Биохимические основы хранения растительного сырья

Растительное сырьё может быть представлено либо жизнеспособными объектами — зерном, семенами, овощами, фруктами, либо объектами с разрушенной (перемолотой) клеточной структурой, например мукой. То, в каком состоянии следует хранить растительное сырьё, в жизнеспособном или в перемолотом, определяется интенсивностью и характером протекания происходящих в нём процессов.

1. Процессы, происходящие в сырье с неразрушенной клеточной структурой.

В растительном сырье с неразрушенной клеточной структурой — зерне, картофеле, сахарной свёкле, овощах, фруктах и т.п. протекают обменные процессы, оказывающие негативное влияние на качество сырья. Интегральным показателем, определяющим интенсивность протекания обменных процессов в жизнеспособном сырье, является интенсивность дыхания, которую чаще всего выражают в миллиграммах СО₂, выделенного 100 граммами сухих веществ сырья за 24 часа. Баланс биохимических превращений, происходящих при дыхании, выражается суммарным уравнением:

C ₆H₁₂O₆ + 6O₂ 6CO₂ + 6H₂O + 686 ккал/моль

Как следует из суммарного уравнения дыхания, при хранении жизнеспособного растительного сырья в нём может происходить ряд существенных изменений.

Во-первых, дыхание сопровождается биологическими потерями — уменьшением массы растительного сырья вследствие того, что в этом процессе расходуются углеводы, которые превращаются в CO₂ и H₂O. Следовательно, хранить растительное сырьё без потерь невозможно, и уменьшение его массы может достигать очень больших величин, в особенности у сочного сырья (именно поэтому сахарная промышленность работает сезонно) и у проросшего зерна — солода. Таким образом, очевидно, что необходимо хранить сырьё так, чтобы потери, происходящие вследствие дыхания, были минимальными.

Во-вторых, дыхание сопровождается изменением состава воздушной среды, окружающей растительное сырьё, вследствие поглощения O₂ и выделения CO₂. Причём, изменение состава воздуха в хранилище может быть довольно значительным. Известны случаи, когда в хранилищах зерна концентрация CO₂ изменялась от 0,03 % (обычное содержание углекислого газа в атмосфере) до 13 %. Прежде всего, это опасно для обслуживающего персонала. Кроме этого, при отсутствии O₂ в зерне начинается процесс спиртового брожения, в результате чего накапливается этиловый спирт. Он оказывает отравляющее воздействие на зародыш, который быстро погибает, а это значит, что теряется жизнеспособность зерна. Его уже нельзя использовать как семенной материал. Также, увеличивается расход сырья на получение энергии, за счёт того, что процесс диссимиляции начинает протекать менее эффективно.

В-третьих, при дыхании выделяется влага. С повышением влажности создаются благоприятные условия на поверхности сырья для жизнедеятельности микроорганизмов, например плесневых грибов, которые тоже дышат, и таким образом способствуют ещё большему возрастанию интенсивности дыхания.

В-четвёртых, при дыхании происходит выделение тепла, т.к. не вся освобождающаяся при аэробном распаде углеводов энергия аккумулируется в виде молекул АТФ, часть её рассеивается в виде тепла. Если зерно, например, плохо проветривать, то тепло может накапливаться, т.е. будет идти процесс его самосогревания, причём температура зерновой массы может достигать большой величины — 70–75 °C. В таких условиях зерно буквально обугливается, а зерновая масса теряет сыпучесть и превращается в тёмный монолит. Такое зерно нельзя использовать ни в качестве семенного материала, ни для пищевых целей. Чтобы предупредить или прервать процесс самосогревания, нужно снизить температуру и влажность зерновой массы, для чего проводят её интенсивную вентиляцию, перелопачивание и т.п.

Выделение влаги и тепла, вызываемое дыханием растительного сырья, может являться причиной дальнейшего усиления дыхания. Температура и влажность — важнейшие факторы, от которых зависит интенсивность дыхания.

Например, зерно пшеницы с влажностью 15,5 % дышит в 2–4 раза интенсивнее, чем сухое (с влажностью меньше 14 %), а с влажностью, превышающей 17 % — в 20–30 раз интенсивнее. Сухое зерно, по сравнению с влажным, имеет ничтожную интенсивность дыхания (рис. 12).

Интенсивность дыхания растительного сырья резко возрастает при появлении в нём свободной влаги, т.к. это вызывает увеличение активности гидролитических и дыхательных ферментов, а следовательно, и увеличение расходования сухих веществ. Влажность, при которой в сырье появляется свободная влага и резко возрастает интенсивность его дыхания, называют критической. Для каждого вида сырья величина критической влажности устанавливается соответствующим ГОСТом.

При повышении температуры до определённого уровня (50 °C) интенсивность дыхания растительного сырья возрастает (рис. 13). Однако дальнейшее повышение температуры приводит к резкому снижению интенсивности дыхания, что связано с нарушением нормального строения и функционирования протоплазмы клеток сырья, с инактивированием ферментов и, в конечном счёте, с отмиранием тканей.

мг СО₂ / 100 г с.в. за 24 ч

мг СО₂ / 100 г с.в. за 24 ч

w = 22 %

w = 18 %

w = 16 %

w = 14 %

5 10 15 20 w, % 50 t, °C

Рис. 12. Влияние влажности на Рис. 13. Влияние температуры на

дыхание зерна пшеницы дыхание зерна пшеницы

при различной влажности

Чтобы при хранении растительного сырья не происходило усиление процесса дыхания, необходимо хранить его в сухом состоянии при влажности ниже критической и при низкой температуре (2–4 °C), хорошо проветривать помещение для удаления накапливающихся в нём водяных паров и понижения его температуры, а также по возможности перемешивать хранящееся сырьё.

2. Процессы, происходящие в сырье с разрушенной клеточной структурой.

В случае разрушения клетки нарушается скоординированность протекающих в ней процессов. В сырье с разрушенной клеточной структурой решающую роль начинают играть нежелательные окислительные и гидролитические процессы. Это связано с тем, что, во-первых, благодаря высокой дисперсности сырья открывается свободный доступ кислорода ко всем компонентам клеток и происходит их окисление, и, во-вторых, вследствие разрушения структуры лизосом высвобождаются содержащиеся в них гидролитические ферменты, что вызывает автолиз — саморастворение компонентов клеток под воздействием их собственных гидролаз.

Таким образом, обменные процессы в клетках полностью нарушаются и сырьё становится не хранимым в прежних условиях. Разрушенная система больше не поддаётся регулированию, т.к. принцип биологического регулирования полностью нарушен. Эта система не имеет и общего критерия для своей характеристики.

Наименее устойчивой фракцией пищевого сырья является липидная фракция. Деградация жиров в сырье с неразрушенной клеточной структурой и в сырье с разрушенной клеточной структурой протекает по-разному.

Деградация жиров в неразрушенной клетке:

липаза β-окисление О цикл Кребса

Ж ир Высокомолекулярные СН₃–С ~ S–КоА СО₂, Н₂О

жирные кислоты Ацетил-КоА

Глицерин

При деградации жиров в неразрушенной клетке темп процессов скоординирован, жирные кислоты не накапливаются, а подвергаются β-окислению, в результате чего образуются молекулы ацетил-КоА, которые затем поступают в цикл Кребса, где полностью окисляются при участии дыхательной цепи до углекислого газа и воды.

Деградация жиров в разрушенной клетке:

липаза липоксигеназа прогоркание

Ж ир Высокомолекулярные Гидроперекиси Альдегиды

жирные кислоты (O₂; w, %; t, °C; hν) жирных кислот и кетоны

Глицерин

В разрушенной клетке механизм β-окисления сломан и жирные кислоты накапливаются. В результате растёт кислотное число жира. Жирные кислоты подвергаются окислению кислородом воздуха с помощью фермента липоксигеназы, активность которой возрастает в условиях увеличенной влажности, повышенной температуры и под воздействием света. В результате образуются гидроперекиси жирных кислот, которые влияют на многие свойства пищевого сырья, т.к. окисляют и тем самым разрушают его компоненты, а именно: новые порции высокомолекулярных жирных кислот с образованием новых гидроперекисей, аминокислоты, каротиноиды, придающие кремовый цвет муке (этот процесс называют отбеливанием муки), витамины и др. В конце концов сырьё прогоркает: в нём накапливаются альдегиды и кетоны, имеющие неприятный запах и вкус.

Таким образом, хотя химический состав размолотого сырья сразу не меняется, однако меняется характер протекающих в нём процессов. Поэтому сырьё с разрушенной и с неразрушенной клеточной структурой — это принципиально разные объекты. Хранить же сырьё следует в только жизнеспособном состоянии, когда процессы в клетке скоординированны и можно следить за её состоянием, регулировать протекающие в ней обменные процессы.