Produkcja cukru

Proces produkcji cukru obejmuje następujące procesy:

1. Oczyszczanie i krajanie buraków

2. Otrzymywanie z buraków tzw. soku surowego

3. Oczyszczanie soku

4. Zagęszczanie soku

5. Krystalizację sacharozy

6. Odwirowanie

7. Końcowa obróbka cukru

Sporządzanie krajanki buraków

Wymyte i oddzielone od zanieczyszczeń korzenie buraków rozdrabnia się na cienkie pasemka, zwane krajanką. Krajanie buraków powoduje otwarcie części komórek i wyciekanie soku komórkowego co znacznie ułatwia wymywanie sacharozy wodą.

Otrzymywanie soku surowego

Sacharozę i inne substancje rozpuszczalne w wodzie (niecukry) podaje się wymywaniu z krajanki w podwyższonej temperaturze (60-80°C) w której dochodzi do denaturacji cytoplazmy oraz błon komórkowych buraka.

Wymywanie cukru oparte jest na zasadzie dyfuzji. Przez krajankę przepływa w przeciwprądzie woda, do której dyfunduje sacharoza i inne związki rozpuszczalne. Dzięki temu ze występują różnice stężenia sacharozy w krajance i omywającym ją roztworze (soku), stopniowo nasyca się on cukrem, zmienia się jego gęstość oraz czystość. Sacharoza prawie całkowicie przechodzi dom soku. Wymywanie trwa do momentu, gdy w krajance ilość sacharozy nie przekracza 0,3-0,4%. Wyługowana krajanka, tzw. wysłodki, zawierająca 5-7% suchej masy, po wysuszeniu lub spasowaniu wykorzystywana jest jako pasza.

Oczyszczanie soku

Sok surowy czyli sok otrzymany po dyfuzji jest szara, mętną lub ciemnobrunatna cieczą z zawieszonymi cząstkami miąższu buraka. Gęstość soku wynosi 14-16°Brixa (procenty wagowe sacharozy w roztworach wodnych), a pH- 5,8-6,5. Wraz z sacharozą do soku przechodzi około 20% związków nie cukrowych buraka.

Oczyszczanie soku surowego następuje przez defekację, a następnie sok poddawany jest saturacji.

Defekacja (nawapnianie) jest procesem polegającym na dodaniu odpowiedniej ilości tlenku wapnia, najczęściej w postaci mleka wapiennego. Defekacja prowadzona jest w podwyższonej temperaturze i ma ona na celu usunięcie niecukrów wyługowanych wodą z buraków oraz zmianę odczynu ze słabo kwaśnego na alkaliczny, aby nie stwarzać warunków sprzyjających hydrolizie sacharozy. Sacharoza tworzy z wapniem sole.

Cukry redukujące podczas defekacji ulegają rozkładowi i karmelizacji. Sole wapniowe niektórych kwasów wytracają się w postaci kryształów, inne z kolei tworzą osady o charakterze silnie uwodnionych żeli, a jeszcze inne są rozpuszczalne. W soku pozostają m.in. betaina, jony metali alkalicznych oraz rafinoza.

W wyniku reakcji cukrów prostych w środowisku zasadowym z aminokwasami powstają barwniki melanoidynowe które odpowiedzialne są za powstawanie ciemnego zabarwienia soku.

Podczas defekacji dochodzi do wytwarzania się osadów koloidowych białek, związków pektynowych, arabanu, saponin oraz galaktanu, które są trudne do usunięcia. Ilość i skład związków koloidowych jest zależny od jakości użytych do produkcji buraków. W korzeniach przemarzniętych i napsutych, na skutek rozwoju drobnoustrojów dochodzi to wytworzenia się z sacharozy dekstranów i lewanów (cukrów złożonych), które odpowiedzialne są za wzrost zawartości koloidów. Jednym ze wskaźników oczyszczenia jest zmniejszenie ilości substancji koloidowych w soku.

Kolejnym etapem jest proces saturacji (węglanowanie). Zarówno sok jak osad po defekacji poddawany jest wysyceniu dwutlenkiem węgla w celu wytrącenia nadmiaru wolnego wapnia, w szczególności osadów koloidowych. Powstający początkowo koloidowy osad węglanu wapnia przechodzi w postać krystaliczną, łatwą do usunięcia. Kwas węglowy reaguje z wodorotlenkami potasu i sodu utworzonymi podczas defekacji z soli zawartych w burakach. Węglany reagują z solami wapniowymi innymi kwasów dzięki czemu w soku pozostają sole potasowe i sodowe, a nierozpuszczalny węglan wapniowy ulega wytrąceniu.

Wysoka zawartość wapnia w soku powoduje tworzenie się osadów w czasie jego zagęszczania oraz straty cukru. Niecukry, które pozostają po oczyszczeniu stanowią 55-65% ilości znajdującej się w soku surowym.

Aby odbarwić sok oraz obniżyć jego lepkość oraz alkaiczność stosuje sięsiarkowanie. Wprowadzenie dwutlenku siarki powoduje redukcję barwników do związków bezbarwnych oraz hamuje reakcje brunatnienia. Azotany ulegają redukcji do azotanów z których wytwarzane są imidosulfoniany. Związki te krystalizują z sacharozą i podwyższają zawartość popiołu w cukrze. Sok rzadki może być także oczyszczany przy pomocy węgla aktywnego lub jonitami. Na węglu aktywnym następuje adsorpcja melanoidyny, związków barwnych, produktów odbudowy cukrów, związków koloidowych oraz saponin. W wyniku przepuszczenia soku przez kolumny kationitowe lub anionitowe powoduje usunięcie większości nie cukrowych związków organicznych- azotowych, bezazotowych oraz nieorganicznych.

Zagęszczanie soku

Sok rzadki podaje się zagęszczeniu w wyparkach próżniowych do syropu, tzw. soku gęstego. W wyniku wyparowania wody dochodzi do wzrostu stężenia suchej masy do 60% w przeliczeniu na sacharozę. Wysoka temperatura powoduje ze sok ulega ściemnieniu w wyniku zachodzących reakcji nieenzymatycznego brunatnienia (reakcje cukrów prostych z aminokwasami). Sok oczyszczany jest przez cedzenie, silnie zabarwiony wybiela się za pomocą dwutlenku siarki lub hydrosulfitu sodu (podsiarczynu sodowego).

Karmelizacja sacharozy

Dalsze odparowanie wody i zagęszczanie soku prowadzone jest w wyparkach próżniowych, zwanych warnikami, aż do zawiązania się i utworzenia odpowiedniej wielkości i masy kryształów. Mieszanina kryształów sacharozy oraz otaczającego je syropu międzykryształowego nosi nazwę cukrzycy. Szybkość krystalizacji sacharozy zależy od lepkości i temperatury przesycanego roztworu oraz od jego czystości. Jest ona także proporcjonalna do ogólnej powierzchni kryształów- małe kryształy narastają szybciej niż duże.

Związki barwne i inne produkty rozkładu cukru, substancje koloidowe i związki azotowe w rożnym stopniu hamują krystalizację sacharozy, a także mogą absorbować się na powierzenie kryształów lub wrastać w ich wnętrze. W wyniku zmniejszenia się zawartości sacharozy zmienia się skład syropu, w którym po krystalizacji pozostaje około 99,5% związków nie cukrowych (A. Lempka i in. PWE).

Odwirowanie

Oblepione ciemnym syropem kryształy sacharozy oddzielane są w wirówkach i przemywa się je parą wodną lub gorącą wodą w celu wybielenia. Powstały pod odwirowaniu cukrzycy odciek zawiera jeszcze duże ilości sacharozy, dlatego kierowany jest ponownie do produkcji.

Po przerobie buraków na cukier powstaje cenny produkt uboczny zwany melasą. Melasa jest lepką cieczą zabarwioną na brązowo, odznaczającą się swoistym zapachem oraz słodkim i jednocześnie gorzkawym zapachem. Zawiera ona jeszcze duże ilości sacharozy (około 50% suchej masy) i wszystkie niecukry, które powstały w soku po oczyszczeniu oraz powstały podczas produkcji w wyniku rozkładu sacharozy lub innych związków.

Jak podaje Lempka i in. zawartość związków azotowych w suchej masie melasy wynosi przeciętnie, 12-13% związków bezazotowych, 9-10% azotu ogólnego, około 2%, azotu α- aminowego-1% i związków nieorganicznych 11-12%. Głównym składnikiem związków azotowych jest betaina.

Melasa z uwagi na zawartość cukrów i związków azotowych wykorzystywana jest w przemyśle fermentacyjnym do otrzymywania alkoholu etylowego, kwasu cytrynowego, kwasu mlekowego oraz przy produkcji drożdży piekarskich.

Cukier, zawierający po odwirowaniu 0,7-1% poddaje się suszeniu w strumieniu gorącego powietrza do wilgotności 0,05% a następnie poddaje schłodzeniu do temp 25-30C i segreguje według wielkości kryształów na odpowiednich sitach. Cukier taki określa się mianem cukru białego. Produkowany jest również cukier rafinowany- dodatkowo wybielany, który występuje jako kryształ, kostka prasowana i lana.