甘蔗機械采收雜質(zhì)對甘蔗加工性能及成本的影響

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)量安全控制重點實驗室，新疆昌吉 831100；3.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/營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點實驗室，北京102209）

0 引言

我國甘蔗生產(chǎn)全程機械化得到了國家各層面的高度重視，并在積極推進，目前甘蔗生產(chǎn)耕作環(huán)節(jié)已基本實現(xiàn)機械作業(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，但糖料甘蔗機械采收的比例較低。由于甘蔗人工收獲耗時費力，如果無法進行規(guī)模化機械采收，收甘蔗所需繁重體力勞動的壓力會使蔗農(nóng)放棄甘蔗而轉(zhuǎn)向種植其它作物，從而導致蔗區(qū)萎縮，已經(jīng)成為當前蔗糖生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸問題，嚴重制約了蔗糖產(chǎn)業(yè)的升級換代及廣西農(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械化的高效生產(chǎn)模式，為機械化的節(jié)約成本和操作的簡便性方面提供了依據(jù)，并提出了解決機械收獲問題的對策。張長獻等[8]從制糖工藝、行業(yè)標準、環(huán)境和運營主體等方面分析了甘蔗機械化收獲遇到的問題，并提出甘蔗機械采收不是一個孤立的環(huán)節(jié)，需要政府、科研機構(gòu)和糖廠共同努力實現(xiàn)。譚俊杰等[9]從甘蔗種植的角度對比了6 個榨季的全程機械化、半機械化和手工種植對甘蔗含糖量、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)都意識到機械采收對甘蔗糖料生產(chǎn)的重要性，積極拓展甘蔗收獲機的應(yīng)用[1,10]。2017/2018 年榨季已有部分市縣和糖廠的蔗區(qū)進行機械采收，榨季累計完成機收作業(yè)量6.2萬噸，最高單機作業(yè)量2830 t/臺，與人工采收相比，大幅提升了甘蔗收獲能力[11]。但同時由于進行機械采收，一些蔗梢、蔗葉甚至沙石和土壤也會隨著收獲機進入到原料中，這些除了甘蔗莖以外的其它物質(zhì)對后續(xù)的生產(chǎn)加工可能會造成不良影響[12-14]。在路易斯安那州（美國）進行的研究[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)用機械采收的甘蔗仍處于發(fā)展階段，對機械采收后的甘蔗雜質(zhì)的思考尚不成熟，對采收后甘蔗雜質(zhì)對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)，還可以對整個加工環(huán)節(jié)的成本降低具有重要意義，因此對于甘蔗的原料品質(zhì)控制非常重要。本文擬通過對國外機械采收后的甘蔗雜質(zhì)對糖廠加工性能和成本影響的相關(guān)研究進行匯總，為未來國內(nèi)在甘蔗機械采收廣泛推廣后制糖工廠評估機械采收的甘蔗品質(zhì)定級，并對制糖加工過程中造成的影響進行預判提供可借鑒的參考與指導。

1 機械采收后甘蔗雜質(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)對甘蔗原料的指標均造成不同影響。

根據(jù)Scott[18]等人的研究，蔗梢對甘蔗纖維含量的影響很小，并且對破碎率和纖維比例沒有不利影響，因為蔗梢具有較低的纖維含量，并且相對比較柔軟，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鍋爐和輔助設(shè)備造成較大破壞，導致爐子清潔問題，還會造成甘蔗渣的熱值降低等不利影響[19]。然而，對食糖加工的影響進行充分探討的文獻匱乏，缺乏充足數(shù)據(jù)的支撐，因此，泥沙對食糖加工的不利影響難以量化評估。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。因此廢葉纖維比對甘蔗莖纖維更具干擾性，因為廢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，至少會對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。Larrahondo等[22]對機收甘蔗產(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 機收速度對雜質(zhì)的影響

如果采用低于正常地速的速度操作收獲機，可以得到低雜質(zhì)的甘蔗莖，而如果采用具有較低抽風機風速的收獲機進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機速度通過機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，通過同一時期兩種不同機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 個百分點，而對應(yīng)的甘蔗廢葉雜質(zhì)增加了5.01個百分點，占總體所增加甘蔗雜質(zhì)的67%左右。而在其另一項研究[27]可看出，在雜質(zhì)普遍偏低水平的情況下，相對低含雜的甘蔗雜質(zhì)為7.95%，而同時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個百分點；而對應(yīng)的廢葉雜質(zhì)增加了6.38 個百分點，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 機收與人工砍收的差異

根據(jù)國內(nèi)外甘蔗機械采收的應(yīng)用情況來看，Ahmed 等[28]為了解決蘇丹甘蔗收獲勞動力短缺問題，在Sennar糖廠開展評估手工和機械兩種收獲系統(tǒng)，通過研究生產(chǎn)效率、成本和雜質(zhì)等對工廠的影響，得出手工和機械采收的雜質(zhì)百分比分別為3.66%和9.49%。由此可以看出機械采收產(chǎn)生雜質(zhì)量更大。Larrahondo等[22]對比了人工采收甘蔗和機收甘蔗產(chǎn)生雜質(zhì)的差異，機收甘蔗的平均雜質(zhì)總量增加了11%。孫濤等[29]調(diào)查了西雙版納區(qū)機械采收甘蔗和人工砍收對甘蔗產(chǎn)量和出苗等影響的差異，得出機械收獲與人工砍收出苗率差異不明顯，機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]通過對比機械采收后甘蔗雜質(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)對制糖加工性能的影響

通過對甘蔗機械收獲的雜質(zhì)部分主要組成的分析，可以看出在機械收獲的過程中，甘蔗中的廢葉在甘蔗機械收獲的總體雜質(zhì)中占比最高，遠超過蔗梢和泥沙，成為機械采收過程中形成甘蔗雜質(zhì)的主要組分，可能對后續(xù)的加工造成比較明顯的影響?；诠I(yè)試驗結(jié)果，并通過收集和分析國外機械采收后甘蔗雜質(zhì)的數(shù)據(jù)，可用于評估機械采收雜質(zhì)對工廠加工性能可能造成的影響。由于甘蔗廢葉是機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行闡述。

2.1 廢葉對原料的影響

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。綜合以上文獻可看出，廢葉會增加甘蔗中的纖維含量，從而導致破碎率的變化。因此匯總了相關(guān)文獻關(guān)于廢葉含量的變化在制糖加工過程中對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，甘蔗原料破碎率均呈現(xiàn)下降趨勢，下降范圍在0.8～3.4 個百分點之間。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 廢葉對蔗汁的影響

目前國內(nèi)外研究中都沒有涉及廢葉對食糖生產(chǎn)直接影響的評估，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，因此匯總了相關(guān)文獻關(guān)于廢葉含量的變化在制糖加工過程中對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，蔗汁總糖分總體呈現(xiàn)減少變化，減少范圍在0.10～0.30 個百分點，但部分文獻顯示糖分升高，而升高的量（0.02 和0.06）相比減少的百分數(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 個百分點。根據(jù)Scott 等[21]的說法，通過實驗室調(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，蔗梢似乎對總糖分的變化沒有顯著影響。Larrahondo[22]對比機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；相對于人工采收甘蔗，檢測到來自機械收獲甘蔗的混合（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 廢葉對蔗渣的影響

隨著甘蔗廢葉在機械采收過程中進入甘蔗雜質(zhì)中去，引起甘蔗渣含水量的變化，收集國外幾家糖廠關(guān)于廢葉對蔗渣含水量影響的統(tǒng)計數(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有小幅度（0.12%和0.35%）的增加；但同時，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，這可能是因為甘蔗葉被燒掉一部分，但同時也伴隨著燃燒過程中一些其它指標的變化。值得注意的是，不同文獻顯示的數(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)計發(fā)現(xiàn)，蔗渣含水量的變化沒有顯著差異，而其團隊在另一項低雜質(zhì)水平[27]的情況下研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗雜質(zhì)對甘蔗渣含水量的影響具有統(tǒng)計學意義。

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 機械采收甘蔗雜質(zhì)對原料成本的影響

由于國內(nèi)甘蔗機械采收規(guī)模相對較小，并沒有大量的機械采收數(shù)據(jù)，本文收集了澳大利亞某甘蔗機械采收工廠在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，在機械采收過程中，甘蔗的雜質(zhì)水平波動幅度很大（5.7%～15.0%），如果管理不佳，雜質(zhì)含量水平可高達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、錘度和價格由以下經(jīng)驗公式進行計算，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)成本對應(yīng)的經(jīng)驗公式，對于國內(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：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)驗方程進行核算：

(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)甘蔗價格=糖價×（甘蔗可回收糖分-4）×0.009+1.6

對機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)降低對工廠性能的影響結(jié)果根據(jù)經(jīng)驗方程進行核算，結(jié)果見表5。根據(jù)表5 的統(tǒng)計數(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)糖價格為410 AUD/t，增加的利潤可以達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，廢葉含量降低0.7%，根據(jù)經(jīng)驗公式，由此計算出甘蔗總糖分由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%，同時甘蔗價格應(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%，因為雜質(zhì)含量增加1%，這意味著隨著雜質(zhì)含量的降低，運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%。目前尚未有文獻具體闡述甘蔗運輸環(huán)節(jié)對原料成本的影響，文中對實現(xiàn)機械采收的低含雜水平甘蔗原料的運輸成本也未詳細核算，還有待進一步研究。

4 小結(jié)

本文通過查閱國外機械采收的甘蔗雜質(zhì)對加工性能和成本的影響，并選取一家工廠的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行總結(jié)和評估，甘蔗的機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。

通過對現(xiàn)有機械采收甘蔗雜質(zhì)對甘蔗質(zhì)量的研究，建議未來機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)，對機械采收的甘蔗雜質(zhì)對未來甘蔗成本影響進行更準確的評估，以便協(xié)助制糖廠在未來機械采收普遍推行的情況下，通過提高對原料的預測和評估，控制原料成本，降低因機械采收后甘蔗雜質(zhì)對加工環(huán)節(jié)造成不必要的不良影響。