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

17.7. Овощные культуры

ра — 26,9, кальция — 16,2, магния — 15,6, натрия — 1,8, железа — 0,4 мг%. Количество витаминов в плодах следующее (в мг%): витамин С — 6,0, каротин — 0,2, витамин РР — 0,6.

Перцы имеют широкий, гладкий, мясистый плод-стручок, внутри которого располагаются семена. Острый вкус плодам перца придает алкалоид капсаицин, действующий раздражающе на слизистые оболочки рта и желудка. Больше всего капсаицина накапливается на внутренней стенке плода и около семени.

Самой распространенной овощной культурой является лук. Он используется практически в течение года. Весной чаще всего потребляют его зеленое перо, а в остальное время года — луковицы. Последние содержат воды до 86,0%, углеводов — 10,5, белков — 1,7, целлюлозы — 0,6, липидов — 0,3 %. Кроме того, в луковице содержится калия — 173 мг%, фосфора — 51,9, магния — 27,6 мг%. Количество витамина С в луковице составляет 9,0 мг%, а в зеленых перьях лука — 24 мг%. В перьях содержится калия до 210 мг% и каротина до 6 мг%. Луковицы лука богаты фитонцидами, т. е. веществами, убивающими возбудителей опасных заболеваний.

В пищевом производстве используются луковицы чеснока, содержащие воды 61,4 %, углеводов — 29,1, белков — 6,3, целлюлозы — 1,8 %, а также калия — 992 мг%, фосфора — 178,6, натрия — 3,0, железа — 2,7 мг%. В луковице чеснока количество эфирных масел может составлять 158 мг%, что определяет наличие у него своеобразного резкого запаха.

17.7.3. Биохимические процессы в созревающих овощах

Овощи можно отнести к специализированным культурам, которые в процессе созревания синтезируют определенные биогенные соединения. Накопление основных биогенных соединений в овощах идет в период созревания. В этот период происходит активное деление клеток, возрастают скорости синтетических процессов и поступление воды. Процессы созревания для каждого вида овощей имеют свои индивидуальные сроки и особенности протекания. Характеризуются они активным метаболизмом клеток, увеличением размеров меристематических и паренхиматозных тканей. При этом разные виды овощей могут сильно различаться по содержанию нуклеиновых кислот, которые составляют основу системы управления биохимическими процессами клеток. Причем отмечается увеличение нуклеиновых кислот в самых молодых клетках, способных в дальнейшем к активному делению. Кроме того, в тканях увеличивается содержание нуклеозидтрифосфатов (АТФ, УТФ, ГТФ и ЦТФ), образование которых необходимо для стимулирования метаболических процессов и определения их направленности.

353

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

Созревание овощей сопровождается протеканием в клетках и тканях биохимических процессов, которые обусловлены многокаскадными механизмами взаимных превращений биогенных молекул. В результате протекания биохимических процессов образуются метаболиты, используемые на создание сложных структурных образований, элементов мембран клеток и среды.

Основными элементами биохимических процессов являются ферменты, синтез и активность которых будут определять возможности синтеза биогенных соединений в клетках созревающих овощей. Каталитическая активность многих ферментов зависит от наличия коферментов и микроэлементов, входящих в состав их активных центров. Направленность действия ферментативных систем может изменяться в зависимости от стадии созревания овощей, что во многом определяется индивидуальным составом биогенных молекул в тот или иной период времени.

Показателем метаболической активности клеток при созревании овощей служит уровень окислительного фосфорилирования, который способствует накоплению в клетках нуклеозидтрифосфатов. Содержание АТФ в этот период отражает возрастание дыхательной активности митохондрий. Максимальный подъем дыхания свидетельствует о завершении процесса созревания овощей и начале их старения. В процессе созревания овощей увеличивается содержание органических кислот, которые являются промежуточными метаболитами ферментов цикла трикарбоновых кислот и гликолиза. Органические кислоты в дальнейшем метаболизируются в другие биогенные молекулы (аминокислоты, спирты, альдегиды и др.). При этом происходит переключение дыхания с аэробного типа на анаэробный. Одной из причин возрастания анаэробного типа дыхания при созревании овощей является ослабление доступа кислорода из-за уплотнения их поверхностных покровов.

По мере формирования покровных тканей овощей в них накапливаются различные биогенные соединения, в частности аскорбиновая кислота. Причем уровень витамина может сильно измениться в процессе созревания овощей. Больше всего эти изменения выражены в перцах. Так,

взеленых перцах содержится в среднем 100 мг% аскорбиновой кислоты,

втех же перцах, плоды которых оставлены на растении до покраснения, ее количество может возрасти в 2 раза. При созревании зеленого горошка

впериод молочно-восковой стадии, общее содержание аскорбиновой кислоты изменяется от 35 до 30 мг%. При этом содержание дегидроаскорбиновой кислоты в этот период может резко понизиться с 13 до 3 мг%. В стадии восковой зрелости, характеризующейся высоким содержанием крахмала, общее количество аскорбиновой кислоты снижается вдвое.

Содержание каротина в созревающих овощах коррелирует с окраской корнеплода. Во время роста в моркови активизируются процессы синтеза

354

17.7. Овощные культуры

каротинов и корнеплод окрашивается в соответствующий цвет. Причем количество каротинов может различаться во время созревания. Так, на последних этапах созревания моркови содержание α-каротина мало изменяется, тогда как количество β-каротина может продолжать возрастать.

Основными компонентами тканей овощей являются углеводы. Поэтому у большинства овощей во время созревания на материнском растении вначале происходит синтез крахмала, содержание которого к концу периода созревания уменьшается, но при этом возрастает количество низкомолекулярных углеводов. В зависимости от специализации овощных культур в их клетках происходит накопление сахарозы и различных витаминов, которые в виде кофакторов активируют протекание ферментативных реакций синтеза. Часть из синтезированных углеводов расходуется

вокислительно-восстановительных процессах, обеспечивающих синтез АТФ. Последний инициирует протекание анаболических процессов

вклетке и деление клеток. Биохимические процессы в клетках репчатого лука способствуют возрастанию количества белков и моносахаридов. При этом содержание аскорбиновой кислоты понижается, что обусловлено возрастанием окислительно-восстановительных процессов, расходующих преимущественно восстановленные биогенные соединения. Аналогичные изменения наблюдаются и при созревании капусты.

Во время созревания овощей происходит синтез липидов, в особенности тех из них, которые представляют собой сложные эфиры жирных кислот и высокомолекулярных одноатомных спиртов. Эти соединения входят в состав воска, покрывающего тонким слоем плоды, предохраняя их от увядания, смачивания и поражения микроорганизмами.

Созревание овощей сопровождается высокой активностью различных ферментативных систем, в частности ферментов гликолиза, цикла трикарбоновых кислот, пируватдегидрогеназного комплекса, пентозофосфатного пути окисления углеводов и др. В результате действия этих

ферментативных систем в клетках овощей синтезируются различные органические кислоты (яблочная, янтарная, лимонная, α-кетоглутаровая, щавелевоуксусная, пировиноградная, уксусная и др.), на долю которых приходится от 0,2 до 1,3% сухой массы. При этом общее количество органических кислот в овощах в период созревания на материнском растении, как правило, непрерывно увеличивается. Однако относительное содержание кислот на последних этапах созревания уменьшается за счет более быстрого увеличения количества других веществ, в частности углеводов. При этом органические кислоты больше накапливаются в мякоти плодов и меньше — в их кожице.

Активность ферментативных систем и функциональных белков в созревающих овощах зависит от наличия микроэлементов. Так, особая роль отводится фосфору, который в составе биогенных молекул участвует в ре-

355

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

акциях окислительного фосфорилирования и в процессе фотосинтеза. В растительных организмах фосфор входит в состав фосфорной кислоты и фосфатов. Магний является составной частью хлорофилла и участвует

вдействии АТФ-зависимых ферментов. Кальций необходим для поддержания структуры и функциональной активности белков и мембран клеток. Железо, медь, молибден участвуют в действии ферментов оксидоредуктаз (каталаза, пероксидаза, СОД, АДГ и др.).

Основной составной частью клеток и тканей овощей является вода. Большая часть воды сосредоточена в вакуолях клеток; на долю ее приходится до 90 % всего содержимого растительной клетки. Причем накопление воды в тканях овощей во время созревания происходит неравномерно. В покровных тканях воды меньше, чем в паренхимных. Вода может находиться в свободной и связанной формах. Причем это зависит от оводненности тканей.

Всозревающих овощах вода выполняет роль растворителя полярных биогенных соединений, обеспечивая протекание биохимических реакций

врастворе. Следовательно, вода формирует среду, в которой протекают биохимические процессы. Кроме того, вода участвует в ферментативных реакциях, протекающих в присутствии гидролаз. При этом гидролиз биополимеров сопровождается образованием более простых соединений. Так, при гидролизе белков в среде накапливаются аминокислоты, нуклеиновых кислот — нуклеотидов, полисахаридов — моно- и олигосахариды, сложных липидов — глицерин и жирные кислоты.

Вода участвует в гидратации биогенных соединений, которые образуют с водой высокосвязанные формы за счет разросшихся гидратных оболочек. По содержанию воды различные виды овощей могут сильно различаться. Так, в плодах томата, огурцов, капусте, кабачках содержится до 94…95 % воды, а в баклажанах — 92 %, зеленом горошке — 76, корнеплодах моркови — 89, свеклы — 88, сельдерея — 87 %.

17.7.4.Формирование вкуса, аромата и питательных свойств овощей при созревании и под влиянием природно-климатических факторов, орошения, применяемых удобрений

На содержание и состав биогенных соединений овощных культур оказывают влияние климатические условия, а также орошение и внесение в почву удобрений. Так, на содержание сахаров влияют климатические условия. У некоторых овощей, выращиваемых в южных районах, отмечается возрастание углеводов, в особенности, содержание сахарозы. Количество сахарозы в томатах, выращенных в южных районах, увеличивается на 1,5…2,0 %. У томатов и перца южных районов в плодах возрастает ко-

356

17.7. Овощные культуры

личество витамина С, а в листьях капусты содержание сахарозы и аскорбиновой кислоты несколько уменьшается. В жаркие и засушливые годы

вплодах томатов может возрастать содержание сахарозы почти в 1,5…2,5 раза. Орошение овощных культур в этих регионах может способствовать снижению содержания углеводов, но это приводит к повышению их урожайности.

Листья и луковицы лука, накапливающие весь комплекс биогенных соединений, устойчивы к низким температурам. Однако для его созревания требуется длительный световой день, а при коротком дне лук плохо растет и не дает семена. Для роста и развития лука необходима влага и удобрения.

Возрастание урожайности может наблюдаться и при внесении в почву азотных удобрений, но при избыточных дозах азота в овощах снижается содержание сахарозы и аскорбиновой кислоты. Кроме того, избыток нитратов в плодах может оказывать токсичное действие на человека и сельскохозяйственных животных. Особенно сильно накапливаются нитраты

влистовых овощных культурах (салате, шпинате, листьях свеклы). Так, при внесении в почву 400 кг/га азота содержание нитратов в плодах томата возрастает с 7 до 57 мг%, в листьях свеклы — с 5 до 240, в листьях шпината — с 30 до 3500 мг%. Поэтому при выращивании листовых овощей

впочву необходимо вносить умеренные дозы азотных удобрений. При внесении в почву фосфорных и калийных удобрений в овощах увеличивается содержание сахарозы и аскорбиновой кислоты. Так, добавление

впочву фосфорно-калийных удобрений позволяет повысить урожайность капусты в 1,5…1,8 раз, а количество сахарозы в томатах при этих условиях увеличивается на 11 %.

Для роста и развития овощных культур требуются различные микроэлементы, в частности молибден, присутствие которого улучшает их качество, а его недостаток приводит к снижению в овощах содержания углеводов, белков и аскорбиновой кислоты. Следует отметить, что минеральные вещества не только улучшают качество овощей, но и способствуют их длительному хранению.

17.7.5.Факторы, снижающие накопление в овощах нитратов

Азот входит в состав многих биогенных молекул растений только в восстановленной форме (аминокислоты, азотистые соединения, витамины, кофакторы и др.). При этом в окружающей растения среде азот может присутствовать как в форме молекулярного азота, так и в составе ионов аммония, нитратов, нитритов и др. Высшие растения не способны усваивать молекулярный азот атмосферы, но его утилизируют микроор-

357

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

ганизмы, в частности бактерии родов Azotobacter и Beijerinckia. Однако количество производимых микроорганизмами соединений азота является недостаточным для сельскохозяйственных растений, так как при их выращивании на почвах с низким уровнем азотсодержащих соединений урожайность этих растений резко снижается. Поэтому для нормального развития растений в почву необходимо постоянно вносить азотные удобрения в виде нитратов. При этом следует учитывать, что при использовании избыточных доз удобрений азотсодержащие соединения могут накапливаться в овощеводческой продукции, негативно влияя на здоровье человека. Высокие концентрации нитратов могут провоцировать развитие канцерогенных заболеваний.

Среди семейств овощных культур наибольшая способность к аккумулированию нитратов у капустных, тыквенных и сельдерейных. Содержание нитратов в капусте, салате, редьке, редисе, свекле столовой должно составлять 600…3000 мг/кг сырой массы. При этом самое низкое количество нитратов отмечается в томатах, сладком перце, баклажанах, чесноке — от 20 до 300 мг/кг.

Видовые и сортовые различия в накоплении нитратов обусловлены ге- нетико-биохимическими особенностями редуцирующей системы растений

ивозможностями системы их утилизации в растительном организме, а также присутствием нитратов в почве. Кроме того, имеет значение природа составной части овощей, которая будет использована для пищевых нужд. Большее количество нитратов содержится в корнях и стебле, чем в листьях

ицветках. Меньше их по сравнению с листьями и черешками в корнеплодах и клубнях. Большое количество нитратов у основания листа капусты

исалата. Содержание нитратов в плодах семейства тыквенных уменьшается от плодоножки к верхушке.

На накопление нитратов в овощах большее значение оказывает доза азотных удобрений, вносимых в почву. Содержание нитратов в растениях увеличивается при низких рН, высоких концентрациях K+ и Са2+ в среде

ипри недостаточном обеспечении почвы молибденом. Кроме того, на накопление нитратов в растениях оказывает влияние влажность воздуха

ипочвы, свет и температура. Для снижения содержания нитратов в овощах необходимо реализовать целый комплекс профилактических мероприятий, среди которых особым приоритетом пользуются селекционно-генетичес- кие, агротехнологические и технологические.

Кселекционно-генетическим мероприятиям относятся следующие:

•искать и выводить сорта овощных культур, с высокой эффективностью использующие азот почвы;

•проводить отбор растений с низким уровнем содержания нитратов и высокой утилизационной способностью метаболических систем, повышенной активностью нитратредуктазы;

358

17.7. Овощные культуры

•внедрять сорта с высоким потенциалом ассимиляции нитратов в биогенные соединения, обусловливающие повышение содержания белков в овощах.

Агротехнологические мероприятия включают следующие действия:

•использовать дозы удобрений, которые обеспечивают урожай растений на 5…10% ниже максимального;

•внедрять в практику удобрения с пролонгированным периодом действия (капсулированные и иммобилизованные формы удобрений);

•применять медленно действующие полимерные формы удобрений (мочевино- и карбамидоформальдегидные соединения и конденсированные фосфаты);

•использовать ингибиторы нитрификации (дициандиамид-дидин, сероуглерод), которые способны связывать и удерживать в почве аммонийный азот, что позволяет уменьшить накопление нитратов в урожае овощей.

Технологические мероприятия основаны на следующих методах:

•дробно и точечно вносить в почву азотные удобрения под овощные культуры;

•дозировать применение удобрений в различные стадии вегетации растений;

•регулировать дозы удобрений в период активного роста вегетативных частей растений;

•определять оптимальные сроки и время уборки урожая.

При этом следует отметить, что повышенное содержание нитратного азота в овощах чаще всего бывает при несоблюдении технологий и культуры их выращивания.

17.7.6. Биохимические изменения в овощах при хранении

После уборки урожая основная масса овощей закладывается на хранение. В этот период в плодовые части не поступают питательные вещества, однако в клетках сохраняется активное дыхание и метаболизм биогенных соединений. Сохранность овощей, их питательность зависят от влажности, температуры и газового состава воздуха помещений, а также от наличия инфекции и вредителей.

При хранении в овощах непрерывно протекают различные биохимические и физиологические процессы, среди которых особое значение имеет дыхание. Активное дыхание клеток свидетельствует о жизнеспособности растительных клеток и тканей. На процесс дыхания оказывает влияние температура. Низкие температуры способствуют угнетению дыхательной деятельности митохондрий как растительного объекта, так и микроорганизмов. Кроме того, клетки растений прекращают активно делиться.

359

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

В этих условиях сохраняется питательная ценность овощей за счет снижения скоростей процессов, разрушающих их клетки и ткани. Особенно опасны для клеток растений свободнорадикальные реакции, инициаторами которых могут быть активные формы кислорода, образующиеся из-за создаваемого избытка кислорода, не расходующегося в процессе дыхания.

При оптимальных условиях хранения 1 кг капусты выделяет в течение 1 ч 4…6 мг СО2, моркови — 3…5, лука репчатого — 3…4, свеклы столовой — 2…4 мг СО2. Возрастание температуры среды сопровождается увеличением дыхания овощей, повышением содержания СО2. Высокие концентрации СО2 могут вызывать удушение и самосогревание овощей, а затем ускорять процессы разложения тканей, способствуя развитию микрофлоры. Поэтому для предотвращения этих процессов необходимо оптимизировать температуру и влажность воздуха, проветривая или вентилируя воздух в хранилищах. Так, капуста и корнеплоды лучше всего хранятся при температуре 0…2 °С

иотносительной влажности воздуха 90…95%, луковицы лука — при 18…20 °С

ивлажности 60…70%, чеснок — при 1…3 °С и влажности 65…75%.

При хранении корнеплодов могут происходить изменения в составе их антиоксидантов, в частности, понижается содержание аскорбиновой кислоты. В результате в корнеплодах активизируются процессы перекисного окисления липидов, что приводит к изменению состава кутикулярных липидов. Кроме того, во время хранения в тканях овощей происходит накопление молекул этилового спирта и ацетальдегида, а также распад моно-

иолигосахаридов. При этом в овощах повышается содержание органических кислот, происходит повышение кислотности. Все эти изменения снижают питательную ценность овощей, ухудшая их вкусовые качества.

Основной проблемой во время хранения овощей является потеря воды, что приводит к их дряхлению, уменьшению массы, утрате товарного вида

ипитательных качеств. При этом понижается тургор тканей, клетки начинают разрушаться и их содержимое может быть привлекательно для микрофлоры. Деятельность микроорганизмов сопровождается накоплением различных продуктов их жизнедеятельности. В результате изменяется рН среды, которая смещается в кислую сторону из-за накопления различных органических кислот (уксусная, молочная, пропионовая и др.). Избыточная кислотность способствует протеканию процессов гидролиза белков, нуклеиновых кислот, углеводов. Кислая среда обусловливает прохождение денатурационных процессов белков и ферментов, активизацию гидролаз, расщепляющих сложные липиды. В среде начинают накапливаться жирные кислоты, которые окисляются активными формами кислорода. Затем инициируются процессы перекисного окисления липидов, разрушающие как биогенные молекулы, так и структуры мембран. В результате изменяется проницаемость мембран, способствуя созданию дисбаланса ионов. В процесс разрушения вовлекаются как органеллы, так и сами клетки.

360

17.7. Овощные культуры

Изменяется ионный потенциал, прогрессируют процессы деградации структурных образований клеток. Нарушается слаженность и синхронность метаболических процессов со смещением в сторону катаболических, деструктивных, самопроизвольных процессов.

В среде начинают накапливаться продукты распада аминокислот, азотистых оснований, углеводов и других биогенных соединений. Повышается концентрация аммиака, СО2, органических кислот. При этом

уовощей появляется гнилостный запах, свидетельствующий о снижении

уних как питательных, так и технологических свойств.

17.7.7.Физико-химические методы консервирования овощей

Для предотвращения развития деструктивных процессов используются различные методы переработки овощей, позволяющие обеспечить их длительную сохранность и питательную ценность. Эти методы позволяют сохранять весь спектр биогенных молекул, предотвращать процессы гниения и инфицирования микроорганизмами. К наиболее используемым способам, позволяющим обеспечить сохранность овощей, относится консервирование. При консервировании овощей используются как физические, так и химические методы. Обязательным условием консервирования является сохранение максимального количества биогенных соединений, в особенности веществ, подверженных быстрому разрушению при комнатной температуре и в присутствии кислорода. Так, низкие положительные температуры способствуют снижению активности ферментов, а также активности генома и дыханию клеток. Однако в этих условиях сохраняется жизнеспособность многих бактерий и грибов.

Температуры выше 70 и ниже 0 °С, способны разрушить целостность клеточных структур. Высокая температура обусловливает протекание процессов денатурации белков, белково-липидных комплексов и нуклеиновых кислот. Многие ферменты денатурируют, утрачивая каталитическую активность. При этом длительная обработка овощей теплом может вызывать ухудшение их натуральных свойств — консистенции, вкуса, аромата, цвета. Кроме того, установлено, что при быстром нагревании и высокой температуре стерилизация продукта достигается еще до инактивации ферментов. При этом ферменты, потеряв полностью активность непосредственно после тепловой обработки, реактивируются во время хранения продукта, и это является причиной его порчи. Аналогичные изменения были выявлены при изучении активности пероксидазы. Так, было показано, что после воздействия высокой температуры на различные корнеплоды активность фермента в их тканях практически была равна нулю. Однако в процессе хранения таких корнеплодов активность

361

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

фермента могла полностью восстановиться. Это обусловлено тем, что пероксидаза относится к группе высокотермостабильных ферментов, денатурирующих только при очень высоких температурах. Стабильность пероксидазы возрастает в присутствии белков и ионов кальция. Причем процесс восстановления активности пероксидазы происходит тем сильнее, чем выше температура хранения продукта.

Применение метода замораживания овощей при температуре –50 °С

ипоследующего хранения их при температуре –18 °С, может сопровождаться изменениями цвета продукта при дефростации. Так, после дефростации многие овощи утрачивают свою первичную окраску из-за действия оксидаз, которые высвобождаются из разрушенных субклеточных структур, с которыми ферменты были прочно связаны. Освободившиеся оксидазы при наличии кислорода в среде начинают катализировать реакции окисления фенольных соединений, продукты которых имеют коричневый и другие цвета в зависимости от рН. В результате происходит изменение цвета продукта, чаще всего он чернеет. Высвобождение гидролаз из лизосом обусловливает протекание реакций гидролиза биополимеров, что сказывается не только на цвете, но и на вкусовых свойствах овощей. В разрушенных действием температуры тканях начинают активизироваться самопроизвольные, неуправляемые процессы, приводящие к ухудшению питательных

итехнологических качеств продукции.

Консервацию овощей можно осуществлять с помощью химических методов, обеспечивающих изоляцию продукта от окружающей среды, способствуя уничтожению в нем бактерий и спор, предотвращая развитие микроорганизмов путем подавления активности метаболических процессов или разрушая их мембраны. При этом консервированный продукт должен быть защищен от действия высоких температур и солнечных лучей. Кроме того, консервирующие вещества останавливают процессы разложения, протекающие в неживых клетках, а также понижают активность метаболических процессов в живых клетках.

Все консерванты можно разделить на две группы: биогенные и абиогенные. К группе биогенных консервантов относятся соединения, которые синтезируются в биологических системах, участвуют в метаболических процессах и их утилизация осуществляется ферментативными системами организма. Содержание этих соединений определяется их природой и функциональным действием в живых организмах. К абиогенным консервантам относятся те соединения, которые в биологических системах не синтезируются. Их метаболизация в живых организмах возможна, но образующиеся продукты могут быть токсичны. Некоторые из абиогенных соединений способны накапливаться в организме, вызывая интоксикацию. Использовать эти соединения для консервации биогенных систем необходимо с большой осторожностью.

362