Сахар, заменители сахара

Сахар-песок на отечественных предприятиях получают из сахарной свеклы, либо из тростникового сахара-сырца, уже содержащего предварительно очищенную сахарозу.

В сахарной свекле содержится 25-28 % сухих веществ, в том числе сахарозы в среднем около 17,5 %. При этом сахароза находится в растворенном состоянии в клеточном соке корней свеклы. Для выделения сахарозы из клетки ее экстрагируют водой в противоточном экстракторе. В этих условиях из клетки выделяются только водорастворимые клеточные компоненты, в том числе и сахароза, что существенно снижает затраты на очистку, а также увеличивается выход готового продукта. В стружке, идущей в отход в виде жома, содержатся главным образом клеточные структуры и нерастворимые в воде компоненты: клетчатка, гемицеллюлоза и пектиновые вещества (около 2,4 %).

В схему производства сахарного песка входят следующие основные технологические процессы.

1. Подготовка сахарной свеклы и извлечение из нее сахара. Эти операции ведутся в свеклоперерабатывающем отделении. Принятую для переработки свеклу транспортируют в цех по гидравлическому транспортеру - желобу с небольшим наклоном. Свекла передвигается по нему вместе с водой, промывается и освобождается от посторонних примесей - камней, песка, соломы. Затем в механизированных свекломойках непрерывного действия свекла окончательно очищается от грязи и примесей. Металлические примеси удаляются на электромагнитном сепараторе.

Вымытую свеклу разрезают на свеклорезках непрерывного действия на тонкую стружку с большой удельной поверхностью, стружка имеет желобчатое сечение и толщину до 2 мм. Извлечение сахара из свекольной стружки осуществляется путем противоточной диффузии, при этом получают диффузионный сок. Сахароза и другие водорастворимые компоненты, растворенные в клеточном соке, диффундируют через стенки клеток в воду. Ускорению диффузии сахара из свеклы благоприятствуют: малая толщина стружки (короткий путь диффундирующих частиц), повышенная температура, перемешивание жидкости, окружающей стружку, большая разница между концентрацией сахара в стружке и в окружающей жидкости, а также другие факторы.

Существуют различные конструкции противоточных экстракторов, но все они работают по тому же принципу противотока: с одного конца поступает свежая свекольная стружка и выходит готовый диффузионный сок, с другого конца отходит отработанная стружка, навстречу которой подается чистая вода. Свекловичная стружка, первоначально содержащая около 16-18 % сахаров, после обработки в диффузионном аппарате лишается почти всех сахаров и удаляется из аппарата в виде отхода или жома, содержащего всего около 0,2-0,3 % сахаров. Длительность диффундирования в батарее (время соприкосновения свекловичной стружки с диффузионным соком) непродолжительна: около 50-60 минут.

В диффузионный сок из сахарной свеклы переходят не только сахара, но и другие растворимые в воде вещества - минеральные, азотистые (преимущественно небелковые), некоторые углеводы (пектиновые вещества, рафиноза и пр.), вещества окрашенные, а также обладающие неприятным запахом и вкусом. Диффузионный сок содержит обычно около 15-18 % сухих веществ.

2. Очистка диффузионного сока. Цель этой операции - удаление большей части примесей несахаров. Диффузионный сок очищают путем дефекации в два приема. Сначала его подвергают предварительной дефекации, добавляя небольшое количество извести (0,25-0,31 % СаО к весу свеклы), чтобы нейтрализовать свободные кислоты, вызвать коагуляцию коллоидных веществ и перевести в осадок ряд других несахаров. Затем следует основная дефекация, при которой к соку добавляют большее количество извести (2-2,5 % СаО к весу свеклы) в виде известкового молока. При этом продолжаются процессы осаждения несахаров, их разложения и взаимодействия извести с сахаром (образование сахарата). Под воздействием извести рН сока (6,2-6,7) из слабокислой, вследствие присутствия органических кислот, становится щелочной (рН более 11). В щелочной среде в осадок выпадают минеральные соли (сернокислый и фосфорнокислый кальций и др.), соли органических кислот (щавелевой, винной), гидраты окисей магния, сахараты кальция глюкозы, сахараты кальция фруктозы, алюминия, железа, белковые, красящие и различные другие вещества, содержащиеся в соке. Однако некоторые примеси (несахара) при подобной обработке остаются в соке. К ним относится большинство азотистых небелковых веществ, хлористый калий и другие соли калия и натрия, растворимые углеводы (пектиновые и другие вещества, раффиноза).

Вместе с тем под воздействием извести и высокой температуры образуются сахараты сахарозы - соединения сахарозы и кальция. Из них трехкальциевый сахарат (С₁₂Н₂₂О₁₁ · ЗСаО) в воде труднорастворим, а одно- и двухкальциевые сахараты (С₁₂Н₂₂О₁₁ · СаО и С₁₂Н₂₂О₁₁ · 2СаО) хорошо растворимы, однако при нагревании они разлагаются, образуя нерастворимые трисахараты и сахарозу. Во время дефекации сахароза образует с известью главным образом моносахарат (однокальциевый сахарат).

Для разложения сахаратов сахарозы кальция и снижения повышенной щелочности, остающейся в соке после дефекации, применяют сатурацию, или обработку углекислотой. Под ее воздействием протекает химическая реакция и из гидрата окиси кальция образуется нерастворимый в воде углекислый кальций, который, осаждаясь, абсорбирует на своей поверхности некоторое количество растворимых несахаров. Сахараты сахарозы также разлагаются, образуя тот же углекислый кальций и свободную сахарозу.

Сатурацию проводят также в два этапа: после первой сатурации оставляют небольшую щелочность (соответствующую 0,08-0,10 % СаО). После этого сок фильтруют, затем приступают ко второй сатурации, оставляя очень малую щелочность, соответствующую 0,015-0,020 % СаО, и вторично фильтруют сок. В результате таких технологических операций количество несахаров в диффузионном соке снижается на 35-45 %.

Полученный сок подвергают сульфитации, то есть обработке сернистым газом, что способствует дополнительной очистке сока и снижению его цветности.

3. Выпаривание сока. Очищенный диффузионный сок подвергают упариванию до концентрации сухих веществ (60-65 %). Это осуществляется на многокорпусной выпарной установке, состоящей из трех-пяти последовательно расположенных аппаратов. В первом из них упаривание производится под некоторым избыточным давлением, в каждом последующем давление паров кипящей жидкости несколько ниже, чем в предыдущем; в последнем аппарате сироп упаривается под глубоким вакуумом. Температура кипения сока в первом аппарате должна быть не выше 126°, чтобы не происходило разложения сахара, а в последнем корпусе может снижаться почти до 60°.

Полученный сироп подвергают вторичной сульфитации, при которой уменьшаются его цветность и вязкость. Для дополнительного удаления красящих веществ и некоторых других несахаров сироп обрабатывают активированным углем или другими адсорбентами, которые адсорбируют на своей поверхности различные примеси.

4. Уваривание сиропа и получение утфеля. Сироп с выпарной стадии поступает в отделение на варку утфеля, который образуется после удаления воды из сиропа до содержания сухих веществ около 93 % и представляет собой смесь кристалликов сахара и межкристального сиропа. В результате концентрации сухих веществ сахароза, являющаяся основным компонентом, переходит в пересыщенное состояние и начинают формироваться центры кристаллизации. На эти центры кристаллизации начинают активно оседать молекулы сахарозы, формируя кристаллы, а примеси остаются в растворе - сахарной патоке. Утфель варят в вакуум-аппарате под глубоким вакуумом, чтобы уменьшить разложение сахарозы от нагревания. В вакуум-аппаратах образуется утфель первой кристаллизации, состоящий из кристаллов сахарозы и межкристальной жидкости - патоки.

5. Отделение кристаллов сахара от межкристальной патоки. Кристаллы отделяют от патоки на центрифугах с вертикальной осью и сетчатым барабаном. Утфель загружают во вращающиеся центрифуги, где под влиянием центробежной силы межкристальная жидкость отделяется, проходит через сита, вложенные в барабан центрифуги, и собирается внутри кожуха. Эта жидкость представляет собой зеленую патоку. Кристаллы сахара путем пробеливания (промывания горячей водой и обработки паром) освобождаются от приставшей к ним межкристальной жидкости; полученная жидкость - белая патока - собирается отдельно.

6. Сушка и упаковка сахарного песка. Из центрифуг сахар с влажностью до 1,5-1,7 % направляют на сушку в горизонтальных вращающихся барабанах. Затем его пропускают через электромагнитный сепаратор для удаления мелких частиц железа и окалины, попадающих из аппаратуры. Сахар просеивают, отделяя комочки непробеленного сахара, которые возвращают на переработку.

Полученный сахарный песок упаковывают в мешки и другую потребительскую тару.

7. Переработка промежуточных отходов. Зеленую патоку вновь уваривают на второй утфель, из которого выделяются кристаллический желтый сахар и черная, или кормовая, патока - меласса. Так работают при двухпродуктовой технологической схеме. При трехпродуктовой технологической схеме, применяемой для свеклы с высокой доброкачественностью соков, из второго утфеля получают желтый сахар и вторую зеленую патоку, ее опять уваривают на утфель (третий продукт), из которого выделяются желтый сахар и меласса.

Желтый сахар, получаемый из второго (и третьего, если он есть) утфеля, перерабатывают, растворяя в сульфитированном соке и добавляя этот раствор в сироп после выпарки.

Схема производства сахара-рафинада слагается из следующих основных процессов:

1. Очистка сиропа. Сироп очищают адсорбционным методом, используя костяной или активированный древесный уголь.

Сахарный сироп отделяют от механических примесей путем фильтрования через фильтр-прессы, а затем пропускают через другие фильтры или другие адсорбенты. Для очистки активированным углем его добавляют в сироп, перемешивают и фильтруют, удаляя уголь. Большая часть посторонних примесей сахара, содержащихся в сиропе, при очистке адсорбируется на сильно развитой поверхности угля.

2. Уваривание сиропа на утфель. Очищенный сироп уваривают на утфель в вакуум-аппаратах. Для частичного обесцвечивания окрашенных веществ иногда вводят гидросульфит натрия.

3. Получение литого сахара-рафинада. При получении литого сахара-рафинада готовый рафинадный утфель наливают в формы, имеющие вид конусов - «голов». После охлаждения утфель застывает в виде сплошной массы. Ее пробеливают, открывая внизу формы, у более узкой ее части, отверстие и заливая сверху насыщенным раствором чистого сахара — клерсом. Снизу стекает межкристальная патока с желтоватой окраской, вытесняемая сверху клерсом. Пробеливание продолжают до полного удаления из голов желтоватой межкристальной патоки. Головы сахара в формах высушивают в вакуум-сушилках, затем вынимают из форм.

4. Получение прессованного сахара-рафинада. Этот сахар готовят из рафинадного утфеля путем переработки его на центрифугах. Получаемые после пробелки на центрифугах кристаллы сахара (рафинадную кашку) прессуют в виде брусочков, которые затем подсушивают и разрезают на кусочки той же формы, что и кусковой литой сахар-рафинад. Прессованный сахар менее тверд, чем литой. Чтобы увеличить твердость прессованного сахара, применяют особый метод его изготовления: на прессование подают кашку с более высокой влажностью (около 3-3,5 % вместо 2 % для обычного прессованного сахара), и прессование ведут при меньшем давлении - с меньшим коэффициентом сжатия сахара. После прессования в сахаре остается больше межкристальной жидкости, в готовом продукте кристаллы сахара сильнее сцементированы между собой вследствие того, что при высушивании кристаллизуется больше сахарозы. Таким образом, получают прессованный сахар-рафинад со свойствами литого, или с более высокой прочностью на раздавливание.

5. Рафинированный сахар-песок получают из рафинадного утфеля так же, как и в свекло-сахарном производстве.

Сахар-песок и сахар-рафинад как продукты, состоящие практически из чистой сахарозы, могут сохраняться при благоприятных условиях очень длительное время - годами. Сахароза в чистом состоянии - это химически устойчивое вещество, в ней при обычно невысоких температурах хранения (от 0°до +25°) не наблюдается внутренних химических изменений даже после продолжительных сроков хранения. Кислород воздуха и другие содержащиеся в чистом воздухе газообразные вещества при указанных условиях также не вызывают заметных изменений в сахарозе. На сухом кристалле сахарозы микроорганизмы не развиваются.

Поскольку сахар-рафинад имеет меньше примесей, чем сахар-песок, то и паточный слой на нем имеет другой качественный состав, поэтому гигроскопичность сахара-рафинада значительно меньше, чем сахара-песка.

Упакованный сахар-песок должен храниться в складах при температуре не выше 40° С и относительной влажности воздуха:

- не выше 70 % на уровне поверхности нижнего ряда упакованного сахара;

- не выше 60 % при хранении без упаковки в силосах.

Сахар-рафинад должен храниться также при температуре не выше 40° С при относительной влажности воздуха на уровне поверхности нижнего ряда мешков и ящиков не выше 75 %.

Запрещается хранить сахар совместно с другими продуктами, имеющими высокую влажность.