A CUKORGYÁRTÁS
Írta: Vavrinecz Gábor
A kémia és vívmányai,
II. rész, Kir. Magy. Természettudományi Társulat,
Budapest, 1940.
A cukor ezer
esztendôvel ezelôtt Európában még csak
egy-két tengerparti állam fejedelmi udvarában volt
ismeretes. A középkori krónikások, mint jóízû
és kellemes hatású, kedvelt és értékes
ritkaságot említik. Ma pedig a cukor általánosan
használt közélelmezési cikk, amelyet óriási
mennyiségben készít a fejlett gyáripar. Ez
az ipar a mezôgazdaságot is jelentôs jövedelemhez
juttatja, tehát a nemzetgazdaságban fontos helyet foglal
el.
A mézet, édes gyümölcsöket és azokat
a növényeket, amelyeknek egyéb részei édes
ízûek, ôsidôktôl fogva ismeri az emberiség.
Az Ázsia déli részeiben honos cukornád kisajtolt
levét már a történelem elôtti idôben
használta a bennszülött lakosság, sôt befôzés
által eltarthatóvá tett levével kereskedést
is ûzött. Így a nádszirup (szakcharon)
ismerete idôvel olyan országokba is eljutott, amelyekben a
cukornádat nem termelték.
Kr. u. 300 körül jöttek rá Indiában a szilárd
cukor készítésének titkára. Ezzel megnyílt
a cukor nagyobb elterjedésének lehetôsége. A
cukornád termelése még az ókorban átterjedt
Egyiptomba, a középkor folyamán azonban már Dél-Európa
országaiban is virágzott: Egyiptomban a cukor elôállítása
nagyfokú tökéletesedésen ment át, itt
kezdôdött a létisztítás és a finomítás
is. Az újkor kezdetén viszont Dél-Európából
Észak-Afrikába szorult ki a cukornádtermelés,
míg végül az Újvilágban honosodott meg.
Egy berlini gyógyszerész, MARGGRAF
az európai növények összetételét
vizsgálva, 1747-ben megállapította, hogy a burgundi
répa édes ízét a nádcukor okozza és
ezt elô is állította belôle. Tanítványa,
ACHARD,
a cukornak répából való ipari elôállítására
már tervet készített és javaslata alapján
1802-ben meg is nyílt az elsô répacukorgyár
Sziléziában. Ennek ellenére a répacukorgyártás
csak egy fél századdal késôbb kezdett fejlôdésnek
indulni és a nádcukornak komoly versenyt támasztani,
amikor VILMORIN a répa nemesítését megkezdte.
A répa cukortartalma ettôl kezdve évrôl évre
növekedett, sôt a cukornád cukortartalmát is túlhaladta.
ACHARD
még csak 4 kg cukrot kapott 100 kg répából,
ma 13–16 kg a normális hozam.
A cukor tartósságát és ízének
tisztaságát a nyerscukorban lévô szennyezôdéseknek
– amelyeket egy szóval nemcukoranyagoknak nevezünk –
eltávolítása biztosíthatja. Ez a mûvelet
a finomítás.
Hazánk régi oklevelei több helyen említik
a "nádmézet", királyi udvarok és más
elôkelôségek kedvelt csemegéi között;
az adatok egészen a XIV. századig nyulnak vissza.
NAPOLEON szárazföldi
zárlata folytán Európa-szerte nagy kutatómunka
indult meg a cukornak hazai növényekbôl való elôállítására;
a juharfa és tengeriszár levével sokat kísérleteztek,
de csak a répából való cukorgyártás
vált be. A XIX. század harmincas és negyvenes éveiben
egymás után sok kisebb-nagyobb répacukorgyár
létesült, sôt cukorfôzô iskolák is
mûködtek, amelyekben a cukornak házilag való elôállítását
tanították. Ebben az idôben hazánkban 63 kisebb-nagyobb
gyár állott fenn. Említésre méltó,
hogy ebben a fejlôdésben BATTHYÁNY
LAJOS grófnak, a késôbbi miniszterelnöknek
és nemzeti vértanúnak is volt szerepe; ô 1830
körül épített gyárat Ikervárott.
Ez a gyár 1848-ig mûködött és évente
15–25 ezer mázsa répát dolgozott fel.
A szabadságharc utáni politikai és gazdasági
viszonyok teljesen tönkretették a virágzó magyar
cukoripart; a kiegyezés utáni évtizedek hozták
csak meg a nagyarányú fejlôdést. ...
A cukorgyártás
nyersanyagai
A közönségesen cukornak nevezett anyag a természetben
nagy változatosságban elôforduló cukorféleségeknek
egyik fajtája. Tudományos neve nádcukor (szaccharoze,
sucrose; C12H22O11), de az
ipari és kereskedelmi életben csak a nádból
készültet nevezik nádcukornak, míg a cukorrépából
gyártottnak répacukor, a juharból fôzöttnek
juharcukor
stb. a neve. Ezek egymással vegyi és egyéb tulajdonságaikban
teljesen azonosak. Ezt az azonosságot természetesen nem érinti
a kész cukorban esetleg megmaradt szennyezôdések különbözô
volta, sem pedig a gyártás folyamán kapott különbözô
külsô alak.
A cukor olvadáspontja 180 oC körül van,
szennyezôdések és nedvesség jelenlétében,
vagy lassú melegítésnél azonban jelentékenyen
alacsonyabb. Hosszabb ideig 100–180 oC-ra melegítve,
a cukor bomlásnak indul és megbarnul, sôt egészen
sötét lesz (karamellképzôdés). A karamellizálódás
bizonyos anyagok jelenlétében meggyorsul, így például
vizes oldatban már 80 oC körül is észrevehetô.
Közismert tény, hogy a cukor vízben igen jól
(bár lassan) oldódik; melegben az oldhatóság
erôsen növekedik. Idegen anyagok kis mennyisége csökkenti,
nagyobb mennyisége azonban többnyire lényegesen növeli
az oldhatóságot (melaszképzô hatás).
Cukoroldatok a polarizált fény síkját jobbra
forgatják; 20 oC-on a cukor fajlagos forgatóképessége
[a]D=+66,5o. Ezen a jelenségen
alapszik a cukortermékek és cukortartalmú nyersanyagok
(répa) cukortartalmának meghatározása.
Ha a cukor oldatát megsavanyítjuk, bizonyos idô
múlva észrevesszük, hogy az oldatból már
nem lehet nádcukrot kikristályosítani, sôt az
oldatban lévô anyag sok egyéb tulajdonsága is
megváltozott. Így pl. a forgatóképesség
nullára esik, sôt azután ellenkezô irányú
lesz, vagyis az oldat balra forgat: a cukor invertálódik.*
Az invertcukor még könnyebben karamellizálódik,
mint a nádcukor, és akár savas, akár lúgos
közegben melegítik, sötét színû és
savas hatású anyagok képzôdése közben
gyorsan elbomlik. Így már kevés invertcukor jelenléte
is a cukoroldat további savanyodását és újabb
invertcukor-mennyiség keletkezését okozza, tehát
a kristályosítható cukorban érzékeny
veszteséget idéz elô. Minthogy az invertcukor jelentékeny
mennyiségû nádcukor kikristályosodását
is megakadályozza, a cukorgyárakban érthetôen
félnek az inverziótól és a levek lúgosan
tartása által küzdenek ellene.
A cukorgyári levek lúgosságát, a létisztításon
kívül, 0,001–0,03% égetett mésznek megfelelô
erôsségben tartják, de vannak gyárak, ahol majdnem
közömbös oldatokkal dolgoznak. Újabban rájöttek,
hogy nem az összes, hanem az aktuális lúgosság
jellemzi helyesen a levek lúgossági állapotát
és az inverzióveszélynek távol- vagy közellétét.
Az aktuális lúgosság mértéke a hidrogénion-koncentráció,
illetôleg a hidrogénkitevô, röviden pH, amely,
tiszta vízben vagy közömbös oldatokban 7,0 értéket
vesz fel, lúgos oldatokban ennél nagyobb, savanyúakban
pedig alacsonyabb. Cukorgyári levekben a fent megadott mész-lúgosságok
mellett a pH 7 és 10 közé esik, de leginkább
8–8,5 körül mozog. Az inverzió veszélye 6,5–6,7-nél
kezdôdik és 6,0 körül már veszélyes
méreteket ölt (különösen magasabb hômérsékleten).
Még egy tulajdonsága van a cukornak, amely a gyártás
szempontjából igen fontos. Ha telített oldatából
az oldószert (vizet) eltávolítjuk (fôzéssel),
vagy pedig ennek oldóképességét csökkentjük
(hûtéssel), túltelített oldatot kapunk; a cukor
bizonyos túltelítettségi fok elérésekor
magától kezd kikristályosodni, ezen alul csak belehelyezett
cukorkristályok jelenlétében, illetôleg már
kész cukorral való beoltás után. A kristályosodás
különösen a túltelítettség hirtelen
növelésekor indul meg. Ha a kristályképzôdés
már megkezdôdött, újabb kristályok képzôdése
már könnyebben megy. A túltelíttségi foktól
függ, hogy az oldatban folytonosan új kristályok keletkeznek-e,
avagy inkább csak a meglévôk növekednek. Azt is
nagymértékben befolyásolja az oldat összetétele,
azaz a jelen lévô nemcukoranyagok mennyisége és
minôsége.
A cukrot tulajdonképen nem a cukorgyárakban állítják
elô, hanem csupán megtisztítják a ballaszt nagy
tömegétôl, amelyet a répa, illetôleg a nád
teste és annak egyéb alkotórészei tesznek ki.
A "cukorgyár" ti. (ezt ne felejtsük el !) a növények
levelében van. A klorofill-testek azok a szervek, melyek a cukrot
a levegô szén-dioxidjából és vízbôl,
a napfény energiájának segítségével
elôállítják oxigén felszabadulása
közben. A klorofilltestek által termelt cukor egyes növényekben
keményítôvé alakul át, másoknál
pedig mint cukor halmozódik fel a növények bizonyos
részeiben (gyökérben, szárban, gyümölcsben
stb.). A cukorrépa levelében invertcukor keletkezik, ez vándorol
a gyökérbe s ott alakul nádcukorrá.
A cukorrépa (Beta maritima var. saccharifera) az európai
tengerpartokon, különösen a Földközi-tenger partjain
vadon termô burgundi répából nemesítés
által kitenyésztett változat; megvastagodott gyökerében
halmozódik fel a nádcukor. A kétévi növény
gyökerének cukortartalma az elsô évi tenyészidô
végén, ôsszel a legmagasabb. Ilyenkor az invertcukor-mennyiség
csak néhány század %-ot tesz ki, a nádcukortartalom
pedig az éghajlat, talaj és egyéb tényezôk
szerint 12 és 24% között ingadozik. Hazánkban 13
és 20% a megszokott határok. A cukorrépa közepes
összetétele a következô:
| rost |
5% |
|
|
| cukor |
17% |
} |
|
| nemcukor |
3% |
lé = 95% |
| víz |
75% |
|
A nemcukoranyagok fôleg növényi savak sói,
fehérjék, aminosavak, betain, továbbá igen
kis mennyiségben invertcukor, glükozidok, zsír, gyantaanyagok,
nyálkaanyagok, enzimek stb.
A cukornád (Saccharum officinarum) 4–6 méter hosszú,
húsos, bütykös szárának levében halmozódik
fel a cukor. A lé összetétele eltér a répáétól,
amennyiben aránylag sok invertcukrot és szabad növényi
savakat, de kevesebb nitrogénvegyületet (fehérjét,
aminosavat) tartalmaz. A nádlé íze és illata
kellemes, amit a répalérôl (különösen
fôtt állapotban) nem állíthatunk. A nád
összetétele rendkívül erôsen változik
a fajta, éghajlat, mûvelés, talaj és idôjárás
szerint. Cukortartalma 13–15% körül ingadozik, invertcukortartalma
pedig 0,2 és 0,6% között.
A cukor elôállítása
répából
Miután a természet a cukrot a növényekben
már elôállította, a gyárnak csak meg
kell tisztítania a kísérô anyagoktól,
azaz elválasztani a növény testétôl, rosttól
(lényerés),
a kristályosodást megnehezítô nemcukoranyagoktól
(létisztítás)
és a víztôl
(bepárlás és kristályosítás).
Ez a három mûvelet a nyerscukorgyár feladata.
Lényerés. A gyárba
érkezô cukorrépát a gyárudvaron lévô
hosszú, árokszerû csatornákba, úsztatókba
rakják. Víz szállítja be a répát
a gyárépületbe, ahol a mosógép a földtôl,
a kövektôl és a gaztól megtisztítja. Innen
a répa a vágógépekbe jut, amelyek vékony
csíkokká, szeletté aprítják.
Ha a cukortartalmú levet a növény testétôl
pusztán sajtolással választanák el, sok cukor
maradna a rostok között; ezért a cukrot kilúgzás
által nyerik. A friss répaszelet a kilúgzó
edényekben vízzel érintkezik és ezalatt a
víz, illetôleg a cukortartalmú lé a növény
sejtfalain keresztül egymással szemben átdiffundál,
azaz helyet cserél; innen a lényerésnek ezt a módját
diffúziónak
nevezik, a kilúgzó edényeket pedig diffuzôrnek.
A kilúgzás az ellenáram elve alapján történik
úgy, hogy a friss víz a majdnem teljesen kilúgzott
szelettel érintkezve cukorral részben telítôdik;
azután fokozatosan édesebb szelettel találkozik. Végül
egészen friss szeleten áramlik keresztül s azután
a diffúziós telepet elhagyva, mint nyerslé
jut a gyár többi részeibe. Kilúgozásnál
a levet (s így közvetve a szeletet) 68–77 oC-ra
melegítik; ezáltal a sejtfalak elhalnak és áteresztôvé
válnak, tehát az oldatban lévô vegyületek
átdiffundálhatnak rajta. A kilúgozás késôbbi
szakaszában a melegítés a diffundálás
sebességének növelését célozza.
Diffuzôrök vázlata; a bal oldali elölnézetben,
a jobb oldali metszetben: a=átvezetô csô, d=deszkapadló,
f=fedô ellensúllyal, k=kieresztô ajtó, I=lévezeték,
sz=sziták, t=töltônyílás, v=nyomóvízvezeték,
1, 2, 3=szelepek. A lé a szelettel töltött egyik edénybôl
a másikba a vezetéken és a 3. szelepen át áramlik.
A legjobban kilúgozott szeletre a nyomóvíz a v vezetékbôl
a 2. szelepen át jut. A nyerslé az édes szeletrôl
a vezetéken, lezárt 3. és nyitott 1. szelepállás
mellett kerül a vezetékbe, amelyen át a diffúziós
telepet elhagyja. Jobb áttekinthetôség céljából
elhagytuk a légkieresztô, nyomáskiegyenlítô,
gôzszabályozó és öblítôszelepeket,
valamint a gôz- és öblítôvíz-vezetéket.
Kilúgzásnál nemcsak cukor, hanem a nemcukoranyagok
nagy része is átdiffundál, de nem teljesen, mert a
nagyobb molekulájú vegyületek, különösen
a fehérjék s egyéb kolloidok a cukornál lassabban
diffundálnak. A kilúgzott szeletben marad még kevés
cukor (0,2–0,5%), mert a kilúgzást a teljes cukortalanításig
csak úgy lehetne folytatni, ha nagyon sok vizet használnánk
a diffuzióhoz. Ennek elfôzése, besûrítése
pedig annyi szénbe kerülne, hogy nem fizetôdnék
ki.
De más ok is határt szab a kilúgzásnak és
ez a nemcukorvegyületeknek a szeletben maradó része,
amely a kilúgzás végén diffundál erôsebben
s ezáltal a levet fölöslegesen szennyezi.
A kilúgzott szeletben tápértékkel bíró
anyagok vannak, azért a víz enyhe kisajtolása után
takarmánynak használják; minthogy azonban hosszabb
ideig nem tartható el, az azonnal föl nem etetett mennyiséget
savanyítással vagy szárítással konzerválják.
A savanyításnál tejsavas erjedést indítanak
meg, amely felemészti a cukrot és feltárja, emészthetôvé
teszi a szelet rostanyagait. A tejsav a szeletet megvédi a romlástól,
mert a rothadást okozó szervezetek elszaporodását
meggátolja. Régebben tejsavas baktériumok beoltásával
igyekeztek az erjedést a kívánt útra terelni;
ma már rájöttek arra, hogy a jelen lévô
baktériumflórából a legkedvezôbb hatású
szervezetek kifejlôdése és elszaporodása néhány
egyszerû és olcsó szer hozzáadása által
is biztosítható. Szárításnál
a nedves szeletet elôször erôs sajtolásnak vetik
alá, ezáltal víztartalmának felét elveszti;
a préselt szeletet azután közvetlen tüzeléssel,
avagy a kazánoktól jövô füstgázok
melegével megszárítják annyira, hogy csak 12%
víz maradjon benne. Ennél jobban kiszárítani
fölösleges, mert ilyen állapotban a szelet már
nem nedvszívó és nincsen kitéve romlásnak.
Szárításkor feltáródnak és könynyen
emészthetôvé válnak a sejtfalak pektinanyagai.
A kilúgzott és a szárított szelet átlagos
összetételét lásd a táblázatban.
|
kilúgzott
szelet |
szárított
szelet |
| nyersrost |
1,7% |
16% |
| szénhidrát |
4,3% |
59% |
| zsír |
0,1% |
1% |
| fehérje |
0,5% |
6% |
| hamu |
0,4% |
6% |
| víz |
93,0% |
12% |
* Savak vagy enzimek hatására a nádcukor
hidrolizál, szõlõcukorra és azonos összegképletû
gyümölcscukorra bomlik:
C12H22O11 + H2O = 2 C6H12O6
A nádcukor és a szõlõcukor jobbra forgatja
a poláris fény síkját, a gyümölcscukor
pedig balra, éspedig erõsebben forgat balra, mint amily mértékben
a szõlõcukor jobbra forgat, úgy, hogy e két
utóbbi cukor egyenlõ arányban való elegye a
poláris fény síkját balra forgatja. A hidrolízis
folytán tehát a forgatóképesség jobbról
balra fordul át, ezért e folyamatot a cukor inverziójának,
a gyümölcscukor és a szõlõcukor elegyét
pedig invertcukornak nevezik.