二氧化氯殺菌技術(shù)在甜菜制糖加工中的應(yīng)用研究

張雙虹，許慶龍，趙抒娜，3，吳子毅，耿勤，王寶，3

（1.中糧營養(yǎng)健康研究院有限公司，北京 102209；2.上海怡竹生物科技有限公司，上海 200135；3.中糧屯河糖業(yè)股份有限公司，新疆昌吉 831100）

0 前言

甜菜是我國北方主要的糖料作物，也是重要的經(jīng)濟作物，我國甜菜糖的主產(chǎn)區(qū)包括新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江等省區(qū)。我國甜菜制糖的生產(chǎn)期通常從每年的10月份一直持續(xù)到次年的2月份，儲藏過程中反復(fù)凍融的甜菜容易變質(zhì)造成微生物滋生[1]。在甜菜制糖的浸出環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)的溫度（40～70℃）適宜大多數(shù)微生物活動，容易造成微生物的快速滋生而導(dǎo)致糖分損失，并可能會對終產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

為減少浸出過程因微生物造成的負(fù)面影響、有效控制產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)衛(wèi)生條件，甜菜糖廠通常使用殺菌劑對微生物進行控制。制糖過程中微生物的種類多樣[2]，包括細(xì)菌、酵母菌、霉菌等，對制糖過程的危害性不盡相同。腸膜明串珠菌是一種較為典型的制糖危害菌，在以甜菜或甘蔗為原料進行制糖加工時均較為多發(fā)，該菌株能夠分泌葡聚糖蔗糖酶，將蔗糖轉(zhuǎn)化成葡萄糖并聚合形成葡聚糖，當(dāng)葡聚糖在浸出汁中的濃度高于80 mg/kg時，會造成加工過程過濾困難，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)[3-4]。

國內(nèi)外制糖行業(yè)報道的殺菌劑包括甲醛、二硫代氨基甲酸鹽、次氯酸鈉、焦亞硫酸鈉、二氧化氯等，多以制糖工藝的加工工段而非對某種特定微生物進行殺菌效果的研究，例如甜菜浸出環(huán)節(jié)、甘蔗壓榨環(huán)節(jié)、蔗汁殺菌等。甲醛曾經(jīng)是國內(nèi)外甜菜制糖行業(yè)普遍使用的殺菌劑，但由于其具有刺激性和毒性，我國已明令禁止制糖企業(yè)使用甲醛。有學(xué)者研究報道過二硫代氨基甲酸鹽用于制糖過程中的殺菌，但其在國內(nèi)尚未列入國家標(biāo)準(zhǔn)使用[5-6]。Boone 等人將次氯酸鈉、氨基甲酸酯、葎草酮3 種殺菌劑應(yīng)用于甘蔗糖廠殺滅細(xì)菌減少糖分損失，結(jié)果表明次氯酸鈉能夠有效抑制微生物的生長，而且微生物的數(shù)量與蔗汁的溫度有關(guān)，在蔗汁澄清過程中微生物數(shù)量銳減[7]。近幾年來，國內(nèi)甜菜糖廠多以焦亞硫酸鈉為有效成分進行殺菌，在殺滅細(xì)菌和真菌方面效果良好，但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)其對設(shè)備的腐蝕性較強[8]。二氧化氯是一種高效廣譜安全的殺菌劑，具有消毒、殺菌、防腐、保鮮等多種功能，是目前國際公認(rèn)的性能優(yōu)良、安全無公害的殺菌消毒劑[9]。二氧化氯應(yīng)用在甘蔗制糖中，用于甘蔗原料壓榨過程能有效控制微生物繁殖，減少蔗糖損失[10]；用于甘蔗汁殺菌，能夠提高蔗汁純度，減少混合汁箱的“蔗飯”產(chǎn)生，具有良好的抑制微生物的效果[11]。Seres等人研究了二氧化氯及次氯酸鈉對甜菜汁的殺菌效果，對于中溫菌及腸膜明串珠菌具有良好的殺滅效果，殺菌率為82%～99%[12]。

截至目前，國內(nèi)甜菜制糖行業(yè)仍缺少較為理想的糖用殺菌劑；開發(fā)安全、高效、經(jīng)濟、適用的甜菜制糖殺菌劑，對于增加蔗糖收率、實現(xiàn)糖品清潔生產(chǎn)具有重要意義。本文評價了一款以二氧化氯為核心成分的殺菌劑用于甜菜制糖生產(chǎn)浸出環(huán)節(jié)的殺菌效果，對新型殺菌劑在甜菜制糖殺菌中的應(yīng)用進行了積極探索。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為甜菜浸出汁，取自中糧屯河糖業(yè)股份有限公司昌吉糖業(yè)分公司浸出車間的浸出工段，新鮮浸出汁自取樣口取樣。殺菌劑CD-1 由中糧營養(yǎng)健康研究院與上海怡竹生物科技有限公司聯(lián)合研發(fā)，主要成分包括：20%二氧化氯、30%酸度調(diào)節(jié)劑、2%ε-聚賴氨酸鹽酸鹽，其它成分包括填充劑及活化劑等。

1.2 試驗儀器與試劑

主要試劑：焦亞硫酸鈉、PCA 培養(yǎng)基、生理鹽水、無水乙醇、六水合三氯化鐵、硝酸鉛、氫氧化鈉、乳酸鈣、氯化鉀、0.2 mol/L鹽酸等，均為分析純，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

試驗儀器：電熱鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9240，上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；微波爐；pH 計；高壓蒸汽滅菌鍋（LDZF-75KB，上海申安儀器有限公司）；恒溫水浴鍋（DK-S24，上海森信實驗儀器有限公司）；電子天平（ME204，美國梅特勒公司）；超凈工作臺（ZHJH-C1118B，上海智城分析儀器制造有限公司）。

1.3 試驗方法與步驟

1.3.1 指標(biāo)觀察及檢測

⑴菌落總數(shù)的測定：菌落總數(shù)的測定依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB4789.2-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗菌落總數(shù)測定》進行。樣品經(jīng)10 倍系列稀釋后，以平板計數(shù)瓊脂培養(yǎng)基傾注平皿，培養(yǎng)后進行菌落計數(shù)。測試時分別稀釋，最終結(jié)果取3次結(jié)果的平均值。

⑵pH值的測定：以少量待測樣品沖洗pH計電極后，將pH計電極置于樣品中，待示數(shù)穩(wěn)定后讀數(shù)。

⑶乳酸的測定：依照下列方法進行標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制。取乳酸標(biāo)準(zhǔn)液（含乳酸200μg/mL）1、2、3、4、5 mL，分別注入20 mL比色管中，各加入氯化鉀鹽酸溶液2.5 mL，并加入蒸餾水定容至10 mL，同時作蒸餾水空白實驗。搖勻后，各加入2%三氯化鐵顯色劑1 mL，混勻后在420 nm 波長處測定吸光度，根據(jù)乳酸含量和所測吸光度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。浸出汁乳酸含量的測定依照下列方法進行：取浸出汁25 mL，加入澄清劑堿式硝酸鉛2 mL，定容至50 mL，過濾后取2 mL 溶液于比色管中，加入2.5 mL 氯化鉀鹽酸溶液，加入蒸餾水定容至10 mL，混勻后加入2%三氯化鐵顯色劑1 mL，混勻后在420 nm 波長處測定樣品吸光度，以試劑加蒸餾水作空白對照，從標(biāo)準(zhǔn)曲線中查出相當(dāng)?shù)娜樗崃窟M行計算。比色樣品重以比色樣品的體積乘以比重計測定得到的樣品密度進行計算。試驗設(shè)3次重復(fù)，結(jié)果取平均值。乳酸含量的計算：

乳酸含量（‰）=（x×1000）/（比色樣品重×106）（x表示從標(biāo)準(zhǔn)曲線計算得到的乳酸量）

1.3.2 浸出汁處理過程

⑴浸出汁室溫處理過程：從浸出工段取新鮮浸出汁，置于室溫條件下（25℃），添加250、500、1 g/kg 的CD-1 殺菌劑作為處理組，添加500 mg/kg 的焦亞硫酸鈉作為對照組，空白組不添加任何殺菌劑，殺菌劑及焦亞硫酸鈉的添加量對浸出汁計算。在室溫放置的第15、30、60、120 min測定菌落總數(shù)。

⑵浸出汁熱處理過程：從浸出車間取新鮮浸出汁，添加125、250、500 mg/kg的殺菌劑為處理組，添加500 mg/kg 焦亞硫酸鈉為對照組，空白組不添加任何殺菌劑。處理組、對照組、空白組均經(jīng)過如下的熱處理過程：45℃水浴20 min，50℃水浴20 min，55℃水浴40 min，冷卻10 min。在上述處理的第40 min（即50℃水浴20 min結(jié)束后）和第90 min（即最終冷卻10 min結(jié)束后）分別取樣后測定菌落總數(shù)。

1.3.3 殺菌劑中試評估方法

在工廠的實際生產(chǎn)加工中，連浸器中甜菜經(jīng)入口、一段、二段、三段、四段、出料，浸出用水從連浸四段進入，經(jīng)三段、二段、一段，最后浸出汁流入主管道；殺菌劑的流加量以實際工況中的浸出汁流量計算，試驗時浸出汁流量為87.57 t/h，以添加的殺菌劑濃度為500 mg/kg、流加5 h 為例，所需添加的殺菌劑總量為218.9 kg。取一定量殺菌劑粉末配制成殺菌劑溶液，控制閥門流速使殺菌劑溶液均勻加入浸出槽中。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同添加量條件下CD-1殺菌劑對浸出汁的殺菌效果

在室溫下，為研究不同添加量的CD-1 殺菌劑對于浸出汁的殺菌效果，實驗以焦亞硫酸鈉為對照，比較了CD-1 殺菌劑在3 種不同濃度（250 mg/kg、500 mg/kg、1 g/kg）條件下的殺菌作用。由表1 可以看出，所測試的3個濃度均有殺滅浸出汁中微生物的作用。與焦亞硫酸鈉相比，CD-1殺菌劑在3種不同添加量條件下，在15 min內(nèi)即表現(xiàn)出殺菌作用。在添加2 h后，CD-1在250 mg/kg的添加量條件下殺菌率為79.8%，其殺菌效果稍低于500 mg/kg的焦亞硫酸鈉（84.9%）；在500 mg/kg的添加量條件下殺菌率為91.3%，使菌落總數(shù)下降一個數(shù)量級，比500 mg/kg的焦亞硫酸鈉高6.4個百分點。CD-1在1 g/kg添加量下表現(xiàn)出快速殺菌作用，15 min能夠殺滅一半以上的微生物，2 h內(nèi)使菌落總數(shù)下降2 個數(shù)量級?？傮w而言，CD-1 殺菌劑殺菌速度較焦亞硫酸鈉更快，并且在500 mg/kg同等添加量的條件下，殺菌效果明顯好于焦亞硫酸鈉。

表1 室溫條件下CD-1 殺菌劑對浸出汁中菌落總數(shù)的影響（cfu/mL）Table 1 Effect of biocide CD-1 on total number of colony of beet juice at room temperature（cfu/mL）

2.2 熱處理條件下CD-1殺菌劑對于浸出汁的殺菌效果

制糖加工過程中，甜菜在切絲后經(jīng)皮帶輸送至浸出工段，甜菜絲在浸出器中停留約60 min；國內(nèi)常用的DDS 連續(xù)浸出器通常分為四段，槽體從下至上設(shè)置的溫度分別為：連浸一段70℃左右，二段60℃左右，三段55℃左右，四段52℃左右；浸出汁的流向為四段至一段。浸出工段因溫度相對較低（75℃以下），適合多種微生物的滋生和繁殖；尤其是在甜菜品質(zhì)較差、洗滌不干凈、滲出溫度偏低及滲出時間較長時，微生物更容易大量繁殖，并造成浸出汁pH 值偏低、糖分損失增大等一系列負(fù)面影響[13]。為考察殺菌劑在熱處理條件下的殺菌效果，對浸出汁進行45～55℃的動態(tài)熱處理（處理條件見1.3.2），并取樣測定菌落總數(shù)。

與表1 室溫條件下殺菌劑的殺菌效果相比，表2中CD-1殺菌劑與焦亞硫酸鈉均表現(xiàn)出比室溫條件更高的殺菌率，表明水浴加熱在兩種殺菌劑的殺菌效果上具有一定的協(xié)同作用。熱處理條件下，當(dāng)處理時間為90 min 時，125 mg/kg 的CD-1 殺菌劑能達到有效抑菌殺菌作用，與500 mg/kg 的焦亞硫酸鈉效果相當(dāng)。250 mg/kg的CD-1殺菌劑作用90 min可使菌落總數(shù)降低1個數(shù)量級，殺菌率達到97.3%。500 mg/kg的CD-1殺菌劑能在40 min內(nèi)達到96.8%的殺菌率，90 min后殺菌率達到98.2%，菌落總數(shù)下降約2個數(shù)量級。

表2 熱處理條件下CD-1 殺菌劑對浸出汁中菌落總數(shù)的影響（cfu/mL）Table 2 Effect of biocide CD-1 on total number of colony of beet juice at heating condition（cfu/mL）

2.3 CD-1殺菌劑在甜菜制糖加工中的殺菌效果中試評估

針對甜菜糖廠的實際工況，選擇合適的殺菌劑添加方式（見1.3.3），在生產(chǎn)線進行中試以評測CD-1添加量與殺菌效果的關(guān)系，試驗同時監(jiān)測了浸出汁的菌落總數(shù)和乳酸含量。在制糖生產(chǎn)中，微生物數(shù)量較多時，其相應(yīng)的微生物代謝產(chǎn)物乳酸含量升高，pH值降低；因此，在甜菜制糖實際生產(chǎn)中通常將乳酸含量作為工藝控制指標(biāo)之一，通常需要將乳酸值控制在0.04 以下。中試首先測試了500 mg/kg 濃度的CD-1 殺菌劑短時流加對浸出汁的殺菌效果（表3）。在整個過程中，浸出汁菌落總數(shù)穩(wěn)定下降，相應(yīng)的，浸出汁的乳酸值下降，pH值升高。在流加2 h 后，CD-1 殺菌劑表現(xiàn)出明顯的殺菌作用，殺菌率達到88.1%，乳酸值從0.690‰下降至0.460‰；流加4 h 后，乳酸值降低至0.380‰，達到生產(chǎn)要求；在流加5 h后，菌落總數(shù)降低了2 個數(shù)量級，殺菌率達到99.2%，乳酸值降低至0.340‰。總體來說，CD-1 在500 mg/kg的使用條件下殺菌效果較為顯著，在5 h的流加情況下較好控制了浸出汁的微生物數(shù)量，確保了浸出汁pH值的穩(wěn)定。

表3 500 mg/kg 殺菌劑連浸二段流加指標(biāo)變化Table 3 The variation of physicochemical index in beet juice with addition of 500 mg/kg biocide

表4 300 mg/kg 殺菌劑連浸二段短時流加指標(biāo)變化Table 4 The variation of physicochemical index in beet juice with addition of 300 mg/kg biocide

從降低工業(yè)使用成本的角度考慮，實驗還測試了300 mg/kg濃度條件下CD-1殺菌劑流加的使用效果，結(jié)果見表4。CD-1在300 mg/kg的添加量下具有一定的殺菌效果，在7.5 h內(nèi)浸出汁的菌落總數(shù)呈下降趨勢，同時監(jiān)測到乳酸含量的下降和pH值的升高。表4中CD-1在添加1 h后即發(fā)揮出殺菌作用，殺菌率達到73.5%。對比表3，500 mg/kg 的CD-1 添加1 h 后殺菌率僅為10.9%，殺菌率明顯偏低；結(jié)合其對應(yīng)的pH 值較低（pH=5.61）及乳酸值較高（0.870‰）判斷，此處較低的殺菌率應(yīng)與當(dāng)時甜菜原料的進料波動有關(guān)，即短時間內(nèi)出現(xiàn)了進料品質(zhì)的下降。總體來說，在糖廠生產(chǎn)線中試條件下，CD-1 在300 mg/kg 添加量下持續(xù)添加7.5 h 能夠?qū)⒕鋽?shù)降低1個數(shù)量級，殺菌率達到92.6%，殺菌效果能夠滿足工藝要求。

3 討論與結(jié)論

在甜菜制糖生產(chǎn)過程中，浸出環(huán)節(jié)微生物的滋生不但造成過濾困難的不利影響，而且微生物活動消耗糖分，造成糖分損失和糖收率的下降。關(guān)于二氧化氯在制糖行業(yè)的應(yīng)用研究，學(xué)者報道主要是二氧化氯在甘蔗糖廠的應(yīng)用效果，如李凱等人研究了二氧化氯對蔗料的殺菌效果，噴淋二氧化氯溶液進行殺菌，減少蔗糖損失，得到的初混汁純度差值較小，能有效控制微生物的生長繁殖[10]。文學(xué)等人在廣西寧明東亞糖業(yè)有限公司使用二氧化氯消毒液投加到蔗汁中，與壓榨用殺菌劑相比，初混汁純度差降低了1.31%[11]。本實驗創(chuàng)新性地評測了二氧化氯用于甜菜糖廠的殺菌效果，在浸出車間實地開展了中試實驗，以甜菜制糖中切實存在的微生物進行殺菌實驗論證，以期為實際使用積累具有參考價值的數(shù)據(jù)。

二氧化氯是一種高效、廣譜、安全的消毒滅菌劑，對細(xì)菌、真菌、芽孢類、病毒均有較好的殺滅效果，但也存在一定的不足之處。用于水處理中，消毒會產(chǎn)生含氯的無機副產(chǎn)物亞氯酸鹽和氯酸鹽，對人體健康有一定威脅[14]。在工廠使用評估中發(fā)現(xiàn)，由于制糖生產(chǎn)車間環(huán)境較為開放，二氧化氯本身強烈的氣味很容易擴散，從而對車間工人的正常工作造成一定負(fù)面影響；對此，尚需要對CD-1 殺菌劑進行繼續(xù)優(yōu)化和改進，以更好滿足我國甜菜糖廠的實際使用需求。

殺菌劑能有效抑制微生物的繁殖和微生物活動引起的pH值的降低，對于減少浸出工段的糖分轉(zhuǎn)化和亞硝酸鹽生成，從而降低成品糖中還原糖的含量和亞硝酸鹽的含量，提高成品糖的品質(zhì)具有積極作用。某些條件可能影響CD-1 殺菌劑的殺菌效果，包括浸出汁的錘度、環(huán)境微生物數(shù)量、浸出汁中微生物的初始數(shù)量等，這些因素可能影響殺菌劑的作用時間和殺菌效果。此款殺菌劑以二氧化氯為核心成分，由于榨季溫度較低，存放時間及環(huán)境條件是否會對殺菌效果產(chǎn)生影響有待進一步論證。由于中試條件有限，上述因素對于殺菌劑殺菌效果的影響需要進一步深入研究，以提供更全面的參考數(shù)據(jù)。

實驗評測了以二氧化氯為核心成分的CD-1 殺菌劑在甜菜制糖加工中的殺菌效果。小試研究結(jié)果表明，在500 mg/kg 添加量條件下，CD-1 殺菌劑的殺菌速度及殺菌效果優(yōu)于焦亞硫酸鈉。中試研究結(jié)果表明，該殺菌劑能夠有效控制浸出汁的乳酸值和pH 值，起到抑菌殺菌作用；在500 mg/kg流加條件下，5 h 內(nèi)殺菌率達到99.2%；在300 mg/kg流加條件下，7.5 h內(nèi)殺菌率達到92.6%。在榨季生產(chǎn)中，可根據(jù)實際工況添加CD-1殺菌劑，控制浸出環(huán)節(jié)的微生物數(shù)量，從而有效控制微生物活動造成的糖分損失，確保工廠的正常生產(chǎn)。