Вільні амінокислоти, бетаїн, нітрати та нітрити у процесі виробництва високоякісного цукру

 

(За матеріалами журналу «Цукровий бізнес»», №3 (5), серпень 2018 р.).

Вільні амінокислоти, бетаїн, нітрати та нітрити — це розчинні сполуки азоту, задіяні в процесі виробництва цукру з цукрових буряків. Ці сполуки перешкоджають ефективному виробничому процесу та негативно впливають на кількість та якість виробленого цукру, а також на якість меляси та жому, які є цінними кормовими добавками. Зазвичай при визначенні якості та придатності цукрових буряків для промислової переробки враховується тільки вміст вільних амінокислот, хоча інші розчинні сполуки азоту також мають значний вплив на виробництво цукру.

Тому в даній статті взято за основу загально відомі знання про відібрані сполуки азоту та невирішені проблеми на цьому етапі, а також знання, які потребують детальнішого огляду та оновлення.

Усі розчинні сполуки азоту, які містяться в цукрових буряках, неможливо видалити під час очищення коренів. Вони негативно впливають на процес виробництва цукру та називаються «шкідливим азотом». Найважливішими компонентами розчинних сполук азоту, які впливають на виробничий процес, є вільні амінокислоти, бетаїн, нітрати та нітрити.

Розчинний азот негативно впливає на кількість та якість виробленого цукру, а також на якість побічних продуктів, таких як меляси та бурякового жому, які є цінними кормовими добавками. Компоненти розчинного азоту також призводять до скорочення значення рН цукрових сиропів, що викликає зниження їх термостійкості та негативно впливає на виробничий процес.

Вміст розчинного азоту у цукрових буряках залежить від агрономічних чинників, серед яких особливе значення відіграє коефіцієнт азотних добрив, реалізована сільськогосподарська практика, а також умови навколишнього середовища, що склалися під час росту та розвитку цукрових буряків, включаючи погодні умови у певному сезоні та у певній місцевості.

Висока концентрація вільних амінокислот та бетаїну може бути результатом осмотичної стресреакції цукрових буряків під час вегетаційного періоду.

Надмірне або пізнє застосування азотних добрив також призводить до збільшення вмісту вільних амінокислот, бетаїну та нітратів у цукрових буряках.

Різниця у хімічному складі та вмісту розчинного азоту зумовлена, головним чином, прогресом у вирощуванні та виведенні нових сортів цукрового буряка, а також змінами коефіцієнту використання азотних добрив рослинами. Вміст розчинного азоту у головці кореня у декілька разів вищий, ніж у самому корені, що залежить, переважно, від листя, яке залишилося після зрізання бадилля.

Ефективність виробництва цукру багато в чому залежить від якості сировини. Хороша технологічна якість цукрового буряка означає високу концентрацію сахарози та низьку концентрацію нецукрів, які впливають не лише на кількість і якість виробленого цукру, а й на якість побічних продуктів.

Усі розчинні компоненти азоту, які містяться у цукровому буряку, негативно впливають на процес виробництва білого цукру. Проте, при визначенні якості цукрових буряків і їх придатності для переробки враховується лише вміст вільних амінокислот, при тому що інші розчинні сполуки азоту також мають значний вплив на процес виробництва цукру. Тому для точнішого визначення якості цукрових буряків до основних параметрів оцінки якості сировини також необхідно віднести бетаїн або загальний розчинний азот. Окрім того, це має дуже важливе значення при визначенні якості цукрових буряків, які виросли в умовах, що викликають осмотичний стрес, наприклад, при посусі. Якщо визначення придатності такого буряка для промислової переробки ґрунтується лише на вмісті вільних амінокислот та сполук азоту, то це може викликати неточне визначення технологічної цінності сировини.

Вміст вільних амінокислот можна розглядати як спосіб визначення загального вмісту розчинного азоту у цукрових буряках, оскільки існує значна кореляція між цими двома параметрами, але лише при оцінці технологічної якості цукрового буряка, який не зберігався або не був вирощений в умовах осмотичного стресу. Тільки у цьому випадку вміст вільних амінокислот є характерним для загального розчинного азоту.

Із практичної точки зору, ні бетаїн, ні загальний розчинний азот не визначаються на цукрових заводах, щоб вирахувати технологічну якість цукрового буряка, незважаючи на їх значний вплив на виробничий процес, а отже, й на якість цукру та побічної продукції.

Вільні амінокислоти

Амінокислоти містяться у цукрових буряках або у вільній формі, або зв'язані в білок. Кількість амінокислот у вільній формі варіюється та залежить від кліматичних умов, що склалися під час росту та розвитку цукрових буряків (сонячна радіація, опади) та застосованих агрономічних заходів (внесення добрив, ЗЗР). При збільшенні подачі азоту, а також у відповідь на осмотичний стрес, який виникає під час розвитку цукрових буряків, вміст вільних амінокислот суттєво зростає.

Із плином часу частка вільних амінокислот у вмісті розчинного азоту змінилася, і тому в хімічному складі має амінокислоти. Зміни хімічного складу та обсягів вільних амінокислот обумовлені, переважно прогресом у вирощуванні та виведенні нових сортів буряків, а також змінами коефіцієнту використання азотних добрив рослинами. Цукрові буряки мають найбільшу концентрацію глутаміну, за ним поперемінно слідують γ-аміномасляна кислота, аспарагінова кислота, глутамінова кислота та аспарагін. У високоякісній сировині вміст вільних амінокислот повинен бути настільки низьким, наскільки це можливо.

Ступінь збільшення вмісту амінокислот під час зберігання цукрових буряків залежить від тривалості та температури зберігання, а також сорту цукрового буряка. Чим довша тривалість та вища температура зберігання, тим більший вміст вільних амінокислот. У даний час все більше нових сортів цукрових буряків мають низький рівень вільних амінокислот, що покращує їх технологічну якість. Вміст вільних амінокислот збільшується у тій чи іншій мірі при зберіганні цукрових буряків після гідролізу (розщеплення) білків.

У багатьох країнах вміст вільних амінокислот, а також вміст натрію та калію є основними показниками технологічної цінності та придатності цукрових буряків для промислової переробки. Для визначення якості сировини використовуються багато різних формулювань, які базуються на різних значеннях та параметрах, але всі вони враховують вміст вільних амінокислот. Відповідно, застосування різних формулювань призводить до отримання різних значень однієї і тієї ж сировини. Виходячи з вмісту вільних амінокислот, визначають такі параметри, як чистота соку, втрати цукру в мелясі та вихід цукру.

Близько 95% вільних амінокислот переходять з цукрового буряка у дифузійний сік під час екстракції. Вільні амінокислоти вступають в реакцію з інвертним цукром, у результаті чого утворюються забарвлені сполуки (меланоїдини) в реакції Майяра. Формування меланоїдин може починатися вже тоді, коли буряк нарізаний на стружку, після чого швидкість реакції Майяра значно зростає під час наступних етапів процесу: екстракції, дефекації, випаровування та кристалізації. Тип проміжних продуктів та продуктів реакції Майяра, загалом, залежить від таких факторів, як температура, значення рН, час нагрівання, вміст води та тип реагентів.

Визначено наступну реакційну здатність вільних амінокислот, які беруть участь у реакції Майяра: γ-аміномасляна кислота, лізин > аспарагінова кислота, пролін, фенілаланін > лейцин, глутамінова кислота, гліцин > аланін, валін.

Усі вільні амінокислоти по-різному впливають на процес виробництва цукру. Після депротонування глутамінової та аспарагінової кислот, викликаного зміною рН від 6 до 9, від дифузійного до сатураційного соку, лужність сиропів знижується, що призводить до погіршення їх якості. Лужна деструкція серину та треоніну в процесі очищення викликає утворення
гліцину і, як наслідок, підвищення його рівня у цукровому сиропі.

Глутамін має особливе значення, оскільки він сприяє утворенню барвників у цукрових сиропах під час випаровування та кристалізації. Під час очищення 75% глутаміну перетворюють у піроглутамінову кислоту, а решта (25%) перетворюються на глутамінову кислоту (Рис. 1). Гідроліз глутаміну та аспарагіну призводить до вивільнення аміаку, який накопичується у конденсатах, утворюються кислоти  — глутамінова кислота та аспарагінова кислота, відповідно (Рис. 2).

Якщо ці реакції відбуваються у вапоризаторі або випарних кристалізаторах, а не при очищенні соку, то значення pH та лужність знижуються, внаслідок чого сатураційний сік, що надходить до вапоризатора, втрачає свою стійкість до високих температур. Тому, під час основного вапнування необхідно якнайкраще зменшити вміст глутаміну. Основне скорочення вмісту α-амінокислот відбувається під час процесу основного вапнування.

Нітрати та нітрити

Вміст нітратів у цукрових буряках залежить переважно від коефіцієнту використання азотних добрив рослинами та кліматичних умов, що склалися під час вегетаційного періоду (сонячна радіація, опади). Нітрити містяться у цукрових буряках у невеликих обсягах, але активність термофільних бактерій, здатних зменшити кількість нітратів відносно нітритів, може призвести до збільшення вмісту нітритів.

Табл. 1. Мікробіологічна активність термофільних бактерій у процесі виробництва бурякового цукру

Мікробіологічна активність термофільних бактерій у виробництві бурякового цукру
Активні мікроорганізми Умови існування мікроорганізмів Наявність мертвих мікроорганізмів
Ошпарювання Зберігання буряків Теплообмінник
Екстракція Миття буряків Випаровування
Віджим жому Нарізання буряків Фільтр для цукрового сиропу
Попередня дефекація Вапнування  
Декальцинація Перша карбонація  
Кристалізація Фільтрація  
- Демінералізація  
- Транспортне пристосування  
- Сушіння, охолодження  
- Зберігання у кагаті  

Бурякова стружка, що проходить процес екстракції, є джерелом як нітратів, так і термофільних бактерій, активність яких може призвести до скорочення обсягів нітратів відносно нітритів. Зменшення обсягів нітратів із залученням термофільних бактерій відбувається переважно під час екстракції — в екстракторі та в ошпарювачі стружки. Хід цього процесу залежить в основному від якості та хімічного складу сировини, кількості, активності та типу бактерій бурякової стружки, задіяних у процесі екстракції, типу та параметрів системи екстракції.

Окрім екстракції, в процесі виробництва цукру нітрити також можуть бути сформовані в процесі попередньої дефекації, декальцинації та фільтрації. Залежно від режиму роботи окремих етапів процесу виробництва цукру (температура, значення рН, вмісту сухої речовини), термофільні бактерії відрізняються мікробною активністю (Табл. 1).

Активність термофільних бактерій під час екстракції може бути пригнічена комбінацією бактеріостатів, доданих до процесу екстракції, і відповідним температурним режимом. Протягом багатьох років формалін був основним і часто єдиним біоцидом, що застосовувався у цукровому виробництві. Оскільки в даний час підозрюється його канцерогенний ефект, доцільніше буде обрати інші біоциди. Тому в процесі виробництва цукру для придушення активності термофільних бактерій все частіше використовується екстракт хмелю, що містить β-кислоти: лупулон, колупулон та адлупулон. β-кислоти хмелю мають інгібуючий ефект на грам-позитивні бактерії. Грам-негативні бактерії та спори грам-позитивних бактерій, за деякими винятками, стійкі до цих кислот.

Більшість бактерій у цукрових сиропах є грам-позитивними. β-кислоти хмелю ускладнюють активність плазматичної мембрани грам-позитивних бактерій, тим самим пригнічуючи активний перехід цукру та амінокислот через плазматичну мембрану, що ускладнює ріст та активність цих бактерій.

Інші речовини, такі як смоляні кислоти, міристинова кислота, лауринова кислота, ундецилова кислота, деканова кислота, пальмітинова кислота, олеїнова та стеаринова кислоти, а також хлор, діоксид сірки, пероцтова кислота, глутаральдегід, перекис водню також були досліджені для визначення їх бактеріостатичних властивостей та потенційного використання у процесі виробництва цукру з метою пригнічення активності термофільних бактерій.

Деякі з досліджених сполук показали свою здатність кристалізуватися спільно з сахарозою, впливаючи на органолептичні властивості білого цукру, інші не мали ніяких гальмівних впливів на утворення нітритів або показали лише короткочасний ефект. Крім того, використання більшості з цих досліджених сполук значно збільшило витрати виробництва.

Меляса та буряковий жом є цінними продуктами у виробництві кормів для тварин. Дуже часто у тварин відбувається отруєння нітритами через споживання кормів із надмірним вмістом нітритів та нітратів, а також через напування худоби забрудненою нітратами водою.

Належне харчування тварин, що базується на використанні кормів, які гарантують високу ефективність виробництва тваринницької продукції, одночасно забезпечуючи безпеку, є одним із ключових питань в Європейському Союзі. Дуже важливо обмежити вміст нітритів у кормових добавках, тому що надмірні обсяги цих сполук негативно впливають на здоров'я тварин.

Нітрати та нітрити не адсорбуються на карбонаті кальцію під час очищення. Тому вони проходять через процес очищення і накопичуються у мелясі. Нітрити можуть взаємодіяти з діоксидом сірки, утворюючи імідосульфонову кислоту, яка, реагуючи з калієм, виробляє помірно розчинну сіль — імідосульфонат калію. При першій карбонізації цей продукт може розпастися на карбонатне вапно, якщо дифузійний сік піддається сульфітації. Однак, якщо сульфітація застосовується на більш пізній стадії — до сатураційного соку або цукрового сиропу, після перевищення певного рівня концентрації, імідосульфонат калію співкристалізується з білим цукром, значно підвищуючи вміст золи.

Було підтверджено, що навіть при повільній кристалізації імідосусульфонат калію вводиться у кристали сахарози. У результаті присутності імідосульфонату калію продукт нижчої кристалізації з високим вмістом золи може знову піддаватися вапнуванню та карбонізації, щоб усунути його шляхом адсорбції карбонату кальцію. Однак, така операція є економічно невигідною. Ефективніше уникнути цієї проблеми шляхом правильного процесу екстракції, щоб запобігти утворенню нітритів.

Якщо діоксид сірки використовується у реакціях із нітритом, його концентрація зменшується і недостатня для оптимального гальмування утворення кольорових сполук. Навіть невеликі обсяги нітритів, що утворюються у результаті активності термофільних бактерій, можуть викликати суттєве скорочення ефективності сульфітації та істотне збільшення кольоровості цукрових сиропів.

 Бетаїн

Гліцин бетаїну (триметилгліцин) синтезувався у хлоропластах за допомогою двоступеневого окислення холіну (Рис. 3).

У найвищій концентрації бетаїн присутній в епікотилі та в тканинах гіпокотилу в цукрових буряків при зберіганні. У цукрових буряках бетаїн має біологічну доцільність у метаболізмі амінокислот, функціонуючи як донор метильної групи, і допомагає підтримувати осмотичний баланс. Бетаїн високорозчинний у воді, а, отже, швидко потрапляє зі стружки у дифузійний сік. Завдяки високій хімічній стійкості, бетаїн не зазнає жодних змін у процесі виробництва цукру і накопичується переважно в мелясі. Незначний обсяг бетаїну може траплятися у віджатому жомі та в карбонатному вапні.

Вміст бетаїну в цукрових буряках (Табл. 2) залежить від кліматичних умов, що склалися у процесі росту та розвитку рослин, типу і швидкості внесення азотних, калієвих та натрієвих добрив, сорту цукрових буряків, густоти рослинного покриву. Осмотичний стрес, що виникає внаслідок посухи, вважається однією з основних причин зниження продуктивності виробництва цукрових буряків.

Табл. 2. Вміст бетаїну у цукрових буряках
Посилання Вміст бетаїну
Hoffman et al., 2009 13,8-17,8 ммоль/кг буряка
Hoffmann, 2006 52,9 ммоль/кг
Hoffmann and Marlander, 2005 10-15 ммоль/кг буряка
Beib, 1994 148-253 мг/100 г буряка

Бетаїн може накопичуватися у великих кількостях у коренях та пагонах, що призводить до зниження якості цукрового буряка. Під час зберігання цукрових буряків вміст бетаїну збільшується, зокрема, через холодні умови зберігання та зневоднення. Надмірна кількість накопиченого бетаїну негативно впливає на виробничий процес, що призводить до збільшення витрат у виробництві білого цукру, погіршення кристалізації та зниження рівня виходу цукру. Рівень бетаїну, а також вміст натрію та калію сильно впливають на чистоту цукрових сиропів та обсяги меляси. Таким чином, при визначенні якості та придатності цукрових буряків для промислової переробки слід враховувати вміст бетаїну. Це особливо актуально, коли розвиток цукрового буряка відбувається в умовах навколишнього середовища, які викликають осмотичний стрес, наприклад, посуха або якщо цукровий буряк зберігається протягом тривалого періоду.

Висновки

Вільні амінокислоти, бетаїн, нітрати та нітрити — розчинні сполуки азоту, що надходять у процес виробництва бурякового цукру. Ці сполуки перешкоджають виробничому процесу, негативно впливають на кількість та якість виробленого цукру, а також на якість побічних продуктів — меляси та бурякового жому, які є цінними кормовими добавками.

У даній статті обговорюється необхідність включення бетаїну, нітратів та нітритів до основних параметрів, що вказують на якість цукрового буряка. Це має особливе значення при визначенні технологічної якості цукрових буряків, які росли в умовах, що викликають осмотичний стрес, наприклад, посусі або зберігалися протягом довготривалого періоду.

Основна увага також зосереджується на проблемі формування нітритів у процесі виробництва цукру. Протягом багатьох років основним і часто єдиним біоцидом, який застосовувався в цукровому виробництві, був формалін. Оскільки в даний час підозрюється його канцерогенний ефект, доцільно обирати інші біоциди, які є безпечними для людини та навколишнього середовища, не впливають на якість виготовленого цукру, меляси та бурякового жому, що використовуються як корм для тварин.

Нові інгібітори, як із природних, так і з хімічних джерел, або їх комбінації повинні пригнічувати бактеріальну активність, що викликає утворення нітритів у процесі екстракції, а їхні залишки не повинні бути присутніми ні в кінцевому продукті — цукрі, ні в побічній продукції — мелясі та жомі. Крім того, задіяні біоциди мають інгібуючу дію на інші бактерії. Широко відомі природні біоцидні продукти, які в даний час використовуються для інгібування активності цих бактерій під час екстракції, є дорогими, а їх часте застосування може спричинити розвиток резистентних бактерій.

Хороша якість сировини після зберігання повинна характеризуватися найбільшою концентрацією сахарози та мінімальною концентрацією нецукрів, які впливають не лише на кількість та якість виробленого цукру, але і на якість побічних продуктів цукрового виробництва.


2944