Влияние тепло-влагопереноса на биохимические свойства зерна

14.07.2015

Зерно — живой организм, и при достаточном наличии влаги и тепла оно прорастает. Все процессы, происходящие в живых организмах, присущи и нормальному зерну: дыхание, обмен с окружающей средой, распад одних и синтез других веществ. Эти процессы регулируются ферментной системой зерна.
Сухое зерно находится в состоянии покоя (анабиоза). Ho при повышении влагосодержания и температуры активность ферментов возрастает, в зерне начинаются процессы, ведущие к развитию зародыша в новое растение. Активность различных ферментов при повышении температуры до +45—55° С вначале увеличивается, затем снижается. Положение максимума активности фермента определяется его природой, относительным содержанием свободной воды и продолжительностью температурного воздействия. Поэтому, регулируя внешние условия, можно осуществить определенные биохимические процессы в зерне, т. е. изменить его биохимические свойства.
Многочисленные исследования, проведенные начиная с середины 30-х годов, подтверждают это. Изменения биохимических свойств наблюдаются всегда, причем их величина зависит от параметров режима обработки, а также от индивидуальных биологических свойств исследуемого образца зерна.
Влажность и температура являются основными параметрами, изменение которых влияет на биохимические свойства зерна. В.Л. Кретович установил критическое значение влажности, равное 14,0—15,0%. Превышение ее влечет за собой резкое увеличение интенсивности дыхания и других проявлений физиологической активности зерна. Температура влияет двояко: через изменение активности ферментативной деятельности, а также непосредственно воздействует на белки зерна. Предложена следующая градация температурного влияния: до 30° С — усиление активности ферментов зерна, 30—40° С — некоторое ослабление клейковинного комплекса, 45° C — улучшение эластичности теста и клейковины, 50—60° С — уменьшение растяжимости клейковины, 60° С — снижение активности ферментов, выше 60° С — частичная или полная денатурация белков.
Однако эти температурные пределы связаны с влагосодержанием зерна: чем оно выше, тем сильнее влияет температура на зерно. Поэтому для процесса сушки зерна пришлось разработать специальные рекомендации по безопасным температурам нагрева зерна. Предложенная В.И. Жидко формула для продовольственной пшеницы имеет вид:

Влияние тепло-влагопереноса на биохимические свойства зерна

где t0, а и k — постоянные величины.
Для зерна с нормальной клейковиной to = 78; а = 1,85; со слабой клейковиной to = 88, а = -2,15; с крепкой клейковиной to = 73, а = -1,85.
Независимо от качества клейковины
Влияние тепло-влагопереноса на биохимические свойства зерна

По данным Катковой, при сушке пшеницы в элементарном слое (толщина его составляет 2—3 зерна) допустимую температуру нагрева зерна можно определить по формуле
Влияние тепло-влагопереноса на биохимические свойства зерна

Формула для семенной кукурузы предложена Н.И. Рукиной:
Влияние тепло-влагопереноса на биохимические свойства зерна

Зерно разных культур различается по термоустойчивости. Так, при влажности 16% (влагосодержание 19%) кукуруза переносит нагрев до температуры 75°С, рожь — до 65° С, пшеница — до 55° С, семена и ячмень пивоваренный — только до 49° С.
В.А. Яковенко нашёл, что в уравнение зависимости интенсивности дыхания кукурузы от влажности (в пределах 10—19%) последняя входит в степени 7,73.
По данным Кирмира и Кодуро, интенсивность диастатического расщепления крахмала в воздушносухом состоянии связана с относительной влажностью атмосферы. Установлено, что до р/р0=0,45 эта интенсивность резко возрастает, а затем до р/р0=1 остается постоянной. Переломная точка примерно отвечает влагосодержанию 11,5%, т. е. тому значению, при котором в микрокапиллярах появляется в заметных количествах влага.
В другом сообщении указывается, что активность ферментов в зерне при хранении заметно возрастает, начиная с p/p0=0,65.
Аккер и Эрнст приводят зависимость активности ферментов зерна от температуры в диапазоне от 20 до 90° С. Эта активность снижается постоянно, причем особенно заметно в интервале температур 40—60° С. Полученная ими кривая близка по виду к правой ветви кривой нормального закона, что свидетельствует, видимо, о диффузном распределении ферментов в зерне по уровням активности.
На изменение активности ферментов, несомненно, оказывает влияние также то, что по объему зерна они рассредоточены крайне неравномерно.
По Дубцову, липоксигеназная активность в зародыше зерна в семь раз выше, чем в целом зерне, а в эндосперме — в 2,5 раза ниже. Джонсон указывает, что активность протеаз в зародыше в 8—13 раз выше, чем в эндосперме, а в алейроновом слое — даже в 50—70 раз. Последнее особенно примечательно, так как указывает на чрезвычайно важную роль алейронового слоя в развитии биохимических процессов в зерне при гидротермической обработке. Жизнедеятельные клетки этого слоя располагают наиболее активными ферментами, и тем более наглядна биологическая целесообразность его высадкой гидрофильности. Влага в зерне направляется прежде всего в те участки, где возможно развитие физиологических процессов, связанных с его прорастанием. Ссылаясь на Линко, Джонсон указывает, что при увлажнении зерна прежде всего повышается активность глютаматдекарбоксилазы.
Особую роль глютаматдекарбоксилазы установила также Н.Н. Зотова при исследовании биохимических процессов, развивающихся в зерне во время гидротермической обработки.
Изменение параметров среды, окружающей зерно, быстро передается алейроновому слою. В результате его ферменты повышают или снижают свою активность, что в целом сказывается на биохимических свойствах зерна. При обработке зерна паром в условиях скоростного кондиционирования нередко наступает денатурация содержимого клеток алейронового слоя, их омертвение. Это заметно проявляется при обработке зерна паром и нагреве до температуры 60° С и особенно сильно — свыше 70° С. Ho и при нагреве до температуры ниже 60° С (начиная от 47° С и выше) также заметны определенные изменения в клетках алейронового слоя: в частности, существенно снижается количество растворимых белков. Именно поэтому во всех последних работах эффект теплового воздействия принято оценивать по снижению их количества: этот метод наиболее чувствителен и позволяет определять даже не значительные денатурационные изменения в зерне.
Эти изменения влияют на свойства клейковины пшеницы; для других культур важными могут быть изменения в липидном комплексе или же в углеводном. Ho для всех культур установлено изменение активности ферментов.
Подробно физико-химические и биохимические факторы качества клейковины пшеницы изучал А.Б. Baкар. Он установил важное обстоятельство, что химический состав клейковины разного качества одинаков: как слабая, так и крепкая имеют один и тот же набор аминокислот и характеризуются одинаковым соотношением глиадина и глютенина. Различие свойств клейковины обусловлено только физико-химическими особенностями ее компонентов. Следовательно, при точно рассчитанном воздействии на зерно можно обеспечить направленное изменение свойств клейковины. Именно это и наблюдается при оптимальных режимах сушки или гидротермической обработке зерна. Основой для разработки таких режимов явились не только чисто технологические, но и все биохимические исследования.
Изменения в результате тепловой обработки в значительной степени обусловлены структурными различиями анатомических частей зерна злаковых и крупяных культур. Как правило, при сушке оболочки обезвоживаются намного быстрее эндосперма; различие особенно велико, если воздействию высоких температур подвергаются пленчатые культуры.
Заглубление зоны испарения хорошо регистрируется также и для пшеницы.
Влияние тепло-влагопереноса на биохимические свойства зерна

Подвергнутое сушке зерно претерпевает необратимые изменения. Поэтому возможности технолога направленно изменить технологические свойства поступившего зерна могут быть ограничены.
Если же зерно потеряло всхожесть, то исключается возможность изменения не только технологических, но и биохимических свойств зерна.
Важной особенностью происходящих преобразований в зерне является изменение содержания в конечных продуктах его переработки таких биологически важных веществ, как витамины, микро- и макроэлементы. Отмечено повышение содержания тиамина и витамина PP (никотиновой кислоты) в пшеничной муке после «горячего» или скоростного кондиционирования зерна. Это наглядно видно из рисунка 79.
Проведенные Э.П. Могучевой опыты подтверждают это наблюдение (табл. 24). При скоростном кондиционировании весьма заметно повышается содержание витаминов B1, B2 и PP в муке, но одновременно снижается их содержание в отрубях. Так, в муке высшего сорта после скоростного кондиционирования содержание витамина PP увеличилось в два и более раз по сравнению с мукой, прошедшей «холодное» кондиционирование, и почти в три раза по сравнению с исходным зерном; это же наблюдается и для муки первого сорта. Заметны изменения содержания витаминов B1 и B2.
Влияние тепло-влагопереноса на биохимические свойства зерна

Таким образом, при помоле зерна, подвергнутого скоростному кондиционированию, мука высоких сортов обогащается витаминами. Ho еще неясно, благодаря чему это происходит: в результате переноса витаминов из зародыша и алейронового слоя в мучнистый (крахмалистый) эндосперм или же химический состав муки претерпевает изменения в результате иной вымалываемости отрубей при помоле кондиционированного зерна. Известно, что субалейроновый слой очень сильно изменяется при прогреве или пропаривании зерна. В результате в нем значительно ослабевает связь субалейронового слоя с алейроновым, он в процессе помола попадает в муку. Таким образом, обогащение муки витаминами может иметь механическую природу.
В некоторых экспериментальных работах показано, что при гидротермической обработке зерна происходит обмен минеральными веществами между эндоспермом, с одной стороны, и зародышем, оболочками и алейроновым слоем — с другой. Однако эти сведения противоречивы. Одни авторы утверждают, что минеральные вещества проникают в зародыш и поверхностные слои зерна из эндосперма, другие утверждают, что перенос имеет противоположное направление.
Для того чтобы можно было принять необходимое решение, не хватает важных данных: не известно, каков именно механизм переноса минеральных веществ внутри зерна. Имеющиеся в литературе утверждения о переносе их вместе с потоком воды не могут быть приняты без дополнительного глубокого изучения.
Как видно из сказанного выше, внутренний влагоперенос в зерне имеет диффузионный характер; молекулы воды перемещаются с одного активного центра на другой путем перескоков. Ясно, что в этом случае ни о каком захвате водой атомов калия, фосфора, железа и т. п. не может быть и речи. Условия для совместного переноса этих веществ вместе с водой могут возникнуть при проникании влаги по микротрещинам из поверхностных слоев зерна в эндосперм, но и в этом случае нет полной уверенности в достоверности гипотезы. Перенос же минеральных веществ изнутри наружу вообще не поддается подобному обоснованию.
Вполне возможно, что перенос минеральных веществ подвержен регулирующему влиянию биологической системы зерна. Ho это в полной мере может быть приписано только жизнедеятельным клеткам. Остается неясным, может ли быть такой обмен между потерявшими жизнедеятельность клетками крахмалистой части эндосперма и его алейроновым слоем (или зародышем), сохраняющим жизнедеятельность.
Для жизнедеятельных клеток перенос веществ не подчиняется простым закономерностям. Известно, что перемещение различных соединений в растении может происходить в сторону возрастания их концентрации, а не наоборот, как это наблюдается в растворах. Содержание минеральных веществ в живой клетке определяется ее биологическими потребностями, а не чисто термодинамическими параметрами. Так, в эритроцитах содержание калия в 20 раз больше, а натрия в 20 раз меньше, чем в плазме крови. Такой направленный перенос может быть и в зерне, в особенности при повышении влагосодержания и температуры. Ho это необходимо тщательно исследовать.
В настоящее время можно констатировать лишь то, что при помощи гидротермической обработки можно существенно повысить биологическую полноценность муки, в особенности высоких сортов.
Можно решить эту проблему и по-другому. И.Т. Mepко предлагает формировать потоки муки на мельницах с учетом содержания в них витаминов. Ho для реализации этого предложения необходим быстрый метод количественного определения витаминов.
В крупяном производстве также в настоящее время ведутся работы по обогащению крупы витаминами. Особенно- важно это для рисовой крупы, потребление которой велико во всех странах. Положение осложняется тем, что эндосперм риса при гидротермической обработке приобретает желтый цвет, что снижает его товарные достоинства. Поэтому обогатить зерно риса естественными витаминами в результате переноса их из семенной оболочки пока не удалось. М.Е. Гинзбург и Г.В. Капунова предложили способ обогащения рисовой крупы синтетическими витаминами.
В гречневой крупе под воздействием гидротермической обработки снижается содержание некоторых важных аминокислот, причем этот процесс продолжается и при последующей варке каши из такой крупы. Процесс гидротермической обработки гречихи при действующем в настоящее время на производстве режиме пропаривания несколько снижает питательную ценность крупы. Однако для окончательного заключения пока недостаточно данных. Необходимо изучить различные режимы пропаривания гречихи.
В мукомольном производстве в результате гидротермической обработки удается улучшить не только технологические свойства зерна, но и пищевые и хлебопекарные достоинства муки. Очевидно, обстоятельное изучение гидротермической обработки в крупяном производстве позволит прийти к такому же решению в ближайшие годы.