За матеріалами статті на тему «Sugar Beet Cultivation in the Tropics and Subtropics: Challenges and Opportunities» («Вирощування цукрових буряків у тропіках і субтропіках: проблеми та можливості») журналу Agronomy, квітень 2023 р.

Цукровий буряк вважається врожайною культурою в середземноморських регіонах, її виробництво також почалося в північних прибережних районах. Вилучення цукру з кормових буряків із високим вмістом цукру почалося у XVIII столітті; це було велике досягнення в галузі сільського господарства Північної Європи.

У Німеччині цукробурякова промисловість виникла в результаті експериментальних робіт та процвітала під час наполеонівських війн, коли цукрові буряки замінили цукрову тростину та стали її альтернативою для виробництва цукру.

Вирощування цукрових буряків особливо розвинулось у Франції завдяки сприятливій політиці країни. Протягом 2003-2004 років, коли проводилися досліди в 55 регіонах 16 країн світу, середня врожайність буряків була зареєстрована на рівні 50-60 т/га. Цукристість буряків становила 16%, а тростини — 8-10%.

Цукрові буряки забезпечують двадцять відсотків світового виробництва цукру. Екстрагування дифузійного соку, очищення сатураційного соку, випарювання та кристалізація є основними етапами переробки цукрових буряків у цукровій галузі. Дифузійний сік є основним продуктом, який отримують з бурякової стружки. Після випарювання сік стає густим (сатураційний сік) і містить 60% розчинених твердих речовин.

Цукровий буряк також використовується для виробництва енергії, такої як етанол, біоетанол, меляса, корм для худоби, целюлоза та пектин. Будучи культурою з коротким вегетаційним періодом (5-6 місяців), в порівнянні з цукровою тростиною (тривалий термін, тобто 12-14 місяців), цукровий буряк можна вважати кращою культурою. Вміст цукру в буряку вищий — 14-20% проти 10-12% у тростині.

Крім того, потреби цукрових буряків у воді та добривах на 30-40% нижчі, порівняно з вирощуванням цукрової тростини, а самі рослини мають здатність адаптуватися до різних кліматичних умов.

Перед людством постала гостра необхідність збільшити виробництво цукру за рахунок вирощування цукрових буряків на солонцюватих ґрунтах без зниження якості цукру. Більше того, на сьогоднішній день доступно мало інформаційних даних, які допомогли б нам краще зрозуміти вирощування та широкомасштабну адаптацію цукрових буряків на ґрунтах низької якості для задоволення потреб у цукрі зростаючого населення.

Основні цукрові культури в світі

Для виробництва цукру використовуються різні цукровмісні культури, але найпоширенішими є цукрова тростина та цукровий буряк. Цукрова пальма і цукрове сорго також використовуються для виробництва цукру. Кукурудза є ще однією важливою культурою, яка використовується в харчовій промисловості для виробництва сиропу з високим вмістом фруктози. Однак для виробництва цукру також використовуються деякі інші рослини завдяки їхньому солодкому соку, включаючи пальми, клени, сорго, дерево махуа або маура, манну-траву та стевію.

Протягом багатьох століть у Південній і Південно-Східній Азії вирощуються пальми, що містять солодкий сік, який після кип’ятіння перетворюється на тверду масу під назвою джаггері. Пальмірова пальма (Borassus flabellifer), кокосова пальма (Cocos nucifera), цукрова або винна пальма (Caryota urens), пальма ніпа (Nipa fruticans) і дика фінікова пальма (Phoenix sylvestris) є кількома такими прикладами.

Деякі рослини з родини кленових також використовуються для виробництва цукру та сиропу. Кленовий сироп вироблявся в Північній Америці ще до поселення європейців. Він був важливим джерелом цукру в Канаді та Північній Америці, поки його не витіснили тростинний і буряковий цукор. У першій половині вісімнадцятого століття в Сполучених Штатах сорго вважалося ще одним джерелом цукру. Однак приблизно з 1880 року воно не могло конкурувати з цукровою тростиною та буряком. Незважаючи на це, сироп із сорго все ще виробляється в невеликих масштабах.

Дерева з родини Madhuca або Bassica (Сапотові) містять солодкі та м’ясисті їстівні квіти. У третьому-сьомому століттях нашої ери M. indica та M. або B. latifolia вважалися джерелом цукру. Види Esculenta або lecanora (Аспіцилія) того ж роду були класифіковані як джерело цукру. Два кущі, Alhagi maurorum та A. pseudalhagi, виділяють солодкий ексудат, який можна зібрати після висихання шляхом струшування кущів. Tamarix gallica виробляє кореневий ексудат, схожий на структуру, яка називається манною.

Стевія (Stevia rebaudiana), дикорослий чагарник родини складноцвітих, містить у своєму листі солодкий дитерпеновий глікозид, складну суміш цукрів. З його листя вилучають стевіозид, складну солодку суміш, яка в 250-300 разів солодша за сахарозу і використовується в Америці та Азії в цукрових цілях.

Вирощування цукрових буряків у тропіках і субтропіках

Цукровий буряк відноситься до культур помірного кліматичного поясу, тому вважається, що його не можна вирощувати в теплих регіонах, таких як Індія. Однак виведення нових сортів, придатних до вирощування в таких теплих регіонах, змінила уявлення людей про цукровий буряк, і тепер його почали вирощувати в тропічних і субтропічних регіонах. Існують певні проблеми у виробництві цукрових буряків у цих районах, такі як дефіцит води та засоленість, але він має потенціал для вирощування в умовах засолення. Вирощування цукрової тростини в тропічних і субтропічних регіонах скорочується через культури високої дельти. Тропічний цукровий буряк набуває популярності в Індії, і його вирощування було б сприятливим для інших тропічних країн, таких як Сполучені Штати, Бразилія, Китай, Австралія, Кенія та Південна Африка.

В Індії на дослідницькій станції Пуна приватна сільськогосподарська компанія Syngenta провела експеримент із вирощування цукрових буряків як альтернативної культури цукровій тростині, який довів адаптивність цукрових буряків у цьому регіоні та їх придатність до вирощування в інших тропічних країнах, таких як Пакистан, Болівія, Судан, Кенія та Малаві. У цих регіонах зафіксовано оптимальний розмір буряка 0,5-2 кг із вмістом цукру 15-20%. На концентрацію цукру в буряках впливають сорти та агрокліматичні умови. У регіонах із помірним кліматом більша частина цукрових буряків вирощується в промислових масштабах. Основними виробниками цукрових буряків у світі є Франція, Німеччина, Туреччина, США, росія, Польща, Україна, Китай, Італія.

Вирощування цукрових буряків було започатковано в промислових масштабах у провінції Хайбер-Пахтунхва, Пакистан, і їх вирощування також було запроваджено в провінції Пенджаб, але в провінціях Сінд та Белуджистан вони вирощуються в невеликих масштабах. Деякі екзотичні сорти цукрових буряків були перевірені на адаптивність у багатьох районах Пакистану в Національному дослідницькому центрі сільського господарства (NARC), Ісламабад. Через проблеми з дефіцитом води існує велика необхідність в сортах із меншою потребою у воді. У провінції Пенджаб сорти цукрових буряків випробовуються в різних агрокліматичних умовах для визначення їх схожості, врожайності та виходу цукру. Подібним чином експерименти на цукрових буряках проводилися для визначення їх живлення та адаптації в долині Пешавар у Пакистані.

У Бангладеші цукровий буряк вирощується як овочева культура. Під час польових випробувань в Індії були відібрані сорти буряків, стійкі до спеки та хвороб, для вирощування в цьому тропічному регіоні. На цих плантаціях урожайність цукрових буряків становила від 68 до 106 т/га із середнім вмістом цукру 20%.

Kave-poly та Kave terma — це сорти буряків, які показали кращу врожайність та цукристість відповідно у Банну та Дера Ісмаїл Хан (Пакистан). Під час проведення експерименту в різних умовах у Пенджабі, Пакистан, схожість, врожайність і цукристість буряків показали різні тенденції. Також вирощування цукрових буряків почалося у понад 56 країнах світу.

У 2018 році загальна світова площа посівів цукрових буряків становила 4,565 млн га, що дало урожай буряків у 229,201 млн т. Десять найбільших країн-виробників цукрових буряків у світі показані на Рис. 1 на основі посівної площі, врожайності та виробництва.

Рис. 1. Світове виробництво цукрових буряків (ТОП-10), цифри вказані у млн т

Цукрові буряки, вирощені у вищезазначених країнах, становлять 75% світової площі та 76% виробництва буряків. За обсягами виробництва перше місце посіла росія з виробництвом 51,366 млн т буряків, за нею слідують Франція, США, Німеччина і Туреччина з 33,794, 33,457, 25,497 і 19,465 млн т відповідно. Пакистан зайняв 40 місце в цьому відношенні.

Живлення цукрових буряків

На ріст, урожайність і якість цукрових буряків впливають строки сівби. Повідомлялося, що в Єгипті ранній посів буряків (у вересні-жовтні) забезпечив більший вихід та вміст цукру на одиницю площі. Пізня сівба буряків у листопаді дала меншу врожайність, довжину і діаметр кореня, а також цукристість, порівняно з ранньою сівбою в жовтні.

Крім терміну посівної, на ріст, урожайність і якість буряка впливають інші параметри, наприклад NPK. Правильне і відповідне внесення азоту, фосфору і калію покращує якість і врожайність цукрових буряків. Вихід цукру та інші параметри якості можна покращити, контролюючи стан родючості ґрунту.

Довжина, діаметр і врожайність коренеплодів зростали зі збільшенням внесення азоту (N), але зворотний результат був зафіксований у випадку TSS, відсотка цукру та чистоти соку. Внесення азоту в потрібний час відіграє важливу роль у максимізації його використання шляхом зменшення втрат. Урожайність буряка та вихід цукру було збільшено за допомогою роздільного внесення азоту у фазі від чотирьох до восьми листків буряків. Відсоток та вихід цукру значно збільшилися, що вплинуло на взаємодію між швидкістю та часом роздільного внесення азоту. На підставі передпосівного аналізу ґрунту визначаються розміри коренеплоду, а також урожайність цукрового буряку при помірному частковому внесенні азоту. При внесенні високого рівня азоту якість цукрового буряку погіршується.

Фосфор вважається важливою поживною речовиною для цукрових буряків. Він є невід’ємною частиною нуклеїнової кислоти, ліпідів, а також виробництва та транспортування цукру в буряках. Він відіграє значну роль у рослинах, включаючи генерацію енергії, фотосинтез, гліколіз, синтез нуклеїнових кислот, вуглеводний обмін, дихання та фіксацію азоту. Зафіксовано значний ефект застосування фосфору для виробництва цукрових буряків, порівняно з контрольним рівнем.

Калій відіграє життєво важливу роль у синтезі білка, а процеси фотосинтезу та транслокації асимілятів впливають на ріст та кінцеву врожайність буряків. Повідомлялося, що врожайність коренів і відсоток цукру підвищуються при внесенні калію в нормі 90 кг/га. Застосування калію разом із азотом показало ефективні результати завдяки його синергетичній дії на різних сортах буряків.

Основні шкідники та хвороби

Кучерявість листя

Вірус кучерявої гички відноситься до сімейства Germiniviridae і роду Curtovirus. У вірусу кучерявої гички знайдено одноланцюговий геном ДНК із ~3000 нуклеотидами. Він має подвійну ікосаедричну структуру з інкапсульованими віріонами. Хвороба кучерявості листя виникає на багатьох культурах, особливо на звичайних бобових, помідорах і цукрових буряка, демонструє широкий спектр симптомів, включаючи міжжилковий хлороз, сильне скручування листя, пожовтіння, деформацію, вкорочення міжвузля та затримку росту. У природі передається буряковою цикадкою (Circulifer tenellus). Ця хвороба мала кілька згубних наслідків для цукрових буряків у західній частині США та призвела до втрати виробництва томатів у Каліфорнії. У новому світі бурякова цикадка та вірус кучерявої гички виникли через антропогенну діяльність, біологія цієї хвороби дуже складна через міграційний характер її переносника. Геном вірусу кучерявої гички виявив роль рекомбінації в еволюції вірусу після його аналізу. Буряківничу галузь вдалося врятувати за рахунок розробки та виведення нових стійких сортів. Найефективнішою стратегією контролю даної хвороби є інтегрована боротьба зі шкідниками, оскільки стійкі сорти доступні не для всіх культур.

Ризоманія

Ризоманія — захворювання, яке викликається вірусом некротичного пожовтіння жилок буряків (BNYVV). Коренеплоди цукрових буряків уражаються ґрунтовим грибком (Polymyxa betae Keskin), який є основним збудником цієї хвороби. На заражених коренях цукрових буряків спостерігаються такі симптоми, як розвиток бічних корінців навколо стрижневого кореня, в результаті чого погіршується якість буряків та зменшується вміст цукру. Для визначення захворювання можна виконати Імуноферментний тест (ELISA). Повідомляється, що через цей вірус зниження виходу цукру може становити до 80%. Спочатку він був зареєстрований в Італії, а зараз переважає на всіх посівах цукрових буряків. Також після аналізу РНК було підтверджено, що три патотипи, такі як А, В і Р, впливають на врожай цукрових буряків. Культурні методи – найкращий спосіб боротьби з цією хворобою або вирощування стійких сортів цукрових буряків. Ці культурні практики, включаючи ранній посів у прохолодний ґрунт, уникнення ущільнення ґрунту, мінімізація поливу та дотримання сівозміни, можуть зменшити ймовірність поширення хвороби.

Церкоспороз — плямистість листя

Збудником плямистості листя Cercospora (CLS) є Cercospora beticola. Ця хвороба здебільшого поширюється у вологих регіонах світу, включаючи Китай, Південну Францію, Австрію, Грецію, Японію, Північну Італію, штат Мічиган, Північну Іспанію тощо. Основними симптомами, які пізніше пошкоджують листя цукрових буряків, є некротичні ураження. Культура проявляє імунітет проти цієї хвороби через 80-90 днів після посіву. Це показує гальмівний механізм у листі рослини; потім розвивається резистентність. Морські цукрові буряки з узбережжя Адріатичного моря були схрещені для отримання генотипів, стійких до CLS, і це призвело до розвитку стійких ліній. У США та Італії були виведені товарні сорти цукрових буряків, стійкі до цієї хвороби. Для боротьби з церкоспорозом використовують багато фунгіцидів. Застосування фунгіцидів є одним із методів боротьби з цією хворобою, тоді як, з іншого боку, найкращим способом боротьби з церкоспорозом є вирощування стійких до хвороби сортів. Останнє є більш ефективним завдяки своїй екологічності.

Бурякова цистова нематода

Рослини цукрових буряків уражаються цистоподібною нематодою (Heteroderma schachtii), яка знижує врожайність і цукристість, спричиняючи зменшення розмірів буряка. На інфікованих рослинах цукрового буряку в умовах інтенсивної та високої температури коренеплід та листовий апарат буряка не розвиваються належним чином. Цистоподібні нематоди можна легко виявити на коренях при візуальному спостереженні. Боротися з цією хворобою дуже складно через обмеження використання фумігації та широкий спектр рослин-господарів даного шкідника. З нематодами можна ефективно боротися, дотримуючись сівозміни. Міжвидова гібридизація може бути легко запроваджена на цукрових буряках для розвитку стійкості до цієї хвороби. У морських буряків було виявлено ген стійкості до цистоподібних нематод. У Сполучених Штатах і Європі були виведені різні сорти цукрових буряків, стійкі до цієї хвороби. Стійкі сорти буряків були створені шляхом схрещування B. procumbens і морських B. vulgaris ssp.

Збирання та переробка

Вегетаційний період цукрових буряків припадає на кінець зими або на початок літа в регіонах помірного кліматичного поясу, а збирання врожаю починається через 5-6 місяців. У регіонах із середземноморським кліматом посівна цукрових буряків припадає на осінь, а збирання врожаю починається на початку літа. Буряк збирають механічним способом на стадії зрілості культури (листя пожовтіло і буряк набрав максимальну вагу, приблизно через 180-200 днів після посівної); потім листя відокремлюють від буряка, оскільки воно містить менший вміст цукру та більше домішок. Буряк швидко транспортується на переробку для вилучення цукру, щоб уникнути впливу несприятливих умов навколишнього середовища, таких як спека, яка погіршує якість буряка. Цукрові буряки подрібнюють на шматочки, скибочки, для того щоб вилучити з них цукор. Для завершення цього етапу використовується метод дифузії гарячої води. Вапно і вуглекислий газ багато разів пропускають через нього для видалення домішок. Після цього починається процес випарювання, щоб концентрувати витягнутий сік. Це триває до тих пір, поки не буде досягнуто 60% чистоти сахарози. Сатураційний сік починає перетворюватися на кристали. Висока температура і парціальний тиск є передумовами для завершення цього процесу. Після цього починається процес центрифугування для отримання меляси, яка має 45% концентрацію сахарози коричневого кольору. Після додаткового очищення отримують білий цукор.

Урожайність та якість

Середня урожайність цукрових буряків становить 40-60 т/га; іноді може досягати 70-80 т/га. Метою вирощування цукрових буряків є отримання оптимальної врожайності з використанням економічно ефективних ресурсів. Вага та розмір буряка визначають його якість, вміст цукру. Його цукристість та цукор, що виділяється, повинні розглядатися як параметри якості. Підвищення врожайності буряків є основним напрямком роботи, але поряд із цим також необхідно підвищити загальний вихід цукру. Кліматичні умови визначають вихід цукру, який носить кількісний характер. Виробництво коренеплодів та вміст цукру контролюються неаддитивною та адитивною дисперсією.

Існує зворотна сильна залежність між урожайністю коренеплодів та виходом цукру; більша маса буряка знижує його цукристість, та навпаки. Окрім розміру та маси буряка, багато інших фізико-хімічних властивостей також впливають на цукор, вилучений під час переробки буряків. Два методи контролюють генетику вилучення цукру та агрономічні практики, такі як збирання, зберігання та транспортування буряків. Таким чином, виробник може контролювати якість буряків шляхом вибору сорту насіння, густоти посіву рослин (кількість і розміщення рослин), строків сівби та збирання, підготовки поля, практики зрошення, живлення та заходів захисту рослин. Урожайність і якість буряків знижуються при кількості рослин менше 70 тис./га. Більша чи менша густота рослин у рядках також може погіршувати показники врожайності та якості буряків.

Нецукрові домішки, такі як Na, K і α-аміно N, у цукровому буряку впливають на його якість, а також на процес вилучення цукру. Існує велика потреба зменшити кількість цих нецукрових домішок у буряках. Їх вплив можна зменшити шляхом селекції. На процес вилучення цукру також впливає ґрунт, що залишається на буряках після їх викопування. Таким чином, якість і кількість цукрових буряків можна покращити шляхом застосування агротехнічних і селекційних методів.