Влияние тепла и влаги на структуру зерна
Ранее было отмечено, что технологические свойства зерна находятся в тесной зависимости от его структуры. Важно выяснить, насколько взаимосвязаны их изменения под воздействием тепла и влаги.
Особенно на этот процесс влияет то, что ткани зерна построены из высокополимеров: белков, углеводов, липидов. Поэтому любое изменение содержания влаги сказывается на их физико-химических свойствах и термодинамических характеристиках состояния, а через них и на технологических свойствах зерна. He меньшее значение имеет также изменение температуры, в результате которого изменяется состояние поглощенной тканями зерна воды, степень ее «связанности». Чем заметнее в результате данного процесса изменились свойства воды, тем существеннее это сказалось на свойствах биополимеров.
Наконец, очень важно то, что зерно представляет собой живой организм, в обычных условиях хранения находящийся в состоянии покоя. Клетки зародыша и алейронового слоя сохраняют жизнедеятельность, которая проявляется с большей интенсивностью при содержании влаги в зерне и температурных условиях, близких к оптимальным для прорастания зерна.
Все процессы в зерне подчинены регулирующему воздействию его биологической системы, что обеспечивает их целесообразное развитие для нужд зерна как живого организма. Таким образом, преобразование технологических свойств зерна в процессе хранения или переработки происходит не только под воздействием физико-химических процессов, но и биохимических. Величину влияния тех и других процессов предстоит еще оценить. Внешним свидетельством происшедших изменений структуры зерна в результате перечисленных процессов служит изменение его стекловидности. Все исследователи утверждают, что при увлажнении зерна снижается его стекловидность, причем с повышением температуры этот процесс усиливается.
Н.К. Рубина, изучая изменения стекловидности ржи при гидротермической обработке, установила, что увлажнение зерна на 3% снизило стекловидность на 18%. Заметно изменяется стекловидность в первые 3 ч после увлажнения и почти заканчивается через 6 ч. Отволаживание зерна при повышенной температуре усиливает процесс нарушения структуры, а подсушивание зерна при комнатной температуре приводит к частичному восстановлению стекловидности.
Л.Н. Любарский, изучая изменение стекловидности пшеницы при увлажнении и отволаживании, пришел к выводу, что процесс деформации эндосперма довольно четко можно разделить на два периода: первый — короткий, в течение которого изменения протекают наиболее бурно, и второй — более длительный, но и более спокойный. В течение этого периода замедленно и незначительно, в абсолютных величинах, уменьшается количество стекловидных зерен и столь же медленно увеличивается количество мучнистых за счет частично стекловидных зерен. Граница между двумя названными периодами довольно четко проходит в зоне 4 ч.
На рисунке 8 приведены данные Свэнсона о влиянии кратности (от 1 до 6 раз) увлажнения на стекловидность зерна пшеницы. Наиболее резкое снижение стекловидности наблюдается при 16—19% влажности.
В опытах с увлажнением зерна пшеницы Безостая 1, выращенной в Краснодарском крае, получено, что общая стекловидность, а также количество полностью стекловидных, полустекловидных и мучнистых зерен изменяются наиболее резко после достижения зерном 16,5% влажности. Однако при дальнейшем увлажнений зерна изменения происходят медленнее, чем по данным Свэнсона (см. рис. 8). Это объясняется, видимо, индивидуальными особенностями образца.
Изменение стекловидности зерна происходит не только при быстром его увлажнении в подготовительном отделении мельницы. В процессе хранения зерна поглощение паров воды из атмосферы также вызывает снижение этого показателя.
Был поставлен специальный опыт. Образцы полностью стекловидной пшеницы Безостая 1 с исходной влажностью 13,7% поместили в три эксикатора, в которых была создана относительная влажность воздуха 54,9; 65,5 и 75,5% (использованы насыщенные растворы солей). В течение 36 суток регистрировали влияние процесса сорбции паров воды на стекловидность зерна. Конечные значения влажности зерна составили 14,3; 15,1 и 15,9%.
Результаты опыта показывают, что количество полностью стекловидных зерен в течение первых 2—4 суток резко снижается, а полустекловидных возрастает. Затем структура эндосперма восстанавливается, однако не полностью (рис. 9). В зависимости от относительной влажности атмосферы процесс изменения стекловидности завершается через 14—25 суток; конечные значения этого показателя тем ниже, чем выше влажность зерна (для трех опытных значений зависимость прямолинейная). В наших опытах общая стекловидность снизилась на 2,5, 5,0 и 6,0% соответственно, а количество полностью стекловидных зерен уменьшилось на 3; 8 и 11%.
Несомненно, такое развитие процесса изменения стекловидности зерна при сорбционном поглощении паров воды обусловлено характером внутреннего влагопереноса в зерне из-за указанных выше структурных особенностей его анатомических частей. Главной причиной снижения стекловидности зерна является разрушение его эндосперма микротрещинами при проникании воды в его толщу; влияют также и другие процессы биохимической и коллоидно-химической природы. Милнер и Шелленбергер регистрировали микротрещины посредством рентгеноскопии при подсушивании влажного зерна.
Под влиянием тепла и влаги изменяются и геометрические размеры оболочек и алейронового слоя. Т.П. Петренко установила, что при прогреве в течение 1,5 ч увлажненного на 3% зерна пшеницы IV типа наиболее существенные изменения претерпевает семенная оболочка, затем алейроновый слой и плодовая оболочка. На бочке зерновки изменений больше, чем на спинке. Интересно, что в пределах образца стекловидные зерна более податливы воздействию, чем мучнистые.
Было проанализировано, как влияет гидротермическая обработка на структуру пшеницы Саратовская 29, выращенной в Кустанайской области в 1968 г. Пшеница имела влажность 13,6%, стекловидность 79,5%.
Для проведения опыта существующую методику приготовления срезов для микроскопирования несколько модифицировали. Это позволило исключить побочные изменения микроструктуры зерна, вызванные операциями по приготовлению препарата, и изучить действительные изменения структуры, происшедшие вследствие определенного воздействия на зерно водой и теплом.
Опыты проводили при температуре 20° С в течение 8 ч и при 30, 40 и 50° С в течение 2 ч.
Анализ данных показал, что при «холодном» кондиционирований изменения в оболочках и алейроновом слое вследствие их набухания развиваются в течение первых двух часов. При повышенной температуре изменения заметны уже в течение полутора, а иногда и двух часов. В некоторых случаях в течение 30 мин — 1 ч уменьшается толщина плодовой оболочки, возможно, благодаря развивающейся контракции или же вследствие интенсивного перемещения влаги из нее в нижерасположенные слои. Однако к 1,5—2 ч первоначальные размеры плодовой оболочки не только восстанавливаются, но и наблюдается их прирост.
Независимо от метода и режима гидротермической обработки наибольшим изменениям подвержена семенная оболочка, меньше изменяются плодовая оболочка и алейроновый слой.
На изменение толщины плодовой оболочки температура практически не влияет. Толщина семенной оболочки особенно заметно возрастает при повышении температуры от 20 до 30° С, затем изменения уменьшаются (в относительном выражении). Размер клеток алейронового слоя почти не изменяется как от действия температуры, так и от продолжительности обработки.
Интересные результаты получены при изучении влияния тепла и влаги на геометрическую характеристику крахмальных зерен эндосперма. При увлажнении стекловидного зерна пшеницы с 13 до 17, 19 и 24% наблюдается закономерный прирост объема крахмальных зерен. В центральной части эндосперма набухание выражено меньше, чем в субалейроновом слое.
Как влияет гидротермическая обработка на геометрические характеристики крахмальных зерен эндосперма было изучено на образцах пшеницы, отдельно для мучнистых и стекловидных зерновок. Для опыта была взята пшеница Саратовская 29, выращенная в Кустанайской области. В таблице 4 показаны вариационные ряды линейных размеров (средних по разрядам диаметров) крахмальных зерен, а в таблице 5 — данные изменения объема и площади внешней поверхности, рассчитанной для 10 000 крахмальных зерен.
Как видно из таблицы, режим гидротермической обработки во всех случаях снижает относительное количество мелких крахмальных зерен (до 9 мкм) и увеличивает количество средних (9—18 мкм). Особенно резкие изменения происходят при обработке зерна насыщенным паром (скоростное кондиционирование).
Несколько другое наблюдается при отволаживании зерна в течение 24 ч. В этом случае количество мелких зерен в центральной части эндосперма несколько возрастает. По-видимому, это обусловлено перераспределением влаги в зерне при более длительном отволаживании, переносом части ее к зародышу и, возможно, к алейроновому слою. Увлажнение зерна на 2% и отволаживание его при комнатной температуре в течение 8 ч вызывают увеличение суммарного объема крахмальных зерен на 47%; при отволаживании в течение 24 ч — на 45%. Прогрев зерна при температуре 40° С в течение 1,5 ч после увлажнения привел к увеличению суммарного объема на 79%, при температуре 60° С — на 67 и при обработке насыщенным паром — на 133%.
Ho такое заметное изменение объема крахмальных зерен не повлияло существенно на их внутреннюю структуру, как это было получено при электронно-микроскопическом изучении. На рисунке 10 показаны крахмальные зерна исходного и обработанного паром образца; структура осталась неизменной. Это вызвано тем, что крахмал относится к ненабухающим коллоидам. Поэтому крахмальные зерна сохраняют свой характерный вид, двойное лучепреломление и кристаллическую структуру.
Видимо, ограниченным набуханием можно объяснить и то, что количество мелких зерен в общем их числе остается преобладающим; на их долю приходится свыше 55%, даже при обработке зерна паром. Наиболее заметные изменения наблюдаются для средних по размерам зерен. Это связано с тем, что мелкие крахмальные зерна набухают труднее.
Скорее всего свойством ограниченного набухания крахмальных зерен можно объяснить то, что различия между методами и режимами гидротермической обработки менее заметны по сравнению с различиями каждого из них от исходного образца. В некоторых случаях различие между размером воздействия разных методов гидротермической обработки на крахмальные зерна невелико. Однако суммарные значения величин F и V отличаются.
Различны также данные о геометрической характеристике крахмальных зерен в субалейроновом слое и центральной части эндосперма как для исходного зерна, так и прошедшего гидротермическую обработку. Это, видимо, указывает на различную интенсивность развития структурных преобразований в разных частях эндосперма, что может быть связано с неравномерным распределением химических веществ по его объему.
Особенно интересно сравнить данные тепловой обработки при температуре 40 и 60° С. Суммарное количество мелких зерен (l≤9,0 мкм) при температуре 60° С больше, чем при 40° С: в субалейроновом слое 72,7 против 66,3%, в центральной части эндосперма 61,3 против 58,9%. Это значит, что при температуре 40° С по сравнению с более жестким режимом с температурой 60° С крахмальные зерна набухают интенсивнее. Об этом говорят и остальные данные, а именно: объем крахмальных зерен по сравнению с исходным состоянием возрос (первое значение соответствует температуре 40° С, второе — 60° С) для субалейронового слоя на 93,5 и 55,5%, для центральной части эндосперма на 58,7 и 57,0%; по площади внешней поверхности — для субалейронового слоя на 90,5 и 65,2%, для центральной части эндосперма на 60,0 и 56,8%.
Таким образом, в результате прогрева зерна при температуре 40° С изменения микроструктуры выражены намного заметнее, чем при 60° С. Это наглядно показывает, что существует оптимальный режим гидротермической обработки зерна. По-видимому, столь заметная разница в результатах, полученных при этих двух температурах, обусловлена особенностями реакции биополимеров зерна (белков и углеводов) на увлажнение в различных температурных условиях. Очевидно, что степень изменения их физико-химических свойств непропорциональна степени изменения температуры. Возможно также, что при температуре 40 и 60° С эти изменения носят качественно иной характер. Так, при температуре 60° С следует ожидать некоторой денатурации белков.
Очень интересно, что при температуре 40° С набухание крахмальных зерен резко возрастает в субалейроновом слое, а в центральной части эндосперма разница между набуханиями зерен при температурах 40 и 60° С невелика. Для технологов желателен такой режим гидротермической обработки, при котором наиболее выражены изменения на границе между алейроновым слоем и остальной частью эндосперма, т. е. в субалейроновом слое.
Особенно большие изменения геометрической характеристики крахмальных зерен наблюдаются при обработке пшеницы паром. В этом случае даже вариационные кривые развиваются иначе, особенно для субалейронового слоя эндосперма.
Подведем итоги. Анатомические части зерна резко различаются друг от друга по структуре и химическому составу. По сечению зерна химические вещества также распределены неравномерно. Следует ожидать различия в свойствах этих частей и как следствие высокую анизотропию зерна. Это и наблюдается на самом деле — зерновка представляет собой сложное составное тело, причем с некоторым приближением форма ее может быть принята сферической.
Как полимерное тело и живой организм, зерно четко реагирует на любое воздействие влагой и теплом; даже при наиболее мягком режиме увлажнения (сорбционном) наблюдаются заметные структурные преобразования. Поэтому при хранении зерна необходимо создавать неизменные и безопасные условия. Для процесса гидротермической обработки зерна при некоторых сочетаниях параметров структурные изменения выражены в максимальном размере; видимо, эти режимы являются оптимальными в технологическом отношении.