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糖的科學
資料來源:科學研習月刊46-5

文/  張毓禎/嘉義市北興國小  林大陣/嘉義市大同國小
「糖」是現代民生重要的調味品之一,而且各式各樣「糖」的種類和製品更是琳瑯滿目,例如:白糖、紅糖、果糖及糖葫蘆等(如圖 1 、 2 )。由台灣的文史資料中,可以遠溯及元朝時代,就曾經有 『 釀蔗漿為酒 』 的記載,在十七世紀初荷蘭人統治台灣時,便開始獎勵種蔗製糖,直到日據時期,開始設置製糖株式會社並附設酒精製造廠。 1970 年代台灣的製糖業達到了最顛峰,為國內賺取大量的外匯, 1980 年代台灣由農業社會邁進了工業社會,使得台灣製糖業不敷成本,只好轉而仰賴進口蔗糖。 圖一
圖二 一般市而所販售的白糖,就是學術上的「蔗精」甘蔗裹才能提製出來上的差異性,但是,蔗糖並不一定要從甘蔗裡才能提製出來,世界各地由於緯度和氣候上的差異性,製造蔗精的原料在熱帶和亞熱帶地區以甘蔗為主,溫帶地區則是以耐乾燥和寒冷的甜菜(又稱為糖蘿蔔)為材料。甘蔗和甜菜所蘊藏的蔗糖是怎麼形成的?其實並不是只有甘蔗和甜菜才會產生蔗糖,只要是會進行光合作用的陸生植物均可以產生蔗糖,因為植物進行光合作用時,葉片會吸收太陽光和二氣化碳並利用根部所吸收的水分,經過一連串的反應最後會產生葡萄糖和氧氣並合成水分,而且二份葡萄糖在酵素的協助下便可以合成一份蔗糖,有些植物還會將蔗糖再合成澱粉。甘蔗和甜菜所蘊藏的蔗糖量較一般植物高,而且較容易製作取得蔗糖,遂被選為製糖原料。
 

台灣的氣候屬於亞熱帶季風區,全年高溫多雨適合種植甘蔗,目前所生產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、精分及水分適中,仍然不符合製糖成本。糖用甘蔗的蔗糖濃度高、水分含量較少,所以最適合製造蔗糖,由於本身纖維含量高不容易咬斷,不適合推廣用來直接啃食。在塑膠製品尚未量產以前,精用甘蔗製糖剩下的蔗渣纖維是製造隔熱蔗板和造紙的主要原料,具有多方面的經濟價值,但是,目前都已經被低成本原料所取代了。
圖三 圖四 圖五
 
甘蔗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,由於田間種植大多採用扦插方式,所以甘蔗植株靠近土壤的莖,會長出許多不定根( 如圖 6 ) ,莖則由節與節間及纖維化的外皮所組成,節所在的位置具有生長點可以長出側芽( 如圖 7 ) ,除非是要育種,否則田間種植的甘蔗大多會去除側芽,以便減少養分的分散。節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,葉子所佔的比例最高,依據科學家研究結果發現,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,對於空氣淨化的貢獻良多 。
 
台灣的甘蔗種植則可以區分成秋植、春植和宿根等三種,至少須經一年至一年半的生長期後,才能夠加以採收利用,通常糖用甘蔗會選擇在每年十一月下旬進入少雨季節時採收,由於莖內水分減少使得蔗糖濃度升高可以減少製糖成本。
 
由於甘蔗是我國農業社會重要的經濟作物之一,所以甘蔗的選種和育種遂成為早期生物技術發展的重點工作。甘蔗育種家利用現有的甘蔗基因,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。國內的生食甘蔗以拔地拉( Badila )品系為,原產於新幾內亞,經農業研究機構的改良,目前則是以埔里種(如圖 4 )和台中一號為市場主流。至於糖用甘蔗則是改良後的品種,其血緣包含有新幾內亞的高貴蔗、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,優良品種在某一地區利用無性生殖種植數年之後,基因的表現會有退化的情形,加上病原菌發生變異或遭受新的病蟲害侵襲,也可能是甘蔗本身發生了突變,使品種的生產能力逐漸衰退,因此必須不斷尋找新的種原來育成新品種。近年來由於生物技術的進步,採用莖頂的分生組織進行組織培養,分離出無病毒的健康甘蔗種苗,提供民問種植利用。至於甘蔗的選種,在年長的蔗農間仍然流傅著「甘蔗梢的頭部生長旺盛、葉片開展姿態優美、葉片無病斑且糖分高,植株不高不矮、太高易傾倒不利機械採收、太矮則無產量、太粗太細都不好,分蘗的莖數多、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」等外觀特徵的判斷方式。蔗糖除了是居家常用的調味品外,也是中醫醫療上重要的藥材,具有補血、益氣、促進血液循環、活血舒筋、健脾胃、化淤生新等功用,屬於味甘溫和良藥,留日是,過量的甜食容易造成肥胖,攝取過多的執分也會使正餐時食慾不振,導致營養不均衡,影響生長發育。
粗製的黑糖俗稱為紅糖,除了含有精類與氨基酸外,還包含多量礦物質,如鈣、磷、鐵、鉀、鈉與維生素群中的維生素 B1 、 B2 和菸鹼酸及助消化蔗糖酵素等。


 
台灣的製糖方式有台糖公司的機械化製糖與民間製糖,在製糖的過程中涵蓋了許多有趣的物理與化學原理。首先介紹台糖公司的製糖流程:甘蔗採收 → 切段 → 壓搾 → 蔗汁收集 → 清淨 → 脫色,濃縮 → 結晶 → 分蜜 → 多次再結晶與分蜜 → 收集與乾燥 → 包裝。整個流程都是以機械化完成,在精密儀器控制下 10 公斤的甘蔗約可產製 1 公斤砂糖。傳統的民間製糖沒有精密的儀器只能依賴經驗人工來製作,所以只能達到粗製糖析出,無法達到精製糖的結晶,製作的過程為:甘蔗採收 → 壓搾 → 蔗汁收集 → 過濾殘渣 → 煮糖 → 糖膏形成 → 攪拌冷卻(炒糖)→ 添加調味品 → 結塊 → 收集與乾燥 → 包裝。
台糖公司製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)來進行蔗汁中雜質的去除,並取得所需要的蔗糖種類,由於甘蔗原汁為酸性,所以會先加入鹼性的石灰進行酸鹼中和,然後煮沸放入沉澱槽靜置,讓懸浮不純的物質沉澱至液體之底部,沉澱後的蔗汁導入二氣化硫氣值進行脫色形成硫酸鹽,接著再導入二氣化碳直到飽和,此時會產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生沉澱,達到降低結晶的蔗精顏色和提高清汁純度的作用。淨化與脫色過的蔗汁送至蒸發罐,利用真空減壓來加速蒸發的方式,來進行濃縮蔗汁,然後再送至結晶罐中煮糖,讓水分持續蒸發,使得結晶析出,並抽驗檢視養晶情形,此時產生的晶體會和濃縮的蔗汁混合在一起,然後再採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標準,則必須重新溶解製作或是充當糖種讓蔗糖作為析出的主體,繼續重複結晶與分蜜過程,直到合乎大小標準的晶體出現為止,由於剛收集到的蔗糖晶體會含有水份,包括表面附著的水、葡萄糖結合產生的水以及結晶顆粒間的游離水,必須加以乾燥才不會潮解。在不同的製造階段可得到顏色、顆粒大小和純度不同的糖顆粒,若是使用碳酸法可以得到台糖特砂(俗稱白糖),利用石灰法可以得到台糖二砂(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。
 
 
民間製糖則是採用經驗相傳,並沒有詳細的文獻紀錄,以大阿里山國家風景區的太和、瑞里和豐山地區製糖為例,每年春天在雨季來臨之前,當地居民則開始採收製糖甘蔗,山區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,採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,沸騰過程中雜質會混合泡沫浮於蔗汁表面,利用濾網進行撈除( 如圖 12 ) ,水分一直加熱蒸發增高蔗糖的濃度,由於持續加熱,無法像台糖公司的製糖方式控制在恆溫狀態中進行,所以濃縮的蔗汁便會轉換成糖膏(如圖 13 )而非蔗糖晶體的析出,此時便是製糖成功與否的關鍵,如果加熱過快就會產生大量的焦糖或是碳化現象,使得製糖的品質下降,加上製糖過程並未進行脫色,蔗汁的顏色會逐漸加深後就會使用鍋鏟,將少許糖膏翻轉測試黏裯程度( 如圖 14 ) ,合乎黏稠要求時,就必須立即熄火,並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,此時也可以拌入調味料來增添口味,持續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 ) ,待凝固後,再利用特製的刀子將糖切塊(如圖16 ) ,就可以進行俗稱黑糖的包裝工作,以此方式生產的糖類屬於含蜜糖。含蜜糖要再更高的過飽和狀態下,以擾動起晶的方式,瞬間產生大量的晶核,然後再利用晶核產生過程中所放出的熱量,將水分蒸乾,所以產生的晶粒微小較不規則並且會團聚成塊狀,由於糖蜜和結晶未經離心分離,甘蔗汁中的雜質、氣味、營養成分也都保留在糖中(如圖 17 )。  
  除了上述的製糖方法外,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代化的設備,為當時所能得到最純的結晶糖,製作方法則是採用高濃度的蔗糖溶液充當原料,經過長時間靜置蒸發,自然形成的結晶,為了能讓結晶長大,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晶和附著(俗稱為養糖)(如圖 18 )。因此冰糖是長時間結晶所換來晶粒更大、純度更高的糖結晶,純度上幾乎和砂糖相同,最大的差異在 於晶粒大小。

糖的製造過程-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。由於現今社會環保意識的抬頭及資源重複利用的理念,製糖過程也盡量減少廢棄物的產生,台糖公司製糖機械首需為動力,會先將去年保留的部分蔗渣充當鍋爐燃料(如圖19)產生大量的高壓蒸氣來推動發電機發電,而搾汁產生的新鮮蔗渣可以繼續充當燃料,持續進行發電,發電後已經降溫的蒸氣,再做為製糖時清淨、濃縮及結晶所需要的能源。過濾及清淨階段所產生的廢料就充當發酵肥料,至於民間製糖所產生的廢棄物則是直接送至田園做為堆肥〈 如圖 20 )。

  近年來由於化石能源逐漸短缺,而且燃燒會造成空氣污染,生質能的開發已經刻不容緩的議題。在巴西,很早就發展出以甘蔗汁利用酵母菌發酵來生產酒精,並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品質,所以甘蔗的種植和利用,即將再進入新的里程。
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