Как производят столовый сахар из сахарной свеклы
Растения производят сахар и кислород в процессе, называемом фотосинтезом, используя солнечный свет, воду и углекислый газ. Это важный процесс на Земле, поскольку он удаляет углекислый газ из воздуха и обеспечивает нас пищей. Фотосинтез происходит в небольших отсеках внутри растительных клеток, называемых хлоропластами. В ходе двухэтапного процесса растения получают химическую энергию из солнечного света. Собранная энергия используется во второй реакции для получения сахара - глюкозы. Глюкоза соединяется с фруктозой, фруктовым сахаром, и получается сахароза - хорошо известный нам столовый сахар. Сахарная свекла растет ~7 месяцев, чтобы вырасти и обеспечить~32% мирового производства столового сахара. По мере роста свеклу необходимо защищать от сорняков и болезней. Когда сахарная свекла достаточно вырастет, ее можно собирать и перерабатывать на сахарном заводе для получения столового сахара.
Сахар производится растениями
Десерт после обеда или шоколад от наших бабушек и дедушек заставляют нас улыбаться. Это происходит потому, что наш мозг требует один из ингредиентов этих сладких продуктов. Речь идет о столовом сахаре, который также называют сахарозой. Сахароза образуется из двух более простых сахаров: глюкозы и фруктозы. Но откуда берется глюкоза? В отличие от людей и других животных, растения могут производить глюкозу с помощью процесса, известного как фотосинтез. Зеленые части растений используют солнечный свет, воду и углекислый газ из воздуха для производства глюкозы и кислорода. При этом растения производят энергию и обеспечивают нас свежим, богатым кислородом воздухом. Но как сами растения получают пользу от фотосинтеза и производства глюкозы? Глюкоза может использоваться как химический строительный блок и как источник энергии. Растения используют глюкозу для жизни и роста. И для растений, и для людей глюкоза - это как топливо для машины.
Растения производят сахар в своих листьях, но эти листья не сладкие на вкус. Это потому, что сахар не остается в листьях. Растения используют сахар для роста, он также может переноситься в корни, семена, стебли или плоды для хранения. Мы уже узнали, что сахар может существовать в виде простых сахаров, таких как глюкоза или фруктоза, или в виде двойного сахара, например сахарозы. Но есть и такие сахара, в которых тысячи молекул сахара соединены вместе, образуя огромную единицу, например крахмал. Все эти различные сахара относятся к типу питательных веществ, называемых углеводами (табл. 1).
Многие растения хранят свой сахар в виде крахмала, например картофель. Другие хранят сахар в виде фруктозы или глюкозы в своих плодах, таких как яблоки и апельсины. Некоторые растения накапливают сахарозу в высоких концентрациях. Растения с высоким содержанием сахарозы выращиваются для получения столового сахара, который мы используем для приготовления вкусных сладостей. В мире основными культурами, производящими сахар, являются сахарная свекла и сахарный тростник. Для роста сахарного тростника необходима теплая температура (25-30°C), поэтому эту культуру выращивают в субтропических и тропических регионах, например в Бразилии и Индии. Сегодня сахарная свекла является основной культурой для производства сахара в умеренном климате (15-25°C), особенно в Западной, Центральной и Восточной Европе, а также в США, Китае и Японии.
Свет, углекислый газ и вода: источники энергии и сладости
Для фотосинтеза важны зеленые части растений. Листья зеленые, потому что содержат структуры, называемые хлоропластами, в которых есть зеленый пигмент, называемый хлорофиллом (рис. 1). Фотосинтез состоит из двух основных этапов. На первом этапе солнечный свет попадает на листья, и световая энергия собирается хлорофиллом в хлоропластах. Собранная световая энергия преобразуется в химическую энергию и накапливается в молекулах-накопителях энергии. В ходе этого процесса также образуется кислород, который выделяется растениями [ 1 ]. На втором этапе фотосинтеза углекислый газ из воздуха поступает в листья через очень маленькие отверстия. Используя накопленную ранее химическую энергию, хлоропласты превращают углекислый газ в глюкозу [1]. На этом этапе также образуется фруктоза. Затем глюкоза соединяется с фруктозой и образуется сахароза.
Что такое сахарная свекла?
Люди всегда находили вещества для подслащивания пищи. Но в холодном климате сахар долгие годы был продуктом роскоши. В 1747 году немецкий химик Андреас Сигизмунд Маргграф обнаружил, что свекла производит такой же сахар, как и сахарный тростник. Его ученик разработал технический процесс извлечения сахара из свеклы. Первый сахарный завод заработал в 1802 году. Вскоре по всей Европе было построено множество сахарных заводов.
Растение сахарной свеклы (латинское название Beta vulgaris) имеет ярко-зеленые листья в виде розетки и конусообразный белый мясистый корень (рис. 2). Корнеплод свеклы - это орган хранения, содержащий 75% воды, ~20% сахара и структурные компоненты, которые называются мякотью.
Выращивание сахарной свеклы
Выращивание культур может показаться простым, но это не так, если вы хотите вырастить урожай, достаточно большой, чтобы прокормить много людей. Давайте посмотрим, как выращивают сахарную свеклу (рис. 3). Наше путешествие начинается с семян сахарной свеклы. Семена высевают, как только прогреется почва, обычно в марте-апреле. Одно семя сахарной свеклы естественным образом развивается во множество растений. До 1970-х годов лишние растения приходилось удалять вручную, чтобы свекле не было слишком тесно, а это была тяжелая и трудоемкая работа. Затем селекционеры совершили прорыв и вывели семена, которые дают только один росток. Селекционеры, производящие семена сахарной свеклы, покрывают их пестицидами, которые защищают всходы от болезней и вредителей. Покрытое семя сахарной свеклы называется таблеткой, и таблетки часто имеют разные цвета в зависимости от селекционера (Рисунок 3A).
Когда семена прорастают, появляются маленькие корни и два семядольных листочка, называемые котиледонами (рис. 3B). С этого момента молодое растение сахарной свеклы необходимо защищать от сорняков, поскольку они конкурируют за солнечный свет и питательные вещества почвы. Фермеры могут бороться с сорняками с помощью мотыги или использовать гербициды - химические вещества, которые уничтожают сорняки. Если фермер не борется с сорняками, то маленькие свеклы будут затронуты, и урожайность может снизиться до 80 % [ 2 ]. Свекле приходится бороться не только с конкурирующими сорняками. На нее также нападают насекомые. Насекомых, нападающих на свеклу, можно разделить на две группы: те, которые непосредственно повреждают растение, и те, которые переносят вирусные заболевания. Например, зеленая персиковая тля (Myzus persicae) может передавать вирус, вызывающий пожелтение листьев сахарной свеклы, что препятствует фотосинтезу и снижает производство сахара.
Свекла должна быть защищена от грибковых заболеваний
После того как у растения сахарной свеклы появляется девять или более листьев, формируется "свекла", или подземный орган хранения. Вырабатываемая в листьях сахароза хранится в свекле. Чем солнечнее лето, тем больше сахара может быть получено в результате фотосинтеза. В это время листья необходимо защищать от грибковых заболеваний, так как только здоровые листья могут осуществлять фотосинтез. Наиболее распространенное и разрушительное заболевание листьев сахарной свеклы вызывается грибком с латинским названием Cercospora beticola. Сначала видны только небольшие круглые темные пятна с красноватой каймой, но гриб выделяет токсичное вещество, которое разрушает ткани листа и в итоге приводит к гибели больших участков или даже целых листьев. Гриб использует мертвые ткани в качестве источника питания [ 3 ]. Заболевание можно уменьшить, если выращивать сахарную свеклу только раз в 3 года, а в промежуточные годы выращивать другие растения, например, зерновые [3]. Эта техника называется севооборотом. Фермеры также могут использовать новые сорта сахарной свеклы, устойчивые к Cercospora, которые лучше переносят болезнь [3]. Если грибок уже сильно поразил сахарную свеклу, можно распылить на растения фунгициды - химические вещества, защищающие растения от грибковой инвазии. Исследователи изучают новые технологии, позволяющие сократить использование фунгицидов. Например, с помощью специальных камер и компьютерных систем болезни растений можно предсказывать гораздо раньше, чем невооруженным глазом, и фермеры смогут использовать фунгициды в более
Сбор урожая и извлечение сахара
Осенью, когда растения заканчивают рост, начинается уборка сахарной свеклы. Листья свеклы удаляются, и свекла поднимается из почвы свеклоуборочными комбайнами, многие из которых могут убирать шесть рядов одновременно (рис. 3E). Листья остаются на поле в качестве естественного удобрения. Сахарная свекла собирается в кучу, называемую свекловичным зажимом (Рисунок 3F), где она ожидает переработки. Постепенно сахарную свеклу собирают и перевозят на заводы, чтобы в течение этого времени заводы могли непрерывно принимать и перерабатывать сахарную свеклу. На заводах сахар извлекается из свеклы с помощью воды, извести, тепла и знаний физики. В среднем для производства 1 кг сахара требуется шесть-семь сахарных свекол (~2,2 фунта), что составляет площадь посева около 1 м 2 .
Сегодня почти все компоненты свеклы используются в рамках устойчивого, замкнутого круга. Помимо сахара, из сахарной свеклы производят такие продукты, как корм для животных, биоэтанол и биогаз.
Что мы узнали?
Из этой статьи вы узнали много нового о сахарной свекле: как она растет, как производит сахар, с какими вредителями и болезнями сталкивается и как ее собирают. Выращивание сахарной свеклы чрезвычайно важно, поскольку она обеспечивает~32% мирового производства столового сахара, и это единственная высокосахаристая культура, которую можно выращивать в регионах с умеренным климатом.
