沈石妍，王智能，楊 柳，楊 婷，尚試雄，崔 杰，應(yīng)雄美

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，云南開遠 661699）

甘蔗（Saccharum officinarumL.，ITIS，2018）是禾本科甘蔗屬多年生草本植物，是制糖的重要原料[1]。甘蔗中除蔗糖外還含有蛋白質(zhì)、氨基酸、多酚以及鉀、鈣、鎂、鋅等礦物元素[2]，儲存于甘蔗中的細胞液占總質(zhì)量的近70%[3]，經(jīng)壓榨后與糖分、非糖分一起成為蔗汁的重要組成部分。傳統(tǒng)制糖工藝中蔗汁蒸發(fā)后的冷凝水通常用于補充鍋爐軟水或作為生產(chǎn)用水[4]，紅糖加工常壓濃縮產(chǎn)生的蒸汽則不經(jīng)冷凝直接排放，造成了資源的浪費。

膜分離技術(shù)是一種物理分離技術(shù)，具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點[5]，被廣泛運用到眾多領(lǐng)域[6-7]，國內(nèi)外學(xué)者圍繞膜分離技術(shù)在制糖上的運用開展了大量的研究工作，在適宜的膜材料的篩選、膜性能提升以及膜通量恢復(fù)等方面取得了較大的研究進展[8-11]，使成分復(fù)雜的蔗汁通過全物理膜清凈技術(shù)得以實現(xiàn)化學(xué)澄清劑的零添加，經(jīng)超濾處理的蔗汁清凈效果較傳統(tǒng)工藝有了很好的改善[12]，清汁從15°Bx濃縮到20°Bx可節(jié)約33%的能耗[13]，顯著的節(jié)能效果使得膜濃縮成為膜法制糖的一個重要環(huán)節(jié)，也為蔗汁中甘蔗植物水的開發(fā)利用提供了條件。傳統(tǒng)制糖工藝蔗汁蒸發(fā)濃縮產(chǎn)生的氣凝水屬于軟水，基本不含營養(yǎng)物質(zhì)，而膜濃縮則會有較多的小分子營養(yǎng)物質(zhì)和風味成分透過卷膜進入透過液中，營養(yǎng)價值更高。一直以來膜濃縮透過液主要用作清洗水[14]，或作為超濾工序的稀釋水[15]，多為低效利用，近年來膜濃縮透過液的開發(fā)利用逐漸受到重視，葉麗娜等采用陶瓷微濾膜結(jié)合反滲透膜系統(tǒng)制取甘蔗濃縮汁并分離甘蔗活性飲用水[16]，研究發(fā)現(xiàn)甘蔗活性飲用水中含有氨基酸、二十八烷醇、多酚、有機酸、鐵、鈣、硒等營養(yǎng)成分[17]，各項指標符合國家瓶裝飲用水標準，邁出了甘蔗植物水高值化利用的第一步，但目前尚無針對不同品種甘蔗膜濃縮透過液理化指標、營養(yǎng)成分及揮發(fā)性香氣成分差異的系統(tǒng)研究報道。

紅糖生產(chǎn)過程大多不添加滲透水，蔗汁中的水均來自甘蔗的植物細胞液，零添加膜法紅糖清凈工藝提升了紅糖產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)和安全性，也為純天然甘蔗植物水的開發(fā)利用提供了條件。利用納濾膜代替反滲透膜對清汁進行預(yù)濃縮，不僅可獲得更好的過濾通量，而且透過液會比反滲透膜具有更多風味營養(yǎng)成分。本試驗擬在前期優(yōu)化形成的800 nm、50 nm兩級陶瓷膜串聯(lián)清凈工藝的基礎(chǔ)上[18]，通過對截留分子量為500、250、150 u的卷式膜過濾通量及透過液指標的綜合評價，篩選適宜的納濾膜進行清汁的預(yù)濃縮，并對不同品種甘蔗制成的甘蔗植物水的理化指標、營養(yǎng)指標、揮發(fā)性香氣成分進行比較研究，為甘蔗植物水高值化開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅皮果蔗 開遠市西城農(nóng)貿(mào)市場采購得到；新臺糖22號（ROC22） 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所第一科研基地提供；沒食子酸標準品 純度≧99.9%，中國食品藥品檢定研究所；亮氨酸標準品純度≧98%，北京普天同創(chuàng)生物科技有限公司；福林-酚試劑 綠源生物科技有限公司；無水Na2CO3、堿式醋酸鉛、中性醋酸鉛、鹽酸、氯化鈉、水合茚三銅、氯化亞錫、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、正丙醇、正丁醇、乙二醇、乙酸、乙酸鈉、抗壞血酸、乙醇 均為國產(chǎn)分析純。

CeraMem-0100陶瓷膜/管式膜小試設(shè)備、RNF-0460多功能卷式膜小試設(shè)備 廈門福美科技有限公司；kJeltec TM8400全自動凱氏定氮儀 美國Foss公司；L-8900全自動氨基酸分析儀 日本日立高新技術(shù)公司；Prodigy電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 美國Teledyne Leeman Labs公司；ED 40G電熱消解儀奧普勒儀器有限責任公司；UV-5800 PC紫外分光光度計 上海元析儀器有限公司；DDSJ-308A電導(dǎo)儀 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；TRACE1310/ISQ7000氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀器（GC-MS） 美國Thermo Fisher公司；75 μm碳分子篩/聚二甲基硅氧烷萃取頭（CAR/PDMS） 美國Supelco公司；陶瓷膜上?？片樐ぜ夹g(shù)有限公司；卷式膜 美國GE水處理及工藝過程處理公司；膜元件性能參數(shù)見表1。

表1 膜元件性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of membrane components

1.2 實驗方法

1.2.1 甘蔗預(yù)處理方法 甘蔗經(jīng)實驗室小型壓榨機榨汁后，用200目濾網(wǎng)過濾蔗汁，除去其中的懸浮雜質(zhì)，所得粗濾汁加熱煮沸，撇凈不斷上浮的黑色浮沫，然后經(jīng)200目濾網(wǎng)過濾得到初步清汁。

1.2.2 膜過濾工藝方案 采用孔徑為800 nm、50 nm的兩組陶瓷膜串聯(lián)完成蔗汁的清凈得到清汁，進膜壓力0.25 Mpa，跨膜壓差0.13 MPa，平均溫度50 ℃。清汁采用卷膜預(yù)濃縮，進、出口壓力均為3.0 MPa，平均溫度40 ℃。整個工藝過程不添加工藝水及包括石灰乳在內(nèi)的加工助劑，納濾透過液完全來自甘蔗中的植物水，工藝流程見圖1所示。

圖1 甘蔗植物水分離工藝流程圖Fig.1 Process flowchart of water separated from sugarcane

1.2.3 常規(guī)理化指標的測定 錘度、蔗糖分、還原糖分、電導(dǎo)灰分、色值、混濁度按照《甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法》（1995版）進行測定[19]。

1.2.4 總多酚含量的測定 采用Folin-Ciocalteu法參照文獻[20-21]的方法測定。

1.2.4.1 標準曲線制作 準確吸取 0.1 mg/mL沒食子酸標準溶液0、0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70 mL于10 mL比色管中，依次加入0.2 mol/L的福林酚試劑1.0 mL和15% Na2CO3溶液2 mL，用超純水定容至10 mL，充分混合后，室溫靜置1 h，于765 nm波長下測定吸光度值，試劑空白調(diào)零，以沒食子酸濃度C（μg/mL）為橫坐標，吸光值A(chǔ)為縱坐標，繪制得到標準曲線為y=0.0952x+0.0023，決定系數(shù)R2=0.9979。

1.2.4.2 樣品測定 吸取1 mL樣液于10 mL比色管中按照標準曲線方法進行測定。

1.2.5 游離氨基酸總量的測定 參照GB/T 8314-2013《茶 游離氨基酸總量的測定》測定。

1.2.6 礦物元素含量的測定 委托云南省分析測試中心按照GB 5009.268-2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》第一法電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測定。

1.2.7 氨基酸組成的測定 委托云南省分析測試中心按照GB 5009.124-2016《食品安全國家標準 食品中氨基酸的測定》測定。

1.2.8 香氣成分的測定 委托云南省分析測試中心采用微固相萃取頂空進樣氣相色譜-質(zhì)譜法（GCMS）測定，色譜條件參照楊婷等[22]的方法。

1.2.8.1 GC條件 色譜柱：安捷倫HP-INNOWAX毛細柱（60 m×0.25 mm，0.25 um）；進樣口250 ℃解吸5 min，不分流進樣，載氣He，流量1 mL/min；升溫程序：50 ℃保持1 min，以4 ℃/min升至120 ℃，保持2 min，以4 ℃/min升至200 ℃，保持2 min，以15 ℃/min 升至250 ℃，保持5 min。

1.2.8.2 MS條件 質(zhì)譜條件：傳輸線 260 ℃，離子源250 ℃，EI源，電離電壓70 eV，掃描范圍 30～450 amu。

1.2.8.3 樣品預(yù)處理方法 吸取5 mL樣品放入20 mL頂空瓶中，加入0.6 g NaCl，60 ℃水浴萃取50 min后進行GC-MS檢測。

1.2.9 營養(yǎng)質(zhì)量評價 采用INQ法，根據(jù)《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量》[23]推薦值（見表2）按下式計算。當INQ＜1時，表明該類營養(yǎng)素含量低于推薦供給量，長期食用會導(dǎo)致該類營養(yǎng)物質(zhì)缺乏；當INQ≧1時，表明該類營養(yǎng)素含量達到或高于推薦供給量，說明營養(yǎng)質(zhì)量好；當INQ＞2時，表明該食物可作為該類營養(yǎng)素的良好來源[24-25]。

表2 營養(yǎng)素參考攝入量及能量需要量Table 2 Nutrient reference intakes and energy requirements

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實驗進行3次重復(fù)測定，利用Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 22.0進行配對樣本t檢驗，以P＜0.05為差異顯著性標準，結(jié)果用平均值±標準偏差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 納濾膜的選擇

不同過濾孔徑的納濾膜具有不同的過濾效果。從表3可以看出，3組卷膜的平均通量隨截留分子量的減小依次降低，250、150 u卷膜的平均通量分別為500 u的54.89%和31.95%，采用較大的膜通量可以獲得更高的工藝效率。500和250 u卷膜透過液具有明顯的蔗汁特征香味，150 u卷膜透過液則香味較淡，其色值依次為1918、308、8 IU，與圖2外觀顏色情況一致，說明150 u卷膜有效隔離了蔗汁中的色素物質(zhì)，而250 u卷膜仍可透過少量色素物質(zhì)。500 u卷膜透過液的蔗糖分為2.88%，其余兩個樣品分別為0.05%和0%，說明250 u的卷式膜已能實現(xiàn)對蔗糖的分離，但分子量較小的還原糖仍可通過（含量為0.33%），150 u卷膜則對還原糖也有較好的隔離效果（含量僅為0.02%）。

圖2 不同截留分子量卷膜透過液Fig.2 Membrane permeation fluid with different molar weight cut-off

氨基酸、蛋白質(zhì)、酚類物質(zhì)是蔗汁中重要的營養(yǎng)物質(zhì)，從表3可以看出不同截留分子量卷膜透過液中蛋白質(zhì)、游離氨基酸的質(zhì)量分數(shù)隨卷膜截留分子量減小依次降低，且游離氨基酸和蛋白質(zhì)的含量較為接近，說明大分子的蛋白質(zhì)無法進入透過液中，僅游離氨基酸可以透過卷膜。500和250 u卷膜透過液中多酚的質(zhì)量分數(shù)分別為9.5和10.8 mg/100 g，150 u的則較二者明顯降低，僅為1.9 mg/100 g，應(yīng)與蔗汁中含有較多的奎尼酸、莽草酸、咖啡酸、香豆酸、阿魏酸等酚酸類物質(zhì)有關(guān)[26]，其分子量大多在150～200間，可透過500和250 u卷膜而被150 u卷膜截留。本研究的目的在于考察將膜法紅糖工藝中納濾透過液開發(fā)為天然甘蔗植物風味飲用水的價值，故需要盡可能多地保留蔗汁的風味成分和營養(yǎng)成分，減少蔗糖含量，同時兼顧外觀顏色和膜通量的工藝可行性，綜合以上，采用截留分子量為250 u的卷膜效果最佳，后續(xù)過程均選擇250 u卷膜進行試驗。

表3 不同截留分子量卷膜透過液（甘蔗植物水）指標情況Table 3 Indexes of membrane permeation fluid (SPW) with different molar weight cut-off

2.2 不同品種甘蔗植物水理化指標

為研究不同品種甘蔗植物水的品質(zhì)特征，本研究選擇紅皮果蔗和ROC22兩個特性差異較大的甘蔗品種作為實驗對象，按照前述工藝分別制取甘蔗植物水。從表4可看出，兩個甘蔗植物水中均未檢出蔗糖，與葉麗娜[17]分離得到的甘蔗植物水一致。紅皮果蔗植物水中還原糖分為0.40 g/100 g，ROC 22中未檢出還原糖，這應(yīng)與ROC 22是從甘蔗基地新鮮取樣，蔗汁還原糖含量較低（0.23 g/100 g）有關(guān)，而從市場采購的紅皮果蔗本身還原糖含量較高（1.68 g/100 g），有較多還原糖透過卷膜所致，從兩個樣品的錘度分別為0.5°Bx、0.1°Bx也印證了紅皮果蔗植物水中可溶性固形物含量更高。

表4 不同甘蔗品種蔗汁與甘蔗植物水理化指標Table 4 Physicochemical indexes of sugarcane juice and sugarcane plant water from different varieties

兩個品種甘蔗植物水的電導(dǎo)灰分分別為2.21和1.49 g/100 g，均高于相應(yīng)蔗汁的電導(dǎo)灰分2.12和1.08 g/100 g，說明蔗汁中的礦物元素能透過卷膜富集到透過液中，提高了甘蔗植物水的營養(yǎng)價值，同時濃縮汁灰分降低也可減輕后續(xù)熬煮過程設(shè)備的結(jié)垢。紅皮果蔗植物水的色值和混濁度分別為371IU和29 MAU，略高于ROC 22的357 IU和22 MAU，色值間存在顯著差異（P＜0.05），應(yīng)與不同甘蔗品種中小分子色素物質(zhì)種類及含量差異有關(guān)。相較于蔗汁，納濾透過液的混濁度去除率分別達到99.8%和99.9%，二者混濁度無顯著差異（P＞0.05），說明250 u卷膜較好地阻隔了蔗汁中的懸浮雜質(zhì)和大分子不溶性有機物，甘蔗植物水透性較好。

2.3 不同品種甘蔗植物水營養(yǎng)成分及營養(yǎng)質(zhì)量評價

甘蔗中的多酚具有較好的抗氧化活性[27-28]，有研究表明多酚含量與抗氧化活性間存在極強的正相關(guān)性[29-30]，從表5可以看出，紅皮果蔗植物水中總多酚和蛋白質(zhì)含量均顯著高于ROC 22（P＜0.05），說明果蔗中含有更多小分子的酚類物質(zhì)和游離氨基酸，紅皮果蔗制成的甘蔗植物水應(yīng)具有更高的營養(yǎng)價值和抗氧化活性。礦物質(zhì)是人體必需的重要營養(yǎng)元素，兩個樣品中均檢出7種礦物元素，紅皮果蔗植物水各礦物元素的含量均高于ROC 22，鉀、鈉、鈣、鎂含量存在顯著差異（P＜0.05）。兩個樣品中鉀含量均最高，分別達到90.7和52.5 mg/100 g，應(yīng)與甘蔗中鉀含量普遍較高有關(guān)[31]，鈉、鈣、鎂3種元素其次，質(zhì)量分數(shù)在0.27～2.39 mg/100 g間，微量元素中鐵、鋅、銅的質(zhì)量分數(shù)均大于0.010 mg/100 g，均未檢出硒和鈷（低于檢出限0.005 mg/100 g），與葉麗娜等人的檢測結(jié)果鈣含量為3.5 mg/100 g、鐵含量0.61 mg/100 g、硒含量0.003 mg/100 g相比略偏低[17]，應(yīng)與二者所用甘蔗原料不同、種植地土壤礦物元素組成含量不同，甘蔗本身礦物元素含量也有差異有關(guān)。

表5 不同品種甘蔗植物水營養(yǎng)成分及營養(yǎng)質(zhì)量評價Table 5 Evaluation of nutrient composition and nutritional quality of sugarcane plant water from different varieties

INQ法是食物營養(yǎng)質(zhì)量評價的常用方法，表5兩個甘蔗植物水樣品中鉀的INQ分別為42.79、45.61，銅的INQ分別為14.15、21.72，均遠大于2，說明甘蔗植物水可作為鉀、銅元素補充的良好來源。香蕉中富含鉀元素，是缺鉀人群補鉀的較佳食用選擇[32]，梁水連等[24]研究結(jié)果顯示5個不同品種香蕉中鉀的INQ均值為4.40，本試驗兩個甘蔗植物水樣品中鉀的INQ分別為42.79、45.61，約為香蕉均值的10倍，會較香蕉具有更加突出的補鉀效果。除紅皮果蔗植物水中鐵元素和ROC22植物水中蛋白質(zhì)的INQ＜1以外，其余營養(yǎng)素的INQ均介于1.37～3.22之間，高于推薦供給量，可滿足人體的需求。本試驗所用250 u卷式膜較好地隔離了蔗汁中的蔗糖，不含蔗糖的甘蔗植物水的能量保持在一個較低的水平，分別為10.20和5.54 kJ/100 g，作為一種日常風味飲用水可適用于不同的消費人群。

2.4 不同品種甘蔗植物水中游離氨基酸種類及含量

氨基酸種類、含量及組成是評價蛋白質(zhì)營養(yǎng)價值的重要指標，本試驗從紅皮果蔗和ROC 22制成的甘蔗植物水中分別檢出15和14種游離氨基酸（見表6），均含有蘇氨酸、纈氨酸、賴氨酸等7種人體必需氨基酸（EAA），游離氨基酸總量（TFAA）分別為705.13和184.03 mg/L，與葉麗娜[17]檢出的甘蔗植物水中TFAA為500 mg/L的結(jié)果在數(shù)量級上一致，數(shù)值上的差異應(yīng)與不同品種甘蔗本身氨基酸含量差異有關(guān)。本試驗中EAA與TFAA的比值（EAA/TFAA）分別達到69.92%和65.96%，蘇氨酸是其中的重要氨基酸，含量達到474.67和118.11 mg/L，分別占EAA總量的96.28%和95.32%。蘇氨酸是一種重要的營養(yǎng)強化劑，有恢復(fù)人體疲勞、促進生長發(fā)育的效果[33]，對人體皮膚具有保濕作用，在體內(nèi)還能促進磷脂合成和脂肪酸氧化[34]。我國居民多以谷類糧食為主食，精米、細面及其他谷類食物中大多缺乏賴氨酸、蘇氨酸等必需氨基酸[35]，降低了人體對蛋白質(zhì)的利用率，甘蔗植物水具有較高的蘇氨酸比例，可作為谷類糧食蘇氨酸缺乏的一個補充來源。

表6 不同品種甘蔗植物水氨基酸組成情況（mg/L）Table 6 Amino acid composition and concentration of cells water from different sugarcane varieties (mg/L)

2.5 不同品種甘蔗植物水揮發(fā)性香氣成分

本試驗從兩個不同品種甘蔗的蔗汁及甘蔗植物水中共檢測出62種揮發(fā)性成分（見表7），在紅皮果蔗、ROC22的蔗汁中分別檢測出36和33種揮發(fā)性成分，二者共有的組分為29種，包括醇類10種、醛類12種、酸類1種、酯類1種、其它5種。在紅皮果蔗制成的甘蔗植物水中檢出34種揮發(fā)性成分，與蔗汁共有組分18種，其中包括醇類7種、醛類7種、酸類1種、酯類1種、其它2種；在ROC22的甘蔗植物細胞水中共檢出41種揮發(fā)性成分，其中與蔗汁共有組分20種，包括醇類9種、醛類5種、酸類1種、酯類1種、其它4種。兩種甘蔗植物水中共有的組分為26種，其中醇類12中、醛類6種、酸類3中、酯類3種、其它2種。

表7 不同品種蔗汁與甘蔗植物水揮發(fā)性成分及相對含量Table 7 Volatile composition and relative concentration of sugarcane juice and sugarcane plant water

從上述結(jié)果可以看出，蔗汁中揮發(fā)性成分以醛類最多、醇類其次，二者相對含量總和分別占揮發(fā)性物質(zhì)總量的75.88%和75.76%，其中相對含量較高的是正己醛、苯乙醛、2-庚醇、1-辛烯-3-醇。經(jīng)超濾和納濾后，甘蔗植物水中的揮發(fā)性成分發(fā)生了較大的變化，與蔗汁共有的揮發(fā)性成分占蔗汁揮發(fā)性成分總量的50.00%和60.61%。甘蔗植物水中的揮發(fā)性成分以醇類物質(zhì)最多，占到總量的49.80%和35.56%，其中異辛醇、2-庚醇、1-戊烯-3-醇、正己醇、（-）-異雪松醇的相對含量較高。兩個甘蔗植物水中醛類物質(zhì)的相對含量均較蔗汁有明顯下降，從47.19%、40.85%下降到10.32%、19.36%，這應(yīng)與醛類物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，易發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成醇和酸有關(guān)[36]。兩個品種的甘蔗植物水均具有蔗汁的特征香味，4個樣品中共有的組分為2-庚醇、正己醇、葉醇、1-辛烯-3-醇、（-）-異雪松醇、5-十八烯醛、5-乙基環(huán)戊烯-1-甲醛、3-羥基-4-甲氧基苯甲醛、苯乙醛、鄰苯二甲酸異丁酯、異佛爾酮、2,4-二叔丁基苯酚，初步判定應(yīng)是蔗汁的重要呈香物質(zhì)。

續(xù)表7

3 結(jié)論

本研究是基于膜法紅糖工藝中，以800 nm、50 nm兩級陶瓷膜和250 u卷膜串聯(lián)完成蔗汁清凈和預(yù)濃縮，結(jié)果顯示250 u卷膜可較好地隔離蔗汁中的蔗糖并能讓小分子營養(yǎng)物質(zhì)進入到納濾透過液中，2個不同品種甘蔗制成的納濾甘蔗植物水中均保持有蔗汁的特征香味，均含有鉀、鈉、鈣等多種礦物元素以及氨基酸、多酚等小分子營養(yǎng)物質(zhì)，作為一種純天然植物飲用水具有較好的開發(fā)利用價值。本試驗屬于探索性研究，僅選取了紅皮果蔗和ROC22兩個不同類型的甘蔗品種進行試驗，所制成的甘蔗植物水中揮發(fā)性成分和營養(yǎng)成分均存在不同程度的差異，相比而言紅皮果蔗制成的甘蔗植物水品質(zhì)更優(yōu)，營養(yǎng)價值更高。在后續(xù)研究中應(yīng)以甘蔗植物水感官風味和營養(yǎng)品質(zhì)的提升為目標，在更大范圍內(nèi)篩選適宜的甘蔗品種，為甘蔗植物水的高值化開發(fā)利用提供理論支撐。