За матеріалами статті на тему «Тривале польове зберігання цукрових буряків (Beta vulgaris subsp. vulgaris) після збирання» («Long-term post-harvest field storage of sugar beet (Beta vulgaris subsp. vulgaris)») Шведського університету сільськогосподарських наук, 2023 р.

Польовий кагат — це стара технологія, яка використовується для зберігання коренеплодів після збирання, що складається з основної маси врожаю, складеної на землю та накритої, в разі необхідності, захисним матеріалом, таким як солома або ґрунт. Великий кагат складається з основної маси зібраних коренеплодів, яка може досягати п’яти метрів у висоту та 40 метрів у ширину або більше.

Третя система зберігання передбачає, що врожай цукрових буряків залишається в полі після закінчення періоду сезонного росту, де він захищається ґрунтом і рослинним покривом. Польове зберігання можна використовувати в регінах із м’якими зимами, коли збирання врожаю відбувається безпосередньо перед його доставкою на переробку. Польові кагати зазвичай украдаються лише на короткий період. У деяких регіонах, де вирощують цукровий буряк, зберігання в польових кагатах настійно не рекомендується через несприятливий вплив навколишнього середовища.

Рис. 1. Три польові кагати: один кагат (на передньому плані — з вивантаженням комбайну) і два комерційні кагати (з нетканим поліпропіленовим накриттям). Комерційний кагат праворуч від дороги має довжину приблизно 400 м (прибл. 3500 т). Причіп чекає на наступне завантаження (праворуч). Здалеку (ліворуч) видно кагат від заводу з переробки цукрових буряків Örtofta у Швеції. Джерело: Автор, Hviderup, Швеція, 28.11.2022.

Довготривале зберігання цукрових буряків

В літературі немає єдиного чіткого визначення терміну «довготривале» зберігання цукрових буряків. Таким чином, тут дається визначення довготривалого зберігання як періоду з фізіологічною стабільністю, де фізіологічна стабільність — це «динамічний стан живого організму, що характеризується підтримкою одного або кількох фізіологічних параметрів у діапазонах значень, які лише незначно змінюються через наявність шкідливих патогенів».

Для умов, у яких зберігаються цукрові буряки, довготривалим вважається таке зберігання, що триває більше двох тижнів після збирання врожаю. Два тижні є приблизною середньою тривалістю початкового періоду «загоєння ран» та підвищеної частоти дихання в результаті процесу збирання. Це також відповідає визначенню більше ніж 15 днів, наданому в презентації 2012 року європейськими лідерами в галузі досліджень зберігання цукрових буряків.

Успішне зберігання та якість сировини

Успішне зберігання в кінцевому підсумку визначається збереженням якості продукту. Стандарти якості цукрових буряків визначені щодо їх переробки та включають насамперед високу концентрацію цукру, низький вміст інвертних цукрів (глюкози та фруктози), полісахаридів мікробного походження (включаючи декстран), а також розчинних нецукрів (α-аміно азоту, натрію, калію).

Якість також включає підтримку кількості перероблюваної сировини в доставленому зразку. Сировина, що не підлягає переробці, — це все, що не є здоровими коренеплодами цукрових буряків, включає ґрунт і каміння, некореневий рослинний матеріал, кореневий матеріал, який змивається, воду в цих компонентах або кореневий матеріал, який, як відомо, перериває процес вилучення цукру, як-от коренеплоди, які відтанули після впливу заморозків.

Коли сировина, що не підлягає переробці, потрапляє в доставлений вантаж коренеплодів, його називають брудною тарою. Нарешті, стійкість до пошкоджень є якісною ознакою, важливою при переробці буряків. Термін придатності до зберігання використовується в описі успішного зберігання, причому хороша і погана придатність до зберігання відноситься до ситуації відносно нижчої та вищої втрати якості під час зберігання.

Втрати якості

Втрати якості відбуваються, коли концентрація цукру зменшується, нецукровий компонент збільшується, або коли втрачається перероблювана сировина. Основними механізмами втрати якості є дихання, пліснявіння і гниття, заморожування і відтавання, механічні пошкодження. Існує багато взаємодій між цими процесами та багатьма факторами, які можуть на них впливати. Відносну якість перед зберіганням не слід сприймати як показник відносної придатності до зберігання. Коренеплоди з високою концентрацією цукру, ймовірно, краще зберігаються, але якість до зберігання не враховує багатьох ключових факторів якості після зберігання.

Здорові коренеплоди цукрових буряків

Частота дихання

Тривале дихання зібраних коренеплодів зазвичай називають основним джерелом втрати цукру під час зберігання буряків. Частота дихання розглядається як параметр здоров'я рослин. Як дворічний коренеплід, який збирають наприкінці першого року розвитку, цукровий буряк не вважається дозрілим, тому не очікується, що частота дихання змінюватиметься залежно від часу збирання врожаю. Спостерігалися відмінності у базовій частоті дихання між різними сортами буряків під час їх зберігання, але вони були відносно незначними, в порівнянні з відмінностями, що спостерігалися при взаємодії з іншими параметрами здоров’я рослин або умов зберігання.

Сорти та експресія генів

Сорт — це набір стабільних ознак, оцінюваних переважно фенотипово. Зазвичай спостерігаються відмінності між сортами у втратах під час тривалого зберігання цукрових буряків і, подібно до дихання, сорт є фактором впливу на тривалість зберігання коренеплодів, який взаємодіє з багатьма іншими чинниками. Його не можна розглядати як параметр здоров’я рослин як такого, лише як корисний показник можливого стану рослин за певних умов.

У Північній Америці та Європі почала вивчати генетичні основи зберігання цукрових буряків. У 2020 році було виявлено чіткі відмінності в активації генів під час зберігання, а в 2022 році це пов’язали з частотою дихання, припускаючи, що транспортування цукру з вакуолей контролює частоту дихання, а придатність до зберігання пов’язали з наявністю вільних амінокислот і пригніченням генів, які беруть участь у їх розпаді.

Оптимальні умови зберігання

Температуру часто називають найважливішим фактором зберігання врожаю. Учені наводили оптимальний діапазон температур для зберігання незаморожених коренеплодів у промислових умовах від 2°С до 8°C, і бажано, щоб вона була стабільною. У межах цього оптимального температурного діапазону процеси, які викликають втрати цукру, що накопичується на клітинному рівні, сповільнюються, як і швидкість втрати сировини. Втрати цукру зменшуються внаслідок більш низьких показників дихання. Дихання є основним джерелом втрати цукру на ранніх стадіях зберігання буряків. Частота дихання в зібраних коренеплодах зазвичай досягає пікових значень приблизно на 3-й день або при 30 градусо-днів та мінімуму приблизно при 200 градусо-днів, а потім демонструє поступове збільшення.

При більш низьких температурах зменшується ріст патогенів і навіть відбувається уникнення росту деяких поширених патогенів. Рівень розвитку цвілі та гнилі набуває особливого значення, коли період зберігання перевищує приблизно 250-300 градусо-днів. Велике дослідження, проведене в шести європейських країнах, показало, що рівень втрат під час зберігання найбільше корелює з показниками плісняви ​​та гнилі, коли зберігання перевищує 339 градусо-днів і досягає 996 градусо-днів. Якщо мінімальна температура становить 4°C, накопичення інвертних цукрів і трисахариду рафінози зменшується, ніж за умов нижчої температури.

Слід уникати температур нижче -2°C. Таким чином можна уникнути значних втрат, які виникають, коли клітини замерзають і потім розтають. Максимальна межа температури невідома, оскільки довготривале зберігання зазвичай не практикується в кліматичних умовах, коли температура навколишнього середовища постійно перевищує 15°C, але очевидно, що слід уникати температури вище 25°C. Це може швидко призвести до значної втрати якості коренеплодів.

Взаємодія між температурою та багатьма іншими факторами свідчить про те, що вона сама по собі може сформувати принцип: коренеплоди краще зберігаються, якщо їх утримувати в оптимальному діапазоні температур. Однак зауваження полягає в тому, що протягом початкового періоду після збирання врожаю, коли коріння має відновитися після копки, оптимальна температура, швидше за все, значно перевищує діапазон 4-6°C.

У 2016 році вчені показали, що «загоєння ран» є кращим у коренів, які зберігаються при 12°C, порівняно з 6°C. Частота дихання та транспірації у пошкоджених буряків, що зберігалися при 12°C, повернулася до рівнів, подібних до контрольних зразків. Можна вважати, що коренеплоди, які спочатку зберігалися при вищій температурі, згодом зберігатимуться краще. Друге зауваження полягає в тому, що абсолютно найкращою температурою для зберігання буряків зі збереженням їх якості з часом є та, при якій вони замерзають і залишаються в такому стані до самої переробки.

Вологість

Дослідження вологості повітря під час зберігання цукрових буряків не такі поширені, ніж дослідження температури повітря. Ймовірно, це пов’язано з природною вентиляцією зібраних коренеплодів, коли рівень відносної вологості повітря був постійно дуже високим, а втрати від зневоднення дуже низькими. Зневоднення — це випаровування води з коренеплодів у навколишнє середовище, обумовлене різницею тиску водяної пари між коренем і повітрям та опором шкірки коренеплоду цьому процесу. Коли відносна вологість прагне до 100%, перепад тиску водяної пари і, отже, зневоднення прагне до нуля. Для будь-якої заданої відносної вологості різниця тиску водяної пари буде зростати зі збільшенням температури. Дослідження, які вивчали зневоднення внаслідок низької відносної вологості, проводилися переважно в Північній Америці, де тривалість зберігання довша, а для контролю температури використовується активна вентиляція кагатів. Було показано, що нижча відносна вологість дійсно призводить до більших втрат маси коренеплодів, але вплив температури в межах ідеального діапазону для зберігання цукрових буряків (2-8°C) мало впливає на їх зневоднення.

Протягом 15-тижневого періоду зберігання в кліматичних камерах при температурі від 3,3 до 8,9°C середня втрата маси при 80-85% відносної вологості становила 31%, тоді як вона становила лише 15% при 95-100% відносної вологості. Більш високі показники витоку електроліту та частоти дихання були виявлені в коренеплодах, які зберігалися при нижчих рівнях відносної вологості.

Концентрація рафінози може збільшуватися при помірному зневодненні, тоді як сильне зневоднення призводить до зниження концентрації багатьох нецукрових вуглеводів за винятком інвертних цукрів. Ріст патогенів, здається, не посилюється на зневоднених буряках.

Досвід зберігання цукрових буряків у Швеції

Система польового зберігання цукрових буряків, яка використовується в Швеції, визначається умовами галузевої угоди та, імовірно, стосується багатьох факторів. Дата початку довготривалого зберігання в Швеції заснована на історичних кліматичних даних і визначена в галузевій угоді. Кінцевий термін і, відповідно, тривалість зберігання залежать від річного рівня виробництва та умов на переробному підприємстві.

Умови навколишнього середовища: клімат

У період із 2013/14 по 2022/23 МР середньодобова температура для регіону вирощування цукрових буряків у Швеції (Рис. 2) протягом періоду з 1 грудня по 14 лютого коливалася від 0 до 5°C (Рис. 3). У цей період були зафіксовані екстремальні значення -15°С і 14°C. Найтеплішим триденним періодом за цей проміжок часу була середня температура 9,2°C у грудні 2015 року, а найхолоднішим — середня температура -6,8°C у січні 2016 року. Середня швидкість вітру становила 4,5 м/с, переважно західного (25,0%) та південно-західного (23,5%) напрямів руху. Середня відносна вологість повітря за цей період становила 91,9%, а середня кількість опадів — 124 мм.

Рис. 2. Регіон вирощування цукрових буряків у Швеції, 2022 рік, у межах червоної лінії

Рисунок 3. Температура в регіонах вирощування цукрових буряків у Швеції протягом листопада-лютого 2013-2022 рр. Верхній рядок показує найвищу зареєстровану максимальну добову температуру, жирна темна лінія показує середню зареєстровану добову температуру, нижня лінія показує найнижчу зареєстровану мінімальну добову температуру. Місяці, відмежовані вертикальними лініями по осі х, показують приблизні дні тривалого зберігання, 0 = 10 грудня.

Зберігання цукрових буряків у польових кагатах у Швеції

У Швеції збирання цукрових буряків починається в середині вересня. Дати збору врожаю на окремих господарствах визначаються контрактним графіком доставки сировини, але рекомендовано збирати урожай при 5-10°C, коли ґрунт достатньо сухий. Коренеплоди збирають механічно тракторами або самохідними збиральними комбайнами, обладнаними причіпом приблизно від 12 т (наприклад Edenhall 753) до приблизно 30 т (наприклад Ropa Tiger 6S або Holmer Terra-Dos T5-40). Стебла та листя цукрових буряків вважаються брудною тарою, рекомендовано проводити дефоліацію з мінімальним видаленням, щоб знайти баланс між пошкодженням і загоєнням ран після збирання врожаю. Подібний компроміс між пошкодженням і видаленням ґрунту відбувається під час регулювання системи очищення комбайна. Зібрані коренеплоди перевозяться в комбайнах або в причіпах та укладаються в польові кагати (Рис. 1).

У Швеції зібрані коренеплоди зберігаються виключно в польових кагатах. Ширина цих кагатів досягає дев’яти метрів, а висота – три метри. Ширина і, отже, висота обмежені робочою шириною очисного навантажувача, який завантажує коренеплоди для транспортування на переробку. Кагати зазвичай називають «А-подібними» через форму, в яку вони укладаються. Довжина кагату визначається розміром і формою поля, але може становити багато сотень метрів.

Використання накриття кагату в період тривалого зберігання вимагається галузевою угодою. Вибір типу покриття залишається за виробником. Традиційно використовувалася солома, але її замінили нетканим поліпропіленовим флісом і пластиковою плівкою, що застосовувалися за необхідності для додаткового захисту від морозів. TopTex® є провідним брендом нетканого поліпропіленового флісу. Накриття кагатів можна здійснювати за допомогою техніки, але зазвичай використовується ручна праця. Метою накриття завжди було забезпечити оптимальне середовище для зберігання цукрових буряків. Схоже, що поліпропіленовий фліс не сильно впливає на температуру кагату, хоча він, здається, забезпечує додатковий захист при низьких температурах, близьких до нуля. Ця додаткова морозостійкість кагату, накритого поліпропіленовим флісом, ймовірно, є результатом сухіших коренеплодів. Поліпропіленовий фліс перешкоджає потраплянню опадів у кагати А-подібної форми, що в поєднанні з достатнім повітряним потоком дозволяє виводити вологу з кагату на відкрите повітря зі швидкістю, яка зазвичай не відповідає кількості опадів. Це призводить до висихання коренів і ґрунту на них. Накриття з пластикової плівки використовується, щоб зупинити потік повітря через певну частину кагату. Його можна застосувати до всього кагату або від землі та на два-чотири метри вгору з боків, при цьому верх кагату залишається відкритим, щоб дозволити надлишку тепла виходити з кагату через природну конвекцію. Використання соломи для накриття кагату все ще є звичним явищем, коли очікуються сильні холоди.

Система зберігання, яка зараз використовується у шведському виробництві цукрових буряків, є функціональною та значною мірою успішною. Невдале зберігання, очевидно, пов’язане з екстремальними погодними умовами, тривалістю зберігання та накриттям кагатів. Найпоширенішими цвілевими грибами, які зустрічаються у Швеції, є Botrytis cinerea, Fusarium spp. і Penicillium spp. Основною проблемою в управлінні накриттям кагатів є інформація про температурний режим. Проєкт NBR і Nordic Sugar із датчиками температури, які повідомляють інформацію в реальному часі, спрямований на усунення цієї проблеми.

Довготривале зберігання цукрових буряків у Швеції

Початок періоду довготривалого польового зберігання розраховується як дата початку захисту буряків від морозів плюс два тижні. За десять років до завершення цього проєкту період довготривалого польового зберігання коренеплодів у Швеції тривав у середньому 39 днів, або 30% від загальної переробної кампанії. Ці цифри збільшуються до 54 днів і 42%, якщо не враховувати цих два тижні. Найбільш ранньою датою початку довготривалого польового зберігання буряків було 8 грудня у 2013-2015 роках, а найбільш пізнє завершення зберігання було зафіксовано 14 лютого 2019 року.

Із 2013 по 2022 рік у Швеції щорічно збирали в середньому 1,93 млн т цукрових буряків, що забезпечувало в середньому приблизно 615 тис. т коренеплодів для довготривалого зберігання. При насипній щільності 700 кг/м³ це приблизно 880 тис. м³ коренеплодів. За фіксованою ціною на 2021 рік приблизно 30 євро/т (еквівалент концентрації цукру 17%), вартість  коренеплодів, які щорічно підлягають довготривалому зберіганню, становить 18,5 мільйонів євро.