Изменение химического состава зерна злаков при созревании
Обновлено: 15.09.2024
Химический состав зерна обусловливает его питательную ценность. В состав как продовольственного, так и кормового зерна входят различные органические и неорганические вещества, причем органических веществ значительно больше. Особенно важное значение имеют азотистые вещества — углеводы, жиры, ферменты, витамины. К неорганическим веществам относятся минеральные вещества (их определяют по количеству золы, получаемой при сжигании продукта) и вода.
Азотистые вещества. В основном состоят из белковых и небелковых азотистых соединений. Белковые азотистые вещества — сложные высокомолекулярные органические соединения, в которые входят углерод, кислород, водород, азот, фосфор и др. Эти соединения являются веществами, осуществляющими важнейшие биологические процессы в живом организме. Образуются белки из аминокислот, которых насчитывается более 40 видов, в том числе лизин, триптофан, метионин, лейцин, валин, треонин, фенилаланин и изолейцин, которые незаменимы для организма человека. Белки, содержащие указанные аминокислоты, называются полноценными.
В зерне злаковых и бобовых культур преобладают простые белки (протеины) и сложные (протеиды). Сложные белки содержатся в белках зародыша. Они делятся на нуклепротеиды (кроме простого белка, они содержат нуклеиновые кислоты, которые участвуют в передаче наследственных признаков) и липопротеиды (кроме белка, содержат липиды). Белки, входящие в состав злаков, в основном простые. К ним относятся альбумины, глобулины, проламины и глютелины. Содержание белка в зерне злаковых культур колеблется от 7 до 24%. Из этого количества около 80% приходится на долю проламинов и глютелинов. Эти белки в воде не растворяются, а при замесе теста из пшеничной муки образуют белковое вещество, называемое клейковиной, имеющей большое практическое значение для хлебопекарных свойств муки. Чем больше образуется клейковины и чем выше ее упругость, тем лучше будет хлеб, выпеченный из этой муки.
Небелковые азотистые вещества злаков представлены аминокислотами, амидами, алкалоидами, которые в большом количестве содержатся в недоразвитом и морозобойном зерне. В нормальном зерне их содержится не более 3%. Формируются они в зародыше и алейроновом слое.
Углеводы. Обширная группа органических соединений, включающая сахара, крахмал, клетчатку и др. Делятся углеводы на простые (глюкоза, фруктоза) и сложные (мальтоза, крахмал, клетчатка).
Большое значение в составе зерна имеет глюкоза, так как из нее формируются клетчатка, крамхал и другие вещества. При образовании теста глюкоза сбраживается дрожжами, выделяя углекислый газ, который при выпечке способствует образованию пористости хлеба. В большом количестве простые сахара содержатся в недозревшем и морозобойном зерне.
Крахмал — сложное органическое вещество, являющееся основной составной частью хлеба. Находится в большом количестве в зерне злаковых культур. _ Содержится в клетках эндосперма в виде крахмальных зерен, имеющих различную форму и размеры для каждой зерновой культуры. В горячей воде крахмал способен образовывать клейстер.
При разложении крахмала образуются декстрины, а затем сахара, которые способствуют брожению теста при приготовлении хлеба.
Клетчатка, или целлюлоза, — является веществом для построения стенок растительной клетки. В зерне она сосредоточивается в оболочках. Клетчатка не усваивается организмом человека, поэтому при переработке зерна в муку и крупу ее стараются выделить в основном с отрубями и мучкой.
Жиры — органические вещества, в состав которых входит углерод, водород и кислород. Большое количество жира (15—70%) содержится в семенах масличных растений, которые используются для получения растительного масла. В зерне злаковых и бобовых культур (за исключением сои и арахиса) содержание жира колеблется от 1,5 до 7%. Мука и крупа, выработанные из культур, содержащих большое количество жира (кукуруза, соя, овес, просо), в результате его прогоркания нестойки при хранении.
Пигменты. Относятся к красящим веществам и обусловливают окраску зерна. Наиболее распространены следующие пигменты:
- хлорофилл — зеленый пигмент, который содержится в листьях, в незрелых плодах, а иногда и в зрелых (зеленозерная рожь, зеленый горох). Пигмент имеет огромное значение в осуществлении процесса фотосинтеза в растениях;
- каротин — желтый или оранжевый пигмент. Содержится в пигментном слое семенной оболочки пшеницы. Каротин содержится в эндосперме многих (просо, кукуруза и др.) культур. В организме человека и животного каротин превращается в витамин А;
- ксантофилл — пигмент желтого цвета. Находится в эндосперме зерна, в семенной ободочке пшеницы и ржи;
- акеантин — пигмент желтого цвета. Содержится в желтозерной кукурузе;
- меланин — темно окрашенный пигмент. Обусловливает темный цвет ржаного хлеба при выпечке.
Витамины. Органические вещества, необходимые для регулирования процессов обмена веществ в организме человека и животных. Недостаток витаминов в пище ведет к заболеванию, которое называется авитаминозом. По сравнению с основными питательными веществами — белками, жирами, углеводами — витамины требуются в малых количествах. Для пополнения муки и комбикормов витаминами на предприятиях организуется процесс их витаминизации.
В настоящее время открыто и изучено много витаминов. Наиболее часто встречаются следующие:
- витамин А — способствует росту, повышает сопротивляемость организма к заболеваниям, улучшает зрение. В растениях содержится провитамин А — каротин;
- витамин B1 (аневрин) — укрепляет нервную систему. Его много в зародыше и алейроновом слое злаков;
- витамин B2 (рибофлавин) — отсутствие его приводит к нарушению окислительно-восстановительных процессов, вызывает воспаление слизистых оболочек и т. д. Обнаружен в зародыше зерна;
- витамин PP (никотиновая кислота) — отсутствие его вызывает болезнь пеллагру, которая проявляется в заболевании кожи (шершавая кожа) вследствие нарушения обмена веществ в организме. Этот витамин содержится в зерне пшеницы, ячменя, гречихи и других культур;
- витамин С (аскорбиновая кислота) — противоцинготный. В зерне злаковых много витамина С образуется при прорастании зерна;
- витамин D (антирахитический) — в зрелых семенах злаков его нет,. Ho он образуется в них при облучении ультрафиолетовыми лучами;
- витамин E — отсутствие его вызывает бесплодие. Он содержится в зародыше злаковых культур.
Ферменты. Сложные органические вещества, образующиеся в клетках живых организмов. В растении они играют роль биологических катализаторов, способствующих синтезу сложных органических веществ при созревании зерна и, наоборот, разложению сложных веществ до простых, растворимых в воде, при прорастании зерна. По своей природе ферменты белкового происхождения. Все ферменты обладают специфичностью действия. Каждому ферменту свойственно химическое вещество, на которое он действует. Например, фермент амилаза действует только на крахмал, сахараза — только на сахарозу, целлюлаза — только на целлюлозу и т. д.
Для ферментов характерна обратимость действия, т. е. один и тот же фермент может способствовать как синтезу сложных веществ из простых (фермент амилаза синтезирует крахмал при созревании зерна), так и разложению сложных веществ до простых (тот же фермент амилаза разлагает крахмал до сахаров при прорастании зерна).
Активность ферментов зависит от температуры, влажности и кислотности среды, в которой они находятся. С повышением температуры выше 50°С активность их, резко падает. Ферментативные процессы протекают более активно во влажной среде. Каждому ферменту свойственна оптимальная кислотность среды. Изменение кислотности снижает активность фермента.
Средний химический состав зерна и его отдельных частей. По содержанию основных химических веществ (крахмала, белка, жира) злаковые, бобовые и масличные-культуры резко отличаются. Злаковые культуры богаты крахмалом (55—78%), но бедны белком (в среднем 13%) и жиром (1,5—7,%).
Крахмал сосредоточен только в эндосперме. Белок содержится во всех частях зерна, но более богаты им зародыш, алейроновый слой и эндосперм.
Бобовые культуры богаты белком (20—40%). Содержание крахмала в них меньше, чем в злаковых культурах (20—60%). Масличные культуры богаты жиром (20—70%) и содержат мало крахмала (табл. 2).
Во время созревания злаков в их зерновках уменьшается количество воды и возрастает содержание сухих веществ. На разных этапах спелости — молочная, восковая и полная — воды в зерновках содержится соответственно 50-65, 25-40 и 13-15%. При созревании происходит отток пластических веществ из стеблей и листьев, в зерновках увеличиваются количество углеводов, белков, пентозанов и общая масса сухого вещества. Созревание зерновок сопровождается также существенными изменениями в нуклеиновом обмене.
У растений пшеницы с момента выхода их в трубку начинаются неуклонное уменьшение содержания органического азота в вегетативных частях и отток его к интенсивно развивающимся колосьям. По мере созревания колоса в листьях и соломе снижается абсолютное содержание клетчатки, гемицеллюлозы и лигнина, которые используются на синтез крахмала и гемицеллюлозы зерна. Этот процесс называется раздревеснением. Таким образом, накопление крахмала и гемицеллюлоз в созревающих семенах происходят не только за счет сахаров, образующихся в листьях в процессе фотосинтеза, но и за счет растворимых углеводов, которые синтезируются из клетчатки и гемицеллюлоз, содержащихся в клеточных оболочках листьев и соломы. Следовательно, увеличение общего урожая зерна, сопровождается постепенным уменьшением доли листьев и стеблей в нем (табл. 26).
При нормальных условиях созревания в начале формирования зерна синтезируются в основном белки, в то время как синтез крахмала протекает сравнительно медленно. Замечено, что в щуплом, недозревшем зерне относительное содержание белков, превышает содержание крахмала по сравнению с зерном в фазе полной спелости. Обычно в фазе молочной — начале восковой спелости происходит усиленный приток углеводов и повышается интенсивность синтеза крахмала в зерне. Поэтому соотношение \(\large \frac\) у злаковых культур увеличивается.
| Культура | Доля ассимилятов в наливе зерна, % | ||
| листья | стебли | колос (метелка) | |
| Пшеница | 50-60 | 25-35 | 12-20 |
| Рожь | 15-25 | 55-80 | 15-20 |
| Овес, ячмень | 25-35 | 15-25 | 40-50 |
При созревании зерна наблюдаются качественные изменения в белковом комплексе: уменьшается количество водо- и солерастворимых фракций белков и возрастает содержание спирто- и щелочерастворимых фракций; белок становится более устойчивым к действию протеолитических ферментов; содержание активаторов протеолиза (йодредуцирующих веществ) уменьшается; качество клейковины пшеницы, ржи, ячменя улучшается.
По мере созревания в зерне уменьшается содержание моносахаридов и сахарозы и увеличивается количество крахмала. Если в начале формирования зерна сахара составляют примерно 15-20% массы сухого вещества, то к периоду восковой и полной спелости зерна количество растворимых углеводов снижается до 2-3%. При созревании зерна уменьшается количество золы, изменяются ее качественный состав, соотношение между отдельными зольными элементами: увеличивается относительное количество фосфора, а калия, кальция и магния уменьшается. В период созревания зерна происходят также изменения в витаминном комплексе. Витамины, синтезируемые в листьях, перемещаются в зерно. Количество витаминов B1 и В2 возрастает в 1,5-2 раза, в то время как содержание каротина (провитамин А) уменьшается. Резко снижается содержание витамина С, а в зерне полной спелости его нет.
Параллельно с процессом перегруппировки веществ между отдельными частями растения происходят и морфологические изменения — изумрудно-зеленая окраска растения постепенно изменяется: сначала становится серой, потом начинает желтеть и наконец переходит в золотисто-желтую.
Основной процесс в созревающих семенах зерновых бобовых культур — синтез белков, крахмала, клетчатки. Исключение составляет соя, у которой в семенах образуется много жира и очень мало крахмала. Изучение соотношения показало, что у всех бобовых оно при созревании почти не меняется. Это связано с особенностями обмена веществ указанных растений (лучшая обеспеченность азотом и способность синтезировать большее количество белков). Бобовые накапливают значительно меньше крахмала и других углеводов, чем злаковые.
В семенах однодольных и двудольных растений, в эндосперме и семядолях непрерывно повышается абсолютное и относительное содержание белков, полисахаридов, запасных жиров: семена теряют воду, гидрофильность коллоидов уменьшается. Одновременно с уменьшением влажности семян при созревании увеличивается их абсолютная масса в 2,5-3 раза по сравнению с восковой спелостью. Ярко выраженная при созревании направленность обмена веществ в тканях семени обусловливается действием ферментов: они находятся в основном в связанном состоянии и действуют синтетически. Высокое содержание белковых веществ у гладкозерного гороха объясняется синтетической активностью протеиназ, которая значительно выше, чем у гороха с морщинистым зерном, вследствие чего в нем накапливается меньше белковых веществ.
В практике сельского хозяйства широко применяют раздельный способ уборки зерновых хлебов, который заключается в том, что растения скашивают в недозревшем состоянии и оставляют в валках; через несколько дней комбайн с подборщиком собирает валки и обмолачивает их. В скошенных растениях (в валках) питательные вещества передвигаются из листьев и стеблей в семена, в результате чего зерно созревает. Раздельный способ уборки экономически эффективнее: уменьшаются потери, повышается качество зерна. Обработка посевов зерновых в период восковой спелости раствором азотнокислого аммония ускоряет созревание на 5-7 дней.
Зерно и его потенциальные технологические свойства формируются в процессе развития под влиянием многочисленных факторов. Формирование технологических свойств зерна можно представить в виде схемы (рис. 1.1).
Сформировавшиеся свойства зерна оказывают определяющее влияние на многие процессы его послеуборочной обработки, хранения и переработки, но зачастую и сами изменяются в результате этих процессов. Поэтому знакомство с внешним (морфологией) и внутренним (анатомией) строением является началом глубокого познания процессов, происходящих в зерне. Морфология и анатомия плодов и семян составляют важную сторону технологической характеристики зерна.
Морфологическое и анатомическое строение зерна злаковых практически одинаково, за исключением некоторых особенностей. Ниже приводится морфологическое строение наиболее распространенной культуры - зерновки пшеницы (рис. 1.2).
Для описания морфологических особенностей зерна любой культуры приводят характеристику его формы, размеров, характера поверхности, окраски и других отличительных признаков.
Зерновка пшеницы имеет удлиненную, округло-овальную форму. В зерновке различают спинную и брюшную стороны. Ее выпуклая сторона называется спинкой, а противоположная, более плоская - брюшком. На брюшке имеется продольное углубление - бороздка. В нижней части спинной стороны зерновки находится зародыш. На противоположной верхней части зерновки имеется хохолок, состоящий из тонких волосков - выростов покровной ткани. Каждую из двух боковых сторон зерновки называют бочком.
У зерновки различают длину, ширину и толщину. Длина зерна (Д) - это расстояние между его основанием, или нижней частью, и верхушкой; ширина (Ш) - наибольшее расстояние между боковыми сторонами; толщина (Т) - расстояние между спинкой и брюшком зерновки. Соотношение между линейными размерами чаще всего соответствует условию Д Зерно Он-Лайн
Химический состав злаков зависит от сорта, почвенно-климатических условий, используемых удобрений, условий выращивания и не является постоянным для данной культуры.
Важная составная часть зерна __ вода. Зерно злаков в среднем содержит 14-15 % воды и 85-86 % сухих веществ.
Сухие вещества представлены углеводами, белками, жирами, минеральными веществами.
К углеводам относятся: крахмал, целлюлоза, гемицеллюлозы, пектиновые и гумми-вещества, растворимые сахара.
Основная масса углеводов приходится на крахмал. Он содержится в эндосперме и алейроновом слое. Крахмальные зерна на 97 % состоят из чистого крахмала (С6Н10О5)п и 3 % примесей – минеральных веществ, остатков фосфорной кислоты, белков. Чистый крахмал представлен двумя полисахаридами: амилозой и амилопектином. Содержание крахмала (в %) составляет: в пшенице – 60 - 65; ржи – 60-73; ячмене– 55-65; овсе – около 50; просе – около 60; рисе – 75-80 .
Гемицеллюлозы и гумми-вещества – высокомолекулярные полисахариды, содержатся, в основном, в периферийных частях зерна, ближе к оболочкам. Состоят из гексозанов (глюканы, галактаны, маннаны) и пентозанов (арабана, ксилана). Мономерами их являются глюкоза, галактоза, манноза, арабиноза и ксилоза. Дрожжами сбраживается только глюкоза и манноза. Гемицеллюлозы в воде нерастворимы, но растворяются в разбавленных щелочах.
Гумми-вещества не отличаются от гемицеллюлоз по строению, но имеют меньшую молекулярную массу. Поэтому растворяются в горячей воде и дают вязкие растворы. Меньше всего гемицеллюлоз содержится в рисе и просе (около 2 %), больше всего - в овсе – 13 %. В остальных зерновых культурах – 7-11 %.
Слизи содержатся в зернах некоторых злаков. Это – полисахариды, в большинстве случаев растворимы в воде. Состоят в основном из пентозанов. Больше всего содержится во ржи (до 3 %).
Левулезаны – полисахариды, которые состоят из остатков фруктозы. Содержатся в зернах ржи, пшеницы, овса в количестве 2-3 %.
Пектиновые вещества – входят в состав клеточных стенок. Содержание их составляет 1-2 %. При гидролизе дают галактуроновую кислоту и метиловый спирт.
В зерне злаков (преимущественно в зародыше) содержатся также свободные сахара в количестве от 2 до 5 %. Преобладает сахароза. Кроме этого содержатся фруктоза, рафиноза, глюкоза. Сахара используются зародышем в качестве питательных веществ.
Азотистые вещества – подразделяются на белковый и небелковый азот. Белковый азот входит в состав белков и полипептидов. Существует зависимость: чем больше белка в зерне, тем меньше крахмала. Количество белка в зерновых составляет от 7 до 20 %. Больше всего белка в пшенице, меньше всего в кукурузе и рисе (7-9 %). Белковые вещества сосредоточены в зародыше, эндосперме и алейроновом слое. Это резервные белки, ферменты. Белки делятся на простые и сложные.
альбумины – растворимы в воде;
глобулины - растворимы в солях;
проламины – растворимы в спирте;
глютелины – растворимы в щелочах.
Сложные белки – протеиды, наряду с белковой частью имеют небелковую группу.
Небелковый азот – аминный (представлен аминокислотами); аммиачный (солями органических кислот); минеральный (солями азотной кислоты); амидный (представлен амидами). Аминокислоты и другие формы небелкового азота являются питанием для дрожжей.
Суммарное содержание всех форм азота представляет собой общий азот. Азотистые вещества, которые при водной экстракции зерна переходят в раствор, называют растворимым азотом.
Жиры – содержатся, в основном, в зародыше и алейроновом слое. Используются зародышем как питательные вещества. Больше всего жира в овсе и кукурузе (до 5 %). В остальных зерновых культурах 2-3 %. Жир отрицательно влияет на сохранность зерна (прогоркает) и пеностойкость пива. Поэтому в пивоварении кукурузу используют только обезжиренную.
Минеральные вещества – содержатся от 1,5 до 6 %. Меньше всего во ржи. Больше всего в рисе. В основном это фосфаты.
Витамины – играют роль в поддержания жизненных процессов роста, брожения, в образовании ферментов. Содержатся в алейроновом слое и зародыше. Это витамины группы В, РР, биотин.
В зерне содержатся также ферменты, но их мало и находятся они в связанном состоянии.
Читайте также: