陳海軍，王寶，李一，張菡，趙抒娜

（1.中糧屯河崇左糖業(yè)有限公司，廣西崇左 200040；2.中糧屯河糖業(yè)股份有限公司/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部糖料與番茄質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆昌吉 831100；3.中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司/老年?duì)I養(yǎng)食品研究北京市工程實(shí)驗(yàn)室/營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102209）

0 引言

我國甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化得到了國家各層面的高度重視，并在積極推進(jìn)，目前甘蔗生產(chǎn)耕作環(huán)節(jié)已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械作業(yè)，但收獲環(huán)節(jié)還存在短板[1]。廣西雖是我國最大的糖用甘蔗生產(chǎn)基地，但糖料甘蔗機(jī)械采收的比例較低。由于甘蔗人工收獲耗時(shí)費(fèi)力，如果無法進(jìn)行規(guī)?；瘷C(jī)械采收，收甘蔗所需繁重體力勞動(dòng)的壓力會(huì)使蔗農(nóng)放棄甘蔗而轉(zhuǎn)向種植其它作物，從而導(dǎo)致蔗區(qū)萎縮，已經(jīng)成為當(dāng)前蔗糖生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸問題，嚴(yán)重制約了蔗糖產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代及廣西農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平[2-6]。

目前國內(nèi)甘蔗機(jī)械采收研究尚處初步階段，孫濤等[7]從甘蔗的品種選擇、種植量、行間距、地膜覆蓋和中耕管理等分析探索了甘蔗機(jī)械化的高效生產(chǎn)模式，為機(jī)械化的節(jié)約成本和操作的簡便性方面提供了依據(jù)，并提出了解決機(jī)械收獲問題的對(duì)策。張長獻(xiàn)等[8]從制糖工藝、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境和運(yùn)營主體等方面分析了甘蔗機(jī)械化收獲遇到的問題，并提出甘蔗機(jī)械采收不是一個(gè)孤立的環(huán)節(jié)，需要政府、科研機(jī)構(gòu)和糖廠共同努力實(shí)現(xiàn)。譚俊杰等[9]從甘蔗種植的角度對(duì)比了6 個(gè)榨季的全程機(jī)械化、半機(jī)械化和手工種植對(duì)甘蔗含糖量、產(chǎn)量和生產(chǎn)成本等方面的影響，論證了廣西發(fā)展全程機(jī)械化以降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的必要性。近年政府及制糖行業(yè)內(nèi)都意識(shí)到機(jī)械采收對(duì)甘蔗糖料生產(chǎn)的重要性，積極拓展甘蔗收獲機(jī)的應(yīng)用[1,10]。2017/2018 年榨季已有部分市縣和糖廠的蔗區(qū)進(jìn)行機(jī)械采收，榨季累計(jì)完成機(jī)收作業(yè)量6.2萬噸，最高單機(jī)作業(yè)量2830 t/臺(tái)，與人工采收相比，大幅提升了甘蔗收獲能力[11]。但同時(shí)由于進(jìn)行機(jī)械采收，一些蔗梢、蔗葉甚至沙石和土壤也會(huì)隨著收獲機(jī)進(jìn)入到原料中，這些除了甘蔗莖以外的其它物質(zhì)對(duì)后續(xù)的生產(chǎn)加工可能會(huì)造成不良影響[12-14]。在路易斯安那州（美國）進(jìn)行的研究[15]表明，收獲的甘蔗中每升高10%的雜質(zhì)，可使甘蔗中纖維增加1.8%，汁液總糖分減少3.7%，蔗糖汁減少0.9%，最終每噸甘蔗損失15 kg糖。

目前國內(nèi)應(yīng)用機(jī)械采收的甘蔗仍處于發(fā)展階段，對(duì)機(jī)械采收后的甘蔗雜質(zhì)的思考尚不成熟，對(duì)采收后甘蔗雜質(zhì)對(duì)制糖工廠加工性能和成本影響的研究也涉及不多。由于甘蔗原料品質(zhì)對(duì)于后續(xù)加工成本具有顯著的影響，高品質(zhì)的原料不僅可以提升食糖成品的品質(zhì)，還可以對(duì)整個(gè)加工環(huán)節(jié)的成本降低具有重要意義，因此對(duì)于甘蔗的原料品質(zhì)控制非常重要。本文擬通過對(duì)國外機(jī)械采收后的甘蔗雜質(zhì)對(duì)糖廠加工性能和成本影響的相關(guān)研究進(jìn)行匯總，為未來國內(nèi)在甘蔗機(jī)械采收廣泛推廣后制糖工廠評(píng)估機(jī)械采收的甘蔗品質(zhì)定級(jí)，并對(duì)制糖加工過程中造成的影響進(jìn)行預(yù)判提供可借鑒的參考與指導(dǎo)。

1 機(jī)械采收后甘蔗雜質(zhì)的研究現(xiàn)狀

1.1 不同類型雜質(zhì)的影響

在甘蔗制糖行業(yè)中，除了制糖所需的甘蔗莖之外，其它任何物料如蔗梢、蔗葉、甚至沙石和土壤等統(tǒng)稱為雜質(zhì)（Extraneous matter，簡稱EM）[16]。甘蔗中的雜質(zhì)一般細(xì)分為3 類：（1）蔗梢；（2）泥沙（沙石和土壤）；（3）廢葉（即來自蔗莖的葉子和來自蔗梢的綠葉）[17]。不同類型雜質(zhì)對(duì)甘蔗原料的指標(biāo)均造成不同影響。

根據(jù)Scott[18]等人的研究，蔗梢對(duì)甘蔗纖維含量的影響很小，并且對(duì)破碎率和纖維比例沒有不利影響，因?yàn)檎嵘揖哂休^低的纖維含量，并且相對(duì)比較柔軟，這使得它們易于破碎，蔗梢似乎沒有影響總糖分和蔗渣水分，但可能造成蔗渣產(chǎn)量的增加。機(jī)械收獲帶入的泥沙通常低于甘蔗的2%，甘蔗渣中的沙石和土壤對(duì)鍋爐和輔助設(shè)備造成較大破壞，導(dǎo)致爐子清潔問題，還會(huì)造成甘蔗渣的熱值降低等不利影響[19]。然而，對(duì)食糖加工的影響進(jìn)行充分探討的文獻(xiàn)匱乏，缺乏充足數(shù)據(jù)的支撐，因此，泥沙對(duì)食糖加工的不利影響難以量化評(píng)估。在廢葉方面，甘蔗廢葉含量與纖維含量和破碎率直接相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.64 和-0.73[20]。Scott 等[21]還研究不同物料中的纖維含量變化，發(fā)現(xiàn)低含雜甘蔗、蔗梢和廢葉的纖維含量分別為12.8%、16.6%和58.6%，這說明廢葉可顯著提高甘蔗的纖維含量。因此廢葉纖維比對(duì)甘蔗莖纖維更具干擾性，因?yàn)閺U葉纖維的含量變化幅度較大，如果廢葉在甘蔗原料所占比例較高，至少會(huì)對(duì)甘蔗原料中纖維含量的影響較大，造成原料品質(zhì)較大的波動(dòng)。Larrahondo等[22]對(duì)機(jī)收甘蔗產(chǎn)生雜質(zhì)的研究表明：葉子（7.2%）、土壤（3.1%）和蔗梢（2.8%）的百分比較高。

1.2 機(jī)收速度對(duì)雜質(zhì)的影響

如果采用低于正常地速的速度操作收獲機(jī)，可以得到低雜質(zhì)的甘蔗莖，而如果采用具有較低抽風(fēng)機(jī)風(fēng)速的收獲機(jī)進(jìn)行正常至高地速收獲，將產(chǎn)生高含雜的甘蔗莖[23-25]。根據(jù)Kent等人[26-27]的研究，使用不同的地速和抽風(fēng)機(jī)速度通過機(jī)械收獲得到低含雜和高含雜的甘蔗，其雜質(zhì)的平均百分含量水平如表1所示。從表1可以看出，通過同一時(shí)期兩種不同機(jī)械收獲方法獲得的高含雜甘蔗及低含雜甘蔗，在整體甘蔗雜質(zhì)水平普遍較高[26]的情況下，高含雜甘蔗（20.85%）比低含雜甘蔗（13.40%）雜質(zhì)平均增加了7.45 個(gè)百分點(diǎn)，而對(duì)應(yīng)的甘蔗廢葉雜質(zhì)增加了5.01個(gè)百分點(diǎn)，占總體所增加甘蔗雜質(zhì)的67%左右。而在其另一項(xiàng)研究[27]可看出，在雜質(zhì)普遍偏低水平的情況下，相對(duì)低含雜的甘蔗雜質(zhì)為7.95%，而同時(shí)期的高含雜甘蔗雜質(zhì)為15.89%，雜質(zhì)含量總體差異為7.94個(gè)百分點(diǎn)；而對(duì)應(yīng)的廢葉雜質(zhì)增加了6.38 個(gè)百分點(diǎn)，占總雜質(zhì)含量的80%左右。由此可看出，甘蔗廢葉偏高雜質(zhì)水平和偏低雜質(zhì)水平都是造成機(jī)械收獲后甘蔗雜質(zhì)的主要組成成份，占比在60%～80%。而其它雜質(zhì)含量相差不大，且均在10%以內(nèi)。

表1 機(jī)械收獲的甘蔗雜質(zhì)中低含雜和高含雜的甘蔗莖的構(gòu)成Table 1 Composition of extraneous matter of clean and dirty cane from mechanical harvesting

1.3 機(jī)收與人工砍收的差異

根據(jù)國內(nèi)外甘蔗機(jī)械采收的應(yīng)用情況來看，Ahmed 等[28]為了解決蘇丹甘蔗收獲勞動(dòng)力短缺問題，在Sennar糖廠開展評(píng)估手工和機(jī)械兩種收獲系統(tǒng)，通過研究生產(chǎn)效率、成本和雜質(zhì)等對(duì)工廠的影響，得出手工和機(jī)械采收的雜質(zhì)百分比分別為3.66%和9.49%。由此可以看出機(jī)械采收產(chǎn)生雜質(zhì)量更大。Larrahondo等[22]對(duì)比了人工采收甘蔗和機(jī)收甘蔗產(chǎn)生雜質(zhì)的差異，機(jī)收甘蔗的平均雜質(zhì)總量增加了11%。孫濤等[29]調(diào)查了西雙版納區(qū)機(jī)械采收甘蔗和人工砍收對(duì)甘蔗產(chǎn)量和出苗等影響的差異，得出機(jī)械收獲與人工砍收出苗率差異不明顯，機(jī)械采收的宿根蔗破頭率為7.69%～10.29%，割茬產(chǎn)量損失比人工砍收高2 010 kg/hm2。Kent等[26]通過對(duì)比機(jī)械采收后甘蔗雜質(zhì)中低含雜和高含雜的甘蔗莖發(fā)現(xiàn)，機(jī)械采收與人工收獲的甘蔗雜質(zhì)相比，差異比較明顯的是甘蔗廢葉；同樣，對(duì)于灼燒后（低含雜）和未灼燒（高含雜）的甘蔗莖，造成原料差異的雜質(zhì)也主要是甘蔗廢葉。

2 甘蔗雜質(zhì)對(duì)制糖加工性能的影響

通過對(duì)甘蔗機(jī)械收獲的雜質(zhì)部分主要組成的分析，可以看出在機(jī)械收獲的過程中，甘蔗中的廢葉在甘蔗機(jī)械收獲的總體雜質(zhì)中占比最高，遠(yuǎn)超過蔗梢和泥沙，成為機(jī)械采收過程中形成甘蔗雜質(zhì)的主要組分，可能對(duì)后續(xù)的加工造成比較明顯的影響?；诠I(yè)試驗(yàn)結(jié)果，并通過收集和分析國外機(jī)械采收后甘蔗雜質(zhì)的數(shù)據(jù)，可用于評(píng)估機(jī)械采收雜質(zhì)對(duì)工廠加工性能可能造成的影響。由于甘蔗廢葉是機(jī)械采收后的主要甘蔗雜質(zhì)組分，并且甘蔗廢葉中的纖維比例較高，比蔗梢這類雜質(zhì)對(duì)甘蔗原料品質(zhì)的干擾更大，下文如果沒有明確說明，甘蔗雜質(zhì)將以甘蔗廢葉為主進(jìn)行闡述。

2.1 廢葉對(duì)原料的影響

甘蔗作為制糖企業(yè)用于生產(chǎn)蔗糖的最基礎(chǔ)原料，其品質(zhì)優(yōu)劣直接關(guān)系到糖廠的生產(chǎn)效益。綜合以上文獻(xiàn)可看出，廢葉會(huì)增加甘蔗中的纖維含量，從而導(dǎo)致破碎率的變化。因此匯總了相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)于廢葉含量的變化在制糖加工過程中對(duì)原料破碎率和纖維含量影響的結(jié)果，如表2所示。

表2 原料破碎率和纖維比例隨廢葉含量(每增加1%)變化的趨勢Table 2 The tendency of breaking rate and fiber ratio in raw cane with PP increase in trash content

由表2 可以看出，廢葉含量增加1%時(shí)，甘蔗原料破碎率均呈現(xiàn)下降趨勢，下降范圍在0.8～3.4 個(gè)百分點(diǎn)之間。而甘蔗原料纖維比例的變化則表現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異，隨著廢葉含量的增加，美國和南非的纖維比例上升，而澳大利亞則相反。主要原因在于澳大利亞地區(qū)的甘蔗開花，造成蔗葉中葉片含量較大，使纖維含量降低，而南非和美國的甘蔗開花現(xiàn)象較少。因此，可以認(rèn)為纖維比例的變化除了受廢葉含量的影響外，還與產(chǎn)地有較大關(guān)系。

2.2 廢葉對(duì)蔗汁的影響

目前國內(nèi)外研究中都沒有涉及廢葉對(duì)食糖生產(chǎn)直接影響的評(píng)估，糖產(chǎn)量的可能變化可通過混合汁純度來體現(xiàn)，其可以用于估計(jì)糖和糖蜜的產(chǎn)量?？偺欠趾突旌现兌茸鳛闄z測蔗汁質(zhì)量的主要指標(biāo)，因此匯總了相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)于廢葉含量的變化在制糖加工過程中對(duì)蔗汁總糖分和混合汁純度影響的結(jié)果，如表3所示。

由表3 可以看出，廢葉含量增加1%時(shí)，蔗汁總糖分總體呈現(xiàn)減少變化，減少范圍在0.10～0.30 個(gè)百分點(diǎn)，但部分文獻(xiàn)顯示糖分升高，而升高的量（0.02 和0.06）相比減少的百分?jǐn)?shù)較小。另外，混合汁純度均呈現(xiàn)降低變化，下降范圍在0.07～0.33 個(gè)百分點(diǎn)。根據(jù)Scott 等[21]的說法，通過實(shí)驗(yàn)室調(diào)查，總糖分隨著廢葉含量的增加而呈線性減少趨勢，值得指出的是，蔗梢似乎對(duì)總糖分的變化沒有顯著影響。Larrahondo[22]對(duì)比機(jī)械和人工兩種收獲方式的差異可知，總糖分含量和純度之間存在顯著差異；相對(duì)于人工采收甘蔗，檢測到來自機(jī)械收獲甘蔗的混合（或稀釋）汁液中蔗糖總糖分平均減少2.0個(gè)單位。

表3 總糖分和混合汁純度隨廢葉含量(每增加1%)的變化趨勢Table 3 The trend of total sugar and mixed juice purity with PP increase in trash content

2.3 廢葉對(duì)蔗渣的影響

隨著甘蔗廢葉在機(jī)械采收過程中進(jìn)入甘蔗雜質(zhì)中去，引起甘蔗渣含水量的變化，收集國外幾家糖廠關(guān)于廢葉對(duì)蔗渣含水量影響的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表4所示。

從表4 可以看出，在廢葉含量增加1%的情況下，Kent等人[26-27]的工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)均顯示，工廠蔗渣的含水量會(huì)有小幅度（0.12%和0.35%）的增加；但同時(shí)，其他兩家糖廠的蔗渣含水量數(shù)據(jù)則顯示略微的降低（0.03%和0.06%）。根據(jù)Lamusse等人[24]提出的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于灼燒的甘蔗蔗渣含水量沒有明顯增加的情況，這可能是因?yàn)楦收崛~被燒掉一部分，但同時(shí)也伴隨著燃燒過程中一些其它指標(biāo)的變化。值得注意的是，不同文獻(xiàn)顯示的數(shù)據(jù)結(jié)果也存在一些相反的結(jié)果，如Kent 等人[26]在高雜質(zhì)水平的情況下經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，蔗渣含水量的變化沒有顯著差異，而其團(tuán)隊(duì)在另一項(xiàng)低雜質(zhì)水平[27]的情況下研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗雜質(zhì)對(duì)甘蔗渣含水量的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表4 蔗渣含水量隨廢葉含量(每增加1%)的變化趨勢Table 4 Increase in bagasse moisture content with PP increase in trash content

3 機(jī)械采收甘蔗雜質(zhì)對(duì)原料成本的影響

由于國內(nèi)甘蔗機(jī)械采收規(guī)模相對(duì)較小，并沒有大量的機(jī)械采收數(shù)據(jù)，本文收集了澳大利亞某甘蔗機(jī)械采收工廠在2004—2014 年間的甘蔗雜質(zhì)變化數(shù)據(jù)（未發(fā)表），如圖1 所示。由圖1 可以看出，在機(jī)械采收過程中，甘蔗的雜質(zhì)水平波動(dòng)幅度很大（5.7%～15.0%），如果管理不佳，雜質(zhì)含量水平可高達(dá)15.0%，總體雜質(zhì)中約有70%的物質(zhì)為甘蔗廢葉。

圖1 澳大利亞某甘蔗機(jī)械采收工廠的雜質(zhì)水平變化趨勢Fig.1 Extraneous matter level of a sugar mill in Australia

根據(jù)澳大利亞某糖廠結(jié)合工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)（未發(fā)表）與積累，甘蔗的可回收糖分（CCS）、總糖分、錘度和價(jià)格由以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，并且基于以下假設(shè)得到關(guān)于甘蔗支付節(jié)省的成本。需要指出的是，下述的經(jīng)驗(yàn)公式是澳大利亞糖廠根據(jù)自身工廠多年的原料數(shù)據(jù)及生產(chǎn)成本對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于國內(nèi)不同工廠需要根據(jù)自己工廠做一定程度的修正。

假定：（1）糖價(jià)：410 澳元/噸;（2）甘蔗中雜質(zhì)的含量：15%;（3）甘蔗中纖維的含量：16%;（4）初壓汁（FEJ）總糖分：18.70%;（5）FEJ 錘度（Brix）：22.0%。

按照以下工廠經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行核算：

(1)甘蔗可回收糖分=甘蔗總糖分-1/2×（甘蔗錘度-甘蔗總糖分）

(2)甘蔗總糖分=初壓汁總糖分×[100-（纖維含量+5）]/100

(3)甘蔗錘度=初壓汁錘度×[100-（纖維含量+3）]/100

(4)甘蔗價(jià)格=糖價(jià)×（甘蔗可回收糖分-4）×0.009+1.6

對(duì)機(jī)械采收的制糖加工工廠而言，假設(shè)平均雜質(zhì)含量為甘蔗的15%，平均可回收糖分在13%，每年壓榨22 萬噸甘蔗，其雜質(zhì)降低對(duì)工廠性能的影響結(jié)果根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行核算，結(jié)果見表5。根據(jù)表5 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，如果平均雜質(zhì)含量下降1%（由15%下降到14%），其增產(chǎn)的糖產(chǎn)品為286 t，假設(shè)糖價(jià)格為410 AUD/t，增加的利潤可以達(dá)117 260 AUD。并且，甘蔗榨季縮短了3 d，由于雜質(zhì)百分含量水平的降低，也相應(yīng)地降低了成本。

表5 雜質(zhì)含量對(duì)澳大利亞某工廠產(chǎn)能的影響Table 5 The effect of extraneous matter content on factory performance of a sugar mill in Australia

表6 雜質(zhì)的含量對(duì)甘蔗支付的影響Table 6 The effect of extraneous matter level on cane payment

甘蔗的成本及價(jià)格核算后如表6 所示，以甘蔗中的雜質(zhì)百分含量降低1%為例，假設(shè)甘蔗雜質(zhì)由15%下降至14%時(shí)，廢葉含量降低0.7%，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，由此計(jì)算出甘蔗總糖分由14.77%上升至14.83%，甘蔗錘度由17.82%上升至17.86%，每噸甘蔗的可回收糖分13.25%上升至13.32%，同時(shí)甘蔗價(jià)格應(yīng)由35.73 AUD/t上升至36.00 AUD/t；如果按照工廠220 萬噸的甘蔗壓榨量，降低1%的雜質(zhì)可以處理2 174 kt甘蔗即可以完成，因此總付款將由78 607 000 AUD降至78 276 000 AUD，甘蔗支付最少可以減少332 000 AUD。

除了對(duì)甘蔗原料成本的影響之外，Kent等人[27]的研究也提到，平均箱重從高含雜的甘蔗莖（15.89%）7.32 t 增加到低含雜甘蔗莖（7.97%）的8.64 t，表明平均箱重增加18%，因?yàn)殡s質(zhì)含量增加1%，這意味著隨著雜質(zhì)含量的降低，運(yùn)輸成本可以直接降低。根據(jù)Bernhardt 等人[31]的說法，與低含雜（燒焦）甘蔗相比，未燃燒甘蔗的平均車輛有效載荷減少了約20%。目前尚未有文獻(xiàn)具體闡述甘蔗運(yùn)輸環(huán)節(jié)對(duì)原料成本的影響，文中對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)械采收的低含雜水平甘蔗原料的運(yùn)輸成本也未詳細(xì)核算，還有待進(jìn)一步研究。

4 小結(jié)

本文通過查閱國外機(jī)械采收的甘蔗雜質(zhì)對(duì)加工性能和成本的影響，并選取一家工廠的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和評(píng)估，甘蔗的機(jī)械收獲與人工采收相比，額外增加10%的雜質(zhì)，最終可能使每噸甘蔗損失15 kg 糖；但若使甘蔗的雜質(zhì)含量降低1%，糖產(chǎn)量可以增加，并且榨季的長度可縮短幾天。

通過對(duì)現(xiàn)有機(jī)械采收甘蔗雜質(zhì)對(duì)甘蔗質(zhì)量的研究，建議未來機(jī)械收獲甘蔗的糖廠可通過收集和分析原料及加工數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)械采收的甘蔗雜質(zhì)對(duì)未來甘蔗成本影響進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)估，以便協(xié)助制糖廠在未來機(jī)械采收普遍推行的情況下，通過提高對(duì)原料的預(yù)測和評(píng)估，控制原料成本，降低因機(jī)械采收后甘蔗雜質(zhì)對(duì)加工環(huán)節(jié)造成不必要的不良影響。