Хімічний склад меляси

Бурякова меляса має складний і непостійний хімічний склад, який залежить від ґрунтово-кліматичних умов вегетації, від добрив, які застосовуються, способів збирання, умов і тривалості зберігання цукрового буряку, технології цукроваріння та інших факторів.

У загальному вигляді склад меляси можна представити таким чином: цукор і нецукри, які разом складають сухі речовини; вода. Вміст сухих речовин становить у середньому 75 %, з них 45 % зброджуваних цукрів, води - 25 %, значна частина якої знаходиться у зв'язаному стані внаслідок гідратації колоїдів, молекул цукрози й іонів мінеральних речовин. Коли концентрація сухих речовин не менша 75 %, меляса знаходиться у самоконсервованому стані і дуже добре зберігається у вироб­ничих умовах. У спиртовому виробництві беруть на облік усі цукри, які повністю або частково зброджуються дріжджами у спирт.

Цукроза і зброджувані цукри. Вміст цукрози у мелясі може змінюватися від 45 до 50 %, в мелясах деяких партій кількість її досягає 52-54 %. Звичайно, прийн­ято вважати, що меляса повинна бути розчином, який насичений цукрозою, однак практично це пересичений розчин, оскільки у виробництві кристалізація обмежена часом. Крім цього, на вміст цукрози суттєво впливають вихідна густина сиропу і кінцева температура кристалізації: чим вища густина і нижча температура (у ме­жах, які допустимі), тим менше у мелясі залишається цукру.

Інвертний цукор - це суміш еквімолекулярних кількостей глюкози й фруктози. У мелясі міститься невелика кількість інвертного цукру - від 0,03 до 0,5 %. У меля­сі, яка одержана при переробці буряку, який тривалий час зберігався, кількість ін­вертного цукру збільшується до 1,5...2 %, а в інфікованій мелясі , яка має кислу реакцію, кількість її досягає 5...10 %.

Із трисахаридів у мелясі містяться рафіноза (0,2 %), кестоза й ізокестоза (0,5... 1,6 %), плантеоза (0,01 %). Кількість рафінози у мелясі підвищується до 2 % при переро­бці у цукор буряку з підвищеним вмістом цього цукру. Рафіноза складається із зали­шків фруктози, глюкози і галактози, кестоза й ізокестоза - з двох залишків молекул фруктози й одного залишку молекули глюкози. Кестоза й ізокестоза у буряку не міс­тяться, поява їх у мелясі, мабуть, викликана життєдіяльністю мікроорганізмів у цук­ровому виробництві. У мелясі виявлений тетрасахарид стахіоза (0,02 %). β - фрукто-фуранозидаза (сахараза, інвертаза) дріжджів розщеплює рафінозу на фруктозу і диса­харид - мелібіозу. Тому що у спиртових дріжджах Saccharomyces cerevisiae немає ферменту α - галактозидази (мелібіази), то рафіноза зброджується ними на одну тре­тину. Однак у гібридних рас дріжджів (Г-67, Г-73 та ін.) цей фермент присутній, тому рафіноза зброджується майже повністю. Вміст інших цукрів звичайно невеликий, вони або частково зброджуються, або (як пентози) не зброджуються. Тому до збро­джуваних цукрів відносять цукрозу, інвертний цукор і 1/3 рафінози. При цьому кіль­кість двох останніх цукрів перераховують на цукрозу.

Нецукри меляси розділяють на дві групи: органічний та мінеральний нецукор. Органічна частина нецукрів складається з безазот- і азотвмісних сполук.

Безазотисті органічні речовини. Вони представлені продуктами лужного розкладу цукрів, меланоїдинами й органічними кислотами.

Продукти лужного розкладу цукрів. Інвертний цукор, особливо фруктоза, у лужних умовах цукрового виробництва при нагріванні швидко розкладаються. Спо­чатку внаслідок кето-енольної таутометрії відбуваються взаємні перетворення глю­кози і фруктози і утворення нових моноз, наприклад, маннози і псикози. При розкладі моноцукридів з'являються нелеткі забарвлені кислоти - глюцинова, апоглюцинова, сахарумова, мелясинова і більш високомолекулярні гумінові кислоти, не­велика кількість молочної і летких кислот - мурашиної й оцтової.

Карамелі - назва складної суміші продуктів, які утворюються при термічному розкладі цукрози і моноцукридів. У склад карамелей входять ангідриди цукрів, темнозабарвлені та інші маловивчені сполуки. У залежності від ступеня дегідратації цукрози (втрати маси при нагріванні) карамелі умовно називають: карамелан (10 %), карамелей (15 %) і карамелін (20 %).

Концентрація продуктів лужного розкладу інвертного цукру у мелясах стано­вить 1,5...5,1 %, карамелану - 0,2...0,9 %.

У мелясі виявлений фурфурол у кількості від 6 до 14,5 мг на 100 г сухих речо­вин меляси.

Меланоїдини - також не менш складна суміш продуктів, які утворюються при хімічній взаємодії редукуючих цукрів з амінокислотами. Крім нелетких забарвле­них сполук, які містять невелику кількість азоту, присутні аліфатичні альдегіди, метилгліоксаль, диацетил, ацетоїн та ін.

Забарвленість меляси зумовлена барвними речовинами, які утворюються при лужному розкладі моноз і меланоїдиновій реакції. Більша частина барвних речо­вин утворює справжні водні розчини.

Усі барвні речовини мають індикаторні властивості: інтенсивність забарвлен­ня із зниженням рН зменшується, з підвищенням - збільшується, що, можливо, пов'язано із зміною дисоціації хромофорних груп. Деякі функціональні групи зда­тні впливати на окислювально-відновний потенціал.

Кольорність меляси виражають у мілілітрах 0,1 н розчину йоду, який треба до­дати до 94 мл дистильованої води, щоб одержати таку ж інтенсивність забарвлення, як у 2 %-ного розчину меляси. Але для усунення впливу індикаторних властивостей барвних речовин розчини меляси треба доводити до однакового значення рН, напри­клад, до рН 5,0 , який звичайно підтримується у виробничих умовах. Кольорність змінюється у широких межах - від 1,2 до 4,6 , частіше 1,5.. .2 мл 0,1 н розчину.

У мелясі 4.. .6 % речовин знаходяться у колоїдному стані. Колоїди групи забарвлених продуктів лужного розкладу цукрів мають негативний електрокінетичний потенціал, колоїди з забарвленими продуктами меланоїдинової реакції - позитивний електрокінематичний потенціал. Дріжджові клітини заряджені негативно, тому дріжджі індиферентні до продуктів лужного розкладу цукрів (однойменно заряджені), але протилежно заряджені дріжджові клітини сорбують на своїй поверхні меланоїдини, які утруднюють обмін між клітинами і живильним середовищем і надають дріжджам темного кольору.

Колоїди меляси у великій кількості є причиною піноутворення при зброджу­ванні мелясного сусла.

Органічні кислоти, які утворюють з гідроксидом кальція нерозчинні солі (щав­лева, лимонна, оксилимонна і винна), в основному видаляються з дифузійного соку у процесі дефекації, інші - глутарова, малонова, адипінова, янтарна, молочна, яблучна, гликолева та інші) переходять у мелясу. З летких кислот присутні мурашина (0,1...0,4 %), оцтова (0,6... 1,3 %), пропіонова (сліди - 0,4 %). Більша частина летких кислот утворюється внаслідок життєдіяльності мікроорганізмів. Практично всі леткі та нелеткі кислоти знаходяться у мелясі у вигляді солей калію і кальцію. При підкисленні меляси мінеральними кислотами з солей утворюються вільні леткі кислоти. Вільні кислоти більш токсичні для дріжджів, ніж їх солі. Інгібуюча дія на дріжджові клітини підсилюється із збільшенням кількості атомів вуглецю у молекулі кислоти, тобто її молекулярної маси. Зниження виходу спирту відбуваєть­ся при таких концентраціях летких кислот у мелясі (%): мурашиної 0,3, оцтової 1,5, пропіонової 0,4 , масляної 0,15 і капронової 0,19. У таких концентраціях мо­жуть міститися усі леткі кислоти, за винятком капронової.

Азотисті речовини. Вміст цих речовин у мелясі залежить від кількості азоти­стих добрив, осадів, які випали, температури у період вегетації, а також тривалості зберігання буряку: він підвищується із збільшенням дози добрив і зменшується із зростанням кількості осадів, зниженням температури і збільшенням тривалості зберігання буряку.

У мелясі міститься від 1,2 до 2,3 % загального азоту, який складається в осно­вному з амінного (42 % від загальної кількості) і бетаїнного (50 %) азоту. У невели­кій кількості присутній амідний (3 %), аміачний та нітратний (3 %) і білковий (2 %) азот.

Вміст у мелясі азоту, який засвоюється дріжджами, становить від 12 до 20 % від загального азоту. Для нормальної життєдіяльності дріжджів достатньо 0,25 % засвоюваного азоту.

Амінокислоти переходять у мелясу з буряку тільки на 50...60 %. γ-аміномасляна кислота утворюється в процесі переробки буряку із глутамінової кислоти в результаті декарбоксилювання. Глутамінова кислота легко відщеплює воду, пере­творюючись у циклічну пірролідонкарбонову кислоту, у вигляді якої вона на 75 % і знаходиться у мелясі.

З амінокислот у мелясі найбільша кількість глутамінової кислоти (1,6...5 % до загального азоту). Крім неї, у мелясі міститься лейцин та ізолейцин - 0,7...1,5, валін і метіонін - 0,3...0,6 , аспарагінова кислота - 0,3...0,5 , тирозин - 0,02...0,40, аланін - 0,6...1,2, серин - 0,6 - 2,0 % від загального азоту та деякі інші амінокислоти.

З амінокислот у процесі зброджування живильного середовища утворюються побічні продукти спиртового бродіння - вищі спирти: з лейцину - ізоаміловий, валіну - ізобутиловий, α - аміномасляної кислоти - н-пропиловий спирт, які входять до складу побічного продукту ректифікації спирту - сивушного масла.

Бетаїн

(CH₃)₃N – CH₂

O - CO

- органічна основа, яка міститься у буряку і практично повністю переходить у мелясу. У мелясі знаходяться й аміни - продукти термічного розкладу бетаїну - триметиламін, диметиламін, етиламін і метиламін. Вони прида­ють мелясному спирту неприємний присмак спирту, погіршують його органолеп­тичні властивості.

Бетаїн майже повністю не засвоюється спиртовими расами дріжджів і майже увесь залишається у післяспиртовій барді. Раніш з нього на Лохвицькому спирткомбінаті одержували медичний препарат - бетаїн солянокислий (холін-хлорид, ацидин), який використовують як лікувальний препарат при зниженій кислотності шлункового соку.

Вітаміни. У мелясі у невеликій кількості знаходяться вітаміни. У мелясу вони переходять лише частково: вітаміни В₁ і В₂ руйнуються в процесі переробки буря­ку у цукровому виробництві. Вітамін В₆ екстрагується у кількості 25 % від вмісту його у буряку.

Одна третина біотину і фолієвої кислоти переходить у мелясу, нікотинова ки­слота повністю зберігається у мелясі, пантотенова кислота може втрачатися у про­цесі хімічної обробки соку буряку.

Мінеральні речовини. Мінеральні речовини представляють собою карбонати, сульфати, нітрати, хлориди і фосфати катіонів калію, натрію, магнію, алюмінію, заліза, амонію. Вміст зольних елементів у мелясі досягає 10 %. При одержанні ди­фузійного соку його очищають вапняним молоком. Тому у мелясі переважають карбонати і сульфати, але дуже мало фосфатів, бо вони випадають в осад у цукрово­му виробництві. Так, з досліджень, які були проведені в Національному універси­теті харчових технологій, при загальному вмісті карбонатної золи у 8 зразках меляси від 7,8 до 12 % кількість оксиду калію складала від 4,1 до 7,1%, оксиду натрію - 0,3...1,4%, оксиду кальцію - 0,05...0,9%, оксиду магнію - 0,01 ...0,34%.

У мелясі містяться у невеликих кількостях мікроелементи (мкг/кг): бор - 2...4,2, залізо - 80...170, кобальт - 0,3...0,8 , марганець - 10...30, мідь - 1,2... 10, молібден - 0,1...0,3 , цинк - 26...40, сліди нікелю, літію та ін.

Ростові речовини у невеликій кількості містяться у буряку і у мелясу переходять тільки частково.

Ростові речовини у мелясах містяться у таких кількостях (мкг/кг): біотин 40...130, пантотенова кислота - 50...110 тис., інозит - 5,6...8 млн.

У мелясу потрапляють сторонні домішки: нафтопродукти з недостатньо під­готовлених залізничних цистерн, піногасники, які використовують у цукровому виробництві, пестициди та ін. Кількість сторонніх домішок може бути значною наприклад, піногасників 1.. .2 % до маси меляси.

На спиртзаводи інколи поступає тростинна меляса, яку одержують при переробці на вітчизняних цукрових заводах імпортного тростинного цукру-сирцю у бі­лий цукор. Тростинна меляса містить біля 80% сухих речовин, 62% зароджуваних цукрів, 52% цукрози, 8% інвертного цукру та 2% рафінози. Як бачимо доброякіс­ність її висока - у середньому 75% . Це пояснюється тим, що тростинна меляса має знижений вміст азоту (до 0,5%), мінеральних речовин (3,8%). У ній містяться такі ж самі вітаміни, що і у буряковій мелясі. Реакція тростинної меляси слабо кисла (рН 6,2). При виробництві цукру-рафінаду з цукру-піску одержують як відход виробництва рафінадну мелясу, яка може бути сировиною для виробництва спирту. Склад рафінадної меляси (%): сухих речовин - 80%, цукру - 49%, загального азоту - 1,6%, золи - 4,2%.