CC BY
75
астща.
СеСТЬ. “'0
36.1
57.5
75.6
79.2 78,1 11.%
112
■ериев: эк-фиромас-сти,
шоды:по :а, при ве-індуциро-}жромас-),9%.
имснталь-ючной об-1ЫХ семян раснодар,
поелеубо-фа: Дис....
Т.П., Со-
упающего 1зв. вузов.
664.724.001.5
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ПРОЦЕССОВ НАБУХАНИЯ ЗЕРНА
ИЛ. ВЫРОДОВ
Кубанский государственный технологический университет
Наиболее обстоятельное, на наш взгляд, изложение проблемы влагопереноса и связанных с ним явлений набухания в зерне проведено в работе [1]. Вместе с тем автор указывает, что исследованные им процессы «... ждут развернутого научного изучения, глубокого обобщения, выявления закономерностей, связывающих весь комплекс качественных и количественных показателей зерна» [1]. По ходу изложения мы упомянем лишь те работы, которые непосредственно связаны с установлением природы физико-химических процессов набухания зерна.
В работе [2] впервые было установлено, что процессы набухания зерна кукурузы осуществляются в три этапа, каждый из которых проходит через максимум величины удельного объема зерна при непрерывном приросте его влажности. Установленные автором экспериментальные данные объясняются возникновением в эндосперме трещин в результате расклинивающего действия молекул воды. Обнаруженные три максимума величины удельног о объема зерна объясняются поэтапным возникновением следующих друг за другом растрескиваний эндосперма. Следует добавить, что ни в работе [2], ни в последующих работах автора не приводятся объяснения причин спада удельного объема зерна после прохождения его через максимум, не упоминается различие трещиноватостей при инициировании каждого подъема удельного объема зерна.
Кроме того, появление трещин в зерне при его овод-нении вряд ли можно рассматривать как следствие расклинивающего эффекта, который на самом деле заключается в раздвижке ретикулярных плоскостей кристалла и образовании микротрещин за счет резко выраженного эффекта смачивания ретикулярных поверхностей. В зерне еще до его оводнения существуют довольно крупного размера межмолекулярные пустые пространства капиллярнопористой системы КПСзерна, свойственные строению высокополимеров.
В работе [3] процессы набухания высокополимеров объясняются различной взаимной растворимостью воды и высокополимера друг в друге. Поскольку скорость диффузионного проникновения молекул воды внутрь высокополимера зерна (белка) значительно превышает скорость диффузии молекул высокополимера, то в результате возникает направленное проникновение молекул воды внутрь высокополимера, представляющее собой явление осмоса. Несовершенство этой доминирующей концепции заключается в том, что она, как базирующаяся на понятии расклинивающего эффекта, неспособна объяснить спад величины удельного объема зерна и повторяемость экстремумов набухания последнего, хотя явления осмоса в про-
цессе увлажнения зерна играют существенную роль.
Явления набухания зерна при непрерывном его увлажнении можно объяснить, выделив основные особенности КПС и биологической структуры зерна, способствующие проникновению в него влаги. Существенны также строение, состав и другие физико-химические и биологические свойства, в особенности биологическая активность составляющих зерна — зародыша, эндосперма и оболочки с ее алейроновым слоем — по отношению к влагопоглощению. При построении количественной теории интенсивность осмотических явлений следует увязывать с учетом градиентов давлений и концентрации растворов, образующихся в КПС, с теорией фильтрационных процессов, помня однако, что в целом последняя является феноменологической и может быть использована лишь для расчета интегральных величин переноса влаги. Некоторые соображения о возникновении экстремумов величин удельного объема зерна ку-курузы были изложены нами в работе [4]. В настоящей работе будет сделана попытка построения общей модели процессов влагопереноса в зерне в качественном аспекте.
Прежде всего отметим, что степень гидрофильности максимальна у зародыша [1, 5]. По данным же [6], максимальная гидрофильность у эндосперма, а у оболочки она занимает промежуточное положение. Видимо, автор приводит интегральную оценку гидрофильности оболочки. Так, в работе [1] приводится экспериментально полученная по Куперману таблица, из которой следует, что правая и левая части эндосперма озимой пшеницы Ферругинеум-1239 при температуре 17—18°С поглощают влагу медленнее, чем призародышевая часть эндосперма. Быстрее всего поглощают влагу брюшная и спинная части пшеницы. Известно, что нижняя часть зерна с зародышем поглощает более половины воды от ее общей массы в зерне пшеницы.
Более информативные данные получены автором [1] для зерен ржи, из них можно сделать следующие выводы: зерна с отрезанными зародышами поглощают воду быстрее, чем целое зерно; зерна со снятыми с зародышей плодовой и семенной оболочками — еще быстрее и больше; зародыши поглощают воду вдвое быстрее и больше, чем эндосперм. Исходя из этого установлен нисходящий ряд по степени водопроницаемости: зародыши, алейроновый слой, эндосперм, плодовая и семенная оболочки. Заметим, однако, что чешуйчатое [7] строение верхней части цветочной оболочки риса является причиной лишь кажущейся наибольшей водонепроницаемости семенной оболочки. Сущность явления заключается в том, что задержка проникновения влаги внутрь зерна связана с определенным временем релаксации: наполнением подчешуйных полостей, образуемых одревесневшими клетками, пропитанными солями кремния [8].
Возвращаясь к истокам процессов увлажнения зер-
на, необходимо отметить весьма существенный элемент. Так, в работе [9] были поставлены опыты по центрифугированию зерна пшеницы, подвергнутого увлажнению продолжительностью до 3 мин. Оказалось, что практически вся вода центрифугированием из зерна удалялась. Это означает, что в указанный и больший период времени происходит смачивание поверхности зерна. Естественно, КПС начинает «работать» лишь при наличии определенных резервуаров влаги, которые обеспечивает вода смачивания, заполняющая макропоры, распределенные по поверхности зерна. В процессе смачивания подчещуйчатой поверхности зерна капилляры поглощают лишь небольшое количество воды из той ее части, которая растекаясь по подчещуйчатой поверхности наполняет полости, удерживающие влагу до момента интенсивного вовлечения ее внутрь КПС зерна. Время наполнения влагой полостей необходимо для проявления эффекта полного раскрытия поверхности эндосперма либо его оболочки и оболочки зародыша, капиллярнопористая структура которых распространяется вглубь зародыша и эндосперма. По мере обнажения поверхности КПС оболочка уже не является наиболее «узким» местом процессов влагопереноса. Имеющиеся же в зародыше и эндосперме такие «узкие» места обходятся по более свободным протокам КПС.
Существуют предположения, что внутренняя поверхность цветочной пленки местами может отделиться от поверхности эндосперма при значительном усыхании зерновки. Надо полагать, что при определенной степени увлажнения зерна эти области поверхностей могут снова смыкаться.
Можно объяснить и другой феномен, экспериментально обнаруженный в работе [1]. Срезанием оболочек зародыша обнажаются запасные поры и капилляры, ведущие не к поверхности среза зародыша, а внутрь эндосперма непосредственно. Именно поэтому процесс влагопереноса через зародыш со срезанными оболочками происходит интенсивнее, чем в случае среза зародыша вместе с оболочками. Наличие, таких запасных пор и капилляров установлено нами в работе [4] при анализе экспериментальных данных работы [10].
Зародыш и эндосперм зерна обладают наибольшим содержанием белка, и они наиболее гидрофильны. В зародыше находится также сахар; способный растворяться в воде и стимулировать таким образом осмотические процессы через существующие в белках мембраны.
Веществ, способных к набуханию в воде, у пшеницы 80-85%, у ржи — 72-75% [1]. Причем белковые вещества могут поглотить до 250% влаги, крахмал — до 35%. Последний обладает высоким температурным коэффициентом набухания [1]. Наибольшее содержание крахмала — до 70% — в эндосперме.
В КПС зародыша и эндосперма преобладают микрокапилляры с наиболее разветвленной их сетью. Внешняя часть оболочки зерна обладает макрокапиллярами и макропорами, внутренняя — порами и капиллярами смешанного типа. Сильно развитое капиллярнопористое строение зародыша и эндосперма способствует проникновению влаги в их межклеточное пространство, а возможно, и в сами клетки. Этому сопутствует также наиболее высокая гидрофильность структуры зародыша, первенствующей даже над гидрофильностью эндосперма.
Известно, что явление денатурации белка, заключа-
ющееся в конформационном изменении его полипеп-тидных цепей, очень чувствительно к температуре. В зерне это явление возможно не только непосредственно под действием теплоты гидратации белка (внутрибелко-вое тепло) вследствие осмотического проникновения в него воды и гидратации полипептидных цепей. Высокоразвитая КПС зародыша и эндосперма способствует возникновению значительного количества теплоты сорбции. Следовательно, в определенных условиях возможна также тепловая денатурация белка, не связанная с процессами гидратации, происходящими внутри белка. Сорбционное тепло по скорости его возникновения упреждает внутрибелковое тепло и превосходит его по величине. Наличие узкой петли гистерезиса в процессах оводнения и обезвоживания зерна свидетельствует о развитии в первых слабо необратимых процессов, в общем не влияющих на качество зерна. Эта необратимость возникает в значительной мере за счет хемосорбцион-ных процессов на поверхности пор и капилляров сильно развитой КПС и, возможно, за счет осмотической денатурации, очень медленно обретающей обратимый характер.
В результате выделяемой теплоты сорбции в зародыше и эндосперме происходят процессы денатурации (и раскручивания) полипептидных цепей белка. В зародыше этот процесс осуществляется быстрее, поскольку гидратация белка происходит быстрее, чем в эндосперме. В результате частичного разворачивания полипептидных цепей возникают полости, в которые устремляется дополнительное количество осмотической воды, усиливающей эндотермические реакции гидратации, а вместе с этим и процессы денатурации белка. При этом происходит растворение сахара и дополнительное набухание белка в зародыше. В эндосперме набухание связано с растворением в ех'о белке крахмала. Оба процесса накладываются друг на друга. Но первый максимум набухания соответствует набуханию зародыша как более гидрофильному по сравнению с эндоспермом. По мере завершения процесса денатурации белка в зародыше выделившаяся теплота гидратации распределяется путем теплопроводности по всему объему зерна. Локальная температура в зародыше быстро понижается, а поли-пептидные цепи в его белке сворачиваются, в результате чего осмотическая вода вытесняется из зародыша внутрь зерна по порам и капиллярам. Данный процесс соответствует уменьшению удельного объема зерна в целом. В эндосперме же продолжается усиление процесса гидратационного выделения тепла за счет неирек-ращающсгося проникновения влаги в эндосперм как со стороны оболочки и алейронового слоя, так и со стороны зародыша.
Этот этап характеризуется наращиванием процессов денатурации белка эндосперма и увеличением объема набухания зерна в целом. В конце процесса гидратации эндосперма наступает процесс охлаждения зерновки, что приводит к сворачиванию полипептидных цепей белка эндосперма и вытеснению из его клеток осмотической воды. Эта фаза оводнения зерна приводит к очередному (второму) спаду максимума процесса набухания зерна. Вытесняемая влага поступает под действием перепада давлений (фильтрации) в направлении алейронового слоя и оболочки, не содержащих столь гидрофильных элементов. В результате градиентных перетоков влаги в оболочке и алейроновом слое возникают
значите деформ вобожд эндоспе Опт чивани рытых 1 никает проис» ма его 1 Этот ф ной вл пом сч его.
Нес! экстре едины] зерна, того,к собой в роли ные П5
ДЯТСЯ I
оболо' участк натре пере» ков К вся ег> влаги
Пр
очере,
облас
запас
Этап
ной В' рова( капи: слоя.
Вс
ческг
нош
разлг
цией
Е.В.1
Санк!
д
явля
осос
ваш
ПОС1
обо£
когс
полипеп-гуре. В зер-Ьдственно ррибелко-[новения в и. Высоко-юобствует глоты сор-IX возмож-шанная с три белка, овения уп-:его по ве-процессах аствует о :ссов, в обратимость :орбцион-яров силь-гаеской де-.тимый ха-
в зароды-урации (и В зароды-ольку гид-досперме. гептидных ляется до-[, усилива-а вместе с ом проис-иабухание связано с зцесса на-симум на-как более 1. По мере !ародыше ется путем 'окальная я, а поли-результа-ародыша й процесс 1а зерна в ение про-гт непрек-:рм как со ; и со сто-
троцессов
:м объема дратации зерновки, [ЫХ цепей к осмоти-дит к оче-а набуха-1ейсгвием [и алейро-ль гидро-гс перето-шикают
значительные градиенты давлений, порождающие деформационные процессы, в том .числе сдвиги, высвобождающие закрытые (запасные) поры и капилляры эндосперма, в которые и поступает влага.
Описанные нами процессы разворачивания и сворачивания полипептидных цепей белка в окрестностях закрытых пор и капилляров повторяются, в результате возникает третий максимум процесса набухания зерна и происходит наименее выраженный спад удельного объема его набухания до некоторой постоянной величины. Этот факт объясняется перераспределением поглощенной влаги по всей КПС зерна, что и приводит в конечном счете к остаточному и равномерному набуханию его.
Несмотря на то, что природа и последовательность экстремумов удельного объема набухания остаются едиными для риса, пшеницы, кукурузы и других видов зерна, их реализация видоизменяется в зависимости от того, какой участок влагопроницаемости представляет собой «узкое», а какой — «широкое» место. Поскольку в роли последнего выступает зародыш зерна, то основные пути проникновения влаги внутрь зерновки находятся в КПС зародыша и призародышевой области с ее оболочками. Проникновение влаги внутрь через другие участки (поверхности) зерна становится значимым лишь на третьем этапе — при включении в процессы влаго-переноса запасных, ранее скрытых оболочками участков КПС эндосперма. На этом этапе оводнения зерна вся его КПС становится открытой для проникновения влаги в эндосперм со всех сторон оболочки.
При обратном процессе (обезвоживании) в первую очередь происходит снятие остаточных напряжений в области алейронового слоя и перекрытие части устьев запасных (не обязательно прежних) пор и капилляров. Эти перекрытые участки КПС вносят, пожалуй, основной вклад в гистерезисную петлю не только хемосорби-рованной, осмотической, но и свободной воды пор и капилляров, «прикрытых» оболочкой алейронового слоя.
В связи с вариацией физико-химических и биологических свойств зерна пшеницы, риса, ржи, контрастность максимумов удельного объема может быть у них различной, но в целом стереотип, отработанный эволюцией злаков, должен сохраниться единым. И хотя неко-
торые элементы этого стереотипа определены еще не до конца или в самых общих чертах, сама по себе идея его существования позволяет сделать правильное качественное описание. Постановка задачи в количественном аспекте, с привлечением физико-математичес-ких моделей, даст возможность уточнить величины вкладов рассмотренных нами этапов в процессах увлажнения зерна.
ЛИТЕРАТУРА
1. Казаков Е.Д. Биологические и физико-химические функции воды в зерне / Влага в зерне. — М.: Колос, 1969.
— С. 5-91.
2. Егоров Г.А. О некоторых особенностях увлажнения и обезвоживания зерна // Изв. вузов. Пищевая технология. — 1964, —№ 1.— С. 13-18.
3. Пасынский А.Г. Коллоидная химия. М., 1959. — 266 с.
4. Выродов И.П., Росляков Ю.Ф. О физической сущности процессов увлажнения и обезвоживания зерновок с высокоразвитой капиллярнопористой структурой / Совершенствование процессов пищевой пром-сти. Технология и процессы пищевых производств. Краснодар: КубГТУ, 1997.
— С. 205-212.
5. Казаков Е.Д. Вода, ее функции в зерне. — М.: ЦНИ-ИТЗИ, 1994.— 51 с.
6. Трисвятский Л.А. Хранение зерна. — М.: Колос, 1966.
— 408 с.
7. Якимович В.Е. Поверхности зерна риса, участвующие в контактном влагообмене // Тр. ВНИИЗ. — 1969.
— №67.— С. 15-18.
8. Жнслин Я.М. Технология и оборудование крупяного производства.— М.: Колос, 1966. — 75 с.
9. Пересечный П.П. Обработка поверхности зерна водой. — М.: Изд-во техн. и эконом, лит-ры по вопросам заготовок, 1955. — 124 с.
10. Коратеев И.Г. Исследования процессов сушки
зерна пшеницы и риса-сырца при конвективном тепло-иодводе с различным влагосодержанием сушильного агента: Дис. ... канд. техн. наук.— Краснодар, 1967.— 174с. , .
Кафедра физики
II осту пила 23.06.98 г. .
678.562.002.612
НОВЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ БЕЛКОВ КУЛИНАРНО ОБРАБОТАННЫХ КРУП
Е.В. ЧЕРНОВА
Санкт-Петербургский торгово-экономический институт
Для населения многих стран мира крупяные блюда являются существенным источником белка. Эта их роль особенно велика в питании населения России. Исследованию химического состава и пищевой ценности круп посвящено достаточное количество работ, которые обобщены АМН СССР в справочных таблицах химического состава пищевых продуктов. Биологическая цен-
ность БЦ белков круп определяется степенью их усвоения [1] и аминокислотным составом.
Биологические методы оценки БЦ очень трудоемки. Наиболее удобны расчетные методы: метод аминокислотных скор [2], индекс Озера, формула Кофрани [3] и др. Расчетные методы имеют ряд преимуществ перед биологическими: они логичны, просты, удобны для массовых исследований и не требуют больших количеств исследуемого материала. Однако БЦ белков зависит не только от аминокислотного состава, но и ряда других факторов. Поэтому практически важным является со-
