Technologia żywności pochodzenia roślinnego.

7.03.2016 r.

Cukrownictwo w Polsce 2015/2016

Krajowa spółka cukrowa „Polski cukier”	Sudzuker	Pfeifer&Langen	Nordzucker
- Dobrzelin - Kluczewo - Krasnystaw - Malbork - Nakło - Werbkowice	- Cerekiew - Ropczyce - Strzelin - Strzyków - Świdnica	- Glinojeck - Gostyń - Miejska Górka - Środa	- Chełmża - Opalenica

Początkowo cukier pozyskiwano z ćwikły. Dwie trzecie produkcji cukru jest z trzciny cukrowej, reszta z buraków cukrowych.

Burak cukrowy – należy do roślin okopowych. Rośliny okopowe stanowią niejednolitą grupę botaniczną, która wymaga podobnych metod uprawy, siewu lub sadzenia w szerokie rzędy. W przypadku roślin okopowych surowcem jest część podziemna roślin (korzeń lub bulwa), która charakteryzuje się dużą koncentracją węglowodanów. W przypadku buraków węglowodanem jest sacharoza, w ziemniakach jest skrobia.

Burak cukrowy należy do rodziny kosmowatych. Gatunek Beta vulgarius – obejmuje buraki cukrowe, ćwikłowe, pasterne. Buraki są rośliną dwuletnią.

• W pierwszym roku wegetacji: tworzy zgrubiały korzeń i liście.

• W drugim roku: z pączka wierzchołkowego rozwija się pęd kwiatowy – roślina wchodzi w fazę generatywną i wydaje nasiona.

W pewnych przypadkach buraki mogą już w pierwszym roku wegetacji tworzyć pęd generatywny. Nazywa się je pośpiechami. Wówczas korzenie są zdrewniałe i nie nadają się do przerobu. Zgrubiały korzeń powstający w pierwszym roku wegetacji jest podstawowym surowcem dla przemysłu cukrowniczego buraczanego w naszych szerokościach geograficznych.

Rośliny okopowe:

• korzeniowe np. buraki

• bulwiaste np. ziemniaki

Odmiany buraków:

• diploidalne – jednonasienne, w jednym kłębku wytwarzają jedno nasiono, 9 par chromosomów,

• poliploidalne – wielonasienne, w jednym kłębku wytwarzają 3-4 nasiona, zwiększony garnitur chromosomów (wyższy plon cukru niż diploidalne) – obecnie uprawiane.

Otoczkowanie nasion

Kłębki nasion (zwłaszcza jednonasienne) otoczkuje się.
Zabieg ten polega na powlekaniu kłębków specjalną masą zawierającą insektycydy, fungicydy, stymulatory wzrostu oraz substancje odżywcze. Uzyskuje się wówczas kulisty kształt kłębków, który ułatwia wysiew nasion, a zawartość otoczki przyczynia się do poprawy wschodów polowych. Dzięki równomiernym wschodom uzyskuje się lepszą obsadę roślin na polu.

W buraku można wyróżnić trzy zasadnicze części:

• główkę – przekształcona część nadliściowa, na której umieszczona jest rozeta liściowa,

• szyję korzeniową – przekształcona część podliścieniowa pozbawiona korzonków bocznych,

• korzeń właściwy – posiadający po przeciwnych stronach dwie bruzdy, z których wyrastają korzonki boczne, korzeń właściwy jest zakończony ogonkiem sięgającym głęboko w glebę.

Blaszki liściowe: mają aparat asymilacyjny, stanowią „fabrykę cukru”. Produkty asymilacji w postaci cukru są odkładane w tkankach miękiszowych korzeni.

Fotosynteza

Powstawanie cukru w liściach odbywa się na drodze skomplikowanego procesu fotosyntezy, polegającej na tworzeniu cukru z dwutlenku węgla i wody kosztem energii świetlnej w obecności chlorofilu.

6CO₂ +6H₂O+energia swietlna →  C₆H₁₂O₆+6O₂

Wolna glukoza i fruktoza powstają dopiero potem z sacharozy pod działaniem enzymu – inwertazy.

Cukry proste tworzą się w procesie fotosyntezy w liściach, ale nie wolne, lecz w postaci glukozo – 1 – fosforanu u fruktozo – 6 – fosforanu, czyli z wysokoenergetycznym wiązaniem fosforowym.

Sacharoza wolna powstaje z produktów pośrednich fotosyntezy wskutek działania enzymów (syntetazy sacharofosforanowej i fosfatazy). Sacharoza jest, więc pierwszym produktem fotosyntezy, która nie zawiera wysokoenergetycznego wiązania fosforowego.

Sacharoza syntetyzowana w komórkach liści jest wykorzystywana do rozwoju i odżywania komórek, albo przesyłana do innych części roślin, np. młodych rozwijających się liści, albo transportowana do korzenia.

Szybkość transportu sacharozy z liści do korzenia 135 cm na godzinę.

Sacharoza przetransportowana do korzenia nie odkłada się równomiernie, ale gromadzi się przede wszystkim w grubej części korzenia.

Oddychanie

Energia zużywana na wzrost i utrzymanie życia pochodzi z reakcji enzymatycznego utleniania cukrów prostych, powstałych z sacharozy pod wpływem enzymów (inwertazy i syntetazy).

$$\mathbf{C}_{\mathbf{12}}\mathbf{H}_{\mathbf{22}}\mathbf{O}_{\mathbf{11}}\mathbf{\ }\overset{\rightarrow}{\mathbf{\text{enzymy}}}\mathbf{C}_{\mathbf{6}}\mathbf{H}_{\mathbf{12}}\mathbf{O}_{\mathbf{6}}\mathbf{+}\mathbf{C}_{\mathbf{6}}\mathbf{H}_{\mathbf{11}}\mathbf{O}_{\mathbf{6}}$$

$$\mathbf{\text{sacharoza}}\overset{\rightarrow}{\mathbf{\text{enzymy}}}\mathbf{\ glukoza + fruktoza}$$

C₆H₁₂O₆+6O₂→6CO₂+6H₂O + 674 kcal/mol

Oddychanie przebiega we wszystkich częściach buraka zarówno w dzień, jak i w nocy. Ma ono szczególne znaczenie podczas składowania buraków, gdyż pod nieobecność drobnoustrojów jest główną przyczyną strat sacharozy.

W nocy, zwłaszcza, gdy temperatura jest stosunkowa wysoka, sacharoza może być pobierana z korzenia na procesy oddychania.

Na szybkość oddychanie mają wpływ:

• odmiana,

• temperatura,

• stężenie tlenu i dwutlenku węgla w otaczającej atmosferze.

Intensywność oddychania korzeni buraków w zależności od temperatury.

Temperatura °C	2	10	20	40	50
Ilość CO2 [mg/h] wydzielonego przez 1 kg buraków	3,6	6,3	14,8	87,9	216,0

Zmiany składu chemicznego buraków podczas przechowywania

W czasie przechowywania korzeni następuje ubytek masy i obniżenie zawartości cukru. Dobowe straty cukru w stosunku do masy korzeni wynoszą 0,01 – 0,02 %.

Straty te związane są z:

• oddychaniem korzeni (80%)

• konwersją sacharozy do innych cukrów (inwert, rafinoza, kestozy),

• zawartość związków mineralnych w korzeniach podczas przechowywania nie ulega zmianom. Zwiększa się jednak stosunek popiołu do sacharozy.

• zawartość azotu aminowego ulega niewielkiemu wzrostowi w przypadku przechowywania buraków zdrowych i nie poranionych. W korzeniach uszkodzonych następuje znaczny wzrost azotu aminowego (rozkład białek).

W warunkach ograniczonego dostępu powietrza do kopcowanych korzeni (np. zanieczyszczenia czy niedostateczna wentylacja) proces oddychania przebiega drogą beztlenową (fermentacja alkoholowa) – wtedy znacznie wyższe straty cukru.

Podczas przechowywania zachodzą procesy biofizyczne, biochemiczne, fizjologiczne i mikrobiologiczne.

Może następować:

- więdnięcie, porastanie,

- przemrożenia,

- odtajanie, gnicie.

Wówczas:

• wzmaga się oddychanie (zwiększa stratę cukru),

• uczynniają się enzymy, które przemieniają węglowodany, białka, pektyny,

• następuje przyrost niecukrów w soku komórkowym buraków (inwertu, rafinozy, kestoz, dekstranu, lewanu oraz związków azotowych z hydrolizy białek (np. aminokwasów))

Dojrzałość buraków

Rozróżnia się dojrzałość: botoniczną, fizjologiczną, technologiczną.

• Dojrzałość botoniczną buraki osiągają z chwilą wytworzenia dojrzałych nasion.

• Dojrzałość fizjologiczna jest wówczas, gdy roślina przechodzi ze stanu fizjologicznego czynnego w bierny, co objawia się żółknięciem i więdnięciem liści oraz zahamowanie wzrostu korzeni.

• Dojrzałość technologiczna następuje, gdy buraki przy maksymalnym plonie charakteryzują się największą zawartością cukru przy możliwie najmniejszej zawartości niecukrów szkodliwych, tj. nieusuwanych w procesie technologicznym.

Stan dojrzałości technologicznej określany jest stanem ulistnienia (stosunek masy korzenia do masy liści wynosi 1:1), a także czystością soku komórkowego.

Czynniki wpływające na jakość buraków (wartość technologiczną buraków):

• Czynniki genetyczne (odmiana) – odmiany np. diploidalne, poliploidalne, jednonasienne, wielonasienne.
  Jest wiele firm na świecie i w Polsce, które zajmują się pracami nad doskonaleniem odmian buraków, które byłyby odporne na choroby, na susze, a jednocześnie wykazywały się wysokim plonem i dużą zawartością cukru (sacharozy).

• Warunki glebowe – buraki cukrowe uprawia się na glebach żyznych, zaliczanych do kompleksów pszennych dobrych i bardzo dobrych.

• Warunki klimatyczne – wpływają nie tylko na wysokość plonu buraków, ale również na dynamikę wzrostu, ich zdrowotność oraz właściwości fizyczne i chemiczne korzeni.

• Termin i technika siewu:
  - siew jak najwcześniej wiosną, ale w optymalnych warunkach – temperatura gleby, co najmniej 5°C i umiarkowane nawilgocenie gleby (zazwyczaj koniec marca początek kwietnia)
  - zbyt wczesny siew – niebezpieczny dla wschodów i wzrostu roślin,
  - każdy dzień opóźnienia siewu to obniżka plonu i jakości surowca.

Dojrzewanie buraków i akumulacja cukru w korzeniu zależą od światła i temperatury. Słoneczna pogoda i wysoka temperatura w okresie od sierpnia do października sprzyja gromadzeniu się cukru w korzeniach. W latach i regionach wilgotnych o dużej liczbie dni pochmurnych uzyskuje się wysokie plony korzeni, ale o mniejszej zawartości sacharozy. Buraki wymagają średniej temperatury dobowej w granicach 12 – 16°C.

• Obsada roślin – optymalna obsada w polskich warunkach 95-100 tys. roślin na 1 ha.
  Gdy buraki rosną zbyt gęsto – wyrastają zbyt drobne korzenie.
  Gdy rozstaw jest zbyt duży – wyrastają korzenie większe, ale zawierają mniej cukru i plon z hektara jest mniejszy.

• Okres wegetacji – w warunkach polskich wynosi, co najmniej 180 dni.
  Im dłuższy okres wegetacji, tym:
  - wyższy plon korzeni,
  - wyższa zawartość sacharozy (cukru),
  - większa wartość technologiczna buraków.
  Gdy temperatura jest poniżej 6°C i krótkie dni, wtedy nie gromadzi się cukier w burakach.

• Zabiegi agrotechniczne (nawożenie, nawadnianie, środki ochrony roślin i inne zabiegi).
  1. Nawożenie – buraki mają duże wymagania pokarmowe. Według Cooka z plonem korzeni 50t/ha buraki pobierają: 260 kg azotu, 40 kg fosforu, 360 kg potasu.
  Podstawowe składniki pokarmowe buraków:
  - azot – decyduje o wysokości plonu i jakości korzeni,
  - fosfor – wpływa korzystnie na gromadzenie cukru i bierze udział w przemianie węglowodanów,
  - potas – wpływa na wzrost zawartości cukru i wartość użytkową korzeni,
  - wapń – wpływa na wysokość plonu i wartość technologiczną korzeni, stosuje się, gdy odczyn gleby jest niski.

2. Nawadnianie – na plantacja, na których występuje niewielka ilość opadów można stosować deszczowanie (zwłaszcza po wysiewie przed wschodami lub po wschodach). Niestety jest to zabieg kosztowny i wymagający specjalnych urządzeń.
Buraki cukrowe silnie zubożają glebę szczególnie w substancje organiczną, która decyduje o żyzności gleby, dlatego należy stosować nawożenie organiczne w postaci:
- obornika,
- słomy,
- nawozów zielonych (gorczyca mątwikobójcza, rzodkiew oleista).

3. Środki ochrony roślin. Najczęściej stosowanymi środkami ochrony roślin są:
- herbicydy – chronią buraki przed chwastami,
- pestycydy – chronią rośliny przed szkodnikami,
- fungicydy – zwalczają grzyby atakujące rośliny.

• Techniki zbioru (termin zbioru, warunki zbioru, sposób ogłowienia korzeni i sposób doczyszczenia).
  Termin zbioru zależy od stanu dojrzałości roślin, jak również od względów organizacyjnych.
  Dla zapewnienia ciągłości pracy cukrowni konieczny jest stały i ciągły dopływ surowca.
  - Sposób ogłowienia – duży wpływ na jakość buraków ma sposób ich ogławiania. Możliwość prawidłowego ogławiania wiąże się między innymi z wysokością wyrastania głowy buraka ponad glebę oraz równomiernością obsady roślin na polu (zbiór mechaniczny).
  - Korzenie obcięte zbyt wysoko (pozostawienie części rozety liściowej) – zwiększa się udział tej części korzeni, w którym % zawartość cukru jest niższa, a wyższa jest zawartość niecukrów, np. aminokwasów, związków redukujących i mineralnych.
  - Korzenie ogłowione zbyt nisko – zwiększa się powierzchnia narażona na infekcję podczas przechowywania surowca oraz na wymywanie sacharozy podczas spławiania i mycia. Ponadto traci się również znaczną część cukru w odciętych częściach korzenia.

• Załadunek, transport i rozładunek buraków – ważne jest zapewnienie w jak najmniejszym stopniu niszczenie korzeni podczas załadunku, transportu i rozładunku.

• Warunki przechowywania (bardzo duży wpływ na jakość surowca).
  Przechowywanie buraków w gestii plantatorów.
  Podczas przechowywania – proces oddychania, procesy związane z działalnością drobnoustrojów, uczynniają się enzymy, możliwość gnicia, wysychania, przemrożenia, odtajenia (warunki atmosferyczne).
  Ochrona korzeni – dbałość o pryzmy, okrywanie, bielenie, zabezpieczenie przed złymi warunkami atmosferycznymi (przed mrozem, słońce, itp.)

Podstawowe składniki buraka cukrowego:

- woda 75% - cukier 18% - niecukry 7%

Wartość technologiczna buraków cukrowych – zespół cech biologicznych, fizjologicznych, chemicznych i fizycznych buraków wpływających bezpośrednio lub pośrednio na przebieg procesu technologicznego rodzaju, wielkość strat sacharozy oraz wydajność cukru białego.

Cechy fizjologiczne buraków:

- oddychanie

- porastanie

W wyniku oddychania następuje ubytek sacharozy, wydzielają się: dwutlenek węgla, woda oraz duże ilości ciepła. Na szybkość oddychania ma wpływ: odmiana, temperatura, stężenie dwutlenku węgla i tlenu w otaczającej atmosferze, powierzchni korzeni, stopień dojrzałości, stopień zwiędnięcia, stopień uszkodzenia korzeni zanieczyszczenia.

Porastanie wiąże się ze zużyciem sacharozy na produkcję nowych pędów, ze wzmożonym oddychaniem i dużymi stratami masy i cukru.

Cechy fizyczne korzeni buraków cukrowych:

• wytrzymałość mechaniczna na ściskanie i rozerwanie (ma istotne znaczenie przy zbiorze mechanicznym i przechowywaniu buraków),

• wytrzymałość na ścinanie, czyli opór krajania,

• sprężystość tkanki (moduł sprężystości),

• współczynnik dyfuzji sacharozy w tkance buraczanej.

Opór krajania – praca zużywana na przecięcie próbki tkanki. Ma znaczenie przy krojeniu buraków nożami daszkowymi. Opór krojenia buraków wynosi 0,5 -1,4 kJ/m².

Denaturacja termiczna tkanki powoduje znaczną utratę sprężystości krajanki. Zmniejszenie modułu sprężystości poniżej 0,8 MN/m² powoduje takie zwiotczenie krajanki, że przestaje ona przepuszczać przepływający sok. Zanik sprężystości buraków odtajałych jest znaczny.

Współczynnik dyfuzji sacharozy w burakach świeżych 7, 5  • 10⁻¹⁰ m²/s, w zwiędłych maleje od kilku do kilkunastu %. Niższy współczynnik dyfuzji wymaga dłuższego czasu ekstrakcji, ale nadmierny czas ekstrakcji jest niekorzystny, bo przechodzi dodatkowo więcej niecukrów, co soku surowego.

Cechy chemiczne buraków

Najważniejszą cechą chemiczną buraków jest zawartość w nich sacharozy (im wyższa tym są one lepsze pod względem wartości technologicznej), ale również i zawartość niecukrów, tzw, szkodliwych, nieusuwanych w procesie technologicznym, które przechodzą do melasu, zwiększając straty sacharozy.

Cechy chemiczne buraków:

• zawartość sacharozy

• zawartość azotu α-aminokwasowego

• zawartość popiołu

• zawartość inwertu

• zawartość miąższu

• rafinozy

• saponin

• aktywność (inwertazy) enzymów

Wydajność cukru z buraków

Najważniejszym wyróżnikiem wartości technologicznej buraków jest wskaźnik przewidywalnej wydajności cukru, czyli różnica między zawartością cukru w burakach C_k, a sumą strat cukru, czyli stratami przerobowymi S_p.

Wyd = C_k – S_p

S_p = C_km+ S_f

C_km - standardowe straty cukru w melasie, S_f - straty fabrykacyjne, S_p – straty przerobowe.

Standardowe straty cukru w melasie C_km będą zależały głównie od rodzaju i ilości niecukrów zawartych w burakach, czyli tzw. melasotworów. Niecukry mające właściwości melasotwórcze będą wpływały na rozpuszczalność sacharozy, powodując zwiększenie rozpuszczalności sacharozy, przez co utrudnienie krystalizacji cukru.

Straty Fabrykacyjne S_f przyjmuje się na poziomie 0,6% nb.

Najbardziej adekwatnym wzorem wydaje się być formuła opracowana w 1995 roku przez Instytut w Brunszwiku, przedstawiająca zależność standardowych strat cukru w melasie C_km (przewidywanej zawartości cukru w melasie) od zawartości składników melasotwórczych w burakach, tzn. od zawartości potasu, sodu i azotu a-aminokwasowego.

C_km=0, 12(K + Na)+0, 24N_α+0, 48

Gdzie:

K – zawartość potasu w burakach mol/100g

Na- zawartość sodu w burakach na mol/ 100g

Nα- zawartość azotu α- aminokwasowego

Po uwzględnieniu wartości Ck_m oraz strat fabrykacyjnych S_f równych 0,6% nb., przewidywalna wydajność cukru z buraków wyniesie:

Wyd = Ck −  0, 12(K + Na −  0, 24Nα + 1, 08 w % nb.

Przykład:

Dane: Ck = 18%

K = 6,3 mval/100g

Na = 0,9 mval/100g

Nα = 2,8 mmol/100g

Wyd = 18-0,12(6,3+0,9) -0,24*2,8-1,08 = 15,38 % nb.

Skład chemiczny buraków ma m. in. wpływ na czystość soku gęstego. Wg. Wieningera przewidywana czystość soku gęstego opisana jest wzorem:

Cz_g=99, 36 − 0, 1427 (K + Na + Nα)

Gdzie:

K – zawartość potasu w burakach mval/100g sacharozy

Na- zawartość sodu w burakach na mval/ 100g sacharozy

Nα- zawartość azotu α- aminokwasowego w burakach mval/100 g sacharozy

Zawartość Na, K, Nα oznaczano w płynie do polaryzacji po gorącej lub zimnej dygestii z wodą octowaną.

KRYTERIA OCENY WARTOŚCI TECHNOLOGICZNEJ BURAKÓW

1. Przewidywalna wydajność cukru z buraków

Wyd = Ck −  0, 12(K + Na −  0, 24Nα + 1, 08 w % nb.

1. Przewidywalna ilość cukru w melasie (standardowe straty cukru w melasie) – korzystny dla technologii, gdy <2% nb.

Ck_m=0, 12(K + Na)+0, 24Nα + 0, 48

1. Przewidywalna czystość soku gęstego – korzystna, gdy >92 %

Cz_g=99, 36 − 0, 1427 (K + Na + Nα)

1. Współczynnik alkaliczności soku gęstego z uwzględnieniem związków redukujących (inwertu) – korzystny dla technologii, gdy wartość wynosi 2,0 <WAI>2,5

WAI = Ck −  0, 12(Na  : K)/(Nα  : I)

K – zawartość potasu w burakach mval/100g sacharozy

Na- zawartość sodu w burakach na mval/ 100g sacharozy

Nα- zawartość azotu α- aminokwasowego mmol/100g

I-w molach kwasów na 100g buraków, przy założeniu, że z 1g inwertu powstaje 8mmoli kwasów.

WSKAŹNIKI JAKOŚCIOWE BURAKÓW CUKROWYCH

Na podstawie wieloletnich badań w Instytucie Przemysłu Cukierniczego w Warszawie opracowano wskaźniki jakościowe buraków, na podstawie, których można przewidzieć, jak będą się zachowywały buraki podczas przerobu.

Są to wskaźniki:

• „czystość buraków”

• Popiołu

• Azotu a-aminokwasowego

• Substancji redukujących

• Kwasów

Skład chemiczny buraków cukrowych