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).
 |
| 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 .
 |
| 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.
|
| 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.
|
| 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).
|
| 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.
|
| 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.
|
| 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:
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).
|
| 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 | 0 |
| 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 | 0 |
| Жом сушеный | 85,0 | 3,9 | 470 | 120 | 0 |
| Меласса | 77,0 | 4,5 | 300 | 30 | 0 |
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/г |
| - 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/с |
| - 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/с |
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 |
3 )
КОММЕНТАРИИ