Сахарная свекла как сырье для производства сахара

Размещено на http://allbest.ru

Воронежский государственный университет инженерных технологий

(FSBEE HE "Voronezh State University of Engineering Technologies")

Сахарная свекла как сырье для производства сахара

(Sugar beet as the raw material for sugar production)

Селезнева И.Г., Свешников И.Ю.

(Seleznyova I.G., Sveshnikov I.Yu.)

Воронеж, Россия

(Russia, Voronezh)

Развитие свекловодства - значимый фактор повышения урожайности других культур свекловичных севооборотов в районах наиболее интенсивного сельского хозяйства [2].

Свеклосахарная отрасль демонстрирует показатели, свидетельствующие о ее устойчивом положении. Стоит отметить, что за 17 лет продуктивность свеклосахарного комплекса выросла почти в четыре раза и достигла 5 т сахара с одного гектара посевов в среднем по стране и 6 т/га - на Юге.

В 2014 году после двухлетнего спада посевы сахарной свёклы вновь стали расти, и по сравнению с показателем 2013 г. увеличились до 918,2 тыс. га или на 1.4 %. К сожалению, получению высокой урожайности в прошлом году помешали неблагоприятные погодные условия в большинстве свеклосеющих регионов - засуха во второй половине вегетации.

Несмотря на то, что было собрано сахарной свёклы меньше на 17 %, объемы производства сахара превысили показатели сезона 2013/14 примерно на 2 % [1]. За сезон 2014/15 г. было заготовлено 30,05 млн. т сахарной свёклы и произведено 4,44 млн. т сахара. Это объясняется рекордной дигестией корнеплодов, которая составила 17,8 % [3].

В сезоне 2014/15 г. показатели по выходу сахара с гектара стали возможны благодаря тому, что сельхозпроизводители серьезно освоили эффективные технологии свекловодства с применением современной техники, высокопродуктивных гибридов сахарной свёклы и надежных средств защиты растений.

Удалось снизить потери при хранении с 2,27 до 2,00 % и потери в переработке сахарной свёклы - с 2,85 до 2,74 %. Кроме того, росту продуктивности способствовали удлинение вегетационного периода за счет ранних сроков сева, сложившиеся относительно благоприятно условия первой половины вегетации и сухая погода с июля по сентябрь.

Реформирование свеклосахарной отрасли должно обеспечить устойчивую доходность от выращивания сахарной свёклы и переработки в условиях растущей конкуренции между культурами растениеводства и мировой торговли. Результатом должен стать непрерывный рост продуктивности (сбор сахара с гектара посевов), снижение ресурсоемкости (энергоэффективные технологии), расширение линейки продуктов отрасли (сушка жома паром, извлечение сахара из мелассы, бетаин, дрожжи, спирт, пищевые и аминокислоты из мелассы, тепло и электроэнергия) [3].

Технологическое качество сахарной свеклы связывает воедино аграрную и перерабатывающую сферы производства. Именно этот показатель учитывается при адаптации двух больших технологий. И хотя в свеклосахарном производстве используется широкая гамма технологических показателей, но полной оценки качества сахарной свеклы как объекта промышленной переработки не дает и не имеет ни одна из сторон.

При этом у производителей и переработчиков свеклосырья сформировались разные представления о «технологическом качестве». Производители рассматривают сорта и гибриды сахарной свеклы по агробиологическим показателям - продуктивности и сахаристости, цветушности, ветвистости, дуплистости, устойчивости к болезням и вредителям, равномерности расположения головок корнеплодов по отношению к поверхности поля, урожайности ботвы, сбору сахара с гектара и др [5].

Для производства сахара должны использоваться корнеплоды сахарной свеклы, соответствующие требованиям ГОСТ Р 52647-2006 «Свекла сахарная. Технические условия». Корнеплоды сахарной свёклы должны быть с типичным для ботанического вида формой и окраской, с удаленными листьями и черешками, неувядшими, наличие мумифицированных и загнивших корнеплодов не допускается.

Физико-химические показатели свёклы

Для регионов Южного Федерального округа норма сахаристости корнеплодов сахарной свёклы считается не менее 12 %, норма загрязненности - не более 10 %.

Корнеплоды сахарной свеклы должны быть правильной грушевидной формы и с гладкой поверхностью. Длинный, похожий на морковь, корнеплод считается худшим в сравнении с грушевидной свеклой [4]. Корнеплод не должен быть разветвленным или иметь какие-либо отростки.

Масса корнеплода в среднем должна равняться 0,6-1,0 кг. Ни очень большие, ни очень маленькие корнеплоды невыгодны для сахарного производства. Как правило, свекла, весящая 1,5 кг водяниста и бедна сахаром. Корнеплоды весом менее 300 г или недоразвиты, или деревянисты и в любом случае дают сравнительно мало сахара. Корнеплодная ткань хорошей свеклы значительно плотнее воды. Относительная плотность ее позволяет определить качество свеклы. Еще лучший тест, чем плотность тканей корнеплода, - относительный вес отжатого сока. Сок хороших корнеплодов обычно имеет плотность 1,061,07. Очень богатые сахаром корнеплоды дают сок плотностью от 1,07 до 1,78, что означает 14% выхода белого сахара. Сок малосахаристой свеклы имеет плотность ниже 1,06%.

Требования к сахарной свекле как сырью для свеклосахарной промышленности: легкость переработки - правильная, упругая и тонкая стружка, отсутствие волокнистости, нормальная влажность, устойчивые пектиновые вещества, возможно меньшее содержание растворимых форм азота, золы, пектиновых веществ, инвертного сахара, солей кальция; максимальный выход сахара определяющийся, главным образом, величиной сахаристости и величиной потерь. В здоровой свекле все неудаляемые несахара - мелассообразователи. Следовательно, нужно выращивать такую свеклу, которая бы давала сок, имеющий после очистки наивысшую чистоту.

Из 30 % общего несахара в корнеплодах сахарной свеклы 10% приходится на растворимые вещества, из которых наиболее важно содержание щелочных элементов (калия и натрия), фосфора, азотистых небелковых соединений особенно свободных аминокислот (альфааминный азот). Количество всех этих веществ, переходящих при переработке свеклы в соки и влияющих на степень их очистки и извлечения сахара [5].

Основной характеристикой сырья является сахаристость свёклы, зависящая от спелости корнеплодов: при достижении технической спелости накапливается наибольшее количество сахарозы при высокой чистоте свекловичного сока. Техническая спелость сахарной свеклы наступает быстрее в засушливый период, чем в дождливый и зависит от сорта, погодных условий, агротехнических мероприятий возделывания посевов, плодородия почвы.

Выход кристаллического сахара из одной тонны переработанной свёклы - главный критерий для оценки экономической эффективности сахарного производства. Выход сахара зависит от технологического качества свеклы, которое определяется сахаристостью, спелостью, состоянием тургора, степенью загрязнённости, концентрацией несахаров в нормальном соке. урожайность корнеплод свекловодство севооборот

Актуальной проблемой в свеклосахарной отрасли является повышение технологических качеств сахарной свеклы и ее устойчивости к различным заболеваниям в периоды вегетации и хранения [7].

В последнее время к основным показателям качества был добавлен расчетный выход сахара на основании определения в свекле содержания натрия, калия и б-аминного азота. Следует отметить, что в этом перечне такие показатели, как урожайность, сахаристость и расчетный выход сахара относятся к количественным, а не качественным признакам. С позиции переработчиков это понятие, по определению М.З Хелемского, включает: «…комплекс биологических, физиологических, физико-химических и физико-механических параметров свеклы, определяющих протекание технологических процессов при ее переработке, характер и размеры потерь сахара, выход и качество кристаллического сахара». Учитывая, что эффективность работы сахарного завода оценивают по выходу сахара и его технологическим потерям, в основном, по содержанию сахара в мелассе, наиболее полно изучена взаимосвязь этих показателей с химическим составом корнеплодов.

Поэтому оценку качества свеклосырья проводят с помощью экспериментально найденных исходных значений химического состава в следующем порядке. Сначала определяют содержание сахарозы, натрия, калия, б-аминного азота, растворимой золы и др. в сахарной свекле и полуфабрикатах. Затем на основании этих значений с помощью формул рассчитываются технологические показатели - чистота клеточного сока, сиропа, мелассы, расчетный выход сахара и его содержание в мелассе.

Полученные показатели отражают хорошее или плохое качество перерабатываемых корнеплодов. Чем больше содержание калия, тем больше сахара переходит и теряется в мелассе. Калий задерживает 70-80 % сахара, переходящего в мелассу. Натрий, как и калий, относится к одним из основных мелассообразователей, присутствие которых мешает экстракции кристаллизированного сахара. Среди азотных соединений корнеплода сахарной свеклы альфа-аминоазот или «вредный азот» является наиболее вредоносным мелассообразователем и играет отрицательную роль при извлечении сахара. Чем больше содержание альфа-аминоазота в корнеплодах, тем меньше выход сахара.

Данный принцип лежит в основе классической методики оценки качества сахарной свеклы, разработанной Силиным, а также методик других исследователей. Однако при этом не учитывается взаимосвязь свойств сахарной свеклы с технологическими параметрами процессов производства сахара. В последние годы особое внимание обращается на функционально технологические свойства, которые характеризуют адекватность растительного сырья процессам переработки (технологическую адекватность сырья) и предопределяют технологические параметры производственных процессов. Для выявления таких свойств сахарной свеклы рассмотрим корнеплод как целостную систему.

Основными системообразующими элементами являются жидкая (клеточный сок) и твердая (свекловичная ткань) фазы, между которыми происходит обмен веществом и энергией. Совокупность функциональных свойств клеточного сока и свекловичной ткани характеризуют адекватность корнеплодов технологическим процессам производства сахара. Поэтому критерием оценки свеклосырья должен быть интегральный показатель, характеризующий совокупное качество свекловичной ткани и клеточного сока, на основе которого можно будет оперативно проводить прогнозирование оптимальных технологических режимов хранения и процессов переработки.

Оценку технологической адекватности свеклосырья следует проводить, когда свекловичная ткань и клеточный сок сформированы для переработки. При этом функциональнотехнологические свойства должны быть стабильны и выражены наиболее ярко. Сахарной свекле, в отличие от других растений, непросто достигнуть такого состояния.

Технологической операцией, в процессе которой закладываются основы эффективного и экономически оправданного производства сахара, является извлечение сахарозы из свекловичной стружки, качество которой имеет важнейшее значение. Свойства свекловичной ткани должны удовлетворять требованиям технологии: максимальное извлечение сахарозы за короткое время при минимально возможной температуре и расходе экстрагента. Основной процесс этой технологической операции - массообмен, который протекает в диффузионном аппарате под действием тепловых, гидродинамических и механических факторов. Поэтому для системы сокостружечной смеси первостепенное значение приобретают структурно-механические свойства, в частности, упруго-прочностные.

Мы изучили упругость и прочность свекловичной ткани, которые формируются в процессе вегетации свеклы и зависят от почвенноклиматических условий, агротехнических приемов и индивидуальных особенностей сорта. Однако в процессе хранения эти свойства изменяются под воздействием внешней среды. В частности, тургор ткани увядших или подмороженных корнеплодов снижается. Выявлено, что для каждого гибрида/сорта характерна своя зависимость, предположительно связанная с индивидуально протекающими физико-химическими изменениями в ткани, приводящими к снижению ее прочности [5].

Во многих свеклосеющих странах прослеживается тенденция снижения качества свекловичного сырья. На свеклоприемные пункты сахарных заводов поступает значительное количество корнеплодов, поврежденных рабочими органами уборочных машин, а также с повышенным содержанием ботвы, земли и растительных остатков, сорняков, вследствие чего снижается способность свеклы к длительному хранению, ухудшаются показатели при переработке, увеличиваются потери сахарозы.

Увеличиваются механические повреждения корнеплодов свеклы в связи с переходом на механизированные способы выращивания, уборки, погрузки, транспортировке, разгрузки, очистки от примесей и укладки свеклы на хранение. В связи с изменениями качества свеклы усложняются условия ее хранения и переработки, снижается выход сахарозы из единицы сырья. В последнее время участились случаи появления кагатных гнилей на полях. В этой связи представляется важным рассмотреть влияние отдельных факторов на снижение технологических качеств при выращивании, уборке, хранении, транспортировании и их влияние на результат переработки [8].

Получение максимальных урожаев высококачественной продукции возможно лишь при наличии оптимальных условий для роста и развития растений, то есть определенного комплекса внешних факторов, позволяющих проявиться потенциальным возможностям возделываемой культуры, одним из которых является минеральное питание. В процессе производства свекловичного сырья важно не только повышать его качество, но и сокращать потери, допускаемые при уборке, транспортировке, хранении и переработке, которые по оценкам специалистов достигают до 30 % от выращенного урожая.

В то же время установлено, что затраты на устранение таких потерь в 2-3 раза ниже, чем на производство дополнительного объема продукции. Для сахарной свеклы, как сырьевой культуры, характерны высокое отношение ее массы к массе вырабатываемой из нее готовой продукции, резкие изменения технологических качеств в процессе выращивания и хранения в зависимости от года и зоны возделывания. Физические качества заготавливаемого свеклосырья зависят от способа уборки и вывозки, степени доочистки, а также погодных условий в этот период. На технологические качества корнеплодов, в свою очередь, влияет большее число факторов.

Так, например, содержание сахаров и несахаров в корнеплодах зависит от сорта, цветушности, предшественников и вносимых удобрений, сроков сева и уборки, качества и своевременности проведения комплекса агротехнических мероприятий, температурного, воздушного режима и влажности почвы в период формирования урожая. Однако выход сахара может значительно варьировать в зависимости от содержания несахаров в корнеплодах при одной и той же сахаристости и одинаковых условиях их переработки. В настоящее время из-за отсутствия у большинства хозяйств средств на материально-технические ресурсы, большую актуальность приобрел вопрос получения высококачественного урожая с использованием новых форм удобрений [6].

Известно, что в формировании урожая и качества корнеплодов сахарной свеклы очень велика роль удобрений. Их избыток усиливает лишь рост листьев и не дает прибавки урожая, к тому же ухудшает качество сырья. Избыток азотных удобрений может привести к загрязнению почв и вод нитратами и нитритами, особенно при промывном режиме. Были разработаны научно обоснованные рекомендации по выращиванию и хранению сортов и гибридов сахарной свеклы, при возделывании которых использовались новые формы минеральных удобрений и фунгицидов. Было изучено влияние минерального удобрения Акварин 5 и микробиологического фунгицида Бинорам на формирование урожайности сахарной свеклы.

Самые высокие показатели урожайности и сахаристости корнеплодов обеспечили варианты, в которых проводили обработку Бинорамом и Акварином 5. Таким образом, использование этих препаратов способствует повышению продуктивности посевов сахарной свеклы даже при использовании меньшего количества минеральных удобрений. Кроме того, они способны нормализовать минеральный состав растительной биомассы, сократить потери от болезней и повысить технологические качества свеклосырья, обеспечивая увеличение выхода сахара.

Но эффективность удобрений зависит от почвенно-климатических условий, агротехнических приемов возделывания, доз и сроков их внесения.

Было исследовано влияние типов севооборотов, приемов основной обработки почвы и фона удобренности на урожайность и качество корнеплодов сахарной свеклы. Сахарную свеклу выращивали в зернотравяном (плодосменном) и зернопропашном севооборотах. В первом из них 40 % занимали многолетние травы, во втором столько же - пропашные культуры.

Схема опыта включала следующие варианты удобрений:

1) контроль (без удобрений);

2) минеральные удобрения в дозе по 90 кг/га NPK; 3) 40 т/га навоза и минеральных удобрений по 90 кг/га NPK.

Навоз вносили один раз за ротацию севооборота под сахарную свеклу (осенью под основную обработку почвы). Испытания проводили на фоне двух способов основной обработки почвы, которые включали вспашку плугом на глубину 30-32 см и мелкую обработку дисковым лущильником на глубину 10-15 см в два следа. При производстве сахара все больше внимания уделяется технологическому качеству свекловичного сырья. При этом в первую очередь выделяют сахаристость корнеплодов. Во время проведения исследований содержание сахара в корнеплодах находилось в пределах 17,0- 18,2 %. По сравнению с зернопропашным в плодосменном севообороте наблюдалось снижение сахаристости корнеплодов на 0,3- 0,8 %.

При использовании минеральных удобрений она уменьшалась на 0,4-0,7 %, в то время как при совместном внесении органических и минеральных удобрений - только на 0,1-0,2 %. Хотя удобрения и снижают содержание сахара в корнеплодах, но они заметно повышают урожайность и выход сахара с гектара площади. Приемы основной обработки почвы на этот показатель влияют незначительно. Таким образом, для повышения продуктивности сахарной свеклы в Центральном Черноземье предпочтительнее размещать ее в плодосеменном севообороте и обязательно вносить расчетные нормы удобрений под вспашку.

Так же одной из важнейших составляющих частей технологии является изучение влияния макро- и микроэлементов, а также удобрительно-стимулирующих составов на урожайность и качество корнеплодов [9]. Особая роль в обеспечении растений полноценным питанием принадлежит микроэлементам - бору, молибдену, меди, цинку, железу, марганцу. Они входят в состав важнейших ферментов, витаминов, гормонов и других физиологически активных соединений, обеспечивающих жизнедеятельность растительного организма.

Недостаток микроэлементов нередко связан с тем, что они находятся в почве в недоступной для растения, биологически неактивной форме. Решить эту проблему позволит применение микроэлементов в виде хелатов, являющихся как раз биологически активной формой. Для определения мер, направленных на повышение урожайности сахарной свеклы и качества урожая, была изучена эффективность жидкого удобрительно-стимулирующего состава, содержащего хелаты меди и молибдена (ЖУСС). Ценность корнеплодов определяется не только их сахаристостью, но и рядом технологических качеств: дуплистостью, чистотой сока, содержанием сухих веществ и золы. Исследования показали, что обработка свекловичных посевов жидким удобрительно-стимулирующим составом способствовала снижению количества дуплистых корнеплодов и повышению доброкачественности сока.

В отношении этих показателей наибольшей эффективностью отличался вариант с обработкой растений препаратом ЖУСС в дозе 10 л/га перед смыканием листьев в рядках.

Причем показатели в этом варианте были высокими как на фоне с удобрения ми, так и на фоне без удобрений. Обработка растений за 15 и 30 дней до уборки также способствовала снижению дуплистости корнеплодов и увеличению доброкачественности сока, хотя и была менее эффективной по сравнению с первым вариантом.

Обработка посевов сахарной свеклы ЖУСС оказало незначительное влияние на содержание в корнеплодах сухих веществ и золы. С увеличением дозы ЖУСС про исходило увеличение количества сухих веществ на 0,15 - 0,30 %, а золы - на 0,03 - 0,15 %.

В зависимости от срока обработки содержание сухих веществ увеличивалось на 0,04 - 0,11 %. На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что обработка посевов сахарной свеклы жидким удобрительностимулирующим составом, содержащим хелаты меди и молибдена, в более ранние сроки оказывает положительное влияние на продуктивность и качество корнеплодов [6].

Особенности формирования продуктивности корнеплодов сахарной свеклы в зависимости от густоты насаждения растений детально изучены отечественными и зарубежными учеными. Однако научной информации о зависимости содержания мелассообразующих веществ от густоты насаждения растений и их влиянии на содержание очищенного сахара, особенно у новых гибридов сахарной свеклы, почти нет. Цель исследований состояла в установлении оптимального уровня данного показателя, обеспечивающего получение корнеплодов сахарной свеклы с высокими технологическими качествами.

Установлено, что увеличение площади питания растений сахарной свеклы приводит к накоплению б-аминоазота в корнеплодах, потере сахара в мелассе от 1,41 до 1,66 %. Наибольшие потери отмечались при густоте насаждения 50000 растений на 1 га.

Величина содержания очищенного сахара также зависела от густоты насаждения растений. Наименьшее количество очищенного сахара было в варианте с наименьшей густотой насаждения растений - 15,29 %, наибольшее - при размещении 95000 растений на 1 га - 16,18 %. Дальнейшее увеличение густоты насаждения растений способствовало снижению содержания очищенного сахара в корнеплодах.

Ключевым показателем, характеризующим технологические качества корнеплодов сахарной свеклы, является валовый сбор очищенного сахара. Густота насаждения 95000 растений на 1 га являлась оптимальной и обеспечивала наибольшую величину валового сбора сахара (5,82 т/га) в сравнении с другими вариантами [9].

Главным практическим значением для свекловодства считается изучение вопроса о способах борьбы с вредоносными объектами. Сахарная свекла очень чувствительна к засоренности, так как все сорные растения отличаются существенно большей устойчивостью к неблагоприятным почвенно-климатическим условиям и жизнеспособностью.

В настоящее время главным биотическим фактором потерь урожая сахарной свеклы в период вегетации считают болезни, наиболее вредоносными из которых стали гнили корнеплодов. Их возбудителями являются почвообитающие микроскопические грибы и бактерии сапротрофного типа питания, но способные паразитировать в корневой системе при ослаблении растений, связанном с ухудшением условий существования (засуха или обильные осадки, истощение и переуплотнение почвы и т.п.). Длительная засуха весной и в первой половине лета, которая способствует заселению корневой системы факультативными паразитами в начальном периоде вегетации, в ЦЧР является основным стрессовым фактором, ослабляющим растения. В дальнейшем резкая смена засушливых и влажных периодов способствует развитию патогенных организмов и, следовательно, корневых гнилей.

В последнее время на юге Черноземья появилась болезнь, приводящая к загниванию корнеплодов сахарной свеклы и полной гибели растений в поле, которая носит очаговый характер. Первые симптомы проявляются в начале - середине июля в виде усыхания листьев или увядания листового аппарата в жаркую и сухую погоду, и начинающейся потери тургора в нижней части корнеплода. Постепенно все листья усыхают, а корнеплод теряет тургор и загнивает. Максимальное развитие болезни и загнивание корнеплодов происходит в конце августа - сентябре. Болезнь идентифицирована как сосудистый бактериоз.

В растительных тканях бактерии получают все необходимое для жизнедеятельности. Они могут перехватывать определенные элементы минерального питания растений, перемещающиеся по сосудам ксилемы, а своими продуктами метаболизма, содержащими такие биологически активные вещества как ферменты и токсины, нарушать клеточный метаболизм корнеплодов[10].

Это ведет к замедлению накопления сахарозы, трансформации растворимых азотистых соединений в легко удаляемые белковые формы, накоплением зольных элементов, что чревато торможением формирования высоких технологических качеств производимого сырья.

Размещено на Allbest.ru