Строение, состав и свойства сахарной свеклы

Оглавление

2.1.3.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).

Фабричная свекла
Рисунок 8. Фабричная свекла

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 .

Свекловичные листы
Рисунок 9. Свекловичные листы

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.

Схема поперечного разреза свекловичного листа
Рисунок 10. Схема поперечного разреза свекловичного листа

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
Рисунок 11. Корнеплод сахарной свеклы

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).

Дефекты строения корнеплодов
Рисунок 12. Дефекты строения корнеплодов

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.

Поперечный разрез корня свеклы
Рисунок 13. Поперечный разрез корня свеклы

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.

Клетка паренхимной ткани свеклы
Рисунок 14. Клетка паренхимной ткани свеклы

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 60оС). 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:

2О + 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).

Распределение сахара в корнеплоде свеклы в %% (за 100% принято максимальное содержание)
Рисунок 15. Распределение сахара в корнеплоде свеклы в %% (за 100% принято максимальное содержание)

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):

сухие вещества (17,5+2,5) х 100 / 92,0 = 21,7
сахар 17,5 х 100 / 92,0 = 19,0
несахар 2,5 х 100 / 92,0 = 2,7
вода 72,0 х 100 / 92,0 = 78,3
Итого (сухие вещества + вода, или сахар + несахар + вода) 100,0

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

Продукт Содержание в 100 кг
кормовых единиц перевариваемого протеина, кг кальция, г фосфора, г каротина, г
Сахарная свекла 26,0 1,2 50 50
Ботва сахарной свеклы 20,0 2,2 160 40 3
Силос из ботвы 12,0 2,2 130 40 1
Жом свежий 8,0 0,9 70 10 0,020
Жом кислый 10,0 0,8 120 10
Жом сушеный 85,0 3,9 470 120
Меласса 77,0 4,5 300 30

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:

- длина (для расчета органов машин, перерабатывающих свеклу, принимается 200 мм) 100 - 200 мм
- угол конуса корня 22 - 26о
- масса 350 - 600 г
- плотность (масса единицы объема) 1080 - 1120 кг/м3
- удельная поверхность 0,6 - 1,2 см2
- коэффициент трения корня по стальной поверхности 0,22 - 0,52
- сопротивление сжатию 100 - 500 кг
- предельное напряжение при сжатии 24,7 кг/см2
- удельное сопротивление резанию (показатель прочности и деформируемости, определяется работой, которая требуется, чтобы разрезать единицу поверхности свеклы):
      нормальная свекла 0,8 - 1,4 см·кг/см2
      деревянистая свекла более 1,4 см·кг/см2
- удельное электрическое сопротивление свекловичной ткани (электрическое сопротивление "условной" свекловичной ткани площадью поперечного сечения 1 м2 и длиной 1 м) 40 - 50 Ом·м
- модуль упругости (показатель, характеризующий состояние упругости и эластичности тканей свеклы и тургора; представляет собой величину напряжения, при превышении которой материал получает остаточную деформацию):
      свежая свекла 64 - 140 кг/см2
      вялая свекла до 18 кг/см2
- температуропроводность (характеризует способность свекловичного корня воспринимать внешнюю температуру во времени, т.е. скорость распространения температуры в корне) 10,6 - 12,3 м2
- удельная теплоемкость (количество тепла, которое должен воспринять 1 кг свеклы, чтобы повысить свою температуру на 1оС) 3,4 - 3,5 кДж/кг·оС
- теплопроводность (количество тепла, которое может провести через себя корень за определенный отрезок времени непосредственно своими молекулами и воздухом внутри себя в результате молекулярного движения; сюда не относится передача тепла в связи с конвекцией воздуха и лучеиспусканием) 0,4 - 0,8 Вт/м·оС
- водородный показатель свекловичного сока 5,7 - 6,4 рН
- водопоглощение (способность корня впитывать воду) 12 - 17 %
- точка (температура) замерзания -2,4-4,1оС
- коэффициент диффузии сахарозы (скорость, с которой сахароза диффундирует через свекловичную ткань) 0,9 · 10-5 см2

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:

- насыпная масса
      мытая свекла 570 - 650 кг/м3
      немытая свекла 700 - 820 кг/м3
- угол естественного откоса (угол между плоскостью и образующей конуса, появляющегося при свободном падении на эту плоскость - пол или земля - свекловичной массы) 38 - 40о
- скважистость (отношение объема межкорневых пространств к общему объему свекловичной массы) 30 - 40 %

2.1.2. Ботаническая характеристика сахарной свеклы 2.1.4. Возделывание сахарной свеклы

Новости

Аналитика и интересное о сахаре

News in English (delayed)