Строение зерна и его химический состав

Производство зернового сырья, подвергнутого хранению, а также продуктов его переработки: крупы, муки, сухих завтраков, пищеконцентратов первых и вторых блюд на основе крупяных продуктов и комбикормов занимает одно из ведущих мест в мукомольной, хлебопекарной и пищеконцентратной промышленности.

Развитие пищевой промышленности Украины характеризуется интенсификацией технологических процессов всех перерабатывающих отраслей. Этот процесс сопровождается концентрацией и специализацией производства на базе более совершенной технологии, оснащением предприятий современным оборудованием.

Применение для пищевых производств различных машин и аппаратов связывает технические дисциплины с технологией производства пищевых продуктов. Поэтому специалистам, занятым конструированием или эксплуатацией оборудования пищеперерабатывающих предприятий, необходимо знать основы технологии пищевых производств.

Зерно всех злаковых культур имеет примерно оди­наковое строение, которое можно рассмотреть на примере зерна пшеницы. Форма его овальная. Выпуклая сторона его называется спинкой, противоположная — брюшком. Вдоль брюшка проходит выемка (борозд­ка). На остром конце зерна имеется опущение (бо­родка), а на тупом — зародыш.

Плодовая оболочка защищает зерно и покрывает его снаружи. Плодовые оболочки содержат много клетчатки, лигнина, пентозанов, минеральных солей, которые составляют 5-6% от массы зерна. Организмом плодовые оболочки не усваиваются.

Она состоит из четырех слоев полупрозрачных клеток.

 

Рис. 8.1 - Продольный разрез зерна пшеницы:1 – хохолок, 2-4 - плодовые и семенные оболочки; 5 - алейроновый слой; 6- эндосперм; 7- щиток; 8 - зародыш.

Семенная оболочка состоит из трех слоев клеток, составляют 6-8% массы зерна. Они более богаты минеральными, азотистыми веществами, сахарами, и в них меньше клетчатки, пентозанов. Пигмен­тный слой семенной оболочки придает зерну соответ­ствующую окраску.

Оболочки плодовые и семенные ухудшают то­варный вид муки и крупы, пищевую ценность, кон­систенцию, поэтому при получении муки и крупы их отделяют.

Внутренняя часть зерна - эндосперм, или мучнистое ядро, составляет 80-82% массы зерна, является самой ценной его частью для получения муки и крупы. Все ценные продукты переработки зерна получают из эндосперма.

Состоит в основном из крахмала и белков, содержит небольшое количество сахара, жира, витаминов и очень мало минеральных веществ.

Зародыш составляет в среднем 3% массы зерна. Содержит много белков, жиров, сахаров, витаминов, ферментов. Однако при переработке его удаляют, так как жир в процессе хранения прогоркает, вызывая порчу продуктов переработки зерна — муки и крупы.

Внешний (алейроновый) слой, примыкающий к семенной оболочке - составляет 4-13,5% от массы зерна, содержит большое количество белков, жиров, сахаров, минеральных веществ, витаминов, но эти ценные вещества почти не усваиваются, так как клетки, в которых они нах­одятся, покрыты толстыми оболочками из клетчатки. При шлифовке зерна алейроновый слой отделяют вместе с оболочками.

Семена бобовых растений состоят из зародыша и двух семядолей, практически не имеют эндосперма. Семя защищено плотной семенной оболочкой, внешняя часть ее покрыта кутикулой — тонкой пленкой, состоящей из кутина.

Семена подсолнечника и сои состоят в основном из зародыша с одним рядом клеток эндосперма, защищены семенной оболочкой.

Химический состав зерна

 

Состав отдельных частей и зерна в целом зависит от ботанических признаков (вида, разновидности, селекционного сорта), условий произрастания (климатических условий, состава почвы, удобрений, полива), степени созревания и др.

Средний химический состав зерна различных видов может различаться по содержанию белка, углеводов, жиров, минеральных веществ, витаминов.

Вода входит в состав зерна, является обязательным условием и активным участником всех реакций на этапах созревания, хранения и переработки зерна.

В сухом зерне составляет 12-14% и находится в связанном состоянии. Связанная влага образует химические связи с тканями зерна и не удаляется при сушке. Она не инициирует биохимические процессы, и зерно является стойким при хранении. Свободная вода, легко удаляемая из зерна ведет к повышению активности биохимических процессов. Свободная вода ухудшает сохраняемость зерна.

Углеводов в злаковом зерне содержится до 70%, в зерне бобовых — до 55% (в сое до 26%), в подсолнечнике — 16%.  В состав углеводов входят: крахмал (до 40-55% массы зерна), сахар, клетчатка, гемицеллюлоза — пентозаны и гексозаны. Гранулы крахмала зерна могут иметь различную форму и размеры, при нагревании в воде они набухают и образуют крахмальный клейстер (при 62,5 °С - пшеничный крахмал, при 55 °С — ржаной). 25% пшеничного и кукурузного крахмала составляет амилоза (неразветвленные остат­ки глюкозы) и 75% — амилопектин, сильно разветвленные молекулы которого и есть основа клейстера.

В состав слизей (гумми) входят растворимые в воде полисахариды, образующие вязкие и клейкие рстворы. Такие как пентозы — арабиноза и кси­лоза, а также глюкоза, некоторое количество фруктозы и галактозы. В зерне ржи слизей больше (2,5-7,4% сухого вещества), чем в пшенице.

Левулезаны составляют до 0,3% сухого вещества пшеницы и представляют собой полисахариды, обра­зованные из остатков левулозы (фруктозы). В зерне ржи левулезаны составляют до 1,5% сухого веще­ства. Цветная реакция (реакция Селиванова) на фрук­тозу позволяет определить примесь ржаной муки в составе пшеничной. Для этого пробу муки нагрева­ют с крепкой соляной кислотой и резорцином. При большой концентрации левулезаиов образуется крас­но-бурый осадок.

Усвояемые углеводы — крахмал и простые саха­ра — основные источники энергии для организма человека. Неусвояемые углеводы, называемые балласт­ными веществами, — клетчатка и гемицеллюлоза -находятся преимущественно в оболочке зерна. Чем лучше очищено зерно, тем белее мука и хлеб и мень­ше в них клетчатки. Однако балластные вещества не­обходимы в составе пищи, так как они улучшают пе­ристальтику и нормализуют кишечную микрофлору. Поэтому в диетическом питании используется хлеб из целого дробленого зерна с содержанием клетчатки до 2% и муки грубого помола,

Белки составляют от 10 до 14% в зерне злаков и 20-35% в зерне бобовых, в основном это проламины и глутелины. При сравнении реального белка с иде­альным полноценным (таким является белок кури­ного яйца, молока), содержащим все необходимые че­ловеку незаменимые аминокислоты в оптимальных количествах на грамм белка, принято для дефицит­ной в реальном белке аминокислоты подсчитывать процент от содержания ее в идеальном полноцен­ном белке (т. е. скор). Скор каждой незаменимой аминокислоты в идеальном белке принимают за 100%.

В белке пшеничного хлеба мало лизина (скор 41%) и треонина (скор 72%), следовательно, белок хлеба неполноценный. В белке гороха недостает при­мерно трети метионина и цистина.

Тем не менее главное достоинство гороха и фасоли — большое со­держание биологически ценного белка (от 20 до 23%).

По аминокислотному составу белки ржи богаче, чем пшеницы, многими незаменимыми аминокислотами, осо­бенно лизином, и имеют большую питательную ценность.

Белки пшеничной муки хорошо поглощают воду и набухают, образуя тесто. Основную часть теста со­ставляет клейковина.

Клейковиной называют упругий, эластичный и связанный студень, остающийся после отмывания в воде куска теста от крахмала и частиц оболочек зер­на. Клейковина состоит в основном из белков — рас­творимого в спирте глиадина и растворимого в щело­чах глютенина.

При увлажнении муки образуется сплошная упругая сетка из набухших и переплетенных молекул глиадина и глютенина, скрепленных водородными дисульфидными, солевыми и другими связями. Внут­ри сетки заключена вода — сырая клейковина содер­жит до 65% воды. При обезвоживании получают су­хую клейковину. Количество воды, поглощаемой су­хой клейковиной, выражают в процентах и называют гидратационной способностью (гидратацией) клейковины. Клейковина соединяет в упругую массу теста и характеризуется упругостью, эластичностью, растяжимостью, связанностью.

Клейковина хорошего качества имеет белый цвет иногда с желтоватым или сероватым оттенком. После деформации быстро восстанавливает свою форму, не лип­нет к рукам.

При взаимодействии сахаров с аминокислотами и белками образуются меланоиды, вызывающие потем­нение зерен и муки, а также образование золотисто-коричневой корочки хлеба.

Липиды в зерне злаков и бобовых составляют от 2 до 6,2%, в сое - 17%.

В состав жиров входят большей частью ненасыщенные жирные кислоты, в том числе биологически ценные полиненасыщенные, а также фосфолипиды (лецитины, кефалины), необходимые человеку для обновления клеток и внутриклеточных структур. Однако ненасыщенные жирные кислоты легко окисляются, что ведет к прогорканиго муки и крупы при хранении.

Водорастворимые витамины группы В концентрируются в оболочке зерна, поэтому в муке высоких сортов этих витаминов мало. Много витаминов группы В в бобовых.

В белом хлебе содержится 0,11 мг % витамина B₆, 0,06 мг % витамина В₂, 0,92 мг % витамина PP.

В зерне содержатся также жирорастворимые витамины: природные антиоксиданты - токоферолы и бета-каротин (провитамин А) в небольших количествах.

Глубокая переработка зерна позволяет использо­вать зародыши злаковых культур для получения ви­таминных концентратов, например в виде масла, ис­пользуемого в парфюмерных изделиях, обогащенных природными биологически активными веществами. Витаминные концентраты используются также при выращивании деликатесной животноводческой продук­ции и рыбы.

Ферменты выполняют роль регуляторов биохимических процессов, обладают способностью ускорять течение различных биохимических реакций обмена веществ. Из содержащихся в зерне очень важны –

- протеолитические (протеиназы), они действуют на белковые вещества,

- амилазы – α, β-амилазы расщепляющие крахмал,

- липазы – гидролизующие жир.

Минеральные вещества составляют 2-5% сухого ве­щества зерна и образуют золу после сжигания пробы зерна. Массу золы, выраженную в процентах к исход­ной массе пробы зерна, называют зольностью зерна.

В состав зерна входят:

- макроэлементы с содержа­нием от нескольких до сотых долей процента: Р, Mg, К, Na, Fe, S, Al, Si, Ca;

- микроэлементы с содержанием от тысячных до стотысячных долей процента: Мn, В, Sr, Cu, Zn, Ba, Ti, Li, I, Br, Mo, Co;

- ультрамикроэлементы с содержанием до миллионных долей процента: Se, Cd, Hg, Ag, Au, Ra.

Минеральные вещества сконцен­трированы в оболочке зерна и при обычном помоле большей частью удаляются.

Так, железа в пшенич­ном хлебе из цельного зерна в пять раз больше, чем в хлебе из муки высшего сорта. Фосфора довольно много, но в основном он входит в состав фитиновой кислоты, которая плохо усваивается.

В зерномучных продуктах содержится кальций (в среднем 2-3% от суточной нормы в 100 г готового продукта) и много магния (до 14% суточной потреб­ности в 100 г ржаного хлеба, до 10% — в 100 г гречне­вой каши). Хлеб и крупы в пище являются основным источником магния и некоторых микроэлементов (медь, хром, цинк и др.).

Пигменты составляют группу красящих веществ.

Желтую окраску эндосперму зерна придают эфирорастворимые пигменты каротиноиды, ненасыщенные углеводороды или их кислотные производные.

Окраска оболочек обусловлена спирторастворимыми флавоноидами — желтыми веществами фенольной природы (например, гликозидами).

Рожь имеет более разнообразный комплекс крася­щих веществ, чем пшеница.