蔗糖的科学

「糖」是现代民生重要的调味品之一，而且各式各样「糖」的种类和制品更是琳琅满目，例如：白糖、红糖、果糖及糖葫芦等（如图 1 、 2 ）。由我国文史资料中，可以远溯及元朝时代，就曾经有 『 酿蔗浆为酒 』 的记载，在十七世纪初荷兰人殖民统治台湾时，便开始种蔗制糖，直到日据时期，开始设置制糖株式会社并附设酒精制造厂。 1970 年代台湾省的制糖业达到了最颠峰，为岛内赚取大量的外汇， 1980 年代台湾省由农业社会迈进了工业社会，使得台湾省制糖业不敷成本，只好转而仰赖进口蔗糖。

一般市面所贩售的白糖，就是学术上的「蔗糖」。蔗糖并不一定要从甘蔗里才能提制出来，世界各地由于纬度和气候上的差异性，制造蔗糖的原料在热带和亚热带地区以甘蔗为主，温带地区则是以耐干燥和寒冷的甜菜（又称为糖萝卜）为材料。甘蔗和甜菜所蕴藏的蔗糖是怎么形成的？其实并不是只有甘蔗和甜菜才会产生蔗糖，只要是会进行光合作用的陆生植物均可以产生蔗糖，因为植物进行光合作用时，叶片会吸收太阳光和二气化碳并利用根部所吸收的水分，经过一连串的反应最后会产生葡萄糖和氧气并合成水分，而且二份葡萄糖在酵素的协助下便可以合成一份蔗糖，有些植物还会将蔗糖再合成淀粉。甘蔗和甜菜所蕴藏的蔗糖量较一般植物高，而且较容易制作取得蔗糖，遂被选为制糖原料。 台湾省的气候属于亚热带季风区，全年高温多雨适合种植甘蔗，目前所生产的甘蔗主要有供搾汁用的巴西蔗（俗称白甘蔗）、供直接啃食的生食红甘蔗（俗称红甘蔗）及糖用甘蔗等三大类( 如图 3 ~ 5 ) ，巴西蔗的水分含量高、蔗糖的浓度低，生食红甘蔗的纤维较少、糖分及水分适中，仍然不符合制糖成本。糖用甘蔗的蔗糖浓度高、水分含量较少，所以最适合制造蔗糖，由于本身纤维含量高不容易咬断，不适合推广用来直接啃食。在塑胶制品尚未量产以前，精用甘蔗制糖剩下的蔗渣纤维是制造隔热蔗板和造纸的主要原料，具有多方面的经济价值，但是，目前都已经被低成本原料所取代了。

在植物的分类上属禾本科单子叶草本植物，植物体主要是由根、茎、叶所组成，由于田间种植大多采用扦插方式，所以甘蔗植株靠近土壤的茎，会长出许多不定根( 如图 6 ) ，茎则由节与节间及纤维化的外皮所组成，节所在的位置具有生长点可以长出侧芽( 如图 7 ) ，除非是要育种，否则田间种植的甘蔗大多会去除侧芽，以便减少养分的分散。节间则是由一群散生状的维管束和具有贮存能力的薄壁细胞所组成（如图 8 ）。纤维化的外皮可以作为支撑植物体之用。

叶子则是由叶鞘和具有平行脉的叶片所组成( 如图 9 ) ，顶端叶鞘所包围的正中心则是俗称「甘蔗笋」的顶芽（如图 10 )。以整棵甘蔗植株的总面积而言，叶子所占的比例最高，依据科学家研究结果发现，甘蔗光合作用的效率相当高，甚至比热带雨林的平均光合作用能力还要高，对于空气净化的贡献良多 。

台湾省的甘蔗种植则可以区分成秋植、春植和宿根等三种，至少须经一年至一年半的生长期后，才能够加以采收利用，通常糖用甘蔗会选择在每年十一月下旬进入少雨季节时采收，由于茎内水分减少使得蔗糖浓度升高可以减少制糖成本。 由于甘蔗是农业社会重要的经济作物之一，所以甘蔗的选种和育种遂成为早期生物技术发展的重点工作。甘蔗育种家利用现有的甘蔗基因，进行植株间的杂交及回交，筛选出符合我们需要的品种，收集的种原越丰富，育种成功的机会就越大。生食甘蔗以拔地拉（ Badila ）品系为，原产于新几内亚，经农业研究机构的改良，目前则是以埔里种（如图 4 ）和台中一号为市场主流。至于糖用甘蔗则是改良后的品种，其血缘包含有新几内亚的高贵蔗、细茎野生蔗、以及印度蔗，具多样化的遗传基因，目前则是以台蔗十号 ( ROC10 ）改良而成台蔗十六号 ( ROC16 ）为主要栽培种。但是，优良品种在某一地区利用无性生殖种植数年之后，基因的表现会有退化的情形，加上病原菌发生变异或遭受新的病虫害侵袭，也可能是甘蔗本身发生了突变，使品种的生产能力逐渐衰退，因此必须不断寻找新的种原来育成新品种。近年来由于生物技术的进步，采用茎顶的分生组织进行组织培养，分离出无病毒的健康甘蔗种苗，提供民问种植利用。至于甘蔗的选种，在年长的蔗农间仍然流傅着「甘蔗梢的头部生长旺盛、叶片开展姿态优美、叶片无病斑且糖分高，植株不高不矮、太高易倾倒不利机械采收、太矮则无产量、太粗太细都不好，分蘗的茎数多、蔗茎充实没有空心及海绵状的蒲心、抗风不易倒伏，叶鞘的毛群要少及枯叶能够向动脱落」等外观特征的判断方式。

蔗糖除了是居家常用的调味品外，也是中医医疗上重要的药材，具有补血、益气、促进血液循环、活血舒筋、健脾胃、化淤生新等功用，属于味甘温和良药。但是，过量的甜食容易造成肥胖，摄取过多的糖分也会使正餐时食欲不振，导致营养不均衡，影响生长发育。粗制的黑糖俗称为红糖，除了含有精类与氨基酸外，还包含多量矿物质，如钙、磷、铁、钾、钠与维生素群中的维生素 B1 、 B2 和助消化蔗糖酵素等。

制糖方式有机械化制糖与民间制糖，在制糖的过程中涵盖了许多有趣的物理与化学原理。首先介绍工厂里的制糖流程：甘蔗采收 → 切段 → 压搾 → 蔗汁收集 → 清净 → 脱色，浓缩 → 结晶 → 分蜜 → 多次再结晶与分蜜 → 收集与干燥 → 包装。整个流程都是以机械化完成，在精密仪器控制下 10 公斤的甘蔗约可产制 1 公斤砂糖。传统的民间制糖没有精密的仪器只能依赖经验人工来制作，所以只能达到粗制糖析出，无法达到精制糖的结晶，制作的过程为：甘蔗采收 → 压搾 → 蔗汁收集 → 过滤残渣 → 煮糖 → 糖膏形成 → 搅拌冷却（炒糖）→ 添加调味品 → 结块 → 收集与干燥 → 包装。

工厂里制糖的过程中常会利用石灰法(加入石灰)、碳酸法(加入二气碳)与亚硫酸法(加入二氧化硫)来进行蔗汁中杂质的去除，并取得所需要的蔗糖种类。由于甘蔗原汁为酸性，所以会先加入碱性的石灰进行酸碱中和，然后煮沸放入沉淀槽静置，让悬浮不纯的物质沉淀至液体之底部，沉淀后的蔗汁导入二氧化硫进行脱色形成硫酸盐，接着再导入二氧化碳直到饱和，此时会产生大量溶解度甚差的碳酸钙粒子，这些碳酸钙粒子恰好可以吸附胶体、色素及其他非糖分颗粒产生沉淀，达到降低结晶的蔗精颜色和提高清汁纯度的作用。净化与脱色过的蔗汁送至蒸发罐，利用真空减压来加速蒸发的方式，来进行浓缩蔗汁，然后再送至结晶罐中煮糖，让水分持续蒸发，使得结晶析出，并抽验检视养晶情形，此时产生的晶体会和浓缩的蔗汁混合在一起，然后再采用离心方式进行分蜜，将蔗糖晶体分离出来。若是得到的糖晶体不合乎商业标准，则必须重新溶解制作或是充当糖种让蔗糖作为析出的主体，继续重复结晶与分蜜过程，直到合乎大小标准的晶体出现为止，由于刚收集到的蔗糖晶体会含有水份，包括表面附着的水、葡萄糖结合产生的水以及结晶颗粒间的游离水，必须加以干燥才不会潮解。在不同的制造阶段可得到颜色、颗粒大小和纯度不同的糖颗粒，若是使用碳酸法可以得到台糖特砂（俗称白糖），利用石灰法可以得到台糖二砂（俗称红糖），这两种糖还可以送到精炼糖厂再加以纯化就可形成精炼特砂、精炼细砂及二砂。 民间制糖则是采用经验相传，并没有详细的文献纪录，以大阿里山国家风景区的太和、瑞里和丰山地区制糖为例，每年春天在雨季来临之前，当地居民则开始采收制糖甘蔗，山区间的甘蔗栽种以台蔗十号为主，利用宿根保留的粗耕方式种植，很容易被误以为是在种植牧草或是杂生的芒草，采收的甘蔗会先进行搾汁的工作( 如图 11 ) ，

收集的蔗汁则直接放入大锅中煮沸，沸腾过程中杂质会混合泡沫浮于蔗汁表面，利用滤网进行捞除( 如图 12 ) ，水分一直加热蒸发增高蔗糖的浓度，由于持续加热，无法像台糖公司的制糖方式控制在恒温状态中进行，所以浓缩的蔗汁便会转换成糖膏(如图 13 ）而非蔗糖晶体的析出，此时便是制糖成功与否的关键，如果加热过快就会产生大量的焦糖或是碳化现象，使得制糖的质量下降，加上制糖过程并未进行脱色，蔗汁的颜色会逐渐加深后就会使用锅铲，将少许糖膏翻转测试黏裯程度( 如图 14 )，

合乎黏稠要求时，就必须立即熄火，并且将锅子栘至炒糖的架子上，不断地利用锅铲翻动糖膏降温，此时也可以拌入调味料来增添口味，持续翻动糖膏直到快要凝固时，再迅速地将糖膏倒入模型中凝固( 如图 15 ) ，待凝固后，再利用特制的刀子将糖切块（如图16 ) ，

就可以进行俗称黑糖的包装工作，以此方式生产的糖类属于含蜜糖。含蜜糖要再更高的过饱和状态下，以扰动起晶的方式，瞬间产生大量的晶核，然后再利用晶核产生过程中所放出的热量，将水分蒸干，所以产生的晶粒微小较不规则并且会团聚成块状，由于糖蜜和结晶未经离心分离，甘蔗汁中的杂质、气味、营养成分也都保留在糖中（如图 17 ）。 除了上述的制糖方法外，尚有一种蔗糖浓度很高的糖类它就叫─冰糖，古代的冰糖因为没有现代化的设备，为当时所能得到最纯的结晶糖，制作方法则是采用高浓度的蔗糖溶液充当原料，经过长时间静置蒸发，自然形成的结晶，为了能让结晶长大，通常会利用一条棉线悬空，其下端浸泡在饱和的糖水中让冰糖逐渐结晶和附着（俗称为养糖）（如图 18 ）。

因此冰糖是长时间结晶所换来晶粒更大、纯度更高的糖结晶，纯度上几乎和砂糖相同，最大的差异在 于晶粒大小。

糖的制造过程－除了许多物理和化学学原理外，也包含了许多植物的特殊性质。由于现今社会环保意识的抬头及资源重复利用的理念，制糖过程也尽量减少废弃物的产生，台糖公司制糖机械首需为动力，会先将去年保留的部分蔗渣充当锅炉燃料(如图19)产生大量的高压蒸气来推动发电机发电，而搾汁产生的新鲜蔗渣可以继续充当燃料，持续进行发电，发电后已经降温的蒸气，再做为制糖时清净、浓缩及结晶所需要的能源。过滤及清净阶段所产生的废料就充当发酵肥料，至于民间制糖所产生的废弃物则是直接送至田园做为堆肥〈 如图 20 ）。

近年来由于化石能源逐渐短缺，而且燃烧会造成空气污染，生质能的开发已经刻不容缓的议题。

在巴西，很早就发展出以甘蔗汁利用酵母菌发酵来生产酒精，并把酒精加入汽油中使用，不仅可以减少汽油的消耗，又可增加燃烧效率，高效率的光合作用可以提升空气质量，所以甘蔗的种植和利用，即将再进入新的里程。