Цукрові буряки вирощуються в 41 країні світу на загальній площі 8,1 млн га. Росія, Франція, Німеччина, США, Туреччина, Польща, Китай, Єгипет, Україна та Великобританія входять до десятки найбільших у світі виробників цукрових буряків (ФАО, 2019).

У 2010 році вчені довели, що щорічне споживання цукрових буряків збільшується приблизно на 1,5% переважно в країнах із великим населенням, таких як Китай та Індія. Згідно з даними USDA, станом на 2008 рік на цукрові буряки припадало 40% світової торгівлі цукром. Однак у 2019 році внесок цукрових буряків у світове виробництво цукру склав лише близько 30%.

Одомашнення цукрового буряка як листового овоча та коренеплоду відоме з доісторичних часів, але його виробництво як сільськогосподарської культури є новим для багатьох країн світу, таких як Індія. Саме європейська цукрова промисловість отримувала цукор із цієї культури, а в дев’ятнадцятому столітті поширення вирощування цієї культури прискорилося через збільшення попиту на цукор, викликане британською блокадою континентальної Європи.

Цукровий буряк — це дворічна рослина, що передбачає формування кореня в перший рік та цвітіння в другий рік вирощування. Ця культура має хорошу стійкість до дефіциту води, стресу, викликаного засоленням, та негативного впливу заморозків.

Цукровий буряк — цукровмісна культура, відома своїм різноманітним використанням у промисловому секторі. Він добре конкурує з цукровою тростиною в європейських країнах за обсягами виробництва цукру та етанолу. Цукровий буряк в основному вирощується в Європі та в значно менших обсягах в Азії та Північній Америці.

Сучасні підходи до генетичних та агротехнологічних удосконалень розширюють кордони його вирощування до більш високих субтропічних широт у числі тропічних зрошуваних озимих культур. Цукровий буряк — культура помірного кліматичного поясу, яка є єдиною культурою, виведеною для вирощування в країнах тропічних широт, таких як Індія.

Ця культура є багатообіцяючою в агрокліматі Індії з постійно зростаючими потребами в біоетанолі та цукрі. В Індії виробництво цукру та етанолу залежить виключно від врожаю цукрової тростини, що робить цю культуру надмірно обтяженою високими вимогами та потребами населення. Виробництво цукрових буряків може доповнити виробництво тростини, щоб задовольнити майбутні потреби Індії.

Цукрові буряки походять від кормових буряків із низьким вмістом цукру, але безперервна селекція та вдосконалення привели до виведення сучасних диплоїдних гібридних сортів цукрових буряків, які мають високий вміст цукру (в середньому 16-19%). Це означає, що вирощування цукрових буряків в Індії може стимулювати збільшення виходу цукру (досягаючи близько 13-15%) на заводах.

Історична перспектива

В Індії цукровий буряк вперше був представлений в 1950-х роках. Дослідницькі випробування з вирощування коренеплодів та виробництва насіння проводилися Індійським інститутом із досліджень цукрової тростини ICAR (IISR), м. Лакхнау.

Перше випробування проводилося протягом 1959-1969 років на екзотичних сортах цукрових буряків із систематичним мультилокаційним тестуванням, відповідними прийомами та техніками.

У 1970 році дана концепція була обумовлена Індійським скоординованим дослідницьким проектом цукрових буряків Індійської ради з наукових досліджень у галузі сільського господарства (ICAR), яка мала три основні центри в Пантнаґарі, Канпурі та IISR Лакхнау (основний центр). ICAR створила п'ять підцентрів у Джаландхарі, Хіссарі, Шріганганагарі, Пхалтані (штат Махараштра) та на станції з дослідження овочів у м. Калпа, а новий центр BCKV в м. Кальян (WB) був доданий в 7-му п'ятирічному плані.

За даними досліджень, 1970-і та 1980-ті роки стали золотим періодом цукрових буряків у контексті інтенсивної дослідницької діяльності в багатьох аспектах, таких як агрономічні методи, оцінка ідіоплазми, сортові випробування, ентомологічна, патологічна та сільськогосподарська науки. Було розроблено повний пакет методик вирощування цукрових буряків разом із кількома технологіями захисту рослин, культурними прийомами та механізацією буряків. У Сундарбані (Західна Бенгалія) були розроблені методи вирощування цукрових буряків на засолених ґрунтах для субтропічного регіону Індії, було виведено деякі сорти, а саме Pant S 1, Pant S 10, IISR Comp-1, IISR 2 та Magnapoly, придатні для вирощування в умовах лужних ґрунтів. У Сундарбані було відпрацьовано використання цукрових буряків для виробництва спирту.

Протягом 1976 року Індійський проект координованих досліджень цукрових буряків було передано GBPUA&T, Пантнагар, але протягом 8-го п'ятирічного плану AICRP став Дослідницьким проектом мережі спостережень зі штаб-квартирою IISR в м. Лакхнау та п'ятьма центрами в Лакхнау, Муктешварі, Шрі-Ганганагарі, Сундарбансі і Калпі.

Із 1970 року цукровий буряк вирощувався в промислових масштабах в м. Шрі-Ганганагар штату Раджастан, де було побудовано цукровий завод із переробки тростини/буряків для їх комерційної реалізації.

Протягом 1978-79 років найбільший вихід цукру з буряків становив 11,32%. Виведення диплоїдних/поліплоїдних сортів/гібридів було основною метою досліджень цукрових буряків IISR, м. Лакхнау. Протягом 80-х років IISR вивів два гібриди (LK HY-1 і LK HY-2), один композитний (IISR Comp-1) та один синтетичний (LKS-10).

У цей час виробництво сорту LS-6 проводилося на Станції селекції цукрових буряків у Муктешварі. Насіння диплоїдного російського сорту з відкритим запиленням, а саме Рамонська-06 (Р-06), було визнано придатним для вирощування в кліматичних умовах Індії. Декілька екзотичних ідіоплазм були оцінені на тлі найкращої доступної перевірки сорту Рамонська (Р-06). Деякі анізоплоїдні гібриди буряків також були визнані придатними для Індії. Р-06 вирощувався кілька років, але, на жаль, продуктивність цього сорту генетично погіршилася. Тому ІІСР, Лакхнау, імпортував з СРСР насіння Р-06 для генетичного підтримання даного сорту.

Під суворим наглядом селекціонерів у різних центрах виробляли суперелітне та сертифіковане бурякове насіння. Національна насіннєва корпорація (м. Шрі-Ганганагар) взялася за виробництво насіння Р-06, а після цього Гімачал-Прадеш отримав повноваження для продовження виробництва.

У грудні 1994 року Дослідницький проект мережі спостережень цукрових буряків був об’єднаний з AICRP (цукрова тростина). На спільній зустрічі, яка відбулася в 1998 році в Інституті цукру Васантада (VSI), м. Пуна, було вирішено закрити проект по бурякам, оскільки дана культура не досягла широкої популяризації, як того очікувалося. Але з огляду на низку переваг цукрових буряків, IISR, Лакхнау, все ще продовжував дослідження в Муктешварі на пагорбах Кумаону.

У 2004 році виведенням тропічних сортів цукрових буряків та виробництвом насіння займалися міжнародні компанії з виробництва бурякового насіння під керівництвом компанії Syngenta. У той же час ICAR також розпочав Дослідницький проект мережі спостережень для оцінки доцільності вирощування нових сортів цукрових буряків у тропічних широтах.

У 2008-2012 рр. окремі винаходи промислової переробки покращили перспективи цукрових буряків. У цей період Інститут цукру Васантада (VSI) побудував експериментальний завод у Саамарті, який пізніше перемістився до м. Іслампур. Заводи з виробництва етанолу були відкриті в штатах Махараштра та Карнатака, а цукровий завод — у штаті Пенджаб.

Вирощування цукрових буряків в Індії

Індія є однією з тих країн-щасливчиків, наділених усіма «примхами» агрокліматичних умов, які сприяють вирощуванню цукрових буряків у тропічних та субтропічних регіонах. Сприятливий період для вирощування цукрових буряків в Індії триває з кінця вересня до середини жовтня. Загальна тривалість вегетації цієї культури складає 5-6 місяців. Вчені довели, що як ранній, так і пізній посів цукрових буряків негативно впливає на їх урожайність.

Цукровий буряк добре розвивається на глинистих, суглинкових або супіщаних ґрунтах, тобто від нейтральних до слаболужних за своєю природою ґрунтах. Ґрунти з рН 7,0-8,5 є найбільш сприятливими для цукрового буряка; однак цю культуру також можна вирощувати при високому рН 8,0-9,6 завдяки її солестійкості.

У районах трапів Декана штату Махараштра, Карнатака, Андхра-Прадеш і Таміл Наду цукрові буряки можна вирощувати на чорних бавовняних ґрунтах. Досить прохолодний клімат із достатньою кількістю опадів та яскравим сонячним випромінюванням на різних фазах росту рослин сприяє розвитку цукрових буряків.

Оптимальні умови для проростання насіння та росту коренів — близько 25°С і 20°С відповідно. Низькі температури ґрунту під час ранньої фази росту рослин мають позитивний вплив на формування маси коренеплодів. Потреба в добривах коливається від 100 до 120 кг N/га^-1 і 60 кг P₂O₅/га^-1 разом із компостом з розрахунку 10-15 т/га^-1. Також можна вносити зелені та органічні добрива. Повідомляється, що пізнє внесення азоту для підживлення цукрових буряків впливає на розмір листової поверхні та вміст азоту в рослинах.

Зрошення є важливою умовою для хорошого врожаю. Важливе значення має час для проведення першого поливу, оскільки сприяє укоріненню рослин у ґрунті. Тому при зрошенні культури необхідно стежити за тим, щоб вода не витікала з рядків. Норма зрошення також залежить від таких факторів, як тип ґрунту, вміст у ньому вологи, кількість опадів тощо. Рекомендовані норми поливу цукрових буряків — 10-12 поливів.

Виробництво насіння у гірській місцевості

Цукровий буряк потребує термічної індукції для цвітіння та виробництва насіння. Цукрові буряки, вирощені на рівнинах, не можуть виконати цю вимогу, що не дає їм цвісти в таких умовах. З цієї причини виробництво насіння стандартизовано в місцях на більшій висоті ([5000 футів), де переважають сприятливі погодні умови.

В Індії такими місцями були Срінаґар (штат Джамму і Кашмір), Муктешвар і Ранічаурі (пагорби Кумаон), Дарджилінг (штат Західна Бенгалія), Шімла і Калпа (штат Хімачал-Прадеш), Аулі (пагорби Гархвал). У всіх цих регіонах було налагоджено технологію насінництва та успішно вирощувалося насіння російського сорту Рамонська-06 (Р-06) з подальшою розробкою та виробництвом місцевих сортів, а саме IISR Comp-1, LS-6 (розроблені IISR, Лакхнау, штат Уттар-Прадеш) та Pant S-10 (розроблений GPUAT Пантнагар, штат Утаранчал).

У 2000 році в цих регіонах крім виробництва диплоїдних сортів, рекомендованих для загальних територій вирощування, також виводили і підтримували сорти, стійкі до високих температур.  Центр Калпа в штаті Хімачал-Прадеш регулярно виробляв суперелітне насіння багатозародкових недражованих сортів із масовим виробництвом Національною насіннєвою корпорацією. Нині бурякове насіння виробляє станція цукрових буряків ICAR-IISR, Муктешвар (Рис. 2).

Насіння цукрових буряків отримують або методом вирощування безпересадкової дворічної культури на насіння, або методом пересадки. Метод вирощування безпересадкової дворічної культури вимагає сприятливих умов для зимівлі рослин у полі, щоб квіти буряка зацвіли і дали насіння. Через ці вимоги до зимівлі даний спосіб часто називають методом перезимування. При методі пересадки відібрані штеклінги (або молоді коренеплоди) виривають у перший сезон і зберігають у розсадниках в умовах зимівлі з наступною термоіндукцією.

Під час зимівлі штеклінги пересаджуються для отримання квітів та насіння наступного сезону. Ця практика зазвичай застосовується для цукрових буряків, вирощених на рівнинах Індії. Важливою умовою є зрізання однієї третини голівки та кореневої частини перед посадкою, залишаючи лише 10 см листків. Основною вимогою методу пересадки є маса кореня 7-16 г із парою 5-10 листків та висотою рослини 22-26 см. 

Формування насіння відбувається всередині коренеплодів цукрових буряків. Насіння складається з насіннєвої оболонки (перикарпу) та кришкоподібної структури (оперкулюму). Насіння цукрових буряків складається з двох або п’яти зародків із диплоїдним, а не триплоїдним периспермом, завдяки чому його називають багатозародковим насінням. І навпаки, виробництво однозародкового насіння (один зародок) відбувається з використанням механічного способу.

Розробка місцевих сортів цукрових буряків для промислового виробництва

У 1995 році повідомлялося про те, що одна диплоїдна багатозародкова ідіоплазма, названа як генотип LS-6, була створена та випущена для реалізації в промислових цілях, сприятлива для розвитку в агрокліматичних умовах Індії. Цей вільно запилюваний генотип був розроблений шляхом масової селекції. Він стійкий до кореневої гнилі Sclerotium (спричиненої S. rolfsii) та до високих температур, а також має низький індекс домішок.

Дві інші багатообіцяючі диплоїдні елітні лінії, а саме IISR 2 і LS-7, були розроблені в GBPUAT, Пантнагар, штат Уттаракханд, для вирощування в Індії. Обидві елітні лінії були відібрані шляхом масової селекції. Розробкою композитної і синтетичної ідіоплазми займалися в IISR Лакхнау і GBPUAT, Пантнагар. IISR Composite 1 (IISR Comp-1), Pant Composite 1 (Pant Comp-1), Pant Composite 3 (Pant Comp-3) були ідентифіковані композитною ідіоплазмою, тоді як LKS-10 — синтетичною ідіоплазмою. Із них IISR Comp-1, Pant Comp-3 та LKS-10 були визначені як високоперспективні елітні лінії цукрових буряків. Іншим сортом, рекомендованим для промислового виробництва в Індії, був IISR Comp-1.

У 1991 році за допомогою трьох способів схрещування гібридів були розроблені дві інші диплоїдні елітні лінії, а саме, Lucknow Hybrid 1 (LK HY 1) та Lucknow hybrid 2 (LK HY 2). Обидві елітні лінії показали перевагу, порівняно з композитною та синтетичною ідіоплазмою цукрових буряків (Таблиця 3).

Виробництво етанолу з цукрових буряків

Початковими операціями з виробництва етанолу є промивання цукрових буряків для видалення землі та бруду. Буряки нарізають тоненькими круглими шматочками, які називаються стружкою, що допомагає вилучити цукор. Стружку замочують у гарячій воді для отримання соку, після чого його збагачують поживними речовинами. Для зменшення біохімічної активності мікроорганізмів, значення pH коригують до 4,5. Наступним кроком після регулювання рН є процес стерилізації соку, який вимагає тиску 15 фунтів на квадратний дюйм протягом 15 хв. При охолодженні соку процес бродіння ініціюється додаванням дріжджів для виробництва етанолу.

Дифузійний сік термічно нестабільний при температурі вище 85°С. Для його очищення використовують вапняне молоко і вуглекислий газ. Анаеробне бродіння відповідає за виробництво етанолу з цукрових буряків. Після завершення процесу бродіння відслідковується ферментативний гідроліз. Комерційно доступні дріжджі сприяють перетворенню глюкози (утворюється після ферментативного гідролізу за допомогою ферменту інвертази) в етанол у безкисневому середовищі.

У 2003 році вчені виявили, що Saccharomyces cerevisiae ATCC 36859 є одним із тих мікроорганізмів, які можуть ефективно збільшувати виробництво етанолу з бурякової меляси. Крім того, деякі бактерії, такі як Spirochaeta тощо, також допомагають перетворювати глюкозу в етанол за допомогою гліколізу або шляху Ембдена-Меєргофа-Парнаса в анаеробному середовищі.

У 1999 році було показано, що пряме використання жому або коренеплодів не бажане для виробництва етанолу, так як цукри виділяються дуже повільно у ферментований розчин, а тривале зберігання буряків додатково сприяє втраті цукру за рахунок ферментативної активності.

Дифузійний сік із цукрових буряків є хорошою сировиною, оскільки містить 85-90% цукрів і може піддаватися ферментації з незначними змінами та коригуваннями рН. Однак мікробна активність та проблеми тривалого зберігання дифузійного соку обмежують використання сиропу для виробництва етанолу.

У 2014 році вчені стверджували, що дифузійний сік із цукрових буряків дає відносно вищий вихід етанолу, ніж сироп або жом. У 2009 році було показано, що сатураційний сік можна використовувати для виробництва етанолу, але перед використанням сік випаровується, щоб отримати більш високу концентрацію цукрів та зменшити активність мікроорганізмів. Традиційно бурякова меляса, побічний продукт кристалізації, також використовується для виробництва етанолу.

У 2019 році в умовах Індії LS 6, SZ 35 і PAC 60008 зареєстрували врожайність в середньому 80 т/га при виробництві етанолу в межах від 90 до 100 л/т.