目前在制糖领域糖浆精制仍局限于采用新技术 新方法进行糖浆脱色处理^{[1, 2]}，而甘蔗提汁过程中褐 变现象一直没有在生产中得到重视，也没有采取有效的措施控制褐变和抑制色素的生成，因此常导致 压榨提汁中混合汁色值明显高于初压汁^{[3, 4]}，而之后 的澄清阶段则千方百计地进行脱色处理。由于蔗汁 成分复杂，存在大量多糖类、蛋白质、蔗脂、蔗蜡、 有机酸、单宁等物质，致使甘蔗破碎、清净过程褐 变更为复杂。

传统制糖工艺在甘蔗压榨后，通常会采用预灰、 预热处理混合汁，由于加入石灰澄清剂及预热处理， 在石灰、加热的作用下，蔗汁的色质也会发生一定 的变化，除酶促褐变外，非酶褐变也是褐变的一个 重要原因，2 种褐变均会对澄清过程色值的变化有 影响 ^{[5, 6]}。通常褐变色素的颜色强度会随最初的酚类 和氧化反应环境因素的不同而不同。分析制糖压榨 及预处理过程中蔗汁色值变化的原因，对采取适当 措施加以防护具有重要的指导意义。

亚硫酸盐是一种广泛使用的多功能抑制剂，它 能阻止酶促褐变和非酶褐变，控制微生物生长，并 作为漂白剂、抗氧化剂或还原剂使用以及执行其他 不 同 技 术 功 能 。 常 用 的 亚 硫 酸 盐 有 亚 硫 酸 钠 (Na2SO₃) 、 亚 硫 酸 氢 钠 (NaHSO₃) 、 焦 亚 硫 酸 钠 (Na2S₂O₅)、低亚硫酸钠(Na2S₂O₄)等。对亚硫酸盐控 制褐变的机理目前还颇有争论，有人认为它具有抑 制酚酶活性的作用，也有人认为它能将醌还原为酚， 还有人认为它可与醌起加成反应从而防止了醌的聚 合 ^[7]。用亚硫酸盐抑制褐变操作简便，经济有效， 如果在制糖工艺的前阶段，只使用较少的亚硫酸盐 就能控制褐变色素的生成，那么在后续的脱色工艺 中，可以达到缓解硫熏处理，达到最终控制成品糖 低含硫量的目的。

本文旨在分析制糖压榨及预处理过程中蔗汁色 值变化的原因，研究常用亚硫酸盐抑制剂对酶促褐 变的抑制，减少蔗汁中酶促褐变色素的生成，为甘 蔗制糖工艺的改进提供依据。 1 材料与方法 1.1 材料和仪器

实验用甘蔗采自美国路易斯安娜州 St.Gabriel 蔗区，以新鲜成熟甘蔗为实验材料，密封于-20℃保 存使用；实验过程使用的初压汁取自美国路易斯安 娜州 Alma Plantation 糖厂；实验用氢氧化钠、盐酸、 氧化钙、亚硫酸氢钠来自美国 Sigma 公司，化学纯 级别；实验用干冰购自 Baton Rouge 化工厂。

中试生产压榨机组、 ARIAS 500 阿贝折射仪、 TC-502/TC-602 电热恒温水浴锅、紫外分光光度计、 微波装置分别由美国 Audubon Sugar Institute 公司、 美国 Reichert Refractometer 公司、美国 Brookfield 公司、 美国 Thermo Genesys 10 公司和美国 Audubon Sugar Institute 公司提供。 1.2 实验方法 1.2.1 甘蔗压榨过程褐变对蔗汁色值的影响

新鲜甘蔗压榨提汁后，迅速量取 20 mL 蔗汁，倒 入 50 mL 去离子水中，混匀，通过滴加 0.01 mol/L 的 NaOH，调整不同 pH，然后经过 0.45 μm 针式过滤器 过滤后，测定 420 nm 下吸光度变化。整个蔗汁提取 过滤在 2 min 内完成，同时记录过程操作时间。另外， 也分别量取多份 20 mL 新鲜蔗汁样品分装到几个塑 料样品袋中，经干冰快速冷冻后，贮藏于-80℃超低 温冰箱内，测定经冷冻贮藏的蔗汁快速解冻后褐变 过程的影响。 1.2.2 加灰对蔗汁色值的影响

取不同来源的新鲜甘蔗压榨汁（成熟蔗茎、蔗 梢以及路易斯安娜州 Alma Plantation 糖厂所获取的 初压汁），迅速加入一定量的 CaO(10%，w/w)混匀， 暴露于空气中放置 60 min 后，测定其色值；取一定 量新鲜蔗汁，迅速滴加一定量的 0.1 mol/L HCl 或 CaO(10%，w/w)，测定 pH 对蔗汁中 PPO（ Polyphenol oxidase，多酚氧化酶）活性的影响。 PPO 活性测定 采用分光光度法^[8]。 1.2.3 石灰法澄清过程加灰时间对蔗汁褐变过程的 影响

石灰在制糖生产过程中是广泛使用的澄清剂， 为了更好地评价加灰时间在澄清过程对褐变色素生 成的抑制，采用目前常用的碱式亚硫酸法生产的主 要工艺流程进行实验设计，具体实验流程如下：

（ 1 ）对照实验流程（图 1 ）

图1(Figure 1)

图1 对照实验流程

（ 2）加灰时间提前处理实验流程（图 2）

图2(Figure 2)

图2 加灰时间提前处理实验流程

压榨甘蔗提汁后，迅速滴入亚硫酸氢钠，达到 浓度分别为 1 、 2、 3 mmol/L，搅拌均匀，然后经过 0.45 μm 过滤器抽滤后，把 1 mL 的滤汁加入放有 3 mL pH7.0 TEA/HCl 缓冲液的比色皿内，混匀，整个 过程在 5 min 内完成，开始测定吸光度变化。反应 温度为 25± 2℃，放置 60 min，让酶促反应充分完 全。测定 420 nm 和 720 nm 下的吸光度，并测定滤 汁的锤度。色值计算为：

S = 1000× (A₄₂₀－ A₇₂₀)/bc………………（ 1 ）

式中： S——色值(IU)； A₄₂₀——用 420 nm 波长 测得样液的吸光度； A₄₂₀——用 720 nm 波长测得样 液的吸光度； b——比色皿厚度(cm)； c——样液固 溶物浓度(g/mL)，可由下式求得： c = (折光锤度/4) ×相应视密度/105。

该方法是根据 ICUMSA GS2/3-9^[9]和 Vickers^[10] 方法进行改进。

酶促褐变程度定义如下：

酶促褐变＝ S _最初－ S _特定时间………………（ 2）

式中： S _最初为物料最初色值，S _特定时间为物料特 定时间后色值。 1.3 分析方法

蔗汁色值的测定按照 ICUMSA Method GS1/3-7 法^[8]，调整 pH7.0 测色值，并定义色值抑制率为：

色值抑制率=100%×（处理前蔗汁色值－处理 后蔗汁色值） /处理前蔗汁色值

所有分析测定至少重复 3 次，实验结果以平均 值±标准偏差(SD)表示。运用 SPSS15.0 统计分析软 件对实验结果进行方差分析和 LSD 检验，P<0.05 为 差异有统计学意义。 2 结果与讨论 2.1 甘蔗压榨过程褐变

传统的制糖过程甘蔗压榨后，通常经过预灰 (pH6.0～6.8)处理。为了研究酶促对压榨汁色素生成 的影响，迅速对预灰后蔗汁取样品 20 mL，加入 50 mL 去离子水，混匀，过滤，暴露于空气中 60 min， 测定其吸光度的变化。图 3 为 20± 2℃下蔗汁在不 同 pH 和时间内颜色变化。从图 3 可以看到，随着 时间的变化，蔗汁颜色逐渐加深，在最初的 10 min， 蔗汁颜色显著增加；随后的 20～60 min，颜色的增 加逐渐变慢。当暴露时间超过 60 min，颜色增加到 一定程度，酶促反应基本完成，颜色不再改变。图 3 还表明，鲜蔗汁和经过干冰冷冻后的蔗汁（测定 时，用 50～ 60℃流动热水迅速解冻），酶促过程基 本一致，干冰冷冻蔗汁用热水迅速解冻后，不影响 其酶促反应。褐变生成的色值超过蔗汁色值的 1/2。 干冰冰冻 720 min 蔗汁(C)的吸光值低于干冰冰冻 30 min 蔗汁(B)的吸光值，说明了蔗汁长时间低温冷冻， 解冻后酶的活性恢复比较慢，导致其褐变程度也有 所下降。在预灰的 pH 范围，蔗汁酶促反应正常发 生，说明了传统的制糖工艺并没能有效地抑制压榨 过程色素的增长。

图3(Figure 3)

图3 蔗汁在不同 pH 和时间内颜色变化(20± 2℃ )

为了更好地考察加灰对不同品质蔗汁色值的影 响，分别以成熟的新鲜蔗茎汁、蔗梢汁以及糖厂初 压汁为研究对象，通过加入一定量的石灰，研究其 色值的变化。由于甘蔗的不同组织部位有不同的 PPO 活性，蔗梢（甘蔗顶部）相对蔗茎的中部和底 部而言，具有更强的 PPO 活性和多酚含量，因此通 常底部和中部蔗茎汁的色值比蔗梢汁的色值小很 多 ^[11]，这从表 1 加灰对蔗汁色值的影响中可以反映 出来。从表 1 还可看出，并不是加灰量越大，色值 的抑制率也越大，这说明通过加灰不仅能抑制酶促 色素的生成，同时也会导致一些非酶褐变色素的产 生。前期的研究已表明，强碱水解会导致更多结合 态酚酸的释放及多酚多聚体成分的氧化降解，这些 释放出来的酚类成分和氧化降解的酚类物质，均会 对蔗汁色值造成影响。因此，预灰处理蔗汁，其色 值是酶促褐变和非酶褐变的综合作用结果。这些情 况的发生，与蔗汁中多酚含量以及 PPO 的活性都有 一定程度的影响。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 加灰对蔗汁色值的影响

表1 加灰对蔗汁色值的影响

图 4 是 pH 对蔗汁 PPO 活性的影响。从图中可 看出，在 pH6.0～6.5 范围内，PPO 相对酶活最高， 之后随着 pH 的升高，PPO 相对酶活开始下降，预 灰 pH>9.5，PPO 相对酶活为 0。高碱预灰可以有效 地抑制 PPO 的活性，但蔗汁的色值并非相应地减少。

图4(Figure 4)

图4 pH 对蔗汁中 PPO 活性的影响

传统的亚硫酸法工艺，通常从提汁到预灰间隔 时间 5～10 min，为了评价在这段时间内提前预灰对 蔗汁澄清效果的影响，特进行了石灰澄清工艺的对 比实验，结果如表 2 所示。从表 2 中可知，甘蔗压 榨后迅速加灰进行澄清处理，均能有效地提高色素 的抑制率。其中，预灰至中性范围内 (pH7.0～7.5)， 可达到最高的抑制效果，当预灰 pH7.5 时，抑制率 达到 11.2%； pH7.0 时，石灰法澄清后蔗汁的色值最 小，可能的原因是蔗汁的初始色值比 pH7.5 时小。 但 pH7.0 时石灰法澄清对蔗汁色值抑制率 9.5%小于 pH7.5 时的 11.2%。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 澄清过程对色值抑制的影响

表2 澄清过程对色值抑制的影响

表 3 反映在 25± 2 ℃内，不同浓度的 NaHSO₃ 对蔗汁酶促褐变色值的影响。由表 3 可知，随着时 间的增加，在前 30 min 内，蔗汁酶促褐变导致色值 变化很显著(p<0.05)，40 min 以后蔗汁颜色增加缓 慢，在 60 min 后，蔗汁酶促褐变基本结束，这些结 果与图 1 的研究一致。 NaHSO₃ 是一种广泛使用的 PPO 抑制剂，在 1 mmol/L 浓度的时候，蔗汁在 30 min 内褐变反应基本结束； 3 mmol/L 浓度时，能完全抑 制酶促过程的发生，表明了适宜地采用 NaHSO₃ 做 抑制剂，能有效地控制酶促的发生。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同浓度的亚硫酸氢钠对蔗汁酶促及色值变化的影响

表3 不同浓度的亚硫酸氢钠对蔗汁酶促及色值变化的影响

（ 1 ）成熟甘蔗在压榨破碎时会发生褐变，褐变 生成的色值超过蔗汁色值的 1/2。常规条件下，酶促 过程基本在 60 min 内完成，前 10 min 是造成色泽增 加的最主要阶段，在传统的预灰 pH6.0～6.8 范围内， 并不能有效地抑制酶促过程的发生。

（ 2）不同来源的蔗汁（蔗梢、成熟蔗茎、糖厂 初压汁），具有明显的色素差异，蔗梢汁颜色最深， 其次是糖厂初压汁，蔗茎汁色值最浅，其所含多酚 物质的种类和含量以及 PPO 活性的不同，造成其褐 变能力各异。

（ 3）预灰 pH>9.5 时，PPO 活性为 0，但蔗汁 的加灰量并不和色值的抑制率有明显的相关性，即 并不是加灰量越大，色值的抑制率也越大。蔗汁压 榨加灰过程的褐变是多种褐变机制共同作用的结 果，在发生酶促褐变的同时伴随非酶褐变的发生， 在非酶褐变中，酚类化合物的氧化起到主要作用。

（ 4） 3 mmol/L 的 NaHSO₃ 能完全抑制蔗汁酶 促褐变反应的发生。