糖蜜本身含有大量的鉀鈣金屬無(wú)機(jī)鹽，只需進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，便可使膠體鹽析，過(guò)程簡(jiǎn)單、安全。本文首先改進(jìn)了膠體凝聚物檢測(cè)方法，提高其準(zhǔn)確性和重復(fù)性，初步分析膠體凝聚物的成份，并在此基礎(chǔ)上研究糖蜜錘度、溫度、加熱時(shí)間及pH對(duì)糖蜜沉析率的影響，建立最優(yōu)沉析工藝。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

主要試劑：糖蜜83.27°Bx，廣東三和酒精廠，去離子水，蒸餾水，無(wú)水酒精，濃鹽酸，α-萘酚。

主要儀器：恒溫干燥箱，恒溫水浴鍋，超聲波清洗儀，漩渦振蕩器，PAL-α迷你數(shù)顯折射儀，pH計(jì)，BS201S電子分析天平，TDL-5A離心機(jī)，掃描電鏡，能譜分析儀。

1.2 方法

1.2.1 糖蜜膠體凝聚物提取及檢測(cè)

酒精聚沉法［17-18］，稍作改進(jìn)，筆者用4000rpm離心代替濾紙過(guò)濾，用超聲波振蕩代替玻璃棒攪拌，具體步驟如下：取烘干的15mL塑膠離心管1和2，取重量為0.9～1g糖蜜于離心管1，加去離子水約4.4～4.6g，加稀鹽酸調(diào)pH4.3～4.4，振蕩均勻，取2mL稀釋液4000rpm離心3min（此可除去不溶懸浮物），取上清液1.5mL糖蜜稀釋液于離心管2，于管2中慢慢加入無(wú)水酒精至11mL（邊加邊搖勻以免膠體和糖分結(jié)塊聚沉），振蕩10min，4000rpm離心3min，棄上清液，沉淀加10mL 90%酒精置于超聲波清洗儀中50℃振散5min，4000rpm離心3min，如此洗滌5遍以上，直至上清液不與萘酚-濃硫酸發(fā)生紫色反應(yīng)，證明沉淀糖分洗脫完全，將沉淀置于50℃過(guò)夜干燥，制片后掃描電鏡觀察結(jié)構(gòu)，能譜儀分析其元素組成。

1.2.2 糖蜜沉析率的測(cè)定

取重量為M的原糖蜜，經(jīng)過(guò)預(yù)處理（稀釋、酸化、加熱等）后置于離心管中2000rpm離心5min，棄上清液，沉淀加10mL90%酒精置于超聲波清洗儀中50℃振散10min，2000rpm離心5min，如此洗滌4遍以上，直至上清液不與萘酚-濃硫酸發(fā)生紫色反應(yīng)，證明沉淀糖分洗脫完全，將含有沉淀物的離心管置于50℃過(guò)夜干燥至恒重，稱得干燥物重m，預(yù)處理糖蜜沉析率（g/g原蜜）=m/M。

1.2.3 錘度、溫度、保溫時(shí)間、pH影響因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將等量糖蜜分別用去離子水稀釋成70°Bx、67°Bx、66°Bx、60°Bx、53°Bx、46°Bx，pH自然于室溫25～30℃靜置半小時(shí)，測(cè)各組沉析率。

將等量糖蜜用去離子水稀釋成60°Bx，pH自然分別置于40℃、50℃、60℃水浴保溫半小時(shí)，對(duì)照組為自然溫度31℃，測(cè)各組沉析率。

將等量糖蜜用去離子水稀釋成60°Bx，pH自然置于60℃分別水浴0.5h、1h、1.5h、2h后，測(cè)各組沉析率。

為了避免因添加硫酸而析出硫酸鈣，采用鹽酸將等量60°Bx糖蜜稀釋液分別調(diào) pH至4.0、3.62、3.13、2.85，對(duì)照組為自然pH5.21，于室溫靜置0.5～1h，測(cè)各組沉析率。

分析上述單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立最優(yōu)沉析工藝。

2 結(jié)果與分析

2.1 糖蜜膠體凝聚物成份初步分析

如圖1、2所示，膠體凝聚物呈現(xiàn)復(fù)雜的不規(guī)則狀態(tài)，由片狀物、晶狀物和不規(guī)則的小顆粒組成，通過(guò)表1、2可推斷其中除了含有蛋白復(fù)合物、類果膠等成份，還含大量K+、Ca2+、Na+等金屬鹽，也說(shuō)明了金屬無(wú)機(jī)鹽無(wú)法通過(guò)90%酒精洗脫完全，側(cè)面反映了糖蜜沉析是鹽析的過(guò)程。

圖1 糖蜜膠體凝聚物樣品A的SEM/EDS分析

表1 樣品A的EDS分析

圖2 糖蜜膠體凝聚物樣品B的SEM/EDS分析

表2 樣品B的EDS分析

2.2 糖蜜錘度對(duì)沉析率的影響

圖3 糖蜜錘度對(duì)沉析率的影響

研究發(fā)現(xiàn)在46～66°Bx范圍內(nèi)，沉析率和錘度呈正向線性關(guān)系，以糖蜜錘度為橫坐標(biāo)（x）、沉析率為縱坐標(biāo)（y），線性回歸方程為y=0.000908x－0.020157，R2=0.9999，推測(cè)隨著糖蜜錘度的增加，無(wú)機(jī)鹽濃度亦增加，在66°Bx時(shí)達(dá)到鹽析最佳濃度，沉析率達(dá)3.96%，當(dāng)大于67°Bx時(shí)，沉析率開(kāi)始下降，這是由于粘度太大，膠粒布朗運(yùn)動(dòng)被分子阻力所抑制，膠粒互相碰撞機(jī)會(huì)隨之減少。

2.3 溫度對(duì)糖蜜沉析率的影響

如表3所示，隨著溫度從自然31℃升至60℃，沉析率從3.63%略降至3.56%，推測(cè)是由于隨膠體析出的金屬鹽呈高溫溶解的趨勢(shì)，根據(jù)SPSS方差分析表4可知P>0.05，說(shuō)明溫度對(duì)沉析率的影響不顯著。糖蜜儲(chǔ)存于大型儲(chǔ)罐內(nèi)，伴隨著耐高滲微生物釋放的生物熱和內(nèi)部生化反應(yīng)熱，溫度可達(dá)40℃以上，稀釋后通常都在30℃以上。因此選擇自然溫度既沉析率高又節(jié)能。

表3 溫度對(duì)糖蜜沉析率的影響

表4 溫度對(duì)沉析率的影響顯著性分析

2.4 保溫時(shí)間對(duì)糖蜜沉析率的影響

如表5所示，4種保溫時(shí)間對(duì)應(yīng)的沉析率都在3.49%～3.50%，根據(jù)SPSS方差分析表6可知P>0.05，說(shuō)明保溫時(shí)間對(duì)沉析率的影響不顯著。工業(yè)生產(chǎn)中使用100m3左右的酸化罐，體積大保溫效果好，一般一小時(shí)降溫的幅度很小，所以基本可以不考慮持續(xù)加熱保溫，只要初始溫度達(dá)到便可。

表5 保溫時(shí)間對(duì)沉析率的影響

2.5 pH對(duì)糖蜜沉析率的影響

pH即等電點(diǎn)普遍被認(rèn)為是影響膠體聚沉的重要因素，但本研究結(jié)果卻相反，如表7所示：當(dāng)pH2. 85～5.21時(shí)，沉析率處于3.48%～3.50%，工業(yè)中糖蜜用于發(fā)酵生產(chǎn)酒精時(shí)pH調(diào)至3～5，推測(cè)糖蜜等電點(diǎn)不在此pH范圍內(nèi)，根據(jù)SPSS方差分析表8可知P>0.05，說(shuō)明pH對(duì)沉析率的影響不顯著。目前糖蜜酒精無(wú)酸發(fā)酵技術(shù)倍受青睞，因此選擇pH自然既可以節(jié)省硫酸又環(huán)保。

表6 保溫時(shí)間對(duì)沉析率的影響顯著性分析

表7 pH對(duì)沉析率的影響

表8 pH對(duì)沉析率的影響顯著性分析

3 結(jié)論與探討

傳統(tǒng)酒精聚沉法是添加酒精聚沉膠體后用濾紙過(guò)濾并用酒精洗凈烘干后稱干重，但膠體沉淀物是粘性物質(zhì)，過(guò)濾時(shí)會(huì)強(qiáng)力粘附于濾紙，以至于難以攪勻并洗脫摻雜于沉淀物內(nèi)部的糖分，攪拌的同時(shí)還伴有物料損失，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性很差；筆者用4000rpm離心代替濾紙過(guò)濾、用超聲波振蕩代替玻璃棒攪拌洗脫糖分，從表3、5、7的三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性大大提高。甘蔗糖蜜膠體凝聚物經(jīng)電鏡能譜分析得知，不但含有粘性蛋白、果膠多糖類等有機(jī)物，而且含有大量的鉀、鈣、鈉金屬無(wú)機(jī)鹽，反映了糖蜜沉析是鹽析的過(guò)程。因此傳統(tǒng)的酒精聚沉法所得糖蜜膠體凝聚物是膠體和金屬鹽的混合物，并不能表征純膠體總量，只能作為不同類別糖蜜的膠體含量的橫向?qū)Ρ戎笜?biāo)。想要測(cè)純膠體含量，須用透析技術(shù)將金屬鹽除去，分析糖蜜內(nèi)膠體分子量分布范圍和含量也是下一步研究計(jì)劃內(nèi)容。

相比熱酸法、聚丙烯酰胺法等，該沉析法簡(jiǎn)單、節(jié)能、安全。在46～66°Bx范圍內(nèi)糖蜜沉析率和錘度有正向線性關(guān)系，以糖蜜錘度為橫坐標(biāo)（x）、沉析率為縱坐標(biāo)（y），線性回歸方程為y=0.000908x－0.020157，R2=0.9999；當(dāng)溫度處于31～60℃之間，溫度和保溫時(shí)間對(duì)沉析率基本無(wú)影響；當(dāng)pH處于2.85～5.21時(shí)，pH對(duì)沉析率基本無(wú)影響。最佳沉析條件是66°Bx，溫度和pH自然，靜止半小時(shí)，沉析率可顯著提高至3.96%。本研究為糖蜜脫膠和除灰工藝工業(yè)應(yīng)用提供了重要依據(jù)。

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Study on the influence factors of precipitation rate of sugarcane molasses

Su Jiang-bin，Xu Ri-yi，Shang Hong-yan，Huang Xiang-yang
（Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute，Guangzhou 510316，China）

As little as 0.008%of molasses colloids have an unfavorable effect to the yeast cells，therefore it is a useful approach in increasing the alcohol productivity by removing the molasses colloids.SEMEDS analysis showed that the precipitate formed by alcohol addition consisting of potassium、calcium、sodium salts and colloidal particles.It revealed that precipitation was a complex process mixed with?colloids and metal saults aggregation.In other words，the precipitation process is salting out.Further study showed that pH、temperature and soaking time had few effect on the colloidal precipitation rate.In a range from 46 to 66°Bx，the colloidal precipitation rate rose in step with the molasses brix，the equation was y=0.000908x－0.020157，R2=0.9999.The optimum conditions for precipitation were leaving the 66° Bx molasses with natural pH for half an hour at the natural temperature，and the colloidal precipitation rate was amount to 3.96%.This method was simple、energy-saving and safe，which also increased the precipitation rate significantly.

sugarcane molasses，colloidal agglomerate，salting out，precipitation rate

TS244

B

2016-08-12

廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B010102002；2014A010107017；2016B070701005），廣東省科學(xué)院科研平臺(tái)環(huán)境與能力建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2016GDASPT-0208）。

蘇江濱（1982-），男，福建人，工程師，研究方向：發(fā)酵工程。

徐日益（1984-），男，江西人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，研究方向：發(fā)酵工程。Email:scutriyal@163.com