CC BY
55
• ,.Д 664.723.001.5
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И ТЕКСТУРЫ ТКАНЕЙ ЗЕРНА ПРИ ГИДРОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
Е.Д. КАЗАКОВ ■ .
Московский государственный университет пищевых производств
Цель кондиционирования гидротермической обработки ГТО зерна перед переработкой в муку — направленное изменение прочностных основных и покровных тканей зерновки: снижение прочности эндосперма и повышение прочности (эластичности) оболочек. На крупяном заводе задача ГТО противоположна — повышение прочности ядра эндосперма и уменьшение прочности оболочек (пленок). Чем больше различие в механической прочности тканей зерновки пшеницы — плодовой и семенной оболочек и алейронового слоя — и эндосперма ядра, тем оптимальнее технологические свойства зерна [1, 2]. Ведущим процессом в кондиционировании является степень поглощения и ассимиляции тканями зерна воды, зависящая от количества добавляемой воды, сорбционной способности тканей, температуры процесса и продолжительности обработки (отволаживания). Наибольшее количество воды способны поглощать клейковинные белки — до 250%. При кондиционировании крахмал эндосперма зерна поглощает воды меньше: влажность его повышается до 30% [3]. Кондиционирование зерна улучшает хлебопекарное качество сортовой муки: меньше при холодном, проводимом при обычной температуре, и больше при горячем режиме — 40-60°С [4-10]. В результате кондиционирования уменьшается зольность зерна и улучшается цвет получаемой муки, увеличивается выход сырой клейковины, улучшается ее качество, а при выпечке хлеба улучшаются физические свойства теста, в первую очередь реологические, отражающие процессы, связанные с необратимыми остаточными деформациями, развивающимися во времени. От интенсивности этих процессов зависят пористость и цвет мякиша, объемный выход и вкусовые качества хлеба.
Современный уровень развития физики и биохимии зернопродуктов открывает возможности для углубленного изучения физико-химических и структурно-механических процессов в зерне при кондиционировании. Остановимся на некоторых внутренних процессах в тканях зерна, протекающих при ГТО на межклеточном и внутриклеточном уровнях.
Зерно представляет собой открытую термодинамическую систему, что позволяет вести исследования на принципах кинетики с учетом специфических внешних воздействий на зерно. Рассмотрим три направления: изменения в границах клетки — внутри нее, межклеточные взаимодействия и процессы на уровне тканей — микро- и макропроцессы в функциональных тканях, включая зерновку и производственную партию зерна в целом.
Воздействие воды, тепла при кондиционировании приводят к глубоким изменениям структурномеханических свойств зерна. Внутриклеточные и межклеточные взаимодействия переходят в разносторонние крупномасштабные процессы, охватывающие все ткани зерна, обеспечивая формирование технологических свойств зерновой массы. При кондиционировании большое значение имеет скорость проникания воды в тело зерновки и распределение ее по частям зерна. Известно, что количество воды, проникающей в зерно через ткани зародыша, значительно превышает ее количество, поступающее через остальную поверхность зерна [11]. Так, при погружении зерна ржи в воду при 27°С зародыш поглотил воды больше, чем эндосперм, через 1ч — в 2,4 раза, через 2 ч — в 1,7 раза и через 5 ч — в 1,4 раза. Поэтому зародыш наибольшее количество воды связывает в первый час замачивания зерна, тогда как эндосперм — только через 5 ч. Поглощение воды зерном пшеницы имеет тот же характер: верхняя часть зерновки с бороздкой — 4%, средняя часть зерновки ближе к бороздке — 19%, средняя часть зерновки ближе к зародышу — 20%, нижняя часть зерновки с зародышем — 57%.
При обработке зерна водой происходит увеличение его объема — ограниченное или предельное набухание. Скорость диффузии молекул воды значительно превосходит скорость диффузии молекул растворяемых водой полимеров зерна. В результате этого вода диффундирует в тело зерновки, гидратируя полярные участки макромолекул полисахаридов и белков. При этом цепи полимеров раздвигаются, связи между макромолекулами ослабляются, объем зерновки увеличивается — она набухает. Набухающее зерно способно оказывать большое давление на препятствия, мешающие увеличению объема зерна. Чем меньше влаги было в зерне перед набуханием, тем выше давление набухания.
Процесс набухания коллоидных капиллярно-пористых тел в воде включает этапы: поглощение воды с выделением тепла и контракцией системы, что наблюдается в результате присоединения к молекулам полимеров молекул адсорбционной воды;
присоединение влаги путем осмотического проникания ее внутрь замкнутых ячеек капиллярнопористого тела без выделения теплоты и контракции системы. Эти обе формы набухания наблюдаются у зерна. Однако процесс набухания зерна более сложен, чем набухание неживого капилляр-но-пористого тела. При набухании зерна появляются две дополнительные стадии [12]: проникание воды в клетки зерна идет не только под влиянием физических законов, в этом процессе участвуют и биологические процессы, проявляющиеся в дейст-
вии тонкг перенос Е клетки и помощью Включе в клетки нию физі свойств 3< входящих ченному белки, кр
ЛОЗЫ, ПЄІ
лярные } водой гид глицеролі к набухаї 85%, ржі характері бухания і ствием 1 структурі веществ Е деления зерновки, невшие к стое стро разованиі пилляров углеводал в физичеі но выше, нию влаг ЗОМ из Kf щать зна1 щение сд ми слоям Набуха повышен] 55—70°С. ция его с рен.
При на в 800 раз они соста ют заметі зерна прі В тєчєі работки влаги и, связи с р воды наб; дит нераЕ пряженю во времеї и их хим пряженні зерновке, эндоспер! фильных
НОВКИ, Л€
лочек, си ма. По м возрастав с одновре внешнюкі ведет к т кондицио яся релаи новленик
.001.5
шрова-:турно-шые и разно-затыва-рвание I. При ет ско-распре-соличе-ткани чество,
> зерна )ду при эндос-- в 1,7
ародыш первый ерм — пшени-рновки [ ближе [ ближе ювки с
величе-дельное )ды зна-шекул ультате , гидра-ишсаха-раздви-абляют-1бухает. зольшое ичению в зерне ухания.
фНО-ПО-
[ контр-
¡ультате
молекул
ого про-:ллярно-шнтрак-:аблюда-я зерна пилляр-появля-«шние шянием твуют и в дейст-
вии тонких клеточных механизмов, регулирующих перенос воды через клеточные мембраны внутрь клетки и выведение воды за пределы клетки с помощью выделительной системы.
Включение воды в биологический обмен веществ в клетки тканей зерновки также ведет к изменению физических, химических и технологических свойств зерна. Большая часть химических веществ, входящих в состав зерновки, способна к ограниченному набуханию при контакте с водой. Это белки, крахмал, целлюлоза, пектины, гемицеллюлозы, пентозаны, слизи и другие высокомолекулярные углеводы. Не набухают при контакте с водой гидрофобные вещества зерновки — триацил-глицеролы и другие липиды. Вещества, способные к набуханию в воде, составляют у пшеницы 80-85%, ржи — 72-75% массы зерновки. Для зерна характерная особенность — неравномерность набухания его отдельных частей, являющаяся следствием трех причин: различия анатомической структуры; различия гидрофильности химических веществ в составе зерна; неравномерности распределения отдельных химических веществ в теле зерновки. Оболочки зерна, содержащие одревесневшие клетки, имеют ярко выраженное волокнистое строение, особенно благоприятствующее образованию воздушных пустот, макро- и микрокапилляров. Зародыш, богатый липидами, белками и углеводами, по своей особой биологической роли в физической структуре обладает, как уже отмечено выше, способностью к интенсивному поглощению влаги. Эндосперм, состоящий главным образом из крахмала и белков, также способен поглощать значительное количество воды, но ее поглощение сдерживается оболочками и периферийными слоями зерна.
Набухание крахмала значительно возрастает при повышении температуры, достигая максимума при 55~70°С. Крахмал клейстеризуется, идет деструкция его структурных единиц — крахмальных зерен.
При набухании слизи способны увеличиваться в 800 раз. Несмотря на то, что в зерне пшеницы они составляют меньше 1% массы, слизи оказывают заметное влияние на структурные изменения зерна при набухании.
В течение всего периода гидротермической обработки в теле зерновки происходит миграция влаги и, следовательно, нарастание набухания. В связи с различиями в поглощении тканями зерна воды набухание разных частей зерновки происходит неравномерно, что порождает внутренние напряжения, изменяющиеся в разных тканях зерна во времени и в зависимости от содержания влаги и их химического состава. Зоны повышенных напряжений, вызываемых давлением набухания в зерновке, — алейроновый и периферийные слои эндосперма, содержащие наибольшую долю гидрофильных веществ. В результате верхние слои зерновки, лежащие ниже плодовых и семенных оболочек, сильно сжимают основную часть эндосперма. По мере проникания влаги в тело зерновки возрастает набухание глубинных слоев эндосперма с одновременным увеличением направленного во внешнюю сторону давления набухания. Все это ведет к тому, что в каждой части зерновки при кондиционировании происходит непрекращающа-яся релаксация напряжений, приводящая к установлению статистического равновесия напряже-
ний в теле зерновки. Совокупность этих напряжений, разных по величине и противоположных по направленности, охватывает всю массу зерновки и приводит на завершающем этапе гидротермической обработки к легкому дроблению зерновки при последующем механическом воздействии. Дробление кондиционированного зерна действительно происходит с меньшей затратой энергии при правильно выбранном режиме кондиционирования.
Изменение температуры тканей зерновки при гидротермической обработке связано с прониканием влаги в эндосперм и набуханием его центральной части. Появление глубинного источника тепла [13], рост влажности и температуры интенсифицируют экзотермические процессы. Температурный градиент в зерновке возникает в результате двух явлений, сопровождающихся выделением теплоты: физического — теплоты набухания и биохимического процесса — дыхания. Под влиянием перепада температур создаются условия для термоградиентного переноса влаги [14].
Увлажнение зерна пшеницы влажностью до 15— 30% сопровождается увеличением активности ферментов: увлажнение на 2-3% (с 12 до 15%) приводит к повышению активности нейтральных протеаз на 15-30%, липоксигеназы на 10-15%. Амилолитическая активность, оставаясь без изменения при влажности до 28%, при дальнейшем увеличении влажности начинает сильно нарастать. Дифференцированными режимами подготовки зерна к помолу можно регулировать активность ряда ферментов.
Взаимосвязанный комплекс этих процессов при гидротермической обработке зерна приводит к глубоким изменениям сложной совокупности составляющих его тканей химических веществ. Радикальным образом перестраивается структура тканей зерна. Зерно с измененной под действием /ТО структурой становится более доступным к механическому дроблению.
В ряде исследований при изучении технологических свойств пищевого сырья наряду со структурой оценивается его текстура. Под этим термином понимают перестройку структуры, изменение величины и направленности энергии химико-физических связей в пищевом сырье, что приводит к глубоким изменениям его свойств и технологических особенностей. Отмечается, что в наиболее полной завершающей форме текстура пищевого сырья образуется при завершающих процессах его обработки. Сравним содержание и смысл терминов структура и текстура.
Под структурой понимают совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях. Отличительной особенностью структуры является относительная стабильность ее форм, зависящая от химического состава, условий среды и интенсивности внешних воздействий. Формирование структуры зерна, например, определяют входящие в его состав природные полимеры — белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также липиды, не являющиеся полимерами, но способные образовывать многомолекулярные жидкокристаллические структуры.
Термин текстура чаще применяется в технике. Его употребляют для оценки формы структуры, отличающейся преимущественной ориентацией в
пространстве полимеров, молекул, кристаллических образований. Так, одним из отличительных признаков текстуры древесины является рисунок поперечного разреза, характерный для каждой породы дерева.
Особенностью текстуры металлов является преимущественная ориентация кристаллитов — мелких, неправильной формы кристаллов металла или сплава — в поликристаллическом теле.
Таким образом, текстура — это преимущественная ориентация молекул и полимеров в твердых аморфных телах или кристаллических зерен (кристаллов) в поликристаллах, смещение важнейших элементов структуры в организованно-пространственное положение, проявляющееся в анизотропии свойств материала. Текстура может возникать под действием упругих напряжений, тепловых воздействий, электрических полей, а также сочетания этих факторов.
Подготовка зерна к помолу сопровождается воздействиями и методами, приводящими, как следует из изложенного выше, также к переходу обычной для него структуры к текстуре, организованной расположенными в объеме зерна составляющими ее элементами.
Формирование текстуры зерна, направляемого на размол после /ТО, с пространственно ориентированным строением тела зерновки облегчит дробление зерна с получением промежуточных продуктов с геометрическими формами и размерами, улучшающими их последующее сепарирование, интенсифицирующими биохимические процессы, а также способствующими повышению хлебопекарного качества муки.
Можно полагать, что текстура, образовавшаяся при подготовке зерна к помолу, полностью переносится на муку и крупу. В хлебопечении текстура проявляется в процессах приготовления теста, определяющих его реологические свойства, а также в качестве хлеба по таким характеристикам, как состояние корки, пористость мякиша, вкусовые особенности и усвояемость.
Необходимо отметить, что изучение текстуры зерна пшеницы по видам, типам, подтипам и сортам до сих пор не привлекало внимания исследователей. В то же время реально использование
этих сведении при совершенствовании приемов переработки пшеницы в муку и крупу.
Знание текстуры, ее изменяемости и влияния на качество хлеба безусловно расширяют возможности повышения его потребительского достоинства. -
ЛИТЕРАТУРА
1.
Егоров Г.А., Мельников E., Максимчук Б.М. Технология муки, крупы и комбикормов. — М., 984.
2. Правила организации и ведения технологического процесса на мукомольных заводах. Ч. 1. — М., 1991.
3. Трегубое H.H., Жарова Е.Я., Жушман А.И., Сидорова Е.К. Технология крахмала и крахмалопродуктов. — М., 1981.
4. Петренко Т.П. Исследование взаимосвязи изменений структуры и технологических свойств зерна пшеницы при гидротермической обработке: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. — М., 1968.
5. Черны И., Егоров Г.А. Влияние разрыхления эндосперма зерна пшеницы на изменение его механических и технологических свойств в процессе холодного кондиционирования / Сб. ’’Хранение и переработка зерна" Сер. Мукомоль-но-крупяная пром-сть. — М., 1981.
6. Зотова H.H., Кретович В.Л. Биохимические процессы, происходящие в зерне пшеницы при кондиционировании / Сб. ’’Биохимия зерна и хлебопечения”. — М., 1960. — Вып. 6.
7. Казаков Е.Д. Вода, ее функции в зерне. — М., 1994.
8. Казаков Е.Д. Биологические и физико-химические функции в зерне / Сб. ’’Влага в зерне”. — М., 1969.
9. Кретович В.Л. Биохимия растений. — М., 1980. — 440 с.
10. Максимов Г.А. Физиология растений, 2. — М., 1955.
11. Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. — М., 1954.
12. Карпиленко Г,П. Формирование белково-протеиназного комплекса и технологических достоинств пивоваренного ячменя и пшеницы на основе направленного изменения агрофона: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. —■ М., 1994.
13. Асадова М.Г., Попов М.П. Изменение активности ферментов при увлажнении зерна пшеницы / / Прикладная биохимия и микробиология. Т. 26. — 1990. — Вып. 3.
14. Основы биохимии / Анисимов A.A., Леонтьева A.H., Александрова И.Ф. и др. — М., 1986. — 550 с.
15. Дашевский В.Г. Конформационный анализ органических молекул. — М., 1982.
16. Политехнический словарь. — М., 1956.
17. Жданов Г.С. Геометрия пластической деформации металлов / Рентгенография в применении к исследованию материалов. — М.-Л., 1974.
Кафедра биохимии и зерноведения
Поступила 29.07.96
россиис суждеш ставите, ние, чт границь стиции ские ша дов они стью вс процесс венно-ті ставляю российс законод вой П(М коррупг финансі Такое должно ки, коте лизации стройки лизиров ров эко течение где НЄМІ продукт ление, в и США, период инвеста ких как ность, з уровня і период I онным лее того сфере в: органы і свои про
