В патоке любого происхождения содержатся большие количества солей калия и кальция. В свекловичной патоке обнаружено свыше 100 мг/кг железа, 34 мг/кг цинка, 18 мг/кг марганца; в меньших количествах присутствуют кобальт (0.59 мг/кг), бор, медь и молибден. В тростниковой патоке найдены хром, олово, никель, барий, молибден, серебро, цинк, титан и кобальт — все в количестве менее 1 мг/кг, а в большем количестве — кальций, магний, кремний, железо и марганец. В обоих патоках присутствуют также катионы свинца, кадмия, ртути и мышьяка; причем их накопление отмечено в ходе технологического процесса. Например, свекла содержит 0.04 мг/кг мышьяка, а патока и белый сахар — 0.27 и 0.04 мг/кг соответственно. Неорганические анионы представлены в основном хлоридом и сульфатом. Лишь в незначительных количествах выявлены фосфат, нитрат и нитрит.
Патоки различного происхождения содержат примерно одинаковое количество глюкозы и фруктозы и переменные количества других моносахаридов: глицеринового альдегида, рамнозы, рибозы, фукозы, ксилозы, арабинозы и галактозы. ct-D-глюкосахариновая кислота (0.13%), найденная в свекловичной патоке, образуется, вероятно, из глюкозы при обработке свекловичного сока гидратом окиси кальция. Обе патоки имеют в своем составе дисахарид (рафинозу) и трисахарид (кестозу). Обнаружены также олигосахариды типа декстринов и пектиновые вещества. Сапонинов в патоке около 0.04 %. Меньше их в сахаре-сырце и в желтом сахаре. Имеются также фенольные гликозиды типа лигноуглеводных комплексов. Углеводная их часть гемицеллюлозного характера и включает альдобиуроновые кислоты.
Патока богата карбоновыми кислотами. Часть определяемых в ней кислот бактериального происхождения и накапливается при хранении. Найдены кислоты следующих классов: жирные одноосновные, двухосновные, непредельные и оксикислоты. Суммарное содержание их достигает 5 %. Неприятные вкус и запах мелассы обусловлены в основном жирными кислотами. Из них преобладает уксусная. В меньших количествах представлены все другие гомологичные жирные кислоты с прямой и разветвленной цепью: от муравьиной до гексановой. Фракция двухосновных кислот состоит из щавелевой и янтарной, содержание их невелико. Главная кислота свекловичной патоки — молочная (в среднем ее 1.9 %) — относится к классу α-оксикислот. Другие оксикислоты — глико-левая, яблочная и лимонная — составляют 0.3, 0.4 и 0.3 % соответственно. Среди органических кислот тростниковой патоки преобладает непредельная трехосновная аконитовая: на нее приходится до 40 % суммы кислот. Ее кальциево-магниевая соль придает мелассе повышенную вязкость.
В патоке обнаружено до 15 % азотистых веществ. В основном это аминокислоты. Из них триметиламиноуксусная кислота бетаин является основным несахарным компонентом мелассы. Его содержание обычно слегка превышает 5 %, но доля бетаина может быть значительно большей. Богата патока также глутаминовой кислотой (0.5 %) и продуктом ее циклизации — пирролидонкарбоновой кислотой (2.8 %). Из других свободных аминокислот преобладают аспарагиновая, лейцин, изолейцин, валин, аланин и глицин. В свекловичной патоке довольно много γ-аминомасляной кислоты (до 0.3 %). Выявлены небольшие количества полиэтиленполиаминов. В число азотсодержащих веществ меласс входят также гетероциклические соединения. Часть из них относится к окрашенным полимерным компонентам — меланоидинам. В числе мономерных гетероциклов найдены пурины и пиримидины. Главная составная часть — аденозин: в сухом веществе патоки его до 0.2—0.3 % Аденозин можно довольно просто выделить в чистом виде. Среди веществ, обусловливающих запах патоки, обнаружен ацетилпиррол.
Коричневая окраска мелассы и желтого сахара определяется тремя группами веществ: карамелями, меланоидинами и комплексами фенольных соединений с железом. Химически все эти типы веществ охарактеризованы плохо, что объясняется сложностью и вариабельностью их состава. Под карамелью понимают смесь высокомолекулярных химических соединений — продуктов термического превращения сахарозы. Меланоидины — азотсодержащие соединения, продукты реакции углеводов с аминокислотами и пептидами. Этот химический процесс, называемый реакцией Майяра, приводит к образованию азотных и кислородных гетероциклов, главным образом ряда пиррола и фурана. Предложено несколько способов разделения окрашенных соединений мелассы на фракции, что дало возможность составить общее представление о химической природе меланоидинов. Это очень сложная смесь веществ с молекулярной массой от 700 до 50 000 и более. У молекул полимерных меланоидинов линейное строение, они аморфны. Входящие в их состав азотные и фурановые гетероциклические ядра снабжены боковыми цепями из остатков углеводов и аминокислот.