综述：甘蔗、甜菜和甜高粱加工的异同——支撑可持续实践的基础

本综述系统比较了甘蔗(Saccharum officinarum)、甜菜(Beta vulgaris)和甜高粱(Sorghum bicolor)三大糖料作物的农业特性、原料组成及加工差异。文章揭示了甜菜汁蔗糖纯度高达98.9%且含氮化合物丰富，适于碱性加工；甘蔗含94%蔗糖及较多酚类抗氧化色素；甜高粱含80%蔗糖及高量葡萄糖、果糖和淀粉，制约其白糖生产经济性。重点探讨了色谱脱盐(SMB)技术在甜菜糖蜜回收中的应用优势，以及甜高粱糖浆规模化生产中淀粉控制策略。通过整合加工与副产品高值化利用（如蔗渣发电、甜菜粕造纸），为糖业循环经济（Circular Economy）提供可持续发展路径。

　　

糖料作物的全球产业格局

目前全球约111个国家从甘蔗或甜菜生产食用糖（蔗糖），其中8个国家同时生产这两种商品作物。2023年，糖料作物占全球主要农产品产量的22%，仅次于谷物（32%）。2024/2025年度全球糖产量预计达到1.865亿吨（原糖值），创历史新高，消费量随人口增长持续上升。甘蔗（Saccharum spp.）是全球产量最大的作物（19亿吨），占全球糖产量的近80%。2023/24年度前十大产糖国为巴西、印度、欧盟、中国、美国、泰国、俄罗斯、墨西哥、巴基斯坦和澳大利亚，其中巴西和印度分别占世界产量的19.6%和17.0%。主要糖消费市场包括印度、欧盟、中国、美国、巴西、印度尼西亚、俄罗斯、巴基斯坦、墨西哥和埃及。

主要糖料作物的可持续性挑战

与许多行业一样，全球糖业面临环境、社会和经济方面的可持续性问题。因此，许多国家的糖业正越来越多地实施可持续实践，以供应天然糖和其他产品，遵循贯穿糖产品整个生命周期的循环方法，需要从供应商到消费者采取行动。

这包括可持续种植实践（包括高产作物）、加工工艺、产品和包装，以优化经济收益，同时显著减少环境和社会损失。糖料作物可持续性的主要目标之一是加工过程中水的循环利用，以及加工助剂（如氧化钙）的回收利用。由于成分差异严重影响收获和加工，可持续实践必须针对每种糖料作物量身定制，尽管存在一些相似之处。

甘蔗、甜菜和甜高粱的农业方面

与所有作物一样，农业方面，即种植、收获方法、运输和收获后糖料作物的储存，都对原料质量产生显著影响。进而，工业工厂加工的原料质量不仅对加工效率，而且对最终产品的数量和质量都有很大影响。

甜菜（Beta vulgaris L.）是块根作物，目前在许多温带和亚热带国家种植、收获和加工用于制糖。此外，甜菜在全球糖业中的重要地位外，还应用于动物饲料和生物能源生产。甜菜是二年生植物，在第一年产生富含糖分的膨大根。甜菜主要是北温带地区（北纬30°至60°之间）的春播作物，尽管在智利、委内瑞拉和乌拉圭也有种植。“热带”甜菜也可以在提供灌溉的亚热带地区种植，例如埃及。

甘蔗（Saccharum officinarum L.）是禾本科（Poaceae）的高大成员，生长于世界热带和亚热带地区。作为一种C₄作物，它具有高光合效率，生长相对较快，且产量高，这使其作为蔗糖（食糖）的主要来源在全球糖业中发挥关键作用。除糖外，甘蔗在许多国家还用于生产糖蜜（作为副产品）、乙醇和生物能源。甘蔗通过无性繁殖，几乎普遍作为多年生作物管理；主栽作物之后是多次宿根作物。因此，甘蔗的收获、运输、加工和精炼代表了一个成熟的全球产业。然而，由于其相对较长的作物周期和较低的耐寒性，甘蔗的成功种植区域有限。尽管如此，在许多世纪里，甘蔗展示了在广泛土壤和气候条件下生长的卓越能力，在其他作物失败的地方表现出相对稳定的产量。

与甘蔗类似，甜高粱也是一种高大的禾本科植物，具有富含糖分的茎秆，但不同于甘蔗，它还有一个谷粒头。由于各种技术经济原因，甜高粱不用于白糖生产，而主要用于糖浆制造。在1880年代，甜高粱是美国的重要作物，生产约1.134亿升糖浆。此后，由于廉价精制糖和玉米糖浆的供应以及高粱蚜虫害的出现，商业产量显著下降。因此，甜在美国和许多其他国家仍然是一个小型家庭式产业（平均农场规模1.2-2.4公顷），而甘蔗和甜菜产业是全球商品产业。另一方面，在印度2019/2020年度，甜高粱在465万公顷土地上种植和收获，预计将在“满足日益增长的可再生能源需求以取代化石燃料能源资源”方面发挥重要作用。

甜高粱是四种主要类型的高粱（Sorghum bicolor L.） grass crops之一：饲用、谷物、生物质和甜用。由于其农业投入需求低得多，以及其多功能性和适应性，甜高粱可以在比甘蔗和甜菜大得多的地理区域内种植和加工。这些相对于其他糖料作物的优势表明甜高粱未来的潜力，特别是作为生物燃料/生物产品的原料。甜高粱是一年生C₄作物，具有所有植物物种中最高的截获辐射利用效率（RUEs）之一，使其在最佳条件下快速生长，每年生产多季作物。甜高粱由种子栽培，水分和肥料需求显著低于甘蔗和甜菜。随着当前气候变化和全球干旱事件增多，甜高粱可能成为一种更有用的农业作物。此外，甜高粱的真正潜力在于其能够在次优条件下生长，例如非可耕地和边际土地，其高RUE以及高水分和养分利用效率的组合使其能够在其他作物难以生存的地方继续生产富含糖和纤维的茎秆。需要注意的是，表中甜高粱的作物和糖产量较低，更多反映了对其研究和开发投入的不足，包括新品种选育，因此存在巨大的改进潜力。一些研究人员主张在甘蔗季节的前端或后端加工甜高粱，以更经济地利用现有的甘蔗工厂基础设施。

原料组成

三种糖料作物提取汁液的近似组成如表2所示。通常，甜菜（基于总可溶性糖分）含有98.9%蔗糖、0.12%果糖和0.12%葡萄糖，甘蔗含有94%蔗糖、3%葡萄糖和3%果糖，而甜高粱含有80%蔗糖、10%葡萄糖和10%果糖。由于品种、季节、环境和地区条件的差异，这些值存在变化。由于甘蔗含有比甜菜多得多的杂质，这阻碍了在没有精炼厂进一步脱色步骤的情况下生产白糖。甜菜中转化糖含量显著较低且含氮化合物含量较高，允许在甜菜制糖过程中采用更高的碱性pH工艺故意降解它们，以防止美拉德显色反应。甜高粱中葡萄糖、果糖、淀粉和乌头酸的相对含量较高，目前使得从该糖料作物生产白糖在技术经济上不可行。这部分解释了为什么用于糖浆生产的甜高粱仍然是一个小规模产业。此外，甜高粱中高含量的转化（葡萄糖和果糖）糖阻碍了使用旋光法作为表观蔗糖的简单测量技术，该技术仍在全球甜菜和甘蔗工业中使用，特别是用于向种植者支付作物款项。这是因为旋光法虽然快速精确，但是一种蔗糖的间接测量，因为其他光学活性成分（即转化糖）可能会贡献并扭曲“pol”值。转化糖浓度越高，表观pol值的准确性越低。

甜菜和甘蔗制糖过程之间最深刻的差异之一是在白糖制造过程中，甜菜过程中的色素更易去除，这将在下一节详细讨论。

糖料作物加工：异同

从甘蔗（图4）和甜菜（图5）提取和制造糖的工业过程既有相似之处也有差异，这对于理解如何具体针对每种作物量身定制可持续性努力非常重要。表3列出了甘蔗和甜菜加工的典型生产参数，进一步突出了这两个大型糖业之间的主要技术差异。

甘蔗和甜菜加工之间的六个主要差异是：

1. 1.
   甜菜中的葡萄糖和果糖含量显著低于甘蔗，这使得甜菜工厂的加工pH值大多为碱性。
2. 2.
   甜菜加工与甘蔗加工过程中产生的色素的数量和类型不同，这使得甜菜可以直接加工成白糖。
3. 3.
   甘蔗工厂在燃料方面基本自给自足，因为它们可以燃烧蔗渣（纤维副产品），而甜菜工厂不产生可消耗的燃料副产品。
4. 4.
   大多数（但非全部）甘蔗糖厂仍采用串联压榨机进行汁液提取，这需要大量动力和广泛维护，而甜菜工业普遍采用连续扩散器。
5. 5.
   甘蔗的汁液净化往往比甜菜加工更简单，石灰（CaO）消耗量更少。
6. 6.
   全球范围内，甘蔗加工的蒸汽消耗量显著高于甜菜。

传统上，原糖在甘蔗糖厂制造，而精制（甘蔗）糖在精炼厂生产。有时精炼厂远离糖厂但靠近消费区。总结来说，汁液从收获的甘蔗中通过串联压榨机或扩散器提取；汁液通过加热和石灰澄清，通过真空蒸发浓缩，结晶和离心分离。原糖的最终产品随后运输到精炼厂，融化，并经过类似的单元过程，在糖浆澄清后增加脱色抛光步骤，以生产精制白糖（图4）。有关这些单元过程的更多细节，读者可参考Eggleston等人（2017）、Chou和Chen（1993）以及Van der Poel等人（1998）。

甜菜加工的主要单元过程与甘蔗相似（比较图4和图5），但与甘蔗不同，白糖生产是一个一步式的直接过程。总结来说，甜菜加工包括储存收获的甜菜直至需要、清洗、切片以及仅通过扩散提取汁液。然后汁液使用石灰和二氧化碳澄清、过滤、通过真空蒸发浓缩、结晶和离心分离。与甘蔗的一个主要区别是，甜菜加工中的部分浓汁（最终蒸发糖浆）通常被分流储存于大罐中以延长甜菜生产期。浓汁的碱性和较低的转化糖浓度（与甘蔗糖浆相比）使其更适于储存，但仍需要表面密封剂等处理。

与甘蔗加工的另一个主要区别是，在甜菜加工中，离心分离后产生的糖蜜经过工业离子交换色谱程序，例如模拟移动床色谱（SMB），以回收额外的蔗糖。使用离子交换色谱的糖蜜脱糖通常是连续的，可以回收甜菜糖蜜中高达90%的蔗糖以及其他有价值的产品，例如甜菜碱。回收的蔗糖部分称为“提取物”，随后送往结晶罐，与浓汁混合并结晶，或进一步纯化并作为液体糖出售。相比之下，甘蔗糖蜜的脱糖不发生，因为由于几个原因，它在技术上更困难且经济上更不划算。首先，其蔗糖含量（干基约35%）低于甜菜糖蜜（干基约60%）。其次，甘蔗糖蜜含有显著更高量的葡萄糖和果糖。第三，由于杂质更多，尤其是多糖，甘蔗糖蜜比甜菜糖蜜粘度更高。第四，甘蔗糖蜜含有更多悬浮物质。第五，甘蔗糖蜜含有更高的盐和钙浓度，必须在添加到色谱树脂之前进行“软化”。

正如本文前面所述，大多数甜高粱目前用于糖浆的小规模生产，该简单过程的流程图如图6a所示。加工相对简单，收获的甜高粱（通常是整秆）通过小型压榨机（单次或双次压榨以额外提取汁液）提取汁液。 resulting juice通过加热作用澄清，形成浮渣，在开锅蒸发过程中从表面撇去（图6a）。少量研究和开发已投入创建甜高粱糖浆制造的大型产业，以利用该糖浆作为后续生产食品和非食品级生物产品和生物燃料的原料，如图6b所示。甜高粱中相对大量的淀粉在大规模生产中是一个主要技术问题。不幸的是，添加淀粉酶控制淀粉并不推荐，因为大部分麻烦的淀粉是不溶形式。Eggleston等人明确表明，多种物理去除淀粉的工艺策略可以将不溶性淀粉浓度降低到满意水平。一个初始策略是在收获时去除富含淀粉的谷粒头。粗过滤汁液的沉降，先前通过真空泵脱气，可以沉淀出部分但非全部不溶性淀粉。随后在80°C澄清沉降汁液，加石灰至~pH 6.5（温度和pH低于甘蔗汁澄清以保存糖分），并添加小剂量（5 mg/L）聚阴离子絮凝剂可以在泥浆中沉淀出更多淀粉。澄清汁液最后通过简单沙滤器过滤将确保真空蒸发过程中没有淀粉问题（图6b）。图6b中大规模澄清过程的额外好处是， resulting clarified juice稳定至少48小时，这提供了急需的工艺灵活性。具有成本效益的长期储存和运输技术也可用于散装糖浆的储存以延长全年供应；这包括植物油和小烛树蜡。

由于甜菜、甘蔗和甜高粱都是简单糖的丰富来源，它们在受伤时（例如收获后切割或储存期间）都容易受到微生物 deterioration，特别是（但不 solely）来自明串珠菌属乳酸菌。微生物活动不仅导致宝贵糖分的损失，而且形成的变质产物可能对加工产生负面影响，例如右旋糖酐（α-1→6-D-葡聚糖），它可能 detrimental 影响结晶速率和晶体形状。右旋糖酐酶的应用可以减轻右旋糖酐的负面影响，这是一个甘蔗和甜菜工业重叠的研究领域。据作者所知，没有关于在甜高粱加工中使用右旋糖酐酶的已知出版物，很可能是因为该作物尚未形成大规模产业。

甜菜和甘蔗糖的整合或双重生产

近年来，在可以选择种植两种作物的国家，甜菜和甘蔗整合加工用于制造精制糖已被研究，现已成为现实，例如在巴基斯坦。至少有两个推动力：（i）水资源短缺和（ii）延长工厂年度运营时间，从而增加利润。如表1所示，甜菜需要的水比甘蔗种植少约50-60%，这使其在 select 地区被视为替代或补充作物。甜菜作为补充作物的另一个优势是其更高的糖分和更低的杂质含量。一个成功整合的双重用途工厂例子是巴基斯坦西部的Al Moiz工厂，它每年12月至3月加工甘蔗，然后4月至6月加工甜菜生产精制糖（≤45 ICU）。设备最大限度地用于双重用途，例如相同的扩散器用于汁液提取和蒸发站后的下游设备。初始甘蔗作物的 excess 蔗渣用作甘蔗精炼和甜菜加工的燃料，并有足够剩余用于一些热电联产发电。更多技术细节可在Avram等人（2007）中找到。这样的双重用途工厂允许增加糖、糖蜜、电力销售以及甜菜粕作为宝贵动物饲料的生产。

糖料作物的纤维副产品

对于所有三种糖料作物，汁液提取后都有纤维副产品（图4、5、6）。由于甘蔗和甜高粱都是禾本科植物，它们的纤维副产品称为蔗渣，而甜菜的纤维残留物称为粕。通常，甘蔗、甜菜和甜高粱田间植株分别含有约13.5%、6.1%和16.4%的纤维/粕。大多数甜菜粕被颗粒化并用作动物（牛）饲料。相比之下，大多数甘蔗蔗渣在工厂的锅炉中燃烧以产生驱动工厂的蒸汽能量。锅炉正变得越来越高效，意味着蔗渣的 surplus 数量正在上升。如今，在相当多的国家和地区，例如巴西、毛里求斯和佛罗里达（美国），甘蔗蔗渣也用于热电联产发电，部分电力出售给当地公用事业电网，但这很大程度上依赖于地方和国家经济。当热电联产不可行时，可以研究蔗渣的其他增值用途；一些再利用和转化技术在Lima和Beacorn（2022a,b）最近的综述中发表。必须注意，甜菜粕可以以与蔗渣相同的方式燃烧，为工厂生产所有能源，但作为动物饲料价值更高，因此是人类食物链的重要组成部分。

如表4所列，这些纤维副产品的组成存在重大差异，这决定了它们的最终最终用途。与甘蔗相比，甜高粱蔗渣和甜菜粕含有相当多的蛋白质，使这些副产品作为动物饲料更有价值。甜高粱相对较高的蛋白质含量也表明它可能太有价值而不适合燃烧。甜菜粕含有具有独特功能性的宝贵果胶多糖，已被探索作为食品配料。其他多糖包括碱溶性多糖（ASP）和纤维素也已通过微波加热源在压力下顺序提取。ASP具有作为生物活性食品配料的潜力，纤维素可以转化为羧甲基纤维素（CMC），其在粘合剂、造纸产品、电池制造、药物输送、乳制品替代品、脂肪替代品、抗生素稳定剂和泻药中有市场。

2020年，欧洲的Crown van Gelder和Cosun Beet Company宣布了一种用甜菜粕制造纸张和包装材料的新方法，作为木纤维的可持续替代品，Cosun Beet将使用甜菜纸包装其25公斤工业袋装糖。这很好地契合了该作物循环可持续性，如图2所示。此外，食品和饮料公司在可持续性改进中，将包装视为一个简单的初始步骤，多年来其座右铭一直是“减少、再利用、回收”。

糖业加工的其他主要副产品是糖蜜。甜菜糖蜜通常作为动物饲料出售，甘蔗糖蜜作为动物饲料和发酵原料出售，因为它在蔗糖回收后含有比甜菜糖蜜多得多的糖分。制糖过程中产生的其他较次要副产品还包括：甘蔗糖厂的澄清泥和飞灰，以及甜菜糖厂的建筑产品、沼气、石灰肥料和供热。全面讨论所有这些副产品超出了本文范围，但读者可参考Van der Poel等人（1998）、Godshall（2010）、Parkin和De Bruijn（2010）以及Aita等人（2024）。

其他质量差异

从甘蔗和甜菜生产的精制白糖质量非常相似，两者纯度均约为99.9%。与甜菜不同，全球各地从甘蔗生产各种棕色离心或非离心糖，与精制糖相比，为消费者提供更好的营养和健康特性。此类精制程度较低的糖含有更多天然植物化学物质（通常源自田间甘蔗的天然酚类色素）和纤维，可缓慢消化并降低人体血糖反应。消费者越来越多地因营养和可持续性原因需求此类天然糖。一项研究比较了甘蔗红糖（BS）、 minimally refined（甘蔗）红糖（MRBS）、精制糖（RS）和葡萄糖对人体影响。结果允许作者将BS和MRBS归类为低GI（血糖生成指数），RS为中等GI（但仍显著低于葡萄糖）。此外，BS和MRBS比RS具有更好的饱腹感和总抗氧化能力（TAC）。有趣的是，在Eggleston等人最近对美国常见食品级糖浆的研究中，观察到甜高粱糖浆是相对丰富的酚类抗氧化色素膳食来源，甚至超过甘蔗糖浆。甘蔗和甜高粱中的此类酚类抗氧化剂需要进一步开发利用。

结论

可持续性是一个多方面的概念，涉及环境、社会和社会责任以及经济可行性三大支柱，所有这些都相互依存且必须平衡。例如，通过减少从切割到压榨（收获到加工）过程中的糖分和质量损失所获得的经济可持续性，可以代表新的机会，以进一步投资环境可持续性实践。最终，对于每种糖料作物（甘蔗、甜菜和甜高粱），理解它们的异同是为种植者、加工者、精炼者和消费者的利益实施量身定制可持续实践的基础。