Biologiczne Podstawy Produkcji Roślinnej
Burak cukrowy
Budowa i znaczenie
Opracował mgr inż. Wiktor Berski
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.cukrownia.ropczyce.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.