糖料副产物的加工利用研究进展
作者： 庞彩卫 周芹
摘要 糖渣、糖蜜、滤泥是糖厂典型的三大副产物，也是糖厂综合利用和新产品开发的主要对象。基于糖厂副产物和废弃物的组成及其理化特性，综述了近年来国内外甘蔗及甜菜副产物利用的最新研究成果，为我国制糖企业开展副产物综合利用及农业废弃物资源化利用的新途径提供参考。
关键词 糖渣；糖蜜；滤泥；综合利用
中图分类号 TS 249 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2024）24-0017-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.004
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Research Progress on Processing and Utilization of Sugar By Products
PANG Cai-wei1， ZHOU Qin1，2，3
（1.College of Modern Agriculture and Ecological Environment， Heilongjiang University， Harbin， Heilongjiang 150080; 2.Beet Quality Inspection and Test Center，Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Harbin， Heilongjiang 150080; 3.Laboratory of Quality Safety Risk Assessment for Sugar Crops Products，Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Harbin， Heilongjiang 150080）
Abstract Sugar residue， molasses and filter mud are the three typical by-products of sugar mills， and they are also the main objects of comprehensive utilization and new product development in sugar mills. Based on the composition and physicochemical properties of by-products and waste in sugar mills， this paper reviewed the latest research results on by-products utilization of sugarcane and beet at home and abroad in recent years， and provided references for the comprehensive utilization of by-products and the new ways of agricultural waste utilization in Chinese sugar enterprises.
Key words Sugar residue;Molasses;Filter mud;Comprehensive utilization
基金项目 现代农业产业技术体系建设项目（CARS-170503）。
作者简介 庞彩卫（1999—），男，广西玉林人，硕士研究生，研究方向：农药降解及农药环境行为。*通信作者，副研究员，博士，从事食品安全检测及农药产品分析研究。
甘蔗和甜菜是我国的主要糖料作物，在制糖过程中，除了生产糖之外，还产生了大量的副产物。这些副产品的滥用不仅浪费了自然资源，还使环境和公众健康受到威胁。
21世纪以来［1］，在甘蔗、甜菜种植面积日趋饱和、制糖成本逐年升高、能源紧缺及环境恶化的严峻形势下，国内外开始日益重视糖料副产物的综合利用，大力开发节能减排、清洁生产的新工艺，并取得了一定的成效。
制糖企业副产物主要包括蔗渣、甜菜粕、糖蜜以及滤泥。蔗渣含有丰富的天然纤维，是合成生物复合材料的良好原料，不仅如此，甘蔗渣还具有良好的再生能力，可广泛用于废水修复、新能源开发等领域；甜菜粕果胶含量高，可用于提取果胶、生产高果胶饲料；滤泥用于生产饲料和肥料；糖蜜则广泛应用于发酵领域。随着制糖工艺的技术革新以及社会环保意识的提高，传统的糖厂副产物综合利用途径已不能满足当前国民经济发展的要求，许多制糖企业及制糖研究者都在探索糖业副产物的综合利用新途径，以充分发挥甘蔗、甜菜的资源优势。
1 蔗渣
1.1 蔗渣成分
甘蔗渣是甘蔗制糖的主要副产品，通常是在清洁和提取甘蔗汁液后产生的。甘蔗渣是一种纤维残渣，由20%～45%的纤维素、17%～32%的半纤维素、20%～25%的木质素、0.5%～0.9%的灰分和其他一些成分组成［2］。由于生产过剩，甘蔗渣被大量用作固体废物燃烧，造成环境污染。由于环境问题，废物回收已成为科学研究的主要问题。与其他农业副产物（树皮、稻草等）相比，蔗渣含有丰富的纤维素和半纤维素，其综合利用和深加工价值更高，应用途径也更加广泛。
1.2 甘蔗渣制备复合材料
生物复合材料由合成聚合物基体和天然纤维组成，如木粉、非木质纤维和来自农业废弃物的天然纤维素纤维，作为填料或增强剂。在过去的十年中，纤维素纳米纤维作为生物纳米复合材料的纳米级填料或增强剂引起了人们广泛的兴趣［3］。甘蔗渣因其含有丰富的天然纤维、成本低、可回收等优点，可用来合成生物复合材料（图1）［3］。Ninomiya等［4］研究了醋酸胆碱（ChOAc）辅助预处理甘蔗渣粉末，用于后续机械纳米纤颤生产木质纤维素纳米纤维的功效。通过ChOAc预处理与机械纳米纤颤相结合，增强了蔗渣纳米纤颤与SSA的协同作用。制备的甘蔗渣样品的组成和结晶度没有实质性的变化。制备酯化甘蔗渣/聚丙烯复合材料时，经ChOAc预处理和纳米纤化处理的甘蔗渣在复合材料中的分散性最好。在酯化的甘蔗渣/聚丙烯复合材料中，甘蔗渣经ChOAc预处理和甘蔗渣粉末纳米纤化制备的复合材料具有最大的拉伸韧性。Ashori等［5］研究了聚丁二烯异氰酸酯处理对甘蔗渣-PP复合材料的影响。与未经处理的复合材料相比，用这种异氰酸酯剂处理的复合材料表现出优异的拉伸和冲击性能。Anggono等［6］比较研究了甘蔗渣-PP复合材料上的氢氧化钙和氢氧化钠，以改善纤维和基体的界面。由此通过不同的处理方法将甘蔗渣中的天然纤维结合为生物复合材料具有获得最佳效用或最大限度地减少合成材料使用的潜力。
1.3 甘蔗渣制备吸附剂
随着工业化和城市化的持续发展，环境污染问题日趋严重。水体中的污染物主要包括重金
属、抗生素以及染料等，主要由工业废物排放、采矿、过度使用农药、化肥以及滥用抗生素造成，对人类健康和环境构成重大威胁。在迄今为止使用的技术中，吸附已被公认为从废水中去除污染物的高效方法，因为它成本低、操作简单、易于再生，并且不涉及任何有毒中间体。作为农业废弃物之一的甘蔗渣由于其成本低、独特的化学成分和可再生性而被广泛用于废水修复。由甘蔗渣生产的活性炭灰分含量低，硬度合理，因此，将甘蔗渣转化为低成本吸附剂是解决环境问题和降低制备成本的有希望的替代方案。李冲等［7］以改性的甘蔗渣为作为吸附剂。其最大吸附容量达到76.25 mg/g，该吸附剂对水溶液中的Cu2+具有较好的吸附能力，能够有效去除水溶液中的Cu2+。Harripersadth［8］研究了甘蔗渣（煮沸、干燥、粉碎和过筛 75～250 μm）作为镉和铅金属吸附剂，发现由于吸附剂的粒径减小（75～250 μm），镉和铅的去除率分别增加了2.0% 和3.8%。侯博文［9］以甘蔗渣为原料，以浸渍法制备了KOH改性蔗渣生物炭（KBC），并研究了其对环丙沙星（CIP）的吸附性能，发现其对CIP的最大吸附量达到179.8 mg/g。通过对甘蔗渣炭进行改性，使其对重金属及多种抗生素拥有较强的吸附能力。甘蔗渣是制备吸附剂的优良前驱体，可以被应用在水体污染的治理中。但是，由于现实当中水体污染问题复杂，多种多样。因此，还有很多问题值得细致深入的研究。
1.4 甘蔗渣作为能源燃料
煤炭提供40%的地球发电量，在未来一段时间内将继续增加［10］。随着温室气体排放的增加和化石燃料的缺乏，人们的兴趣更多地集中在寻找可用的非化石燃料能源来替代。生物质是首选能源和可再生能源之一。由于其可再生性，可以通过多种方式获得它，例如木材，木材废物和农业弃物等。与风能和太阳能相比，生物质在发电中的最大优势之一是可控性，可以根据负荷进行调整。生物质甚至可以达到负排放，一氧化碳在生长时吸收的甚至远远超过燃烧时的排放，可以回收到下一代植物生长［11］。
纤维素作为所有植物材料的主要部分，达到植物组织的1/3～1/2。最大的纤维素农用工业副产品之一是甘蔗渣，它是制糖工业的木质纤维素残渣，提取甘蔗汁后的纤维残渣。甘蔗渣大约由50%纤维素、25%木质纤维素和25%木质素组成。此外，与其他农业残留物相比，甘蔗渣被认为是一种丰富的太阳能，因为它具有高生产率和强大的再生能力［12］。
近年来，许多研究人员研究甘蔗渣更深层次的使用。甘蔗渣是一种可以转化的农业废弃物，如通过自燃成为利益物质进行固结。特别是，与高炉渣结合得到的灰分含量是制备碱活化砂浆的有效用途。随着生长和收获的改善，以及更有效的甘蔗渣发电，它将显著提高过去14年的乙醇产量，以及改善清洁能源平衡，并减少温室气体排放［13］。
Munir等［14］进行了氮气下甘蔗渣热解和空气燃烧的热机械分析。Kazanc等［15］调查了亚烟煤和甘蔗渣共燃的排放，发现与单独燃烧相比，SO2、CO 和 NOx，排放减少。Levendis等［16］将甘蔗渣变成粉状，并将其燃烧行为与3种不同的单颗粒煤等级范围（75～90）和电加热（1 400 K）进行比较，发现煤的褐煤温度接近2 000 K，而甘蔗渣焦炭的温度在1 900 K附近。
生物质与煤共燃，可有效降低CO2燃煤锅炉的排放，很容易超过一个有效的单一生物系统［17］。生物质，特别是富含纤维素，可以使用具有成本效益的方法来减少温室气体排放和化石燃料消耗。因此，诸多优点使得生物质和煤的共燃技术近年来广泛流行。甘蔗渣作为化石燃料的潜在替代品，对其燃烧和共燃特性的研究具有重要价值。
2 甜菜粕
甜菜在北方普遍种植，由于其产量高且耐寒，是中国仅次于甘蔗的第二大糖类作物。通过净化、蒸发、结晶、花蜜分离和干燥等过程从新鲜甜菜中去除糖分后，留下的物质被称为甜菜浆（SBP），也被称为甜菜渣。
2.1 生产果胶
甜菜粕是甜菜糖工业中的主要副产品，含有15%～30%的果胶，被认为是果胶提取的潜在来源［18］。果胶是一种重要的阴离子杂多糖，存在于双子叶植物的细胞壁中［19］，果胶作为化学和食品工业的增稠剂或胶凝剂越来越受到关注［20］。此外，果胶已被描述为一种新兴的益生元，具有调节结肠微生物群细菌组成的能力，能够对健康产生有益的影响。与柑橘和苹果等果胶的主要来源相比，甜菜果胶由于其中性糖含量较高、乙酰基含量低（4%～5%）［21］、阿魏酸含量较高、蛋白质含量较高和其相对较低的分子量而胶凝效果较差，但相比之下，这些分子特性使甜菜果胶具有更好的乳化性能［22］。从甜菜粕中提取的果胶可以制备稳定的水包油乳化剂。
2.2 用作动物饲料
甜菜粕营养成分丰富，其中纤维素含量占22%～30%，含多数不可溶性膳食纤维和部分可溶性膳食纤维，此外还含有一定比例的甜菜碱，以及少量的烟酸和钙元素［23］。不可溶性膳食纤维能够增加肠道蠕动和胃肠道容积，缓慢被肠道菌群发酵；可溶性膳食纤维可在后肠高度发酵，调节微生物菌群的益生元，利于宿主健康。Wisbech等［24］发现，增加甜菜浆的饲料供应和膳食纤维，可以改善妊娠母猪的能量保持。