наукові основи-2

1. РОЛЬ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ СПОЛУК ДИФУЗІЙНОГО СОКУ В
ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСАХ БУРЯКОЦУКРОВОГО ВИРОБНИЦТВА
Дифузійний сік є складною водною системою розчиненої цукрози та
різноманітних нецукрів:
1) завислі речовини, які можна відокремити звичайним фільтруванням (мезга
стружки, грубо дисперсні частинки); 2) речовини колоїдної дисперсності, які
знаходяться в основному у формі ВМС — високомолекулярних сполук (білкові та
пектинові речовини, сапонін, забарвлені сполуки та ін.); 3) хімічні сполуки, розчинені
в соку (органічні кислоти, солі, інвертний цукор та ін.).
Процеси бурякоцукрового виробництва протікають в багатокомпонентних
розчинах в присутності комплексу нецукрів, як тих, що надійшли в складі дифзійного соку,
так і тих, що утворились уже на технологічному верстаті заводу. Особливо негативну роль
грають нецукрозні речовини колоїдної дисперсності, до них відносяться в основному
високомолекулярні сполуки, накопичення яких в соках і сиропах знижує седиментаційно-
фільтрувальні показники, підвищує каламутність, забарвленість, в’язкість, вміст солей
кальцію, погіршує процеси кристалізації, центрифугування, якість цукру-піску, збільшує
втрати цукрози з мелясою.
До розчинних високомолекулярних сполук в цукрових буряках та тих, що
утворюються в технологічних процесах цукрового виробництва можна віднести такі
найбільш важливі ВМС: білкові та пектинові речовини, сапонін, декстран, леван, барвні
сполуки та ін. Своїм утворенням вони зобов’язані процесам поліконденсації чи
полімеризації невеликих молекул (мономерів) — амінокислот (білки), безазотистих
органічних кислот (пектини, сапоніни), моноцукрів (декстран, леван), продуктів їх
деструкції (забарвлені високополімери).
Коли розмір частинок у розчині на рівні 0,1 нм — це істинні розчини (солей,
кислот, основ). Водні ж розчини високомолекулярних сполук в порівнянні з
колоїдними золями являють собою гомогенні розчини, що містять макромолекули або
макроіони і не являються золями. Розчини ВМС у порівнянні із золями мають більш
тісний зв’язок з частинками розчинника (виявляють гідрофільність і, також як істині
розчини, довго зберігають агрегативну стійкість частинок, тобто є термодинамічно
стійкими системами. Але при цьому розчини ВМС мають ряд властивостей,
характерних для звичайних колоїдних розчинів: розмір їх частинок відповідає
колоїдним (1...100 нм), вони повільно дифундують, не проходять через діалізаційні
мембрани, здатні під впливоим зовнішніх факторів осаджуватись із розчину,
розсіювати світло і т.п. Однак, на відміну від колоїдних золів, ВМС не мають
характерної для дисперсних систем поверхні розділу фаз, незважаючи на великий
розмір макромолекул. Пояснити це можна тим, що частинки ВМС являють собою
своєрідні “клубки” дуже довгих ланцюжків, що складаються із молекул амінокислот,
безазотистих органічних кислот, моноцукрів, продуктів їх деструкції та ін. Товщина
цих ланцюжків не перевищує товщини однієї молекули, що, не дивлячись на велику їх
довжину, виключає поверхню розділу і наближає розчини ВМС до істинних розчинів.
Таким чином, розчини ВМС мають ряд властивостей, характерних як для істинних
розчинів, так і для колоїдних систем. Оскільки розчини ВМС діалектично поєднують
властивості молекулярних розчинів і колоїдних систем, доцільно називати їх за
пропозицією І. Жукова, молекулярними колоїдами, на відміну від другого класу —
типових високодисперсних систем — суспензоїдів.
Гідрофільність обумовлена присутністю в макромолекулах достатньо великої
кількості гідрофільних груп, якими можуть бути або дисоційовані (іонногенні), або

2. недисоційовані (полярні). До полярних груп притягуються диполі води, що утворюють
навколо колоїдної частинки водну оболонку. Встановлено, що одна група ОН притягує
три молекули води, СООН — чотири молекули, С=О — дві молекули, NH — дві
молекули, NH2 — три молекули.
Оскільки розчини ВМС є молекулярними розчинами, їх стійкість аналогічна
стійкості істинних розчинів. В зв’язку з тим, що немає поверхні розділу між
макромолекулою ВМС і розчинником, то злипання цих молекул не призводить до
зменшення запасу поверхневої енергії системи. Але внаслідок значних розмірів
молекул ВМС і ряду індивідуальних хімічних особливостей їх розчинів за деяких умов
вони втрачають стійкість і спостерігаються явища, подібні зовнішньо з коагуляцією.
Стійкість розчинів ВМС визначається гідратацією макромолекул і зарядом.
Коагуляція наступає внаслідок руйнування гідратного зв’язку між макромолекулами
ВМС і розчинником, тобто дегідратації частинок. Це призводить до поступового
зниження розчинності ВМС і в результаті до випадання в осад. Коагуляцію розчинів
ВМС спричиняють обидва іони введеного електроліта. КОН і NаОН не спричиняють
коагуляції молекулярних колоїдів дифузійного соку, коагуляція в лужному середовищі
зв’язана з присутністю солей кальцію та магнію. Зняття електричного заряду з
високомолекулярних частинок прискорює процес коагуляції, а для деяких колоїдів є
такою ж необхідною умовою, як і дегідратація.
Пептизацією або дезагрегацією називається процес зворотній коагуляції, а саме
— перехід коагулята в молекулярний колоїд. Пептизація тим більш ймовірна, чим
більше гідратований початковий колоїд і чим менше часу пройшло з моменту
коагуляції, тому що з плином часу відбувається поступове зростання частинок
коагуляту із зменшенням дисперсності, при цьому коагуляція набуває незворотнього
характеру і пептизація виключається.
ВМС в напівпродуктах виробництва цукру умовно ділять на дві групи: 1) ВМС,
що містяться в самому клітинному соку буряків і переходять в дифузійний сік в
процесі екстракції цукрози (білки, пектини, сапонін, а також декстран і леван — при
переробці підпорчених буряків). 2) ВМС, які утворюються в процесах переробки
буряків (високомолекулярні продукти хімічного перетворення цукрози та інвертного
цукру, а також високомолекулярні барвні речовини). Таким чином, первинні ВМС
містяться в соку до його очищення, вторинні ж утворюються при лужному очищенні
соку, його згущенні і кристалізації цукрози.
В напівпродуктах цукрового виробництва розрізняють також незворотні і
зворотні колоїди. Вважається, що незворотні колоїди утворюють з вапном стійкий
осад, який не розчиняється ні на основній дефекації в надлишку вапна, ні на сатурації
при пересатуруванні соку. Зворотні ж колоїди також здатні коагулювати при обробці
соку вапном, але зберігаються у формі осаду лише при оптимальних умовах процесу
(лужність, рН, температура, тривалість). Відхилення ж параметрів процесу від
оптимальних значень призводить до розчинення (пептизації) колоїдного коагуляту. За
даними деяких авторів вміст зворотніх колоїдів у клітинному та дифузійному соках
складає 60...70 % від загального вмісту.
В табл. 1 наведено орієнтовний склад ВМС клітинного та дифузійного соків.
Таким чином, вміст ВМС у дифузійному соку складає приблизно 25 % від
загального вмісту нецукрів соку. Але ця величина може значно змінюватись в
залежності як від якості буряків, так і від режиму роботи екстрактора. При цьому вміст
пектинових речовин в дифузійному соку при переробці порчених буряків, перегрівах
або при уповільненому темпі процесу екстракції цукрози із бурякової стружки може
збільшуватись у 2...3 рази (до 0,2...0,3 %). Тому небезпідставно вважати, що вміст

3. ВМС може характеризувати навіть краще, ніж чистота, якість дифузійного соку і
клітинного соку буряків, що надійшли в переробку. І боротьбу з ВМС на
технологічному верстаті цукрового заводу треба починати з процесу екстракції
цукрози із бурякової стружки. Перешкодою ж для оперативної оцінки якості соків по
вмісту ВМС і ефективності їх очищення є відсутність оперативного і достатньо
точного методу кількісного визначення ВМС: класичний метод А. Думанського і С.
Харіна визначення вмісту колоїдів (коагуляцією їх надлишком етилового спирту і
висушуванням осаду до сталої маси) потребує дуже багато часу.
Таблиця 1. Склад ВМС клітинного та дифузійного соків
Вміст ВМС, % Клітинний сік Дифузійний сік
Білкові речовини 0,60 0,20
Пектинові речовини 0,10 0,10
Сапонін 0,15 0,10
Інші ВМС 0,15 0,15
Всього ВМС 1,0 0,55
Всього нецукрів 2,5 2,25
Вміст ВМС, % до маси Нц 40,0 25,0
Методи очищення дифузійного соку вапном та діоксидом вуглецю основані на
видаленні ВМС за рахунок утворення в лужному середовищі слабко розчинних
комплексів з Са2+
, а також шляхом адсорбції їх на поверхні частинок карбонату
кальцію. Коротко зупинимся на характеристиці найважливіших представників ВМС в
клітинному, дифузійному соках та інших напівпродуктах (білкових та пектинових
речовин, сапоніну, поліцукридів — декстрану та левану).
1. Білкові речовини
Білкові речовини цукрових буряків вивчені ще недостатньо. Однією із причин
цього є те, що вони не виділені в чистій формі, оскільки між білками і пектинами існує
міцний зв’язок: при очищенні дифузійного соку вапном на попередній дефекації в осад
випадає білково-пектиновий комплекс. Пектини осаджуються повніше, ніж білки, в
умовах переддефекації, однак білки сприяють їх додатковому видаленню за рахунок
утворення білково-пектинових зв’язків.
Головними представниками білків у клітинному соку цукрових буряків є
глобуліни та нуклеопротеіди.
Білкові речовини є органічними високомолекулярними сполуками (продуктами
поліконденсації амінокислот), вони складаються із довгих ланцюгів — залишків
амінокислот, з’єднаних між собою пептидними зв’язками (–СО–NН–), які зв’язують
карбоксильну групу однієї амінокислоти з аміногрупою іншої.
Нижче представлена схема утворення пептиду із двох амінокислот (а) і
структура поліпептиду (б):
H N CH C
O
H
2
OH
N
H
CH COOH
R2R1
H N CH2
R1
CO NH CH
R2
COOH (а)
-H O2
2
1
CO
CH CO NH CH
R1 R2
HN NH CH
R3
CO CO (б)

4. З’єднані пептидним зв’язком амінокислоти утворюють пептидний ланцюг, що
являє собою первинну структуру білкової молекули з визначеною послідовністю
розмішення амінокислот. Вторинна структура визначається більш високим рівнем
організації, в якій розміщені паралельно поліпептидні ланцюги можуть бути скручені в
спіралі, подібно джгутам із стрічок. В деяких білках декілька спіралей-джгутів
скручуються в складний клубок, форма якого специфічна для кожного виду білка,
такий більш складний комплекс являє собою третинну структуру. Іще більш високим
рівнем організації білкової молекули є четвертинна структура: даний рівень являє
собою об’єднання декількох пептидних ланцюгів з третинною структурою в одну
велику молекулу.
В молекулі білка різні амінокислоти з’єднанні між собою пептидним зв’язком,
тому завжди є вільні карбоксильні і амінні групи, а білкову молекулу схематично
можна представити так:
R
NH
COOH
2
В лужному середовищі вільна карбоксильна група білка легко віддає протон і
білкова молекула набуває від’ємного заряду:
R
NH
COOH
2
+ OH R
NH
COO
2
+ H O+ OH 2
-
В кислому середовищі, навпаки, дисоціація карбоксильної групи подавляється,
але при цьому протон приєднується до –NН2 групи :
R
NH
COOH
2
+ H R
NH
COOH
3
+ +
+
2
В результаті молекула білка отримує позитивний заряд.
При деякому проміжному значенні рН групи –NН2 і –СООН можуть
взаємодіяти з утворенням диполярного білкового іона, отримуючи при цьому
позитивні і від’ємні заряди за рахунок переходу протона із карбоксильної групи в
аміногрупу:
R
COOH
NH
R
COO
NH2 3
+
-
Заряд білкової молекули залежить від реакції середовища, а також від
співвідношення кількості карбоксильних і амінних груп та ступенів їх дисоціації.
Більшість природних білків містить значну кількість дикарбонових амінокислот
(глютамінової та аспарагінової) і відносяться до кислих білків.
Значення рН, за якого білок знаходиться в ізоелектричному стані (кількість
різнойменних зарядів в білковій молекулі однакова, а її загальний заряд дорівнює
нулю) називається ізоелектричною точкою данного білка. Ізоелектрична точка
характеризується тим, що при відповідному їй рН іонізація білка як електроліта
досягає найменшої величини і більшість білкових частинок знаходяться в
недисоційованому стані. Ізоелектрична точка для бурякових білків відповідає
значенню рН близько 3, 2.
Важливою причиною стійкості білкових розчинів є гідрофільні властивості
білків, обумовлені наявністю карбоксильних, амінних і гідроксильних груп. Полярні

5. молекули води утворюють навколо білкових частинок гідратну оболонку, яка заважає
їх злипанню.
Втрата заряда і гідратної оболонки сприяє зближенню білкових макромолекул,
в результаті чого вони злипаються, збільшуються в розмірах і випадають в осад. Це
явище носить назву коагуляції. Коагуляція може бути зворотною, якщо після
припинення дії будь-якого фактора, що визиває коагуляцію, білок повертається до
свого початкового стану. Якщо ж скоагульований білок не може повернутись до
початкового стану, то говорять про незвортну коагуляцію, її може визвати висока
температура, введення концентрованих електролітів тощо.
Денатурація білків є складним і недостатньо вивченим фізико-хімічним
процесом. Вона зв’язана із втратою гідрофільних і набуттям гідрофобних
властивостей, але при так званій “м’якій” денатурації може відбуватись втрата лише
водної оболонки і зниження електричного заряду без позбавлення макромолекул їх
властивостей гідрофільності, тобто на першому етапі денатураційні зміни можуть мати
зворотний характер. Істинна зворотність денатурації спостерігається рідко і, як
правило, денатурований білок не повністю ідентичний по своїм фізико-хімічним і
біологічним властивостям нативному.
Одним із етапів зміни макромолекул білків у технологічних процесах є
деструкція білків, тобто руйнування їхньої структури. Глибина деструкційних
процесів залежить від багатьох факторів, до яких, у першу чергу, слід віднести високу
температуру, концентрацію лугів чи кислот, тривалість процесу та ін.
Денатураційні перетворення білкових речовин дифузійного соку в процесі
вапняного очищення можна представити такими трьома послідовними етапами.
Перший етап (лужність 0,005...0,045 % СаО і рН  9,0) характеризується зміною
білкових макромолекул, що визначається розвертанням поліпептидних ланцюгів і
звільненням сульфгідрильних груп –SH. На цьому етапі денатурація зворотна. Другий
етап (лужність 0,045...0,1 % СаО) зв’язаний з агрегацією білкових молекул, які в
денатурованому стані володіють підвищеною здатністю до взаємодії з утворенням
достатньо міцних зв’язків і наступною незворотною коагуляцією. Третій етап
(лужність 0,1...0,2 % СаО) характеризується підвищеним вмістом розчинних білкових
речовин в сильно лужному середовищі соку, але не за рахунок зворотної денатурації, а
в результаті часткової деструкції утвореного раніше білкового коагуляту, зв’язаного з
подвійним характером денатуруючої дії іонів кальцію.
При вапняному очищенні дифузійного соку в умовах попередньої дефекації
видаляється 70...90 % білкових речовин в результаті дії іонів кальцію, гідроксид-іонів,
температури, адсорбції на осадах малорозчинних солей кальцію, визначальним
фактором при цьому є дія іонів кальцію.
На основній дефекації підвищується розчинність білкового коагуляту
переддефекаційого осаду, що негативно впливає на ефект адсорбції на І сатурації.
Цукроза зменшує повноту осадження білкових речовин і знижує стійкість утвореного
коагуляту в сильно лужному середовищі.
Погіршення якості перероблюваних буряків по відношенню до білкових
речовин виражається у збільшенні кількості деструктованих білків за рахунок
розкладання дійсних. Це призводить до зниження загального ефекту видалення
білкових речовин при очищенні дифузійного соку і утворення переддефекаційного
коагуляту, малостійкого до руйнівної дії іонів кальцію на основній дефекації в
середовищі високої лужності і температури. При цьому повнота осадження дійсних
білків на 30...40 % більше, ніж продуктів їх деструкції. В результаті лужної деструкції
білків в умовах дефекації і сатурації від них відщеплюються не тільки альбумози і

6. пептони, але і пептиди, і амінокислоти (глютамінова, аспарагінова, серин, гліцин,
лізин, аргінін).
Цукрові буряки після зберігання мають у 2...10 разів більше пептидного азоту
(ніж свіжі) і при очищенні одержаного із них дифузійного соку пептиди на 50 %
видаляються гірше. Деструктурований буряковий білок перетворюється до пептидів,
які дають з редукувальними цукрами забарвлені продукти взаємодії, що можуть
вважатись як перший ступінь меланоїдиноутворення.
При підвищених значеннях рН макромолекули білків в соках отримують
переважно від’ємний заряд і тому здатні утворювати в лужному середовищі з
полівалентними катіонами, в т.ч. з Са2+
, слабкорозчинні сполуки, які в результаті
коагулюють. На думку Й. Дедека двохвалентний катіон кальцію утворює з білками
недисоційовані солі, зменшуючи цим число заряджених гідрофільних груп, які перед
цим сприяли тому, щоб білкові макромолекули залишались в розчині. Але при
подальшому підвищенні лужності соку (на основній дефекації) починають
дисоціювати нові слабкокислотні групи, надаючи нові електричні заряди коагуляту
білків, що призводить до часткової пептизації і розчинення коагуляту.
Схильність білкового коагуляту до пептизації, можна зменшити таким
прийомом: в метастабільній зоні рН прогресивної переддефекації (8,5...9,5 од.)
дифузійний сік треба витримувати невеликий час в присутності деякої кількості осаду
карбонату кальцію і після цього продовжувати поступове нарощування лужності та рН
до оптимальних кінцевих значень. Повернені частинки карбонату кальцію виконують
функції центрів коагуляції і тому повинні вводитись в підлужений дифузійний сік
безпосередньо перед періодом явної коагуляції ВМС. В результаті поступової обробки
вапном білки осаджуються з частинками карбонату кальцію у формі щільних
дегідратованих адсорбційних комплексів. Закріплені в осаджених адсорбційних
комплексах білки виявляють меншу чутливість до впливу надлишку вапна на
зворотний перехід їх в рідку фазу соку.
Вміст білкового азоту визначають аналізом скоагульованих білків (в результаті
обробки проб соку СuSO4 i NaOH) класичним методом К’єльдаля. Але метод
К’єльдаля є неприйнятним для серійних аналізів в зв’язку із великою затратою часу на
його виконання.
Г. Сімахіною і Л. Ревою розроблений оперативний фотометричний метод
кількісного визначення білків та продуктів їх деструкції (окрім дипептидів і
амінокислот) в соках. Побудова калібрувальної кривої в цьому методі базується на
визначенні в модельних пробах соку (з різним вмістом бурякового білку) концентрацій
білкового азоту методом К’єльдаля з перерахунком їх на білок (множенням на
коефіцієнт 6,25), а також оптичної густини відповідних біуретових сумішей.
Головною метою попередньої дефекації дифузійного соку є досягнення
максимального ступеня видалення із розчину в осад ВМС (обґрунтованою моделлю їх
є білок) і аніонів кислот у формі кривих з мінімумами. При використанні метода для
технологічної оптимізації попередньої дефекації дифузійного соку отримується
задовільна збіжність точок мінімумів залишкових вмістів білків і аніонів кислот на
абсцисах рН20 і лужності підлужених соків, що додатково позитивно характеризує цей
метод як достатньо точний і коректний.
Поведінка білків у процесах обробки бурякового соку вапном була предметом
глибоких досліджень Й. Вашатко, який встановив таніновим методом ефект коагуляції
білків в умовах переддефекації 70...85 % (в залежності від якості буряків), що
підтверджено фотометричним методом, основаним на біуретовій реакції.

7. В 70-х роках минулого сторіччя німецькими дослідниками опубліковано дві
статті, в яких в результаті використаного ними метода кількісного визначення білків
стверджується, що ступінь видалення білків на переддефекації не перевищує 20 %, а
левова доля білків видаляється на основній дефекації та І сатурації. Ці результати
значно відрізняються від цитованих раніше даних Й. Вашатко та Л. Реви і Г. Сімахіної.
Суть методу в тому, що за допомогою гель-хроматографії на біогелях Р-2, Р-6
автори зробили спробу розділити нецукри соків на колоїдну і неколоїдну фракції.
Якщо врахувати те, що розділююча спроможність (по молекулярній масі) біогелю Р-6
до 5000, а Р-2 до 2000, то в колоїдну фракцію після розділення на Р-6 попадуть
відносно низькомолекулярні сполуки з молекулярною масою до 5000, а на Р-2 —
навіть до 2000, хоча (відомим методом для відокремлення дійсних білків)
трихлороцтовою кислотою осаджуються фракції білків лише до молекулярної маси
13000. В отриманих таким чином колоїдних фракціях автори визначали методом
К’єльдаля не безпосередньо вміст білкового азоту (як високомолекулярної азотистої
фракції), а вміст загального азоту з множенням його на 6,25. Оскільки до загального
азоту бурякового соку відносяться окрім високомолекулярнх білкових речовин, також
пептиди, амінокислоти, аміди кислот, органічні основи (бетаїн), солі амонію та ін., то
при нечіткому відділенні високомолекулярної білкової фракції вона розбавляється
низькомолекулярними азотистими фракціями, які, безумовно, не можуть коагулювати
в процесі прогресивної переддефекації і тому автори прийшли до висновку про
низький ступінь видалення білків на переддефекації (до 20 %), а видаляються вони в
основному на дефекації і І сатурації. Звичайно, на І сатурації буде мати місце, перш за
все, інтенсивна адсорбція компонентів неосадженої на переддефекації
низькомолекулярної азотистої фракції, яка безпосередньо не відноситься до білків. Що
ж стосується поведінки білків в жорстких умовах високої лужності і температури
комбінованої дефекації, то при цьому переважає не додаткова коагуляція білків, а,
навпаки, пептизація і деструкція білкового коагуляту, яка зростає при зниженні якості
дифузійного соку. Виконаний аналіз показує необхідність порівняння
запропонованого гель-хроматографічного методу визначення вмісту білків з
класичним методом визначення вмісту білкового азоту (і, відповідно, білків) по
К’єльдалю. Подібне порівняння методів визначення загального вмісту колоїдів в
результаті їх спиртової екстракції (по А. Думанському і С. Харіну) та гель-
хроматографії, виконані Я. Чопіковою та ін., показали можливість використання гель-
хроматографічного методу при дослідженні вмісту колоїдів дифузійного соку по
секціям прогресивного переддефекактора.
2. Пектинові речовини
Пектинові речовини містяться у всіх наземних рослинах. Вони входять (у формі
розчинного пектину) в склад клітинного соку буряків, а нерозчинні пектинові
речовини — протопектин — є основною частиною стінок бурякових клітин,
складаючи загалом до 50 % м’якоті буряків.
В стінках зрілої клітини розрізняюють три шари — серединну пластинку, що
складається майже повністю із протопектину; первинну оболонку, до складу якої
входять сплетіння целюлозних фібрил, насичених пектиновими речовинами; і
вторинну, яка містить, окрім целюлози і пектинів, також лігнін. Протопектин при
нагріванні може частково гідролізуватись з утворенням уже розчинного пектину
(гідропектину). Так, вміст розчинного пектину (в процесі екстракції цукрози з
бурякової стружки) зростає при підвищенні температури і тривалості процесу,
наприклад, від 0,15 % при 65°
С і тривалості екстракції 105 хв до 1,2 % до маси сухих

8. речовин соку при 85°
С. Тому при нормальних умовах температура екстракції не
повинна перевищувати 72...74
С. Протопектин бурякової стружки найбільш стійкий в
екстрагенті при рН в діапазоні 4...6 (мінімальний перехід при рН 4,5), але оскільки
зниження рН до 4 од. може визвати значні втрати цукрози (за рахунок її гідролізу у
кислому середовищі), то доцільно тримати рН екстрагента у дифузійному апараті на
рівні 5,5...6,5. Екстракційний процес знецукрення бурякової стружки при рН
екстрагента вище 6,5 (і особливо в лужному середовищі) призводить до інтенсивного
розчинення протопектину бурякової стружки з переходом у сік додаткової кількості
гідропектину із значним погіршенням якості дифузійного соку і фільтраційних
показників при його очищенні.
Згідно сучасної класифікації пектинових речовин:
1) пектин — це водорозчинна речовина, вільна від целюлози і складається із
частково або повністю метоксильованих залишків полігалактуронової кислоти.
Метоксильований полігалактурований ланцюг молекули пектину в спрощеному
вигляді може бути представлений так
COOCH
C H O
3
475
COOCH
C H O
3
475
COOCH
C H O
3
475
n
2) пектинові речовини — це фізичні суміші пектинів з супутніми речовинами
(наприклад з пентозанами та гексозанами).
3) пектинові кислоти — це високомолекулярні полігалактуронові кислоти,
невелика частина карбоксильних груп яких етерифікована метиловим спиртом.
Загальна формула пектинових кислот:
(С5Н7О4)n(СООН)m(COOСH3)n-m.
Солі пектинових кислот називаються пектинатами:
4) пектові кислоти — це повністю деметоксильовані пектини з недоторканим
ланцюгом: (С5Н7О4)n(СООН)n. Солі пектових кислот називаються пектатами.
5) протопектин — нерозчинний у воді природний пектин рослин, що
складається в основному з сітки пектинових ланцюгів, які сформовані в результаті
з’єднання багатовалентних катіонів з неетерифікованими карбоксильними групами
(утворення іонних місткових зв’язків).
Таким чином, основою пектинів є полігалактуронова кислота, побудована із
залишків Д-галактуронової кислоти, сполучених -1,4-глікозидними зв’язками, і являє
собою лінійний полімер. Молекулярна маса для зразків пектина із свіжого жому
коливається від 7000 до 40000.
Раніше вважали, що в макромолекулі бурякового пектину дві третини
карбоксильних груп етерифіковані метоксильними групами і є близько 6 % ацетильних
груп (СН3СОО).Але недавні дослідження показали, що у бурякового пектинового
препарату є лише 6,0…3,0 % метоксильних груп і до 2,0 % ацетильних груп.
При відносно низьких температурах лужні розчини визивають деетерифікацію
пектину бурякової стружки, вже навіть при кімнатній температурі омиляється частина
ефірних груп. Основна маса бурякового пектину (2,0 % до маси буряків) не
руйнується і залишається в знецукреній стружці (жомі), а близько 0,1…0,2 %
розчинного пектину переходить у дифузійний сік. Клітинний сік незрілих, а також
зіпсованих буряків має набагато більше пектинових речовин, ніж сік нормальних
буряків. Перегрів стружки в екстракторі, відхилення рН живильної води від
оптимальної зони 5,5…6,5 од. і збільшення тривалості процесу екстракції — ведуть до
значого підвищення вмісту пектинових речовин в дифузійному соку.

9. У водних розчинах пектинові молекули оточені гідратною оболонкою і несуть
від’ємний заряд. Зменшення ступеня гідратації і електричного заряду спичиняє
коагуляцію пектинів. Коагулюємість пектину прапорційна кількості вільних
карбоксильних і гідроксильних груп, його молекулярній масі, концентрації
коагулюючого реагенту. При введені в пектиновий розчин електролітів з позитивно
зарядженими катіонами вони вступають у взаємодію з іонізованими карбоксильними
групами, нейтралізують їх від’ємний заряд, визивають таким чином зближення
макромолекул, а далі сумісне осадження.
При обробленні дифузійного соку невеликою кількістю вапна (0,25…0,35 %
СаО до маси буряків) в умовах теплої переддефекації пектин, як частково
етерифікована полігалактуронова кислота, утворює слабкорозчинну у воді сіль
пектинату кальцію, здатну до фільтрування. При подальшому впливі підвищених
концентрацій розчиненого вапна і високої температури в умовах основної дефекації
пектинат кальцію розкладається на метиловий спирт, оцтову і пектову кислоту, яка
утворює з гідроксидом кальцію драглеподібний осад, що погіршує фільрування соку І
сатурації і негативно позначається на виробництві. Подовжений процес гарячого
ступеня комбінованої дефекації сприяє також деструкції основних ланцюгів
галактуронових кислот, кальцієві солі яких утворюють желатинозні осади і визивають
значне погіршення фільтраційних показників соків, спричиняючи таким чином
зниження виробничої потужності заводу.
Двохвалентні катіони кальцію в сильнолужному середовищі утворюють містки
між фрагментами галактуронової кислоти через карбоксильні групи. При цьому
утворюється трьохмірна структура, в якій утримується блокова рідка фаза:
O
OH
OH
O=CO
O
O
HO
OH
O=CO
O
O=CO
O
O
HO
HO
O=CO
HO
Ca Ca
O
O
HO
Звідси видно, що речовини пектинового комплексу суттєво впливають на хід
виробництва, і необхідно вживати всіх заходів, щоб мінімізувати ступінь розчинення
протопектину клітинних стінок бурякової стружки з переходом гідропектину в
дифузійний сік, за вийнятком того пектину, що міститься в самому клітинному соку
вже в розчинній формі.
При введені частинок карбонату кальцію до дифузійного соку перед
попередньою дефекацією неетерифікована полігалактуронова кислота вступає у
взаємодію з СаСО3 і в результаті може випасти в осад пектат кальцію при нейтральній
чи навіть слабокислій реакції:
G.COOH
G.COOH
G.COOH
G.COOH
+ aCO2С 3
G.COO
G.COO
G.COO
G.COO
Ca
Ca
+ H O + 2CO2 2 2

10. Протиплинна прогресивна передефекація по Брігель-Мюллеру має в своїй
основі пинцип, якого не було у вапняній прогресивній переддефекації Дедека-Вашатко
— це рециркуляція підлуженого коагулянту (СаСО3) для стимулювання адсорбції
колоїдів і зростання частинок осаду. Ефект рециркуляції на думку К. Бухгольца і Д.
Шліпаке, переважно спричиняється в осадженні пектину (яке починається в диапазоні
низьких значень рН і реалізується при більш високих): готовий до осадження від’ємно
заряджений пектин з’єднується з сильнонавантаженим катіонами кальцію коагулянтом
СаСО3 в оптимальній точці флокуляції, фактично цей процес можна віднести до
гетерокоагуляції двох різнойменно заряжених частинок (рис. 1):
CaCO3
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
CaCO
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
CaCO3
+ a(OH)С 2
Активація вапном
Позитивна заряджена
частина CaCO3
Від ємно заряджені
ланцюжки пектину
’
Гетерокоагуляція
Від ємно заряджений
адсорбційний комплекс
’
( + пектин)CaCO3
Рис 1. Моделювання гетерокоагуляції розчиненого пектину
з частинками СаСО3, позитивно зарядженими (катіонами кальцію)
При глибокому пересатуруванні соку І сатурації (з високою натуральною
лужністю) навіть до значення рН ІІ сатурації може мати місце реакція подвійного
обміну між утвореними К2СО3 і Na2CО3 та осадженим раніше пектатом кальцію з
поступовим розчиненням останнього:
+ K CO3
G.COO
G.COO
G.COO
G.COO
Ca
Ca
2 + CaCO3
G.COOK
G.COOK
G.COO
G.COO
Ca
Ця реакція буде прогресувати, оскільки при поступовому пересатуруванні соку
після нейтралізації гідроксиду кальцію утворюється К2СО3 і Na2CО3, які в результаті
реакції подвійного обміну дають дисоційовані пектати калію і натрію, при цьому
звільняється частина карбоксильних груп в складі від’ємно заряджених мікрочастинок
кальцієвого пектату і тому зростає від’ємий дзета-потенціал частинок сатураційного
осаду.
Інтенсивна коагуляція бурякового пектину в умовах прогресивної
переддефекації починається при рН20  9,0 і майже закінчується при рН20  11,4, при
більш високих значеннях рН повнота осадження продовжує збільшуваись незначно.
Пектин осаджується дещо повніше ( 90 %), ніж білки (80%), причому останні
сприяють додатковому осадженню пектинів, але процес коагуляції пектину не має
характерної екстремальної точки мінімуму залишкового вмісту по абсцисам рН і
лужності (як у білків), тому важко визначити технологічний оптимум переддефекації

11. по повноті осадження пектину, оскільки вона продовжує незначно зростати при
підвищеній лужності соку. Таким чином, оптимізація переддефекації за мінімумом
залишкових пектинів може розглядатись як допоміжним методом до оптимізації за
мінімальним залишковим вмістом білків та аніонів кислот у фільтрованому
переддефекованому соку. І все ж, навіть при відсутності екстремальної зони мінімуму
залишкового вмісту пектину, були пропозиції технологічну оптимізацію
переддефекації здійснювати, перш за все, по динаміці видалення із розчину пектину
при поступовому підвищенні рН дифузійного соку.
3. Сапоніни
З точки зору технологічних якостей буряків сапоніни є шкідливими нецукрами,
оскільки здатні спричиняти сильне пініння води (в мийному відділенні), а також соків,
напівпродуктів і навіть розчинів цукру. Сапоніни входять в групу безазотистих
органічних нецукрів і відносяться до розряду глікозидів. Ці речовини дуже знижують
поверхневий натяг і тому є головною причиною інтенсивного пініння соків.
Буряковий сапонін був відкритий К. Смоленським в накипу підігрівачів
дифузійного соку і в буряках, напевно, є β-d-глікуронидом олеанолової кислоти. В
двох інших бурякових сапонінах окрім зв’язаної глікозидним зв’язком олеанолової
кислоти з d-глікуроновою кислотою є відповідно дві і три молекули глюкози.
Сапонін знаходиться, в основному, в поверхневому шарі бурякового
коренеплоду товщиною до 1 мм, а також у хвостовій частині.
Вміст сапоніну в буряках і соках коливається в залежності від термінів
збирання і переробки, а також від якості зберігання: незрілі буряки раньої копки мають
звичайно більше сапонінів, ніж нормально дозрілі буряки, при тривалому зберіганні
буряків кількість сапоніну збільшується. По даним К. Смоленського вміст сапоніну в
буряках може зростати до 0,3% і в дифузійний сік переходить біля 40 % від загального
вмісту у буряках.
При очищенні дифузійного соку до 99 % сапоніну може видалятись у формі
нерозчинних солей кальцію і адсорбцією на СаСО3, але при переробці зіпсованих
буряків кількість сапоніну в дефекованому соку збільшується в десятки разів, а ефект
його видалення зменшується.
Найбільшій ступінь видалення поверхнево-активних сапонінів в технологічних
процесах є особливо важливим, тому що з сапонінами зв’язані фактори пінно- і
флокоутворення в цукрових розчинах.
Сапонін ефективно видаляється на І і ІІ сатураціях, особливо при підтриманні
на них підвищенних кінцевих лужностей соків, пересатурування ж соків призводить до
підвищення залишкового вмісту сапоніну. Більша частина невидалених в процесах
очищення соку сапонінів (менше 1 %) поступає в мелясу. В цукрі-піску хорошої якості
вміст сапоніну не повинен перевищувати 0,1 % від сапоніну в буряках або 1 мг на кг
білого цукру. Більш високі рівні сапонінів будуть сприяти піноутворенню, а також
флокоутворенню при використанні цукру для виготовлення безалкогольних напоїв (β-
d-глікуронид олеанолової кислоти в кислому середовищі напоїв при рН3…4 випадає
в осад, що є основою для флокоутворення).
4. Високомолекулярні поліцукриди мікробіологічного походження
В результаті ферментативного каталізу із цукрози можуть утворюватись два
високомолекулярні полімера — декстран і леван.

12. Цукроза
декстран + фруктоза
леван + глюкоза
Декстрин
Декстран є поліцукридом — полімером, що складається із залишків -Д-
глюкопіранози, з’єднаних перважно -1-6-глюкозидними зв’язками (молекулярна маса
досягає мільйонів одиниць). Біосинтез декстрану здійснюється ферментом
декстраносахарозою, який виділяється мікроорганізмами Leuconostoc mesenteroides,
Leuconostoc dextranium та ін. В загальному вигляді реакцію утворення декстрану
можна представити за такою схемою:
nC H O12 22 11
ферментативний
каталіз
(С )H O n +6 10 5 nC H O6 12 6
декстран фруктоза
Утворення декстрану є джерелом втрат цукрози. Разом з цим, декстран
відзначається особливою технологічною шкідливістю: дуже погіршує фільтрування
соків і сиропу, а також кристалізацію цукру (внаслідок підвищення в’язкості сиропів),
збільшуючи втрати цукрози з мелясою і знижуючи таким чином вихід цукру.
Особливо великі кількості декстрану переходять в дифузійний сік із
підморожених та відталих буряків. При вмісті 0,01 % декстрану в дифузійному соку
величина фільтраційного коефіцієнта (FК) збільшується в три рази, при 0,05 % — в 9
разів, а при 0,1 % — уже в 20 разів, що практично майже зупиняє процес фільтрування
соку.
Тому визначення вмісту декстрану та іншх розчинних поліцукридів в клітинних
та дифузійних соках (особливо отриманих із зіпсованих буряків) має виключно
важливе значення. Якщо макромолекулу декстрану в декілька мільйонів одиниць
подрібнити в десятки разів, фільтруємість соків значно покращується [3]. Зменшення
вмісту високомолекулярного декстрану можна досягти ферментативним гідролізом,
вводячи в екстрактор фермент декстраназу.
Ступінь видалення декстрану при звичайних методах очищення дифузійного
соку відносно невеликий. При підвищених концентраціях декстрану в сиропі
зафіксовані випадки деформації форми кристалів цукру в процесах кристалізації.
При переробці буряків з підвищеними концентраціями декстрану погіршується
також фільтрування соку ІІ сатурації в зв’язку із зменшенням розмірів частинок
СаСО3.
Найбільш простим заходом для більш повного видалення декстрану є
збільшення витрат вапна. Польські дослідники показали, що підвищенню видалення
декстрану із соку (до 50 %) сприяє реалізований в оптимальних умовах процес
осадження його на переддефекації з використанням в якості лужного реагенту
вуглекальцієвого цукрату, а також процес адсорбції при одночасній дефекосатурації
дифузійного соку.
Леван
Леван, як полімер, утворюється мікроорганізмами Pseudomonas із цукрози, його
мономерами є β-фруктофураноза. Для ензиматичного синтезу левану оптимальне
значення рН складає близько 6,0. В буряковій тканині з рН  6…6,5 є сприятливе
середовище для утворення левану.
Реакцію утворення левану із цукрози представим аналогічною схемою:

13. nC H O12 22 11
ферментативний
каталіз
(С )H O n +6 10 5 nC H O6 12 6
леван глюкоза
Дифузійні соки із здорових буряків мають незначний вміст левану і декстрану
(1...4 мг/кг), в той час як в соках із пошкоджених морозом буряків було відповідно
140...357 мг левану і 25...303 мг декстрану в кг соку. В середньому рівень вмісту
левану був значно вищим, ніж декстрану. По даним Ф. Шнейдера до 80 % левану
може видалятись в процесах очищення дифузійного соку.