Biologiczne Podstawy Produkcji Roślinnej

Burak cukrowy

Budowa i znaczenie

Opracował mgr inż. Wiktor Berski

Wykorzystano materiały z następujących źródeł:

• Technologia Przetwórstwa Węglowodanów, pod red. M.

Pałasińskiego

• Cukrownictwo S. Nikiel
• Biologia buraka cukrowego, pod red. W. Byszewskiego
•

http://www.ppr.pl/

•

http://www.cukrownia.ropczyce.pl/

•

http://encyklopedia.pwn.pl/

•

http://wiem.onet.pl/

BURAK - dwuletnia roślina z rodziny komosowatych, uprawiana w wielu

formach i odmianach w strefie klimatu umiarkowanego na całym świecie;

istnieją również formy dziko rosnące. W pierwszym roku wegetacji wytwarza

rozetę liściową oraz zgrubiały, mięsisty korzeń spichrzowy, będący

połączeniem korzenia i hypokotylu (granica w miejscu wyrastania korzeni

bocznych), w którym gromadzone są substancje zapasowe (głównie

sacharoza). Natomiast w drugim roku z pączków znajdujących się w kątach

liści rozetowych wyrastają pędy nasienne, roślina kwitnie i wydaje nasiona.

Materiałem siewnym buraka są owoce, tzw. kłębki, które mogą być

wielonasienne (2 - 5 nasion) lub jednonasienne.
Wśród roślin okopowych korzeniowych burak cukrowy zajmuje czołowe

miejsce z uwagi na to, że w naszych warunkach geograficznych jest jedyną

rośliną dostarczającą surowca dla przemysłu cukrowniczego.
Burak cukrowy, Beta vulgaris roślina przemysłowa dostarczająca 40%

światowej. produkcji cukru, został wprowadzony do uprawy na przeł. XVIII i

XIX w. W Polsce uprawiane od 1820 r. Burak cukrowy jest uprawiany na

glebach żyznych, próchnicznych; przeciętny plon korzeni wynosi ponad 30 t z

ha. Siewu buraków dokonuje się w kwietniu, a zbioru pod koniec września i w

październiku. Sprzęt burak powinien się odbywać, gdy osiągną one dojrzałość

technologiczną. W tym stanie korzenie dają maksymalny plon cukru z hektara i

osiągają optymalne własności technologiczne, tj.: wysoką zawartość cukru,

niską zawartość niecukrów szkodliwych. Dojrzałość technologiczną buraka

przypada na okres tuż przed żółknięciem liści, gdy ulega zahamowaniu proces

asymilacji, a wzmagają się procesy desymilacji.

Zgodnie z normą buraki dostarczane do cukrowni powinny być należycie

ogłowione, świeże, nie zwiędnięte, nie przemrożone i odtajałe, zdrowe i o

masie nie mniejszej niż 0,10 kg.
W trakcie składowania buraków zachodzą w nich procesy życiowe: oddychanie,

transpiracja oraz szkodliwe procesy rozkładu sacharozy (inwersja) i innych

substancji (hemiceluloz, pektyn). Intensywność tych procesów zależy od

warunków od przechowywania, głównie od temperatury i wilgotności.

Zachodzące w trakcie przechowywania zmiany w burakach wynikłe wskutek

przebiegającej w nich przemiany materii zawsze prowadzą do spadku

zawartości cukru w ilości 0.7 - 1.0 % miesięcznie.
Burak pastewny wykształca korzeń spichrzowy o białym lub żółtym miąższu,

wyrastający nad powierzchnię ziemi, z rozetą szerokich, długoogonkowych

liści; liczne odmiany różnią się m.in. kształtem korzeni (walcowaty, wydłużony,

kulisty lub owalny), zawartością suchej masy (12–16,5%), barwą skórki;

korzenie (zawierają 10–12% cukru, ok. 1–1,5% białka, składniki miner.).

Liście są cenną, mlekopędną paszą o dużej wartości odżywczej, zarówno w

stanie świeżym, jak i po zakiszeniu; plony korzeni wynoszą ponad 70 t z ha,

liści — 25–30 t z ha.
Burak stołowy, dawniej zwany. burakiem ćwikłowym (ćwikłą), ma

intensywnie czerwony, kulisty, niekiedy spłaszczony korzeń jadalny oraz

czerwonawe liście (barwnik z grupy antocyjanów); w Polsce uprawiany od

dawna jako warzywo na barszcz i jarzynę; ma dużą wartość dietetyczną i

energetyczną dzięki zawartości sacharozy (do 9,5%), białka (1,8%) oraz soli

miner., zwłaszcza. wapnia i magnezu; jadalne są też młode liście, błędnie

zwane boćwiną.

Trzcina cukrowa, Saccharum officinarum, wieloletnia, silnie krzewiąca się

roślina uprawna z rodziny wiechlinowatych (traw), pochodząca

prawdopodobnie z Indii; łodygi grube, wys. 3–6 m (niekiedy do 12 m),

wypełnione miękiszem zawierającym 13–20% sacharozy; liście duże, szerokie;.

Uprawa trzciny cukrowej była znana kilka tysięcy lat p.n.e. w Chinach, Indiach;

z łodyg otrzymywano syrop używany początkowo do celów leczniczych. We

wczesnym średniowieczu Arabowie rozpowszechnili uprawę trzciny cukrowej w

zachodniej Azji i krajach śródziemnomorskich, a po wyprawach Kolumba

zaczęto ją uprawiać również w Ameryce Północnej. Obecnie uprawiana w

licznych odmianach między 30°N a 30°S, zwłaszcza na Kubie, w Indiach,

Pakistanie, Chinach, Indonezji, jako podstawowy surowiec do otrzymywania

cukru (dostarcza około 60% globalnej produkcji cukru w świecie); produkt

uboczny — syrop cukrowy, służy do wyrobu rumu, spirytusu; etanol z trzciną

cukrową bywa używany w stanie czystym jako biopaliwo lub jest dodawany do

benzyny; służy także do produkcji eteru, również stosowanego jako paliwo.

Liście i pocięte łodygi są używane jako pasza, a także do produkcji płyt

drewnopodobnych oraz jako opał w cukrowniach trzcinowych. Plony wynoszą

na obszarach subtropikalnych 45–90 t z ha, najwyższe na obszarach tropik.

(np. Hawaje) dochodzą do 250 t z ha. Światowa produkcja trzciny cukrowej

wykazuje nieznaczną tendencję wzrostową, 1992 wynosiła 1,1 mld t; najwięksi

producenci: Brazylia, Gwatemala, Chiny, Kuba, Tajlandia.

Cukier - potoczna nazwa sacharozy,

disacharyd zbudowany z glukozy i

fruktozy, nieredukujący, o słodkim

smaku, łatwo ulegający hydrolizie

(powstaje tzw. cukier inwertowany),

łatwo krystalizuje; bardzo

rozpowszechniony w świecie roślinnym.
Początkowo używany jako środek

leczniczy (m.in. w Grecji, Rzymie).

Stosunkowo wysoka cena cukru skłoniła

do poszukiwań roślin cukrodajnych w

klimacie Europy; 1590 odkryto słodki

smak buraka, a po raz pierwszy cukier

krystaliczny z buraka otrzymano w 1747.

Szybki rozwój europejskiego

cukrownictwa nastąpił w wyniku blokady

kontynentu Napoleona I, wstrzymującej

dowóz towarów kolonialnych do Europy.

Jednak dopiero jednak w 2 poł. XIX w.,

dzięki udoskonaleniu metod produkcji,

cukier buraczany stał się codziennym

produktem spożywczym.

Technologia produkcji cukru z buraków cukrowych składa się z kolejnych

zabiegów wykonywanych w cukrowni: mycie buraków i rozdrabnianie na tzw.

krajankę; ekstrahowanie z krajanki gorącą wodą cukru w postaci soku

dyfuzyjnego w ekstraktorach cukrowniczych; oczyszczanie soku dyfuzyjnego

przez nawapnianie soku (defekację), karbonatację; (saturację) i filtrację

(pozostaje osad saturacyjny); zagęszczanie soku przez odparowanie wody w

wyparce; krystalizacja cukru w warnikach i krystalizatorach z mieszadłami;

mycie i odwirowanie kryształów cukru; suszenie, chłodzenie, przesiewanie i

magazynowanie gotowego cukru. Sposób produkcji cukru z trzciny cukrowej

jest zbliżony.
Wartościowymi produktami ubocznymi są melasa i wysłodki; osad saturacyjny

niekiedy jest używany jako nawóz; szkodliwy produkt odpadowy — woda

dyfuzyjna — jest poddawana oczyszczaniu biologicznemu (w stawach

fermentacyjnych).
Światowa produkcja cukru surowego 1989–91 wynosiła powyżej 100 mln t

rocznie; największymi eksporterami cukru trzcinowego były: Kuba, Brazylia,

Australia, a cukru buraczanego: kraje EWG, Polska, Turcja i Czechosłowacja.

150 kg buraków

⇒ 100 kg buraków ogłowionych + 50 kg liści (pasza)

8 kg węgla, 4 kg kamienia wapiennego
15 kg cukru, 50 kg wysłodków, 4 kg melasu, 8 kg osadu

Znaczenie gospodarcze buraka polega ponadto na dostarczaniu dużej ilości

produktów ubocznych (liści, wysłodków, melasy, błota filtracyjnego)

przeznaczonych na paszę dla zwierząt lub wykorzystywanych jako surowiec dla

wielu gałęzi przemysłu (produkcja spirytusu technicznego, gliceryny, butanolu,

kwasu cytrynowego, glutaminowego czy drożdży).
Melas to lepka i gęsta ciecz, o ciemnobrunatnym zabarwieniu i swoistym

karmelowym zapachu oraz słodko-gorzkawym smaku. Skład chemiczny zależny

od jakości buraków. Zawiera około 80% sm, w tym około 50% cukru i 30%

niecukrów.
Wysłodki stanowią pozostałość po wyekstrahowaniu cukru z krajanki

buraczanej. Składają się przede wszystkim z składników miąższu buraczanego.

Ze względu na wysoką zawartość wody podaje się je mechanicznemu

usuwaniu wody (wyżymaniu). Wysłodki świeże zawierają 93-95% wody, 0,6-

0,8% cukru, 2,4-2,6% celulozy i hemicelulozy, 2,4-2,7% pektyn i do 0,9%

białka.
Błoto filtracyjne (defekosaturacyjne) jest odpadem po oczyszczaniu soku

surowego przez nawapnianie i węglanowanie. Ma konsystencję mazistą i

porowatą. Zawiera około 50% sm, w tym 7% cukru, zwykle wysładza się je

wodą aż do około 0,5% cukru. Stosowane jako nawóz do wapnowania gleb.

Morfologia korzenia

W korzeniu spichrzowym buraków wyróżnia

się głowę, szyję, korzeń właściwy i ogonek.

Korzeń buraka cukrowego może wnikać w

głąb gleby aż do głębokości 1,5m.
Korzenie buraków cukrowych i pastewnych

różnią się między sobą kształtem i barwą

oraz głębokością osadzenia w ziemi, czyli

wzajemnym stosunkiem poszczególnych

części korzenia.
Kształt

buraków cukrowych jest

wrzecionowaty lub klinowaty o różnej

długości, natomiast u buraków pastewnych

spotykamy duże zróżnicowanie kształtów.
Barwa korzeni buraków cukrowych jest

białokremowa, a u pastewnych występuje

duże zróżnicowanie: od biało-kremowej

poprzez żółtą, pomarańczową, czerwoną

do karminowej.
1.głowa, 2.szyja, 3.korzeń właściwy,

4.ogonek

Najgłębiej są zanurzone w ziemi buraki cukrowe, u których główna część

korzenia stanowi korzeń właściwy, natomiast szyja i głowa stanowi tylko

20%. Natomiast buraki pastewne są płycej osadzone w ziemi, korzeń

właściwy stanowi tylko 25 – 35% długości korzenia. Przeważająca część

to szyja i głowa.
Korzenie boczne u buraków cukrowych wyrastają z dwóch bruzd biegnących

wzdłuż korzenia właściwego, u pastewnych – z różnych miejsc korzenia.
Głowa – jest główna częścią korzenia, z której wyrastają liście. Zostaje

wytworzona przez nadliścieniową część łodygi (epikotyl). Na samym jej

wierzchołku znajduje się stożek wzrostu. Ta część korzenia rozwija się

całkowicie nad ziemią, najsilniej drewnieje i jest najuboższa w składniki

zapasowe. Przy ogławianiu usuwa się głowę poziomym cięciem wzdłuż dolnej

linii żywych oczek pędowych lub obcina stożkowo.
Szyja – jest gładką częścią korzenia, różnej wielkości, zależnie od gatunku i

odmiany. Nie wyrastają na niej liście i korzenie boczne. Jest najmniej

zdrewniała i odznacza się dużą zawartością substancji zapasowych. Powstaje z

hypokotylu
Korzeń właściwy – jest to część zagłębiona w ziemi, z której wyrastają

korzonki boczne. Wielkość korzenia właściwego jest różną, zależy od gatunku,

odmiany i warunków odmiany. Stanowi on wartościowy odcinek korzenia

spichrzowego.
Ogonek – jest końcową częścią korzenia na którym rozwija się bardzo duża

ilość korzeni bocznych, odgrywających ważną rolę w żywieniu rośliny. Ogon o

grubości poniżej 1 cm odrzuca się, gdyż zawiera niewielkie ilości cukru.

Po pojawieniu się pierwszych liści następują zmiany w budowie korzenia,

prowadzące do powstania tzw. budowy wtórnej i przyrastania korzenia na

grubość. Jest to wynik działalności miazgi twórczej (kambium). Wytwarza

ona grubą partię przyrostu składającą się głównie z dużej ilości miękiszu

spichrzowego i pierścienia zredukowanych wiązek przewodzących. Gdy

pierwsze kambium przestaje funkcjonować, pojawia się na zewnątrz od niego

nowe kambium. Na przekroju poprzecznym buraka można zaobserwować kilka

okółków

wiązek sitowo–naczyniowych oraz miękiszu spichrzowego

odpowiadających rocznym słojom przyrostu u drzew. Buraki cukrowe tworzą

przeważnie 11 okółków, przy czym miąższ ich jest zbity. Buraki pastewne

tworzą 7 okółków, z pierścieniami miękiszu 2 – 3 szerszymi niż u buraków

cukrowych i wodnistym miąższem. W korzeniu buraka przeważa tkanka

miękiszowa, w której gromadzą się substancje zapasowe (głównie sacharoza).

W zależności od wielkości korzenia i % zawartości cukru w korzeniu wyróżnia

się typy buraków cukrowych:
1.Wysokocukrowe (C) - niezbyt duży, wysmukły korzeń kształtu

klinowatego, o słabo rozwiniętej główce i szyi. Wysoka zawartość cukru 22%,

silne zdrewnienie tkanek, krótki okres wegetacji.
2.Plenne (P) – duża masa korzenia, mniejsze zdrewnienie, dłuższy okres

wegetacji niż C, plony korzeni najwyższe, ale % zawartość cukru najniższa

około 17%.
3.Normalne (N) – cechy korzeni pośrednie między Ci P, łączą więc wysoki

plon korzeni z dobrym poziomem zawartości cukru w granicach 17 – 19%.

Przekrój poprzeczny

korzenia buraka:
A – budowa pierwotna, B –

budowa wtórna, C – przyrost

anormalny
1. Kora pierwotna, 2. Perycykl,

3. Floem, 4. Ksylem, 5.

Kambium, 6. Drewno wtórne,

7. Łyko wtórne, 8. Pierwsze

dodatkowe kambium z

pierścieniem wiązek

łyko-

drzewnych, 9. Miękisz

spichrzowy, 10 i 11. Kolejne

pierścienie kambium z

wiązkami, 12. Perycykl i

feloderma, 13. Korek
Peryckl

(okolnica)-

tkanka

zbudowana z miękiszu,

występująca na obwodzie walca

osiowego korzenia lub pędu. W

korzeniu wytwarza merystem

dający początek korzeniom

bocznym oraz felogenowi i

partiom kambium, a w łodydze

korzeniom przybyszowym

Skład chemiczny buraka cukrowego

niecukier szkodliwy

Burak cukrowy zawiera średnio około 75% wody i 25% suchej masy.

Wszystkie składniki suchej masy można podzielić w zależności od ich

rozpuszczalności w wodzie – na składniki miąższu (nierozpuszczalne), które

pozostają w wysłodkach oraz na składniki soku (rozpuszczalne), które podczas

dyfuzji przechodzą do soku dyfuzyjnego.
Burak cukrowy zawiera przeciętnie około 5% miąższu suchego, w skład

którego wchodzą:
•celuloza,
•hemicelulozy (mieszanina różnych substancji),
•substancje pektynowe - tworzą one w roślinie lepiszcze międzykomórkowe, a

poza tym związane z celulozą stanowią substancje budulcowe. Najważniejszą

dla cukrownictwa właściwością pektyn jest zdolność pęcznienia i przechodzenia

w roztwory koloidalne. Zdolność ta uwarunkowana jest wielkością cząsteczki.

Praktycznie przy przerobie buraków dojrzałych, nieuszkodzonych i zdrowych,

substancje pektynowe tylko w minimalnym stopniu przechodzą do soku

dyfuzyjnego (pozostając w wysłodkach). Natomiast przy przerobie buraków

niedojrzałych, po dłuższym okresie przechowywania, a przede wszystkim

nadmarzniętych, a następnie odtajałych występuję znaczny % wzrost

niskocząsteczkowych substancji pektynowych przechodzących do soku i

powodujących w późniejszych etapach produkcji cukru poważne trudności (np.

podczas filtracji soku).
•substancje białkowe – występują w miąższu w małych ilościach, około 0,1%.
•substancje mineralne – głównie sole CA i Mg kwasów organicznych –

nierozpuszczalne w ilościach 0,1 – 0,2%

ó

ó

ś

•saponina (glikozyd)
Składniki soku
Około 88% stanowi sacharoza, 12%

stanowią

inne substancje zwane

„niecukrami” w ich skład wchodzą:
Substancje organiczne bezazotowe tj. cukry:

glukoza, fruktoza, rafinoza, kwasy

organiczne, tłuszcze, barwniki.
Substancje organiczne azotowe:

aminokwasy, amidy, zasady azotowe, białka.
Sacharoza (

α-1, 2 glukozydo-fruktozyd) nie

jest rozmieszczona równomiernie w korzeniu

(patrz rysunek obok). Największa jej

zawartość znajduje się w środkowej części

korzenia, zmniejszając się ku głowie i

ogonowi. Biorąc pod uwagę

przekrój

poprzeczny korzenia zawartość sacharozy w

środkowej części (wokół tzw. gwiazdki) jest

niewielka i wzrasta w miarę posuwania się

na zewnątrz, przy czym w warstwach

peryferyjnych znów maleje.

Historia cukrownictwa

Historię przemysłu cukrowniczego na naszym kontynencie określają trzy daty.

Pierwszą z nich jest rok 1802, w którym Franciszek Karol Achard uruchomił w

Konarach pierwszą na świecie cukrownię produkującą cukier z buraków.

Początki przemysłowej produkcji cukru w Polsce wiążą się z uruchomieniem w

1826 roku Cukrowni Częstocice, co oznacza, że historia polskiego

cukrownictwa ma już 174-letnią tradycję.
Przez długie wieki cukier wyrabiano z trzciny cukrowej, rozpowszechnionej w

Arabii, Egipcie i Syrii, na Sycylii, Wyspach Kanaryjskich oraz w wielu innych

regionach południa naszego kontynentu. Taki właśnie cukier sprowadzano na

potrzeby polskich władców i bogatych magnatów. Próby uprawy trzciny

cukrowej w Europie nie powiodły się w szerszym zakresie i dlatego kontynent

skazany był na import i przeróbkę trzciny cukrowej. Dopiero około 1600 roku

zwrócono uwagę na znajdującą się zawartość cukru w korzeniach dziko

rosnących buraków nad brzegami Morza Śródziemnego. Wprawdzie już w

średniowieczu próbowano w sposób prymitywny uprawiać ten rodzaj rośliny w

południowej Francji, Nadrenii i Holandii, ale dopiero w 1747 roku niemiecki

chemik, Andrzej Zygmunt Marggraf, dowiódł i wskazał, że cukier w burakach

ma tą samą strukturę chemiczną, co cukier w zachodnio indyjskiej trzcinie.

Odkrycie Marggrafa nie spotkało się jednak z szerszym zainteresowaniem. Nie

podjęto wówczas żadnych prób produkcji cukru z buraków na skalę

przemysłową.