Материал: Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П. - Биохимия зерна и хлебопродуктов

ГЛАВА 9

валенол (ДОН), зеараленон (Зл), ниваленон (НИВ), токсин Т-2 и их производных а также другие токсины. Токсичные эле-

менты могут накапливаться в зерне в результате разрушений при обработке растений в поле гербицидами, средствами борь- бы с вредителями и болезнями, хлебных растений. То же са-

мое возможно с обработкой зерновых запасов фумигантами (хлорпикрином, фосфином и др.) с целью борьбы с вреди- телями хранения.

Настораживает тот факт, что за последние десять лет со- держание токсичных элементов в продуктах питания возрос- ло в 2—3 раза. Определено их фоновое содержание в зерне пше- ницы (мг/кг): меди — 3,5—6,5, цинка — 18—61, свинца и кадмия — 0,02—2, мышьяка — не более 0,05, ртути — не более 0,025. Выявлено влияние района выращивания на содержа- ние меди и цинка в зерне пшеницы.

При переработке зерна пшеницы в муку наблюдается перераспределение токсичных элементов. В муке высшего сор- та содержание меди, цинка, свинца и кадмия снижается в 2—4 раза по сравнению с исходным зерном. Максимальное содер- жание токсичных элементов в отрубях: меди 19,0 мг/кг, цинка 160 (в зародыше), свинца 1,16, кадмия 0,178 мг/кг.

§ 2. ВЛАГА В ЗЕРНЕ

При формировании зерна в колосе, его хранении и перера- ботке вода выполняет многие функции с изменяющейся ин- тенсивностью и глубиной воздействия на зерно, как в целом, так и на его отдельные части — вода:

—растворитель большинства органических и неорганичес ких соединений в зерне;

—среда, в которой реализуются почти все физико-хими ческие и биохимические процессы;

—активный участник этих процессов;

—активатор ферментных процессов; —- составная часть природных полимеров и большинства

других органических соединений;

—обязательное условие и транспортный агент при перено се веществ зерна через все виды мембран, передвижения их в

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЛАГА, КИСЛОТНОСТЬ ЗЕРНА

пределах клетки и в межклеточном пространстве, а также меж- ду тканями хлебного растения, зерна и семян.

Для каждой из этих функций характерен свой механизм, количественная мера и свое биологическое значение. Во-пер- вых, состояние и влияние на качественно-технологическое достоинство по физическим показателям: морфолого-анато- мические признаки, масса 1000 зерен, натура, стекловидность, прочность и твердость, аэродинамические особенности. Во- вторых, биохимические процессы зерна: ферментативная ак- тивность дыхания, всхожесть и энергия прорастания, разви- тие микрофлоры.

Влага в зерне имеет большое значение для его качественной оценки, хранения. Хранение зерна и все виды его переработки теснейшим образом связаны с содержанием влаги. Она — важ- нейший фактор сохранности зерна. Влага обеспечивает струк- туру коллоидов цитоплазмы, определяет конформацию и фун- кциональную активность ферментов, а также структурных белков клеточных мембран и органоидов.

Увлажнение изменяет физические свойства зерна, снижает сопротивление раздавливанию, повышает эластичность обо- лочек. При высокой влажности затрудняется дробление, по- вышаются затраты электроэнергии, снижается выход готовой продукции, снижается ее качество. Сушку — важнейший спо- соб обработки зерна при хранении и переработке его в муку, крупу и другие продукты — организуют с учетом содержания влаги в зерне. Развитие микроорганизмов, а также клещей, на- секомых и других вредителей, жизнедеятельность которых приводит к большим потерям зерна, связано с содержанием влаги в зерне.

Увлажнение вызывает или ускоряет многие физико-хими- ческие и биологические процессы (набухание, гидролитиче- ское расщепление высокомолекулярных веществ, дыхание), усложняющие хранение и переработку зерна. Если не принять необходимых мер, эти процессы приводят к ухудшению каче- ства зерна и даже к полной его порче. Влага на разных этапах

биохимических превращений в зерне обладает неодинаковой реакционной способностью. Различная степень готовности влаги вступать в те или иные биохимические реакции — след-

ГЛАВА 9

ствие разной величины прочности ее связи с тканями зерна. Если в сухом зерне эти процессы выражены настолько слабо,

что практически с ними при хранении и переработке можно не считаться, то при увлажнении они становятся решающими для технологического достоинства и качества зерна.

С повышением влажности зерна активность ферментов возрастает. Чем больше влаги, тем менее прочно она связана с сухими веществами зерна и тем легче протекают ферментатив- ные реакции. Влага в зерне — могучий фактор всех биологи- ческих и физико-химических процессов, а также технологи- ческого достоинства зерна.

Форма и виды связи влаги с сухими веществами зерновки,

распределение по отдельным ее тканям и частям оказывают решающее влияние на состояние зерна, весь комплекс про- цессов, происходящих в нем, сохранность, переработку и пи- щевое достоинство. В основе современных представлений о формах и видах связи влаги с материалом лежит предложен- ный П.А. Ребиндером термодинамический принцип—величи- на энергии этой связи, развитый Е.Д. Казаковым применитель-

но к живым растительным тканям с учетом роли воды в жизнедеятельности клетки. При работе с зерном обычно учи- тывают равновесную, гигроскопическую и критическую влаж- ность. Различают также влагу свободную и связанную.

Под свободной понимают влагу, отличающуюся невысокой энергией связи с тканями зерна, легко из него удаляемую. На- личие свободной влаги обусловливает значительную интенсив- ность дыхания и других биохимических процессов, приводя-

щих к быстрой порче зерна при хранении и ухудшающих его физико-механические свойства.

Под связанной понимают влагу, характеризующуюся высо- кой энергией связи с тканями зерна, при которой все процес- сы в зерне затухают и оно становится стойким при хранении. Связанная влага имеет ряд особенностей: по сравнению с ка- пельно-жидкой водой у нее более низкая температура замер- зания (до —20 °С и ниже); теплоемкость меньше [достигает 0,3 ккал/кгтрад, или 1256 м2 с-2/град]; пониженная упругость пара; большая теплота испарения; резко уменьшенная спо- собность растворять твердые вещества. Удалить всю связанную

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЛАГА, КИСЛОТНОСТЬ ЗЕРНА

Таблица 57

Равновесная влажность зерна различных культур при температуре 12—25 °С

* Равновесная влажность определена при температуре 20 °С

влагу невозможно, так как это сопряжено с разрушением тка- ней зерна.

Влажность зерна, определяемая приборами, которая вхо- дит в стандарты, представляет собой содержание физически связанной с тканями зерна влаги, удаляемой в конкретных ус- ловиях ее определения. В нее входит вся свободная влага и часть связанной. Влажность, ниже которой биохимические процес- сы в зерне резко ослабляются, а выше которой начинают бур- но нарастать, называют критической. Это состояние зерна, при котором появляется свободная вода, т. е. вода с понижен- ной энергией связи, обеспечивающей интенсификацию фер- ментативных процессов. Для зерна основных злаковых куль- тур критическая влажность находится в пределах 14,5—15,5%. Для семян масличных культур она значительно меньше в свя- зи с большим содержанием липидов.

Гигроскопическая влага — это влага, поглощенная (сорби- рованная) зерном из воздуха. Равновесная влага — это влага, содержащаяся в зерне в таком количестве, которое соответ- ствует данному сочетанию относительной влажности и тем- пературы воздуха (табл. 57).

Если поместить зерно в замкнутое пространство, в кото-

ром создана определенная относительная влажность воздуха (например, 85%), то сухое зерно будет поглощать водяные пары и увлажняться. Наступает состояние, когда зерно пере-

стает сорбировать влагу и его влажность будет равновесна влажности окружающего воздуха. Если поместить влажное

ГЛАВА 9

зерно в сухой воздух, оно будет подсыхать до тех пор, пока влажность зерна не придет в равновесие с влажностью возду- ха. Влажность зерна, соответствующая состоянию равнове- сия, называют равновесной.

При равновесном влагосодержании упругость паров в капиллярах зерна равна упругости в окружающем воздухе. Ко-

личество гигроскопической и равновесной влаги зависит от ряда условий, из которых основные: химический состав и фи- зическая структура зерна; способ достижения равновесия (ув- лажнение или высушивание); величина исходной влажности и характер предварительных воздействий на зерно (многократ- ность увлажнения и высушивания, механические повреж- дения); степень зрелости зерна и т. д.

На величину равновесной влажности оказывает влияние температура: при одной и той же относительной влажности воздуха более высокой температуре отвечает более низкая рав- новесная влажность зерна, и, наоборот, сниженная темпера- тура приводит к повышению равновесной влажности зерна. Мелкое зерно при равных условиях быстрее и больше погло- щает гигроскопической влаги, чем крупное. Это объясняется тем, что мелкое зерно имеет большую относительную поверх- ность, чем крупное.

Зерно с большим содержанием белка поглощает больше водяных паров, хотя и ненамного. Резко различающиеся про-

бы по содержанию белка зерна пшеницы имели разницу по влажности не более 0,7%. Воздействие температуры наруж-

ного воздуха на зерновую насыпь проявляется постепенно и сопровождается ослаблением — «затуханием» по мере про- никновения в глубь зерновой насыпи. Колебания температу- ры воздуха образуют температурные волны: суточные — от бо- лее низкой температуры (минимум) ночью к более высокой температуре (максимум) днем и годовые — от зимнего мини-

мума к летнему максимуму с соответствующим изменением относительной влажности воздуха и его влиянием на равно- весную влажность зерна.

Относительная влажность воздуха и его температура влия- ют на равновесную влажность зерна и в поле. В утренние часы уборки урожая зерно более влажное, чем собранное в дневные

__________МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЛАГА, КИСЛОТНОСТЬ ЗЕРНА

часы. При уборке пшеницы комбайном с 6 до 7 ч утра зерна с влажностью до 14% было 47%, с 9 до 10 ч —76, с 12 до 13-99%.

В производственных условиях хранения зерна наблюдается явление термовлагопроводности — перемещения влаги, выз- ванного градиентом температуры. В этих условиях влага пере-

мещается из мест более нагретых по направлению к слоям или участкам зерновой массы более холодным. Одновременно

влажность отдельных участков зерна в том же направлении изменяется под влиянием конвективных потоков воздуха, не- сущих с собой пары влаги.

При хранении и переработке зерна его часто увлажняют капельно-жидкой влагой, что приводит к весьма важным из- менениям (например, при гидротермической обработке при подготовке зерна к помолу). Поглощение зерном капельно- жидкой влаги изучалось многими исследователями. В погло- щении влаги участвует вся поверхность зерна, поглощение про- исходит с неодинаковой интенсивностью. В наибольшем количестве влага поглощается зародышем и в наименьшем — бороздкой (табл. 58).

Таблица 58

Увеличение влажности при погружении зерна ржи в воду при температуре 25 °С, % от сухого вещества

ГЛАВА 9_______________________________________________________________

Таблица 59

Поглощение воды эндоспермом по отношению к массе сухих веществ озимой пшеницы Ферругинеум 1239 при температуре 17—18 °С, %

Общее количество воды, поглощенное пшеничным зерном, распределяется (%):

Если за 100 взять скорость движения воды через эндосперм (23,8 мл/см2ч), в среднем она составит: через пигментный слой — 3, гиалиновый — 69 и алейроновый — 103.

Эндосперм поглощает воду неравномерно: наиболее энер- гично спинная часть и в наименьшей степени со стороны хо- холковой части (табл. 59). На скорость поглощения воды зер- ном большое внимание оказывает температура. Интенсивность

поглощения воды зерном при его увлажнении увеличивается с повышением температуры, в особенности свыше 40 °С.

Процесс набухания зерна, относящегося к капиллярно-по- ристым телам, имеет свои особенности, вытекающие из его

биологической природы и усложняющие поведение воды при ее проникании в ткани зерна. Поглощение влаги вначале про- исходит с выделением тепла и контракцией системы в резуль- тате присоединения адсорбционной воды. Затем присоедине-

ние воды идет путем осмотического проникания ее внутрь замкнутых ячеек капиллярно-пористого тела без выделения тепла и контракции системы. Вода в клетки тканей зерна про- никает не только под влиянием физических законов, но и био- логических сил, проявляющихся в действии тонких клеточ- ных механизмов, регулирующих поступление воды внутрь и выведение ее за пределы клетки. Наконец, поглощенная вода

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЛАГА, КИСЛОТНОСТЬ ЗЕРНА

включается в биологический обмен веществ в клетке, ведущий к динамическому изменению физических, химических и тех- нологических свойств зерна.

Большая часть веществ, входящих в состав зерна, способна к ограниченному набуханию в воде. К ним относят: большин- ство белковых веществ, крахмал, клетчатку, пентозаны, слизи и другие высокомолекулярные углеводы. Не набухают в воде и не растворяются в ней гидрофобные вещества— жиры и дру- гие липиды, растворимые в жирах пигменты, каротиноиды, хлорофилл, жирорастворимые витамины и др. Часть веществ зерна растворяются в воде (сахара, свободные аминокислоты, фосфаты, большинство левулезанов и др.). Белковые вещества, набухая, могут поглотить воды до 250% и более, крахмал — 30— 35, слизи - до 800%.

Вещества, способные к набуханию в воде, составляют в зер-

не пшеницы 80—85%, ржи — 72—75%.

§3. КИСЛОТНОСТЬ ЗЕРНА

Всостав зерна входят вещества, которые в водных раство- рах диссоциируют с образованием ионов водорода и гидрокси- ла. Таким образом, зерно способно связывать кислоту и ще- лочь.

Способность связывать щелочь зависит: от белков, кото- рые содержат карбоксильные группы, связывающие щелочь; от жирных кислот, которые освобождаются в результате рас- щепления жиров под действием триацилглицерол-липазы; от фосфорной кислоты, которая в виде различных соедине- ний содержится в зерне в значительном количестве; от уксус- ной, молочной, яблочной и других органических кислот,

обычно содержащихся в зерне и муке в незначительном количестве. Наибольшее количество щелочи связывают бел- ки и неорганические фосфаты.

Кислоту связывают в основном белковые вещества и фос- фаты. Фосфаты играют заметную роль в кислотности зерна. Соединения кислого характера несколько преобладают, по- тому водные вытяжки (например, из зерна пшеницы и пше- ничной муки) имеют слабокислую реакцию (рН 6).

ГЛАВА 9

Для оценки кислотности зерна обычно не применяют определение активной кислотности вследствие большой бу- ферной способности веществ, входящих в состав зерна, в свя- зи с чем концентрации водородных ионов суспензий или вод-

ных вытяжек изменяются в узких границах и не отражают истинного качества зерна.

Качество зерна более полно характеризуется показателями так называемой титруемой кислотности. Она измеряется гра- дусами кислотности.

Градус кислотности равен одному миллилитру нормальной щелочи, пошедшей на нейтрализацию 100 г размолотого зер- на (муки).

Для определения кислотности зерна применяют водную болтушку (суспензию) размолотого зерна, а также водную, спиртовую и эфирную вытяжки.

Если водная болтушка позволяет определять суммарную кислотность с учетом всех связывающих щелочь веществ, то тит- рованием вытяжек устанавливается только та часть этих ве- ществ, которая способна перейти в тот или иной растворитель.

Несмотря на некоторые недостатки (трудность установле- ния окончания титрования, частичное адсорбирование щело- чи поверхностью твердых частиц суспензии), для производ-

ственного контроля качества зерна и готовой продукции наиболее приемлемым оказалось титрование водной болтуш- ки. Нормальное, созревшее здоровое зерно пшеницы имеет кислотность по болтушке не более 3°.

Большинство биохимических процессов в зерне, муке и кру- пе при хранении сопровождается накоплением кислых про- дуктов.

В результате самосогревания или прокисания зерна, муки и крупы значительно увеличивается содержание уксусной и мо- лочной кислот.

После размола или при порче зерна начинается гидролиз жира под влиянием триацилглицерол-липазы. В результате накапливаются свободные жирные кислоты. Они частично растворяются в воде, вступают в реакцию со щелочными фос- фатами и переводят их в кислые фосфаты. Свободные жир- ные кислоты и появившиеся кислые фосфаты повышают кон-

МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ВЛАГА, КИСЛОТНОСТЬ ЗЕРНА

центрацию водородных ионов — размолотое зерно (мука) ста- новится более кислым.

Очень чувствительным показателем свежести муки и кру- пы является кислотность спиртовой и эфирной вытяжек, так как в них переходят жирные кислоты, отщепляющиеся при гидролизе жира.

Значительным источником кислотности зерна и продуктов его переработки являются фосфатиды и фитин, выделяющие под воздействием ферментов фосфорную кислоту.

По величине кислотности можно судить о степени свеже- сти зерна и муки.

Установлено, что после 11 лет хранения зерна пшеницы имели кислотность 4,1°, а зерна ржи после 14 лет хранения — 5,7°. Из обеих партии зерна изготовлен хлеб удовлетворитель- ного качества. Надо отметить, что один показатель кислотно- сти недостаточен для оценки качества зерна.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какова классификация минеральных веществ, входящих

всостав зерна и их значение для процессов, происходящих в зерне?

2.Что такое зольность зерна, ее величина, состав, производст венное значение?

3.Каковы особенности распределения зольности по анатомическим частям зерна, какое это имеет значение?

4.В чем заключаются недостатки зольности как показателя выхода сортовой муки и ее качества?

5.Чем обусловлено накопление в зерне токсичных веществ?

6.Что такое влажность зерна, каково ее значение для его хранения и переработки?

7.Чем различаются и какое имеют значение разные виды воды в зерне — связанная, гигроскопическая, равновесная?

8.От чего зависит кислотность зерна, как она изменяется при его хранении, какое имеет значение, какими методами ее определяют?

9.Какая разница в кислотности, определенной по водной, спиртовой и эфирной вытяжке?