Оглавление:

• Строение, состав и свойства сахарной свеклы
• Ботаническая характеристика сахарной свеклы
• Возделывание сахарной свеклы
• Болезни и вредители свеклы
• Характеристика свеклы как сырья для производства сахара
• Приемка и хранение свеклы на заводе

О культуре:

Сахарная свекла (Beta vulgaris saccharifera) является двухлетним растением и в год посева развивает богатый сахарозой (до 20 % и более), удлинённый с белой мякотью корнеплод массой 300-600 г (рис. 3) и розетку светло-зеленых листьев массой около половины массы корнеплода.

В России сахарную свеклу раньше называли свекловицей, что послужило основой для ряда технических терминов ("свекловичная стружка", "свекловичный жом" и др.).

Сахарная свекла культивируется между 36° и 57° (в России - между 43° и 57°) северной широты. Для успешного роста свеклы и накопления в ней сахарозы необходимо, чтобы сумма среднесуточных температур вегетационного периода (150-180 дней) для свеклы 1-го года жизни (фабричная свекла) составляла 1900-3500°С.

Сахарная свекла теплолюбива, светолюбива и влаголюбива, хотя и обладает сравнительно высокой засухоустойчивостью и солеустойчивостью. Оптимальная температура для прорастания семян 10-12°С (минимальная +4°С), роста и развития 20-22°С. Всходы чувствительны к заморозкам (погибают при -4, -5°С). Сахаристость корнеплодов зависит от числа солнечных дней в июле-октябре.

Во время роста свекла использует значительное количество воды, которая участвует в процессе фотосинтеза и расходуется на образование сухих веществ и сока растения. Поэтому для нормального развития свеклы необходимо 450-460 мм осадков в год. Потребность в воде за время вегетационного периода составляет 3000-4000 м3/га (300 - 400 мм). Во время вегетации необходима теплая и влажная погода в мае, июне, июле, сухая солнечная погода - в августе, сентябре и сухая не морозная - в октябре.

Лучшие почвы под свеклу - чернозёмные, хуже - суглинистые, мало пригодны - супесчаные и непригодны песчаные, глинистые и болотные.

Для получения высоких урожаев свеклы необходимо значительное количество минеральных веществ. Поэтому в зависимости от планируемого урожая и состава почвы в неё вводят недостающее количество минеральных веществ в виде удобрений.

Сахарная свекла - важнейшая техническая культура, дающая сырье для сахарной промышленности. В 1747 г. немецкий химик А. С. Маргграф высказал мнение о целесообразности использования свеклы с белыми корнеплодами для получения кристаллического сахара. В результате селекционной работы, улучшения семеноводства и технологии выращивания улучшились технологические качества сырья, Сахаристость корней с 6-7% повысилась до 18-20%.

Сейчас сахарную свеклу выращивают более чем в 50-ти странах с умеренным климатом: 34 страны Европы, США, Канада, Египет, Марокко, Тунис, Индия, Китай, Япония, Грузия, Казахстан, Киргизия и ряд других стран Азии.

В 2009/10 маркетинговом году общее производство белого сахара из свеклы составило 35,1 млн. т. За последние 150 лет в мире из свеклы произведено около 1,8 млрд. т белого сахара.

В 2009/10 г. в Европе под сахар было занято 3,04 млн. га.

В России сахарную свеклу сеют в 35 субъектах федерации, основная масса свеклы выращивается в 22 субъектах (Центрально-Чернозёмный район, Краснодарский край, Поволжье и др.), в которых имеются перерабатывающие предприятия. В 2012 г. в России было 93 свеклосахарных завода, из которых фактически работали только 79 заводов общей мощностью 307 тыс. т переработки свеклы в сутки.

Площадь посева свеклы в 2013 году составила 909,2 тыс. га (на 21% меньше 2012 году), средняя урожайность в 2012 году составила  398 ц/га, было собрано 43,39 млн. т.

При хорошей агротехнике с 1 гектара в России можно получить 40 - 45 т сахарной свеклы приблизительно с 14 % извлекаемого сахара и 15 - 20 т свекловичной ботвы. С той же площади можно получить только 17 т картофеля или 2 т зерна. При выращивании свеклы главным является не только урожай с количественной стороны, но и питательность получаемых продуктов, которая выше, чем у других полевых растений.

Сахарная свекла имеет большое значение для обеспечения страны продуктами питания и кормовыми средствами. Кроме извлекаемого из свеклы сахара, который является ценным пищевым продуктом, получается еще обессахаренная стружка (жом), ботва и меласса (ценный отход переработки свеклы). Путем силосования или сушения ботвы и жома можно получить хорошо сохраняемый и весьма ценный корм для скота.

Сахарную свеклу в севообороте размещают обычно после озимой пшеницы (примерное чередование культур в 10-польном севообороте: однолетние травы и кукуруза на силос, озимые зерновые, свекла, яровые, многолетние травы, озимые зерновые, свекла, зернобобовые [кукуруза], горох, озимые зерновые).

При выращивании сахарной свеклы получаемый в среднем с гектара белый сахар по питательности соответствует примерно 16 млн. ккал. В сравнении с этим питательная ценность картофеля с гектара определяется в 13 млн. ккал и зерна в 5 млн. ккал. Если дополнительно учесть кормовую ценность жома, ботвы, а также мелассы, то общая питательная ценность на единицу площади будет у свеклы вдвое больше, чем у картофеля, и в 4-5 раз выше, чем у зерна.

Строение, состав и свойства сахарной свеклы

Сахарная свекла первого года жизни (т.н. фабричная свекла, только она предназначена для выработки сахара) состоит (рис. 8) из корневой системы, корня (корнеплода) и листьев (ботвы).

У свекловичного корня (корнеплода) различают: головку 2, шейку 3, тело корня 4 и хвост 5.

Головкой 2 называют надземную часть корня, на которой растут листья 1. Соответственно этому она простирается приблизительно до нижней границы розетки листьев. На головке расположены мощная розетка листьев и почки (глазки), из которых на второй год жизни вырастают цветоносные побеги. Масса головки по отношению к массе всего корня составляет 7-15 %. Так как эта часть корня относительно бедна сахаром и содержит особенно много несахаристых веществ, часть её не используют для добывания сахара, а оставляют вместе с листьями как ценное кормовое средство.

Шейка 3 корня у зрелой свеклы не имеет ни листьев, ни боковых корней.

Тело 4 свекловичного корня, примыкающее к шейке, представляет собой самую верхнюю расширенную часть постепенно утончающегося корня свеклы. Эта часть (собственно корнеплод) и используется для извлечения сахара.

По бокам тела корня, располагаясь с противоположных сторон, находятся желобчатые углубления, из которых прорастают боковые корни 6, проникающие в почву примерно на 40-50 см. Длину тела корня считают до того места, где он имеет еще диаметр около 1 см; продолжение этой части называют свекловичным хвостом 5. Последний переходит в центральный (главный) корень 7, длина которого может достигать 1,5 м и более, охватывая своими боковыми отростками зону до 2 м² .

Многочисленные разветвления главного корня служат для удовлетворения большой потребности свеклы, относящейся к быстрорастущим растениям, во влаге и питательных веществах. Содержание сахара в свекловичном хвосте незначительно, и он используется в основном в качестве корма.

Свекловичный лист (рис. 9), не содержащий сахарозы, но содержащий 1 - 3 % моносахаридов, состоит из собственно листовой пластинки, пронизанной многочисленными сосудистыми пучками, и черешка, на котором держится лист.

На рис. 10 показана схема поперечного разреза листа.

Лист с верхней и нижней сторон защищен от потери влаги и проникновения микроорганизмов эпидермисом 2, который с внешней стороны усилен еще восковым слоем кутикулы 1.

В этом защитном слое находятся, главным образом, на нижней стороне, щелевидные отверстия (устьица) 3, которые связаны с межклеточными пространствами 5 и дыхательными полостями 4. Эти отверстия с помощью двух замыкающих клеток могут, в случае необходимости, открываться и закрываться и таким образом регулировать газовый и водный баланс растения.

К эпидермису примыкает мезофилл 6 (паренхимная ткань листа), верхний слой которой состоит из очень богатой хлорофиллом палисадной паренхимы 7. В этом слое находятся также кристаллические отложения (друзы) 8. От палисадной паренхимы до нижнего эпидермиса простирается губчатая паренхима 9 с большими межклеточными пространствами 5, содержащая значительно мeньшее количество хлорофилла.

В мезофилле в виде тонкой сетки расположены сосудистые пучки 10. Через них с одной стороны подводятся к свекловичному корню продукты ассимиляции (в т.ч. моносахариды), а с другой - вода и питательные вещества. Сосудистые пучки, кроме того, выполняют и механическую роль, придавая листьям определенную прочность.

Разветвленные боковые пучки соединяются в более толстом среднем пучке, который затем переходит в черешок листа (может быть различной длины); в черешке соединяется большое число сосудистых пучков. Последние расположены в паренхимной ткани., которая с поверхности также защищена эпидермисом, снабженным щелевидными отверстиями.

Корнеплод сахарной свеклы (рис. 11) обладает плотной, белой мякотью обычно имеет коническую форму с относительно небольшой головкой с двумя вертикальными бороздками. Из бороздок растут тонкие корешки с корневыми волосками, через которые растение получает из почвы влагу и питательные вещества. Корнеплод почти полностью заглублен в землю.

В зависимости от сорта и условий возделывания корнеплоды имеют коническую (удлиненную и укороченную), мешковидную и цилиндрическую форму. Корнеплоды конической формы более сахаристые, мешковидные - более урожайные. Корнеплоды фабричной свеклы должны быть крупными, гладкими, с высоким содержанием сахарозы.

Имеются следующие недостатки (дефекты) в строении корнеплодов (рис. 12).

Ветвистость (разветвление нижней части корнеплода или утолщение боковых корней) - появляется при мелкой вспашке, в каменистой почве. Такие корнеплоды хуже хранятся.

Дуплистость - образуется при разрыве тканей в корнеплоде вследствие неравномерного их нарастания. Дупла являются очагами грибковых и бактериальных заболеваний при хранении корнеплодов.

Многоголовчатость - проявляется при разрастании отдельных почек, поэтому на одном корнеплоде образуется несколько обособленных головок.

Бугристость и скрученность (боковые бороздки корнеплода идут винтообразно) - вызывается неравномерностью роста внутренних тканей корнеплода, повышенной плотностью почвы, неравномерностью распределения питательных веществ.

Масса корнеплода состоит из множества микроскопических клеток, среди которых различают (рис. 13) плотные, высохшие, непроницаемые для влаги клетки 1, составляющие верхнюю защитную кожицу корнеплода (эпидермис); клетки, образующие сосудистые пучки 3 (проводящая ткань), по которым влага и питательные вещества направляются в листья, а сахар и другие вещества из листьев - в корнеплод; клетки 2 паренхимной ткани, в которых накапливается и хранится основная масса свекловичного сока, содержащего сахарозу и другие растворимые в воде вещества. На поперечном разрезе корнеплода свеклы сосудисто-волокнистые пучки расположены кольцами, число их бывает 10-12 и более. Чем больше колец и гуще они расположены, тем выше Сахаристость свеклы. Самые молодые - это периферийные кольца сосудистых пучков, а самые старые - центральные.

Как и каждое растение, сахарная свекла состоит из очень большого числа клеток (Рис.14). Диаметр свекловичной клетки составляет около 40 мкм, так что в одном кубическом сантиметре свекловичной ткани содержится около 16 миллионов клеток.

В сахарной свекле бoльшая часть сахарозы находится в клетках паренхимной ткани, мeньшая - в клетках проводящей ткани (флоеме и ксилеме). Проницаемость клеточных стенок зависит от проницаемости протоплазмы, состоящей из пектоцеллюлозной оболочки 1, липопротеидной мембраны 2, прилегающей к оболочке клетки, цитоплазмы 3, тонопласта 4, находящегося на границе вакуоли 5, заполненной свекловичным соком, и ядра 6. Пектоцеллюлозная оболочка клетки образует в углах сопряженных соседних клеток межклетники 8, заполненные газом, жидкостью или веществом оболочки. Протоплазмы соседних клеток сообщаются друг с другом через плазмодесмы 7 - тонкие каналы в клеточной оболочке.

Объем клеточных оболочек вместе с межклетниками составляет 5-7 % всего объема клетки.

Протоплазма - полупроницаемая перегородка, которая пропускает воду и не пропускает из клетки растворенные в соке вещества. Основное сопротивление проникновению веществ в клетку и выходу из неё создают мембраны, окружающие протоплазму, и включенные в неё органеллы. Поэтому скорость диффузии вещества в живой растительной ткани на несколько порядков ниже, чем в чистых жидкостях. Чтобы разрушить мембраны и облегчить экстракцию сахарозы из клеток свекловичной ткани. Её нагревают до температуры денатурации белков (выше 60^оС). При этом белок протоплазмы свертывается и в оболочке клетки открываются поры, обеспечивающие экстрагирование сахарозы и других растворенных веществ из вакуоли клетки в окружающую среду.

Рост тканей обусловлен делением клеток. При этом клеточное ядро и протоплазма распределяются на две равные части, разделяемые образующейся срединной перегородкой.

Клетки в зрелом корне отделены друг от друга и образуют межклеточное пространство в виде системы каналов, простирающихся до наружной поверхности корня. Каналы служат для газообмена клеток с атмосферным воздухом при дыхании.

Углевод сахароза (дисахарид - С₁₂Н₂₂О₁₁, состоящий из моносахаридов - С₆Н₁₂О₆ - глюкозы и фруктозы) в клетках листа образуется в результате фотохимического процесса ассимиляции. Исходными веществами процесса являются диоксид углерода (СО₂), поступающий из воздуха, и вода, поступающая из почвы.

При ассимиляции СО₂ в качестве промежуточного продукта образуется формальдегид СН₂О, который конденсируется в моносахариды (глюкоза, фруктоза и пр.). Молекула моносахарида образована из 6 молекул формальдегида.

По современным представлениям фотохимическая реакция образования моносахарида состоит из двух процессов:

1 - фотохимическое разложение воды под действие водородного акцептора Х:

2Н₂О + 2Х ® 2(Х · 2Н) + О₂ .
При этом установлено, что присоединение водорода к акцептору Х может осуществляться только под действием солнечной световой энергии;

2 - восстановление СО₂ за счет энергии, полученной при фотолизе воды; этот процесс не требует солнечной энергии и может протекать в темноте:

СО₂ + 2 (Х · 2Н) ® СН₂О + Н₂О + 2Х.

В общем виде реакция образования моносахаридов осуществляется по уравнению

                                                     свет
6СО₂ + 12Н₂О + 2870 кДж/моль ® С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ + 6 Н₂О
                                                           хлорофилл

Как видно, реакция требует затраты энергии. Эта энергия доставляется солнцем и усваивается с помощью хлорофилла (пигмента зеленых листьев), который является химической смесью двух содержащих магний красящих веществ.

В листе происходят взаимные превращения моносахаридов (глюкозы во фруктозу и др.) и при участии ферментных систем - переход их в дисахарид сахарозу и в незначительном количестве - в крахмал и декстрины. Часть моносахаридов идет на образование и рост клеточных тканей и используется корнем как материал для дыхания. Сахароза, синтезирующаяся в листьях, транспортируется по сосудистой системе в корень, где и накапливается.

Кроме ассимиляции, для жизнедеятельности свеклы, как и для каждого растения, необходимым является дыхание. Оба эти процесса протекают совместно. В то время как ассимиляция происходит исключительно в зеленых частях растений и только при свете, все живые органы растения днем и ночью вдыхают кислород и выдыхают углекислоту.

В противоположность ассимиляции при дыхании освобождается энергия. Дыхание протекает по общей формуле:
С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ ® 6 СО₂ + 6 Н₂О + 2870 кДж/моль

Большую часть органических веществ, расходуемых при дыхании, составляют моносахариды. Но наряду с этим при дыхании могут разлагаться и кислоты (на углекислоту и воду).

Сахароза (в дальнейшем - сахар) в корне распределяется неравномерно (рис. 15).

Наибольшее содержание сахара - в центральной части корня, минимальное - в головке корня и немногим больше, чем в головке, в хвостике. Размер корня не всегда определяет его низкую или высокую Сахаристость.

Наиболее ценной составной частью корня свеклы является сахар. Содержание сахара в свекле (Сахаристость) колеблется от 15 до 21 % и для свеклы среднего качества составляет около 17,5 %.

Корень свеклы состоит из воды и сухих веществ, под которыми разумеются все вещества, остающиеся после удаления воды высушиванием. свекла среднего качества имеет следующий состав (в %):

сухие вещества - 25,   вода - 75,   итого - 100

Часть сухих веществ свеклы растворена в содержащейся в ней воде и образует свекловичный сок. Другая часть сухих веществ - мякоть - находится в нерастворенном состоянии. Мякоть, нерастворимая в вода, связывает, однако, часть воды, которая не входит в состав сока. С этой стороны свекла среднего качества характеризуется следующими данными (в %):

сок - 92,   мякоть - 5,   связанная вода - 3,   итого - 100

Сухие вещества свеклы состоят из сахара и несахара; в свекле среднего качества содержится (в %):

сахара - 17,5,   несахара - 7,5,   итого - 25,0

Несахар состоит из мякоти и несахара, растворенного в соке вместе с сахаром. В свекле среднего качества содержится (в %):

мякоти - 5,0,   несахара сока - 2,5,   итого - 7,5

Как указывалось ранее, в свекле среднего качества содержится 92% свекловичного сока; он состоит из следующих веществ (в %):

сахар - 17,5,   несахар сока - 2,5,   вода - 72,0,   итого - 92,0

Пользуясь этими данными, можно определить состав свекловичного сока (в %% к массе сока):

На основании этих данных можно вычислить процентное содержание сахара в соке к общей массе сухих веществ. Это так называемая чистота сока.

Чистота свекловичного сока будет равна: 19,0 х 100 / 21,7 = 87,6%

Все приведенные данные являются примерными, близкими к среднему составу свеклы, и могут колебаться в зависимости от условий произрастания свеклы. В частности, чистота сока колеблется от 80,0 до 90,0 %. В России она обычно бывает в пределах 85-89 % .

Чем больше сахара содержит свекла и чем выше чистота её сока, тем лучше свекла с точки зрения производства сахара.

В корнеплодах сахарной свеклы присутствуют (см. схему "Состав сахарной свеклы") растворимые и нерастворимые несахара, к которым относят все сухие вещества свеклы, кроме сахарозы.

Растворимые несахара - это моносахариды, "безвредные" азотистые органические соединения (белки, аминокислоты), "вредные" азотистые органические соединения (бетаин, амиды и соли аммония) и безазотистые органические соединения (гидратопектин, органические кислоты, жир и липиды, сапонин), пектин, зольные компоненты (окислы калия, магния, кальция, железа, фосфаты, сульфаты, силикаты, хлориды и др.); нерастворимые сахара - целлюлоза, гемицеллюлоза, протопектин, белки, лигнин, зола и сапонин. Нерастворимые несахара образуют мякоть свеклы.

При переработке корнеплодов нерастворимую обессахаренную свекловичную массу в виде жома выводят из завода и используют на корм скоту. Растворенные несахара только частично удаляются при очистке диффузионного сока и на следующих стадиях производства. Они затрудняют проведение технологических процессов и способствуют увеличению потерь сахарозы с мелассой, поэтому их называют "вредными" несахарами.

Примерная кормовая ценность сахарной свеклы и отходов, получаемых при её уборке и переработке

При рассмотрении физических (физико-механических, теплофизических, физико-химических) характеристик свеклы необходимо различать индивидуальный корнеплод и свекловичную массу, т.е. совокупность некоторого количества корнеплодов и содержащихся в этой массе примесей как прилипших к поверхности корнеплода, так и находящихся в промежутках между корнеплодами.

Физические свойства корнеплодов и свекловичной массы весьма разнообразны.

Некоторые характеристики отдельного свекловичного корнеплода:

Свеклу в насыпи (свекловичную массу) можно рассматривать как сыпучее тело, приближающееся по своим свойствам скорее к структурно вязкой жидкости, чем к твердому телу.

Некоторые характеристики свекловичной массы: