Пищевая Биохимия / Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

17.1. Зерновые культуры

ки, липиды и нуклеиновые кислоты. При этом возрастает активность процессов свободнорадикального окисления, повышается уровень перекисного окисления липидов. В результате образуется дефектное зерно, которое имеет высокую гигроскопичность, с возрастающей активностью дыхания, содержащее низкомолекулярные биогенные соединения. Последние являются продуктами гидролиза белков, углеводов и липидов. Комплекс этих соединений служит благоприятной средой для развития микроорганизмов.

Действие температурного фактора среды проявляется в замедлении или остановке процессов развития зерен, которые при этом утрачивают еще и питательную ценность. Зерна, подвергшиеся действию низкой температуры, имеют низкую жизнеспособность и всхожесть.

Суховейное зерно образуется в колосе при высокой температуре окружающей среды (более 25 °С), продолжающейся в течение нескольких суток, низкой влажности воздуха (до 30…35 %) и сильном ветре (более 5 м/с). При этом происходит активное испарение влаги с поверхности почвы, возникает сухость воздуха, способствующая истощению запасов почвенной влаги. В этих условиях возникает дефицит влаги в почве и пониженная влажность воздуха.

Суховей оказывает влияние на протекание биохимических процессов в зерне и на его созревание. При этом корневая система растений испытывает дефицит влаги, что проявляется в замедлении физиологических процессов в растении. Происходит формирование щуплого зерна, масса которого уменьшается на 30…40%, а содержание клейковины возрастает на 50…60%. Возникающий дефицит влаги в окружающей среде замедляет транспортные потоки в растении, что снижает поступление питательных веществ в зерно, способствуя возникновению стекловидности зерен. В растении снижается фотосинтетическая активность, листья начинают терять влагу, растение и его корневая система сохнут.

Взерне в условиях суховея потеря воды приводит к коагуляции белков

иуплотнению крахмальных зерен. В результате в зерновках образуются пустоты. Кроме того, сильный ветер при высокой сухости воздуха способствует быстрому испарению влаги с поверхности зерна. В этих условиях процесс созревания зерна приостанавливается. В структуре зерновок оболочки отслаиваются от эндосперма, образуя большие воздушные полости, и зерно приобретает характерные внешние признаки суховейного зерна: легкое, щуплое, стекловидное, обесцвеченное, с морщинистыми оболочками. Дефицит влаги способствует уплотнению белков клейковины и утрате ими растяжимости. В суховейном зерне отмечается снижение содержания липидов и низкомолекулярных углеводов. При наличии суховейного зерна отмечается снижение урожайности и уменьшение выхода муки, что обусловлено уменьшением размера и массы зерен.

303

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

Стекание зерна наблюдается при высокой влажности воздуха (выше 90%), во время затяжных дождей или долго не спадающих сильных туманов.

Избыток влаги в почве и в воздухе создает условия анабиоза. При этом

врастении замедляется транспорт питательных веществ, что ограничивает их поступление в зерна. В этих условиях понижается фотосинтез

вхлоропластах растений. Ограниченное поступление веществ в зерна замедляет их созревание, способствуя уменьшению массы. Зерна становятся щуплыми и на них появляются мучнистые пятна, а иногда розовый налет и почернение зародыша. Избыток влаги способствует возрастанию активности гидролаз. Амилазы и пептидазы расщепляют ранее накопленные высокомолекулярные соединения. При этом белки расщепляются до аминокислот, а крахмал — до глюкозы. Накопление этих веществ обусловливает повышение осмотического давления в клетках зерен, усиливая приток в них воды с влажной поверхности зерновок. В ответ на это возрастает поток низкомолекулярных веществ к поверхности зерновок и колоса. Последний при интенсивном развитии процесса может приобрести сладковатый вкус.

Высокая влажность и наличие питательных веществ на поверхности зерен способствует их заражению бактериями и грибами. При развитии грибов на колосе появляется налет плесени. Активная жизнедеятельность грибов сопровождается возрастанием процессов распада белков, углеводов и липидов зерен, что приводит к потере массы зерен и снижению их урожайности, ухудшению посевных, технологических и кормовых качеств зерна.

Кроме того, качество зерна может сильно снижаться при поражении его клопом-черепашкой. При укусе клоп-черепашка выделяет секрет, содержащий набор ферментов, катализирующих реакции гидролиза белков, крахмала и других биогенных молекул. Поэтому при повреждении клопомчерепашкой молодых стеблей растения погибают, не успевая сформировать колос, а листья сворачиваются. В период созревания зерновых культур клоп-черепашка повреждает зерна, питаясь их содержимым. Эндосперм зерен после действия ферментов клопа-черепашки становится рыхлым,

вего структуре могут возникать пустоты. При размоле такого зерна эндосперм легко рассыпается на мелкие крупинки. Под действием протеаз клопа-черепашки в зерне возрастает содержание свободных аминокислот. Кроме того, секрет клопа-черепашки повышает дыхательную активность митохондрий, увеличивая расход пластических ресурсов зерен. Поэтому зерно после повреждения клопом-черепашкой становится морщинистым, щуплым, легким, приобретает бледно-желтую окраску, теряет всхожесть и может легко осыпаться. Мука из такого зерна становится непригодной для выпекания хлеба, так как утрачивает хлебопекарные свойства из-за

304

17.1. Зерновые культуры

разрушения белков клейковины. В пораженном зерне клейковина не отмывается, а при частичном повреждении отмечается уменьшение ее содержания и резкое ухудшение качества. Тесто из такой муки становится жидким, не поднимающимся, а при выпечке хлеб получается низкого качества.

17.1.15.Биохимические изменения в зерне при самосогревании и повреждении зерна сушкой

Зерна с высокой исходной влажностью становятся привлекательными для бактерий и грибов, которые способны вызывать их самосогревание. Наличие высокой влажности способствует возрастанию дыхания у зерен, однако их температура при этом может увеличиваться только на 1…3 °С. При заражении зерен грибами их температура за 4…5 дней может повыситься на 10 °С. Грибы, и в первую очередь Aspergillus candidus и Aspergillus flavus, в процессе интенсивного роста могут повысить температуру до максимума, который сами способны вынести, т. е. Aspergillus flavus до 50 °С и Aspergillus candidus до 55 °С.

Грибы накапливают воду, которая повышает влажность зерен до уровня, допускающего появление термофильных бактерий. Последние способны увеличить температуру зерен до 70…75 °С. При соответствующем сочетании факторов немикробиологическое согревание может в дальнейшем еще больше повысить температуру, иногда до точки воспламенения. Кроме того, плесени хранения при влажности зерен в 70…80 % и температуре 25…30 °С могут активно развиваться, повышая влажность зерен до таких значений, что создаются условия анабиоза. При этом дыхание

ижизнеспособность зерен понижается, приводя к их гибели, предотвращая развитие их самосогревания.

Качество зерен может быть понижено при действии на них высоких температур во время сушки, особенно при несоблюдении установленных режимов сушки. После воздействия на влажные зерна высокой температуры они в значительной степени теряют воду. Обезвоживание зерен понижает жизнеспособность их зародыша и в целом проявляется в понижении всхожести. Наличие водного дефицита обусловливает снижение содержания свободной воды, способствует возрастанию концентрации

иснижению рН вакуолярного сока, оказывая влияние на гидратированность белков цитоплазмы и активность ферментов. Изменяется вязкость цитоплазмы, возрастает проницаемость мембран и происходит выход ионов из клеток, нарушаются их осмотические свойства. Подавляется синтез

ивозрастает распад нуклеиновых кислот (РНК и ДНК). При этом понижается активность синтетических процессов, в частности синтез белков, аминокислот и других соединений. Полисомы распадаются на рибосомы

305

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

и субъединицы. Происходят структурные изменения в митохондриях, сопровождаемые повреждением и ингибированием ферментов, участвующих в процессе окислительного фосфорилирования. Прекращается синтез АТФ, обусловливающий нарушение баланса метаболических процессов. В результате зерно значительно теряет массу и жизнеспособность.

Кроме того, отмечается частичная или полная денатурация белков, разрушаются белково-липидные комплексы плазмалеммы и других клеточных мембран. Денатурированные белки и другие высокомолекулярные соединения становятся доступными объектами для действия гидролаз. Поэтому в зернах возрастает количество низкомолекулярных соединений и продуктов их распада. Денатурации подвергаются и белки клейковины, гидролиз которых понижает их количество, изменяя качество клейковины. При этом клейковина становится крепкой, неэластичной, крошащейся. Хлеб из зерна с такой клейковиной получается очень низкого качества.

17.1.16. Накопление афлатоксинов в заплесневевшем зерне

В процессе созревания в зернах накапливаются различные биогенные молекулы, которые при определенных условиях могут быть использованы как питательные вещества для развития микроорганизмов, ухудшающих его качество при хранении. Численный и видовой состав микроорганизмов зерен зависит от их влажности, а также от температуры и влажности среды, в которой они хранятся. Кроме того, важное значение в повышении микробиологической обсемененности зерен имеет наличие у них механических повреждений, полученных в процессе обмолота и последующей обработки. Общее количество микроорганизмов на поверхности свежеубранного зерна зависит от строения оболочек, степени опушенности семян, наличия цветковых оболочек и т. д.

На зерне пшеницы, ячменя, риса выявляются виды Alternaria, Helminthosporium, для кукурузы характерны Fusarium, Cephalosporium, на зерне овса присутствуют грибы рода Trichoderma, а на зерне гречихи — Ascochyta и т. д. Грибы Alternaria, обитающие на зерновках пшеницы, присутствуют в виде мицелия под наружными слоями перикарпия.

Наиболее оптимальными условиями для роста бактерий, плесеней хранения и других микроорганизмов являются зерна пшеницы с влажностью 17…20%, хранящиеся при температуре среды 25…30 °С. На зерне кукурузы бактерии начинают развиваться при влажности 18 %, а дрожжи — при 20…24 %. В результате плесневения зерен в них снижается содержание основных биогенных молекул, что проявляется в ухудшении их качества и питательной ценности. Кроме того, грибы родов Aspergillus и Penicillium способны синтезировать токсические комплексы и соединения. Так,

306

17.1. Зерновые культуры

из арахисового шрота и комбикормов выделены грибы Aspergillus flavus и Aspergillus parasiticus, которые продуцировали токсические вещества, называемые афлатоксины. Эти вещества обнаружены практически во всех видах зерна и продуктов его переработки.

Афлатоксины имеют сложное строение; они относятся к группе микотоксинов и подразделяются на несколько типов — А1, А2, М1, М2 и др. Механизм действия афлатоксинов состоит в том, что они после 15,16-эпок- сидирования цитохромом Р-450 связываются с РНК, ингибируя затем синтез белка.

О О

О

R

H

Афлатоксин В1 (R: H); афлатоксин М1 (R: ОH)

Количество афлатоксинов на зернах может сильно варьироваться. Больше всего афлатоксины накапливаются в шротах, отрубях и некоторых других компонентах комбикормов. Условиями для образования афлатоксинов в зерне разных культур являются прежде всего влажность воздуха — не менее 85% и температура — не ниже 25 °С. На зерне риса накопление афлатоксинов может наблюдаться при температуре от 11 °С, а на зерне кукурузы — при влажности зерна 13% и температуре 12 °С.

Токсичные вещества накапливаются во всех элементах тела гриба — мицелии, конидиеносцах, спорах. Синтез токсинов у грибов начинается и достигает своего максимума в период спорообразования. Токсины в наибольших количествах локализуются в репродуктивных органах. В пшеничной муке образование афлатоксинов наблюдается при содержании грибов от 12 до 500 в 1 г. Для зерна пищевого назначения установлены нормы предельного содержания афлатоксинов — не более 2,5 мкг/кг. Особенно много афлатоксинов накапливается в дробленных и поврежденных зернах, а также в сорной примеси.

Афлатоксины стойки к нагреванию и только при температуре 250… 300 °С могут разрушаться. Высокая температура убивает грибы, но снижает питательную ценность продукта. Поэтому для снижения содержания афлатоксинов в зерне необходимо проводить профилактические меро-

307

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

приятия по борьбе с плесенью зерна и кормов. При оценке качества зерен необходимо учитывать степень зараженности их микроорганизмами, определяя содержание грибов родов Aspergillus и Penicillium.

17.2. ЗЕРНОБОБОВЫЕ КУЛЬТУРЫ

К зернобобовым культурам относятся горох, соя, фасоль, вика, чечевица, люпин и др. Они широко используются в качестве продуктов питания человека, для кормления сельскохозяйственных животных, в биологической и фармацевтической промышленности. Бобовые культуры способны

взначительных количествах накапливать азот, который резервируется

врастительных тканях и семенах растений из воздуха с помощью клубеньковых бактерий. Поэтому зернобобовые культуры широко используются

впроизводстве кормов для сельскохозяйственных животных.

17.2.1. Химический состав зерна зернобобовых культур

Особенностью всех зернобобовых культур является высокое содержание в их семенах белков — от 23 до 35% (табл. 17.4). При этом количество белков зернобобовых культур может быть практически в 2…3 раза больше, чем в злаковых культурах. Однако крахмала в семенах зернобобовых меньше, чем в зерновках злаковых, а моно- и олигосахаридов накапливается больше, хотя содержание других биогенных соединений практически не отличается. Исключением является соя, которая, как масличная культура, способна накапливать в семенах до 25…27 % липидов.

308

17.2. Зернобобовые культуры

Белки бобовых богаты незаменимыми аминокислотами, особенно лизином, содержание которого в 2,0…2,5 раза выше, чем в белке злаковых культур. Семена бобовых богаты крахмалом, количество которого в горохе может быть 40…55 %, бобов — 40…50, фасоли — 40…60, вики — 40…55, чечевицы — 45…60%. В зависимости от сорта и условий выращивания семена гороха содержат от 21 до 34% белка. Содержание зольных элементов в семенах бобовых может колебаться в пределах 3,3…5,8%, а моно- и олигосахаридов — 2,0…10,0%.

17.2.2.Особенности состава белков, углеводов, витаминов, минеральных веществ в семенах бобовых растений

Качественный состав белков зернобобовых культур гетерогенен, но в нем преобладают глобулины. Так, содержание глобулинов в семенах гороха может колебаться в пределах 60…80 % от общего содержания белков, сои, люпина и чечевицы — 60…70, фасоли — 80…90 %. Количество альбуминов составляет в семенах зернобобовых 5…15%, глютелинов в семенах бобовых — от 10 до 20%, а фасоли и люпина — 5…10%. Проламины в семенах бобовых отсутствуют. Кроме того, из семян гороха выделены легумины и ницилины, из сои — глицинины, из фасоли — фазеолины, из люпина — α-, β- и γ-конглютины. Эти белки различаются составом аминокислот, молекулярной массой и величиной pI.

Всоставе белков бобовых в целом содержатся все незаменимые аминокислоты, но отмечается дефицит метионина. Бобовые культуры содержат много свободных аминокислот, а в семенах их количество может составлять 4…5 % массы зерна.

Вкрахмале бобовых культур содержится до 20…30% амилозы и 70…80% амилопектина. При этом белок в семядолях гороха и в эндосперме прикреплен к зернам крахмала. Основным олигосахаридом бобовых является сахароза. В состав клеточных стенок семян бобовых входят клетчатка, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, пентозаны. Большинство бобовых содержит 1,2…2,3% липидов, которые в основном входят в состав биогенных соединений зародыша. Исключение составляют люпин и соя. В семенах кута содержится 6…7 %, люпина — 5…21, сои — 17…27 % липидов.

Количество минеральных веществ в семенах бобовых может сильно колебаться и зависит от условий, места произрастания, а также от количества вносимых удобрений. В семенах большинства бобовых доля золы обычно составляет 2…5 %, а сои — 4…7 %. Элементный состав бобовых разнообразен, но больше всего они содержат фосфора и калия, количество которых в сумме равно 70…80 % общего состава элементов.

309

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

Богаты бобовые культуры и витаминами. Причем в оболочках семян бобовых больше содержится витаминов группы В, а в зародыше — A, D, E, K. Семена зеленого гороха содержат до 50 мг% витамина С.

17.2.3.Биохимические процессы при созревании, послеуборочном дозревании и хранении зерна

На начальных этапах развития бобовых в них мало накапливается азота и только после начала фиксации азота клубеньковыми бактериями его содержание в растении начинает возрастать, достигая максимума

впериоды бутонизации и цветения. После завершения стадии цветения количество азота в растении начинает понижаться. Так, при созревании гороха общего азота в листьях верхних ярусов растения накапливается больше, чем в нижних листьях и нижних частях стебля. В период цветения и формирования зерен содержание азота в листьях и стебле понижается, так как значительная его часть переходит в репродуктивные органы, способствуя накоплению азота в зернах на ранних этапах созревания.

Впериод созревания зернобобовых в зерна поступают аминокислоты, из которых синтезируются белки и моно- и олигосахариды, используемые

впроцессах синтеза крахмала. Последний особенно активно синтезируется через 28…40 дней после цветения. В этот же период синтезируется значительное количество клетчатки. На конечных стадиях созревания семян наблюдается максимальное увеличение скорости синтеза крахмала, тогда как максимум биосинтеза белков приходится на время налива семян. Аналогичные изменения химического состава отмечаются и у других бобовых культур. Только у сои в период созревания семян преимущественно синтезируются липиды.

Следует отметить, что на начальных стадиях созревания семян в них синтезируются низкомолекулярные глобулины, количество которых может составлять в этот период от 50 до 70%. На поздних стадиях созревания семян в основном синтезируются высокомолекулярные глобулины. В целом белки бобовых представлены до 50…70% водорастворимой и до 20…43% солерастворимой фракциями. При этом урожайность бобовых культур может составлять до 30…40 ц/га, что будет соответствовать 0,8…1,2 т белка.

17.2.4.Влияние природно-климатических условий, орошения и режима питания растений на накопление белков и углеводов в зерне зернобобовых культур

Основными факторами, влияющими на накопление белков в зернобобовых культурах, являются следующие: плодородие почв, влажность,

310

17.3. Масличные культуры

температура почв и воздуха. Поэтому наиболее благоприятными условиями для выращивания зернобобовых культур могут быть районы с черноземными почвами и с жарким и сухим климатом. Важными факторами внешней среды, способствующими накоплению белков в семенах и определяющими их рост и развитие, служат температура, влажность почвы

ивоздуха в период созревания зерна.

Вусловиях жаркого и сухого климата с ограниченным количеством осадков, особенно в период созревания зерна, в семенах накапливается больше глобулинов, тогда как при выращивании бобовых в условиях орошаемого земледелия в зерне больше синтезируется водорастворимых белков.

Содержание крахмала в зернах, как правило, находится в обратной зависимости от количества белков. При этом факторы среды могут оказывать влияние и на состав крахмала. Так, в условиях севера в зернах зернобобовых амилозы в составе крахмала больше, чем амилопектина.

Наличие клубеньковых бактерий в корнях бобовых растений позволяет им в меньшей степени испытывать недостаток азота в почве. Однако при выращивании зернобобовых культур необходимо создавать максимальные условия для жизнедеятельности бактерий, которые интенсивно развиваются преимущественно при нейтральном рН почвы.

Для повышения урожайности зернобобовых используют фосфорные

икалийные удобрения. Так, внесение в почву фосфорно-калийных удобрений в количестве 45 кг/га способствует увеличению содержания в семенах белка на 2,2 %, а при добавлении 90 кг/га — на 6,3 %. Урожайность

гороха при Р60 (т. е. при 60 кг/га фосфора, вносимого в почву) увеличивается с 25,5 до 31,6 ц/га, а под влиянием Р60K60 возрастает до 32,7 ц/га.

17.3. МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ

Растения, в семенах которых накапливаются в большом количестве липиды, называются масличными культурами. Растительные липиды используются для приготовления пищи, в хлебопечении, кондитерском производстве, для консервации продуктов, при производстве маргарина, в фармацевтическом, сельскохозяйственном и биотехнологическом производстве, медицине (рис. 17.3). К масличным культурам относятся хлопчатник, арахис, лен, пальма, маслина, соя, подсолнечник, кунжут, горчица, мак, грецкий орех.

17.3.1. Химический состав семян масличных растений

Семена масличных культур содержат в больших количествах липиды и белки (табл. 17.5). При этом количество липидов может составлять

311

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

Рис. 17.3. Использование растительных масел в производстве различных видов пищевой, сельскохозяйственной и другой продукции

Та б л и ц а 1 7 . 5

Состав основных биогенных соединений (%) семян масличных культур

312