Химический состав корнеплодов

2. Химический состав корнеплодов

Химический состав корнеплодов сахарной свеклы зависит от сорта, почвенно-климатических и погодных условий, уровня агротехники и других факторов. Знание закономерностей изменения химического состава корнеплодов под действием внешних факторов необходимо для разработки технологии возделывания этой культуры, обеспечивающей получение сырья высокого качества.

В корнеплоде сахарной свеклы в среднем содержится 75 % вода 17,5 - сахара и 7,5% несахаров. Количество сахара в сухом веществ корнеплода обычно составляет 69-76 %. Выжатый из корнеплода со представляет собой водный раствор сахара и других веществ (несахаров). В нем находится 17,5 % сахара и 2,5 % несахаров. На долю сахар в сухом веществе сока приходится 87,5 %.

После отжатия сока остается мякоть корнеплода, которая составляет 5% его массы. Она состоит в основном из компонентов клеточных стенок и небольшого количества других нерастворимых в виде веществ. В мякоти содержится (%): пектиновых веществ - 48, гемицеллюлоз - 22, клетчатки - 24, белков - 2, сапонина - 2 и золы – 2. В течение вегетации количество и состав мякоти изменяются. В корнеплодах сортов сахаристого направления мякоти больше, чем у сортов урожайного направления. Больше мякоти содержится в головке и пepиферических тканях корнеплода, а также в корнеплодах цветущих растений. Количество ее увеличивается в засушливые годы. Мякоть в воде не растворяется и при переработке свеклы на заводах полностью остается в жоме, т. е. в таком виде выводится из дальнейшего технологического процесса получения кристаллического сахара.

Ниже приведена характеристика основных веществ, содержащихся в корнеплодах сахарной свеклы.

Углеводы. Они составляют основную часть сухих веществ корне плода. Из углеводов наибольшее значение имеют:

моносахариды (монозы) - глюкоза, фруктоза, галактоза и арабиноза. Смесь глюкозы и фруктозы называют инвертным сахаром,

дисахариды (биозы) - сахароза, или тростниковый сахар и мальтоза. Сахароза как главная составная часть сухого вещества имеет большое значение прежде всего для сахарного производства. При гидролизе сахарозы, который протекает под действием кислот и фермент; инвертазы, из одной ее молекулы образуются молекула глюкозы и молекула фруктозы. Этот процесс называется инверсией. Наличие инвертного сахара в корнеплодах затрудняет технологические операции сахарной производства, так как при очистке диффузионного сока происходит разложение глюкозы и фруктозы и образование новых веществ полуколлоидного характера, которые мешают кристаллизации сахарозы;

трисахариды (триозы) - рафиноза. Она относится к нежелательным для технологии сахарного производства веществам, поскольку переходит в патоку и мешает кристаллизации сахарозы;

полисахариды (полиозы) - крахмал, целлюлоза и гемицеллюлоза.

Пектиновые вещества. Они представлены протопектином, пектином и пектиновой кислотой. Пектиновых веществ в корнеплоде содержится 2-2,5 % его массы. Более 90 % пектиновых веществ приходится на долю протопектина, нерастворимого в холодной воде, но постепенно растворяющегося в горячей воде. В связи с этим пектиновые вещества переходят в диффузионный сок, препятствуя кристаллизации сахарозы. В процессе диффузии и дефекации (очистка свекловичного сока от посторонних примесей) происходит гидролиз пектиновой кислоты с образованием полигалактуроновых кислот, которые осаждаются известью в виде студенистых осадков, мешающих фильтрации сока. В результате очистки диффузионного сока из него удаляется примерно четвертая часть пектиновых веществ, что отрицательно сказывается на выходе сахара при переработке сахарной свеклы на заводах.

Сапонины. Это вещества типа глюкозидов, которые при гидролизе расщепляются на смоляную и глюкуроновую кислоты. Характерная особенность сапонинов - способность пениться. Во время диффузии примерно третья часть сапонинов переходит в диффузионный сок, кото­рый от этого пенится. Осаждаются сапонины вместе с белками. Содер­жание их в сырой массе корнеплода в зависимости от возраста растений, сорта и применяемых удобрений колеблется от 0,13 до 0,25%. В кор­неплодах сортов сахаристого направления сапонинов больше, чем в кор­неплодах сортов урожайного направления. Образование сапонинов, по-видимому, связано с образованием сахара, так как их количество увеличивается с повышением сахаристости свеклы.

Органические кислоты. В корнеплодах свеклы содержатся щавелевая, малоновая, янтарная, яблочная, молочная, лимонная и другие кислоты. В сухом веществе корнеплода на их долю приходится 0,99-1,33%. Они играют важную роль в обмене веществ растения. Большая часть органических кислот при обработке диффузионного сока известью осаждается и может быть удалена из него.

Азотистые вещества. Они содержатся в корнеплоде в виде белков, представленных протеинами (альбумины, глобулины и др.) и протеидами (нуклеопротеиды и др.), а также в виде аминокислот (лейцин, изолейцин, тирозин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), амидов кислот (аспарагин, глутамин), органических оснований (бетаин, холин, лецитин), циклических производных мочевины (аллантоин), пуриновых оснований (гуанин, ксантин, гипоксантин, аденин) и минерального азота (соли азотной кислоты и аммиак).

Применительно к сахарному производству азот, содержащийся в корнеплодах, принято подразделять на белковый, амидоаммиачный и вредный. К вредному азоту относятся формы, которые в период технологического процесса добывания сахара попадают в диффузионный сок, не удаляются из него в процессе дефекации - сатурации (химическая обработка углекислым газом сахарного сока). Они и перехода в патоку, увеличивают выход патоки и потери сахара в ней. Принято считать, что одна часть вредного азота препятствует кристаллизации 25 частей сахара. К вредным формам азота относятся аминокислоты, бетаин, пуриновые основания и нитраты. Белковый, аммиачный и амидный азот в процессе производства сахара удаляется из диффузионного сока. Количество вредного азота в свекле определяют как разность между общим азотом и суммой белкового и амидо-аммиачного азота.

По данным П. М. Силина, в корнеплодах содержится следующее количество различных форм азота (% массы свеклы): общего азота -0,2, белкового - 0,115, аммиачного - 0,005, амидного - 0,015, бетаинового - 0,02, нитратного - 0,002, пуриновых оснований - 0,001, аминокислотного и прочего азота - 0,042.

Минеральные вещества (зола). На долю минеральных веществ (золы) приходится 0,5-0,8 % массы корнеплода. В золе корнеплода содержатся калий, натрий, кальций, магний, железо, фосфор, силиций, хлор, рубидий, цезий, ванадий, бор, марганец, цинк, а также встречаются литий, стронций, йод, медь и другие элементы. При этом 1/3 массы золы составляет калий. Относительно большее количество золы содержите в головке корнеплода, хвостике и периферийной части его. При переработке свеклы соли калия, натрия, хлора не удаляются из диффузионного сока, в результате чего увеличивается патокообразование и снижается выход сахара.

Жиры и жироподобные вещества (липоиды). По результатам опытов П. М. Силина в корнеплоде содержится 0,03 % жира, по данным других исследователей - 0,13-0,21 %. Жироподобные вещества в корнеплоде представлены лецитином, а жирные кислоты - олеиновой, эруковой и пальмитиновой.

Распределение сахаров в корнеплоде. Сахара в различных частях корнеплода распределены неравномерно. Меньше их содержится в головке корнеплода, больше у основания шейки и в прилегающей к ней значительной части собственно корня. По направлению к хвостику количество сахаров убывает (рис. 5).

Исследования, проведенные А. С. Оканенко, показали, что в поперечном направлении в зонах колец сосудисто-волокнистых пучков содержание сахарозы изменяется мало. В центральной же, самой старой, части корнеплода, в звездочке, сахаристость обычно больше средней сахаристости (в паренхимной части звездочки содержание сахара резко снижается). В смежной межкольцевой паренхиме содержание Сахаров значительно меньше. Далее от центра их количество в паренхиме повышается и в зоне 4-5-го кольца сахаристость равна сахаристости в соответствующих зонах сосудисто-волокнистых пучков, а часто и больше. С 9-10-го кольца количество Сахаров заметно уменьшается.

Рис. 5. Содержание Сахаров (%) в разных

зонах и тканях корнеплода сахарной свеклы

(по А. С. Оканенко)

Н. И. Орловский считает, что подобная неравномерность распределения Сахаров в тканях корнеплода в горизонтальном направлении имеет некоторую связь с особенностью развития листового аппарата. Первые листья розетки наиболее мелкие и менее долговечные, они в большей степени связаны с центральными проводящими пучками корнеплода, в частности с паренхимой звездочки, содержащей меньшее количество Сахаров. Наиболее поздние осенние листья также мелкие, функционирующие в течение относительно короткого периода. Они тесно связаны преимущественно с тканями периферийных колец корнеплода, отли­чающихся пониженной сахаристостью. Самые крупные и наиболее долговечные листья, функционирующие в период интенсивного сахаронакопления, в большей степени связаны с сосудистыми кольцами средней части корнеплода, где содержание Сахаров самое высокое.

Опыты с искусственным удалением листьев, проведенные А. С. Оканенко, показали, что основная масса ассимилятов направляется на ту сторону корнеплода, на которой расположены листья. Здесь же эти ассимиляты и утилизируются.

Характер распределения сахаров в корнеплодах в определенной мере связан и с сортовыми особенностями культуры. Например, в корнеплодах сортов урожайного типа Ивановской опытно-селекционной станции наблюдается резкое различие в сахаристости зон пучков и паренхимы внутренних, более старых зон корнеплода, тогда как сорта Рамонская 1537 и особенно Янаш отличаются большей равномерностью распределения сахарозы в корнеплоде. Некоторые сорта Льговской опытно-селекционной станции характеризуются более высокой сахаристостью периферических зон корнеплода, чем сорта других селекционных учреждений. На распределение Сахаров в корнеплоде влияют и условия роста. При недостатке влаги в первый период вегетации интенсивность сахаро-отложения уменьшается слабее, чем интенсивность роста. В связи с этим сахаристость повышается, наибольшее количество Сахаров откладывается в паренхиме. В условиях достаточного увлажнения накопление сахарозы отстает от интенсивности роста, и сахаристость тканей, особенно паренхимы внутренней зоны, снижается. При недостатке питательных вешеств, в первую очередь азота, различия в сахаристости отдельных зон сглаживаются. Достаточное обеспечение растений элементами минерального питания вызывает снижение сахаристости паренхимы внутренних колец.

Изменения химического состава корнеплодов в период их хранения бывают значительными. Это вызвано физиологическими и биохимическими процессами, протекающими в хранящихся корнеплодах, и химическими превращениями, связанными с обменом веществ.

В период хранения корнеплодов содержание сахарозы в них уменьшается. Так, в опытах А. И. Опарина, Н. Н. Дьячкова и И. В. Глазунова содержание сахарозы в сухом веществе корнеплодов свеклы через 103 суток их хранения уменьшилось с 27,66 до 21,68 %. При этом часть сахарозы была израсходована на дыхание, а другая часть превратилась в инвертный сахар. Авторы отмечают, что в начальные стадии хранения корнеплода сахарозы разрушается значительно меньше, а в дальнейшем значительно больше, чем требуется для нормального дыхания корнеплода. При длительном хранении корнеплодов увеличивается распад сахарозы.

Во время хранения изменяется структура корнеплодов. Твердость их значительно уменьшается, а коллоидность сока возрастает. Это способствует переходу инвертазы в раствор и усилению ее гидролитического действия.

При хранении в корнеплодах изменяется и азотный комплекс: уменьшается содержание белкового азота и накапливаются его раствори­мые формы, в частности вредный азот, который вызывает увеличение выхода мелассы и потери сахара в производстве.

Главный показатель, определяющий качество сахарной свеклы как сырья для выработки сахара, - сахаристость (содержание сахара в корнеплоде, выраженное в процентах к его массе). Чем выше сахаристость, тем лучше технологические качества сахарной свеклы. Однако при переработке на сахарных заводах различных партий свеклы с одинаковой сахаристостью выход сахара может значительно колебаться, т. е. технологические качества этих партий свеклы будут разными. Следовательно, технологические качества будут выше у той партии свеклы, при переработке которой достигается больший выход сахара. Это будет зависеть от количества других химических веществ (несахаров), перешедших вместе с сахаром в сок.

Технологические качества сахарной свеклы - комплекс ее биологических, химических и физических особенностей, обусловливающих протекание технологических процессов ее переработки на сахарных заводах и выход кристаллического сахара.

Полную и всестороннюю оценку технологических качеств сахарной свеклы можно дать при переработке ее на лабораторной установке, имитирующей в определенной мере работу сахарного завода. Однако такая оценка требует нескольких дней работы и возможна для анализа небольшого числа проб. Эта методика не может быть принята для массовых анализов, столь необходимых в селекционной работе или в агротехнических опытах. Ряд исследователей предложил учитывать косвенные показатели, характеризующие качество сахарной свеклы.

Так, о качестве сахарной свеклы можно судить по доброкачественности сока, получаемого в лаборатории. Под доброкачественностью сока понимается соотношение сахара и несахаров в общем количестве сухих веществ сока, выраженное в процентах. Доброкачественность сока определяют по формуле:

Содержание сахара (%)

Доброкачественность =  • 100.

Содержание сухих веществ (%)

В связи с тем что при обработке сока известью и углекислым газом (дефекация и сатурация) одни несахара удаляются в большем количестве, а другие в меньшем (в зависимости от их химического состава), П. М. Силин предложил при оценке качества свеклы пользоваться доброкачественностью очищенного сока (обработанного известью и углекислым газом) . Этот показатель и используют наиболее широко в практике.

Некоторые авторы считают, что о качестве сахарной свеклы мож­но судить по содержанию вредного азота или золы. Проведенные иссле­дования показали, что соотношение сахара, азота и золы в патоке не постоянно. В связи с этим возможны большие ошибки в вычислениях потерь сахара в патоке, если их проводить с учетом количества вредного азота и золы.

Условия произрастания могут оказывать большое влияние на химический состав и качество сахарной свеклы. Установлено, что по мере продвижения с юга на север содержание сахара в корнеплодах уменьшается, а количество органических кислот, белкового и небелкового азота возрастает. При выращивании свеклы в идентичных условиях в корнеплодах содержалось (% сырой массы): сахара в г. Пушкине 15,93, в Одессе- 19,03, белкового азота - соответственно 0,113 и 0,105 и растворимого азота - 0,152 и 0,104. В северных районах отмечено и большее количество золы в корнеплодах. Так, при выращивании сахарной свеклы в г. Пушкине в сухом веществе корнеплода содержалось зольных элементов 2,98 %, а при выращивании в Одессе - 2,58 %. В более северных районах в условиях пониженной инсоляции и недостатка тепла наблюдается интенсивное поглощение корневой системой щелочных катионов одновалентных металлов и азота, а в южных районах при более высокой солнечной радиации и повышенной температуре растения свек­лы активно усваивают кальций, фосфор, серу и хлор.

В экспериментах Ивановской опытно-селекционной станции при выращивании сахарной свеклы в вегетационных сосудах на различных почвах сахаристость корнеплодов колебалась от 15,3 до 20,5%, а содержание в них общего азота - от 0,873 до 1,318 %, в том числе вредного азота - от 0,, 195 до 0,437 %.

При удобрении свеклы одинаковыми элементами минерального питания и уменьшении влажности почвы количество сахара в сырой массе корнеплода увеличивается, но в сухом веществе - снижается, а азота - повышается. При выращивании сахарной свеклы на малогу-мусном выщелоченном черноземе при влажности почвы 60% от наименьшей влагоемкости содержание сахара в сырой массе корнеплода составило 18,3%, в сухом веществе - 73 и общего азота - 0,695, а при влажности почвы 30% - соответственно 19,2; 70,8 и 0,992%. Установлено, что при избыточном внесении под сахарную свеклу минерального азотного удобрения в корнеплодах увеличивается количество азота и других несахаров.

С увеличением площади питания сахаристость корнеплодов снижается, тогда как доля азота и золы в них возрастает.

Например, в экспериментах Льговской опытно-селекционной станции при густоте насаждения сахарной свеклы 89 тыс. растений на 1 га в корнеплодах содер­жалось сахара 18 %, общего азота - 0,174 и золы - 0,730 % сырой массы, а при густоте насаждения 59 тыс. растений на 1 га - соответственно 16.5, 0.214 и 0.779 %.

При уменьшении густоты насаждения растений увеличивается пло­щадь питания каждого растения, а следовательно, возрастает количество воды и питательных веществ, приходящихся на одно растение. Все это способствует более интенсивному процессу роста, в результате чего формируются крупные корнеплоды, вызревание которых замедляется.

 

Условия роста и развития

 

1.Водный режим

Исследования, проведенные в последние годы, показали, что водный режим определяется главным образом обменом веществ в растении. Вода и протоплазма рассматриваются как единая структурированная система. Водородные связи между молекулами воды и белка определяют гидратацию белковых веществ протоплазмы, которая повышает структурированность воды, в результате чего ее подвижность умень­шается.

Состояние воды не только в клетке, но и в протоплазме неодно­родно и изменчиво. В клетке различают связанную и свободную воду (отнимаемую 64%-ной или 32%-ной сахарозой). От состояния воды в клетке зависят физиологические процессы и биохимические реакции в ней. Имеются определенные зависимости между содержанием разных фракций воды в растении, обменом веществ и продуктивностью свеклы. В результате исследований, проведенных лабораторией физиологии ВНИС, установлено, что в листьях сортов сахарной свеклы урожайного направления больше общей и свободной воды, чем у сортов сахаристого направления. Последние характеризуются большим содержанием связан­ной воды.

В корнеплодах в расчете на сырую массу не обнаружено значитель­ных сортовых различий по количеству воды разных фракций. В пересче­те же на сухое вещество в корнеплодах сортов урожайного направления связанной воды больше, чем в корнеплодах сортов сахаристого напра­вления, что обусловлено более высоким содержанием в корнеплодах первой группы сортов несахаристых веществ (коллоидов и др.). В листьях больше связанной воды, чем в корнеплодах, поскольку в последних меньше коллоидов и белка, связывающих воду.

Установлено, что при длительном периоде высоких температур и периодическом снижении относительной влажности воздуха и почвен­ной засухи в листьях сортов свеклы как урожайного, так и сахаристого направления содержание свободной воды уменьшалось до 22-23 %, а отношение свободной воды к связанной составляло всего 0,33-0,36. В результате этого нарушились физиологические функции листьев - на свету вместо процесса ассимиляции происходило выделение СО₂, патологически усиливалось дыхание, что отрицательно отражалось на урожайности.

У сортов Янаш сахаристого направления при влажности почвы 60 % наименьшей влагоемкости (НВ) разница между свободной и связанной водой составляла 3-8 %, при влажности почвы 40 % НВ – 6-24 %. Сбор сахара в первом случае был значительно меньше, что обусловлено неблагоприятным влиянием большого количества свободной воды. При этом была меньше и интенсивность фотосинтеза. У сортов Рамонская 06 урожайно-сахаристого направления более высокая интенсивность фотосинтеза отмечалась при режиме влажности почвы 60 % НВ, т. е. при большем содержании свободной воды. Приведенные примеры некоторых исследований свидетельствуют о том, что физиологические процессы в растениях протекают нормально только при определенном количестве свободной и связанной воды.

Сахарная свекла - растение относительно засухоустойчивое, На создание единицы сухого вещества она расходует значительно меньше воды, чем пшеница, ячмень, гречиха, картофель и ряд других культур. Транспирационный коэффициент (количество воды в г, расходуемое на накопление 1 г сухого вещества) у некоторых сельскохозяйственных культур приведен ниже.

 

 

Культура Транспирационный

коэффициент

Просо 203

Кукуруза 368

Сахарная свекла 397

Пшеница яровая 513

Ячмень 534

Гречиха 578

Овес 597

Картофель 638

Рис 710

Горох 788

Клевер 797

Люцерна 831

Кострец безостый 1016

Транспирационный коэффициент - непостоянная величина, зависящая от влажности почвы, содержания в ней питательных веществ, сорта, высоты урожайности, температуры и относительной влажности воздуха и других факторов.

Относительная засухоустойчивость сахарной свеклы по сравнению с засухоустойчивостью других культур связана не только с ее анатомо-физиологическими свойствами. Она обусловливается и мощной, хорошо развитой корневой системой, что позволяет растениям использовать влагу из глубоких слоев почвы. Кроме того, свекла характеризуется длинным вегетационным периодом и может усваивать поздние летние осадки. В связи с этим в годы с недостаточным количеством осадков у свеклы наблюдается относительно меньшее снижение урожайности, чем у многих других культур.

Поскольку сахарная свекла образует большую массу органического вещества, она требовательна к содержанию воды в почве. Растение при массе корнеплода 400-500 г расходует на транспирацию за вегетационный период 30-35 л воды. На единицу урожая сахарной свеклы требуется 70-80 единиц воды (коэффициент водопотребления - расход воды на единицу продукции, м³/т). Таким образом, при урожае 40-50 т/га свекла в течение вегетации испаряет из почвы 3000-4000 т воды. Следует иметь в виду, что за это время непосредственно почвой также испаряется влага, которая составляет 25-30% количества, расходуемого растением на испарение.

Оптимальная влажность почвы для роста и развития сахарной свеклы – 60-70 % НВ. Следует отметить, что в зависимости от концентрации почвенного раствора, погодных условий, сорта и других факторов наибольшую урожайность корнеплодов получают не при одной и той же влажности. Сахаристость же корнеплодов свеклы с уменьшением влажности до определенного предела несколько повышается. Различная обеспеченность растений водой сказывается на морфологии корнеплода. При недостатке влаги в почве развивается удлиненный корнеплод, при избыточном увлажнении он приобретает укороченную округлую форму. Разные сорта сахарной свеклы неодинаково реагируют на степень увлажнения почвы. Отмечено, что относительно большей засухоустойчивостью характеризуются сорта Ивановской опытно-селекционной станции и ВсеросНИИСС.

Степень обеспеченности растении водой влияет не только на продуктивность сахарной свеклы, но и на технологические качества корнеплодов. Установлено, что при низких концентрациях почвенного раствора с увеличением влажности почвы до оптимального значения содержание азота в корнеплодах снижается. При высокой концентрации почвенного раствора количество азота в корнеплодах с повышением влажности почвы возрастает.

Расход воды сахарной свеклой в отдельные периоды вегетации определяется развитием листовой поверхности, температурой и влажностью почвы и воздуха, обеспеченностью питательными веществами и другими факторами. В мае, когда листовая поверхность еще слабо развита, испарение воды свеклой наименьшее, в июле-августе хорошо облиственные растения при высоких температурах воздуха испаряют максимальное количество воды. В последующий период вегетации расход воды растениями сахарной свеклы на испарение уменьшается.

Если вегетацию растений свеклы (с 15 мая до 15 октября) подразделить на три периода (по 50 дней), то соотношение расхода воды на испарение в каждом из них составит примерно 1:9:3. Недостаток вла­ги в любой из этих периодов отрицательно сказывается на урожайности свеклы. Однако больше всего снижается урожай корнеплодов и их сахаристость, когда растения подвергаются действию засухи, - в июле-августе. Это положение наглядно подтверждается результатами исследований Мироновского научно-исследовательского института селекции и семеноводства пшеницы (табл. 2).

Таблица 2 Влияние засухи на урожайность и сахаристость свеклы

Так же неравномерно расходуют влагу растения свеклы в течение дня (рис. 5) . Первого максимума транспирация достигает к 11 ч. Затем с II до 15 ч испарение резко уменьшается. После этого транспирация вновь возрастает и к 14 ч достигает второго максимума, более выраженного по сравнению с первым. Характерно, что у сортов урожайного направления в течение дня более равномерный расход воды на испарение, менее выражены максимум и минимум транспирации в течение дня, чем у сортов сахаристого направления.

Рис. 5. Транспирация у растений сахарной свеклы:

1 - сорт Уладовский; 2 -сорт Янаш

На втором году жизни растения свеклы (семенники) расходуют воду больше, чем растения первого года жизни. Транспирационный коэффициент у семенников равен 725, а воды одним растением за вегетационный период расходуется 30-75 л. Лучшее развитие се­менников и более высокая урожайность семян отмечены при влажности почвы 60% НВ. Отклонение (уменьшение и увеличение) влажности почвы от оптимального уровня вызывало угнетение семенников и снижало урожай семян. Наибольшую потребность в воде семенники сахарной свеклы испытывают в конце июня - начале июля, т. е. в период цветения. Недостаток влаги в этот период особенно пагубно отражается на урожае семян.