A n d r e w V a n H o o k *
R e c e i v e d for P u b l i c a t i o n March 1 2 , 1 9 8 1 INTRODUCTION
C a s u a l i n s p e c t i o n o f most c r o p s o f c r y s t a l s , i n c l u d i n g s u g a r , u s u a l l y s u g g e s t s a r a t h e r u n i f o r m a p p e a r a n c e i n s h a p e . More c a r e f u l s c r u t i n y , t h o u g h , (or b e t t e r , m e a s u r e m e n t t o d i s c r i m i n a t e s u b j e c t i v e d i f f e r e n c e s d u e t o s i z e ) r e v e a l s t h i s t o b e n o t e x a c t l y s o . D i f f e r e n c e s a r e a c c e n t u a t e d w h e n t h e c r y s t a l s a r e g r o w n u n d e r n o n - u n i f o r m c o n d i t i o n s . T h i s i s e s p e c i a l l y p r o n o u n c e d w h e n t h e b a t c h i s d e v e l o p e d w i t h o u t s t i r r i n g , s u c h a s o n a m i c r o s c o p e s l i d e . The v a r i a t i o n s p e r s i s t e v e n w h e n t h e s y r u p i s s e e d e d ; for now t h e n o n - u n i f o r m i t y o f t h e s e e d s t o c k i s s u p e r i m p o s e d u p o n o t h e r v a r i a t i o n s i n g r o w t h c o n d i t i o n s . I n f a c t , s u b t l e d i f f e r e n c e s o c c u r i n t h e b e s t g r o w n s i n g l e c r y s t a l s . C e r t a i n l y , K u c h a r e n k o ' s (6) s p e c i m e n s a r e some of t h e b e s t k n o w n of t h e s e , v e t t h e y e x h i b i t v a r i a t i o n s i n t h e d i m e n s i o n l e s s s h a p e
o f a s m u c h a s 6 u n i t s a b o u t t h e a v e r a g e o f 6 9 . 9 3 ± 1 . 6 2 c m6/ g2
H o w e v e r , e v e n more p r o n o u n c e d t h a n t h e s e d i f f e r e n c e s w h i c h m a y b e c o n s i d e r e d m i n o r a n d d u e t o v a r i a t i o n s i n s e e d a n d g r o w t h s t a b i l i t i e s , i s t h e i n f l u e n c e o f i m p u r i t i e s . T h e b e s t k n o w n e x a m p l e s o f t h e s e a r e t h e i n f l u e n c e s o f r a f f i n o s e a n d d e x t r a n o n t h e s h a p e o f s u c r o s e c r y s t a l s b u t t h e r e a r e m a n y o t h e r s .
RAFFINOSE
T h i s i s p r o b a b l y t h e most c a r e f u l l y s t u d i e d o f s u c r o s e c r y s t a l m o d i f i e r s . I t h a s b e e n c o n s i d e r e d i n d e t a i l b y H u n g e r f o r d a n d Nees ( 4 ) , V a v r i n e c z ( 1 8 ) , a n d M a n t o v a n i ( 7 ) , a m o n g s t m a n y o t h e r s , a n d t h e n e e d l e l i k e form p r o d u c e d
* T h e a u t h o r i s P r o f e s s o r E m e r i t u s , C h e m i s t r y D e p a r t m e n t , C o l l e g e o f t h e H o l y C r o s s , W o r c e s t e r , M A 0 1 6 1 0 .
VOL. 2 1 , N O . 2, OCTOBER 1981 131
i n i t s p r e s e n c e i s w e l l k n o w n t o a l l s u g a r m e n . T h i s e n - l o n g a t e d s h a p e r e s u l t s from t h e p r e f e r e n t i a l a d s o r p t i o n o f r a f f i n o s e e s p e c i a l l y o n t h e g i r d l e f a c e s o f t h e c r y s t a l w h e r e f r u c t o s e - f r u c t o s e i n t e r a c t i o n s seem l i k e l y ( 1 3 ) . T h i s i m p e d e s t h e i r r a t e o f a d v a n c e a n d h e n c e a r e a l e n l a r g e m e n t . T h i s s t e r e o s p e c i f i c a d s o r p t i o n h a s b e e n d e m o n s t r a t e d c h r o m a t o - g r a p h i c a l l y ( 1 6 ) . Smyth ( 1 3 ) , a s w e l l a s M a n t o v a n i (8) a n d Kelly a n d Mak ( 7 ) , h a v e p o i n t e d o u t t h e c o n f o r m a t i o n o f m o l e c u l a r s t r u c t u r e o f a d s o r b a n t a n d c r y s t a l s t r u c t u r e o f a d s o r b a t e i n t h i s a n d o t h e r c a s e s a n d t h i s p l a u s i b l y a c c o u n t s i n p a r t for t h e s t e r e o s p e c i f i c i n t e r a c t i o n .
I n c i d e n t a l l y , t h i s p a r t i a l c h e m i c a l a n d s t r u c t u r a l s i m i - l a r i t y r a i s e s t h e q u e s t i o n w h e t h e r o r not r a f f i n o s e m i g h t not a c t a s a h e t e r o g e n e o u s n u c l e a t i n g a g e n t for s u c r o s e c r y s t a l l i z a t i o n a n d v i c e v e r s a . When f i r s t t r i e d t h i s w a s f o u n d t o b e s o , b u t a f t e r r e c r y s t a l l i z i n g t h e s e e d s t o c k a n d w o r k i n g i n e f f e c t i v e l y s t e r i l e c o n d i t i o n s t o a v o i d t h e s u g a r d u s t e v e r p r e s e n t i n a n y s u g a r l a b r o a t o r y , it. w a s f o u n d i n e f f e c t i v e . The d i s r e g i s t r y i n c r y s t a l l a t t i c e d i m e n s i o n s i s j u s t too g r e a t !
S i n c e r a f f i n o s e o c c u r s t h r o u g h o u t a d o p e d c r y s t a l a n d not s u p e r f i c i a l l y o n t h e s u r f a c e , a s d o m a n y o t h e r i m p u r i t i e s , o n e w o u l d e x p e c t some d i s t o r t i o n o f t h e b a s i c s u c r o s e l a t t i c e s t r u c t u r e o n a c c o u n t o f t h e d i f f e r e n c e i n o v e r a l l m o l e c u l a r s i z e a n d s t r u c t u r e ( 1 5 ) . H o w e v e r , t h i s c o u l d not b e f o u n d i n a c a r e f u l x - r a y e x a m i n a t i o n (17) o f a s i n g l e c r y s t a l o f s u c r o s e c o n t a i n i n g 0 . 3 % r a f f i n o s e . T h i s h a d b e e n g r o w n from a s y r u p c o n t a i n i n g 5 g . r a f f i n o s e p e r 100 g . w a t e r . The d i f f e r e n c e c a l c u l a t e d for s t r a i g h t f o r w a r d s u b s t i t u t i o n a l i n c o r p o r a t i o n o f t h i s a m o u n t o f r a f f i n o s e i s l e s s t h a n 0 . 0 0 5 A , w h i c h w a s b e y o n d t h e l i m i t o f d e t e c t i o n o f t h e e q u i p m e n t a v a i l a b l e . N e i t h e r c o u l d t h e p o w d e r x - r a y m e t h o d s a v a i l a b l e b e e x p e c t e d t o r e v e a l t h i s s m a l l a m o u n t o f i m p u r i t y , s o t h a t t h e q u e s t i o n s t i l l r e m a i n s o p e n ( 1 5 ) - E s s e n t i a l l y t h e s a m e c o n c l u s i o n w a s r e a c h e d b y R o b i n s o n ( 1 0 ) , i n B r i s b a n e , who e x a m i n e d i n t h e s a m e w a y a c r y s t a l g r o w n i n t h e p r e s e n c e of d e x t r a n .
S k e t c h y p h a s e r u l e w o r k o n t h e s u c r o s e - r a f f i n o s e - w a t e r
132 J O U R N A L OF T H E A . S . S . B . T .
s y s t e m s s u g g e s t s t h a n a n y r a f f i n o s e c o - c r y s t a l l i z e d w i t h s u c r o s e u n d e r o r d i n a r y e q u i l i b r i u m c o n d i t i o n s w o u l d b e i n t h e form o f t h e p e n t a h y d r a t e . H o w e v e r , n o e v i d e n c e for t h i s c o u l d b e f o u n d from m o i s t u r e d e t e r m i n a t i o n s a n d d i f f e r - e n t i a l t h e r m a l a n a l y s i s b e h a v i o r . But a g a i n , t h e e f f e c t s c a n b e e s t i m a t e d t o b e a t t h e l i m i t o f s e n s i t i v i t y o f t h e s e m e t h o d s s o t h a t i m p r o v e d o r o t h e r d e v i s e s w i l l b e n e c e s s a r y t o a n s w e r t h i s i n t r i g u i n g q u e s t i o n more d e f i n i t i v e l y .
A n o t h e r i n t e r e s t i n g t h i n g a b o u t s u c r o s e - r a f f i n o s e s y r u p s - S a r i g a n d M u l l i n (11) h a v e r e c e n t l y r e p o r t e d t h a t c r y s t a l h a b i t m o d i f i e r s f r e q u e n t l y c a u s e d a c o n s i d e r a b l e r e d u c t i o n i n s i z e o f c r y s t a l s l u r r i e s when g e n t l y a g i t a t e d . The f o l l o w i n g a c c o u n t i l l u s t r a t e s Lhis t o a p p l y for r a f f i n o s e c o n t a i n i n g s l u r r i e s ; p r o b a b l y a s a r e s u l t o f a t t r i t i o n a n d r e c r y s t a l l i z a t i o n . T h i s h y p o t h e s i s i s i n d i c a t e d b y r e s u l t s w i t h NaCl a n d d i f f e r e n t h a b i t m o d i f i e r s : T h a t i s , s a l t , w h i c h n o r m a l l y c r y s t a l l i z e s a s c u b e s , c o m e s down a s o c t a h e d r a i n t h e p r e s e n c e o f u r e a a n d a s f r a g i l e d e n d r i t e s w h e n e v e n s m a l l a m o u n t s o f f e r - r o c y a n i d e ion a r e p r e s e n t . The r e l a t i v e r e d u c t i o n i s m u c h g r e a t e r i n t h i s c a s e t h a n w i t h t h e c o n t r o l o r a d d e d u r e a .
O r i g i n a l c o a r s e , g r a n u l a t e d 10% t h r o u g h 4 0 m e s h T u m b l e d 3 d a y s i n s a t u r a t e d s y r u p 1 5 % " " "
Same + 5 g . r a f f i n o s e / 1 0 0 w a t e r 30% " " "
F i n e g r a n u l a t e d 1.4% t h r o u g h 1 0 0 m e s h T u m b l e d 3 d a y s 5 . 6 % " " "
S a m e + r a f f i n o s e 9 . 7 % " " "
DEXTRAN
D e x t r a n a s i m p u r i t y c a u s e s a s much c o n c e r n i n t h e c a n e s e g m e n t o f t h e i n d u s t r y a s d o e s r a f f i n o s e i n t h e b e e t . I t c a u s e s e l o n g a t i o n c - w i s e , j u s t a s r a f i n o s e e x t e n d s t h e c r y s t a l a l o n g t h e b - a x i s . T h i s i s p r o b a b l y t h e r e s u l t o f p r e f e r e n t i a l a d s o r p t i o n o n t h e p o l a r f a c e s b u t t h i s h a s n o t b e e n s p e c i f i c a l l y d e m o n s t r a t e d . D e x t r a n i s p a r t i c u l a r l y o b n o x i o u s b e c a u s e i t i n c r e a s e s t h e v i s c o s i t y o f s y r u p s t r e - m e n d o u s l y a l o n g w i t h t h e o t h e r p r o b l e m s o f m o d i f i e d c r y s t a l s . I t c a n b e d e s t r o y e d e n z y m a t i c a l l y (5) a n d s o c a n r a f f i n o s e a n d s t a r c h ; a l t h o u g h m u c h o f t h e l a t t e r c a n b e more e f f e c t i v e l y r e m o v e d b y g o o d c l a r i f i c a t i o n . After a l l , t h i s s t e p i s a s i m p o r t a n t i n p u r i f y i n g s u g a r b y r e m o v a l o f i m p u r i t i e s a s
VOL. 21, NO. 2, OCTOBER 1981
i s t h e c r y s t a l l i z a t i o n i t s e l f w h e r e s u c r o s e i s s e p a r a t e d from i m p u r i t y .
OTHER CASES
The effect o f m a n y o t h e r s u b s t a n c e s o n t h e s h a p e o f s u c r o s e c r y s t a l s h a s b e e n i n v e s t i g a t e d b y m a n y t e c h n o l o g i s t s ( 2 , 3 , 12) i n a d d i t i o n t o t h o s e a l r e a d y c i t e d . I n most i n s t a n c e s , t h o u g h , t h e i r i n f l u e n c e i s not a s m a r k e d a s t h a t o f t h e p o l y s a c c h a r i d e s a l r e a d y m e n t i o n e d . P r i s m s , t r i a n g l e s , p l a t e s , p y r a m i d s , t w i n s a n d o t h e r forms a r e not uncommon b u t t h e c a u s a t i v e a g e n t s h a v e not a l w a y s b e e n i d e n t i f i e d . T h i s i s i m p o r t a n t t o k n o w s h o u l d e f f o r t s b e i n t e n d e d t o a l l e v i a t e t h e e f f e c t s o f t h e s e a g e n t s .
A s p e c i a l c a s e r e p o r t e d b y S u t h e r l a n d (14) i n 1969 i s t h e d e v e l o p m e n t o f e l o n g a t e d c r y s t a l s b y c y c l i c d i s s o l u t i o n a n d g r o w t h . The c h a n g e o c c u r s b e c a u s e d i s s o l u t i o n i s d i f f u s i o n c o n t r o l l e d a n d t h e s a m e for a l l f a c t s w h e r e a s g r o w t h i s n o t .
F i g u r e 1. Repeated growth and d i s s o l u t i o n ot a c r y s t a l - i d e a l i z e d .
Along s o m e w h a t s i m i l a r l i n e s a n d s u g g e s t e d b y a p r o - c e d u r e u t i l i z e d b y A c c o r s i a n d M a n t o v a n i (1) t o d e t e r m i n e t h e r a t e s o f g r o w t h o f d i f f e r e n t f a c e s , one c a n v i s i b l y demon- s t r a t e c r y s t a l form m o d i f i c a t i o n b y p r e v e n t i n g g r o w t h o f
133
134 JOURNAL OF THE A.S.S.B.T.
d i f f e r e n t f a c e s w i t h a c o a t o f v a r n i s h . T h i s m a y h a v e t o b e r e f u r b i s h e d p e r i o d i c a l l y t o r e d u c e d i s t o r t i o n b y o v e r l a p , e t c .
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An A n a l y s i s of R o o t D a m a g e During Piling *
C h a r l e s L. P e t e r s o n , E l d o n R. M u l l e r Mark C. Hall and J o s e p h C. T h o m p s o n R e c e i v e d for P u b l i c a t i o n March 1 2 , 1 9 8 1
INTRODUCTION
Few p i e c e s o f r e g u l a r l y u s e d e q u i p m e n t h a v e a n a v e r a g e a g e a s o l d a s t h e u n l o a d i n g a n d p i l i n g e q u i p m e n t u s e d t o h a n d l e s u g a r b e e t s a t t h e c o m p a n y owned p i l i n g g r o u n d s . Not. t h a t a g e a l o n e s h o u l d i m p l y a n y t h i n g d e r o g a t o r y , b e c a u s e u p d a t i n g , r e - b u i l d i n g a n d m o d e r n i z a t i o n a r e p a r t o f a c o n t i n u i n g p r o c e s s w i t h i n t h e a g r i c u l t u r a l m a i n t e n a n c e d i v i s i o n s r e s p o n s i b l e for p i l e r o p e r - a t i o n . What a g e d o e s i m p l y i s t h a t m a j o r c h a n g e s o c c u r v e r y s l o w l y a n d t h a t new p i l i n g c o n c e p t s for p u r p o s e s o f r e d u c i n g d a m - a g e t o t h e s u g a r b e e t s m u s t b e m o d i f i c a t i o n s t o e x i s t i n g e q u i p m e n t i f t h e r e i s a n y h o p e t o h a v e t h e e q u i p m e n t o n - l i n e i n a r e a s o n a b l e amount of t i m e .
PREVIOUS WORK
The l o s s o f r e c o v e r a b l e s u g a r d u e t o i n j u r y i s w e l l d o c u - m e n t e d i n t h e l i t e r a t u r e .
Akeson a n d Stout (1) d a m a g e d s u g a r b e e t rooLs w i t h i m p a c t s o f t h r e e a n d s i x feet u p o n a s t e e l s u r f a c e . T h e y f o u n d t h a t t h e s e i m p a c t s i n c r e a s e d t h e r e s p i r a t i o n r a t e u p t o 23%, i n v e r t s u g a r a c c u m u l a t i o n u p t o 41%, s u c r o s e l o s s u p t o 73%, a n d r e c o v e r a b l e s u g a r l o s s u p t o 65%.
Cole (3) f o u n d t h a t r e s p i r a t i o n r a t e s w e r e i n c r e a s e d b y a s much a s 26% b y t h e l e v e l o f m e c h a n i c a l d a m a g e d u r i n g h a r v e s t a n d s t o r a g e o f t h e r o o t s . H e f o u n d t h a t a p p a r e n t s u c r o s e w a s
* A p p r o v e d a s P a p e r No. 8131 o f t h e I d a h o A g r i c u l t u r a l E x - p e r i m e n t S t a t i o n . T h e a u t h o r s a r e P r o f e s s o r , G r a d u a t e S t u d e n t , S c i e n t i f i c Aide a n d S c i e n t i f i c A i d e , r e s p e c t i v e l y , D e p a r t m e n t o f A g r i c u l t u r a l E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f I d a h o , Moscow, I d a h o 8 3 8 4 3 .
VOL. 2 1 , N O . 2, OCTOBER 1981 137
r e d u c e d b y u p t o o n e p e r c e n t , a n d i n v e r t s u g a r s w e r e i n c r e a s e d b y u p t o 22% a s t h e n u m b e r o f m e c h a n i c a l o p e r a t i o n s t o w h i c h t h e r o o t s w e r e s u b j e c t e d i n c r e a s e d .
Wyse a n d P e t e r s o n (9) r e p o r t e d t h a t h a n d h a r v e s t e d r o o t s w i t h m i n i m a l i n j u r y h a d t h e l o w e s t r e s p i r a t i o n r a t e a n d s e v e r e l y i n j u r e d , m a c h i n e w a s h e d b e e t s off t h e p i l e h a d t h e h i g h e s t (69%
h i g h e r ) r e s p i r a t i o n r a t e . After t e n d a y s t h e i n j u r e d r o o t s w e r e r e s p i r i n g a t a r a t e 43% h i g h e r t h a n t h a t o f the h a n d h a r v e s t e d c o n t r o l s .
P a r k s a n d P e t e r s o n (5) r e p o r t e d t h a t r e s p i r a t i o n a n a l y s i s s h o w e d t h e a m o u n t o f d a m a g e c a u s e d b y h a r v e s t i n g a n d p i l i n g t h e r o o t s w a s c o m p a r a b l e t o d r o p p i n g t h e r o o t s two m e t e r s o n t o a s o l i d s u r f a c e . T h e y r e p o r t e d i n o n e s t u d y t h a t d a m a g e r e d u c e d t h e p e r c e n t o f s u c r o s e a t 151 d a y s ' s t o r a g e from 17.2% for b e e t s w i t h a b r u i s e i n d e x of 10 c o m p a r e d to 15.6% for b e e t s w i t h a b r u i s e i n d e x o f 3 0 .
P r e c h t e t a l . (6) r e p o r t e d t h a t i n s t o r a g e s t u d i e s , m a c h i n e h a r v e s t e d s a m p l e s a l w a y s h a d s u g a r l o s s a n d d e h y d r a t i o n l e v e l s a b o v e t h o s e o f a r t i f i c i a l l y i n j u r e d s a m p l e s a n d c o n s i d e r a b l y h i g h e r t h a n t h e n o n - i n j u r e d s a m p l e s .
B a c k e r e t a l . (2) r e p o r t e d t h a t w i t h t h e p r e s e n t e s t i m a t e o f l o s s o f s u g a r d u e t o r e s p i r a t i o n a n d m i c r o b i a l a c t i v i t y o f 0 . 0 5 p o u n d s p e r ton p e r d a y , a p l a n t p r o c e s s i n g 5000 t o n s p e r d a y w o u l d l o s e 187,500 p o u n d s o f s u g a r p e r d a y .
P r e c h t (7) f o u n d i n 150 d a y s ' s t o r a g e t h a t c u r r e n t m a c h i n e h a r v e s t i n g t e c h n i q u e s r e s u l t e d i n a s u g a r l o s s e q u i v a l e n t t o 0 . 3 3 3 p o u n d s p e r ton p e r d a y w h i l e b e e t s t h a t w e r e not d a m a g e d l o s t 0 . 2 0 p o u n d s p e r ton p e r d a y .
D e v l e t t e r a n d Von G i l s ( 4 ) r e p o r t e d t h a t c h a n g i n g " a v e r a g e "
h a n d l i n g p r a c t i c e s i n t o " g o o d " p r a c t i c e s w o u l d s a v e 3 . 6 k g s u g a r p e r m e t r i c ton o f b e e t s . T h e y e s t i m a t e d a n a n n u a l l o s s o f s u g a r w o r t h a b o u t $ 3 . 3 m i l l i o n i n t h e N e t h e r l a n d s a l o n e .
Wyse (8) found t h a t m a c h i n e h a r v e s t i n g i n c r e a s e d s u c r o s e l o s s e s 135% a b o v e t h e i r h a n d h a r v e s t e d c o n t r o l s .
M A T E R I A L S AND M E T H O D S
T h i s p a p e r r e p o r t s o n s t u d i e s c o n d u c t e d b e t w e e n 1975 a n d
1 3 8 JOURNAL OF THE A.S.S.B.T.
1979 i n b o t h I d a h o a n d W a s h i n g t o n . D a t a c o l l e c t e d i n c l u d e b r u i s e d a m a g e , r e s p i r a t i o n , s u c r o s e l o s s , t a r e , a n d t i m e a n d m o t i o n a n a l y s e s .
B r u i s e a n a l y s i s h a s i n c l u d e d c o m p a r i n g t h e b r u i s e l e v e l o f b e e t s a f t e r t h e y h a v e g o n e a c r o s s t h e p i l e r w i t h t h e l e v e l i n t h e t r u c k s d e l i v e r i n g b e e t s t o t h e p i l e r ; b y p a s s i n g h a n d h a r - v e s t e d b e e t s t h r o u g h t h e p i l e r ; a n d w a s h i n g , w e i g h i n g a n d m a r k - i n g i n d i v i d u a l b e e t s , p a s s i n g t h e m t h r o u g h t h e p i l e r , r e c o v e r i n g t h e m , a n d t h e n e v a l u a t i n g t h e d a m a g e l e v e l .
The c r i t e r i o n for b r u i s e i n d e x b a s e d o n b r u i s e d e p t h w a s d e s c r i b e d b y P a r k s a n d P e t e r s o n ( 5 ) . T h e y d e f i n e d a s l i g h t d a m - a g e as up to 10 mm, a m o d e r a t e d a m a g e from 10 to 20 mm, a n d s e v e r e d a m a g e d e e p e r t h a n 2 0 mm. I n a l l c l a s s i f i c a t i o n s , a d a m a g e d a r e a w a s c o n s i d e r e d a s i n g l e d a m a g e i f i t w a s l e s s t h a n o n e - q u a r t e r t h e f a c e a r e a o f t h e rooL. I f t h e d a m a g e d a r e a w a s l a r g e r , t h e n u m b e r o f d a m a g e s w a s t h e n u m b e r o f o n e - q u a r t e r f a c e a r a s a f f e c t e d . A root w a s s a i d t o h a v e a b r o k e n r o o t t i p if t h e d i a m e t e r of t h e r o o t at t h e p o i n t of b r e a k a g e w a s 25 mm o r m o r e .
A t o t a l d a m a g e s c o r e for e a c h r o o t , c a l l e d a b r u i s e i n d e x i s g i v e n b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n :
B r u i s e I n d e x - N u m b e r o f s l i g h t s + ( 3 x n u m b e r o f m o d e r a t e s ) + ( 8 x n u m b e r o f s e v - e r e s ) + ( 2 x n u m b e r o f b r o k e n r o o t t i p s ) .
R e s p i r a t i o n m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e b y t h e USDA r e s p i r a t i o n l a b a s r e p o r t e d b y Wyse (8) a n d t h e r e s e a r c h l a b o r a t o r y o f U & I, I n c . Both of t h e s e m e t h o d s m o n i t o r CCL r e s p i r e d by t h e b e e t s . S a m p l e s u s e d w e r e c o l l e c t e d a t e a c h s t e p o f t h e h a r v e s t i n g a n d h a n d l i n g o p e r a t i o n . T a r e s t u d i e s c o m p a r e d t a r e s a m p l e s t a k e n from t h e c u r r e n t p o s i t i o n f o l l o w i n g t h e c l e a n i n g s c r e e n a n d a l o - c a t i o n a s t h e t r u c k w a s u n l o a d e d . C u r r e n t p r a c t i c e r e q u i r e s e m p t y i n g t h e p i l e r a n d l e a v i n g a g a p f o l l o w i n g e a c h t r u c k . Con- s e q u e n t l y , e a c h t r u c k e m p t i e s i n t o a n e m p t y h o p p e r r e s u l t i n g i n c o n s i d e r a b l e d a m a g e t o t h e b e e t s . For t h e s e s t u d i e s a g r a b s a m - p l e t e c h n i q u e w a s u s e d t o o b t a i n t h e s a m p l e s a t t h e t r u c k a n d t h e e x i s t i n g t a r e b u c k e t s y s t e m for t h e s a m p l e s f o l l o w i n g t h e
VOL. 21, N O . 2, OCTOBER 1981 139
c l e a n i n g s c r e e n . P i l e r s w e r e s e l e c t e d for e v a l u a t i o n w h e r e d u m p t r u c k s w e r e b e i n g u s e d t o c o l l e c t t h e t a r e d i r t s o t h a t a w e i g h t o f t a r e d i r t r e m o v e d b e t w e e n t h e two s a m p l e c o l l e c t i n g p o i n t s w a s a v a i l a b l e . All o f t h e t a r e s a m p l e s w e r e e v a l u a t e d b y t h e r e - s p e c t i v e s u g a r c o m p a n y t a r e l a b o r a t o r i e s .
T o d e t e r m i n e t h e time l o s t a s a r e s u l t o f t h e t y p i c a l s t a r t - s t o p p r o c e d u r e o f p i l e r o p e r a t i o n time a n d motion s t u d i e s w e r e c o n d u c t e d . The s t u d i e s r e c o r d e d a l l i d l e t i m e o f t h e p i l e r . N o a t t e m p t w a s m a d e t o e s t i m a t e t h e p o r t i o n o f t h e time t h e p i l e r w a s c a r r y i n g l e s s t h a n a full l o a d o f s u g a r b e e t s s u c h a s w o u l d h a p p e n a t t h e b e g i n n i n g o r e n d o f e a c h l o a d .
R E S U L T S AND D I S C U S S I O N
E v a l u a t i o n o f s u g a r b e e t p i l i n g e q u i p m e n t h a s i n c l u d e d a n u m b e r o f d i f f e r e n t a s p e c t s o v e r s e v e r a l y e a r s . D a t a d i s c u s s e d h e r e i n c l u d e s s u g a r b e e t d a m a g e m e a s u r e d b y b o t h r e s p i r a t i o n a n a l y s i s a n d b r u i s e i n d e x , a n d a n a l y s i s o f t h e p o t e n t i a l for mov- i n g t h e t a r e s a m p l i n g l o c a t i o n , a n d time a n d motion s t u d i e s o f t h e l o s t time a t t h e p i l e r .
S u g a r b e e t D a m a g e
V a r i o u s s a m p l i n g t e c h n i q u e s h a v e b e e n u s e d t o d e t e r m i n e t h e d a m a g e l e v e l s i n f l i c t e d b y t h e p i l e r . G e n e r a l l y b e e t s t h a t h a v e b e e n l i f t e d w i t h c o n v e n t i o n a l e q u i p m e n t a l r e a d y h a v e h i g h d a m a g e l e v e l s w h e n d e l i v e r e d t o t h e p i l e r . The i n c r e a s e i n d a m - a g e c a u s e d b y t h e p i l e r i s t h e n d i f f i c u l t t o m e a s u r e . T h e r e f o r e i n s e v e r a l s t u d i e s , h a n d - h a r v e s t e d s u g a r b e e t s w e r e i n t r o d u c e d i n t o t h e p i l e r h o p p e r w i t h t h e r e g u l a r flow o f b e e t s . I n t h e s e i n s t a n c e s d a m a g e l e v e l s a b o u t t w o - t h i r d s o f t h o s e o c c u r r i n g i n h a r v e s t i n g w e r e o b s e r v e d .
The f i r s t e v a l u a t i o n s o f p i l e r d a m a g e , m a d e i n c o n n e c t i o n w i t h h a r v e s t e r s t u d i e s , i n c l u d e d b o t h p o i n t - t o - p o i n t s t u d i e s w h i c h m o n i t o r e d t h e d a m a g e from f i e l d t o p i l e a n d c o m p a r i s o n s t u d i e s w h i c h m o n i t o r e d d i f f e r e n c e s b e t w e e n h a r v e s t e r s a n d t h e p i l e r . F i g . 1 g i v e s a n e x a m p l e o f t y p i c a l p o i n t - t o - p o i n t d a t a for o n e c o o p e r a t o r . F i g s . 2 a n d 3 a r e e x a m p l e s o f t h e i n j u r y l e v e l s t y p i c a l o f t h e c o m p a r i s o n e x p e r i m e n t s . Six d i f f e r e n t p o i n t - t o - p o i n t s t u d i e s e a c h w i t h a d i f f e r e n t g r o w e r a n d f o u r d i f f e r e n t p i l i n g
140 J O U R N A L O F T H E A . S . S . B . T .
g r o u n d s t u d i e s w e r e i n c l u d e d i n t h e o r i g i n a l e x p e r i m e n t . T h e d a t a s h o w n a r e t y p i c a l o f t h e o t h e r e x p e r i m e n t s .
Figure 2. - Cedars a r e a , bruise index treatment m e a n s , Harvester Study 1976.
The asterisk indicates Duncan's New M u l t i - Range Test lsd( .05)=, 3.1.
Figure 1. - Bruise index treatment means tor an operation using a tank I ype h a r - v e s t e r , Harvesting and Piling Point-to-Point Study 1975. The a s t e r - isk indicates Duncan's New Mulr. i -Range T e s t , Isd (.0 5) = 3.6.
Figure 3. - Bruise Index and percent, tare for six harvesters and the sugarloaf p i l e r , 1976 Harvester injury study. The asterisk indicates Duncan's New M u l t i - R a n g e T e s t , 1sd (.05) = 5.16.
VOL. 2 1 , N O . 2, OCTOBER 1981 141
D u r i n g t h e l a t t e r p a r t o f t h e 1975 h a r v e s t i n g s e a s o n , a n e x p e r i m e n t w a s p e r f o r m e d t o e v a l u a t e t h e effect o f t h e p i l e r o n u n i n j u r e d r o o t s - H a n d - d u g r o o t s o f a v e r a g e s i z e a n d q u a l i t y w e r e s e l e c t e d . T h e y w e r e w a s h e d a n d t h e i r t o p s w e r e r e m o v e d w i t h a t a r e m a c h i n e . T h e y w e r e t h e n p a i n t e d f l u o r e s c e n t r e d s o t h e y c o u l d b e e a s i l y s e e n i n t h e p i l e a n d n u m b e r e d w i t h a n i n d e l i b l e p e n c i l s o a r e c o r d o f w e i g h t a n d d a m a g e for e a c h r o o t c o u l d b e m a d e .
A w e i g h t l o s s w a s c a l c u l a t e d for e a c h root r u n t h r o u g h t h e p i l e r . Out o f t h e 2 4 r o o t s r e c o v e r e d , 1 8 l o s t w e i g h t . The d a t a w e r e a n a l y z e d s t a t i s t i c a l l y u s i n g a p a i r e d " t " t e s t . T h e s e r o o t s w e r e a l s o v i s u a l l y g r a d e d for b r u i s e d a m a g e . A b r u i s e i n d e x o f 15.9 w a s m e a s u r e d . N o c o r r e l a t i o n c o u l d b e found b e t w e e n w e i g h t l o s s a n d d a m a g e l e v e l . T h e r e w a s , h o w e v e r , a c o r r e l a t i o n b e t w e e n w e i g h t l o s s a n d b r o k e n r o o t t i p s . O f t h e 2 4 r o o t s i n t h i s s t u d y , 1 0 (42%) h a d b r o k e n r o o t t i p s . B r o k e n root t i p s w e r e t h e m a j o r c o n t r i b u t o r t o w e i g h t l o s s i n p i l i n g t h e u n d a m a g e d r o o t s .
I n O c t o b e r 1976, s t u d i e s w e r e c o n d u c t e d a t t h e C e d a r s a n d S u g a r l o a f p i l i n g g r o u n d s n e a r Twin F a l l s , I d a h o , t o a s s e s s p i l e r d a m a g e o n s u g a r b e e t s . H a n d - d u g b e e t s w e r e w a s h e d , c r o w n e d w i t h a t a r e m a c h i n e , a n d p a i n t e d for i d e n t i f i c a t i o n . T h r e e t r e a t m e n t s w e r e i d e n t i f i e d : b e e t s c o n v e y e d t h r o u g h a n e m p t y p i l e r , b e e t s i n t r o d u c e d i n t o t h e p i l e r h o p p e r d u r i n g n o r m a l p i l i n g , a n d b e e t s a d d e d t o t h e lop o f t h e p i l e r f l o w . All s a m p l e s i n t h i s s t u d y w e r e g i v e n a b r u i s e i n d e x s c o r e .
B a s e d o n t h i s s t u d y , o n c e t h e r o o t s w e r e i n t h e p i l e r h o p - p e r , i t a p p e a r e d t h a t v i s i b l e d a m a g e w a s t h e same for a l o a d e d o r p a r t i a l l y l o a d e d p i l e r . D a m a g e w a s t h e same for r o o t s o n t h e bottom a s w e l l a s o n t h e t o p o f t h e h o p p e r ( s e e T a b l e 1 ) .
D a m a g e l e v e l s for t h e t r e a t m e n t s i n t h i s s t u d y w e r e low corn- p a r e d t o s i m i l a r t r e a t m e n t s i n t h e s t o r a g e s t u d i e s . T h i s s t u d y w a s c o n d u c t e d o n a w a r m f a l l d a y . Since t h e r o o t s h a d b e e n d u g t h e d a y b e f o r e , t h e y w e r e w a r m when r u n t h r o u g h t h e p i l e r w h i c h p r o b a b l y c a u s e d t h e b r u i s e i n d e x t o b e lower t h a n n o r m a l .
I n November o f 1976, s u g a r b e e t s a m p l e s w e r e t a k e n from t h e W i n c h e s t e r p i l e r n e a r Q u i n c y , W a s h i n g t o n . S a m p l e s w e r e t a k e n
J O U R N A L O F T H E A.S.S.B.T.
Table 1. Number of Roots Recovered, Bruise index S c o r e , and Standard Deviation Shown for Each Treatment and L o c a t i o n .
Treatment Locat ion:
#1.
#2
#3 Locat ton:
#1
#2
#3
Cedars
Sugarloaf
Bruise Index
M e a n
3.81 4.50 2.54
S
4.91 3.90 3.52
4.98 3.69 5.29
6.79 5.52 6.83
L o c a t i o n #1 - B e e t s conveyed t h r o u g h an empty p i l e r
L o c a t i o n #2 - Beets i n t r o d u c e d i n t o a p i l e r d u r i n g norma] p i l i n g L o c a t i o n #3 - B e e t s added to t h e t o p of p i l e r flow
from t h e t o p o f a t r u c k , from f o u r l o c a t i o n s w i t h i n t h e p i l e r , a n d off t h e p i l e r for e a c h o f t h r e e t r u c k l o a d s . B r u i s e i n d e x a n d p e r - c e n t t a r e w e r e c o m p u t e d for e a c h s a m p l e .
I n t h i s s t u d y , t h e a m o u n t o f i n c r e a s e d d a m a g e t h r o u g h t h e p i l e r w a s not s t a t i s t i c a l l y s i g n i f i c a n t . D a m a g e l e v e l s o f s a m p l e s from off t h e t o p of a t r u c k w e r e a l r e a d y h i g h , so a s s e s s m e n t of f u r t h e r d a m a g e w a s d i f f i c u l t .
The a n a l y s i s o f p e r c e n t t a r e s h o w e d t h a t w i t h o n e h a r v e s t e r b e e t s w e r e s i g n i f i c a n t l y r e d u c e d i n t a r e b y r u n n i n g t h e m t h r o u g h t h e p i l e r . The b e e t s from t h e o t h e r h a r v e s t e r , h o w e v e r , w e r e c l e a n e r t h a n t h o s e off t h e p i l e . T h i s s u g g e s t s t h a t c l e a n i n g i s s o m e t i m e s e x c e s s i v e i n t h e h a r v e s t i n g - p i l i n g o p e r a t i o n .
Two s t u d i e s i n 1976, one a t t h e M i n i d o k a p i l i n g g r o u n d i n I d a h o ( F i g . 4 ) a n d t h e o t h e r a t t h e Moses L a k e , W a s h i n g t o n p i l i n g g r o u n d ( F i g . 5 ) d e m o n s t r a t e d t h e d a m a g e l e v e l s w h i c h c o u l d b e e x p e c t e d from t h e p i l e r w h e n i n j u r y f r e e b e e t s w e r e d e l i v e r e d t o t h e p i l i n g g r o u n d s . Both s t u d i e s u s e d h a n d - h a r v e s t e d b e e t s w h i c h w e r e t h e n p a s s e d t h r o u g h t h e p i l e r w i t h n o o t h e r h a n d l i n g a s o n e o f t h e t r e a t m e n t s . I n b o t h c a s e s t h e p i l e r a l o n e c a u s e d a p p r o x - i m a t e l y t w o - t h i r d s t h e d a m a g e l e v e l s m e a s u r e d i n b e e t s w h i c h h a d b e e n b o t h m e c h a n i c a l l y h a r v e s t e d a n d p i l e d . F i g . 6 s h o w s t h e s u c r o s e c o n t e n t a f t e r 151 d a y s v e r s u s b r u i s e i n d e x o b t a i n e d from
Number cf Roots
58 38 48
64 61 59
Average Mean Score 4.13
V O L . 21, N O . 2, O C T O B E R 1981
a storage s t u d y u s i n g the I d a h o t r e a t m e n t s .
Figure. 4. - Bruise index treatment m e a n s , South Idaho Storage Study 1976. The asterisk indicates Duncan's New Multi-Range T e s t , lsd (.05) -- 5.6. The column for the top truck lifter w a s improperly harvested.
Bruise index treat- m e a n s , Moses Lake Storage Study 1976.
The asterisk in- dicates Duncan's New Multi-Range T e s t , lsd
(.05) - 5.2.
Figure 6. - Regression of the mean values of percentage of sucrose at 151 days corrected to initial weight and bruise index, South Idaho Storage Study 1976.
143
F i g u r e 5. -
144 J O U R N A L O F T H E A . S . S . B . T .
I n t h e f a l l o f 1977, s u g a r b e e t s a m p l e s w e r e c o l l e c t e d i n s o u t h I d a h o a n d t h e C o l u m b i a B a s i n t o d e t e r m i n e t h e b r u i s e a n d t a r e d i f f e r e n c e s e x i s t i n g b e t w e e n h a r v e s t e r s , p o i n t s w i t h i n h a r - v e s t e r s , a n d p i l e r s .
Six t r u c k l o a d s w e r e s a m p l e d a t t h e M i n i - C a s s i a p i l i n g g r o u n d a t P a u l , I d a h o . H a r v e s t e r t y p e w a s r e c o r d e d for e a c h l o a d . Beets w e r e t a k e n from t h e t o p o f e a c h t r u c k b e f o r e u n l o a d - i n g . T h e l o a d w a s t h e n d u m p e d , r u n t h r o u g h t h e p i l e r , a n d s a m p l e d a g a i n off t h e e n d o f t h e boom. A d d i t i o n a l s a m p l e s w e r e t a k e n from t h e f a c e o f t h e p i l e .
E i g h t t r u c k l o a d s w e r e s a m p l e d a t t h e U t a h - I d a h o f a c t o r y s u p e r p i l e r i n Moses l a k e , W a s h i n g t o n . H a r v e s t e r t y p e w a s r e - c o r d e d for e a c h l o a d . b e e t s w e r e t a k e n from t h e t o p o f e a c h l o a d a n d from t h e f a c e o f t h e p i l e . S a m p l e s w e r e a l s o t a k e n from a d - j a c e n t p i l e s . The p i l e a n d a t r u c k w e r e s a m p l e d a t t h e B e a t r i c e p i l i n g g r o u n d n e a r C u n n i n g h a m , W a s h i n g t o n . B e e t s w e r e t a k e n from t h e t o p o f t r u c k s a t t h e K2H p i l i n g g r o u n d n e a r E u r e k a , W a s h i n g t o n . S a m p l e s w e r e a l s o t a k e n from t h e p i l e f a c e .
All s a m p l e s w e r e v i s u a l l y g r a d e d a n d b r u i s e s w e r e c a t e g o r - i z e d g i v i n g a b r u i s e i n d e x s c o r e . E a c h s a m p l e w a s a l s o w e i g h e d , w a s h e d a n d r e w e i g h e d for t a r e d e t e r m i n a t i o n . The d a t a for b r u i s e i n d e x a n d t a r e for t h e s t u d y a t M i n i - C a s s i a a r e s h o w n a s F i g . 7 . I n g e n e r a l , d a m a g e w a s i n c r e a s e d a n d t a r e r e d u c e d i n p a s s i n g t h e b e e t s t h r o u g h t h e p i l e r . T h e s e d a t a a r e t y p i c a l for t h e o t h e r s i m i l a r s t u d i e s .
F i g u r e 7. - P e r c e n t t a r e and b r u i s e index showing c o m p a r i s o n s between t r u c k and p i l e a t t h e M i n i - C a s s i a p i l i n g ground in 1977.
VOL. 2 1 , N O . 2, OCTOBER 1981
R e s p i r a t i o n S t u d i e s
I n 1975, a r e s p i r a t i o n s t u d y w a s c o n d u c t e d c o o p e r a t i v e l y w i t h t h e LSDA L a b o r a t o r y a t L o g a n , U t a h . T r e a t m e n t s i n c l u d e d a r t i f i c i a l l y d a m a g e d b e e t s , m e c h a n i c a l l y h a r v e s t e d a n d h a n d l e d b e e t s a n d b o t h t o p p e d a n d u n t o p p e d c h e c k s . S e v e r e l y d a m a g e d b e e t s r e s p i r e d a t a l e v e l 69% a b o v e t h e t o p p e d c h e c k ( F i g . 8 ) .
Figure 8- - Respiration rates of artificially damaged and machine harvest damaged sugarbeets.
I n O c t o b e r 1976, a s u g a r b e e t r e s p i r a t i o n s t u d y w a s c o n d u c t e d at U & 1, I n c . in Moses L a k e , W a s h i n g t o n . two of t h e e i g h t t r e a t - m e n t s u s e d i n t h i s s t u d y w e r e r u n t h r o u g h a p i l e r , w h i l e o t h e r s w e r e g i v e n v a r i o u s l e v e l s o f d a m a g e . All s a m p l e s w e r e p l a c e d i n r e s p i r a t i o n c h a m b e r s for 9 0 d a y s , w h e r e CCu c o n t e n t w a s m o n i t o r e d .
F i g . 9 s h o w s t h a t CO„ c o n t e n t v a r i e s t h r o u g h t h e s t o r a g e p e r i o d , b u t g e n e r a l l y t h a t i n c r e a s e d l e v e l s o f d a m a g e g i v e h i g h e r
F i g u r e 9 . - 1 9 7 6 r e s p i r a t i o n s t u d y c o m p a r i n g h a n d h a r v e s t e d , h a n d h a r - v e s t e d a n d m a c h i n e p i l e d , a n d m a c h i n e h a r v e s t e d a n d p i l e d r o o t s .
146 J O U R N A L OF T H E A . S . S . B . T .
r e s p i r a t i o n r a t e s . F i g . 1 0 s h o w s t h e m e a n r e s p i r a t i o n r a t e s for a l l t r e a t m e n t s b e t w e e n d a y 5 4 a n d d a y 6 8 . The r e s p i r a t i o n r a t e o f h a n d - h a r v e s t e d b e e t s p a s s e d t h r o u g h t h e p i l e r w a s s i g n i f i c a n t l y h i g h e r t h a n t h e u n d a m a g e d c h e c k b u t not l o w e r t h a n t h e m a c h i n e - h a r v e s t e d b e e t s p a s s e d o v e r t h e p i l e r . F i g . U s h o w s a l i n e a r l y i n c r e a s i n g r e l a t i o n s h i p b e t w e e n C O2 c o n t e n t a n d b r u i s e i n d e x .
Figure 10. - M e a n respiration rates for treatments. Days 54 to 6 8 . Moses Lake Respiration Study 1976. The asterisk indicates Duncan's New Multi-Range T e s t , 1 sd (.05) = .71.
Figure 1 1 . — Regression of mean respiration rates (day 54 to day 68) and bruise index, Moses Lake Res- piration Study 1976.
P i l e r A n a l y s i s
I n O c t o b e r a n d November 1977 a n d 1978 s t u d i e s w e r e c o n - d u c t e d o n p i l e r s n e a r M i n i d o k a , I d a h o a n d t h e K2H f a r m n e a r E u r e k a , W a s h i n g t o n . After e a c h t r u c k s t a r t e d t o u n l o a d , s u g a r - b e e t s w e r e s a m p l e d from t h e c r o s s c o n v e y o r a t t h e b a s e o f t h e p i l e r , w h i l e a c o n v e n t i o n a l s a m p l e w a s t a k e n a t t h e t a r e b u c k e t
VOL. 21, N O . 2, OCTOBER 1981 147
s t a t i o n . I n t h e 1978 s t u d y , two a n d t h r e e s a m p l e s w e r e t a k e n a t e a c h l o c a t i o n t o g i v e a n i n d i c a t i o n o f t a r e s a m p l e v a r i a t i o n . All g r o w e r t r u c k w e i g h t s a n d t a r e d i r t t r u c k w e i g h t s w e r e r e c o r d e d .
All s a m p l e s w e r e t a k e n t o t h e i r r e s p e c t i v e t a r e l a b o r a t o r i e s for c o n v e n t i o n a l a n a l y s i s .
The r e s u l t s show t h a t t h e c r o s s c o n v e y o r s a m p l i n g t e c h n i q u e u n d e r e s t i m a t e d c o n v e n t i o n a l t a r e a n d t h e r e f o r e t h e e s t i m a t e o f t o n s p a i d for e x c e e d e d t h e a c t u a l p a i d t o n n a g e b y 1.75 t o 4 . 5 p e r c e n t . C r o s s c o n v e y o r s a m p l i n g p r o c e d u r e s c o u l d l i k e l y b e i m p r o v e d from t h e s i m p l e c a t c h f r a m e u s e d i n t h e s e r e s t s .
I n 1977 a n d a g a i n i n 1979, t i m e a n d motion s t u d i e s w e r e r u n o n e i g h t d i f f e r e n t p i l e r s i n I d a h o a n d W a s h i n g t o n . Only b u s y p i l i n g s t a t i o n s w e r e s e l e c t e d for t h i s s t u d y . A s p e c i a l t i m i n g d e - v i c e c o n t a i n i n g two s t o p w a t c h e s a n d a memory w a s u s e d . T h e s e d a t a ( T a b l e 2 ) show that, v e r y l a r g e t r u c k s u n l o a d i n g w i t h s i m i l a r g a p t i m e s r e s u l t i n b e t t e r p i l i n g e f f i c i e n c y , o r l e s s time l o s s . P i l i n g s t a t i o n s t h a t c a p t u r e a l l t a r e d i r t c o l l e c t i v e l y a l s o t e n d t o m i n i m i z e t i m e l o s s b e t w e e n l o a d s .
Table 2. P i l e r A n a l y s i s in 1977 and 1979.
Total Piler Trucks
A 54 B 12 C 4 D 3 E 22 F 39 G 40 U 42
Total Time (min)
60.92 33.65 5.21 6.93 3 4.09 63.41 60.32 67.81
Avg. Percent Gap (min) Time Loss
0.21 11.77 0.17 4.78 1.19 *
0.35 5.05 0.13 6.57 0.09 5.39 0.10 5.87 0.22 12.25
* i n s u f f i c i e n t , d a t a
The d a t a s h o w t h a t t i m e l o s s e s v a r i e d b e t w e e n p i l e r s , r a n g i n g from 5 t o 1 2 p e r c e n t . O p e r a t o r d i s c r e t i o n a n d t r u c k d r i v e r a b i l i t y w e r e c a u s e for v a r i a t i o n .
CONCLUSIONS
T h e s e s t u d i e s show a s i g n i f i c a n t i n c r e a s e i n r o o t d a m a g e a s s u g a r b e e t s a r e p i l e d w i t h c o n v e n t i o n a l e q u i p m e n t . C o n t r i b u t i n g t o t h a t d a m a g e a r e l o n g d r o p s i n c l u d i n g t h e d r o p from t h e t r u c k i n t o
148 J O U R N A L OF T H E A . S . S . B . T .
t h e h o p p e r a n d from t h e c l e a n i n g s c r e e n p a s t t h e t a r e b u c k e t o n t o t h e f i n a l e l e v a t o r a n d t h e c l e a n i n g s c r e e n o f e i t h e r g r a b r o l l s o r r u b b e r k i c k e r w h e e l s . The p r o c e d u r e for t a k i n g t a r e c u r r e n t l y i n u s e r e q u i r e s t h a t t h e p i l e r s b e o p e r a t e d i n a s t o p - a n d - g o m a n n e r c o m p l e t e l y e m p t y i n g t h e m a c h i n e f o l l o w i n g e a c h t r u c k l o a d o f b e e t s . I n t e r m i t t e n t o p e r a t i o n o f t h e p i l e r c a n c o n t r i b u t e t o l o s t t i m e o f a s m u c h a s 1 2 p e r c e n t a n d often four t o five p e r c e n t .
T a r e s a m p l i n g p r o c e d u r e s w h i c h o b t a i n t h e s a m p l e p r i o r t o u n l o a d i n g t h e t r u c k s h o u l d b e c o n s i d e r e d . E v e n a n i m p r o v e m e n t o f f i v e p e r c e n t i n p i l e r e f f i c i e n c y i s c o m p a r a b l e t o o n e new p i l e r for e v e r y 2 0 i n o p e r a t i o n o r u n l o a d i n g o n e a d d i t i o n a l t r u c k for e v e r y 2 0 p r e s e n t l y u n l o a d e d . I f t h i s c o u l d a c c o m p a n y a r e d u c t i o n i n d a m a g e l e v e l s e v e n f u r t h e r s a v i n g s c o u l d b e r e a l i z e d .
R e d u c i n g d a m a g e a t t h e p i l e r a n d i n c r e a s i n g p i l e r o p e r a t i n g e f f i c i e n c y c o u l d b e o f b e n e f i t t o b o t h t h e g r o w e r a n d t h e f a c t o r y . A d d i t i o n a l r e s e a r c h w i l l focus o n s p e c i f i c r e m e d i e s for r e d u c i n g i n - j u r y l e v e l s . I m p r o v e d m a n a g e m e n t p r a c t i c e s c a n r e d u c e i n j u r y w i t h a minimum o f c a p i t a l e x p e n s e a n d s h o u l d b e g i v e n f i r s t c o n s i d e r - a t i o n a t e a c h p i l i n g g r o u n d .
ACKNOWLEDGMENTS T h i s p r o j e c t i s f u n d e d j o i n t l y b y t h e A g r i c u l t u r a l E x p e r i m e n t S t a t i o n (Project. 685) D e v e l o p m e n t F o u n d a t i o n ( P r o j e c t 5 2 ) .
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S o c . S u g a r Beet T c c h n o l . 2 0 ( 2 ) : 1 0 7 - 1 7 3 .
(2) B a c k e r , L . F . , F . C . V o s p e r a n d S . E . B i c h s e l . 1979- V e n t i l - a t i o n a n d f r e e z i n g o f s u g a r b e e t s t o r a g e p i l e s . N o r t h D a k o t a F a r m R e s e a r c h 3 6 ( 4 ) : 7 - l l .
(3) C o l e , D . F . 1977- Effect o f c u l t i v a r a n d m e c h a n i c a l d a m a g e on r e s p i r a t i o n a n d s t o r a b i l i t y of s u g a r b e e t r o o t s . J. Am S o c . S u g a r Beet T e c h n o l . 1 9 ( 3 ) : 2 4 0 - 2 4 5 .
(4) D e V l e t t e r , R. a n d W. Van G i l s . 1976. I n f l u e n c e of t h e m e c h a n i c a l h a n d l i n g o f s u g a r b e e t s o n s u g a r y i e l d i n t h e f a c t o r y . T h e S u g a r J . J a n u a r y 1976, p p 8 - 1 3 .
(5) P a r k s , D . L . a n d C . L . P e t e r s o n . 1979. S u g a r b e e t i n j u r y U n i v e r s i t y o f I d a h o a n d t h e Beet S u g a r
VOL. 2 1 , N O . 2, OCTOBER 1981 149
w i t h i n h a r v e s t i n g a n d h a n d l i n g e q u i p m e n t . T r a n s a c t i o n s o f t h e ASAE. 2 2 6 ) : 1 2 3 8 - 1 2 4 4 .
(6) P r e c h t , T . A . , D . L . P a r k s a n d C . L . P e t e r s o n . 1976. Effect o f i n j u r y o n s u g a r b e e t s t o r a b i l i t y . ASAE T e c h n i c a l P a p e r No. 7 6 - 4 0 6 3 . P r e s e n t e d at t h e 1976 A n n u a l M e e t i n g of ASAE, L i n c o l n , N e b r a s k a .
(7) P r e c h t , T . A . 1978. The effect o f i n j u r y o n s u c r o s e r e c o v e r y from s t o r e d s u g a r b e e t . s . A n u n p u b l i s h e d M . S . T h e s i s , Uni- v e r s i t y o f L d a h o , Moscow, I d a h o .
(8) Wyse, R. 1978. Effect of h a r v e s t i n j u r y on t h e r e s p i r a t i o n r a t e a n d s u c r o s e l o s s i n S u g a r b e e t r o o t s d u r i n g s t o r a g e , j . Am. Soc. S u g a r Beet T e c h n o l . 20(2) : 1 9 3 - 2 0 2 .
(9) Wyse, R . E . a n d C . L . P e t e r s o n . 1979. Effect of i n j u r y on r e s p i r a t i o n r a t e s o f s u g a r b e e t r o o t s . ] . Am. Soc. S u g a r Beet T e c h n o l . 2 0 ( 3 ) : 2 6 9 - 2 8 0 .
E f f e c t o f N i t r a p y r i n o n U p t a k e o f N i t r o g e n b y S u g a r b e e t f r o m L a b e l e d A m m o n i u m S u l f a t e *
F. J. H i l l s , A. A b s h a h i , F. E. B r o a d b e n t a n d G. A. P e t e r s o n R e c e i v e d for P u b l i c a t i o n May 1 9 , 1 9 8 1
INTRODUCTION
N i t r i f i c a t i o n i n h i b i t o r s offer t h e p o s s i b i l i t y o f c o n s e r v i n g f e r t i l i z e r n i t r o g e n t h r o u g h p r e v e n t i n g l o s s e s from d e n i t r i f i c a t i o n a n d l e a c h i n g . The l i t e r a t u r e c o n c e r n i n g n i t r i f i c a t i o n i n h i b i t o r s i s e x t e n s i v e . M a y n a r d a n d L o r e n z (3) h a v e p r e p a r e d a n i n d e x e d r e f e r e n c e t o s t u d i e s d e a l i n g w i t h h o r t i c u l t u r a l a n d m a n y a g r o n o m i c c r o p s . S t u d i e s i n v o l v i n g t h e e f f e c t o f n i t r a p y r i n ( 2 - c h l r o - 6 - ( t r i c h l o r o m e t h y l ) p y r i d i n e ) o n s u g a r b e e t p r o d u c t i o n w e r e d o n e b y Swezey a n d T u r n e r (4) a n d H a g e m a n n a n d Meyer (1) o n s a n d y loam a n d c l a y l o a m s o i l s i n t h e I m p e r i a l V a l l e y o f C a l i f o r n i a . I n t h e s e t e s t s s u g a r b e e t y i e l d s w e r e i n c r e a s e d b y a b o u t 1 0 p e r c e n t w h e n n i t r a p y r i n , a t 0 . 5 p e r c e n t o f t h e N a p p l i e d , w a s m i x e d w i t h a m m o n i u m s u l f a t e o r a p p l i e d w i t h a n h y d r o u s a m m o n i a a n d s i d e d r e s s e d o n b o t h s i d e s o f p l a n t r o w s .
The e x p e r i m e n t r e p o r t e d h e r e u t i l i z e d l a b e l e d a m m o n i u m s u l f a t e w h i c h a l l o w s t h e d e t e r m i n a t i o n o f n i t r o g e n i n t h e c r o p d e r i v e d from t h e f e r t i l i z e r a n d t h u s a p r e c i s e e s t i m a t i o n o f t h e effect o f n i t r a p y r i n o n t h e f a t e o f f e r t i l i z e r n i t r o g e n .
MATERIALS AND METHODS
S u g a r b e e t ( B e t a vulgaris L . ) , c u l t i v a r "US H10", w a s p l a n t e d 24 May 1978 on a Z a m o r a loam soil ( m i x e d , n o n a c i d , t h e r m i c Mollic H a p l o x e r a l f s ) . On 7 J u n e , a f t e r e m e r g e n c e w a s c o m p l e t e a n d s e e d l i n g s w e r e i n t h e c o t y l e d o n t o t w o - l e a f s t a g e , 1 5N d e p l e t e d ammonium s u l f a t e w a s a p p l i e d i n s o l u t i o n a t 100 l b N / a c r e t h r o u g h a t u b e w e l d e d b e h i n d
*A c o n t r i b u t i o n from t h e Departments of Agronomy and Land, A i r and Water R e s o u r c e s , U n i v e r s i t y of C a l i f o r n i a , D a v i s , CA 95616.
The a u t h o r s a r e E x t e n s i o n A g r o n o m i s t , G r a d u a t e S t u d e n t , P r o f e s s o r o f S o i l M i c r o b i o l o g y , and S t a f f R e s e a r c h A s s o c i a t e , r e s p e c t i v e l y . U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , D a v i s .
VOL.21, NO. 2, OCTOBER 1981 151 a t h i n f e r t i l i z e r k n i f e 3 to 4 i n c h e s d e e p a n d 9 i n c h e s on
e a c h s i d e o f r o w s s p a c e d 3 0 i n c h e s a p a r t . N i t r a p y r i n w a s a l s o a p p l i e d i n s o l u t i o n t h r o u g h a s e c o n d t u b e w e l d e d j u s t b e h i n d t h e f i r s t a t 0 . 5 l b / a c r e . Both s o l u t i o n s w e r e a p p l i e d u n d e r p r e s s u r e from s e p a r a t e N2 c y l i n d e r s . T r e a t m e n t s w e r e : f e r t i l i z e r N a l o n e , f e r t i l i z e r N p l u s n i t r a p y r i n , a n d a z e r o N c o n t r o l i n w h i c h t h e s i d e d r e s s i n g k n i v e s w e r e k e p t i n t h e s o i l . P l o t s w e r e four r o w s w i d e a n d 5 2 feet l o n g . The t r e a t m e n t s w e r e a r r a n g e d i n a d o u b l e l a t i n s q u a r e d e s i g n .
P l a n t s w e r e i r r i g a t e d i n f u r r o w s b e t w e e n t h e r o w s a t t w o - w e e k i n t e r v a l s . The l a s t i r r i g a t i o n b e f o r e h a r v e s t w a s o n 1 8 S e p t e m b e r . P e t i o l e s a m p l e s w e r e c o l l e c t e d from t h e c e n t e r two r o w s o f e a c h p l o t a t t w o - w e e k i n t e r v a l s , one week a f t e r e a c h i r r i g a t i o n . N i t r a t e p l u s ammonium w a s d e t e r m i n e d b y semi m i c r o - K j e l d a h l a f t e r e x t r a c t i o n o f p l a n t m a t e r i a l w i t h c a l c i u m s u l f a t e s o l u t i o n a n d r e d u c t i o n o f N O3
to NH3 by MgO a n d D e v a r d a s ' a l l o y . F i f t y feet of t h e c e n t e r two r o w s o f e a c h p l o t w e r e h a r v e s t e d b y h a n d o n 1 2 O c t o b e r , 2 0 w e e k s a f t e r p l a n t i n g .
Two s a m p l e s of t o p s a n d two s a m p l e s of r o o t s , a b o u t 1 0 e a c h , w e r e t a k e n from e a c h p l o t t o d e t e r m i n e d r y m a t t e r , N u p t a k e , r o o t t a r e , a n d r o o t s u c r o s e c o n c e n t r a t i o n . T o t a l N w a s d e t e r m i n e d b y t h e K j e l d a h l p r o c e d u r e m o d i f i e d t o i n c l u d e n i t r a t e . P e r c e n t n i t r o g e n - 1 5 w a s d e t e r m i n e d b y m a s s s p e c t r o m e t r y a f t e r c o n v e r s i o n o f ammonium t o n i t r o g e n g a s w i t h l i t h i u m h y p o b r o m i t e . P e r c e n t N i n p l a n t s a m p l e s d e r i v e d from f e r t i l i z e r w a s c a l c u l a t e d a s { ( Pu- Pf ) / ( Pu- F ) } 1 0 0 , w h e r e Pu a n d Pf a r e t h e atom p e r c e n t 1 5N o f u n f e r t i l i z e d a n d f e r t i l i z e d p l a n t s , r e s p e c t i v e l y a n d F i s t h e atom p e r c e n t 1 5N o f t h e 1 5N d e p l e t e d f e r t i l i z e r . P o s t h a r v e s t s o i l s a m p l e s w e r e t a k e n b y c o m p o s i t i n g two o n e - i n c h d i a m e t e r c o r e s p e r p l o t in one foot i n c r e m e n t s to a d e p t h of s i x f e e t .
RESULTS AND DISCUSSION
The f i r s t i r r i g a t i o n f o l l o w i n g f e r t i l i z e r a p p l i c a t i o n w a s on 12 J u n e . On 16 J u n e , n i n e d a y s a f t e r f e r t i l i z a t i o n , 2 0 s e e d l i n g t o p s w e r e t a k e n from e a c h p l o t . A t t h i s time t h e r e w e r e n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n f r e s h o r d r y s e e d l i n g w e i g h t d u e t o f e r t i l i z e r N . T h e r e w a s a n i n d i c a t i o n , t h o u g h
152 J O U R N A L O F T H E A . S . S . B . T .
not s t a t i s t i c a l l y s i g n i f i c a n t , t h a t n i t r a p y r i n w a s a l r e a d y i n h i b i t i n g t h e u p t a k e o f f e r t i l i z e r N a s p l a n t s w i t h n i t r a p y r i n a v e r a g e d 8 . 1 p e r c e n t N from t h e f e r t i l i z e r b u t w i t h o u t n i t r a - p y r i n a v e r a g e d 1 1 . 5 p e r c e n t N from f e r t i l i z e r .
T o a s s e s s t h e e x t e n t t o w h i c h p l a n t s t a k e u p a m m o n i u m ion a n d t h e p o s s i b l e effect o f n i t r a p y r i n o n t h i s u p t a k e , NH4-N w a s d e t e r m i n e d w i t h a n ammonium e l e c t r o d e i n p e t i o l e s a m p l e s . O n 3 J u l y , four w e e k s a f t e r f e r t i l i z a t i o n , t h e c o n c e n t r a t i o n s o f N H4- N i n d r y p e t i o l e s o f p l a n t s not f e r t i l i z e d , f e r t i l i z e d w i t h N a l o n e , a n d f e r t i l i z e d w i t h N p l u s n i t r a p y r i n w e r e 145, 2 8 5 , a n d 245 p p m , r e s p e c t i v e l y (LSD, 5% = 4 3 , CV = 14.8%) a n d on 17 J u l y , two w e e k s l a t e r w e r e 6 0 , 7 8 , a n d 65 p p m , r e s p e c t i v e l y (LSD,5% = 1 1 , CV =- 1 2 . 9 % ) . T h u s f e r t i l i z e d p l a n t s t o o k u p more ammonium b u t n i t r a p y r i n a p p e a r s t o h a v e r e d u c e d t h i s u p t a k e . R e a s o n s for i n h i b i t i o n o f N H4 u p t a k e b y n i t r a p y r i n a r e not r e a d i l y a p p a r e n t b u t c o u l d b e d u e t o t o x i c i t y t o r o o t s i n t h e a r e a s w h e r e f e r t i l i z e r a n d n i t r a p y r i n w e r e b a n d e d , e i t h e r b y n i t r a p y r i n i t s e l f o r b y h i g h e r l e v e l s o f NH4. U l r i c h a n d Mostofa (5) h a v e s h o w n t o x i c i t y o f h i g h c o n c e n t r a t i o n s o f ammonium i o n t o y o u n g s u g a r b e e t s . After 17 J u l y t h e c o n c e n t r a t i o n s of p e t i o l e NH4
w e r e too low t o e v a l u a t e .
By 17 J u l y , p l a n t s of t h e z e r o N p l o t s b e g a n to show N d e f i c i e n c y s y m p t o m s a n d c o n t i n u e d t o a p p e a r s m a l l e r i n t o p g r o w t h t h r o u g h o u t t h e r e s t o f t h e g r o w i n g p e r i o d . A t n o t i m e , h o w e v e r , w a s t h e r e a v i s i b l e d i f f e r e n c e i n t h e g r o w t h o r c o l o r o f f e r t i l i z e d p l a n t s w i t h o u t a n d w i t h n i t r a p y r i n . T a b l e 1 c o m p a r e s t h e t r e a t m e n t s d u r i n g t h e s e a s o n a s t o c o n c e n t r a t i o n s o f NO3+NH4 i n r e c e n t l y m a t u r e d p e t i o l e s a n d g i v e s t h e p e r c e n t a g e s o f t h e c o n c e n t r a t i o n s d e r i v e d from t h e f e r t i l i z e r . F i g u r e 1 s h o w s c o n c e n t r a t i o n s o f N O3+ N H4
i n p e t i o l e s from f e r t i l i z e r a n d s o i l , r e s p e c t i v e l y . N i t r a p y r i n r e d u c e d t h e u p t a k e o f f e r t i l i z e r N a n d t o some e x t e n t s o i l N for a t l e a s t e i g h t w e e k s a f t e r f e r t i l i z a t i o n . From 1 0 w e e k s o n t h e r e w e r e n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n c o n c e n t r a t i o n s of NO3+NH4, b u t from 12 w e e k s on c o n c e n t r a t i o n s w e r e s l i g h t l y
h i g h e r for p l a n t s w i t h n i t r a p y r i n .
F i g u r e 1 a l s o s h o w s t h a t f e r t i l i z e d p l a n t s took u p
V O L . 2 1 , N O . 2, O C T O B E R 1981 153
more soil N t h a n u n f e r t i l i z e d p l a n t s for e i g h t w e e k s f o l l o w i n g f e r t i l i z a t i o n . The i n c r e a s e c o u l d b e d u e t o more r a p i d e x - t e n s i o n o f t h e f i b r o u s r o o t s o f t h e f e r t i l i z e d p l a n t s a n d / o r t o i n c r e a s e d m i n e r a l i z a t i o n o f o r g a n i c m a t t e r s t i m u l a t e d b y t h e p r e s e n c e o f f e r t i l i z e r N . The f a c t t h a t n i t r a p y r i n c a u s e d some r e d u c t i o n i n t h e u p t a k e o f s o i l N l e n d s s u p o r t t o t h e h y p o t h e s i s t h a t f e r t i l i z a t i o n s t i m u l a t e s t h e m i n e r a l i z a t i o n o f s o i l N a s i n t h e p r e s e n c e o f n i t r a p y r i n t h e r e p r o b a b l y w a s some r e d u c t i o n i n t h e n i t r i f i c a t i o n o f t h e i n c r e a s e d s u p p l y of s o i l NH4.
V O L . 2 1 , N O . 2, O C T O B E R 1981 155
T a b l e 2 s h o w s t h e e f f e c t s o f t h e t r e a t m e n t s a t h a r v e s t o n f r e s h a n d d r y w t y i e l d , N u p t a k e , a n d p e r c e n t N from f e r t i l i z e r . O n a v e r a g e , r o o t y i e l d i n c r e a s e d 2 0 p e r c e n t w i t h f e r t i l i z e r N b u t t h e r e w a s n o s i g n i f i c a n t i n c r e a s e w i t h n i t r a p y r i n o v e r f e r t i l i z e r N a l o n e . F r e s h t o p y i e l d , h o w e v e r , w a s s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d 0 . 9 t o n s / a c r e i n r e s p o n s e t o n i t r a p y r i n . C o n c o m i t a n t l y , r o o t s u c r o s e c o n c e n t r a t i o n d e c l i n e d 0 . 3 p e r c e n t a g e p o i n t s a n d g r o s s s u g a r y i e l d w a s t h e s a m e w i t h o u t a n d w i t h t h e n i t r i f i c a t i o n i n h i b i t o r . T h e r e w e r e n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e s i n t h e p e r c e n t a g e o f f e r t i l i z e r N i n r o o t s a n d t o p s d u e t o n i t r a p y r i n b u t p e r c e n t a g e s w i t h n i t r a p y r i n w e r e s l i g h t l y h i g h e r . From T a b l e 2 i t i s c a l c u l a t e d t h a t . c r o p u p t a k e o f n i t r o g e n w a s n i n e p o u n d s / a c r e g r e a t e r w i t h t h a n w i t h o u t n i t r a p y r i n a n d t h a t a b o u t four p o u n d s o f t h i s d i f f e r e n c e c a m e from t h e f e r t i l i z e r a n d a b o u t f i v e p o u n d s from t h e s o i l .
P o s t h a r v e s t s o i l s a m p l e s s h o w e d 1 0 a n d 1 2 l b f e r t i l i z e r N / a c r e a s NOo+NH/ t o a d e p t h o f s i x feet w i t h o u t a n d w i t h n i t r a p y r i n , r e s p e c t i v e l y . T o t a l f e r t i l i z e r N i n c r o p s a n d N in s o i l as NCU a n d NH4 a c c o u n t e d for 48 a n d 54 p e r c e n t o f t h e f e r t i l i z e r N a p p l i e d w i t h o u t a n d w i t h n i t r a p y r i n l e a v i n g 5 2 a n d 4 6 p e r c e n t not a c c o u n t e d f o r . D a t a a r e n o t a v a i l a b l e t o a s s e s s t h e f a t e o f t h i s N b u t s u b s e q u e n t r e s e a r c h b y A b s h a h i ( u n p u b l i s h e d ) i n d i c a t e s t h a t most o f i t m a y h a v e b e e n i n c o r p o r a t e d i n t o s o i l o r g a n i c m a t t e r .
From t h e s e r e s u l t s i t d o e s n o t a p p e a r t h a t n i t r a p y r i n a t 0 . 5 p e r c e n t o f t h e a p p l i e d N w i l l r e s u l t i n s a v i n g m u c h f e r t i l i z e r o r s o i l N for s u g a r b e e t s w h e n s o i l c o n d i t i o n s f a v o r n i t r i f i c a t i o n .
I n a n e a r l i e r e x p e r i m e n t (2) w e d e t e r m i n e d t h a t s u g a r - b e e t s f e r t i l i z e d for m a x i m u m s u g a r y i e l d c o n t a i n e d 2 4 t o 7 6 p e r c e n t N from f e r t i l i z e r a n d s o i l , r e s p e c t i v e l y . I n t h e p r e s e n t e x p e r i m e n t i t i s e s t i m a t e d t h a t s u g a r b e e t s w i t h o u t n i t r a p y r i n d e r i v e d 2 3 a n d 7 7 p e r c e n t o f t h e i r N from t h e f e r t i l i z e r a n d s o i l r e s p e c t i v e l y , i n c l o s e a g r e e m e n t w i t h t h e p r e v i o u s e x p e r i m e n t .
V O L . 2 1 , N O . 2, O C T O B E R 1981 157
SUMMARY
A f i e l d e x p e r i m e n t a t D a v i s , C a l i f o r n i a c o m p a r e d c o n c e n - t r a t i o n s o f f e r t i l i z e r N i n p e t i o l e s t h r o u g h o u t t h e s e a s o n a n d f e r t i l i z e r N u p t a k e a f t e r 2 0 w e e k s from l a b e l e d ammonium s u l f a t e a t 100 p o u n d s N / a c r e w i t h o u t a n d w i t h n i t r a p y r i n a t 0 . 5 l b / a c r e . For a t l e a s t s i x w e e k s f e r t i l i z a t i o n r e s u l t e d i n more N H4 i n p e t i o l e s b u t t h i s w a s r e d u c e d s l i g h t l y b y n i t r a p y r i n . F e r t i l i z a t i o n m a r k e d l y i n c r e a s e d c o n c e n t r a t i o n s of NO3+NH4 in p e t i o l e s from f e r t i l i z e r a n d s o i l for a b o u t e i g h t w e e k s . D u r i n g t h i s p e r i o d n i t r a p y r i n r e d u c e d t h e u p t a k e o f f e r t i l i z e r a n d , t o some e x t e n t , soil N . S u g a r b e e t s r e s p o n d e d m a r k e d l y t o n i t r o g e n f e r t i l i z a t i o n b u t p l a n t s w i t h o u t a n d w i t h n i t r a p y r i n s h o w e d n o v i s i b l e d i f f e r e n c e t h r o u g h o u t t h e s e a s o n . S u g a r b e e t s w i t h t h e i n h i b i t o r y i e l d e d 0 . 9 a n d 0 . 5 t o n s / a c r e more f r e s h t o p s a n d r o o t s , r e s p e c t i v e l l y , root s u c r o s e c o n c e n t r a t i o n w a s d e c r e a s e d 0 . 3 p e r c e n t a g e p o i n t s b u t d r y m a t t e r a n d s u c r o s e y i e l d s w e r e l i t t l e c h a n g e d . F e r t i l i z e r r e c o v e r y w a s 3 8 p e r c e n t w i t h o u t n i t r a p y r i n a n d 4 2 p e r c e n t w h e n t h e i n h i b i t o r w a s u s e d . T h e r e w e r e n i n e more p o u n d s N / a c r e i n p l a n t s w i t h n i t r a p y r i n c o m p a r e d t o t h o s e w i t h o u t , f o u r from t h e f e r t i l i z e r a n d f i v e from s o i l , i n d i c a t i n g t h a t f e r t i l i z e r N m i g h t b e r e d u c e d a b o u t 1 0 p e r c e n t b y u s i n g t h e i n h i b i t o r u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f t h i s e x p e r i m e n t . S u g a r b e e t s w i t h o u t n i t r a p y r i n o b t a i n e d 2 3 a n d 7 7 p e r c e n t o f t h e i r N from f e r t i l i z e r a n d s o i l r e s p e c t i v e l y c o m p a r e d t o 2 4 a n d 7 6 p e r c e n t for s u g a r b e e t s w i t h n i t r a p y r i n .
ACKNOWLEDGMENT
T h i s w o r k w a s f i n a n c e d i n p a r t b y t h e Dow C h e m i c a l C o m p a n y a n d t h e C a l i f o r n i a s u g a r b e e t i n d u s t r y . S p e c i a l t h a n k s a r e d u e G e o r g e T u r n e r a n d G a r y S t o c k d a l e o f Dow C h e m i c a l for h e l p i n a p p l y i n g t h e m a t e r i a l s .
L I T E R A T U R E C I T E D
(1) H a g e m a n n , R. W. a n d R. D. M e y e r . 1980. n i t r o g e n s t a b i l i z e r g i v e s m i x e d r e s u l t s . C a l i f o r n i a A g r i - c u l u r e , 3 4 ( 5 ) : 1 4 - 1 5 .
(2) H i l l s , F. J., F. E. B r o a d b e n t a n d M. F r i e d . 1978.
T i m i n g a n d r a t e o f f e r t i l i z e r n i t r o g e n for s u g a r b e e t s
158 J O U R N A L O F T H E A . S . S . B . T .
r e l a t e d t o n i t r o g e n u p t a k e a n d p o l l u t i o n p o t e n t i a l . J . E n v i r o n . Q u a l . 7 : 3 6 8 - 3 7 2 .
(3) M a y n a r d , D. N. a n d O. A. L o r e n z . 1978. C o n t r o l l e d r e l e a s e f e r t i l i z e r a n d n i t r i f i c a t i o n i n h i b i t o r s for h o r t i - c u l t u r a l c r o p s , a n i n d e x r e f e r e n c e l i s t . V e g e t a b l e C r o p s S e r i e s 196, D e p t . o f V e g e t a b l e C r o p s , U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , D a v i s .
(4) S w e z e y , A. W. a n d G. O. T u r n e r . 1962. C r o p e x p e r i - m e n t s on t h e effect of 2 - c h l o r o - 6 - ( t r i c h l o r o m e t h y l ) p y r i d i n e for t h e c o n t r o l o f n i t r i f i c a t i o n o f a m m o n i u m a n d u r e a f e r t i l i z e r . A g r o n . J . 5 4 : 5 3 2 - 5 3 5 -
(5) U l r i c h , A. a n d A. E. M o s t a f a . 1980. Ammonium a n d n i t r a t e a s s o u r c e s o f n i t r o g e n for s u g a r b e e t s . j . Am. S o c . S u g a r Beet T e c h n o l . 2 0 : 5 5 3 - 5 7 0 .
Effects of Lime on the Chemistry of S u g a r b e e t T i s s u e
W. M. C a m i r a n d , J. M. R a n d a l l ,E. M. Z a r a g o s a and H. N e u m a n *
R e c e i v e d for P u b l i c a t i o n May 2 5 , 1 9 8 1 INTRODUCTION
P r e t r e a t m e n t o f s u g a r b e e t t i s s u e w i t h lime h a s b e e n k n o w n t o t h e i n d u s t r y for m a n y y e a r s . I n 1905 W e i n r i c h p r o p o s e d p r o c e s s i n g g r o u n d b e e t s ( 2 1 ) , a n d i n 1908 a n d 1910 h e p a t e n t e d p r o c e s s e s i n v o l v i n g t h e p r e s s i n g o f b r e i o r c h i p s w h i c h h a d b e e n l i m e d a n d t h e n n e u t r a l i z e d ( 2 2 , 2 3 ) . I n 1956 B o r g h i d e s c r i b e d t h e B o n e l l i p r o c e s s for p r e s s i n g j u i c e from g r o u n d b e e t s a s a n a l t e r n a t i v e t o d i f f u s i o n ( 4 ) , a n d r e s u l t s o f e x t e n s i v e t e s t s o n t h e p r o c e s s w e r e l a t e r p u b l i s h e d ( 2 , 3 ) . I n 1956 Loof a n d P o h l s u g g e s t e d t h e d i f f u s i o n o f c o s s e t t e s i n d i l u t e lime w a t e r ( 1 1 ) . I n 1959 S u s i e p r o p o s e d d i f f u s i o n o f c o s s e t t e s w h i c h h a d b e e n t r e a t e d w i t h a m i x t u r e o f l i m e a n d s u g a r ( 1 6 ) . I n 1965 G o o d b a n a n d M c C r e a d y p r o - p o s e d t h a t c o s s e t t e s b e t r e a t e d w i t h p o w d e r e d l i m e f o l l o w e d b y n o r m a l d i f f u s i o n ( 1 0 ) , a n d B o b r o v n i k e t a l . s t u d i e d t h i s m e t h o d f u r t h e r ( 1 ) .
D e g t y a r (7) r e p o r t e d t h a t t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o s s e t t e s c u t from s t a l e b e e t s c o u l d b e i m p r o v e d b y a d d i t i o n o f lime t o d i f f u s i o n w a t e r , w h e r e a s i n H u n g a r y 2 0B e lime s o - l u t i o n i s o c c a s i o n a l l y a d d e d t o t h e c u t t i n g m a c h i n e d r u m for t h i s p u r p o s e ( 1 8 ) .
T o t h e a u t h o r s k n o w l e d g e t h e r e h a s b e e n n o s u s t a i n e d c o m m e r i c a l a p p l i c a t i o n o f a n y o f t h e a b o v e t e c h n i q u e s , a s i d e from t h e o c c a s i o n a l l i m e t r e a t m e n t o f r o t t e n a n d s t a l e b e e t s .
Recent r e n e w e d i n t e r e s t i n l i m i n g b e f o r e e x t r a c t i o n s t e m s from t h e d e s i r e t o r e d u c e e n e r g y c o n s u m p t i o n i n t h i s i n d u s t r y . I t h a s b e e n e s t i m a t e d t h a t t h e e n e r g y c o n s u m e d p e r d o l l a r
*The a u t h o r s a r e R e s e a r c h C h e m i s t , R e s e a r c h Chemical E n g i n e e r , Chemist and Research Chemist, r e s p e c t i v e l y . U . S . Department o f A g r i c u l t u r e , B e r k e l e y , C a l i f o r n i a 94710.
160 J O U R N A L O F T H E A . S . S . B . T .
v a l u e o f p r o d u c t ( 8 7 , 0 0 0 B t u , 1973 p r i c e s ) i s g r e a t e r t h a n for a n y o t h e r food p r o d u c t i n d u s t r y ( 1 7 ) . O f t h e o v e r 2 . 3 X 10 Btu r e q u i r e d to p r o c e s s o n e t o n of b e e t s a p p r o x i m a t e l y 25% is for p u l p d r y i n g , 50% for t h i n j u i c e c o n c e n t r a t i o n , 5%
for lime p r o d u c t i o n a n d 5 % for h e a t i n g t h e j u i c e s . L i m i n g o f f r e s h b e e t t i s s u e h o l d s t h e p r o m i s e o f r e d u c i n g e n e r g y c o n s u m p t i o n i n s e v e r a l o f t h e s e o p e r a t i o n s .
P o t e n t i a l a d v a n t a g e s o f b e e t l i m i n g a r e m o s t l y a c o n s e - q u e n c e o f t h e r e a c t i o n s o f c a l c i u m h y d r o x i d e w i t h t h e p e c t i c s u b s t a n c e s t h a t h o l d t h e c e l l s t o g e t h e r a n d m a k e u p a s m u c h a s 30% o f t h e w a t e r i n s o l u b l e p o r t i o n o f t h e b e e t . I n t h e s t a n d a r d e x t r a c t i o n p r o c e s s , p e c t i n p o l y m e r d e g r a d e s a n d p e p t i z e s , e n t e r i n g t h e s u g a r j u i c e a l o n g w i t h o t h e r c o l l o i d a l m a t e r i a l from t h e c e l l s . S u b s e q u e n t l y , t h e s e i m p u r i t i e s m u s t b e r e m o v e d from t h e d i f f u s i o n j u i c e i n l i m i n g , c a r b o n a t i o n , s e t t l i n g a n d f i l t r a t a t i o n o p e r a t i o n s . When c a l c i u m h y d r o x i d e i s a d d e d d i r e c t l y t o t h e f r e s h b e e t t i s s u e a t 40°C o r l o w e r , d e e s t e r i f i c a t i o n o f t h e p e c t i n p r e d o m i n a t e s o v e r d e g r a d a t i o n ; c a l c i u m c r o s s l i n k s c a r b o x y l g r o u p s t o form a f i r m i n s o l u b l e c a l c i u m p e c t a t e ( 1 0 ) . C a l c i u m c r o s s l i n k e d p e c t i n p r o d u c e s a p u l p t h a t i s f i r m e r t h a n c o n v e n t i o n a l p u l p . A s a c o n s e - q u e n c e , t h e p u l p may d e w a t e r m e c h a n i c a l l y t o a g r e a t e r d e - g r e e t h a n c o n v e n t i o n a l p u l p , r e d u c i n g t h e e n e r g y r e q u i r e d t o f u l l y d r y t h e p u l p i n r o t a r y k i l n d r y e r s . The p u l p s o l i d s c o u l d b e s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d s i n c e p e c t i n c r o s s l i n k i n g m a y p r e v e n t p e c t i n l o s s e s t o t h e s u g a r j u i c e . A l s o , e x - t r a c t i o n t e m p e r a t u r e s m a y b e l o w e r e d , s i n c e t h e b e e t c e l l s w i l l b e d e n a t u r e d , a n d t h e h i g h p H p r e v e n t s f e r m e n t a t i o n a t l o w e r t e m p e r a t u r e s .
I n s u g a r b e e t p e c t i n , a b o u t 50% o f t h e c a r b o x y l g r o u p s a n d a b o u t 30% o f t h e h y d r o x y l g r o u p s i n p o s i t i o n s 2 a n d 3 a r e a c e t y l a t e d . F o u r r e a c t i o n s m a y o c c u r w h e n p e c t i n i s t r e a t e d w i t h c a l c i u m h y d r o x i d e : d e a c e t y l a t i o n p r o d u c i n g a c e - t a t e a s a b y - p r o d u c t ; e s t e r h y d r o l y s i s o r d e m e t h y l a t i o n p r o - d u c i n g m e t h a n o l ; c a l c i u m c r o s s l i n k i n g o f t h e f r e e c a r b o x y l g r o u p s a n d p o l y m e r d e g r a d a t i o n b y g l y c o s i d i c b o n d c l e a v a g e ( F i g u r e 1 ) . A t low t e m p e r a t u r e s t h e p r e d o m i n a n t r e a c t i o n s a r e t h e d e m e t h y l a t i o n , d e a c e t y l a t i o n a n d c r o s s l i n k i n g r e a c t i o n s .
VOL. 21, NO. 2, OCTOBER 1981 161 A t h i g h t e m p e r a t u r e s g l y c o s i d i c b o n d s a d j a c e n t t o e s t e r i f i e d
c a r b o x y l g r o u p s a r e a l s o b r o k e n (Rx No. 4 ) , g r e a t l y r e - d u c i n g t h e m e c h a n i c a l s t r e n g t h o f t h e b e e t t i s s u e . S i n c e t h e g l y c o s i d i c b o n d i s b r o k e n o n l y w h e n a d j a c e n t t o t h e e s t e r i - f i e d c a r b o x y l g r o u p , c o l d d e m e t h y l a t i o n p r o t e c t s t h e p e c t i n from s u b s e q u e n t h o t a l k a l i n e d e g r a d a t i o n . D e a c e t y l a t i o n , o n t h e o t h e r h a n d , m a y b e d i s a d v a n t a g e o u s . S c h w e i g e r (15) h a s s h o w n t h a t s o l u t i o n s o f a c e t y l p e c t a t e s d o not form g e l s o r p r e c i p i t a t e s w i t h c a l c i u m ion w h e n t h e a c e t y l a t i o n o f h y - d r o x y l g r o u p s ( p o s i t i o n s 2 a n d 3 ) i s a b o v e 55%; h o w e v e r , g e l s a n d p r e c i p i t a t e s w i l l r e a d i l y form when t h e d e g r e e o f a c e t y l a t i o n i s b e l o w t h i s a m o u n t . S c h w e i g e r s u g g e s t s t h a t h y d r o x y l g r o u p s a r e i n v o l v e d i n c a l c i u m b o n d i n g a l o n g w i t h t h e c a r b o x y l g r o u p s , a n d h e f u r t h e r s u g g e s t s t h a t t h e y h a v e t o b e i n v i c i n a l p a i r s b e l o n g i n g t o t h e s a m e u n i t ( n o t e that, v i c i n a l p a i r s o c c u r o n l y w h e n l e s s t h a n 50% o f t h e h y d r o x y l g r o u p s o f t h e p o l y g a l a c t u r o n i c a c i d a r e a c e t y l a t e d ) . S i n c e s u g a r b e e t p e c t i n h a s n o more t h a n 30% a c e t y l a t i o n , l e a v i n g s u f f i c i e n t v i c i n a l p a i r s for g e l f o r m a t i o n , f u r t h e r d e a c e t y - l a t i o n m a y h a v e l i t t l e a d v a n t g e i n t e r m s o f p u l p h a n d l i n g c h a r a c t e r i s t i c s a n d o n l y a d d a n i m p u r i t y , c a l c i u m a c e t a t e , t o t h e s u b s e q u e n t l y p r e s s e d a n d / o r e x t r a c t e d s u g a r j u i c e . Some d e a c e t y l a t i o n w i l l b e u n a v o i d a b l e d u r i n g t h e c o l d d e m e - t h y l a t i o n , b u t f o r t u n a t e l y , c a l c i u m a c e t a t e i s not a p a r t i c u -
162 J O U R N A L O F T H E A . S . S . B . T .
l a r l y d e l e t e r i o u s i m p u r i t y , h a v i n g a n e g a t i v e m e l a s s i g e n i c c o e f f i c i e n t o f - 0 . 5 5 ( 1 3 ) .
T h i s p a p e r p r e s e n t s t h e r e s u l t s o f e x p e r i m e n t s t o d e - t e r m i n e t h e e f f e c t o f v a r i a t i o n s i n t h e c o n d i t i o n s o f l i m i n g s u g a r b e e t t i s s u e o n t h e c h e m i s t r y o f t h e p e c t i n - l i m e r e a c t i o n s , t h e y i e l d o f e x t r a c t i o n p u l p , a n d t h e e x t r a c t i o n r a t e s . S u b s e - q u e n t p a p e r s w i l l b e c o n c e r n e d w i t h t h e e f f e c t s o f l i m i n g o f s u g a r b e e t t i s s u e o n d i f f u s i o n j u i c e , o n t h i n j u i c e p u r i t y a n d c o m p o s i t i o n , a n d o n p u l p p r o c e s s i n g c h a r a c t e r i s t i c s .
M A T E R I A L S AND METHODS S a p o n i f i c a t i o n R a t e s
T h e r e l a t i v e r a t e s o f d e m e t h y l a t i o n a n d d e a c e t y l a t i o n o f l i m e d b e e t t i s s u e w e r e o b t a i n e d b y m e s u r i n g t h e r e s i d u a l e s t e r a n d a c e t y l c o n t e n t o f p u l p a f t e r r e a c t i o n w i t h l i m e . B e e t s w e r e w a s h e d i n a r o t a r y w a s h e r , t r i m m e d , a n d d i p p e d for a b o u t 3 m i n u t e s in a c o l d s o l u t i o n of c h l o r i n e (1000 p p m ) . T h e b e e t s w e r e t h e n d r i e d b y b r i e f c o n t a c t w i t h 50°C d r y a i r a n d s t o r e d a t 1°C for n o more t h a n 4 d a y s b e f o r e c u t t i n g a n d l i m i n g . C o s s e t t e s w e r e c u t i n a p i l o t p l a n t c o s s e t t e c u t t e r d e s i g n e d a n d c o n s t r u c t e d a t t h i s l a b o r a t o r y . J u l i e n n e s t r i p s w e r e p r o d u c e d w i t h s p e c i a l a t t a c h m e n t s t o a n U r s c h e l d i c e r . T h e s e s t r i p s h a d a n 1/8" s q u a r e c r o s s s e c t i o n . C o s - s e t t e s a n d j u l i e n n e s t r i p s w e r e l i m e d b y m i x i n g w i t h d r y r e a g e n t g r a d e C a ( O H ) 2 i n a d o u b l e c o n e m i x e r a f t e r t h e r m a l e q u i l i b r i u m h a d b e e n r e a c h e d . T h e l i m e l e v e l c o r r e s p o n d e d t o 1 % CaO, a n d a t t i m e d i n t e r v a l s 200 g r a m s a m p l e s w e r e r e - m o v e d from t h e m i x e r a n d p l a c e d i m m e d i a t e l y i n t o a c i d i f i e d a c e t o n e (750 m l . a c e t o n e , 200 m l . H20 , 5 0 m l . C o n . H C 1 ) . T h e s e c o s s e t t e s l u r r i e s w e r e t h e n f r o z e n a t - 3 4 ° C , a n d t h e a c e t y l a n d m e t h o x y l c o n t e n t s o f t h e m a r c w e r e l a t e r m e a s u r e d b y t h e m e t h o d o f McComb a n d M c C r e a d y ( 1 2 ) , a s r e v i s e d b y Gee e t a l . ( 9 ) . F r e s h u n l i m e d c o n t r o l s a m p l e s w e r e a l s o f r o z e n i n t h e a c i d i f i e d a c e t o n e m i x t u r e , a n d some w e r e s e t a s i d e for d e t e r m i n a t i o n o f c o s s e t t e f a c t o r a n d S i l i n n u m b e r . Y i e l d o f P u l p S o l i d s
C o s s e t t e s t h a t h a d b e e n t r e a t e d e i t h e r w i t h d r y C a ( O H ) 2 ( a t 0 . 5 % a n d 1.0% a s CaO o n b e e t s ) o r i n t h i n j u i c e l i m e
V O L . 2 1 , N O . 2, O C T O B E R 1981 163
s l u r r y ( 2 . 0 a n d 4.0%, c a l c u l a t e d a s CaO) w e r e c a r e f u l l y w e i g h e d , p l a c e d i n 2 0 - m e s h w i r e b a s k e t s , a n d s u s p e n d e d i n 70° a n d 7 5 r u n n i n g w a t e r . After e x t r a c t i o n for a g i v e n time p e r i o d , p u l p w a s r e m o v e d from t h e r u n n i n g w a t e r , d r i e d in an o v e n at 100 C for 16 h o u r s a n d w e i g h e d . t h e 2 0 - m e s h w i r e b a s k e t s w e r e f i n e e n o u g h s o t h a t v i r t u a l l y n o b e e t t i s s u e c o u l d e s c a p e . The d r y p u l p s u g a r c o n t e n t w a s d e t e r m i n e d b y e x t r a c t i n g t h e s u g a r i n e t h a n o l b y t h e s t a n d a r d AOAC m e t h o d f o l l o w e d b y c o l o r i m e t r i c a n a l y s i s o f t h e t o t a l s u g a r a s r e c o m m e n d e d b y D u b o i s e t a l . ( 8 ) . C a l c i u m a n a l y s i s w a s c a r r i e d o u t o n t h e d r y p u l p b y a t o m i c a b s o r p t i o n u s i n g a P e r k i n Elmer 303 AA s p e c t r o p h o t o m e t e r . Sample p r e p a r a t i o n w a s b y a m o d i f i e d d r y a s h i n g m e t h o d o f C h a p m a n a n d P r a t t (6) . F i n a l d e t e r m i n a t i o n o f t h e s o l i d s w a s a c c o m p l i s h e d b y s u b t r a c t i n g t h e s u g a r a n d c a l c i u m c o n t e n t from t h e t o t a l d r y s o l i d s t o d e t e r m i n e t h e w e i g h t o f t h e i n s o l u b l e s o l i d s not i n f l u - e n c e d b y u n e x t r a c t e d s u g a r o r t h e c a l c i u m a d d e d i n t h e l i m i n g p r o c e s s . R a t i o s o f c o r r e c t e d s o l i d s t o c o r r e c t e d c o n t r o l s o l i d s w e r e t h e n c a l c u l a t e d .
S u g a r E x t r a c t i o n R a t e s
Dry lime t r e a t e d c o s s e t t e s , s l u r r y t r e a t e d c o s s e t t e s a n d c o n t r o l c o s s e t t e s w e r e e x t r a c t e d i n 2 0 - m e s h w i r e b a s k e t s i n 75°C a n d 80°C r u n n i n g w a t e r . S a m p l e b a s k e t s w e r e r e m o v e d from t h e w a t e r at 1, 2, 4, 6, 8, a n d 10 m i n u t e i n t e r v a l s . Dry lime t r e a t m e n t w a s b y m i x i n g o f C a ( O H )2 ( a t 0.5% o r 1.0% as CaO) w i t h t h e c o s s e t t e s for 5 m i n u t e s in a d o u b l e c o n e m i x e r , f o l l o w e d b y 1 0 m i n u t e s o f s t a n d i n g b e f o r e e x - t r a c t i o n a t 8 0 C .
S l u r r y t r e a t m e n t w a s a c h i e v e d b y d i p p i n g c o s s e t t e s i n t o 2% a n d 4% lime s l u r r y s ( a s CaO on w t / w t b a s i s ) of t h i n j u i c e ( 1 4B x) for f i v e m i n u t e s a n d d r a i n i n g for 1 0 m i n u t e s . T h e s e s l u r r y t r e a t e d c o s s e t t e s w e r e e x t r a c t e d i n t h e s a m e f a s h i o n a s t h e d r y lime t r e a t e d c o s s e t t e s I n 75°C r u n n i n g w a t e r . E x t r a c t e d c o s s e t t e s w e r e d r i e d a n d s u g a r d e t e r m i n e d b y t h e s a m e m e t h o d s u s e d i n t h e p u l p y i e l d e x p e r i m e n t s .
Lime C o n s u m p t i o n
T o d e t e r m i n e t h e lime c o n s u m p t i o n for s l u r r y t r e a t m e n t ,
164 J O U R N A L OF T H E A . S . S . B . T .
1 l i t e r C a ( O H ) 2 p e r l i t e r o f t h i n j u i c e w e r e u s e d . T h r e e s u c - c e s s i v e 200 c m b a t c h e s o f c o s s e t t e s w e r e d i p p e d for 1 0 m i n u t e s e a c h . T o t a l c a l c i u m a n d t o t a l a l k a l i n i t y w e r e m e a s u r e d t i t r i - m e t r i c a i l y u s i n g 1/28 N IIC1 a n d 1/28 N EDTA b o t h b e f o r e a n d a f t e r c o s s e t t e t r e a t m e n t .
RESULTS AND DISCUSSION
T h e r e s u l t s o f t h e d e m e t h y l a t i o n a n d d e a c e t y l a t i o n s t u d i e s o n b e e t s t r i p s l i m e d a t 1 % for v a r i o u s t i m e p e r i o d s a n d t e m p e r a t u r e s a r e s h o w n i n F i g u r e s 2 t h r o u g h 9 . All d u p l i c a t e a n a l y s e s w e r e r e p e a t a b l e w i t h 4%. C o s s e t t e s h a d a S i l i n No. of a b o u t 12 a n d a c o s s e t t e f a c t o r of 25. J u l i e n n e s t r i p s h a d a S i l i n No. of 6 . 4 a n d a c o s s e t t e f a c t o r of 2 9 0 .
S a p o n i f i c a t i o n o f C o s s e t t e s
For c o s s e t t e s , d e m c t h y l a t i o n a n d d e a c e t y l a t i o n r a t e s
F i g u r e 3 . S a p o n i f i c a t i o n o f b e e t p e c t i n . Degree of deme- t h l a t i o n and d e a c e t h 1 a t i o n v . s . t i m e . C o s s e t t e s t r e a t e d at 18°C w i t h dry Ca(0H)2 1.3%
on b e e t s (1% as CaO).
V O L . 2 1 , N O . 2, O C T O B E R 1981 165
w e r e s i m i l a r a t 5o a n d 1 8o C , o v e r t h e f i r s t 5 0 m i n u t e s , a l - t h o u g h d e m e t h y l a t i o n p r o g r e s s e d s o m e w h a t m o r e r a p i d l y a t 1 8 ° C t h a n a t 5 ° C . F i g u r e 4 s h o w s m u c h m o r e r a p i d d e a c e t y l a - t i o n a t 3 7o C t h a n a t t h e l o w e r t e m p e r a t u r e s . A t 5o C a n d 1 8o , d e a c e t y l a t i o n n e v e r b e c a m e m o r e t h a n a b o u t 6 0 % c o m p l e t e , b u t a t 3 7 ° C d e a c e t y l a t i o n r o s e t o a l m o s t 8 0 % c o m p l e t i o n .
S a p o n i f i c a t i o n o f J u l i e n n e S t r i p s
F r o m F i g u r e s 5 a n d 6 i t c a n b e e n s e e n t h a t , l i m e d i d n o t p e n e t r a t e i n t o t h e j u l i e n n e s t r i p s n e a r l y a s w e l l a s i t d i d i n t o t h e c o s s e t t e s . E v e n a f t e r 5 0 m i n u t e s r e a c t i o n t i m e t o t a l d e m e t h y l a t i o n w a s l e s s t h a n 5 0 % . A c o m p a r i s o n o f t h e s u r f a c e o f c o s s e t t e s w i t h j u l i e n n e s t r i p s w o u l d s u g g e s t t h a t t h e s m a l l e r d e g r e e o f p e n e t r a t i o n o f l i m e i n t o t h e j u l i e n n e s t r i p s i s d u e n o t o n l y t o t h e i r g r e a t e r t h i c k n e s s b u t a l s o t o t h e
" c l e a n e r c u t " o b t a i n e d i n t h e U r s n e l c o m p a r e d t o t h e f e a t h e r e d a n d c r a c k e d s u r f a c e s o b t a i n e d i n a c o s s e t t e c u t t e r . T h e m u c h l o w e r d e m e t h y l a t i o n r a t e s f o r j u l i e n n e s t r i p s w o u l d b e i n a - g r e e m e n t w i t h t h e o b s e r v a t i o n m a d e b y G o o d b a n a n d M c C r e a d y t h a t l i m e p e n e t r a t i o n i n t o a c o s s e t t e i s m o r e r a p i d t h a n w o u l d b e p r e d i c t e d f r o m r e s u l t s w i t h m i c r o t o m e - c u t p i e c e s ( 1 0 ) . U s e o f j u l i e n n e s t r i p s w a s d i s c o n t i n u e d a s s o o n a s c o s s e t t e s w e r e a v a i l a b l e , f o r m u c h o f t h e a d v a n t a g e s o f l i m i n g b e e t t i s s u e i s l o s t i f t h e l i m e o r s u g a r c a n n o t d i f f u s e t h r o u g h t h e s t r i p i n a r e a s o n a b l e t i m e .
F i g u r e 4 . S a p o n i f i c a t i o n o f b e e t p e c t i n . D e g r e e o f d e m e t h y l a t i o n a n d d e a c e t y l a - t i o n v . s . t i m e . C o s s e t t e s t r e a t e d at.. 3 6 ° C w i t h d r y C a ( 0 H )2 1 . 3 % o n b e e t s ( 1 % a s C a O ) .
J O U R N A L O F T H E A.S.S.B.T.
R a t e o f D e m e t h y l a t i o n v s . D e a c e t y l a t i o n
S i n c e d e m e t h y l a t i o n i s a p o s i t i v e r e a c t i o n p r o m o t i n g C a+ 2
c r o s s l i n k i n g a n d i n h i b i t i n g p e c t i n d e g r a d a t i o n w h i l e d e a c e t y l a - t i o n i s p r o b a b l y d i s a d v a n t a g e o u s , c o n s u m i n g l i m e a n d p r o - d u c i n g a c e t a t e ion i m p u r i t y , t h e r a t i o b e t w e e n d e a c e t y l a t i o n a n d d e m e t h y l a t i o n c o u l d p r o v i d e v a l u a b l e i n s i g h t i n t o o p t i m u m p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s . I n F i g u r e 7 , t h e d e a c e t y l a t i o n t o d e m e - t h y l a t i o n r a t i o s a r e p l o t t e d for t h e c o s s e t t e t r e a t m e n t a t 1 % l i m e a d d i t i o n (CaO) for 5 , 18, a n d 3 7 ° C . A t 18°C a n d e q u i l i - b r a t i o n t i m e s u n d e r 2 0 m i n u t e s t h i s r a t i o i s s i g n i f i c a n t l y l o w e r t h a n a t 5 ° o r 3 7 ° . F i g u r e 3 s h o w s t h a t a b o u t 90% o f m a x i m u m d e m e t h y l a t i o n w a s a c h i e v e d i n a b o u t 1 0 m i n u t e s . I t m i g h t b e c o n c l u d e d , t h e n , t h a t o p t i m u m t e m p e r a t u r e for t h e a d d i t i o n o f d r y l i m e w o u l d b e a r o u n d 20° w i t h a 1 0 t o 1 5 m i n u t e r e - a c t i o n t i m e b e f o r e d i f f u s i o n .
Figure 5. Saponification of beet p e c t i n . Degree of demethylation and deacetyla—
lion v . s . time. Julienne cuts treated at 6°C with dry C a ( O H )2 1.3% on beets (1 .0% as C a O ) .
166
Figure 6. Saponification of beet p e c t i n . Degree of demethylation and deacetyla—
tion v.s. time. Julienne
cuts treated at 35°C with dry C a ( O H )2 1.3% on beets ( 1 % as C a O ) .
VOL. 21, N O . 2, OCTOBER 1981
Figure 7. Deacetylation to demethylation ratios for sugar beet cossettes limed at 1.3% C a ( 0 H )2
on beets (1% as C a O ) at 5°C, 18°C and 3 7 ° C .
Effects of T e m p e r a t u r e on S a p o n i f i c a t i o n of C o s s e t t e s
I n F i g u r e 8 t h e c u r v e s o f F i g u r e s 2 , 3 a n d 4 a r e s u p e r - i m p o s e d o n t o one g r a p h w i t h o u t t h e d a t a p o i n t s . T h i s s h o w s t h a t t h e d e m e t h y l a t i o n a n d d e a c e t y l a t i o n c u r v e s a r e not s t a c k e d a c c o r d i n g t o i n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e a s one m i g h t e x p e c t ; t h e r e i s much c r o s s o v e r i n t h e c u r v e s . H o w e v e r , l o o k i n g a t t o t a l d e e s t e r i f i c a t i o n ( i . e . d e m e t h y l a t i o n a n d d e a c e t y l a t i o n ) for t h e s e t h r e e t e m p e r a t u r e s t h e c u r v e s a r e s t a c k e d a c c o r d i n g t o t e m p e r - a t u r e ( F i g u r e 9 ) . T h u s , a f t e r 1 0 m i n u t e s e q u i l i b r a t i o n t h e
% d e m e t h y l a t i o n i s g r e a t e r a t 18° t h a n a t 3 7 ° , y e t t o t a l d e e s t e r i - f i c a t i o n i s a l w a y s g r e a t e r t h e h i g h e r t h e t e m p e r a t u r e . All t h i s w o u l d seem t o i n d i c a t e t h a t d e m e t h y l a t i o n a n d d e a c e t y - l a t i o n a r e not i n d e p e n d e n t o f one a n o t h e r , a n d i t w o u l d n o t seem u n r e a s o n a b l e t o e x p e c t Ca+ 2 c r o s s l i n k i n g o f c a r b o x y l g r o u p s t o i n h i b i t b o t h d e m e t h y l a t i o n a n d d e a c e t y l a t i o n t h r o u g h s t e r i c h i n d r a n c e o r s i m p l y r e t a r d a t i o n o f t h e r a t e s o f d i f f u s i o n o f c a l c i u m h y d r o x i d e i n t o t h e c o s s e t t e t i s s u e .
167
Figure 8. Superimposition of the curves of figures 2, 3, and 4 without data p o i n t s .
168 J O U R N A L OF T H E A . S . S . B . T .
Lime C o n s u m p t i o n
P e c t i n h a s b e e n r e p o r t e d b y Vukov t o c o m p r i s e 1 6 . 3 + _ 5.9% o f s u g a r b e e t m a r c for n o r m a l E u r o p e a n b e e t s ( 1 9 ) .
H o w e v e r , t h e b e e t s u s e d i n t h e s e e x p e r i m e n t s c o n t a i n e d a - r o u n d 25% p e c t i n i n t h e m a r c , w i t h a b o u t 0 . 4 4 m e t h y l g r o u p s p e r p e c t i n u n i t a n d a b o u t 0 . 8 a c e t y l g r o u p s p e r p e c t i n u n i t o n t h e u n t r e a t e d p u l p . I f i t i s a s s u m e d t h a t t h e m a r c c o m - p r i s e s a b o u t 5 % o f t h e beet t h e n t h e p e c t i n c o m p r i s e s a b o u t 1.25% o f t h e b e e t . The a v e r a g e u n i t m o l e c u l a r w e i g h t o f s u g a r b e e t p e c t i n in t h e s e b e e t s w a s 176.12 + 0 . 8 X 42 + 0 . 4 4 X 14, o r 2 1 5 . 8 8 , w h e r e 176.12 i s t h e f o r m u l a w e i g h t o f t h e a n h y d r o g a l a c t u r o n i c a c i d u n i t . O n l y o n e c a l c i u m e q u i v a l e n t p e r p e c t i n u n i t i s r e q u i r e d t o t o t a l l y d e m e t h y l a t e a n d c r o s s - l i n k t h e p e c t i n . I f t o t a l d e a c e t y l a l i o n i s i n c l u d e d , t h e n 1.8 e q u i v a l e n t s o f CaO i s r e q u i r e d p e r p e c t i n u n i t . I f i t i s a s - s u m e d t h a t t h e o r i g i n a l beet i s 1.25% p e c t i n , t h e n f u l l d e m e - t h y l a t i o n a n d d e a c e t y l a t i o n w i l l r e q u i r e 0.29% CaO o n t h e c o s s e t t e s .
T o t a l a c i d c o n t e n t o f s u g a r b e e t p r e s s j u i c e for a n o r m a l y e a r , a s r e p o r t e d b y W a l l e n s t e i n ( 2 0 ) , i s 6 0 m e q / k g o f p u l p . Since t h e p r e s s j u i c e d o e s n o t c o n t a i n m u c h p e t i n i c a c i d , W a l l e n s t e i n ' s v a l u e c o r r e s p o n d s t o a n a d d i t i o n a l lime d e m a n d of 0.168% for a t o t a l l i m e c o n s u m p t i o n of 0.460% on t h e c o s - s e t t e s .
When c o s s e t t e s a r e l i m e d b y t r e a t m e n t i n a t h i n j u i c e lime s l u r r y t h e l i m e c o n s u m e d i s t h e sum o f t h a t l i m e w h i c h r e a c t s w i t h t h e c o s s e t t e s a n d t h a t w h i c h i s c a r r i e d o v e r o n F i g u r e 9 . T o t a l d e e s t e r i f i -
c a t i o n o f b e e t p e c t i n i n 5°C, 18°C and 37°C c o s s e t t e r u n s , where methoxyl and a c e t y l g r o u p s a r e added t o g e t h e r t o d e t e r m i n e d e g r e e o f t o t a l e s t e r i f i c a t i o n .
V O L . 2 1 , N O . 2, OCTOBER 1981 169
r e m o v a l o f t h e c o s s e t t e s from lime s l u r r y r e a c t i o n v e s s e l . The a v e r a g e r e s u l t s for t h e s e e x p e r i m e n t s a r e s h o w n i n T a b l e 1 .
T a b l e 1 . Calcium a n d a l k a l i n i t y c h a n g e s o f one l i t e r o f t h i n j u i c e - l i m e s l u r r y on t r e a t m e n t of 2.00 gms. of c o s - s e t t e s ( E x p r e s s e d as % CaO).
Alkalinitya Calciuma
Initial slurry 1.88 1.90 Final slurry 1.50 1.58 Consumed* 0.63 0.53 (% on Cossettes)
a Average of three experiments.
The c o n s u m p t i o n of a l k a l i n i t y at 0.63% Ca (CaO) w a s 37% g r e a t e r t h a n t h e o r e t i c a l . I n a d d i t i o n , lime s l u r r y w a s lost from t h e t r e a t m e n t v e s s e l b e c a u s e o f c a r r y o v e r o f s l u r r y w i t h t h e c o s s e t t e s . The a v e r a g e c a r r y o v e r v o l u m e w a s a b o u t 4 0 m l . p e r 200 g r a m b a t c h . T h i s r e p r e s e n t e d a b o u t 0 . 7 5 g r a m s of CaO p e r b a t c h , or 0.38% on t h e c o s s e t t e s , for a t o t a l lime u s e of a b o u t 1 .0% on t h e c o s s e t t e s . A l t h o u g h t h i s is a b o u t t h e s a m e lime c o n s u m p t i o n a s w i t h d r y l i m i n g , i t c o u l d p r o b a b l y b e r e d u c e d b y u s i n g a l e s s c o n c e n t r a t e d lime s l u r r y o r a s e r i e s o f p r o g r e s s i v e l y l e s s c o n c e n t r a t e d t h i n j u i c e lime s l u r r i e s .
C o s s e t t e s t r e a t m e n t w i t h a t h i n j u i c e lime s l u r r y w o u l d b e f a v o r e d o v e r d r y l i m i n g b e c a u s e o f t h e r e l a t i v e e a s e o f o p e r a t i o n , m i n i m i z e d c o s s e t t e d a m a g e w i t h c o s s e t t e s l u r r y m i x i n g c o m p a r e d t o d r y lime m i x i n g , p o t e n t i a l for u s i n g a v a i l - a b l e e q u i p m e n t . For e x a m p l e , some c e l l s o f a n O l i v e r Morton o r Robert b a t t e r y c o u l d b e e a s i l y c o n v e r t e d t o t h i s u s e . Y i e l d s o f p u l p s o l i d s
R e s u l t s p r e s e n t e d i n T a b l e s 2 a n d 3 show t h a t s o l i d s y i e l d s w e r e i n c r e a s e d b y a s much a s 30%, a l t h o u g h g e n e r a l l y t h e i n c r e a s e w a s on t h e o r d e r of 10 to 20% in t h e d r y Lime e x p e r i m e n t s a n d a r o u n d 27% i n t h e s l u r r y l i m i n g e x p e r i m e n t s . Lime r e a c t i o n t i m e s o f u p t o 9 0 m i n u t e s d i d not seem t o a p - p r e c i a b l y c h a n g e t h e v a l u e o f t h e limed t o u n l i m e d s o l i d s r a t i o . Only t r e a t m e n t o f c o s s e t t e s a t 37°C w i t h 0.5% d r y
170 J O U R N A L O F T H E A.S.S.B.T.
lime did not a p p r e c i a b l y i n c r e a s e the solids yield in the p u l p .
Table 2. Effect, of dry liming on residual pulp weight after e x - traction at 70 C For one h o u r .
Beet T e m p . , Lime Level E q u i l i b r a t i o n Limed Solids*
°C % Times (min.) Control Solids
4 0.5 4 0 1.16 4 1.0 20 1.30 4 1.0 45 1.15 20 1.0 20 1.11 20 1.0 40 1.11 3 7 0.5 20 1.04 37 0.5 40 1.06 3 7 1.0 15 1.17 3 7 1.0 30 1.12
*Dried at 110°C for 16 h o u r s ; sugar and calcium w e i g h t s subtracted from total pulp w e i g h t .
Table 3. Effect of slurry liming* on residual pulp weight after e x t r a c t i o n at 75°C for fifty m i n u t e s .
Slurry Lime Dip Time Total Equilibration Time Limed Solids C o n c . % C a 0 M i n u t e s Before Extraction (Min) Control Solids
Ratio
4 3 15 1.27 4 10 15 1.27 4 3 30 1.29 2 3 30 1.28 2 3 15 1.26 2 10 15 1.24
* S l u r r i e s used were b o t h 2 and 4 p e r c e n t lime ( a s CaO) in 15 B r i x d i l l u t e d t h i c k j u i c e , s l u r r y and c o s s e t t e temp, were 20°C.
A l l samples run i n d u p l i c a t e . S u g a r E x t r a c t i o n R a t e s
R e s u l t s s h o w n in F i g u r e s 10 a n d 11 r e v e a l a 25 to 50%
i n c r e a s e i n r e s i d u a l s u g a r i n t h e p u l p o f t h e l i m e d c o s s e t t e s a f t e r 1 0 m i n u t e s o f e x t r a c t i o n , a r e s u l t t h a i w a s n o t u n e x - p e c t e d s i n c e c a l c i u m p e c t a t e m e m b r a n e s h a v e b e e n u s e d i n t h e p a s t t o r e t a r d s u g a r d i f f u s i o n ( 5 ) . A l t h o u g h t h i s r e s u l t w o u l d seem t o i n d i c a t e t h e n e e d for more p r o l o n g e d d i f f u s i o n for l i m e d c o s s e t t e s , t h e g r e a t l y i m p r o v e d d e w a t e r i n g o b t a i n a - b l e w i t h l i m e d p u l p m a y s e r v e t o e l i m i n a t e t h e d i s a d v a n t a g e . C a l c u l a t i o n s m a d e from d a t a o n t h e s o l i d s c o n t e n t o f l i m e d
VOL. 21, NO. 2, OCTOBER 1981 171
p r e s s p u l p a n d c o n t r o l p r e s s p u l p ( 1 4 ) , c o m b i n e d w i t h t h e k n o w n i n c r e a s e i n p u l p s o l i d s b r o u g h t a b o u t b y l i m i n g , i n d i - c a t e t h a t more s u g a r c o u l d b e r e m o v e d from l i m e d c o s s e t t e s t h a n from u n l i m e d c o s s e t t e s for t h e s a m e e x t r a c t i o n a n d p r e s s i n g c o n d i t i o n s , s i n c e more s u g a r - b e a r i n g p r e s s w a t e r could, b e r e m o v e d a n d r e t u r n e d t o t h e p r o c e s s . T h u s t h e s l i g h t i n c r e a s e i n r e s i d u a l s u g a r i n l i m e d p u l p w o u l d n o t p r o d u c e l e s s f a v o r a b l e e x t r a c t i o n e c o n o m i c s for t h i s p r o c e s s .
SUMMARY
The a d d i t i o n of lime to s u g a r b e e t t i s s u e at. l o w e r t e m p e r - a t u r e s c a u s e s d e m e t h y l a t i o n o f t h e p e c t i n i n t h e c e l l w a l l s of t h e b e e t t i s s u e , a l l o w i n g Ca 2+ to crosslink the pectin as Figure 10. Residual sugar
in cossettes limed with dry C a ( 0 H )2 at 0.5% and 1.0%
(calculated as C a O ) plus control after extracting in 75° running water for up to 10 m i n u t e s .
Figure 11. Residual sugar in cossettes limed with 2%
and 4% thin juice (14Bx) lime slurries [(added as Ca ( 0 H )2, calculated as (CaO)]
for five minutes and drained for 10 m i n u t e s , compared to untreated control. E x - traction was in 80o C running water for up to 10 m i n u t e s .
172 JOURNAL OF THE A.S.S.B.T.
a s t a b l e i n s o l u b l e m a t r i x . T h i s p e r m i t s a l k a l i n e d i f f u s i o n w i t h l e s s d i s i n t e g r a t i o n o f t h e p u l p . High d e a c e t y l a t i o n r a t e s a n d p e c t i n d e g r a d a t i o n a b o v e 37°C c o u l d limit, p r o c e s s t o l o w e r t e m p e r a t u r e s .
T h e r e t e n t i o n o f p e c t i n i n t h e p u l p a f t e r lime t r e a t m e n t o f b e e t t i s s u e w a s i m p r o v e d , a s w a s i n d i c a t e d b y a 1 0 t o 30% i n c r e a s e i n s o l i d s i n t h e p u l p . C o s s e t t e s d i p p e d i n l i m e s l u r r y g a v e t h e b e s t o v e r a l l p u l p w e i g h t i n c r e a s e o f a b o u t 27%. I n a f a c t o r y o p e r a t i o n , t h e m a g n i t u d e o f t h e r a t i o o f p u l p s o l i d s p e r t o n o f b e e t s s h o u l d b e a n i n d i c a t o r o f t h e r e l e a t i v e amount o f c a l c i u m p e c t a t e f o r m a t i o n v e r s u s t h e a m o u n t o f d e g r a d a t i o n , a n d s h o u l d b e a u s e f u l p a r a m e t e r o f p r o c e s s c o n t r o l . S i n c e b e e t p u l p i s w o r t h a b o u t $ 1 0 0 / t o n a s c a t t l e f e e d , a 1 0 t o 30% i n c r e a s e c o u l d r e p r e s e n t a s u b - s t a n t i a l e c o n o m i c a d v a n t a g e .
A l t h o u g h e x t r a c t i o n r a t e s w e r e s i g n i f i c a n t l y r e d u c e d b y c o s s e t t e l i m i n g , t o t a l s u g a r y i e l d from c o s s e t t e s s h o u l d b e i m p r o v e d o v e r c o n v e n t i o n a l p r o c e s s i n g d u e t o t h e i n c r e a s e i n p r e s s w a t e r y i e l d for t h e s a m e p r e s s i n g c o n d i t i o n s ( 1 4 ) . A t h i n n e r c o s s e t t e m i g h t a l s o b e a d v a n t a g e o u s . S u g a r e x - t r a c t i o n w o u l d b e i m p r o v e d , a n d s i n c e h y d r o d y n a m i c r e s i s t a n c e w o u l d b e l e s s t h a n for u n l i m e d c o s s e t t e s o f t h e s a m e s i z e , t h e o b j e c t i o n s t o s m a l l e r c o s s e t t e s w o u l d n o t b e a p p l i c a b l e . O t h e r f o r m s o f b e e t t i s s u e c o u l d b e u s e d w i t h v a r i o u s e x - t r a c t i o n s y s t e m s , b u t t h e c o s s e t t e h a s a n u m b e r o f p r o c e s s i n g a d v a n t a g e s .
ACKNOWLEDGMENTS
T h i s p r o j e c t w a s p a r t i a l l y f u n d e d b y t h e D e p a r t m e n t o f E n e r g y u n d e r I n t e r a g e n c y C o n t r a c t N u m b e r E M - 7 8 - 1 - 0 1 - 5 1 8 2 . T h e a u t h o r s w i s h t o t h a n k G a r y M c D o n a l d for a n a l y t i c a l w o r k , Alex Hill for l a b o r a t o r y a s s i s t a n c e , S p r e c k e l s S u g a r C o . , W o o d l a n d , C a l i f o r n i a , for s u p p l y i n g t h e s u g a r b e e t s , a n d t h e Beet S u g a r D e v e l o p m e n t F o u n d a t i o n for l o a n o f e q u i p m e n t a n d for i t s g e n e r a l s u p p o r t .
R e f e r e n c e to a company a n d / o r p r o d u c t named by t h e Department i s o n l y f o r p u r p o s e s o f i n f o r m a t i o n and does not. imply a p p r o v a l o r recommendation o f t h e p r o d u c t t o t h e e x c l u s i o n o f o t h e r s which may a l s o be s u i t a b l e .
V O L . 2 1 . N O . 2, OCTOBER 1981 173
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