Sukker – mere end sødme

Publiceret Januar 2004

Denne artikel vil forsøge at give et indblik i nogle af de forskningsprojekter, som Danisco beskæftiger sig med i forbindelse med forædling af sukkerroer og -frø, udvikling af nye metoder til fremstilling af sødemidler, samt forskning i smagsoplevelser og tiltag, som kan reducere bitterheden i fødevarer. Først et historisk tilbageblik på sukkerproduktionen.

Historisk tilbageblik

I begyndelsen af 1800-tallet blev der etableret sukkerproduktion flere steder i Europa og i 1872 grundlagde C.F. Tietgen De Danske Sukkerfabrikker. Han købte bl.a. sukkerraffinaderiet Phønix ved Langebro i København, samme sted som i dag huser Danisco A/S hovedsæde samt en af Danisco's større innovationsafdelinger. Danisco Sugar, en division i Danisco, er i dag en af de fem største sukkerproducenter i EU og udover produktion i Danmark, produceres der i Tyskland, Sverige, Litauen og Finland. 

Sukkerfremstilling

En sukkerroe består af 75% vand, 16-18% sukker (sakkarose), 5-6% roefibre og 2-3% andre stoffer. Næsten halvdelen af roens vandindhold genbruges under sukkerudvindingen, resten fordamper. Af sukkerindholdet udvindes næsten 90% til hvidt sukker - en enkelt sukkerroe giver ca. 100 gram sukker. Resten bliver tilbage i en melasse, der bruges til fremstilling af bl.a. dyrefoder, gær og spiritus. Roefibrene anvendes til fiberprodukter og til dyrefoder. De resterende "andre stoffer" indeholder fosfor og magnesium og indgår bl.a. i den kalk, der er tilbage efter sukkerproduktionen. Kalken sælges som jordforbedringsmiddel til landbruget.

Når roedyrkerne leverer roerne til fabrikken, bliver læsset først vejet. Der tages en prøve for at bestemme roernes renhed og sukkerindhold, hvorefter jord, sten og snavs skylles væk under roevasken. Derefter skæres roerne i tynde snitter og føres hen til et diffusionsapparat, som er udviklet og patenteret omkring 1950, hvor der anvendes 70°C varmt vand til at trække sukkeret ud af roen. En times tid senere er der kun ca. 0,2% sukker tilbage i roesnitterne, der nu sorteres fra og anvendes til dyrefoder/roemasse.

Det sukker, der er udvundet af roen, indeholder omkring 15% sukker, men også 1-2% urenheder, der skal fjernes. Først iblandes læsket kalk - det udfælder en del urenheder og virker steriliserende. Dernæst tilsættes kuldioxid, og bobleprocessen får kalken til at binde urenheder til sig og synke til bunds. Saften sendes nu gennem store filtre, hvor kalken filtreres fra. Den kalk, der bliver tilbage i filtret, presses tørt og sælges som jordforbedringsmiddel til landbruget.

Tilbage er en væske, som skal inddampes, hvilket sker over flere omgange i fordampningskar og kogeapparater. Til at sætte gang i krystalliseringen anvendes små sukkerkrystaller - flormelis. Blot 100 g er tilstrækkeligt til at give 20-25 tons sukker. Indholdet fra kogeapparaterne, sirup og sukkerkrystaller pumpes over i store centrifuger, hvor den brune sirup slynges væk fra de hvide sukkerkrystaller, der samler sig i bunden af centrifugen.

Processen gentages flere gange og er først færdig, når der ikke længere kan udvindes sukker af siruppen. Tilbage er et tyktflydende produkt, melasse, der anvendes til dyrefoder og som råvare i gær- og spritproduktion. Når sukkeret kommer ud af centrifugen tørres det, før det transporteres over i de store sukkersiloer, som tømmes gradvist efterhånden som sukkeret sælges.

Forædling af sukkerroe og -frø

Forskning indenfor sukkerroeforædling begyndte allerede i 1920 (Maribo Frø) nu Danisco Seed. Det primære mål var og er at frembringe sorter, der er konkurrencedygtige. Herunder kan nævnes tilpasningsevne under forskellige klima- og jordbundsforhold, god roeform og -vægt, tilpasset sukkerprocent, god fabrikskvalitet, hurtig tilvækst eller evne til at udnytte lange vækstperioder, god fremspiring i mark af robuste kimplanter, passende bladudvikling på voksne roer, rigtig bladstilling i forhold til jordoverfladen, rimelig god og sikker frøproduktion, modstandsdygtighed overfor plantesygdomme etc. Der vil således altid være mulighed for forbedringer. I det følgende omtales nogle af de mest væsentlige:

Tidligere bestod alle sukkerroesorter udelukkende af diploide planter med 18 kromosomer pr. celle. Midt i 30'erne lykkedes det, som de første i verden, Maribo Frø at fremstille planter med dobbelt kromosomtal, de såkaldte tetraploide planter. Dette betød en fremgang i udbyttet i forhold til diploide sorter, og den patenterede teknologi gav en væsentlig fordel i forhold til konkurrenterne.

Introduktionen i 70'erne af de første monogerme Maribo sukkerroevarieteter betød et væsentligt skridt fremad i sukkerroedyrkningen. Fra naturens hånd indeholder roefrøet 3-5 kim, det såkaldte multigerme frø. Når et multigermt frø spirer, får man lige så mange små roeplanter, som der er kim i frøet, og de står ganske tæt. Derfor måtte man tidligere ved håndkraft tynde ud således, at kun den kraftigste plante blev tilbage. Til forskel fra tidligere tiders roefrø indeholder det monogerme frø kun ét kim pr. frø og hvert frø giver kun én plante. Dog var de første monogerme typer - med uønskede karaktertræk såsom lavt sukkerudbytte -  uanvendelige til roedyrkning, men ved et kompliceret forædlingsarbejde lykkedes det at frembringe nye forbedrede typer.

Indenfor selektion af Rhizomania resistente typer var Danisco blandt pionererne i 80'erne. Forædlingsarbejdet har også ført til typer tolerante overfor Rhizoctonia og nematoder.

2004_1 roennow_1.gif
Figur 1: Mannose selektionsprincippet.

Mere end 10 års forskning indenfor plantegenteknologi har ført til den glyphosat-resistente sukkerroe, som Danisco Innovation var først med, samt  nye effektive transformationssystemer. Disse transformationssystemer er baseret på positiv selektion på kulstofkilder og ikke, som tidligere, på antibiotika resistens. Idéen bag et af de mest succesfulde systemer er, at selektionsgenet giver den transformerede celle en evne til at metabolisere en forbindelse, i dette tilfælde kulstofforbindelsen, mannose, som fosforyleres men ellers ikke metaboliseres videre (Figur 1). Man genet fra E. coli koder for phosphomannose isomerase, som omdanner mannose-6-fosfat til fruktose-6-fosfat. Mannose kan derfor bruges som eneste kulstofkilde for visse planter, som indeholder Man selektionsgenet, hvorimod ikke-transformerede planter sædvanligvis vil lide under den giftige virkning af mannose-6-fosphat (Jørsbo, M. (2001) Phys. Plant. 111: 269-272).

Glyphosat hæmmer enzymet EPSP synthase, som spiller en vigtig rolle i syntesen af de aromatiske aminosyrer, tryptophan, tyrosin og phenylalanin, som igen er essentielle for proteinsyntese. En mulighed for at opnå glyphosat resistens er at indsætte mutante former af EPSP enzymet i roen. Anvendelse af den glyphosat-resistente sukkerroe, som er udviklet i samarbejde med Monsanto, vil kunne reducere brugen af ukrudtsmiddel med ca. 40%. På grund af GMO problematikken har Danisco Seed dog sat den bioteknologiske forskning i bero.

Sukkerroen før (højre) og efter (venstre) forædlingsarbejde med henblik på at reducere aflejring af jord i roens furer
Figur 2: Sukkerroen før (højre) og efter (venstre)
forædlingsarbejde med henblik på at reducere
aflejring af jord i roens furer. Der er opnået en
ca. 50 % reduktion.

Sukkerroen kan antage mange forskellige former, fra helt rund til aflang med mange furer (Figur 2). Jord aflejres i furerne, hvilket ikke alene bevirker, at der hvert år unødigt transporteres millioner tons jord fra sukkerroemarkerne ind til europæiske sukkerfabrikker, men det har også miljømæssige konsekvenser i forbindelse med øget vand- og energiforbrug ved vask af roerne. Derfor har Danisco Seed og Sugar siden starten af 1990'erne forsket i udvikling af en ny mere glat og rund sukkerroe. Dette arbejde er baseret på  klassisk krydsningsforædling af en traditionel højt ydende furet sukkerroe med en rund lavere ydende varietet. De bedste egenskaber er nu kombineret i én og samme roe, således at mængden af jord, som aflejres i roen er reduceret med 50%. Disse nye sukkerroer er afprøvet i markforsøg og officielle forsøg er indledt.

Danisco Innovation har i en årrække studeret omdannelsesprodukter af stivelse, bl.a. omdannes stivelse til anhydrofruktose af glukan lyase. I en søgning efter enzymer, som videre omdanner anhydrofruktose har vi fundet en pyranosone dehydratase fra svampen Phanerochaete chrysosporium, som omdanner anhydrofruktose videre til mikrothecin (Figur 3). Vi har kunnet vise, at mikrothecin er i stand til at hæmme væksten af sygdomsfremkaldende svampe som Rhizoctonia, Pythium og Aphanomyces (US 2003/0220394). Såsnart sukkerroefrø spirer i jorden er de udsatte for svampeangreb og teknikken består i enten at coate sukkerroefrø med microthecin eller sprøjte en vandig opløsning på sukkerroens blade. Det er forventeligt, at mikrothecin kan være et alternativ til nuværende dyre kemikalier.

Omdannelse af stivelse til mikrothecin
Figur 3: Omdannelse af stivelse til mikrothecin, som er i stand
til at hæmme væksten af sygdomsfremkaldende svampe.

Sukkers funktionelle egenskaber

Sukkers primære funktion i fødevarer er at give sødme og energi, men sukker har også andre interessante kemiske og fysiske egenskaber. Det skaber balance mellem sur og bitter smag, fremskynder gæringsprocesser, giver smag, farve og konsistens til bagværk, fungerer som stabilisator i kager og gør dem sprøde, tilfører fylde til drikkevarer og is samt forøger mundfylden, for eksempel i kombination med mælkeproteinerne i yoghurt og kan benyttes som konserveringsmiddel i eksempelvis marmelade, fremskynde nedfrysning og hindre krystallisering af is. Disse egenskaber giver mulighed for utallige anvendelser. Hvis sukkeret - udover at give sødme - anvendes på grund af flere af disse egenskaber, er det ofte svært at erstatte sukker med et sødemiddel. Det kan medføre store ændringer i produktets egenskaber og smag, idet sødemidlernes relative sødeevne, smag og egenskaber er vidt forskellige fra sukker.

Alternative sødemidler

Ved alternative sødemidler forstås produkter med en vis sødeevne, som i kemisk opbygning eller i fysisk form er forskellig fra sakkarose. De kan opdeles i 3 grupper: Sukkeralkoholer (f. eks. sorbitol og xylitol), høj intensive sødemidler: Naturlige (f.eks. glycyrrhizin, taumatin) og syntetiske (f.eks. sakkarin, alitam og aspartam). Sukkeralkoholer indeholder energi, mens de øvrige sødemidler ikke er energigivende.

2004_1 roennow_4sm.gif
Figur 4: Synteseveje og enzymatiske reaktioner
involveret i biokonversion af glukose til xylitol. Se
en større gengivelse her.

Af de forskellige sukkeralkoholer, som Danisco producerer, skal her nævnes xylitol, som traditionelt fremstilles ved reduktion af xylose isoleret fra hydrolysat af forskelligt plantemateriale f.x. birketræer. Sødeevnen er som sakkarose, men i forhold til sakkarose er kalorieindholdet reduceret og risikoen for karies mindre. Danisco Innovation har i en årrække arbejdet med udvikling af en ny teknologi for produktion af xylitol fra glukose, et billigt og tilgængeligt substrat (Figur 4).

Mange mikroorganismer, f.eks. Zygosaccharomyces rouxii producerer væsentlige mængder af en beslægtet pentitol, D-arabitol, fra D-glukose. I første omgang blev syntesen af arabitol fra glukose i Zygosaccharomyces rouxii forlænget således, at arabitol blev omdannet til xylulose med arabitol dehydrogenase fra Klebsiella terrigena og herefter blev xylulose omdannet til xylitol med xylitol dehydrogenase fra Pichia stipitis (US 5631150). Den rekombinante gær viste sig at kunne omdanne glukose til xylitol, omend med et lavt udbytte.

Herefter blev forskningsarbejdet fokuseret på at finde polyol phosphate dehydrogenase gener, klone dem og udtrykke dem i Bacillus subtilis. D-arabitol phosphate dehydrogenase fra Enterococcus avium var den første dehydrogenase, der blev klonet og overudtrykt i B subtilis. Vi kunne vise, at der blev produceret store mængder arabitol i stedet for ribulose og xylulose, og opmuntret af dette resultat ledte vi efter andre polyol phosphate dehydrogenaser, som var aktive overfor xylitol phosphat i stedet for arabitol phosphat. Endelig blev en bakteriestamme, Lactobacillus rhamnosus, fundet med xylitol phosphate dehydrogenase aktivitet. Enzymet blev oprenset, det tilsvarende gen klonet og udtrykt i .B subtilis og fermenteringsstudier viste, at xylitol bliver produceret, om end ikke i så store mængder som i tilfældet med arabitol, men i langt større mængde end andre kendte rekombinante stammer, som omdanner glukose til xylitol (WO 01/53306).

For at gøre denne proces kommercielt levedygtig er en forøgelse i xylitol udbyttet nødvendig. Biprodukter, såsom xylulose, ribulose, ribitol og acetoin dannes under fermentering, og dannelse af disse skal minimeres. Ribitol er et af de større biprodukter og denne dannelse skyldes, at L.rhamnosus xylitol phosphate dehydrogenase har nogen aktivitet overfor ribulose 5-phosphate. Forsøg har vist, at en forøgelse af ribulose phosphate epimerase aktivitet kan mindske ribitol produktion. Den største tekniske forhindring for at øge xylitol udbyttet er nu at redistribuere kulstofruten. Faldende priser på xylitol, produceret ved den traditionelle proces, samt konkurrence fra et kinesisk produkt gør imidlertid, at dette arbejde for tiden er indstillet.

Viden om smag

Danisco har nyligt investeret i en US baseret virksomhed, Linguagen (www.linguagen.com), som forsker i hvordan smagsreceptorerne på tungen fungerer, og udvikler produkter, som stimulerer vores smagsoplevelser af sødt, salt og bittert. De har patenteret teknologi, som kan identificere Maillard reaktioner, som opstår ved kogning af reducerende sukre og aminosyrer eller proteiner og som forårsager bitterhed i forarbejdede fødevarer. I dag forbedrer man den bitre smag ved at tilsætte salt, fedt eller sukker, men ved tilsætning af "bitter blockers", vil man kunne undgå tilsætninger og hermed kunne producere et sundere produkt.

Kombinationen af smag og konsistens er afgørende for, hvordan vi oplever maden. Forskning har vist, at begge faktorer har stor betydning for, og om vi kan lide maden. Det er man nødsaget til at tage hensyn til, når man fokuserer på at reducere mængden af sukker og fedt i fødevarer. Derfor er man i nogle "lightprodukter" også nødsaget til at tilsætte fortykningsmiddel og aromastoffer, som kompensation for den reducerede sukker- og fedtmængde. Den viden har resulteret i et samarbejde mellem produktudviklingsfolk fra flere af Daniscos divisioner og kunder.