Сахар – как делают сахар — что такое сладкий вкус

Содержание

Как получают на заводах свекловичный сахар

Статистика производства сахара в мире

Без сахара чашки чая не выпить, компота не сварить, пирога не испечь… Так говорим мы о постоянном и давнишнем спутнике нашего стола. Но каков на самом деле его «возраст»?

История сахара

Оказывается, свекловичный сахар известен людям не так уж давно. Только в 1747 г. немецкий химик Андреас Маргграф открыл, что в свекле присутствует сахар, а фабричное производство свекловичного сахара было налажено еще позже — в начале ХІХ века.

Сахар: белый рафинированный, нерафинированный, необработанный тростник, коричневый.

Куда старше по возрасту тростниковый сахар. Когда двадцать три века назад воины Александра Македонского вступили на землю Индии, то среди прочих чудес этого края их поразило белое твердое вещество сладкого вкуса, которое индийцы употребляли в пищу.

Узнав, что это застывший сок какого-то местного тростника, один из соратников полководца писал, что в Индии есть растение, которое дает мед без пчел…

Спустя некоторое время диковинный продукт попал в Китай. Там его тоже назвали медом, каменным медом. Египтяне же называли его иначе — индийской солью. Об индийском происхождении сахара напоминает и его название, одинаково звучащее почти на всех языках.

В самом деле: сахар — так говорят по-русски, Zucker – по-немецки, sugar- по-английски, sucre — по-французски. Не меняется картина и на Востоке: у персов сахар зовется шакар, у арабов — суккар.

Не надо быть лингвистом, чтобы почувствовать общее происхождение этих слов. Их корень восходит к древнеиндийскому слову sakkhara (сакхара). Вместе с сахаром в одной стране за другой приживалось и его название только каждый раз оно приспосабливалось к особенностям нового языка.

Итак, родина сахара, или точнее — сахарного тростника — Индия. Древняя индийская легенда рассказывает, что однажды бог Ишвар подарил радже Субандье — правителю Бенареса — маленькое семечко, из которого вырос сахарный тростник. Из него люди и стали добывать сладкий сок для еды.

Сахарный тросник

Ну, а как древние индийцы превращали этот сок в сахар? Какими методами они пользовались для очистки и сгущения сока? Этого мы, к сожалению, не знаем.

Впрочем, другая легенда утверждает, что в былые времена индийские волшебницы снимали готовый сахар с рога молодой луны! Жаль, конечно, что в наши времена такой простой способ сахарного производства недоступен… и существующая технология довольно сложный процесс.

Хасиенда Ла Фортуна. Комплекс сахарного завода в Пуэрто-Рико, написанный Франсиско Оллером в 1885 году, Бруклинский музей.

Как получают на заводах свекловичный сахар

О том, как получают на заводах свекловичный сахар, обычно его мы и видим на нашем столе, будет рассказано ниже.

Свекловичный корень содержит в среднем 18 процентов сахара. Но кроме сахара в нем есть и целый ряд ненужных примесей. Избавиться от них вот главная задача, возникающая после того, как на сахарном заводе из свекловичной стружки извлекли сок (его называют обычно диффузионным, по самой операции извлечения — диффузии).

Сок этот выглядит на первых порах далеко не аппетитно; это продукт темнобурого цвета, с неприятным запахом и привкусом. Для его очистки используются известь и углекислый газ — продукты, получаемые при обжиге известняка.

На любом сахарном заводе можно увидеть печь, в которой идет процесс обжига. Здесь под действием высокой температуры известняк (углекислый кальций) распадается на два простых химических соединения:

известняк известь углекислый газ

CaCO₃ → CaO + СО₂

Полученную известь взбалтывают с водой и в виде известкового молока добавляют к диффузионному соку.

В присутствии извести белки и некоторые окрашенные вещества сока свертываются и выпадают в осадок. То же самое происходит и с органическими кислотами: они образуют с кальцием нерастворимые соли. Вот только один пример подобной реакции:

COOH COO

I + Ca (OH)₂ → I — Ca + 2 H₂O

COOH COO вода

щавелевая кислота известь щавелево-кислый кальций

(нерастворимый осадок)

Теперь освободиться от осадка не представляет большого труда.

Сам сахар тоже реагирует с известью: он образует с нею так называемые сахараты. Но эти соединения (моно- и дисахараты) в воде растворимы и не смешиваются с осажденными примесями.

Наступает следующий этап в производстве сахара — теперь надо избавиться от излишка извести и заодно освободить сахар из «известкового плена». Свекловичный сок насыщают углекислым газом, который связывает известь и образует нерастворимый мел.

Заодно освобождается и сахар. Происходит это так:

Ca (OH)₂+ CO₂ → CaCO₃ + H₂O

известь мел

Ca₁₂H₂₂O₁₁ * CaO + CO₂ → CaCO₃ + Ca₁₂H₂₂O₁₁

сахарат кальция углекислый газ мел сахароза

Модель молекулы сахарозы.

Однако даже после обработки сока известью и углекислым газом в нем остается еще немало красящих веществ. Обесцветить сок полностью помогает сернистый ангидрид (SO₂). Операция эта называется сульфитацией от латинского названия серы — Sulfur.

Сернистый ангидрид, растворяясь в воде, образует сернистую кислоту. Та окисляется в серную кислоту и выделяет свободный водород. В нем-то все и дело! Водород связывает хромофоры цветообразующие группы окрашенных веществ, и сами вещества становятся бесцветными.

Теперь остается подвергнуть сок фильтрации, выпарке и увариванию. И из cгустившегося сока начинает выкристаллизовываться сахар. Кристаллы отделяют от маточного раствора, пробеливают и сушат.

В поисках аравийской камеди

Известно, что свекловичный или тростниковый сахар (его называют в химии сахарозой) не единственный в нашей пище. В молоке есть свой сахар — лактоза, в солоде — мальтоза, в плодах и ягодах — фруктоза и глюкоза. На глюкозе следует остановиться особо.

Из всех сахаров ее первую стали вырабатывать искусственным путем. Это, однако, не значит, что мы уже научились синтезировать глюкозу. Способ промышленного производства глюкозы (виноградного сахара) был открыт в некотором роде случайно.

Корнеплоды сахарной свёклы.

Это было в 1811 году. Главный петербургский аптекарь Константин Кирхгоф, занимаясь опытами по технологии фарфора, искал дешевый заменитель привозной аравийской камеди (это застывшие смолянистые выделения, которые собирают на стволах аравийской акации).

Перепробовав ряд веществ, Кирхгоф остановился на крахмале. Он взболтал крахмал с водой и стал варить его вместе с разбавленной серной кислотой. Через некоторое время крахмал превратился в густую вязкую массу, и в самом деле похожую на камедь.

Когда же Кирхгоф попробовал эту массу на вкус, то убедился, что полученный продукт — сладкий. Экспериментатор был образованным химиком и справедливо предположил, что часть крахмала в его опыте превратилась в сахар. Он доложил о своем открытии Академии наук и вскоре был удостоен звания академика.

Корнеплоды сахарной свёклы.

Открытие Кирхгофа стало научной основой производства крахмальной патоки и глюкозы во всем мире. Рассмотрим теперь суть превращений, которые имели место в опытах Кирхгофа.

Известно, что крахмал — это углевод, полисахарид, состоящий из множества обезвоженных остатков глюкозы. Формула глюкозы – C₆ H₁₂ 0₆; отняв у нее молекулу воды, получим: C₆ H₁₀ 0₅. Некоторое (n) количество таких остатков образует молекулу крахмала (C₆ H₁₀ 0₅)_n.

В процессе фотосинтеза, происходящем в растениях, крахмал образуется из глюкозы. Но если крахмал образован из глюкозы, то почему невозможно обратное превращение? Именно оно и произошло в опыте Кирхгофа.

Гидролиз крахмала (т. е. расщепление его с присоединением воды) идет в присутствии катализатора, его роль и выполняет серная или соляная кислота. Процесс расщепления проходит в несколько стадий:

→крахмал → декстрины → мальтоза → глюкоза.

В промышленных условиях для получения глюкозы крахмал подвергают гидролизу в специальных аппаратах под давлением 3 — 3,5 атмосфер в присутствии 0,5 — 0,65 процентов соляной кислоты (в пересчете на 100-процентную HCl).

После расщепления крахмала полученный сироп нейтрализуют. В зависимости от того, какая кислота была применена в качестве катализатора (соляная или серная), в сироп добавляют соду или мел.

Нейтрализованный сироп фильтруют, уваривают, а затем приступают к кристаллизации глюкозы. Но тут встречается существенная трудность: глюкоза кристаллизуется очень медленно. Чтобы ускорить этот процесс, ее соединяют с поваренной солью.

Образовавшееся при этом двойное соединение легко и быстро обретает форму больших правильных кристаллов. В последнее время глюкозу так и получают через промежуточное двойное соединение с хлористым натрием (солью):

C₆ H₁₂ 0₆ + NaCl + H₂O → C₆ H₁₂ 0₆ * NaCl * H₂O

глюкоза поваренная соль вода двойное соединение

Но соленый сахар вряд ли придется кому-нибудь по вкусу. Поэтому кристаллы двойного соединения отделяют от маточного раствора на центрифугах, а затем быстро разрушают.

При добавлении воды соль немедленно растворяется, а основная часть глюкозы выкристаллизовывается в гидратной форме, то есть с молекулой воды (C₆ H₁₂ 0₆ * H₂O) И задача оказывается решенной.

Остается добавить, что глюкозу получают теперь не только из крахмала. Уже существует производство пищевой глюкозы из Древесины.

Химизм процесса в принципе не отличается от кислотного гидролиза крахмала. Ведь и целлюлоза, из которой состоит древесина, тоже углевод. Сложнее только сама технология очистки и получения глюкозы.

Что такое сладкий вкус

Главное достоинство сахаров в их питательности. Каждый грамм сахара, «сгорая» в организме, дает 4,1 ккал тепла. Но не менее ценен и превосходный вкус сахара. Правда, сладость разных сахаров различна.

Если принять ее для свекловичного сахара (сахарозы) за единицу, то сладость глюкозы составит только 0,74. Еще меньше сладость у мальтозы и лактозы (0,32). Самый сладкий среди всех сахаров фруктоза; она в 1,73 раза слаще сахарозы. Словом, все сахара сладки.

Но вот вопрос: чему обязаны они этим свойством? Ответ пытался найти еще две тысячи лет назад знаменитый древнеримский поэт и философ Лукреций Кар. По его мнению, мед потому обладает приятным сладким вкусом, что состоит из гладких круглых телец, тогда как вещества с крючковатыми частицами неприятны на вкус.

Доля правды в этом несколько наивном утверждении есть. У конфеты «помадка», которая состоит из очень мелких кристалликов сахара, нежный тающий вкус. А конфеты с большими кристаллами сахара отличаются вкусом грубым, «царапающим». Правда, в данном случае главную роль играют не чисто вкусовые, а побочные — тактильные (осязательные) ощущения.

Вкус же самого сахара (разумеется, одного и того же состава) остается неизменным. Так от чего же зависит сама сладость сахара? Существует ли какая-нибудь связь между нею и химическим составом сахара, его молекулярной структурой?

В известной мере на этот вопрос можно ответить положительно. Не раз высказывалось предположение, что сладость сахара обусловлена присутствием в его молекуле так называемых глюкофорных и ауксоглюконовых групп.

Слово «глюкофор» образовано от двух греческих слов: glykys — сладкий и phores — несущий. Таким образом, глюкофорная группа — это и есть носительница сладости. У ауксоглюконовой группы (греческое слово auxano значит: увеличиваю) другая роль — она как бы «регулирует» сладость вещества.

К глюкофорным группам относятся, например, такие сочетания атомов: — CH₂(OH), CH(OH). А вот атом водорода, соединенный с углеродом, наделен, как считают, ауксоглюконовыми свойствами.

В молекулах всех известных сахаров и на самом деле есть те и другие группы. Вот, к примеру, формула глюкозы:

CHOH *CHOH * CHOH *CHOH * CHOH * C

В этой молекуле мы видим пять глюкофорных групп и одну ауксоглюконовую. Обращает на себя внимание тот факт, что всe глюкофорные группы имеют в своем составе гидроксилы (OН).

В этой связи профессор Шелленбергер выдвинул такое объяснение причины сладости сахаров. Если гидроксил глюкофорной группы способен образовать водородную связь с подобной же группой на поверхности вкусового рецептора, то вещество воспринимается сладким.

Если же такие водородные связи возникают внутри самой молекулы вещества, то сладость вещества выражена слабее или не проявляется совсем.

Чем меньше в сахаре внутримолекулярных водородных связей, тем он слаще. И наоборот. Этот вывод подтверждается сравнением инфракрасных спектров двух моносахаридов: глюкозы и галактозы, входящей в состав молочного сахара.

По поглощению водородных связей в инфракрасной области спектра можно обнаружить в глюкозе одну внутримолекулярную водородную связь, а в галактозе – две. И действительно, сладость галактозы в два раза меньше сладости глюкозы.

β-глюкоза.

Вся эта теория применима, однако, только к сахарам и близким им по строению веществам (многоатомным спиртам и другим). Но как объяснить сладость сахарина, который ничего общего с сахарами не имеет? Или солей бериллия, свинца?

Существует, например, «свинцовый сахар», который на самом деле — не сахар, а соль — уксуснокислый свинец. «Свинцовый сахар» очень ядовит. Но почему же он сладок? Ответить на эти вопросы, мы пока не можем.

Сладкий, но не сахар

Некоторые из сладких несахаров входят в нашу пищу. Из природных соединений к ним относятся, например, глицерин, α — аминокислоты… Целый ряд веществ специально вырабатывается промышленностью для подслащивания продуктов питания. Остановимся только на некоторых свойствах сахарина.

По химическому строению сахарин представляет собой производное (имид) ортосульфобензойной кислоты. Формула его такова:

В качестве исходного сырья для производства сахарина применяется толуол. Чистый сахарин в 700 раз слаще сахарозы. Достаточно растворить в одном литре воды 0,00005 грамма сахарина, чтобы раствор приобрел сладкий вкус.

Казалось бы, сахарин — «король сладости». Но есть у него и достойные конкуренты. Один из них — альдоксим – в пять раз слаще сахарина! Спрашивается: кому нужны эти искусственные сладкие вещества? Разве мало у нас сахара? Не в этом дело.

Синтетические сладкие вещества используются тех случаях, когда в силу разных причин, например, из-за расстройства обмена веществ в организме, сахара и вообще углеводы человеку противопоказаны. Пример — так называемая сахарная болезнь (диабет). Страдающие ею вынуждены употреблять в пищу вместо сахара сахарин.

В некоторых странах, в частности в США, за последние годы стали широко применять другое химическое вещество — цикламат натрия или кальция. Это — соли циклогексилсульфаминовой кислоты. Цикламаты в 30 — 40 раз слаще сахарозы, и используют их в специальной малокалорийной диете, предназначенной для диабетиков или тучных людей.

Сахарин, цикламат и тому подобные вещества создают иллюзию сладости; питательная же ценность их равна нулю. Их отнюдь нельзя признать действительными заменителями сахара. Вот почему химики-пищевики были давно озабочены тем, чтобы создать сладкий, питательный и вместе с тем не вредный для диабетиков продукт. Прямо скажем, задача была поставлена сложная и трудная.

Сахарин, историческая упаковка. Музей сахара в Берлине.

Надо было сочетать разные, порой противоречащие друг другу свойства. Однако задача эта решена: такой продукт теперь создан. Это — пищевой сорбит.

Природный сорбит (шестиатомный спирт) известен давно. Он довольно часто встречается в плодах и ягодах. Свое название сорбит получил от латинского названия рябины Sorbus aucuparia, в плодах которой был впервые обнаружен. Сорбит отличается приятной сладостью, равной, примерно, половине сладости сахарозы.

В отличие от сахарина, цикламата и тому подобных веществ сорбит имеет определенную питательную ценность; один грамм сорбита дает организму 3,9 ккал. Будучи по своей химической природе спиртом, а не углеводом, сорбит не противопоказан диабетикам. И в этом его главная ценность.

Интересно заметить, что получение сорбита — это первая стадия технологическом процесса производства аскорбиновой кислоты (синтетического витамина C). Исходным сырьем для этого синтеза, а стало быть, и для получения сорбита, служит глюкоза.

В специальных аппаратах, автоклавах, глюкоза подвергается гидрированию — к ней присоединяется газообразный водород. Процесс этот происходит при высоком давлении (70 — 80 ат) обязательно в присутствии никелевого катализатора. Водород присоединяется к альдегидной группе сахара, и он превращается в спирт — сорбит:

CH₂OH (CHOH)₄ C + H₂ → CH₂OH (CHOH)₄ CH₂OH

глюкоза II водород сорбит

Последующие операции сводятся к выделению и очистке сорбита, а затем к его кристаллизации. Сорбит выпускается в виде плиток (наподобие шоколадных). В кондитерских и диетических магазинах можно купить теперь шоколад, мармелад и печенье, в которых натуральный сахар заменен искусственным сорбитом. Так приходит на стол вкусный и полноценный заменитель «незаменимого» сахара.

Доцент, Вольпер И.

Статистика производства сахара в мире

Среднее годовое потребление сахара на человека в Европе: середина XIX века — 2 кг, 1920 год — 17 кг, 2000-е — 37 кг.

В период с 2001 по 2018 год мировое потребление сахара увеличилось с 123,454 млн тонн до 172,441 млн тонн, что эквивалентно росту в среднем на 2,01% в год.

В 2015 году в мире было произведено 167,5 миллионов тонн сахара, при этом 88 % сахара было произведено из сахарного тростника и 12 % из сахарной свёклы. В пятёрку крупнейших производителей сахара в 2015 году вошли Бразилия, Индия, Европейский Союз, Таиланд и Китай. За тот же год крупнейшим экспортером сахара являлась Бразилия, за ней следовали Таиланд и Индия.

Крупнейшими импортерами были Китай, Соединённые Штаты и Индонезия. В настоящее время Бразилия имеет самое высокое потребление сахара на душу населения, за ней идут Австралия, Таиланд и Европейский Союз.

В 2019 году объем торговли сахаром в мире снизился по сравнению с 2017 и 2018 годами, достигнув 57,74 млн тонн, что на 4,43 млн тонн меньше, чем в 2018 и на 7,80 млн тонн меньше, чем в 2017. Считается, что этот тренд отражает уверенность стран- импортеров в том, что существует переизбыток предложения по экспорту сахара.

Сахар в кубиках

Сахар-рафинад в форме кубиков был изобретен в 1843 году в Чехии. Изобретатель — швейцарец Яков Кристоф Рад был управляющим сахарного завода в Дачице. На месте, где находился сахарный завод, сейчас установлен памятник — белоснежный куб, символизирующий сахар-рафинад.