王 健，王 寶，2，陳海軍，趙抒娜，2*

（1.中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司 老年營養(yǎng)食品研究北京市工程實驗室，北京 102209；2.中糧屯河糖業(yè)股份有限公司農(nóng)業(yè)部糖料與番茄質(zhì)量安全控制重點實驗室，新疆 昌吉 831100；3.中糧屯河崇左糖業(yè)有限公司，廣西 崇左 200040）

中國的制糖企業(yè)主要分布在南北兩個區(qū)域，南方主要種植甘蔗，產(chǎn)區(qū)以廣西為主，在云南、廣東、海南也有分布；而北方則以甜菜作為主要制糖原料，產(chǎn)區(qū)以新疆為主，近年來內(nèi)蒙古的甜菜糖也呈現(xiàn)復(fù)蘇的跡象，發(fā)展非常迅速，2018/19產(chǎn)季甜菜糖的產(chǎn)量預(yù)計將超過新疆地區(qū)。隨著人民生活水平的提高和消費的不斷升級，消費者對白砂糖產(chǎn)品質(zhì)量及安全性的要求不斷提高，制糖企業(yè)亦具有降低企業(yè)生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品競爭力的強烈需求，因此對制糖工藝的技術(shù)提升也提出了新的要求[1]。

不論是甘蔗還是甜菜，在存放過程中均可能出現(xiàn)腐敗、陳化的現(xiàn)象，導(dǎo)致原料劣變，加工性能變差，提糖率降低。其中比較明顯的是在存放過程中由腸膜明串珠菌的繁殖將蔗糖中的葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)棣?葡聚糖。α-葡聚糖又稱為右旋糖酐，是葡萄糖通過α-1,6糖苷鍵連接而成的聚合物，相對分子質(zhì)量由數(shù)萬到數(shù)百萬不等；其呈膠黏狀，且黏度隨分子質(zhì)量和濃度的增加而增加，給制糖工藝多個環(huán)節(jié)造成困難，降低生產(chǎn)效率。

由于酶制劑的使用具有高效、無污染、操作簡單等優(yōu)點，在制糖工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。國外早在20世紀60年代就開始對葡聚糖酶在制糖過程中的應(yīng)用進行研究，近年來，圍繞葡聚糖酶在制糖行業(yè)中的應(yīng)用，我國也有一些相關(guān)的報道。該文介紹了α-葡聚糖對制糖工業(yè)造成的不利影響，整理了α-葡聚糖酶的生產(chǎn)方式和其適用條件，并對α-葡聚糖酶在制糖工業(yè)中的應(yīng)用進行歸納總結(jié)，以期對α-葡聚糖酶在制糖中的應(yīng)用起到積極的指導(dǎo)作用[2]。

1 葡聚糖與制糖工業(yè)中葡聚糖的形成

葡聚糖酶（右旋糖酐酶L）來源于毛殼菌（Chaetomium erraticum）等菌種，是按照獨特的發(fā)酵過程生產(chǎn)且精制的酶制劑。葡聚糖酶根據(jù)切斷糖苷鍵構(gòu)型的不同而分為α-葡聚糖酶和β-葡聚糖酶，α-葡聚糖酶降解以α-糖苷鍵連接的葡聚糖，β-葡聚糖酶降解以β-糖苷鍵連接的葡聚糖。與α-葡聚糖不同，β-葡聚糖廣泛存在于微生物、真菌和植物中，是組成高等植物、酵母菌和真菌細胞壁的結(jié)構(gòu)大分子之一，是一種以β-1,3糖苷鍵鏈接的高聚合多糖。

需要指出的是，與大麥、高粱等谷類植物胚乳細胞壁中含有的β-葡聚糖不同，制糖工業(yè)中的葡聚糖是由腸膜明串珠菌、鏈球菌屬等微生物在葡聚糖蔗糖酶的作用下利用蔗糖產(chǎn)生的[1]。腸膜明串珠菌產(chǎn)生的葡聚糖是以α-鍵結(jié)合的，含有大量的α-1,6鍵和少量的α-1,2、α-1,3和α-1,4鍵。制糖工業(yè)中葡聚糖結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 制糖工業(yè)中葡聚糖的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of glucans in sugar industry

高濃度α-葡聚糖的存在使糖汁黏度明顯增大，對澄清帶來不利影響，其容易附著在過濾層的微細通道上，堵塞通道，妨礙糖汁過濾；還能夠增大糖膏黏度，阻礙蔗糖結(jié)晶生長，并造成蔗糖晶型異常。很多因素都會影響α-葡聚糖在制糖過程中的形成，如甘蔗或甜菜的品種、氣候、收獲條件、原料堆放時間、工廠衛(wèi)生條件和蔗糖生產(chǎn)工藝條件等[2]。如甜菜原料反復(fù)凍融會造成α-葡聚糖濃度的升高；機械收割造成的損傷創(chuàng)口較多，比人工收獲更容易導(dǎo)致α-葡聚糖濃度升高；采收后的原料存放時間過久也會明顯增加α-葡聚糖的濃度；混合汁存放時間較長，pH降至5～6時，也會導(dǎo)致α-葡聚糖猛增；而糖廠經(jīng)過漂洗滅菌等操作后則有助降低α-葡聚糖的濃度。因此，評價工廠實際操作過程中的α-葡聚糖問題時需對各個因素綜合考量，才能制定更加合理有效的解決方案。

2 α-葡聚糖對制糖工業(yè)的危害性

甜菜及甘蔗在儲存期間易發(fā)生腐爛變質(zhì)，帶來葡聚糖污染，給制糖過程帶來很多不利影響。α-葡聚糖對于制糖工業(yè)的危害表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）影響生產(chǎn)工藝：α-葡聚糖濃度高的糖液pH值更低，需要更多的石灰進行中和；更容易在管道形成積垢，影響物料通過；α-葡聚糖的存在更容易增加蒸發(fā)器積垢的量，增加糖膏加熱時間，造成能量損失；α-葡聚糖會延長結(jié)晶時間，導(dǎo)致結(jié)晶過程中能量損失高于正常值；高濃度α-葡聚糖會導(dǎo)致清洗離心機的時間更長[3]。

（2）提糖率下降：據(jù)美國Clarke等提供的數(shù)據(jù)，當(dāng)α-葡聚糖的質(zhì)量分數(shù)為0.05%時，蔗糖的損失為0.20 kg/t[4]；另一項研究表明，來自阿根廷糖廠的一株腸膜明串珠菌在30℃培養(yǎng)，前6 h消耗蔗糖的速率為8.46 g/（L·h）[5]。

（3）黏度增大：α-葡聚糖的濃度越大、分子質(zhì)量越大，黏度增加越明顯；黏度高，容易使糖漿黏附在過濾層的微細通道上將通道堵塞，妨礙糖汁過濾；也會影響傳熱，對煮糖、助晶、分蜜帶來不良影響，使蒸發(fā)煮糖時間延長、廢蜜的提凈率降低、助晶分蜜困難，結(jié)果使煮煉收回降低[2]。

（4）影響結(jié)晶和原糖質(zhì)量：糖膏中的α-葡聚糖會降低原糖結(jié)晶量，煮糖時容易生成偽晶并增加糖蜜損失。研究表明，糖漿中含α-葡聚糖300 mg/L會使糖蜜純度上升1%；當(dāng)糖液中α-葡聚糖的含量達到400～600 mg/L時，會使蔗糖的晶體伸長，甚至形成針狀的晶體[2]，同時結(jié)晶速率降低，影響產(chǎn)品質(zhì)量；純度84.3%的糖膏中含有755 mg/L的α-葡聚糖會使原糖晶體減少到86%；糖膏中的α-葡聚糖會使結(jié)晶出的原糖黏性大，不容易干燥和包裝[3]。

（5）旋光度升高：蔗糖的比旋光度為[α]20D=66.6°，而糖液中α-葡聚糖的比旋光度為[α]20D=198°[1]；向純蔗糖溶液中加入180 mg/L的α-葡聚糖能夠使溶液的平均旋光度增加0.05°[3]。旋光度的升高會導(dǎo)致測得蔗糖的純度虛假上升。

葡聚糖對蔗糖的最終產(chǎn)品的應(yīng)用性能也可能會帶來影響。來自澳大利亞的研究顯示，在原糖加工過程中，如果按照一般澄清、脫色工藝，糖漿中α-葡聚糖含量較低時，最終的原糖產(chǎn)品中會有10%的α-葡聚糖殘留；而當(dāng)糖漿中α-葡聚糖含量較高時，最終的原糖產(chǎn)品中會有30%甚至更高的α-葡聚糖殘留。如果使用α-葡聚糖含量過高的糖產(chǎn)品應(yīng)用于下游產(chǎn)品中，可能會造成飲料產(chǎn)生絮狀物，糖果、巧克力成型困難等問題的發(fā)生。

3 α-葡聚糖酶的生產(chǎn)及應(yīng)用

α-葡聚糖酶在國外的研發(fā)及工業(yè)化生產(chǎn)已有相對成熟的應(yīng)用。1986年美國的Miles Laboratoeies公司已生產(chǎn)出商業(yè)化制糖用葡聚糖酶并投放市場[6]，但其應(yīng)用情況未見報道。1999年美國Genencor公司生產(chǎn)的葡聚糖酶獲得美國GRAS和FDA認證，成功推向市場，其商標(biāo)名為DextranexTM。丹麥Novo Nordisk公司推出的DN25L和DN50L葡聚糖酶，在溫度50～60℃，pH 5.0～6.0的條件下，可有效水解蔗汁中的葡聚糖[7]，但并未獲得美國食品和藥品管理局的認證，未能在美國市場廣泛推廣。2002年丹麥的Novo Nordisk公司推出源自毛殼菌（Chaetomium erraticum）的右旋糖酐酶Dextranase Plus L[8]，熱穩(wěn)定性達到85 ℃、pH適應(yīng)范圍3.0～7.0，在該條件下可有效除去蔗汁中的右旋糖酐，該種酶亦可應(yīng)用于糖漿，但需要反應(yīng)達到30～60 min才有較好效果。日本Sankyo公司使用細麗毛殼菌生產(chǎn)右旋糖酐酶[9]，在澳大利亞多家糖廠應(yīng)用試驗。日本阿瑪諾天野酶制劑商貿(mào)（上海）有限公司提供的右旋糖酐酶L是一種由新型的毛殼菌菌株通過獨特的發(fā)酵過程培養(yǎng)并精制而得的酶制劑，在pH5.0～8.0范圍能有效作用，最適溫度為60℃，目前在市場上也有成熟的制糖用商業(yè)產(chǎn)品。

國內(nèi)也有對制糖用葡聚糖酶研發(fā)制備的相關(guān)研究，如廣西工業(yè)大學(xué)的余林課題組將朱黃青霉（Penicillium minioluteum HI-4）的葡聚糖酶在畢赤酵母中表達[10]，并研究了該酶的分離純化方法和保存條件。陸海勤等[11]用細麗毛殼菌（Chaetomium gracile）發(fā)酵生產(chǎn)得到酶活性為122～356 U/mL的α-葡聚糖酶，可有效分解蔗汁中的α-葡聚糖。賀湘[12]的研究表明，在混合汁中加入10 mg/L的α-葡聚糖酶，并模擬亞硫酸法制糖澄清工藝，可將清汁中的α-葡聚糖含量降低61.32%，沉降時間減少13.30%，簡純度提高0.65%。梁達奉等[2]成功從青霉擴增出α-葡聚糖酶基因，以畢赤酵母為蛋白表達平臺，構(gòu)建出表達外源α-葡聚糖酶的畢赤酵母基因工程菌，并通過優(yōu)化發(fā)酵工藝制得到α-葡聚糖酶，在廣東、廣西和云南等多家甘蔗制糖廠進行試驗，其對除去糖汁中α-葡聚糖的效果較好。

葡聚糖酶及其來源菌株和反應(yīng)最適條件如表1所示，可以看出不同菌株來源的葡聚糖酶的最適條件有著明顯的差別。

表1 來源于不同微生物的葡聚糖酶及最適反應(yīng)條件Table 1 The optimum reaction conditions and dextranases produced by different microorganisms

由表1可知，來源于真菌的葡聚糖酶最適pH偏向酸性，來源于細菌的葡聚糖酶最適pH偏向中性；來源于真菌的葡聚糖酶最適溫度在50～60℃，來源于細菌的葡聚糖酶除嗜熱菌外溫度都低于40℃。除來源于Paecilomyces lilacinum的葡聚糖酶外，重組表達的葡聚糖酶具有與天然葡聚糖酶相似的最適反應(yīng)條件。

4 葡聚糖酶在制糖工藝中的應(yīng)用

4.1 檢測方法介紹

α-葡聚糖在制糖工藝中會造成很多不利影響，因此對α-葡聚糖進行準確的定量分析具有很重要的意義。目前在工廠中較為常用的檢測方法有免疫法、Haze酒精法、羅伯特-銅法等。

4.1.1 羅伯特-銅法[28]

羅伯特-銅法是目前檢測葡聚糖總量的國標(biāo)方法，通過葡聚糖與苯酚發(fā)生的顯色反應(yīng)進行定量測定，又被稱為比色法。該法首先使用體積分數(shù)為80%乙醇將所有多糖進行沉淀分離，后加入堿式碳酸銅，選擇性生成葡聚糖-銅的絡(luò)合物沉淀，再加入硫酸水解分離α-葡聚糖，最終得到的α-葡聚糖與苯酚發(fā)生顯色反應(yīng)，再進行分光光度法測定葡聚糖的含量。

該方法可用于分析蔗汁、糖漿、糖蜜以及原糖精制糖等成品糖中的葡聚糖，但由于其在濁度測定上相當(dāng)繁瑣，且耗時較長，目前已逐漸被其他方法所替代。

4.1.2 Haze酒精法[29]

Haze酒精法通常用于測量原糖或白砂糖中的α-葡聚糖檢測，該方法便于操作，所耗時間少，設(shè)備簡單，是糖廠比較普遍的測定方法。Haze酒精法測量α-葡聚糖是利用了α-葡聚糖在體積分數(shù)為50%的乙醇溶液中的溶解度較低的性質(zhì)，當(dāng)乙醇與水形成穩(wěn)定均勻相后，α-葡聚糖會析出形成沉淀，再使用分光光度計測量其混合溶液的濁度值，并利用葡聚糖含量標(biāo)準曲線方程進行計算，最終得到樣品中α-葡聚糖的含量。

但是該種方法受蔗汁中其他成分的干擾較大，蔗汁中的色素分子較多，并含有少量淀粉，這些物質(zhì)在體積分數(shù)為50%乙醇溶液中也會有沉淀產(chǎn)生，可能會對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾。

4.1.3 免疫法[28]

免疫法是通過使用來自動物B淋巴細胞的單克隆抗體與樣品中的α-葡聚糖產(chǎn)生抗體抗原反應(yīng)，使得α-葡聚糖從溶液中析出，并通過濁度測定來進行α-葡聚糖定量分析的方法。該方法在國外的制糖工廠中應(yīng)用較為廣泛，具有操作簡單、靈敏度高的特點；目前由于其抗體價格較高，檢測成本也相對較高，在國內(nèi)的制糖工業(yè)中處于推廣應(yīng)用的階段。

4.2 α-葡聚糖酶在不同工藝中的應(yīng)用

葡聚糖酶制劑在糖廠通常是以濃縮酶（concentrated）和非濃縮酶（non-concentrated）的形式利用，這兩種形式的酶大概有8～10倍的活性差別[30]。

在國外，α-葡聚糖酶在制糖領(lǐng)域的使用已有50多年的歷史。1996/1997榨季，路易斯安那糖廠在混合汁中添加6mg/L的葡聚糖酶，處理時間12～15min，可降解50%～85%的葡聚糖，降低了煮糖的黏度和糖蜜純度，晶體中的葡聚糖含量也減少了80%[30]。1995～1999年期間古巴在不同制糖工廠進行了葡聚糖酶的試驗。在葡聚糖含量為1600mg/L的蔗汁中使用16 mg/L葡聚糖酶，處理時間10 min時可水解85%的葡聚糖[7]。相比葡聚糖酶在國外制糖生產(chǎn)中的應(yīng)用，國內(nèi)的相關(guān)研究較少；因甜菜糖占我國自產(chǎn)糖的比例較低，其在甜菜制糖中的應(yīng)用尚未見報道。

制糖工業(yè)中應(yīng)用的α-葡聚糖酶制劑如表2所示，可以看出目前制糖工業(yè)應(yīng)用的葡聚糖酶制劑主要來自于毛殼屬（Chaetomium）和青霉屬（Penicillium）真菌[31]。工業(yè)用葡聚糖酶制劑都有較寬的最適pH區(qū)間，最適溫度均高于50℃，其中由Novo Nordisk生產(chǎn)的α-葡聚糖酶Dextranase Plus L可耐85℃以上高溫，非常適合添加于蔗汁及糖漿中去除α-葡聚糖。

表2 用于制糖工業(yè)的α-葡聚糖酶制劑Table 2 α-glucanase applied in sugar industry

4.3 最佳使用條件的選擇

在實際生產(chǎn)時，要考慮的因素很多。為了保證α-葡聚糖酶擁有較高的活性，不僅要選擇最合適的酶，更要確定最佳的操作條件，包括工藝操作的溫度、pH和錘度等參數(shù)[30]。

（1）保存方式：不同的保存條件會影響到α-葡聚糖酶的活性。一般α-葡聚糖酶推薦的儲存方式是保存在工廠的避光陰暗處。在模擬工廠的保存條件（溫度變化23～27℃）保存90 d后，濃縮酶的活性減少了9%，而非濃縮酶的活性減少了46%，損失了近一半之多。

（2）添加位置：α-葡聚糖酶的添加位點很重要。如美國的不同糖廠就采用不同的添加點，添加點在糖汁和糖漿的都有。根據(jù)CERUTTIDEGDO等[5]的研究，甘蔗制糖工藝中在糖漿（含α-葡聚糖7230mg/L°Bx，63℃）中加入10mg/L固形物的濃縮α-葡聚糖酶，反應(yīng)20 min后，糖漿中的α-葡聚糖就能降低37%，糖漿黏度可明顯下降。而為了能使α-葡聚糖酶在流程中有更長的反應(yīng)時間，可在糖汁一次加熱器加入濃縮葡聚糖酶，具有較好的效果。JIM魪NEZ E R等[13]的研究提到，真菌葡聚糖酶在低濃度、pH為5左右、溫度接近50℃時呈現(xiàn)最高的活性，由此可見提汁車間可能是此類葡聚糖酶發(fā)揮作用的最佳添加點。陸海勤等[11]對甘蔗制糖過程中的不同添加點進行了研究，使用的是細麗毛殼菌生產(chǎn)的α-葡聚糖酶，對比了添加在清汁、混合汁、糖漿中的去除效果，結(jié)果表明其在混合汁中添加效果最優(yōu)。

（3）反應(yīng)溫度：在EGGLESTON G等[30]的報告中提到了對α-葡聚糖酶的應(yīng)用研究。在糖汁中使用α-葡聚糖酶通常要根據(jù)糖廠所在地的氣候來進行選擇（如美國Louisiana約為32℃），而商用α-葡聚糖酶的最適溫度都在50℃以上。在32℃條件下，20 mg/L的非濃縮酶能夠降解糖汁中（3380mg/L°Bx）26.7%的α-葡聚糖；在50℃條件下，10mg/L的非濃縮酶在反應(yīng)5 min后能夠降解23.1%的α-葡聚糖。相比非濃縮酶，4 mg/L濃縮酶在32℃條件下能夠降解29.6%的α-葡聚糖；在50℃條件下，4 mg/L的濃縮酶在反應(yīng)5 min時就能將60%以上的α-葡聚糖降解。因此，若使用商業(yè)化的來自于毛殼菌屬的濃縮α-葡聚糖酶制劑，在將糖汁加熱至50℃的條件下，2 mg/L濃縮酶反應(yīng)5 min就能夠降解混合汁中的大部分α-葡聚糖。

（4）糖汁錘度：EGGLESTON G等[30]研究了錘度對于α-葡聚糖酶活性的影響，實驗采用的均是來源于毛殼菌屬的葡聚糖酶：Chaetomium erraticum產(chǎn)出的濃縮α-葡聚糖酶（最適溫度55～60℃）、Chaetomium gracile產(chǎn)出的非濃縮α-葡聚糖酶（最適溫度55～60℃）和Chaetomium erraticum產(chǎn)出的非濃縮α-葡聚糖酶（最適溫度50～60℃）。在錘度＜30°Bx的溶液中添加時，α-葡聚糖酶的活性很穩(wěn)定，當(dāng)錘度＞30°Bx時，α-葡聚糖酶的活性隨著錘度升高不斷下降。

（5）反應(yīng)pH：我國南部的很多甘蔗糖廠都是采用亞硫酸法制糖，其中混合汁澄清的工藝是先預(yù)加灰調(diào)節(jié)pH至6.0～6.5[7]，然后再加熱至60～70℃。為了滿足在混合汁一次加熱器中加入α-葡聚糖酶降解糖汁中的葡聚糖，可以使用來自Chaetomium gracile的葡聚糖酶，該種酶具有較大的最適pH范圍，能夠滿足生產(chǎn)要求。

4.4 使用α-葡聚糖酶制劑可能存在的問題

由于α-葡聚糖酶對適宜的溫度、濕度、酸、堿等條件比較敏感，如果保存處理不當(dāng)，或者產(chǎn)品的穩(wěn)定化處理技術(shù)不成熟，就容易造成酶制劑在保存期的快速失活而影響使用效果。因此，在實際操作過程中，酶制劑的穩(wěn)定性也是選擇α-葡聚糖酶產(chǎn)品時需要考慮的一個重要因素。

此外，應(yīng)根據(jù)實際需求進行酶制劑的選擇。如采用可抗高溫的α-葡聚糖酶制劑，雖然增加了在制糖過程中的應(yīng)用便利性，但也可能會在終產(chǎn)品中造成一定的活性殘留；因此應(yīng)系統(tǒng)考慮，在解決葡聚糖問題的同時，避免對后續(xù)的產(chǎn)品應(yīng)用造成影響。

5 結(jié)語

在甘蔗和甜菜的種植、收獲、貯藏及制糖的過程中，不可避免地會產(chǎn)生葡聚糖，該大分子多糖會在制糖工藝中對許多工段產(chǎn)生不利影響。根據(jù)不同的工藝條件，在制糖過程中添加適合的α-葡聚糖酶，能夠明顯降低葡聚糖含量，增加生產(chǎn)效率并減少糖分損失。

目前國內(nèi)外對各種類型的α-葡聚糖酶的性質(zhì)及應(yīng)用有一些研究報道，不同類型的α-葡聚糖酶具有各自的最適條件，其添加濃度、添加位點、適用溫度、操作條件等不盡相同，仍需結(jié)合糖廠的實際情況進行優(yōu)選和確定。目前，制糖行業(yè)對甘蔗/甜菜原料中的葡聚糖含量水平及變化趨勢尚缺少詳細的跟蹤調(diào)研數(shù)據(jù)，就原料中的葡聚糖含量對實際生產(chǎn)的具體影響也缺乏數(shù)據(jù)積累；因此，需要進行有針對性的試驗研究論證，方可形成葡聚糖問題的有效解決方案，發(fā)揮α-葡聚糖酶在制糖工業(yè)中的最佳應(yīng)用效果。