Биотехнологии в сахарном производстве

Сахарное производство — операция кристаллизации: растворить сахарозу из тростника или свёклы, очистить сок и закристаллизовать. Его биотехнология в основном оборонительная: микробиология процесса является источником потерь, а применяемые ферменты нужны, чтобы устранять нанесённый ущерб.

Декстран: характерная инфекция отрасли#

Целый тростник защищён. Как только он срезан или повреждён, богатый сахарозой сок оказывается открыт, и Leuconostoc mesenteroides быстро его заселяет. Этот организм выделяет декстрансахаразу — внеклеточный фермент, действующий прямо на сахарозу: он расщепляет гликозидную связь, использует высвобожденную энергию, чтобы присоединить глюкозное звено к растущей цепи глюкана со связями α-1,6, и отпускает фруктозу.

Результатом является декстран, высокомолекулярный полимер, и его последствия несоразмерны образовавшемуся количеству.

Он уничтожает сахарозу. Каждая заполимеризованная глюкоза — это сахароза, которую уже не извлечь.

Он колоссально повышает вязкость, потому что малая масса очень длинного полимера загущает сок несравненно сильнее, чем та же масса сахара. Выпаривание, фильтрация и перекачка замедляются.

Он отравляет кристаллизацию. Декстран адсорбируется на растущих гранях кристаллов сахарозы и избирательно их блокирует, поэтому кристаллы растут вытянутыми, игольчатыми, вместо правильной формы. Вытянутые кристаллы трудно отделять в центрифугах, они удерживают больше мелассы и снижают и выход, и качество. Декстран вдобавок даёт ложные показания при поляриметрическом анализе сахара, поскольку сильно вращает плоскость поляризации вправо, — отсюда и его название.

Именно поэтому время от срезки до переработки является управляемой переменной в логистике тростника: вся проблема есть функция задержки между уборкой и переработкой, а дождь, машинная уборка и подмороженный или повреждённый тростник её усугубляют.

Декстраназу — эндогидролазу, режущую связи α-1,6, — дозируют в сок, чтобы разрезать полимер на фрагменты, слишком короткие для влияния на вязкость и на форму кристаллов. Потерянную сахарозу она не возвращает; она ограничивает дальнейший ущерб. Это редкий пример фермента, направленного против конкретного микробного продукта, а не на превращение субстрата.

Инверсия — вторая потеря#

Сахароза гидролизуется до глюкозы и фруктозы — это инверсия — под действием тепла и кислоты, а также микробной инвертазы. Инвертированный сахар не кристаллизуется и уходит в мелассу. Поэтому pH сока держат слегка щелочным известкованием и очисткой именно для подавления кислотного гидролиза, и баланс здесь тонок, поскольку избыточная щёлочность вместо этого разрушает восстанавливающие сахара до окрашенных соединений.

Рядом идёт образование цвета: реакции Майяра между восстанавливающими сахарами и аминокислотами и карамелизация дают красящие вещества, которые приходится убирать карбонатацией или ионным обменом, поскольку цвет переходит в кристалл.

У свёклы своя молекула#

Сахарная свёкла содержит раффинозу — трисахарид из галактозы, глюкозы и фруктозы. Подобно декстрану, она мешает росту кристаллов сахарозы и накапливается в возвратных мелассных потоках, а ферментами человека не расщепляется. α-Галактозидаза отщепляет галактозу, превращая раффинозу в сахарозу с галактозой и убирая ингибитор кристаллизации с попутным возвратом части сахара.

При переработке свёклы в мелассу уходят также фруктаны и бетаин, — это одна из причин, по которой свекловичную мелассу используют как субстрат для ферментации, а не как корм, каким служит тростниковая.