Изменение биохимических свойств зерна

10.05.2015

При изучении химических и биохимических явлений, сопровождающих процесс подготовки зерна к помолам, важно уяснить характер изменений, вызываемых освобождением зерновой массы от засорителей на первом этапе очистки и непосредственно обусловливаемых воздействием гидротермических факторов при кондиционировании и последующей механической обработке в машинах различного технологического назначения.
На первом этапе подготовки зерна, когда в машинах с различным принципом действия добиваются по нескольким признакам последовательного или параллельного разделения исходной зерновой массы на составляющие ее компоненты (очистка от сорной, зерновой и ферромагнитной примесей), процесс является физическим или механическим. Зерно находится в анабиозном состоянии, его не обрабатывают водой и теплом, активизирующими действие ферментов, регулирующими дыхание, синтез и распад органических веществ.
На втором этапе подготовки — при кондиционировании зерна — вода или вода в сочетании с теплом и последующим отволаживанием обусловливают наряду с физическими и изменения биохимического характера, положительно сказывающиеся на технологических свойствах зерна.
Е.Д. Казаков, раскрывая механизм биохимических процессов в зерне при увлажнении и обезвоживании, считает, что обязательным спутником сорбции и десорбции является химическое взаимодействие воды с тканями зерна. Оно выражается совокупностью разнообразных превращений в каждой клетке. Здесь следует иметь в виду связь и воздействие влаги биологической (образующейся в зерне в результате биологических процессов — биосинтеза) и искусственно внесенной в зерно при кондиционировании, а также влагу, вызывающую интенсификацию ферментативных процессов — расщепление и молекулярную перестройку сложных полимеров зерна. Активатором таких явлений служит тепловой фактор. С повышением температуры влага быстрее проникает в зерно, вызывая нарушение водородных связей как воды, так и тканей, усиление кинетической энергии молекул и уменьшение размеров комплексов органических веществ зерна.
В большинстве случаев при кондиционировании стремятся сохранить исходное качество белково-протеиназного комплекса и даже его укрепить, а в других случаях — ослабить. Все эти изменения сводятся к укреплению или ослаблению клейковины обрабатываемого зерна. И то и другое достигается в процессе кондиционирования при оптимальном сочетании температуры исходного зерна и воды, нагреве его в термических установках и продолжительности отволаживания с непременным учетом исходного качества белково-протеиназного комплекса зерна. Ниже анализируются результаты проведенных нами сравнительных экспериментальных исследований холодного, теплого и горячего способов кондиционирования пшеницы при трехсортном помоле на мукомольном заводе с внутрицеховым пневматическим транспортом, по данным П.П. Тарутина и И.Т. Мерко.

Изменение биохимических свойств зерна

Изменение биохимических свойств зерна

В таблице 22 приведены показатели, характеризующие биохимические изменения зерна пшеницы при следующих вариантах его кондиционирования:. I — обработка зерна в моечной машине водой t=18—20°С (холодное кондиционирование); II — обработка зерна в моечной машине водой t=35—40°С (теплое кондиционирование); III и IV — увлажнение зерна в водоструйной машине при температуре соответственно 18—20 и 35—40°С (холодное и теплое кондиционирование); V — обработка зерна в моечной машине водой t=18—20°Сив воздушно-водяном кондиционере (горячее кондиционирование).
В опытах при I—V вариантах кондиционирования использовали пшеницу I типа Оренбургской области со стекловидностью 30—32%, влажностью 13,6—14,3% и зольностью 1,59—1,68%, а также IV типа Ставропольского края со стекловидностыо 45—50%, влажностью 12,4—13% и зольностью 1,62—1,66%. В варианте VI (скоростное кондиционирование) обрабатывали зерно пшеницы Безостая I со стекловидностыо 50—55%, влажностью 13—13,2% и зольностью 1,69—1,72%.
Из данных таблицы видно, что при обработке зерна мягкой пшеницы (особенно со слабой клейковиной) теплой водой (теплое кондиционирование), а также комнатной водой и в кондиционере происходят биохимические изменения, которые не столь заметны в процессе кондиционирования. Отклонения в содержании белка после кондиционирования составляли 0,1—0,84%, что объясняется различной степенью их гидролиза и, по-видимому, тем, что они слабо реагировали на воздействие влаги и тепла в пределах нормальных параметров. Содержание же сырой клейковины после воздействия на зерно влагой при всех вариантах кондиционирования изменяется. Так, потери сырой клейковины при увлажнении холодной водой колебались в пределах 0,16—0,4% и теплой водой — 0,68—0,98%. После отволаживания содержание сырой клейковины в зерне уменьшалось на 0,3—1,7% в сравнении с исходным ее содержанием.
В процессе горячего кондиционирования наблюдалась обратная картина: возрастало количество сырой клейковины в зерне пшеницы I типа на 0,68%, IV типа — на 0,96%. Отмеченные явления обусловлены ферментативным гидролизом белков и их денатурацией. В ходе денатурации вода присоединяется к белку. При благоприятном сочетании значений температуры нагрева и влажности зерна, продолжительности нагрева можно обеспечить желаемый эффект. Однако температурный фактор имеет решающее значение при установлении оптимальной границы водно-тепловой обработки зерна. Так, по денатурации глиадина безопасная граница температуры нагрева зерна пшеницы 80°С при влажности 12%, а при влажности 18% допустим нагрев до 50°С. Следовательно, с увеличением степени увлажнения зерна стойкость белковых веществ к тепловой денатурации понижается.
С.Е. Беслер установил, что при превышении температуры нагрева 55—60°С нарушается пространственная конфигурация активного центра фермента — вещества белковой природы, а это отрицательно сказывается на активности всего ферментного комплекса.
Содержание общего сахара в зерне увеличивается на 0,04—0,22%, но резких отклонений при обработке зерна холодной и теплой водой, а также в кондиционере не обнаружено. Повышение сахаров в процессе кондиционирования, по мнению Н.Н. Зотовой, происходит за счет непосредственно восстанавливающих в них фелингову жидкость. Характерно, что при увлажнении зерна холодной водой (температурой 18—20°С) сахарообразующая способность снижается на 2,17—10,24 мг мальтозы, причем она продолжает снижаться в процессе отволаживания в закромах (на 1,6—4,34 мг мальтозы). Увеличивается сахарообразующая способность при мойке зерна теплой водой на 5,19—19,1 мг мальтозы и после отволаживания его в емкостях — на 2,95—4,29 мг мальтозы. Близкие к этим данным получаются при горячем кондиционировании; после моечной машины с использованием холодной воды наблюдалось снижение сахарообразующей способности зерна, а в дальнейшем после пропуска его через кондиционер она повышается на 4,51—5,13 и после отволаживания — на 2,88—4,94 мг мальтозы. Эти явления указывают на то, что активность биохимических изменений происходит при обязательном участии обоих реагирующих факторов — воды и тепла — во времени (при отволаживании).
Е.Д. Казаков и И.А. Сахарова установили возможный перенос минеральных веществ из эндосперма в зародыш. Отмечен больший перенос в процессе холодного кондиционирования, чем в процессе горячего (табл. 23).
Изменение биохимических свойств зерна

Эффективность переноса они оценивают зольностью муки, выработанной при названных способах кондиционирования. Так, из зерна пшеницы Одесская 16 при холодном кондиционировании зольность муки общего выхода снижалась на 0,10—0,12%, при горячем — на 0,12—0,15%. В противоречии с приведенными данными находится утверждение Ф. Дорихейма (ГДР) о том, что при скоростном кондиционировании минеральные вещества переходят с потоком влаги из оболочек и других частей зерна в эндосперм. Это явление рассматривается как биологическое обогащение муки фосфором, кальцием, железом, натрием и другими микроэлементами.
Э.П. Могучева подтвердила высказывания Рерлиха, Хоппа, Хотцеля, Вильмеса и Бульнхайма, сделанные в начале шестидесятых годов, что витамины переносятся в эндосперм при кондиционировании зерна влажностью 13,5% и выше. Чем больше слабосвязанной влаги и выше температура зерна, тем активнее в нем гидролитические ферменты. Оптимум температуры зерна для витаминов группы В находится в точке 50°С, что связано со скачкообразным изменением структурной модификации воды. В данном случае при горячем и скоростном кондиционировании биохимические процессы ускоряют переход витаминов в эндосперм, а впоследствии и в муку.
При нагреве зерна в кондиционере до 50°С и скоростном кондиционировании до 60°С (при т = 25 с), а также при соблюдении оптимальной продолжительности отволаживания в емкостях отмечается максимальный переход в муку витаминов B1, B2 и PP. Е. Д. Казаков объясняет механизм переноса растворенных веществ в теле отдельного зерна при кондиционировании совокупным действием трех факторов — биохимического, теплофизического и анатомического. Роль передатчика веществ из эндосперма к пробудившемуся зародышу выполняет щиток. Появление температурного градиента интенсифицирует ферментативные процессы, сопровождающиеся расщеплением и молекулярной перестройкой сложных полимеров зерна. Все это обусловливает массовый перенос со всасыванием зародышем водорастворимых веществ из эндосперма, в том числе и водорастворимых витаминов из периферических слоев (включая и алейроновый) внутрь зерна, а затем к зародышу.
Таким образом, при кондиционировании происходят сложные физико-химические и биохимические процессы, вызываемые множеством факторов, причем не все они расшифрованы и ни один из них не может иметь первостепенного значения. О том, насколько глубоки и существенны изменения биохимического характера, можно судить лишь по совокупности количественно-качественных показателей конечных результатов помола пшеницы (табл. 24).
Изменение биохимических свойств зерна

Из данных таблицы видно, что «теплый» и «горячий» способы кондиционирования имеют преимущества перед холодным.
При переработке пшеницы I и IV типов, а также их смесей выход муки высоких сортов увеличивается на 1,0—1,5%, а общий выход на 0,8—0,9%; зольность муки, особенно второго сорта, снижается, причем цвет муки всех сортов улучшается. В содержании белков муки не обнаруживается резких отклонений при различных вариантах кондиционирования зерна; в муке высшего сорта оно составляет 0,05—0,34%, первого сорта — 0,05—0,44 % и второго — 0,80—0,99%. В содержании сырой клейковины в муке одноименных сортов также не отмечается резких расхождений, а встречающиеся отклонения объясняются главным образом исходным количеством клейковины в зерне и выходом муки; в одних и тех же сортах муки из зерна, кондиционированного разными способами, и в содержании сахаров нет заметных отклонений (в муке высшего сорта — 0,05—0,09%, первого сорта — 0,08—0,10% и второго сорта — 0,12—0,27%). При «горячем» кондиционировании несколько снижается активность амилолитических ферментов; сахарообразующая способность муки из зерна, обработанного холодной водой, повышается ненамного (327—318 мг мальтозы на 10 кг сухого вещества) по сравнению с мукой из зерна, промытого теплой водой (221—307 мг мальтозы на 10 г сухого вещества), а также из зерна, кондиционированного «горячим» способом (215—287 мг мальтозы на 10 г сухого вещества). Газообразующая способность теста при «горячем» кондиционировании повышается незначительно; при остальных способах заметных отклонений не отмечается. Тенденция к повышению упругости клейковины и уменьшению ее растяжимости, равно как и теста, особенно заметна при «горячем» кондиционировании; в других вариантах не отмечается существенных изменений физических свойств как клейковины, так и теста. При обработке зерна теплой водой, а также при «горячем» кондиционировании увеличивается объем хлеба; снижается его расплываемость в сравнении с расплываемостью при холодном кондиционировании.
Технологические и биохимические преимущества скоростного кондиционирования проявляются особенно заметно при обработке зерна мягкой пшеницы со слабой клейковиной. Пропаривание зерна — сильный фактор, воздействующий в процессе скоростного кондиционирования. Оно улучшает мукомольные свойства зерна — крупообразование и вымалываемость оболочек. Вместе с тем если для низкостекловидного зерна, требующего укрепления белкового комплекса, скоростное кондиционирование не только его осуществляет, но и повышает прочность оболочек, увеличивает выход муки высоких сортов на 1,5—2,5% и общий выход на 0,5—1% снижает зольность муки на 0.02—0.04%. улучшает цвет муки и мякиша хлеба, увеличивает объемный выход и уменьшает расплываемость, то обработка скоростным способом кондиционирования высокостекловидной мягкой пшеницы с хорошим белково-протеиназным комплексом приводит к некоторой потере сырой клейковины, значительному повышению ее упругости, а также теста и как следствие к снижению объемного выхода хлеба.
Скоростное кондиционирование, как машиноэнергоемкий и дорогостоящий процесс, целесообразно применять при учете качества клейковины, главным образом для мягкой низкостекловидной пшеницы. На мукомольном заводе в Брянске, где впервые проводили производственные опыты по определению эффективности скоростного кондиционирования, была установлена возможность улучшить качество клейковины зерна, пораженного клопом-черепашкой. Из помольной партии, состоящей из зерна I типа — 10%, IV типа — 40% и III типа — 50%, была получена мука высшего, первого и второго сортов. Она соответствовала всем физико-химическим и хлебопекарным показателям, предусмотренным стандартом. Эффективно также скоростное кондиционирование при подготовке зерна с отрицательной температурой. Однако в зонах повышенных температур или в периоды их наступления нельзя применять скоростное кондиционирование, так как это активирует развитие картофельной палочки, вызывающей появление в муке картофельной («тягучей») болезни.
На третьем этапе подготовки зерна в очистительном отделении биохимические процессы продолжаются и после отволаживания; объясняется это тем, что поглощенная и неравномерно распределенная вода частично испаряется и частично остается в тканях зерна, а это служит основой дальнейших непрекращающихся биохимических изменений внутри молекулярной структуры. Активность этих безостановочных процессов зависит, при прочих одинаковых условиях, от одно-, двух- или трехступенчатого кондиционирования, поскольку определенный комплекс биохимических превращений, как было сказано, связан с соответствующим использованием воды. Более того, вследствие воздействия внесенной в зерно извне воды или воды и тепла во времени не завершается приданием зерну технологической влажности перед помолом; оно продолжается в процессе переработки, при хранении и даже в хлебопечении.
Различная степень биохимических реакций зависит от правильного выбора способа и ступенчатости кондиционирования, обусловливающих прочность физико-химической связи воды с тканями зерна. Доказано, что сорбцию и десорбцию недостаточно рассматривать лишь как процессы связывания и освобождения воды, важно при этом учесть взаимодействие ее с тканями зерна и использование химических связей. На третьем этапе подготовки зерна нельзя превышать его технологическую влажность, так как это интенсифицирует ферментативные процессы, приводящие к разрушению содержимого клеток, приобретению зерном пластических свойств и снижению эффективности измельчения, просеивания и вымола оболочек.
Из изложенного следует, что в процессе подготовки зерна к помолу физические изменения тесно связаны с биохимическими процессами под воздействием таких мощных активаторов, как вода и тепло. Технологический процесс в подготовительном отделении мукомольного завода следует рассматривать не как механический, а как физико-химический.