Биология сахарной свеклы

Органические  кислоты. В корнеплодах свеклы содержатся щавелевая, малоновая, янтарная, яблочная, молочная, лимонная и другие кислоты. В сухом веществе корнеплода на их долю приходится 0,99-1,33%. Они играют важную роль в обмене веществ растения. Большая часть органических кислот при обработке диффузионного сока известью осаждается и может быть удалена из него.

Азотистые вещества. Они содержатся в корнеплоде в виде белков, представленных протеинами (альбумины, глобулины и др.) и протеидами (нуклеопротеиды и др.), а также в виде аминокислот (лейцин, изолейцин, тирозин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), амидов кислот (аспарагин, глутамин), органических оснований (бетаин, холин, лецитин), циклических производных мочевины (аллантоин), пуриновых оснований (гуанин, ксантин, гипоксантин, аденин) и минерального азота (соли азотной кислоты и аммиак).

Применительно к сахарному производству азот, содержащийся в корнеплодах, принято подразделять на белковый, амидоаммиачный и вредный. К вредному азоту относятся формы, которые в период технологического процесса добывания сахара попадают в диффузионный сок, не удаляются из него в процессе дефекации - сатурации (химическая обработка углекислым газом сахарного сока). Они и перехода в патоку, увеличивают выход патоки и потери сахара в ней. Принято считать, что одна часть вредного азота препятствует кристаллизации 25 частей сахара. К вредным формам азота относятся аминокислоты, бетаин, пуриновые основания и нитраты. Белковый, аммиачный и амидный азот в процессе производства сахара удаляется из диффузионного сока. Количество вредного азота в свекле определяют как разность между общим азотом и суммой белкового и амидо-аммиачного азота.

По данным П. М. Силина, в корнеплодах содержится следующее количество различных форм азота (% массы свеклы): общего азота -0,2, белкового - 0,115, аммиачного - 0,005, амидного - 0,015, бетаинового - 0,02, нитратного - 0,002, пуриновых оснований - 0,001, аминокислотного и прочего азота - 0,042.

Минеральные вещества (зола). На долю минеральных веществ (золы) приходится 0,5-0,8 % массы корнеплода. В золе корнеплода содержатся калий, натрий, кальций, магний, железо, фосфор, силиций, хлор, рубидий, цезий, ванадий, бор, марганец, цинк, а также встречаются литий, стронций, йод, медь и другие элементы. При этом 1/3 массы золы составляет калий. Относительно большее количество золы содержите в головке корнеплода, хвостике и периферийной части его. При переработке свеклы соли калия, натрия, хлора не удаляются из диффузионного сока, в результате чего увеличивается патокообразование и снижается выход сахара.

Жиры  и жироподобные вещества (липоиды). По результатам опытов П. М. Силина в корнеплоде содержится 0,03 % жира, по данным других исследователей - 0,13-0,21 %. Жироподобные вещества в корнеплоде представлены лецитином, а жирные кислоты - олеиновой, эруковой и пальмитиновой.

Распределение сахаров в корнеплоде. Сахара в различных частях корнеплода распределены неравномерно. Меньше их содержится в головке корнеплода, больше у основания шейки и в прилегающей к ней значительной части собственно корня. По направлению к хвостику количество сахаров убывает (рис. 5).

Исследования, проведенные А. С. Оканенко, показали, что в поперечном направлении в зонах колец сосудисто-волокнистых пучков содержание сахарозы изменяется мало. В центральной же, самой старой, части корнеплода, в звездочке, сахаристость обычно больше средней сахаристости (в паренхимной части звездочки содержание сахара резко снижается). В смежной межкольцевой паренхиме содержание Сахаров значительно меньше. Далее от центра их количество в паренхиме повышается и в зоне 4-5-го кольца сахаристость равна сахаристости в соответствующих зонах сосудисто-волокнистых пучков, а часто и больше. С 9-10-го кольца количество Сахаров заметно уменьшается.

Рис. 5. Содержание Сахаров (%) в разных

зонах и тканях корнеплода сахарной свеклы

(по А. С.  Оканенко)

Н. И. Орловский  считает, что подобная неравномерность распределения Сахаров в тканях корнеплода в горизонтальном направлении имеет некоторую связь с особенностью развития листового аппарата. Первые листья розетки наиболее мелкие и менее долговечные, они в большей степени связаны с центральными проводящими пучками корнеплода, в частности с паренхимой звездочки, содержащей меньшее количество Сахаров. Наиболее поздние осенние листья также мелкие, функционирующие в течение относительно короткого периода. Они тесно связаны преимущественно с тканями периферийных колец корнеплода, отличающихся пониженной сахаристостью. Самые крупные и наиболее долговечные листья, функционирующие в период интенсивного сахаронакопления, в большей степени связаны с сосудистыми кольцами средней части корнеплода, где содержание Сахаров самое высокое.

Опыты с искусственным  удалением листьев, проведенные  А. С. Оканенко, показали, что основная масса ассимилятов направляется на ту сторону корнеплода, на которой расположены листья. Здесь же эти ассимиляты и утилизируются.

Характер  распределения сахаров в корнеплодах в определенной мере связан и с сортовыми особенностями культуры. Например, в корнеплодах сортов урожайного типа Ивановской опытно-селекционной станции наблюдается резкое различие в сахаристости зон пучков и паренхимы внутренних, более старых зон корнеплода, тогда как сорта Рамонская 1537 и особенно Янаш отличаются большей равномерностью распределения сахарозы в корнеплоде. Некоторые сорта Льговской опытно-селекционной станции характеризуются более высокой сахаристостью периферических зон корнеплода, чем сорта других селекционных учреждений. На распределение Сахаров в корнеплоде влияют и условия роста. При недостатке влаги в первый период вегетации интенсивность сахаро-отложения уменьшается слабее, чем интенсивность роста. В связи с этим сахаристость повышается, наибольшее количество Сахаров откладывается в паренхиме. В условиях достаточного увлажнения накопление сахарозы отстает от интенсивности роста, и сахаристость тканей, особенно паренхимы внутренней зоны, снижается. При недостатке питательных вешеств, в первую очередь азота, различия в сахаристости отдельных зон сглаживаются. Достаточное обеспечение растений элементами минерального питания вызывает снижение сахаристости паренхимы внутренних колец.

Изменения химического  состава корнеплодов в период их хранения бывают значительными. Это  вызвано физиологическими и биохимическими процессами, протекающими в хранящихся корнеплодах, и химическими превращениями, связанными с обменом веществ.

В период хранения корнеплодов содержание сахарозы в  них уменьшается. Так, в опытах А. И. Опарина, Н. Н. Дьячкова и И. В. Глазунова содержание сахарозы в сухом веществе корнеплодов свеклы через 103 суток их хранения уменьшилось с 27,66 до 21,68 %. При этом часть сахарозы была израсходована на дыхание, а другая часть превратилась в инвертный сахар. Авторы отмечают, что в начальные стадии хранения корнеплода сахарозы разрушается значительно меньше, а в дальнейшем значительно больше, чем требуется для нормального дыхания корнеплода. При длительном хранении корнеплодов увеличивается распад сахарозы.

Во время  хранения изменяется структура корнеплодов. Твердость их значительно уменьшается, а коллоидность сока возрастает. Это способствует переходу инвертазы в раствор и усилению ее гидролитического действия.

При хранении в корнеплодах изменяется и азотный  комплекс: уменьшается содержание белкового азота и накапливаются его растворимые формы, в частности вредный азот, который вызывает увеличение выхода мелассы и потери сахара в производстве.

Главный показатель, определяющий качество сахарной свеклы как сырья для выработки сахара, - сахаристость (содержание сахара в корнеплоде, выраженное в процентах к его массе). Чем выше сахаристость, тем лучше технологические качества сахарной свеклы. Однако при переработке на сахарных заводах различных партий свеклы с одинаковой сахаристостью выход сахара может значительно колебаться, т. е. технологические качества этих партий свеклы будут разными. Следовательно, технологические качества будут выше у той партии свеклы, при переработке которой достигается больший выход сахара. Это будет зависеть от количества других химических веществ (несахаров), перешедших вместе с сахаром в сок.

Технологические качества сахарной свеклы - комплекс ее биологических, химических и физических особенностей, обусловливающих протекание технологических процессов ее переработки на сахарных заводах и выход кристаллического сахара.

Полную и  всестороннюю оценку технологических  качеств сахарной свеклы можно дать при переработке ее на лабораторной установке, имитирующей в определенной мере работу сахарного завода. Однако такая оценка требует нескольких дней работы и возможна для анализа небольшого числа проб. Эта методика не может быть принята для массовых анализов, столь необходимых в селекционной работе или в агротехнических опытах. Ряд исследователей предложил учитывать косвенные показатели, характеризующие качество сахарной свеклы.

Так, о качестве сахарной свеклы можно судить по доброкачественности сока, получаемого в лаборатории. Под доброкачественностью сока понимается соотношение сахара и несахаров в общем количестве сухих веществ сока, выраженное в процентах. Доброкачественность сока определяют по формуле:

       Содержание сахара (%)

Доброкачественность =                                                                                         • 100.

  Содержание сухих веществ (%) 

В связи с  тем что при обработке сока известью и углекислым газом (дефекация и сатурация) одни несахара удаляются в большем количестве, а другие в меньшем (в зависимости от их химического состава), П. М. Силин предложил при оценке качества свеклы пользоваться доброкачественностью очищенного сока (обработанного известью и углекислым газом) . Этот показатель и используют наиболее широко в практике.

Некоторые авторы считают, что о качестве сахарной свеклы можно судить по содержанию вредного азота или золы. Проведенные исследования показали, что соотношение сахара, азота и золы в патоке не постоянно. В связи с этим возможны большие ошибки в вычислениях потерь сахара в патоке, если их проводить с учетом количества вредного азота и золы.

Условия произрастания  могут оказывать большое влияние  на химический состав и качество сахарной свеклы. Установлено, что по мере продвижения с юга на север содержание сахара в корнеплодах уменьшается, а количество органических кислот, белкового и небелкового азота возрастает. При выращивании свеклы в идентичных условиях в корнеплодах содержалось (% сырой массы): сахара в г. Пушкине 15,93, в Одессе- 19,03, белкового азота - соответственно 0,113 и 0,105 и растворимого азота - 0,152 и 0,104. В северных районах отмечено и большее количество золы в корнеплодах. Так, при выращивании сахарной свеклы в г. Пушкине в сухом веществе корнеплода содержалось зольных элементов 2,98 %, а при выращивании в Одессе - 2,58 %. В более северных районах в условиях пониженной инсоляции и недостатка тепла наблюдается интенсивное поглощение корневой системой щелочных катионов одновалентных металлов и азота, а в южных районах при более высокой солнечной радиации и повышенной температуре растения свеклы активно усваивают кальций, фосфор, серу и хлор.

В экспериментах  Ивановской опытно-селекционной станции  при выращивании сахарной свеклы в вегетационных сосудах на различных почвах сахаристость корнеплодов колебалась от 15,3 до 20,5%, а содержание в них общего азота - от 0,873 до 1,318 %, в том числе вредного азота - от 0,, 195 до 0,437 %.

При удобрении  свеклы одинаковыми элементами минерального питания и уменьшении влажности почвы количество сахара в сырой массе корнеплода увеличивается, но в сухом веществе - снижается, а азота - повышается. При выращивании сахарной свеклы на малогу-мусном выщелоченном черноземе при влажности почвы 60% от наименьшей влагоемкости содержание сахара в сырой массе корнеплода составило 18,3%, в сухом веществе - 73 и общего азота - 0,695, а при влажности почвы 30% - соответственно 19,2; 70,8 и 0,992%. Установлено, что при избыточном внесении под сахарную свеклу минерального азотного удобрения в корнеплодах увеличивается количество азота и других несахаров.

С увеличением  площади питания сахаристость корнеплодов  снижается, тогда как доля азота и золы в них возрастает.

Например, в  экспериментах Льговской опытно-селекционной станции при густоте насаждения сахарной свеклы 89 тыс. растений на 1 га в корнеплодах содержалось сахара 18 %, общего азота - 0,174 и золы - 0,730 % сырой массы, а при густоте насаждения 59 тыс. растений на 1 га - соответственно 16.5, 0.214 и 0.779 %.

При уменьшении густоты насаждения растений увеличивается площадь питания каждого растения, а следовательно, возрастает количество воды и питательных веществ, приходящихся на одно растение. Все это способствует более интенсивному процессу роста, в результате чего формируются крупные корнеплоды, вызревание которых замедляется.

Условия роста и развития

1.Водный  режим

Исследования, проведенные в последние годы, показали, что водный режим определяется главным образом обменом веществ  в растении. Вода и протоплазма рассматриваются как единая структурированная система. Водородные связи между молекулами воды и белка определяют гидратацию белковых веществ протоплазмы, которая повышает структурированность воды, в результате чего ее подвижность уменьшается.

Состояние воды не только в клетке, но и в протоплазме неоднородно и изменчиво. В клетке различают связанную и свободную воду (отнимаемую 64%-ной или 32%-ной сахарозой). От состояния воды в клетке зависят физиологические процессы и биохимические реакции в ней. Имеются определенные зависимости между содержанием разных фракций воды в растении, обменом веществ и продуктивностью свеклы. В результате исследований, проведенных лабораторией физиологии ВНИС, установлено, что в листьях сортов сахарной свеклы урожайного направления больше общей и свободной воды, чем у сортов сахаристого направления. Последние характеризуются большим содержанием связанной воды.

В корнеплодах  в расчете на сырую массу не обнаружено значительных сортовых различий по количеству воды разных фракций. В пересчете же на сухое вещество в корнеплодах сортов урожайного направления связанной воды больше, чем в корнеплодах сортов сахаристого направления, что обусловлено более высоким содержанием в корнеплодах первой группы сортов несахаристых веществ (коллоидов и др.). В листьях больше связанной воды, чем в корнеплодах, поскольку в последних меньше коллоидов и белка, связывающих воду.

Установлено, что при длительном периоде высоких  температур и периодическом снижении относительной влажности воздуха и почвенной засухи в листьях сортов свеклы как урожайного, так и сахаристого направления содержание свободной воды уменьшалось до 22-23 %, а отношение свободной воды к связанной составляло всего 0,33-0,36. В результате этого нарушились физиологические функции листьев - на свету вместо процесса ассимиляции происходило выделение СО₂, патологически усиливалось дыхание, что отрицательно отражалось на урожайности.