Сахар и заменители сахара

САХАР И ЗАМЕНИТЕЛИ САХАРА

Сахар — это пищевой продукт, состоящий из сахарозы высокой степени чистоты. Вырабатывается два вида сахара: сахар-песок и сахар-рафинад.

Сахароза имеет приятный сладкий вкус. В водных растворах сла­дость сахарозы ощущается при концентрации около 0,4%. Растворы, содержащие свыше 30% сахарозы, приторно-сладкие.

Сахароза быстро и легко усваивается. В организме под действием ферментов она расщепляется на глюкозу и фруктозу. Сахароза исполь­зуется организмом человека как источник энергии и как материал для образования гликогена, жира, белковых и углеродных соединений.

Энергетическая ценность 100 г сахара составляет 1565-1569 кДж (374 ккал). Ощущение сладкого вкуса сахара возбуждающе дей­ствует на центральную нервную систему, способствует обострению зрения и слуха.

Сырьем для выработки сахара служат сахарная свекла (около 45%) и сахарный тростник, произрастающий в районах с тропическим и суб­тропическим климатом. Для производства сахара используют также та­кие растения-сахароносы, как сорго, кукуруза, пальма. Отечественная промышленность вырабатывает сахар из сахарной свеклы. Тростнико­вый сахар ввозят в виде полуфабриката — сахара-сырца, который пере­рабатывают в товарный белый сахар.

3.1. Сахар-песок

В России отечественным сырьем для производства сахара являются ве­ретенообразные белого цвета корнеплоды сахарной свеклы. Корнепло­ды содержат 72-75% воды и 25-28% сухих веществ. В сухом веществе имеется 15-22% сахарозы, остальную часть составляют (несахара): азо­тистые (1,1%), безазотистые (0,9%), минеральные вещества (0,5%) и др.

3.1.1. Физико-химические свойства сахарозы

Сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) представляет собой дисахарид с общей эмпирической формулой С12Н22Ои, состоящий из

4 Зак. 515

двух равный частей моносахаридов: d-глюкозы и d-фруктозы. Эти моно­сахариды соединяются друг с другом гликозидными группами: глюкоза в а-конфигурации и фруктоза в (3-конфигурации. В молекуле сахарозы глюкоза находится в форме пиранозы (кольцо пирана), а фруктоза — в фуранозидной форме (кольцо фурана). Таким образом, сахароза — это ос-с!-глюкопирапозил-Р-с1-фруктофуранозид.

Известны 15 видов кристаллов сахарозы, часто наблюдаются двой­никовые кристаллы, форма кристаллов зависит от условий процесса кристаллизации, примесей в исходном растворе и степени пересыще­ния сахарозой этого раствора. Чистые кристаллы сахарозы прозрачны и бесцветны.

Сахароза, полученная в распылительной сушилке, не является кри­сталлической. Частицы этого продукта имеют вид мельчайших шаров, и хотя часто эту сахарозу называют аморфным сахаром, ее можно рас­сматривать как переохлажденную жидкость.

Кристаллы размером 1,5-2,5 мм относятся к крупной фракции, разме­ром 0,5-1,5 мм — к средней, размером 0,2-0,5 мм — к мелкой фракции.

Концентрированные минеральные кислоты оказывают на саха­розу обезвоживающее действие. В начале реакции образуются гу-миновые кислоты, а в дальнейшем получается обуглившийся сахар и летучие вещества.

В водных растворах сахароза под влиянием кислот, присоединяя воду, расщепляется (процесс инверсии) на свои составные части — глюкозу и фруктозу. Полученная смесь вращает плоскость поляризации влево.

В этиловом и метиловом спиртах (абсолютных), а также в большин­стве органических .растворителей сахароза практически не растворяется.

Под действием ферментов карбогидраз (мальтазы и инвертазы), а также различных дрожжей, плесеней и бактерий, выделяющих энзим инвертазу, сахароза разлагается на глюкозу и фруктозу.

Щелочные и щелочноземельные металлы при взаимодействии с са­харозой образуют соединения, называемые сахаратами (кальциевые, бариевые, стронциевые).

Сахароза содержит несколько асимметрических углеродных атомов и поэтому оптически активна, т. е. вращает плоскость поляризации света.

Раствор 26 г чистой сахарозы в 100 мл дистиллированной воды при анализе его в поляриметрической трубке длиной 200 мм при 20 °С в поляриметре (сахариметре) вращает плоскость поляризации вправо на 100 °S (градусов Международной сахарной шкалы).

Удельное вращение (в натриевом свете при длине волны 589,25 мкм) составляет + 66, 529 °.

Товарный сахар-песок представляет собой сыпучий продукт, состо­ящий из кристаллов сахарозы. Свободные примеси не допускаются, но в процессе производства несахара могут адсорбироваться внутри кристаллов сахарозы и на их поверхности в виде тонкой пленки. Неса­хара содержатся в сахаре в незначительных количествах.

Содержание сахарозы в сахаре-песке не менее 99,75%, в сахаре-ра­финаде — 99,9%. Массовая доля влаги составляет 0,14% в сахаре-песке и 0,1% — в сахаре-рафинаде. Кроме того, во всех видах сахара присут­ствуют минеральные веществ (Na, К, Са, Fe) — около 0,006%.

3.1.2. Производство сахара-песка

Основные стадии производства сахара-песка: переработка свеклы — удаление примесей, мойка и нарезка в стружку (в узкие тонкие пла­стины); получение диффузионного сока; очистка сока от механических примесей и несахаров; на следующей стадии сок сгущают путем выпа­ривания, затем следует кристаллизация сахара из сиропа, отделение кристаллов сахара от межкристальной жидкости; на последней стадии проводят сушку, охлаждение и освобождение кристаллов от ферро­магнитных примесей и комков сахара.

Для извлечения сахара из свеклы применяется обработка тонко нарезанной свеклы водой при нагревании. Из тонко нарезанной стружки сахар извлекается более быстро и полно, чем из толстой. Переход сахара и растворимых несахаров из свеклы в воду соверша­ется вследствие диффузии. Поэтому такой метод получения сока из свеклы называется диффузионным. Свекольную стружку загружа­ют в диффузоры с водой, имеющей температуру 80 °С. Диффузия происходит только в том случае, если стенки клеток разрушены на­греванием, иначе белковые вещества, выстилающие стенки, задер­живают этот процесс. Загрузка диффузоров и подача воды осуществля­ется по принципу противотока: с одной стороны в батарею загружают свекольную стружку, с другой — подают теплую воду. Для получе­ния более концентрированных соков вода подается на наиболее обес­сахаренную стружку, а жидкие первоначальные соки переходят из диффузора в диффузор, повышая концентрацию сахара. Из после­днего диффузора, заполненного свежей стружкой, сок выходит с максимальной концентрацией сахара.

Полученный таким образом диффузионный сок содержит 15-17% сухих веществ, состоящих на 80-90% из сахарозы. Вместе с сахарозой, которая экстрагируется почти полностью, из свекловичной стружки в диффузионный сок переходит и часть несахаров: общего азота и ок­сидов калия, натрия, магния — 60-70%, аминного и аммиачного азо­та — до 95%, оксидов кальция — 10%, фосфора — 75-80%. Из разор­ванных клеток стружки вымывается до 30% белка. Остальная масса несахаров удерживается в клеточных стенках свеклы.

Присутствие в соке несахаров затрудняет непосредственное полу­чение кристаллического сахара. Редуцирующие вещества в процессе производства сахара претерпевают большие превращения: при нагре­вании образуется оксиметилфурфурол, в щелочной среде они способ­ны осмоляться с образованием сахарумовой, глициновой и других кислот, темноокрашенных гумминовых веществ. При взаимодействии редуцирующих веществ с аминокислотами накапливаются мелано-идины коричневого цвета. Продукты щелочного разложения редуци­рующих веществ и меланоидины являются основными компонентами красящих веществ, содержащихся в кристаллах готового сахара.

Около 40% сапонинов сахарной свеклы переходит в диффузионный сок. Они отличаются большой поверхностной активностью, вызыва­ют пенообразование в растворах. С кальцием сапонин образует нера­створимую соль, которая при очистке сока полностью осаждается. Однако следы сапонина часто находят в готовом сахаре. Рафиноза, присутствующая в диффузионном соке, способствует образованию кристаллов сахарозы неправильной формы. Пектиновые вещества затрудняют очистку сока, продукты их распада ухудшают качество сахара. Из минеральных веществ не полностью удаляются при очист­ке диффузионного сока катионы калия и натрия, анионы соляной и азотной кислот. Минеральные вещества свеклы определяют в основ­ном состав золы сахара. Кроме того, в диффузионном соке содержится много мелких частиц мезги свеклы, он быстро темнеет и пенится.

Известно много способов очистки диффузионного сока, но на прак­тике применяются только самые дешевые и эффективные. Такими в настоящее время являются способ обработки диффузионного сока из­вестью — дефекация с последующим удалением ее избытка диоксидом углерода — сатурация.

Дефекация проводится в два этапа: преддефекация и основная дефекация.

На преддефекации происходит коагуляция частиц коллоидной ди­сперсности и высокомолекулярных соединений (белковых и пектиновых веществ). Коагуляция происходит в результате образования ионом каль­ция с анионами белка нерастворимых соединений. Также ионы кальция, присутствующие в диффузионном соке, вступая в реакцию с анионами ряда органических кислот, образуют слаборастворимые, выпадающие в осадок соли кальция. При такой нейтрализации осаждается большая часть анионов щавелевой и винной кислот, частично анионы лимонной, яблочной и уксусной кислот. Другие безазотистые органические кисло­ты, а также аминокислоты и бетаин остаются в растворе.

Кислоты, реагирующие с кальцием, находятся в диффузионном соке не только в свободном состоянии, но И в виде растворимых со­лей калия, натрия и других металлов. Поэтому происходит еще одна химическая реакция — реакция осаждения, или двойного обмена. Из минеральных кислот почти полностью осаждаются анионы фос­форной и частично — серной кислот. Кроме ионов кальция осаждаю­щим действием обладают и гидроксильные ионы, вызывающие осаж­дение катионов магния, алюминия, железа, имеющихся в соке в небольшом количестве.

Таким образом, на преддефекации под действием ионов гидрокси-ла и кальция полностью заканчиваются реакции нейтрализации кис­лот, коагулирует большая часть веществ коллоидной дисперсности и осаждается около половины анионов фосфорной, щавелевой, уксус­ной, лимонной, яблочной, винной кислот, катионов солей магния, алюминия, железа. Однако реакции разложения амидов кислот, ре­дуцирующих и пектиновых веществ, жира из-за недостаточной кон­центрации гидроксильных ионов только начинаются, и для их завер­шения требуются длительное время, высокая щелочность и высокая температура.

При основной дефеккции происходит разложение солей аммония и амидов кислот с выделением аммиака и в растворе накапливаются ра­створимые соли кальция. Они увеличивают потери сахарозы и затруд-11 я ют ее кристаллизацию. Редуцирующие сахара в щелочной среде бы­стро разрушаются, образуя молочную и муравьиную, уксусную и Цругие кислоты. Часть продуктов распада редуцирующих Сахаров и амниосоединений идет на образование различных групп красящих ве­ществ. Жиры в щелочной среде омыляются, образуя глицерин и нера-■ творимые кальциевые соли высших жирных кислот. При этом соли it 1,1 падают в осадок, а глицерин остается в растворе. Пектин разлагает-i'ic образованием метилового спирта, уксусной и полигалактуроно-|и и"| кислот. Метиловый спирт при выпаривании сока улетучивается, I < усная кислота остается в растворе в виде уксусно-кальциевой соли, .1 иплигалактуроновая кислота дает желатинообразный осадок пекта-Кальция.

Таким образом, дефекованный сок содержит: в растворе — сахаро­зу, гидроксиды калия и натрия, растворенные частицы извести, ра­створимые кальциевые соли некоторых аминокислот, амидов, а также всех органических кислот, образующихся в результате разложения ре­дуцирующих веществ, другие растворимые несахара; в осадке — коа­гулят белковых и пектиновых веществ, сапонина, соли щавелевой, фосфорной и других кислот, не растворившиеся частицы извести.

После дефекации нефильтрованный диффузионный сок обраба­тывают сатурационным газом, содержащим диоксид углерода. Сату­рация проходит также в два этапа. После каждой сатурации диффу­зионный сок фильтруют под давлением через специальные фильтры.

При сатурации диоксид углерода вступает в реакцию с гидроксидом кальция и образует карбонат кальция. На положительно заряженной поверхности кристаллов карбоната кальция адсорбируются несахара сока, в том числе продукты распада пектиновых веществ, аминокисло­ты, соли карбоповых кислот, красящие вещества. Кроме того, образую­щийся кристаллический осадок СаС03 служит основой для создания фильтрующего слоя и улучшает процесс фильтрации.

После фильтрования сок становится прозрачным, но имеет еще сла­бо желтую окраску. Чтобы обесцветить сок и улучшить цвет сахара, проводят операцию сульфитирования, т. е. через сок пропускают сер­нистый газ, который восстанавливает красящие вещества, осаждает известь, делая раствор бесцветным. Кроме того, сернистый газ улуч­шает и процесс кристаллизации сахарозы.

В настоящее время в сахарной промышленности применяют метод более глубокой очистки соков, который повышает их качество и по­зволяет получить полностью обесцвеченные соки. Этот метод заклю­чается в том, что очищенный обычным способом сок обрабатывают активными ионообменниками или ионитами. Иониты представляют собой искусственные смолы, насыщенные группами SC^H или NH2. Иониты обладают способностью отдавать свои водородные или гид-роксильные ионы и поглощать взамен их из раствора содержащиеся в нем другие ионы одноименного заряда.

Смолы, содержащие группу S03H, называют катионитами. При пропускании через них сока все катионы посторонних веществ задер­живаются смолами, раствор же получает ионы Н+. В результате этого количество минеральных веществ сока снижается. Смолы, насыщен­ные группой NH2 и обладающие функциональной группой ОН", на­зываются анионитами; в процессе фильтрации сока они поглощают анионы, отдавая в раствор свой ион ОН".

Очищенный таким образом диффузионный сок, потерявший значительную часть несахаров и получивший взамен чистую воду (Н+ + ОН), поступает на выпаривание и уваривание.