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 1316 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 1525 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 100180 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, 0,0010,03% 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 88,5 körül mozog. Az inverzió veszélye 6,56,7-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) 46 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 1315% 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) 6877 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 (0,20,5%), 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%
Folytatás


* 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.


Elõadó
A kémia és vívmányai
http://www.kfki.hu/chemonet/ 
http://www.ch.bme.hu/chemonet/