Факультет

Студентам

Посетителям

Биохимические свойства зерна

Биохимические свойства зерна определяются его химическим составом, распределением химических веществ по анатомическим частям зерна. Все физиологические процессы в зерне регулируются ферментативной системой, поэтому активность ферментов имеет важнейшее значение.

Изучение биохимических превращений, которые происходят в зерне во время его созревания, прорастания, хранения и переработки позволяет путем регулирования внешних условий повысить технологические достоинства и пищевую ценность зерна. Зерно, как и всякий живой организм, чутко реагирует на внешнюю среду, поэтому воздействовать на зерно нужно с учетом его физиологии.

Все химические вещества, входящие в состав зерна, можно разделить на органические и неорганические. К органическим веществам относятся белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, углеводы, жиры, витамины, пигменты. К неорганическим — вода и минеральные вещества.

Белки

Белок является важнейшей составляющей зерна. Белки входят в состав всех его клеток, а также являются частью всех ферментов.

Белки в зависимости от аминокислотного состава делятся на полноценные и неполноценные. Все белки зерна злаков бедны некоторыми незаменимыми аминокислотами, особенно лизином, поэтому не являются полноценными. Более полноценными являются белки гречихи. Еще больше незаменимых аминокислот содержат бобовые культуры. Тем не менее, лишь белки сои можно считать действительно полноценными. Однако по количеству белка первое место занимают бобовые.

Вместе с тем, зерно является одним из основных источников белка для организма человека и животных.

Белки зерна образуют вязкие коллоидные растворы, играющие важную роль в технологии производства муки и выпечки хлеба. Под влиянием различных факторов внешней среды (температуры, сильных кислот, щелочей, ионов тяжелых металлов) белки денатурируют, т. е. теряют свою природную структуру. Этот процесс используется в пищевой промышленности, например, при выпечке хлеба. Наибольшее технологическое значение имеет клейковина пшеницы — высокогидратированная вязкая масса, отмываемая водой из размолотого зерна или муки, которая на 70-80% состоит из белков — глютенина и глиадина в соотношении близком 1:1. При набухании клейковины с водой получается структура, способная удерживать свою форму в пространстве и во времени (тесто). Углекислый газ, образующийся при брожении теста, растягивает клейковину, тесто закрепляется в таком разрыхленном виде, и при выпечке хлеба формируется характерный хлебный мякиш.

Клейковина обладает комплексом физических свойств: упругостью, вязкостью, связностью, растяжимостью. От количества и качества клейковины зависит качество пшеничного хлеба. Наилучшей считается клейковина, которая обладает хорошей упругостью и растяжимостью. Если клейковина слабая, то тесто расплывается. Если же, наоборот, — крепкая, то тесто плохо поднимается, выход хлеба небольшой, со слабопористой структурой.

Качество клейковины зависит от сортовых особенностей зерна, почвенно-климатических условий выращивания зерна, химических и физических факторов, действующих на зерно (минеральные удобрения, сушка, кондиционирование зерна), условий хранения зерна, воздействия вредителей (например, повреждение зерна клопом-черепашкой) и др.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты представляют собой сложные полимеры из пуриновых или пиримидиновых оснований, сахара (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты.

Нуклеиновые кислоты выполняют в живой клетке (в том числе и в клетках зерна) функции хранения, реализации и передачи по наследству генетической информации.

В состав простетической группы сложных белков (нуклеопротеидов) входят РНК и ДНК. В зерне нуклеиновые кислоты и нуклеопротеиды в наибольшем количестве сосредоточены в зародыше.

Углеводы

Углеводы очень широко распространены в природе, в растениях их доля составляет до 85% на сухое вещество. В состав зерен и семян входят различные углеводы, прежде всего крахмал, клетчатка и сахара. Они являются основным источником энергии для живых организмов. Также играют важную роль в технологических процессах переработки зерна. К примеру, сахара и крахмал необходимы для хлебопечения. Сахара являются питательной средой для дрожжей в тесте. Крахмал определяет структуру теста, а также качество хлеба. Клетчатка, хотя и не усваивается организмом человека, но играет важную роль в питании, так как выводит ионы тяжелых металлов из организма и помогает процессу пищеварения.

Наибольшее количество углеводов содержится в злаках. Например, крахмала в зерне пшеницы — 65-75%, во ржи — 57-65%, в ячмене — 56-64% на сухое вещество.

Из моносахаридов присутствуют пентозы и гексозы. Особенно много пентоз в оболочках зерна. Из гексоз наиболее заметны глюкоза и фруктоза, но их довольно мало, всего 0,2%. Моносахаридов больше в проросшем и недозрелом зерне. Из дисахаридов содержатся сахароза и мальтоза. Причем мальтоза только в момент прорастания. На сахарозу приходится почти половина Сахаров зародыша. Кроме того, встречается и трисахарид — рафиноза.

Сахаров больше в зародыше. Так, доля сахара в зерне пшеницы составляет 1-2%, в горохе и фасоли — 4-7%, в сое — 4-15%. Сахара служат основным питанием зародыша.

Полисахариды — крахмал, клетчатка, слизи и гемицеллюлозы — важная часть зерна.

Особенно много крахмала в эндосперме злаков. Он откладывается в виде зерен различной формы и величины. Крахмал способен клейстеризоваться, что имеет значение при выпечке хлеба.

Клетчатка — является основным химическим веществом оболочек зерна. Она придает механическую прочность растениям, входя в состав клеточных стенок растений. В зерне пленчатых культур ее больше. Так, клетчатка в овсе составляет 9,5-10,2%, в просе — до 8%. В то время как в пшенице и ржи — всего 1,5-2,0%.

Гемицеллюлозы — это полисахариды с различным химическим составом, нерастворимые в воде и не усваиваемые организмом человека. В зерне пшеницы и ржи их содержится 8-10%, в основном в оболочках зерна.

Слизи представляют собой полисахариды, образующие с водой вязкие, коллоидные растворы. Во ржи их больше 2,7%), в пшенице меньше Быстрая набухаемость слизей используется при выпечке ржаного хлеба. При гидролизе образуют пентозы; кроме того, в них присутствует глюкоза, фруктоза и галактоза. Наличие слизей существенно осложняет переработку ржи в муку, в этом случае зерно является более вязкой при разломе.

Липиды

Наиболее важной группой липидов являются жиры, которые в живых организмах служат энергетическим материалом.

Жиры практически нерастворимы в воде, а растворимы в органических растворителях. Животные жиры обычно твердой консистенции, растительные жиры (масла), как правило, жидкие.

Жир — это сложный эфир трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. В его состав могут входить, как насыщенные, так и ненасыщенные жирные кислоты. В расти-тельных жирах (в частности в злаках) присутствуют ненасыщенные высокомолекулярные жирные кислоты: олеиновая, линолевая и линоленовая. Ненасыщенные жирные кислоты в свободном виде (т. е. после гидролиза жира) способны влиять на качество клейковины пшеницы, они уменьшают водопоглотительную способность клейковины и увеличивают ее упругость.

Под воздействием фермента липазы происходит гидролиз жиров зерна. В дальнейшем при участии другого фермента — липоксигеназы, а также под действием света и О2 воздуха окисляются ненасыщенные жирные кислоты до перекисей и гидроперекисей, которые затем превращаются в альдегиды и кетоны. Таким образом, происходит прогоркание жира, т. е. порча продуктов, при этом появляется неприятный запах и вкус.

Кроме жиров, в группу липидов входят фосфатиды, каротиноиды, стероиды, гликолипиды и воска.

Из фосфатидов наиболее важен лецитин, в котором в качестве азотистого основания содержится холин. В зерне пшеницы лецитин составляет 0,65%, ржи — 0,57%, кукурузы — 0,38%, льна — 0,88%, сои — 1,68%. Он играет важную роль в обмене веществ, регулируя проницаемость клеток. В пищевой промышленности его используют в качестве эмульгатора при производстве маргарина или шоколада.

В зерне встречается также фосфатид, или фитин. Он представляет собой соль инозитгексафосфорной кислоты. Фитин содержится в зерне злаков, конопляном и хлопковом жмыхе, фитиновая кислота образует с кальцием труднорастворимые соли, что препятствует усвоению человеком кальция.

Каротиноиды представляют собой высокомолекулярные углеводороды или их кислородные производные желтого или желто-оранжевого цвета Кремовый оттенок пшеничной муки связан с наличием каротиноидов.

Гликолипиды зерна образуют с белками клейковины комплексы и тем самым оказывают положительное влияние на хлебопекарные свойства пшеницы.

Восков в зерне мало. Они служат для образования пленки на зерне.

Ферменты

Ферменты — это биологические катализаторы белковой природы. В живом организме играют чрезвычайно важную роль, регулируя все биохимические процессы в клетке. Созревание, прорастание и дыхание зерна происходит с обязательным участием ферментов. Хранение и переработка зерна, выпечка хлеба, производство пива и других продуктов из зерна невозможны без участия ферментов.

Из ферментов класса оксндоредуктаз наибольшее значение имеют монофенол-монооксигеназа (тирозиназа), пероксидаза, каталаза, аскорбатоксидаза, липоксигеназа.

Тирозиназа окисляет тирозин, при этом образуются меланины. Темный цвет ржаного хлеба и потемнение макарон при сушке объясняются действием этого фермента.

Фермент пероксидаза окисляет с помощью перекиси водорода восстановленные вещества. Пероксидаза расщепляет также и перекись водорода. В дыхании зерна пероксидаза играет заметную роль. Она хорошо изучена у зародыша пшеницы.

Каталаза разрушает ядовитую для клетки перекись водорода. Она более активна, чем пероксидаза. В свою очередь, ее активность изменяется в зависимости от сорта, биологических особенностей, района и условий выращивания зерна.

Аскорбатоксидаза способствует превращению в зерне аскорбиновой кислоты в дегидроаскорбиновую. Фермент в своем составе содержит медь.

Фермент липоксигеназа катализирует реакцию окисления ненасыщенных жирных кислот и, прежде всего, линолевой и линоленовой. Так как липоксигеназа способна окислять каротиноиды, то ее можно использовать для отбеливания теста. Липоксигеназа вместе с липазой активно участвует в процессе прогоркания муки и крупы.

Из ферментов второго класса — трансфераз — в зерне пшеницы, овса и в горохе обнаружена гексокиназа. Она относится к фосфотрансферазам; ускоряет реакцию взаимодействия гексозы с аденозинтрифосфорной кислотой и образование гексозофосфата.

Третий класс ферментов — гидролазы — широко представлен в зерне и семенах: протеазы, амилазы, α-глюкозидаза.

Протеазы расщепляют белки и пептиды. Тиоловые протеиназы обнаружены в зерне пшеницы, ржи, в семенах фасоли. В состав несульфгидрильных растительных протеиназ входят ферменты, изученные в сое, горохе, ячмене, пшенице. Важное значение имеет наличие ингибиторов трипсина в сое, арахисе, ячмене, пшенице, овсе, рисе, кукурузе, просе. Поэтому из семян сои был получен ингибитор трипсина, являющийся по своей природе белком. Этот ингибитор обладает способностью подавлять активность пищеварительных ферментов человека и животных.

Фермент α-глюкозидаза (мальтаза) осуществляет гидролиз мальтозы. Значительное количество этого фермента содержится в солоде проса. Проросшее зерно проса добавляют к ячменному солоду при изготовлении мальтозной патоки.

Липаза относится к ферментам, вызывающим гидролиз жиров. Существуют две формы липаз: водорастворимый фермент и нерастворимый фермент. Липаза клещевины — нерастворимый в воде фермент, оптимум ее действия при рН 3,6. Липаза в злаках и многих масличных культурах — водорастворимый фермент; пик ее воздействия при рН 8. Активность липаз зависит от влажности зерна, а также от вида субстрата. Наибольшее значение для липазы имеет длина углеродной цепочки жирных кислот, которые входят в состав жира.

При хранении муки и крупы (особенно пшена) необходимо контролировать активность липазы. Действие этого фермента при хранении этих продуктов в условиях повышенной влажности приводит к их прогорканию и порче. Ферменты амилазы вызывают гидролиз крахмала. Амилазы имеют важное биологическое значение при созревании и прорастании зерна и семян. Ряд технологических процессов в пищевой промышленности основан на гидролитических превращениях крахмала под влиянием амилаз зерна.

Существуют три вида амилаз:

1. α-Амилаза (α-1,4-D-глюкан-глюканогидролаза), содержащаяся в проросшем зерне ржи, ячменя, пшеницы, а также в непроросшем зерне сорго и ржи. α-Амилаза гидролизует в крахмале а-1,4-плюкановые связи и действует беспорядочно.

2. β-Амилаза (α-1,4-D-глюкан-мальтогидролаза), последовательно отщепляющая в полисахаридах остатки мальтозы и действующая с нередуцирующих концов. β-Амилаза гидролизует α-1,4-глюкановые связи. Фермент содержится в зерне пшеницы, ржи, ячменя, в семенах сои.

3. Глюкоамилаза (1,4-α-D-глюкан-глюкогидролаза). При воздействии фермента на крахмал образуется, в основном, глюкоза. Глюкоамилаза содержится в плесневых грибах.

При совместном действии α- и β-амилаз крахмал гидролизуется на 95%. Продуктами гидролиза являются мальтоза, декстрины и глюкоза.

У амилаз оптимальное значение рН различно, так α-амилаза действует при рН 6,0, а β-амилаза — при рН 4,8. Кроме того, для β-амилазы оптимальная температура 51, а для α-амилазы 65°С. Более устойчива α-амилаза к воздействию высокой температуры.

Фермент фитаза встречается во всех злаках. Больше во ржи. Оптимум действия при рН 5,1 и температуре 35°С. Фитаза расщепляет соли кальция и магния инозитгексафосфорных кислот. Фитаза своим действием улучшает пищевую ценность хлеба, способствует лучшему усвоению организмом человека солей кальция.

К четвертому классу ферментов — лиазам — относится глутаматдекарбоксилаза. Этот фермент катализирует расщепление глутаминовой кислоты на СО2 и γ-аминомасляную кислоту. Глутаматдекарбоксилаза активна в зародышах злаков. Присутствует в зерне ячменя, ржи и пшеницы, в меньшей степени — овса.

Витамины

Многие витамины входят в состав ферментов в качестве коферментов. Таким образом, они принимают участие в обмене веществ живых организмов. Витамины играют важную роль в питании человека и животных. Недостаток, а равно и избыток витаминов приводят к возникновению серьезных заболеваний.

В зерне содержатся как водорастворимые витамины, так и жирорастворимые.

К водорастворимым витаминам зерна относятся: тиамин (B1), рибофлавин (В2), ниацин (РР), пиридоксин (В6), биотин (Н), аскорбиновая кислота (С), пантотеновая кислота (В12), миоинозит.

Больше всего витамина В1 в отрубях, в муке высшего сорта его совсем мало. В зерне злаков витамина В2 меньше, чем витамина B1. Много витамина РР в пшеничных отрубях. Витамин присутствует в зерне пшеницы, ячменя, овса, кукурузы, проса и др. Витамина Н в зерне ячменя содержится 6-12 мкг/г, в пшеничном хлебе — 4,8 мкг/г, в горохе — 18,0 мкг/г, в сорго — 20,0 мкг/г Аскорбиновая кислота образуется в зерне с момента прорастания. Витамин С содержится в солоде. Пантотеновая кислота (В3) входит в состав всех зерен и семян. Миоинозит содержится в зерне в форме фитина. Особенно много его в отрубях злаков и хлопчатниковом жмыхе. Для водорастворимых витаминов характерно неравномерное распределение их по зерну.

Жирорастворимые витамины представлены в зерне витамином D, Е и каротиноидами (провитамины А).

Такими образом, зерно содержит в своем составе почти все витамины, необходимые человеку.

Пигменты

Пигменты участвуют в обмене веществ растений. Они определяют окраску зерна, так как другие его вещества либо бесцветны, либо белые.

Различают пигменты, растворимые в жирах — хлорофилл и каротиноиды, и растворимые в воде — антоцианы, флавоны и флавоноиды. Также в плодах и семенах присутствуют пигменты, которые образовались вследствие окисления некоторых веществ зерна — это меланины и меланоидины.

Хлорофилл — зеленый пигмент, обычно присутствует в не-дозрелых плодах и семенах, но и созревшее зерно, например, ржи сохраняет хлорофилл. Этот пигмент играет важную роль в процессе фотосинтеза в растениях.

Каротиноиды придают желто-оранжевую окраску, определяют цвет оболочек зерна и семян.

Антоцианы —— пигменты синего, фиолетового, либо красного цвета.

Флавоны — пигменты желтого, либо оранжевого цвета. Флавоны и антоцианы объединены в группу флавоноидов.

Флавоноиды представляют собой химические вещества фенольной природы.

Меланоидины в зерне образуются в результате взаимодействия восстанавливающих Сахаров с аминокислотами, либо белками. Золотистая корочка пшеничного хлеба — следствие меланоидинообразования.

Меланины представляют собой темные пигменты — продукты окисления ароматических аминокислот, прежде всего тирозина, при участии фермента тирозиназы. Этот процесс обуславливает темный цвет ржаного хлеба.

Пигменты обычно сосредоточены в одной какой-либо анатомической части зерна. Поэтому окраска зерна может быть использована для оценки его качества.

Минеральные вещества

Минеральные вещества зерна входят в состав золы, полученной в результате полного сгорания размолотого зерна при температуре 750-850°С. Зольность имеет разное значение, как для отдельных анатомических частей зерна, так и для разных культур. Больше всего минеральных веществ сосредоточено в оболочках, алейроновом слое зерна пшеницы, а также в зародыше. Зольность зерна пленчатых культур выше, чем голозерных.

В золе злаков главным элементом является фосфор, очень много также калия и магния. Кальция в золе содержится крайне мало.

Наличие минеральных веществ в продуктах из зерна влияет на их пищевую ценность и определяет технологические свойства зерна. Количество минеральных веществ в зерне изменяется в широких пределах и зависит от почвы, климата, вносимых удобрений, сорта и вида растения.

Вода

Вода имеет огромное значение для живого организма, в том числе и для зерна. Она участвует во всех биохимических процессах и создает среду для биохимических реакций.

Количество воды является важнейшим показателем качества зерна. Оно влияет на хранение и переработку зерна.

В зерне принято различать свободную и связанную влагу. Влажность зерна — это процентное содержание воды в зерне. Определение влажности стандартным методом позволяет учитывать содержание в зерне свободной воды и лишь частично связанной воды.

Зерно обладает гигроскопичностью, вследствие чего влажность зерна легко изменяется. Зерно может отдавать влагу в окружающую среду, равно как и поглощать пары воды. Может наступить и равновесная влажность, при которой давление паров воды в зерне равно давлению паров в окружающей среде.

Зерно злаков имеет значение критической влажности, равное 14,5-15,5%. Все процессы в зерне активизируются именно в этом интервале влажности. Значение критической влажности для зернобобовых культур выше, а для масличных культур ниже 14,5-15,5%.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: