Дослідження хімічної переробки та порівняння цукру з іншими підсолоджувачами

 

Незважаючи на очікуване падіння, в найближчі 10 років світове споживання цукру повинне збільшитися, щоб підтримати глобальний попит та зменшити запаси. Щороку виробництво цукру збільшуватиметься в середньому на 2,1%. Із цим збільшенням очікується, що з цукрової тростини буде вироблено 86% цукру, а решту забезпечить цукровий буряк. Цукор — це вуглевод, так звана сахароза, який міститься в основному у всіх фруктах та овочах. Зелені рослини використовують процес фотосинтезу для отримання вуглеводів, які потім накопичуються в рослині та перетворюються у джерело енергії. Стебло цукрової тростини містить близько 14% цукру, а буряк — близько 16% цукру. Процес виробництва цукру змінюється залежно від наявної сировини, а різні побічні продукти також виходять на різних стадіях технологічного процесу, залежно від їх застосування в харчовій галузі.

За матеріалами статті на тему «Огляд дослідження цукру, розвитку його ринку, хімічної переробки та порівняння з іншими підсолоджувачами» («A Review on Study of Sugar for its Market Growth, Processing Chemistry and Comparison with Other Sweeteners») міжнародного журналу «Нові методи в галузі харчування та товарознавства» («Novel Techniques in Nutrition and Food Science (NTNF)»), 2(1) 2018 р.

Вуглеводи — це полігідроксиальдегіди або кетони, або сполуки, які в процесі гідролізу розпадаються на менші одиниці. Залежно від цукрових молекул, сахариди класифікуються як: моносахариди, дисахариди, олігосахариди та полісахариди. Цукор — висококалорійний вуглевод, окрім нього в харчовій промисловості також використовуються інші підсолоджувачі або замінники цукру, такі як декстроза, кукурудзяний сироп із високим вмістом фруктози тощо.

Цукор — це сахароза, яка є вуглеводом і міститься майже у всіх фруктах та овочах. Усі зелені рослини використовують процес фотосинтезу для перетворення прямого сонячного світла на їжу, тобто цукор, як джерело енергії. Цей цукор перетворюється на крохмаль, а потім у різні форми цукру, який накопичується в рослині для подальшого використання. Цю функцію перетворення крохмалю у різні форми цукру мають безліч фруктів та овочів — від манго до солодкої моркви. Але основною сировиною для виробництва цукру є цукрова тростина та цукровий буряк, які використовуються у комерційному виробництві цукру. Згідно з дослідженнями, стебло цукрової тростини містить близько 14% цукру, тоді як вміст цукру в буряку становить 16%. Цукор, що вилучається з цих видів сировини, має ідентичну хімічну структуру. Цукру, отриманий з цукрової тростини та буряка, має подібний смак, колір, запах та властивості. Цукор, який використовується як інгредієнт або підсолоджувач у побуті, є на 99,9 +% сахарозою.

Підсолоджувач, який використовується для порівняння солодкості, є сахарозою і вважається стандартом для вимірювання відносної солодкості інших підсолоджувачів. Дегустація або куштування на смак — єдиний спосіб визначення солодкості. Щоразу, коли речовина пробується на смак, смакові рецептори посилають сигнали в мозок, де визначається солодкість. Найпоширенішими підсолоджувачами є глюкоза, сахароза та фруктоза. Що стосується солодкість, глюкоза солодша за сахарозу, а та, в свою чергу, солодша за фруктозу. Цукор може природним чином міститися в харчових продуктах або може додаватися в їжу як вуглевод, залежно від потреби, і відіграє важливу роль у харчуванні людини. Цукор, як вуглевод, є джерелом енергії, а також виконує функції підсолоджувача. Цукор надає смак харчовим продуктам як в обробленому, так і в необробленому вигляді. Деякі останні дослідження показують зв'язок між споживанням цукру та здоров'ям його споживачів залежно від різних факторів, таких як норма споживання, тип цукру тощо.

Майже всі люди включають у свій раціон цукор та солодощі, але багато споживачів цікавляться, чи впливає споживання цукру на їх здоров'я. У даній роботі представлено виробництво та молекулярну структуру цукру, аспекти харчування та здоров'я споживачів цукру, узагальнено наукові рекомендації щодо харчування. Метою даної роботи є:

  • повний огляд цукру — від комерційної сировини до виробництва кінцевої готової продукції;
  • переваги та обмеження споживання цукру у повсякденному житті.

Виробництво цукру

На сьогодні основною комерційною сировиною для виробництва цукру є цукрова тростина та цукровий буряк. Технологія виробництва цукру залежить від використовуваної сировини. Для більшості людей термін «очищення» має негативне значення, але фактичним є «рафінування, тобто видалення домішок або небажаних матеріалів». Що стосується рафінування цукру, цей термін означає видалення домішок і твердих частинок, в результаті чого залишається чиста сахароза. Детальний загальний процес виробництва цукру (сахарози) поданий наступним чином:

  1. Промивання, різання та подрібнення сировини
  2. Клерування
  3. Випарювання
  4. Кристалізація
  5. Змішування
  6. Центрифугування
  7. Випарювання
  8. Зберігання

Промивання, різання та подрібнення сировини: на початковому етапі стебла цукрової тростини очищаються водою, а потім ріжуться ножами на куски. Після цього величезні вали пресують різані шматочки для вилучення соку.

Клерування: отриманий сік змішується з розчином вапна та вуглекислим газом. Вуглекислий газ реагує у вигляді бульбашок води, утворюючи карбонат кальцію, який має властивість притягувати домішки, що містяться в соку, такі як суміш твердих вуглеводнів, жири тощо. У клерувальному апараті домішки з соку разом із карбонатом кальцію осідають на дні, залишаючи розчин сахарози.

Випарювання: у випарному апараті освітлений сік, отриманий з відстійника, нагрівають під вакуумом у кілька етапів. Під час нагрівання освітленого соку вакуум допомагає випаровувати воду, яка присутня при більш низькій температурі, і тим самим запобігає процесу карамелізації. Потім сік стає чистим і насиченим коричневим сиропом.

Кристалізація: при подальшому нагріванні коричневого сиропу під вакуумом вода випаровується, залишаючи цукор-сирець, а, коли випаровується остання порція води, починають утворюватися кристали. Потім із вакуум-апарату суміш потрапляє в центрифугу, перфорований ротаційний барабан, який обертається з великою швидкістю в циклі обертання та сушить суміш, забезпечуючи цукор золотисто-жовтого кольору.

Отриманий цукор-сирець — це приблизно 96-98% сахарози. Цей майже чистий цукор покритий тонким шаром розчину патоки (меляси), який складається з цукру, води та деяких домішок.

Змішування: отриманий цукор-сирець надходить на цукрорафінадний завод, де його змішують з теплою сумішшю води та цукру. Ця суміш сиропу допомагає відділити шар патоки від цукру-сирцю, отримана суміш відома як утфель.

Центрифугування: отриманий утфель потрапляє в циліндричний контейнер, який обертається з дуже високою швидкістю, відокремлюючи мелясову плівку від кристалів. Потім отримані кристали обприскуються водою для очищення, розчинення шару меляси у воді та відокремлення меляси шляхом фільтрування або клерування. Отриманий продукт є абсолютно чистим розчином сахарози золотистого кольору. Цей розчин проходить через вугільний фільтр, утворюючи білий цукровий сироп, який подається у випарний апарат.

Випарювання: у випарній установці цукровий сироп нагрівається під дією вакууму. Потім при правильному випарюванні видаляється вода, а сироп перетворюється на дрібні кристали цукру належного розміру частинок.

Зберігання: на цій заключній стадії цукрові кристали промиваються гарячою водою та центрифугуються із застосуванням відцентрової сили для видалення вологи та домішок, наявних у кристалах. Для подальшого зберігання вологість цукрових кристалів зменшується до 1-0,3%. Будучи вологопоглинаючими за своєю природою, кристали можуть поглинати вологу з оточуючого середовища, тому зберігаються в сухих умовах у належним чином упакованих мішках або контейнерах.

Перед зберіганням висушені кристали пропускаються через декілька сит для сортування цукру та зберігаються окремо залежно від їх сортування та застосування в харчовій промисловості.

Види цукру

Цукор-сирець: цукор-сирець є проміжним продуктом у виробництві цукру. Його можна ідентифікувати як крупнокристалічний продукт, одержуваний в кінці процесу подрібнення після випарювання освітленого сиропу тростинного цукру. Цей цукор-сирець надходить на цукрорафінадний завод для кінцевої обробки для виробництва білого цукру.

Коричневий цукор: цукор, отриманий на четвертому етапі виробництва цукру, називається коричневим цукром. Коричневий цукор означає кристали цукру-сирцю, покриті мелясовою плівкою, які надають кристалам природний колір та аромат. Деякі виробники отримують коричневий цукор шляхом кип’ятіння мелясного сиропу до утворення кристалів коричневого цукру. Утворені кристали проходять процес центрифугування з відцентровою силою для висушування та видалення домішок.

Цукор турбінадо (частково рафінований цукор-сирець): цей цукор утворюється після потрапляння цукру-сирцю на цукрорафінадний завод. Вид цукру, який утворюється після видалення шару меляси за допомогою процесів промивання та центрифугування. Цей вид цукру чистіший, ніж цукор-сирець.

Патока (меляса): на стадії рафінування, під час якої цукор-сирець рафінується для отримання сахарози, утворюється залишок рідкого сиропу. Екстракція меляси включає 3 етапи, на кожному з яких утворюється різний вид меляси:

  1. Світла патока (меляса) утворюється на першому етапі, вона солодша, ніж дві інші, але має найбільш м’який смак. Вона використовується в харчових продуктах, таких як печиво, тістечка тощо.
  2. Темна патока менш солодка, але має кращий смак, ніж попередня. Найчастіше її використовують у консервуванні квасолі.
  3. Сира меляса утворюється на заключному етапі, має найменшу солодкість і більший смак, ніж попередні дві. Вона застосовується у виробництві кормів для тварин.

Меляса, отримана з цукрових буряків, застосовується у кормах для худоби, а також як комерційний інгредієнт для виробництва промислових дріжджів. Мелясний сироп, що продається на ринку, готується шляхом змішування патоки (меляси), утвореної під час рафінування цукру, з цукровим розчином для забезпечення смаку, аромату та якості.

Інвертний цукор: інвертний цукор — рідкий вуглеводний підсолоджувач, у якому молекула сахарози розщеплюється і перетворюється на суміш глюкози та фруктози. Інвертні цукри використовуються у виробництві борошняних виробів для утримування вологи та продовження терміну їх зберігання. Виробники цукерок використовують інвертний цукор для контролю процесу гранулювання.

Хімічний склад цукру

Вуглеводи — це полігідроксиальдегіди або кетони, або сполуки, які під час гідролізу розпадаються на менші одиниці (відомі як моносахариди). Вуглеводи є найпоширенішим джерелом енергії та беруть участь у структурі клітинної мембрани та клітинних функцій, таких як ріст клітин тощо. Виходячи з кількості наявних одиниць цукру, вуглеводи класифікуються як:

  1. Моносахариди, які не можна гідролізувати до більш простих форм.
  2. Під час гідролізу дисахариди утворюють 2 молекули однакових або різних моносахаридних одиниць.
  3. Під час гідролізу олігосахариди утворюють 3-10 молекул моносахаридних одиниць.
  4. Під час гідролізу полісахариди утворюють більше 10 молекул однакових або різних моносахаридних одиниць.

Найменші одиниці, які утворюються після гідролізу, показані на Графіку 1.

Як було вище сказано, цукор, відомий як сахариди, є найбільш доступною молекулою. Сахариди бувають різних типів, кожен із яких має різне застосування. Цукор доступний у більшості продуктів харчування у якості інгредієнту. Сахариди також виконують функцію структурного матеріалу в клітинних стінках рослин і бактерій, а також у сполучній тканині та клітинних оболонках тварин. Ці молекули також діють як мастильний матеріал у м’язових суглобах. Крім того, цукор має здатність приєднуватися до білка (у глікопротеїнах) та ліпідів (у гліколіпідах), ці сполуки діють як (І) антигенні детермінанти; (ІІ) подають сигнали, що визначають клітинну локалізацію білків, та (ІІІ) функціонують як сигнали, які дозволяють клітинам розпізнавати одна одну та брати участь в утворенні тканин та органів.

Моносахариди: термін "моносахариди" належить до грецької термінології: "моно" означає одиночний, а "сахариди" — цукор. Це — полігідроксиальдегіди або кетони, які неможливо розкласти на більш дрібні компоненти. Вони мають кристалічну структуру і розчиняються у воді. Структура моносахаридів може містити атоми вуглецю (від 3 до 10), гідроксильні (ОН) групи (2 або більше) та альдегідну (СНО) або кетонну (СО) групу. Деякі з моносахаридів наведені в Таблиці 1.

Таблиця 1: Деякі з моносахаридів

Назва Формула Альдоза Кетоза
Тероза C4H8O4 Еритроза Еритрулоза
Пентоза C5H10O5 Рибоза Рибулоза
Гексоза C6H12O6 Глюкоза Фруктоза
Гептоза C7H14O7 Глюкогептоза Седогептулоза
  1. Пряма або відкрита структура ланцюга: вуглецеві атоми ланцюга розташовані у вигляді прямої лінії. Її також називають відкритою ланцюговою структурою, оскільки два кінці ланцюга залишаються окремо та не змикаються.
  2. Циклічна або кільцева структура: крайні атоми ланцюга зчеплені та утворюють кільце.

Дисахариди, олігосахариди та полісахариди: біохімічна реакція, яка являє собою конденсацію (тобто видалення води) двох (або більше) моносахаридів із 2 -ОН груп, присутніх у двох цукрах. Якщо в реакції беруть участь два моносахариди, то це — дисахариди; якщо в реакції задіяно 3-10 моносахаридів, то це — олігосахариди; в той час як залучення більше 10 моносахаридів — це полісахариди. Реакція між двома або більше моносахаридами відбувається між групою ОН в C1 одного моносахариду з групою ОН в C4 іншого моносахариду. Зв'язок, що утворюється під час зчеплення, називається глюкозидним зв'язком.

Полісахариди — це багато моносахаридів, пов’язаних між собою глікозидними зв’язками. Більшість полісахаридів є полімерами або глюкози, або модифікованої глюкози. Вони відіграють важливу роль у структурі рослин (целюлозі), а також у накопиченні енергії як у рослин (крохмалю), так і в тварин (глікогену).

Інші вуглеводні підсолоджувачі

Мед: мед — це солодка і в'язка харчова речовина, яка в основному містить цукор, який утворюється з ферменту, інвертази, присутньої в організмі бджіл. Колір, аромат та якість меду в основному залежать від сировини, з якої видобувається нектар. Мед складається з фруктози (близько 38%), глюкози (близько 31%), сахарози (близько 1%), іншого цукру (9%), води (17%) та золи (0,17%).

Високофруктозний кукурудзяний сироп (HFCS): високофруктозний кукурудзяний сироп — підсолоджувач, який виробляється з кукурудзяного крохмалю під час його обробки глюкозоізомеразою (ферментом), яка перетворює частину глюкози у фруктозу. Стандартна сполука HFCS в основному складається з фруктози (склад варіюється від 42% до 99%) та глюкози.

Кукурудзяний сироп із високим вмістом фруктози (HFCS) широко використовується в харчовій промисловості, у виробництві безалкогольних напоїв, консервованих фруктів, варення тощо, але він також може викликати проблеми зі здоров'ям, такі як підвищення ризику ожиріння та розвитку діабету 2 типу.

Декстроза: декстроза хімічно ідентична глюкозі, має кристалічну структуру та виробляється з крохмалю. Вона використовується як підсолоджувач у випічці та десертах, таких як заварні креми, шербети тощо, та в перероблених продуктах харчування, таких як печиво тощо. Декстроза на 60-70% така ж солодка, як і цукор, та містить близько чотирьох калорій на грам.

Кристалічна фруктоза: кукурудзяний сироп, збагачений фруктозою, використовується для отримання кристалічної фруктози за допомогою процесу кристалізації. Кристалізована фруктоза, яка застосовується в харчовій промисловості у якості інгредієнту харчових продуктів та напоїв, виробляється з кукурудзяного крохмалю. Її можна вважати майже чистою фруктозою і вона солодша за цукор. Кристалічний цукор має аналогічне застосування, що і кукурудзяний сироп із високим вмістом фруктози, наприклад у безалкогольних напоях, консервованих фруктах тощо.

Мальтодекстрин: картопля, кукурудза та рис є основними видами сировини, що використовується для виробництва мальтодекстрину. Він є підсолоджувачем, джерелом енергії, тобто містить 4 калорії на грам.

Мальтодекстрини широко застосовуються в харчовій промисловості, починаючи від консервованих фруктів і закінчуючи закусками, а також можуть використовуватися як інгредієнт у виробництві столових штучних підсолоджувачів. Мальтодекстрин також застосовується як наповнювач і, таким чином, надає їжі текстуру.

Фруктоолігосахариди: фруктоолігосахариди (ФОС) — це олігосахариди, які зустрічаються в природі в різних рослинах, таких як цибуля, часникова спаржа, цикорій тощо. ФОС виробляються із харчової сахарози шляхом трансфруктозилювання, каталізованої ферментом фруктофуранозидазою, отриманою з непатогенного та нетоксигенного штаму Aspergillus oryzae. Фруктоолігосахариди (ФОС) — це суміш олігосахаридів, що складається з молекули сахарози (глюкоза — дисахарид фруктози, (GF1), пов’язаної з однією (GF2), або двома (GF3), або трьома (GF4) додатковими одиницями фруктози, доданими за допомогою глікозидних зв’язків P2-1 до фруктозної одиниці сахарози. Фруктани можуть мати ступінь полімеризації (кількість залишків фруктози або глюкози) від 2 до більше ніж 60.


6451