蔗糖的科學

「糖」是現(xiàn)代民生重要的調(diào)味品之一，而且各式各樣「糖」的種類和制品更是琳瑯滿目，例如：白糖、紅糖、果糖及糖葫蘆等（如圖 1 、 2 ）。由我國文史資料中，可以遠溯及元朝時代，就曾經(jīng)有 『 釀蔗漿為酒 』 的記載，在十七世紀初荷蘭人殖民統(tǒng)治臺灣時，便開始種蔗制糖，直到日據(jù)時期，開始設(shè)置制糖株式會社并附設(shè)酒精制造廠。 1970 年代臺灣省的制糖業(yè)達到了最顛峰，為島內(nèi)賺取大量的外匯， 1980 年代臺灣省由農(nóng)業(yè)社會邁進了工業(yè)社會，使得臺灣省制糖業(yè)不敷成本，只好轉(zhuǎn)而仰賴進口蔗糖。

一般市面所販售的白糖，就是學術(shù)上的「蔗糖」。蔗糖并不一定要從甘蔗里才能提制出來，世界各地由于緯度和氣候上的差異性，制造蔗糖的原料在熱帶和亞熱帶地區(qū)以甘蔗為主，溫帶地區(qū)則是以耐干燥和寒冷的甜菜（又稱為糖蘿卜）為材料。甘蔗和甜菜所蘊藏的蔗糖是怎么形成的？其實并不是只有甘蔗和甜菜才會產(chǎn)生蔗糖，只要是會進行光合作用的陸生植物均可以產(chǎn)生蔗糖，因為植物進行光合作用時，葉片會吸收太陽光和二氣化碳并利用根部所吸收的水分，經(jīng)過一連串的反應最后會產(chǎn)生葡萄糖和氧氣并合成水分，而且二份葡萄糖在酵素的協(xié)助下便可以合成一份蔗糖，有些植物還會將蔗糖再合成淀粉。甘蔗和甜菜所蘊藏的蔗糖量較一般植物高，而且較容易制作取得蔗糖，遂被選為制糖原料。 臺灣省的氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L區(qū)，全年高溫多雨適合種植甘蔗，目前所生產(chǎn)的甘蔗主要有供搾汁用的巴西蔗（俗稱白甘蔗）、供直接啃食的生食紅甘蔗（俗稱紅甘蔗）及糖用甘蔗等三大類( 如圖 3 ~ 5 ) ，巴西蔗的水分含量高、蔗糖的濃度低，生食紅甘蔗的纖維較少、糖分及水分適中，仍然不符合制糖成本。糖用甘蔗的蔗糖濃度高、水分含量較少，所以最適合制造蔗糖，由于本身纖維含量高不容易咬斷，不適合推廣用來直接啃食。在塑膠制品尚未量產(chǎn)以前，精用甘蔗制糖剩下的蔗渣纖維是制造隔熱蔗板和造紙的主要原料，具有多方面的經(jīng)濟價值，但是，目前都已經(jīng)被低成本原料所取代了。

在植物的分類上屬禾本科單子葉草本植物，植物體主要是由根、莖、葉所組成，由于田間種植大多采用扦插方式，所以甘蔗植株靠近土壤的莖，會長出許多不定根( 如圖 6 ) ，莖則由節(jié)與節(jié)間及纖維化的外皮所組成，節(jié)所在的位置具有生長點可以長出側(cè)芽( 如圖 7 ) ，除非是要育種，否則田間種植的甘蔗大多會去除側(cè)芽，以便減少養(yǎng)分的分散。節(jié)間則是由一群散生狀的維管束和具有貯存能力的薄壁細胞所組成（如圖 8 ）。纖維化的外皮可以作為支撐植物體之用。

葉子則是由葉鞘和具有平行脈的葉片所組成( 如圖 9 ) ，頂端葉鞘所包圍的正中心則是俗稱「甘蔗筍」的頂芽（如圖 10 )。以整棵甘蔗植株的總面積而言，葉子所占的比例最高，依據(jù)科學家研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，甘蔗光合作用的效率相當高，甚至比熱帶雨林的平均光合作用能力還要高，對于空氣凈化的貢獻良多 。

臺灣省的甘蔗種植則可以區(qū)分成秋植、春植和宿根等三種，至少須經(jīng)一年至一年半的生長期后，才能夠加以采收利用，通常糖用甘蔗會選擇在每年十一月下旬進入少雨季節(jié)時采收，由于莖內(nèi)水分減少使得蔗糖濃度升高可以減少制糖成本。 由于甘蔗是農(nóng)業(yè)社會重要的經(jīng)濟作物之一，所以甘蔗的選種和育種遂成為早期生物技術(shù)發(fā)展的重點工作。甘蔗育種家利用現(xiàn)有的甘蔗基因，進行植株間的雜交及回交，篩選出符合我們需要的品種，收集的種原越豐富，育種成功的機會就越大。生食甘蔗以拔地拉（ Badila ）品系為，原產(chǎn)于新幾內(nèi)亞，經(jīng)農(nóng)業(yè)研究機構(gòu)的改良，目前則是以埔里種（如圖 4 ）和臺中一號為市場主流。至于糖用甘蔗則是改良后的品種，其血緣包含有新幾內(nèi)亞的高貴蔗、細莖野生蔗、以及印度蔗，具多樣化的遺傳基因，目前則是以臺蔗十號 ( ROC10 ）改良而成臺蔗十六號 ( ROC16 ）為主要栽培種。但是，優(yōu)良品種在某一地區(qū)利用無性生殖種植數(shù)年之后，基因的表現(xiàn)會有退化的情形，加上病原菌發(fā)生變異或遭受新的病蟲害侵襲，也可能是甘蔗本身發(fā)生了突變，使品種的生產(chǎn)能力逐漸衰退，因此必須不斷尋找新的種原來育成新品種。近年來由于生物技術(shù)的進步，采用莖頂?shù)姆稚M織進行組織培養(yǎng)，分離出無病毒的健康甘蔗種苗，提供民問種植利用。至于甘蔗的選種，在年長的蔗農(nóng)間仍然流傅著「甘蔗梢的頭部生長旺盛、葉片開展姿態(tài)優(yōu)美、葉片無病斑且糖分高，植株不高不矮、太高易傾倒不利機械采收、太矮則無產(chǎn)量、太粗太細都不好，分蘗的莖數(shù)多、蔗莖充實沒有空心及海綿狀的蒲心、抗風不易倒伏，葉鞘的毛群要少及枯葉能夠向動脫落」等外觀特征的判斷方式。

蔗糖除了是居家常用的調(diào)味品外，也是中醫(yī)醫(yī)療上重要的藥材，具有補血、益氣、促進血液循環(huán)、活血舒筋、健脾胃、化淤生新等功用，屬于味甘溫和良藥。但是，過量的甜食容易造成肥胖，攝取過多的糖分也會使正餐時食欲不振，導致營養(yǎng)不均衡，影響生長發(fā)育。粗制的黑糖俗稱為紅糖，除了含有精類與氨基酸外，還包含多量礦物質(zhì)，如鈣、磷、鐵、鉀、鈉與維生素群中的維生素 B1 、 B2 和助消化蔗糖酵素等。

制糖方式有機械化制糖與民間制糖，在制糖的過程中涵蓋了許多有趣的物理與化學原理。首先介紹工廠里的制糖流程：甘蔗采收 → 切段 → 壓搾 → 蔗汁收集 → 清凈 → 脫色，濃縮 → 結(jié)晶 → 分蜜 → 多次再結(jié)晶與分蜜 → 收集與干燥 → 包裝。整個流程都是以機械化完成，在精密儀器控制下 10 公斤的甘蔗約可產(chǎn)制 1 公斤砂糖。傳統(tǒng)的民間制糖沒有精密的儀器只能依賴經(jīng)驗人工來制作，所以只能達到粗制糖析出，無法達到精制糖的結(jié)晶，制作的過程為：甘蔗采收 → 壓搾 → 蔗汁收集 → 過濾殘渣 → 煮糖 → 糖膏形成 → 攪拌冷卻（炒糖）→ 添加調(diào)味品 → 結(jié)塊 → 收集與干燥 → 包裝。

工廠里制糖的過程中常會利用石灰法(加入石灰)、碳酸法(加入二氣碳)與亞硫酸法(加入二氧化硫)來進行蔗汁中雜質(zhì)的去除，并取得所需要的蔗糖種類。由于甘蔗原汁為酸性，所以會先加入堿性的石灰進行酸堿中和，然后煮沸放入沉淀槽靜置，讓懸浮不純的物質(zhì)沉淀至液體之底部，沉淀后的蔗汁導入二氧化硫進行脫色形成硫酸鹽，接著再導入二氧化碳直到飽和，此時會產(chǎn)生大量溶解度甚差的碳酸鈣粒子，這些碳酸鈣粒子恰好可以吸附膠體、色素及其他非糖分顆粒產(chǎn)生沉淀，達到降低結(jié)晶的蔗精顏色和提高清汁純度的作用。凈化與脫色過的蔗汁送至蒸發(fā)罐，利用真空減壓來加速蒸發(fā)的方式，來進行濃縮蔗汁，然后再送至結(jié)晶罐中煮糖，讓水分持續(xù)蒸發(fā)，使得結(jié)晶析出，并抽驗檢視養(yǎng)晶情形，此時產(chǎn)生的晶體會和濃縮的蔗汁混合在一起，然后再采用離心方式進行分蜜，將蔗糖晶體分離出來。若是得到的糖晶體不合乎商業(yè)標準，則必須重新溶解制作或是充當糖種讓蔗糖作為析出的主體，繼續(xù)重復結(jié)晶與分蜜過程，直到合乎大小標準的晶體出現(xiàn)為止，由于剛收集到的蔗糖晶體會含有水份，包括表面附著的水、葡萄糖結(jié)合產(chǎn)生的水以及結(jié)晶顆粒間的游離水，必須加以干燥才不會潮解。在不同的制造階段可得到顏色、顆粒大小和純度不同的糖顆粒，若是使用碳酸法可以得到臺糖特砂（俗稱白糖），利用石灰法可以得到臺糖二砂（俗稱紅糖），這兩種糖還可以送到精煉糖廠再加以純化就可形成精煉特砂、精煉細砂及二砂。 民間制糖則是采用經(jīng)驗相傳，并沒有詳細的文獻紀錄，以大阿里山國家風景區(qū)的太和、瑞里和豐山地區(qū)制糖為例，每年春天在雨季來臨之前，當?shù)鼐用駝t開始采收制糖甘蔗，山區(qū)間的甘蔗栽種以臺蔗十號為主，利用宿根保留的粗耕方式種植，很容易被誤以為是在種植牧草或是雜生的芒草，采收的甘蔗會先進行搾汁的工作( 如圖 11 ) ，

收集的蔗汁則直接放入大鍋中煮沸，沸騰過程中雜質(zhì)會混合泡沫浮于蔗汁表面，利用濾網(wǎng)進行撈除( 如圖 12 ) ，水分一直加熱蒸發(fā)增高蔗糖的濃度，由于持續(xù)加熱，無法像臺糖公司的制糖方式控制在恒溫狀態(tài)中進行，所以濃縮的蔗汁便會轉(zhuǎn)換成糖膏(如圖 13 ）而非蔗糖晶體的析出，此時便是制糖成功與否的關(guān)鍵，如果加熱過快就會產(chǎn)生大量的焦糖或是碳化現(xiàn)象，使得制糖的質(zhì)量下降，加上制糖過程并未進行脫色，蔗汁的顏色會逐漸加深后就會使用鍋鏟，將少許糖膏翻轉(zhuǎn)測試黏裯程度( 如圖 14 )，

合乎黏稠要求時，就必須立即熄火，并且將鍋子栘至炒糖的架子上，不斷地利用鍋鏟翻動糖膏降溫，此時也可以拌入調(diào)味料來增添口味，持續(xù)翻動糖膏直到快要凝固時，再迅速地將糖膏倒入模型中凝固( 如圖 15 ) ，待凝固后，再利用特制的刀子將糖切塊（如圖16 ) ，

就可以進行俗稱黑糖的包裝工作，以此方式生產(chǎn)的糖類屬于含蜜糖。含蜜糖要再更高的過飽和狀態(tài)下，以擾動起晶的方式，瞬間產(chǎn)生大量的晶核，然后再利用晶核產(chǎn)生過程中所放出的熱量，將水分蒸干，所以產(chǎn)生的晶粒微小較不規(guī)則并且會團聚成塊狀，由于糖蜜和結(jié)晶未經(jīng)離心分離，甘蔗汁中的雜質(zhì)、氣味、營養(yǎng)成分也都保留在糖中（如圖 17 ）。 除了上述的制糖方法外，尚有一種蔗糖濃度很高的糖類它就叫─冰糖，古代的冰糖因為沒有現(xiàn)代化的設(shè)備，為當時所能得到最純的結(jié)晶糖，制作方法則是采用高濃度的蔗糖溶液充當原料，經(jīng)過長時間靜置蒸發(fā)，自然形成的結(jié)晶，為了能讓結(jié)晶長大，通常會利用一條棉線懸空，其下端浸泡在飽和的糖水中讓冰糖逐漸結(jié)晶和附著（俗稱為養(yǎng)糖）（如圖 18 ）。

因此冰糖是長時間結(jié)晶所換來晶粒更大、純度更高的糖結(jié)晶，純度上幾乎和砂糖相同，最大的差異在 于晶粒大小。

糖的制造過程－除了許多物理和化學學原理外，也包含了許多植物的特殊性質(zhì)。由于現(xiàn)今社會環(huán)保意識的抬頭及資源重復利用的理念，制糖過程也盡量減少廢棄物的產(chǎn)生，臺糖公司制糖機械首需為動力，會先將去年保留的部分蔗渣充當鍋爐燃料(如圖19)產(chǎn)生大量的高壓蒸氣來推動發(fā)電機發(fā)電，而搾汁產(chǎn)生的新鮮蔗渣可以繼續(xù)充當燃料，持續(xù)進行發(fā)電，發(fā)電后已經(jīng)降溫的蒸氣，再做為制糖時清凈、濃縮及結(jié)晶所需要的能源。過濾及清凈階段所產(chǎn)生的廢料就充當發(fā)酵肥料，至于民間制糖所產(chǎn)生的廢棄物則是直接送至田園做為堆肥〈 如圖 20 ）。

近年來由于化石能源逐漸短缺，而且燃燒會造成空氣污染，生質(zhì)能的開發(fā)已經(jīng)刻不容緩的議題。

在巴西，很早就發(fā)展出以甘蔗汁利用酵母菌發(fā)酵來生產(chǎn)酒精，并把酒精加入汽油中使用，不僅可以減少汽油的消耗，又可增加燃燒效率，高效率的光合作用可以提升空氣質(zhì)量，所以甘蔗的種植和利用，即將再進入新的里程。