Лекция 8. Строение и химический состав зерна пшеницы и ржи. Зерновая масса и ее основные свойства

 План лекции:

1.                Строение зерна пшеницы

2.                Химический состав зерна основных зерновых культур

3.                Особенности зерновки ржи

4.                Зерновая масса и ее основные свойства

5.                Созревание и послеуборочное дозревание зерна

6.                Хранение зерна

7.                Стандарты на зерно

 Несмотря на значительное разнообразие формы, размеров и химического состава семян хлебных растений, нетрудно выделить ряд общий свойств в строении и функциях семян различных видов и родов этих растений и выяснить наиболее важные их особенности. Типичным примером формирования плода злаков является формирование зерновки пшеницы (рис. 12)                  

Рис. 12. Продольный разрез зерновки пшеницы:

1 – хохолок; 2 – эндосперм; 3,4,5 – плодовые оболочки; 6 – семенная оболочка;     7 – алейроновый слой; 8 – щиток; 9 – почечка; 10 – осевая часть зародыша;           11 – корешок; 12 – слои клеток плодовой оболочки пшеницы с поверхности.

 Образование зерновки в колосе главных хлебных культур делят на три периода: формирование, налив и созревание.

При формировании образуются главные составные части зерновки – зародыш, эндосперм, или мучнистое ядро, и оболочка. Влажность зерновки составляет 70-75%.

В период налива различают три фазы: водяного состояния (содержание сухих веществ 2-3%), предмолочная (содержание сухого вещества до 10%), молочного состояния (содержание сухого вещества до 80%)

В период созревания влажность зерна снижается до 12-18%. Этот период разделяют на две фазы: восковой и твердой спелости. Сущность созревания зерна состоит в том, что растворимые в воде низкомолекулярные вещества (аминокислоты, сахара и др.), образовавшиеся в зеленых листьях и стеблях, перемещяются в зерно. Сахара, находившиеся в зерне на его ранних стадиях созревания, превращаются в крахмал и гемицеллюлозы, из свободных аминокислот синтезируются белки, идет формирование клейковины. В тоже время происходит накопление жира, а активность ферментов постепенно падает.

Как было показано выше, зерновка пшеницы состоит из нескольких анатомических частей – оболочек, эндосперма и зародыша, которые характеризуются различными физиологическими функциями и в связи с этим имеют разное строение и химический состав.

Оболочки защищают зерновку от вредных внешних воздействий – механических повреждений, и попадания ядовитых веществ, особенно опасных для зародыша. Благодаря непроницаемости оболочек для разнообразных органических и неорганических веществ зерно можно обрабатывать ядохимикатами, чтобы уничтожить споры грибов, вызывающих болезни растения. Оболочки пропускают внутрь воду и кислород, необходимые для прорастания зерна. При повреждении оболочек открывается доступ микроорганизмов внутрь зерна, что снижает его стойкость при хранении.

Самая наружная оболочка, которую называют плодовой, состоит из трех слоев клеток: продольного, поперечного и трубчатого. На верхушке зерна клетки продольного слоя образуют полые выросты – бородку. У твердой пшеницы бородка выражена очень слабо. 

Следующая за плодовой семенная оболочка также состоит из трех слоев –   прозрачного водонепроницаемого слоя, который плотно срастается со вторым ярко окрашенным пигментным слоем, и гиалинового совершенно прозрачного набухающего слоя.

Главная масса зерна заполнена эндоспермом, или мучнистым ядром, развившимся из оплодотворенного вторичного ядра зародышевого мешка. Эндосперм снаружи покрыт алейроновым слоем, образованным из толстостенных  крупных клеток, заполненных наполовину белком, а также жиром, жироподобными веществами, минеральными веществами, сахарами, водорастворимыми витаминами и ферментами. Крахмала в этом слое нет. Алейроновый слой, масса которого составляет 4-9% массы зерна, играет важную роль при доставке питательных веществ развивающемуся молодому зерну. Сам эндосперм занимает всю внутреннюю часть зерна и составляет до 85% его массы. Он состоит из крупных тонкостенных клеток, заполненных зернами крахмала, которые окружены частицами белка. Эндосперм – самая ценная часть зерна, из которой получают высокие сорта муки. Чем больше эндосперма в зерне, тем больше выход муки (количество муки, полученное из 100 частей зерна). Эндосперм может быть стекловидным, полустекловидным и мучнистым. Стекловидная пшеница отличается от мучнистой более высоким содержанием белка и физическими свойствами – большей плотностью и твердостью. При переработке в муку такая пшеница дает больший выход муки высших сортов.

Зародыш отделен от эндосперма щитком. Несмотря на небольшие размеры (2-3% от массы зерна), зародыш является наиболее важной частью зерна, так как в нем находятся первичные органы развития нового растения. Зародыш богат питательными веществами: белками, сахарами, жирами, витаминами и ферментами (примерно половина всех витаминов зерна находится в зародыше). Несмотря на высокую пищевую ценность зародыша, при помоле стараются как можно лучше отделить его от муки, так как он богат жиром, содержащим большое количество непредельных жирных кислот, склонных к прогорканию на воздухе. Мука, не освобожденная от зародыша, будет нестойкой при хранении и сравнительно быстро портиться.

При оценке технологических и питательных свойств зерновки немаловажное значение имеет количественное соотношение анатомических частей – зародыша, оболочек и эндосперма. Оболочки, состоящие в основном из неусвояемых человеческим организмом веществ, не представляют ценности для питания. Зародыш также нежелателен в муке. Поэтому наибольшее значение как источник легкоусвояемых питательных веществ имеет эндосперм, в связи с этим особый практический интерес представляют содержание эндосперма в зерновке и возможность отделения его от оболочек и зародыша. Соотношение различных частей зерновки пшеницы и ржи, приведены в таблице 6.

 Таблица 6

Соотношение анатомических частей зерновки пшеницы и ржи, в %

Как было сказано выше, химический состав зерна одной и той же культуры колеблется в широких пределах, поэтому пользуются его средним значением, величины которых для различных злаковых культур приведены в таблице 7. 

Из приведенных выше данных видно, что больше всего в зерне злаков содержится углеводов, а из углеводов первое место принадлежит крахмалу. Из сахаров в зерне присутствует преимущественно сахароза. В зерне ржи часть углеводов (до 2,8%) представлена слизями (или гумми) – коллоидные полисахариды, образующие при растворении в воде вязкие и клейкие растворы. Содержание жира в злаковых культурах, как правило, невелико. На втором месте по ценности в зерне находятся белки. Некоторые белки, в основном белки пшеницы, при поглощении воды могут образовывать упругоэластичный гель – клейковину, которая определяет объем и пористость хлеба. Витамины зерна представлены в основной группой В (В₁, В₂ и РР), в ограниченном количестве витамины В₆, Е, биотин и др. Они локализуются в зародыше, алейроновом слое и в очень небольшом количестве в эндосперме. Это значит, что чем выше сорт муки, тем меньше в ней содержание витаминов, тем она менее ценна в пищевом отношении. Минеральные вещества входят в состав органических соединений и находятся в клетках в виде раствора. Большая часть минеральных веществ содержится в перифирийных слоях зерна и зародыше. При сгорании минеральные вещества в основном образуют зольность.

 Особенности зерновки ржи

К особенностям зерновки ржи в первую очередь относится то, что в ней несколько меньший по сравнению с пшеницей эндосперм, но больше по объему алейроновый слой, зародыш и семенные оболочки (табл. 6). Эндосперм у ржи практически не имеет стекловидности – он мучнистый на вид и более темный по сравнению с пшеницей. Присутствие во ржи слизей приводит к образованию вязкого и клейкообразного теста. В то же время во ржи практически отсутствует клейковина. Два последних обстоятельства заставляет для подготовки ржаного теста использовать специальные закваски, основанные на молочнокислых бактериях. В то же время для пшеничной муки используют дрожжевые разрыхлители. Также необходимо отметить, что во ржи содержится меньше по сравнению с пшеницей белка, но этот белок более полноценен, т.к. в нем содержится почти в 1,5 раза больше незаменимых аминокислот – лизина и треонина.   

 Зерновая масса и ее основные свойства

 В качестве объекта хранения и переработки рассматривают не просто отдельное зерно, а зерновую массу. Любая зерновая масса состоит из зерна основной культуры, примесей, микроорганизмов, вредителей и воздуха в межзерновом пространстве. Зерновую массу рассматривают как физическое тело, обладающее определенными физическими свойствами, которые играют важную роль при транспортировании, обработке и хранении зерна.

Сыпучесть. Благодаря сыпучести зерновую массу можно легко перемещать механическим и пневмотранспортом, а также самотеком, заполнять емкость любой конфигурации и свободно выгружать. Сыпучесть связана с неоднородностью зерна. С увеличением влажности зерновой массы и засоренности ее легкими примесями сыпучесть снижается. Сыпучесть проявляется в самосортировании зерна. При перевозках, передвижении зерна транспортером, при хранении в силосах в результате толчков нарушается однородность зерновой массы: легкие фракции оказываются на поверхности зерна, а тяжелые – внизу.

Скважность. Характеризуется наличием в зерновой массе межзерновых скважин, заполненных воздухом. Скважность измеряется в процентах по формуле:

S = (A – a) 100/А,                                                                (49)

где А – общий объем зерновой массы, м³, а – истинный объем твердых частиц зерновой массы, м³ .

Величина S меняется в широких пределах: от 30% у проса до 35-45% у ржи, пшеницы и 80%  - у семян подсолнечника.

Благодаря скважности зерновую массу можно продувать воздухом, что способствует понижению температуры и влажности, обновлению состава воздуха межзернового пространства, ликвидации процесса самосогревания, а также позволяет обрабатывать ее парами различных отравляющих веществ для дезинсекции с целью уничтожения вредителей хлебных запасов.

Аэродинамические свойства. Каждая частица зерновой массы имеет свою скорость витания, под которой понимается такая скорость воздушного потока, при которой частица удерживается во взвешенном состоянии. На скорость витания влияет плотность отдельных составляющих зерновой массы. Способность частицы сопротивляться воздушному потоку называется парусностью. Разница в скоростях витания основной культуры и легких примесей позволяет использовать воздушный поток для очистки зерна от примесей.

Сорбционные свойства. Зерно обладает способностью поглощать (сорбировать) пары различных веществ и газов из окружающей среды. Сорбционные свойства связаны со скважностью зерновой массы и капиллярно-пористой коллоидной структурой зерна, т.е. наличием в зерне макро- и микрокапилляров, увеличивающих его активную поверхность. Эти свойства играют важную роль в процессах влагообмена зерна с окружающей средой, а также при его перевозках и хранении, поэтому хранилища и транспортирующие средства не должны иметь посторонних запахов.

Теплофизические свойства. Зерновая масса характеризуется низкой теплопроводностью и теплоемкостью, что связано с ее органическим составом и наличием воздуха в межзерновом пространстве, который является плохим проводником теплоты. С точки зрения сохранности зерновых масс эти свойства имеют как положительное (охлажденное зимой зерно длительное время остается холодным), так и отрицательное (в результате микробиологических процессов и дыхания самого зерна теплота не выделяется в окружающую среду, в результате чего могут возникнуть очаги самосогревания) значение.

Зерновая масса отличается термовлагопроводностью, т.е. способностью к перемещению влаги за счет градиента температур, при этом на отдельных участках может появиться конденсационная влага. Это явление достигает таких размеров, что может привести к набуханию и даже прорастанию зерна.   

 Созревание и послеуборочное дозревание зерна

 Сущность процесса созревания зерна состоит в том, что растворимые в воде низкомолекулярные вещества (аминокислоты, сахара и др.), образовавшиеся в зеленых листьях и стеблях, перемещаются в зерно. Сахара, находившиеся в зерне на его раннихстадиях созревания, превращаются в крахмал и гемицелюллозы, из свободных аминокислот синтезируются белки, идет формирование клейковины. По мере созревания зерна пшеницы количество и качество клейковины меняются. Клейковина укрепляется. В это же время происходит накопление жира, а активность ферментов постепенно падает.

Зерно полной (технической) спелости имеет пониженные семенные и технологические качества. Полная физиологическая спелость зерна, при которой оно отличается наивысшей всхожестью и энергией прорастания, наступает через некоторое время в процессе хранения. Этот период называется периодом послеуборочного дозревания. На этой стадии в зерне продолжаются те процессы, которые начались при его созревании, в результате завершается синтез белка, крахмала, жира, уменьшается активность ферментов, снижается интенсивность дыхания. В ряде случаев отмечается улучшение технологических показателей зерна, например, в пшенице возрастало содержание сырой клейковины и улучшались ее свойства. Зерно наиболее быстро дозревает при низкой влажности, температуре 15-30^оС и выше и свободном протоке воздуха к семенам. Кислород не только ускоряет этот процесс, но и ведет к удалению диоксида углерода, образующегося при дыхании зерна и замедляющего эту стадию. При благоприятных условиях хранения процесс послеуборочного дозревания пшеницы требует 1-1,5 месяцев, а при искусственной сушке его можно сократить до 2-3 недель. Для ржи послеуборочного дозревания не требуется.

 Хранение зерна

Зерно может храниться в течение нескольких лет. Основным условием хранения являются определенная влажность зерна (не более 14%), своевременное проветривание зерновой массы, при котором влажный и теплый воздух хранилища заменяется наружным холодным и сухим.

Нормальным процессом жизнедеятельности зерна при хранении является дыхание. Различают два вида дыхания – аэробное и анаэробное. Преобладающей формой является аэробное дыхание. При любом виде дыхания идет распад сахаров, образовавшихся за счет гидролиза крахмала, с выделением определенного количества энергии. Часть энергии расходуется для внутриклеточной работы, а другая часть выбрасывается в окружающую среду. Сухое созревшее зерно отличается слабой интенсивностью аэробного дыхания, что позволяет сохранять его свойства. При повышенной температуре и влажности интенсивность дыхания возрастает, увеличиваются потери сухого вещества, в зерне накапливается свободная влага, повышается его температура, что создает условия для самосогревания и порчи зерна и развития микроорганизмов. Ухудшение качества зерна при хранении может происходить вследствие его зараженности вредителями хлебных запасов: жуками, клещами, гусеницами. Все вредители потребляют зерно и засоряют его продуктами своей жизнедеятельности. Пониженные температуры и влажность замедляют их развитие. Заражение зерна вредителями хлебных запасов можно предотвратить. Для этого необходимо своевременно очищать, сушить и хранить зерно в чистых, обеззараженных складах, создавая оптимальные условия для хранения.

 Стандарты на зерно

 На все злаковые культуры утверждены соответствующие стандарты. На пшеницу установлен один ГОСТ 9353 «Пшеница. Технические условия», а на рожь и ячмень – несколько стандартов в зависимости от требований, предъявляемых к зерну в соответствии с его целевым назначением. При оценке качества зерна определяют органолептические (цвет, запах, вкус) и физико-химические (влажность, засоренность, количество испорченных и поврежденных зерен, зараженность вредителями хлебных запасов, стекловидность, натура, типовой состав, количество и качество клейковины) показатели.