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The effects of mixing syrups from beet and cane origin on sugar quality
Schlumbach, Karl
With the decision of the EU market liberalization, the European sugar manufacturers are forced to optimize their process management and to increase factory utilization. The co-production of beet thick juice and raw cane sugar is a promising opportunity to increase the period of operation in factory processing sugar beets. Both raw materials comprise impurities (e.g. colorants) with different physical and chemical properties which influence final sugar quality in differently. Although the processing of mixed syrups is already performed occasionally, practically no knowledge exists with respect to the consequences on final sugar color. For this purpose, crystallization experiments with mixed syrups were performed and the influence of raw materials and process parameters on the final quality of sugar was investigated. In particular, attention was paid to the incorporation of colorants into the crystal. Moreover, the influence of thermal stress on color formation in mixed syrups was investigated.
The results gathered indicate that the colorants from both sources mutually suppress their inclusion into the sucrose crystal. The initial finding that color transfer behaves exponentially as function of raw cane sugar level in a blend was confirmed to be of general validity with experimental data covering different raw cane sugar and beet syrup qualities. On basis of the data, a model was formulated to predict final sugar color values solely on experimental data (color values) of the constituting single source syrups. Based on the findings of this work the generally acknowledged rule of thumb that a level of 20 g/100 g raw cane sugar does not lead to unpredictable problems during processing of mixed syrups seems to be too restrictive. The data show that an addition of 40 g/100 g of a typical raw cane sugar results in white sugar of highest quality with color values below 30 IU (ICUMSA units). Considering also other impurities it was found that high dextran levels in the raw materials promote color inclusion.
Inclusion of colorants in sugar processing is related to three different processes, co-crystallization, liquid inclusion and adhesion. For the purpose of this study the contribution due to adhesion was mostly eliminated because affination, surface cleaning, was applied. It turned out that the major inclusion mechanisms in mixed syrups is co-crystallization. It was found that relative colorants’ inclusion due to both liquid inclusions and co-crystallization are clearly reduced if beet material is present in the blend. In detail, it is observed that this effect is more pronounced for liquid inclusions.
Furthermore, the data from a detailed study on growth rate variation reveal that color incorporation increases linearly with growth rate. For liquid inclusions the effect of growth kinetics turned out to be hardly dependent when beet material is present (>33 g/100 g) in the blend. With increasing linear growth velocities, the model formulated significantly over-predicts the level of colorants’ inclusion. This is due to the dramatically stronger effect of growth rate on the colorants’ inclusion, for both mechanisms, in pure cane syrups. Since colorants are also formed during the sugar production process a systematic study on the influence of thermal stress and the formation of colorants in mixed syrups was executed. The data gathered reveal that color values increase linearly with time and exponentially with temperature according to Arrhenius law. The hypothesis that the specific composition of the mixed syrups promotes excessive formation of colorants was not verified. Also for this process a framework was formulated that allows to predict the syrup color values dependent on the initial color values of the constituting raw materials, beet thick juice and raw cane sugar, temperature and treatment time.
The present thesis demonstrates the principles of color inclusion for sugars produced from mixed syrups in detail. The work provides a comprehensive framework for manufacturers and researchers to produce sugars from mixed syrups.
Mit dem Beschluss, den EU-Zuckermarkt zu liberalisieren, sind die Europäischen Zuckerproduzenten gezwungen, ihr Prozessmanagement zu optimieren und die Auslastung ihrer Fabriken zu erhöhen. Eine vielversprechende Idee den ca. 100-tägigen Kampagnenbetrieb in der Rübenzuckerverarbeitung zu verlängern, ist die Co-Produktion von Rübendicksaft und Rohrohrzucker. Beide Rohstoffe enthalten Unreinheiten wie z.B. Farbstoffe mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften, die sich auf unterschiedliche Weise auf die Zuckerqualität auswirken. Obwohl die Verarbeitung von gemischten Säften bereits seit Jahrzehnten vereinzelt durchgeführt wird, gibt es keinerlei Daten bezüglich der Konsequenzen dieses Produktionsansatzes auf die finale Zuckerqualität. Aus diesem Grund wurden in der vorliegenden Arbeit Kristallisationsversuche mit gemischten Säften durchgeführt und der Einfluss von Rohstoff- und Prozessparametern auf die Qualität des Zuckers untersucht. Im besonderen Fokus stand hierbei der Einbau von Farbstoffen in den Kristall. Darüber hinaus wurde der Einfluss von thermischem Stress auf die Farbbildung in gemischten Säften untersucht.
Die Betrachtung der Ergebnisse zeigt, dass sich die Farbstoffe der beiden Rohstoffe gegenseitig beim Einbau in den Kristall hemmen. Es wurde ein exponentieller Verlauf des Farbeinbaus als Funktion des Rohrohrzuckeranteils gefunden und für verschiedene Rohrohrzucker- und Rübendicksaftqualitäten bestätigt. Auf Basis der Daten wurde ein Modell entwickelt, das die finale Zuckerfarbe auf Grundlage der Sirup- und Zuckerfarben der vorliegenden Reinrohstoffe vorhersagt. Die Daten zeigen, dass die allgemein anerkannte Faustregel, 20 g/100 g Rohrohrzucker dem Rübendicksaft beigeben zu können, ohne dass unvorhergesehene Probleme bei der Kristallisation und Qualität auftreten, zu niedrig bemessen ist. Eine Zugabe von bis zu 40 g/100 g führt, nach der vorliegenden Arbeit bei typischen Rohstoffqualitäten, zu weißem Zucker höchster Qualität mit einer Farbe von maximal 30 IU (ICUMSA Einheiten). Allerdings wurde gezeigt, dass erhöhte Dextrangehalte im Rohmaterial den Farbeinbau fördern.
Farbstoffe können in Zuckerkristalle durch drei verschiedene Mechanismen eingebaut werden: Flüssigkeitseinschlüsse (Liquid inclusions), Co-Kristallisation und Adhäsion. In dieser Arbeit wurde der Beitrag der Adhäsionsfarbe durch einen Reinigungsprozess (Affination) weitestgehend eliminiert. Der Haupteinbaumechanismus für gemischte Säfte ist die Co-Kristallisation. Der Farbeinbau durch Co-Kristallisation und Flüssigkeitseinschlüsse wird in hohem Maße durch die Anwesenheit von Rübenmaterial unterdrückt, wobei dieser Effekt für Flüssigkeitseinschlüsse ausgeprägter ist.
Die gesammelten Daten zeigen weiterhin, dass der Farbeinbau mit der Wachstumsgeschwindigkeit linear steigt. Hierbei wurde beobachtet, dass der Einbau von Flüssigkeit (Liquid inclusions) nur minimal von der Wachstumsgeschwindigkeit beeinflusst wurde, wenn Rübenmaterial in der Mischung war (> 33 g/100 g). Aufgrund der Tatsache, dass der Einbau von Farbstoffen für reine Rohrsirupe deutlich stärker von der Wachstumsgeschwindigkeit abhängt als für Sirupe, die Rübenmaterial enthalten, nimmt die Vorhersagequalität des Modells für Zuckerfarbe mit zunehmender Wachstumsgeschwindigkeit ab. Hierbei ist zu beachten, dass das Model konservativ ist, da es die Zuckerfarbe zunehmend als zu hoch vorhersagt.
Die Versuche zur Untersuchung des thermischen Einflusses auf gemischte Säfte haben gezeigt, dass die Farbbildung systematisch verläuft. Die Daten verdeutlichen, dass die Farbwerte als Funktion der Zeit linear steigen und die Farbbildungsrate in Abhängigkeit der Temperatur den Gesetzmäßigkeiten von Arrhenius folgt. Die Hypothese, dass es durch die Zusammensetzung der gemischten Sirupe zu einer exzessiven Farbbildung kommt, konnte nicht bestätigt werden. Des Weiteren wurde ein Model erstellt, welches die Farbe gemischter Säfte in Abhängigkeit der Anfangsfarbwerte der Rohmaterialien, Rübendicksaft und Rohrohrzucker, der Temperatur und der Behandlungszeit errechnet.
Die hier vorliegende Arbeit diskutiert erstmalig umfassend die Farbe von Zuckern, die aus Sirupen, die sowohl aus Rohr- und Rübenmaterial bestehen, kristallisiert wurden. Die gefundenen Zusammenhänge konnten in Modellen abgebildet werden, die es erlauben, aufgrund von Daten der Reinstoffe die gemischt werden, Vorhersagen zur Zuckerfarbqualität zu machen.
