α-葡聚糖酶在制糖工业中的应用

王 健，王 宝，2，陈海军，赵抒娜，2*

（1.中粮营养健康研究院有限公司 老年营养食品研究北京市工程实验室，北京 102209；2.中粮屯河糖业股份有限公司农业部糖料与番茄质量安全控制重点实验室，新疆 昌吉 831100；3.中粮屯河崇左糖业有限公司，广西 崇左 200040）

中国的制糖企业主要分布在南北两个区域，南方主要种植甘蔗，产区以广西为主，在云南、广东、海南也有分布；而北方则以甜菜作为主要制糖原料，产区以新疆为主，近年来内蒙古的甜菜糖也呈现复苏的迹象，发展非常迅速，2018/19产季甜菜糖的产量预计将超过新疆地区。随着人民生活水平的提高和消费的不断升级，消费者对白砂糖产品质量及安全性的要求不断提高，制糖企业亦具有降低企业生产成本、提高产品竞争力的强烈需求，因此对制糖工艺的技术提升也提出了新的要求[1]。

不论是甘蔗还是甜菜，在存放过程中均可能出现腐败、陈化的现象，导致原料劣变，加工性能变差，提糖率降低。其中比较明显的是在存放过程中由肠膜明串珠菌的繁殖将蔗糖中的葡萄糖转变为α-葡聚糖。α-葡聚糖又称为右旋糖酐，是葡萄糖通过α-1,6糖苷键连接而成的聚合物，相对分子质量由数万到数百万不等；其呈胶黏状，且黏度随分子质量和浓度的增加而增加，给制糖工艺多个环节造成困难，降低生产效率。

由于酶制剂的使用具有高效、无污染、操作简单等优点，在制糖工业中具有广阔的应用前景。国外早在20世纪60年代就开始对葡聚糖酶在制糖过程中的应用进行研究，近年来，围绕葡聚糖酶在制糖行业中的应用，我国也有一些相关的报道。该文介绍了α-葡聚糖对制糖工业造成的不利影响，整理了α-葡聚糖酶的生产方式和其适用条件，并对α-葡聚糖酶在制糖工业中的应用进行归纳总结，以期对α-葡聚糖酶在制糖中的应用起到积极的指导作用[2]。

1 葡聚糖与制糖工业中葡聚糖的形成

葡聚糖酶（右旋糖酐酶L）来源于毛壳菌（Chaetomium erraticum）等菌种，是按照独特的发酵过程生产且精制的酶制剂。葡聚糖酶根据切断糖苷键构型的不同而分为α-葡聚糖酶和β-葡聚糖酶，α-葡聚糖酶降解以α-糖苷键连接的葡聚糖，β-葡聚糖酶降解以β-糖苷键连接的葡聚糖。与α-葡聚糖不同，β-葡聚糖广泛存在于微生物、真菌和植物中，是组成高等植物、酵母菌和真菌细胞壁的结构大分子之一，是一种以β-1,3糖苷键链接的高聚合多糖。

需要指出的是，与大麦、高粱等谷类植物胚乳细胞壁中含有的β-葡聚糖不同，制糖工业中的葡聚糖是由肠膜明串珠菌、链球菌属等微生物在葡聚糖蔗糖酶的作用下利用蔗糖产生的[1]。肠膜明串珠菌产生的葡聚糖是以α-键结合的，含有大量的α-1,6键和少量的α-1,2、α-1,3和α-1,4键。制糖工业中葡聚糖结构见图1。

图1 制糖工业中葡聚糖的结构Fig.1 Structures of glucans in sugar industry

高浓度α-葡聚糖的存在使糖汁黏度明显增大，对澄清带来不利影响，其容易附着在过滤层的微细通道上，堵塞通道，妨碍糖汁过滤；还能够增大糖膏黏度，阻碍蔗糖结晶生长，并造成蔗糖晶型异常。很多因素都会影响α-葡聚糖在制糖过程中的形成，如甘蔗或甜菜的品种、气候、收获条件、原料堆放时间、工厂卫生条件和蔗糖生产工艺条件等[2]。如甜菜原料反复冻融会造成α-葡聚糖浓度的升高；机械收割造成的损伤创口较多，比人工收获更容易导致α-葡聚糖浓度升高；采收后的原料存放时间过久也会明显增加α-葡聚糖的浓度；混合汁存放时间较长，pH降至5～6时，也会导致α-葡聚糖猛增；而糖厂经过漂洗灭菌等操作后则有助降低α-葡聚糖的浓度。因此，评价工厂实际操作过程中的α-葡聚糖问题时需对各个因素综合考量，才能制定更加合理有效的解决方案。

2 α-葡聚糖对制糖工业的危害性

甜菜及甘蔗在储存期间易发生腐烂变质，带来葡聚糖污染，给制糖过程带来很多不利影响。α-葡聚糖对于制糖工业的危害表现在以下几个方面：

（1）影响生产工艺：α-葡聚糖浓度高的糖液pH值更低，需要更多的石灰进行中和；更容易在管道形成积垢，影响物料通过；α-葡聚糖的存在更容易增加蒸发器积垢的量，增加糖膏加热时间，造成能量损失；α-葡聚糖会延长结晶时间，导致结晶过程中能量损失高于正常值；高浓度α-葡聚糖会导致清洗离心机的时间更长[3]。

（2）提糖率下降：据美国Clarke等提供的数据，当α-葡聚糖的质量分数为0.05%时，蔗糖的损失为0.20 kg/t[4]；另一项研究表明，来自阿根廷糖厂的一株肠膜明串珠菌在30℃培养，前6 h消耗蔗糖的速率为8.46 g/（L·h）[5]。

（3）黏度增大：α-葡聚糖的浓度越大、分子质量越大，黏度增加越明显；黏度高，容易使糖浆黏附在过滤层的微细通道上将通道堵塞，妨碍糖汁过滤；也会影响传热，对煮糖、助晶、分蜜带来不良影响，使蒸发煮糖时间延长、废蜜的提净率降低、助晶分蜜困难，结果使煮炼收回降低[2]。

（4）影响结晶和原糖质量：糖膏中的α-葡聚糖会降低原糖结晶量，煮糖时容易生成伪晶并增加糖蜜损失。研究表明，糖浆中含α-葡聚糖300 mg/L会使糖蜜纯度上升1%；当糖液中α-葡聚糖的含量达到400～600 mg/L时，会使蔗糖的晶体伸长，甚至形成针状的晶体[2]，同时结晶速率降低，影响产品质量；纯度84.3%的糖膏中含有755 mg/L的α-葡聚糖会使原糖晶体减少到86%；糖膏中的α-葡聚糖会使结晶出的原糖黏性大，不容易干燥和包装[3]。

（5）旋光度升高：蔗糖的比旋光度为[α]20D=66.6°，而糖液中α-葡聚糖的比旋光度为[α]20D=198°[1]；向纯蔗糖溶液中加入180 mg/L的α-葡聚糖能够使溶液的平均旋光度增加0.05°[3]。旋光度的升高会导致测得蔗糖的纯度虚假上升。

葡聚糖对蔗糖的最终产品的应用性能也可能会带来影响。来自澳大利亚的研究显示，在原糖加工过程中，如果按照一般澄清、脱色工艺，糖浆中α-葡聚糖含量较低时，最终的原糖产品中会有10%的α-葡聚糖残留；而当糖浆中α-葡聚糖含量较高时，最终的原糖产品中会有30%甚至更高的α-葡聚糖残留。如果使用α-葡聚糖含量过高的糖产品应用于下游产品中，可能会造成饮料产生絮状物，糖果、巧克力成型困难等问题的发生。

3 α-葡聚糖酶的生产及应用

α-葡聚糖酶在国外的研发及工业化生产已有相对成熟的应用。1986年美国的Miles Laboratoeies公司已生产出商业化制糖用葡聚糖酶并投放市场[6]，但其应用情况未见报道。1999年美国Genencor公司生产的葡聚糖酶获得美国GRAS和FDA认证，成功推向市场，其商标名为DextranexTM。丹麦Novo Nordisk公司推出的DN25L和DN50L葡聚糖酶，在温度50～60℃，pH 5.0～6.0的条件下，可有效水解蔗汁中的葡聚糖[7]，但并未获得美国食品和药品管理局的认证，未能在美国市场广泛推广。2002年丹麦的Novo Nordisk公司推出源自毛壳菌（Chaetomium erraticum）的右旋糖酐酶Dextranase Plus L[8]，热稳定性达到85 ℃、pH适应范围3.0～7.0，在该条件下可有效除去蔗汁中的右旋糖酐，该种酶亦可应用于糖浆，但需要反应达到30～60 min才有较好效果。日本Sankyo公司使用细丽毛壳菌生产右旋糖酐酶[9]，在澳大利亚多家糖厂应用试验。日本阿玛诺天野酶制剂商贸（上海）有限公司提供的右旋糖酐酶L是一种由新型的毛壳菌菌株通过独特的发酵过程培养并精制而得的酶制剂，在pH5.0～8.0范围能有效作用，最适温度为60℃，目前在市场上也有成熟的制糖用商业产品。

国内也有对制糖用葡聚糖酶研发制备的相关研究，如广西工业大学的余林课题组将朱黄青霉（Penicillium minioluteum HI-4）的葡聚糖酶在毕赤酵母中表达[10]，并研究了该酶的分离纯化方法和保存条件。陆海勤等[11]用细丽毛壳菌（Chaetomium gracile）发酵生产得到酶活性为122～356 U/mL的α-葡聚糖酶，可有效分解蔗汁中的α-葡聚糖。贺湘[12]的研究表明，在混合汁中加入10 mg/L的α-葡聚糖酶，并模拟亚硫酸法制糖澄清工艺，可将清汁中的α-葡聚糖含量降低61.32%，沉降时间减少13.30%，简纯度提高0.65%。梁达奉等[2]成功从青霉扩增出α-葡聚糖酶基因，以毕赤酵母为蛋白表达平台，构建出表达外源α-葡聚糖酶的毕赤酵母基因工程菌，并通过优化发酵工艺制得到α-葡聚糖酶，在广东、广西和云南等多家甘蔗制糖厂进行试验，其对除去糖汁中α-葡聚糖的效果较好。

葡聚糖酶及其来源菌株和反应最适条件如表1所示，可以看出不同菌株来源的葡聚糖酶的最适条件有着明显的差别。

表1 来源于不同微生物的葡聚糖酶及最适反应条件Table 1 The optimum reaction conditions and dextranases produced by different microorganisms

由表1可知，来源于真菌的葡聚糖酶最适pH偏向酸性，来源于细菌的葡聚糖酶最适pH偏向中性；来源于真菌的葡聚糖酶最适温度在50～60℃，来源于细菌的葡聚糖酶除嗜热菌外温度都低于40℃。除来源于Paecilomyces lilacinum的葡聚糖酶外，重组表达的葡聚糖酶具有与天然葡聚糖酶相似的最适反应条件。

4 葡聚糖酶在制糖工艺中的应用

4.1 检测方法介绍

α-葡聚糖在制糖工艺中会造成很多不利影响，因此对α-葡聚糖进行准确的定量分析具有很重要的意义。目前在工厂中较为常用的检测方法有免疫法、Haze酒精法、罗伯特-铜法等。

4.1.1 罗伯特-铜法[28]

罗伯特-铜法是目前检测葡聚糖总量的国标方法，通过葡聚糖与苯酚发生的显色反应进行定量测定，又被称为比色法。该法首先使用体积分数为80%乙醇将所有多糖进行沉淀分离，后加入碱式碳酸铜，选择性生成葡聚糖-铜的络合物沉淀，再加入硫酸水解分离α-葡聚糖，最终得到的α-葡聚糖与苯酚发生显色反应，再进行分光光度法测定葡聚糖的含量。

该方法可用于分析蔗汁、糖浆、糖蜜以及原糖精制糖等成品糖中的葡聚糖，但由于其在浊度测定上相当繁琐，且耗时较长，目前已逐渐被其他方法所替代。

4.1.2 Haze酒精法[29]

Haze酒精法通常用于测量原糖或白砂糖中的α-葡聚糖检测，该方法便于操作，所耗时间少，设备简单，是糖厂比较普遍的测定方法。Haze酒精法测量α-葡聚糖是利用了α-葡聚糖在体积分数为50%的乙醇溶液中的溶解度较低的性质，当乙醇与水形成稳定均匀相后，α-葡聚糖会析出形成沉淀，再使用分光光度计测量其混合溶液的浊度值，并利用葡聚糖含量标准曲线方程进行计算，最终得到样品中α-葡聚糖的含量。

但是该种方法受蔗汁中其他成分的干扰较大，蔗汁中的色素分子较多，并含有少量淀粉，这些物质在体积分数为50%乙醇溶液中也会有沉淀产生，可能会对实验结果产生干扰。

4.1.3 免疫法[28]

免疫法是通过使用来自动物B淋巴细胞的单克隆抗体与样品中的α-葡聚糖产生抗体抗原反应，使得α-葡聚糖从溶液中析出，并通过浊度测定来进行α-葡聚糖定量分析的方法。该方法在国外的制糖工厂中应用较为广泛，具有操作简单、灵敏度高的特点；目前由于其抗体价格较高，检测成本也相对较高，在国内的制糖工业中处于推广应用的阶段。

4.2 α-葡聚糖酶在不同工艺中的应用

葡聚糖酶制剂在糖厂通常是以浓缩酶（concentrated）和非浓缩酶（non-concentrated）的形式利用，这两种形式的酶大概有8～10倍的活性差别[30]。

在国外，α-葡聚糖酶在制糖领域的使用已有50多年的历史。1996/1997榨季，路易斯安那糖厂在混合汁中添加6mg/L的葡聚糖酶，处理时间12～15min，可降解50%～85%的葡聚糖，降低了煮糖的黏度和糖蜜纯度，晶体中的葡聚糖含量也减少了80%[30]。1995～1999年期间古巴在不同制糖工厂进行了葡聚糖酶的试验。在葡聚糖含量为1600mg/L的蔗汁中使用16 mg/L葡聚糖酶，处理时间10 min时可水解85%的葡聚糖[7]。相比葡聚糖酶在国外制糖生产中的应用，国内的相关研究较少；因甜菜糖占我国自产糖的比例较低，其在甜菜制糖中的应用尚未见报道。

制糖工业中应用的α-葡聚糖酶制剂如表2所示，可以看出目前制糖工业应用的葡聚糖酶制剂主要来自于毛壳属（Chaetomium）和青霉属（Penicillium）真菌[31]。工业用葡聚糖酶制剂都有较宽的最适pH区间，最适温度均高于50℃，其中由Novo Nordisk生产的α-葡聚糖酶Dextranase Plus L可耐85℃以上高温，非常适合添加于蔗汁及糖浆中去除α-葡聚糖。

表2 用于制糖工业的α-葡聚糖酶制剂Table 2 α-glucanase applied in sugar industry

4.3 最佳使用条件的选择

在实际生产时，要考虑的因素很多。为了保证α-葡聚糖酶拥有较高的活性，不仅要选择最合适的酶，更要确定最佳的操作条件，包括工艺操作的温度、pH和锤度等参数[30]。

（1）保存方式：不同的保存条件会影响到α-葡聚糖酶的活性。一般α-葡聚糖酶推荐的储存方式是保存在工厂的避光阴暗处。在模拟工厂的保存条件（温度变化23～27℃）保存90 d后，浓缩酶的活性减少了9%，而非浓缩酶的活性减少了46%，损失了近一半之多。

（2）添加位置：α-葡聚糖酶的添加位点很重要。如美国的不同糖厂就采用不同的添加点，添加点在糖汁和糖浆的都有。根据CERUTTIDEGDO等[5]的研究，甘蔗制糖工艺中在糖浆（含α-葡聚糖7230mg/L°Bx，63℃）中加入10mg/L固形物的浓缩α-葡聚糖酶，反应20 min后，糖浆中的α-葡聚糖就能降低37%，糖浆黏度可明显下降。而为了能使α-葡聚糖酶在流程中有更长的反应时间，可在糖汁一次加热器加入浓缩葡聚糖酶，具有较好的效果。JIM魪NEZ E R等[13]的研究提到，真菌葡聚糖酶在低浓度、pH为5左右、温度接近50℃时呈现最高的活性，由此可见提汁车间可能是此类葡聚糖酶发挥作用的最佳添加点。陆海勤等[11]对甘蔗制糖过程中的不同添加点进行了研究，使用的是细丽毛壳菌生产的α-葡聚糖酶，对比了添加在清汁、混合汁、糖浆中的去除效果，结果表明其在混合汁中添加效果最优。

（3）反应温度：在EGGLESTON G等[30]的报告中提到了对α-葡聚糖酶的应用研究。在糖汁中使用α-葡聚糖酶通常要根据糖厂所在地的气候来进行选择（如美国Louisiana约为32℃），而商用α-葡聚糖酶的最适温度都在50℃以上。在32℃条件下，20 mg/L的非浓缩酶能够降解糖汁中（3380mg/L°Bx）26.7%的α-葡聚糖；在50℃条件下，10mg/L的非浓缩酶在反应5 min后能够降解23.1%的α-葡聚糖。相比非浓缩酶，4 mg/L浓缩酶在32℃条件下能够降解29.6%的α-葡聚糖；在50℃条件下，4 mg/L的浓缩酶在反应5 min时就能将60%以上的α-葡聚糖降解。因此，若使用商业化的来自于毛壳菌属的浓缩α-葡聚糖酶制剂，在将糖汁加热至50℃的条件下，2 mg/L浓缩酶反应5 min就能够降解混合汁中的大部分α-葡聚糖。

（4）糖汁锤度：EGGLESTON G等[30]研究了锤度对于α-葡聚糖酶活性的影响，实验采用的均是来源于毛壳菌属的葡聚糖酶：Chaetomium erraticum产出的浓缩α-葡聚糖酶（最适温度55～60℃）、Chaetomium gracile产出的非浓缩α-葡聚糖酶（最适温度55～60℃）和Chaetomium erraticum产出的非浓缩α-葡聚糖酶（最适温度50～60℃）。在锤度＜30°Bx的溶液中添加时，α-葡聚糖酶的活性很稳定，当锤度＞30°Bx时，α-葡聚糖酶的活性随着锤度升高不断下降。

（5）反应pH：我国南部的很多甘蔗糖厂都是采用亚硫酸法制糖，其中混合汁澄清的工艺是先预加灰调节pH至6.0～6.5[7]，然后再加热至60～70℃。为了满足在混合汁一次加热器中加入α-葡聚糖酶降解糖汁中的葡聚糖，可以使用来自Chaetomium gracile的葡聚糖酶，该种酶具有较大的最适pH范围，能够满足生产要求。

4.4 使用α-葡聚糖酶制剂可能存在的问题

由于α-葡聚糖酶对适宜的温度、湿度、酸、碱等条件比较敏感，如果保存处理不当，或者产品的稳定化处理技术不成熟，就容易造成酶制剂在保存期的快速失活而影响使用效果。因此，在实际操作过程中，酶制剂的稳定性也是选择α-葡聚糖酶产品时需要考虑的一个重要因素。

此外，应根据实际需求进行酶制剂的选择。如采用可抗高温的α-葡聚糖酶制剂，虽然增加了在制糖过程中的应用便利性，但也可能会在终产品中造成一定的活性残留；因此应系统考虑，在解决葡聚糖问题的同时，避免对后续的产品应用造成影响。

5 结语

在甘蔗和甜菜的种植、收获、贮藏及制糖的过程中，不可避免地会产生葡聚糖，该大分子多糖会在制糖工艺中对许多工段产生不利影响。根据不同的工艺条件，在制糖过程中添加适合的α-葡聚糖酶，能够明显降低葡聚糖含量，增加生产效率并减少糖分损失。

目前国内外对各种类型的α-葡聚糖酶的性质及应用有一些研究报道，不同类型的α-葡聚糖酶具有各自的最适条件，其添加浓度、添加位点、适用温度、操作条件等不尽相同，仍需结合糖厂的实际情况进行优选和确定。目前，制糖行业对甘蔗/甜菜原料中的葡聚糖含量水平及变化趋势尚缺少详细的跟踪调研数据，就原料中的葡聚糖含量对实际生产的具体影响也缺乏数据积累；因此，需要进行有针对性的试验研究论证，方可形成葡聚糖问题的有效解决方案，发挥α-葡聚糖酶在制糖工业中的最佳应用效果。