Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия растительного сырья. Учебное пособие
.pdf
Таблица 3.3
Химический состав древесины лиственных и хвойных пород
Содержание компонентов, % Порода
Целлю-
лоза
Ель 45,2 28,1 12,3 10,3 1,9 2,5
Сосна 50,6 27,5 11,8 10,4 2,3 3,4
Пихта 52,1 29,9 11,0 6,3 3,0 2,1
Лиственница 36,2 28,6 13,5 11,6 20,0 1,4
Осина 43,6 20,1 2,0 26,0 2,3 1,6
Береза 41,0 21,0 3,0 28,0 2,2 1,8
Дуб 37,1 22,0 2,7 22,6 7,0 0,8
Лиг-
нин
Гексо-
заны
Пен-
тозаны
Водоэкст-
рактивные
вещества
Вещества,
экстраги-
руемые эфи-
ром
Таблица 3.4
Состав гемицеллюлоз лиственной и хвойной древесины
Содержание, % от массы древесины Порода Место
произра-
стания
Ель Германия 1,5 10,5 1,6 4,5
Сосна Германия 1,8 11,4 1,4 6,2
Сосна США 1,7 10,2 1,0 6,5
Береза Франция 0,7 0,8 0,4 17,2
Бук Германия 0,9 1,3 0,7 11,3
Ива Германия 1,3 1,4 0,4 11,3
Тополь Германия 0,5 1,4 0,5 13,2
Эвкалипт Португалия 1,2 0,8 0,6 9,4
Галактан Маннан Арабинан Ксилан
Гемицеллюлозы лиственных пород почти целиком состоят из
ксилана (глюкуроноксилана), а хвойные имеют более сложный состав: арабиноглюкуроноксилан, глюкоманнан, а также галактоманнан,
галактоглюкоманнан и арабиногалактан. Содержание гексозанов в
хвойных породах составляет 8–14 %, а в лиственных – лишь 0,5–6 %.
В зависимости от местонахождения (ствол, ветви, корни, ядро,
заболонь, ранняя, поздняя древесина) также существуют значительные отличия по содержанию гемицеллюлоз. Например, гидролизаты
ядровой части и прикамбиальной зоны, как хвойной (сосна), так и лиственной (береза) древесины, содержат больше ксилозы (44–65 % соответственно) и уроновых кислот (около 20 %) и значительно меньше
галактозы, глюкозы и арабинозы.
31
Макромолекулы гемицеллюлоз древесины содержат в качестве
элементарных звеньев остатки сравнительно небольшого количества
моносахаридов (табл. 3.5).
Таблица 3.5
Галактоза
Глюкоза
Манноза
Арабиноза
Ксилоза
Состав гидролизатов гемицеллюлоз древесины
Содержание моносахаров в гидролизате, % а.с.с. Компонент
Лиственница
сибирская
16,70
1,00
1,00
3,69
4,20
Ель
обыкно-
венная
1,02
2,02
9,64
0,79
4,15
Сосна
обыкно-
венная
2,03
2,79
9,59
1,52
3,89
Пихта
сибир-
ская
0,76
2,82
2,82
1,52
3,09
Береза
обыкно-
венная
1,31
1,94
1,22
0,68
20,68
Состав и строение гемицеллюлоз коры значительно отличаются
от состава и строения гемицеллюлоз соответствующей древесины.
Существуют также различия между гемицеллюлозами, входящими
в состав луба и корки, например, содержание пентозанов в корке березы и осины составляет 11,8–12,5 % соответственно, а в лубе – около
5 %. В древесной зелени хвойных пород гемицеллюлоз содержится
в 1,5 раза больше, чем в лиственных (12–16 %).
Лигнин очень рано образуется в растительных клетках. В первые дни после отделения новой клетки от камбиальной клеточная
стенка еще не содержит лигнина. Через сравнительно небольшой период времени (у некоторых растений даже на второй-третий день)
в углах клеток начинается откладываться лигнин, затем происходит
лигнификация первичной стенки и частично – вторичной стенки. Лигнин придает механическим волокнам и проводящим элементам растений, живущих на суше, необходимые жесткость и гидрофобность
клеточных стенок.
Лигнин занимает до 30 % клеточной стенки в древесине хвойных пород, а в древесине лиственных пород – 18–24 %. Лигнин является неизменным спутником целлюлозы и сам по себе отдельно от
целлюлозы не встречается.
Растительное сырье кроме основных компонентов клеточных
стенок содержит вещества, извлекаемые (экстрагируемые) нейтральными органическими растворителями, водой, а также отгонкой с водяным паром. Они расположены в полостях клеток и в срединной
32
пластинке. В состав экстрактивных веществ входят алифатические
и ароматические кислоты и их соли, спирты, фенолы, альдегиды,
сложные и простые эфиры, пигменты, т. е. комплекс соединений, образующихся в растительной клетке в результате ее жизнедеятельности.
Состав и содержание экстрактивных веществ зависит от породы,
времени года, условий произрастания, места отбора ткани и ряда других факторов. В среднем содержание экстрактивных веществ в древесной ткани составляет 2–5 %. Исключение составляют дуб и лиственница. В коре и древесной зелени содержание этой группы веществ
выше и составляет 2,5–11,5 и 7–14 % соответственно, в листьях и почках древесных растений – 30–50 %.
Известно, что сосна содержит больше эфирных масел, береза –
больше таннидов. Низкомолекулярные углеводы, крахмал содержатся
в основном в заболони, хвое. Липиды сосредоточены в лубяной части,
в клетках лубяной паренхимы и в сердцевидных лучах, а фенольные
вещества – в ядровой древесине и хвое. Весной, с началом активной
жизнедеятельности растений, древесина содержит больше экстрактивных веществ, чем зимой. В состав липидов входят ацилглицерины,
стерины и их эфиры, свободные жирные кислоты и их производные,
воски, а также фосфо- и гликолипиды.
Смолистые вещества и терпеноиды наиболее полно извлекаются
эфиром. Благодаря частичной смешиваемости с водой, он хорошо
проникает в образец, полностью его смачивает, вследствие чего достигается полнота экстракции таких веществ, как эфирные масла, терпены, смоляные кислоты, каротины и каучук.
К веществам, экстрагируемым из растительного материала водой (горячей и холодной), относятся неорганические соли (растворимая часть золы), дубильные вещества, низкомолекулярные углеводы
(моносахариды и олигосахариды), крахмал, пектины, некоторые гемицеллюлозы (арабиногалактан), камеди. При экстракции горячей
водой возможен частичный гидролиз легкогидролизуемых полисахаридов за счет уксусной кислоты, образующийся при отщеплении
ацетильных групп от некоторых гемицеллюлоз древесины.
Различные части одного и того же дерева содержат разное количество веществ, экстрагируемых водой. В древесине ели и сосны содержится до 3 % водорастворимых веществ. Однако имеются породы
древесины, в которых содержание этих веществ может быть довольно
значительным. Так, дуб содержит около 7 %, а лиственница сибирская – до 30 % водорастворимых веществ. В коре хвойных находится
от 4,5 до 12 %, в древесной зелени – 21–28 % этих соединений. В над-
33
земной части топинамбура в зависимости от времени сбора содержание веществ, экстрагируемых горячей водой, составляет от 20 до 40 %.
Экстрактивные вещества придают древесине характерные свойства – цвет, запах, вкус, сопротивляемость насекомым и грибам.
Плотность древесины также часто зависит от наличия некоторых экстрактивных веществ. Отдельные компоненты экстрактивных веществ
имеют практическое значение. Они входят в состав скипидара, канифоли, дубильных и биологически активных веществ.
Подробный химический состав древесины хвойных и лиственных пород, коры и древесной зелени приведен в прил. 2–5.
3.2. Х
ИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕДРЕВЕСНОГО СЫРЬЯ
В биотехнологии в качестве компонентов питательных сред при
получении микробиологической продукции (белка, биоэтанола, аминокислот, антибиотиков, витаминов и др.), а также при производстве
экстрактов, концентратов в некоторых технологиях безалкогольных
напитков достаточно широко используют различное растительное
сырье, в частности, злаковые и бобовые культуры, отходы переработки сельскохозяйственного сырья. Рассмотрим краткую характеристику основных культур.
Строение и химический состав семян злаковых. Семя – вы-
сокоспециализированный орган полового размножения, расселения и
переживания неблагоприятных условий жизни у семенных растений,
развивающийся обычно после оплодотворения из семязачатка.
Типичное семя состоит из покровов (кожуры), зародыша и питательной ткани. Семенная кожура формируется обычно из покровов
семязачатка. На поверхности семенной кожуры можно заметить маленькое отверстие – бывший семявход, или микропиле, а также рубчик – место бывшего прикрепления семязачатка в завязи.
Главная функция семенной оболочки – защита зародыша от высыхания, механических повреждений и т. д. Кроме того, она способствует распространению семян. Зародыш возникает из оплодотворенной яйцеклетки. Зародыш – главная часть семени, состоящая из корешка, стебелька, почечки с листочками и одной или двух семядолей
(первых зародышевых листьев). Запасающие ткани семени – эндосперм, перисперм, основная ткань семядолей (рис. 3.2).
Эндосперм развивается из оплодотворенного центрального ядра
зародышевого мешка, он состоит из тонкостенных паренхимных
клеток, обычно целиком заполненных питательными веществами.
34
Наружный слой эндосперма, непосредственно примыкающий к оболочке, наполнен алейроновыми зернами, богатыми азотистыми веществами. Под ним находятся клетки, наполненные крахмальными зернами. Зародыш расположен у основания зерновки, на выпуклой стороне. Он состоит из щитка, соединяющего его с эндоспермом, почечки, покрытой зачаточными листьями, первичного стебля и корешка.
Зародыш по сравнению с эндоспермом невелик и составляет у пшеницы, ржи и ячменя 1,5–2,5 % массы зерновки, у овса – 2–3,5 %, у кукурузы – 10–14 %.
бородка
оболочки
плодовые
и семенные
алейроновый слой
эндосперм
щиток
зародыш
почечка
зачаточный корешок
Рис. 3.2. Строение семени пшеницы
Химический состав семян обусловлен наследственными особенностями, но возможны отклонения, вызванные условиями внешней
среды, особенно климатическими и почвенными. Могут быть выведены сорта с изменениями в химическом составе. Семена характеризуются определенным химическим составом, который зависит от биологических особенностей вида и сорта, условий питания, возраста,
температуры и т. д.
35
Все вещества семени можно разделить на две группы: неорганические и органические. Неорганические вещества семян представлены водой и минеральными веществами. Даже самые сухие на вид семена содержат от 7 до 12 % воды.
Семена всех растений содержат органические вещества – белки,
жиры и углеводы. Однако их процентное содержание в семенах различных растений неодинаково. В семенах одних растений накапливается большое количество крахмала (у пшеницы – 66 %, у ржи – 67 %),
в семенах других – жиры (у льна – до 48 %, у клещевины – до 70 %), у
третьих – белки (у гороха – 22–34 %, у сои – 34–45 %). В любом случае, в большем или меньшем количестве в семенах содержатся все органические вещества.
Жиры и жироподобные вещества – это воски, стериды, фосфатиды – растворяются в бензине, эфире и являются энергетическим
веществом для прорастания семян, участвуют в сложных адсорбционных процессах. Фосфатиды соединяются с белками (липопротеиды)
и участвуют в обмене веществ. Фосфатид лецитин является главным,
он принимает участие в жизнедеятельности протоплазмы. Количество
лецитина в зерне – 0,3–0,7 %, много его в подсолнечном масле. В семенах встречаются и свободные жирные кислоты. Они под влиянием
кислорода воздуха окисляются и приобретают неприятный запах и
вкус (прогоркают). Воски имеют защитную роль, покрывают семена,
защищают от высыхания, смачивания водой и проникновения микроорганизмов. Содержание восков в оболочке семян подсолнечника –
0,2 %, у льна – 0,03 %, у сои – 0,01 %. Представители стеридов – эргостерол и ситостерол в пшенице – при облучении ультрафиолетовыми
лучами превращаются в витамины группы Д. Стеролов в пшенице –
3–0,07 %, в кукурузе – 1,0–1,3 %.
Молекула белка построена из полипептидных цепочек, состоящих из различного количества остатка аминокислот. Белки бывают
простые (протеины) и сложные (протеиды). Сложные белки сосредоточены в основном в зародыше. Простые белки при гидролизе распадаются на аминокислоты.
По способности растворяться в различных растворителях простые белки, имеющиеся в семенах, делятся на следующие группы:
1) альбумины – растворяются в дистиллированной воде;
2) глобулины – растворяются в солевых растворах;
3) проламины – растворяются в спирте (60–80 % этилового
спирта);
4) глютелины – растворяются в слабых кислотах и щелочах.
36
К альбуминам относятся лейкозин (пшеница), альбумин (рожь),
рицин (клещевина), легумелин (горох и др.). К глобулинам относятся
легумин (горох), глобулин (пшеница, рожь), сицилин и арахин (масличные культуры). К проламинам относятся глиадин (пшеница,
рожь), гордеин (ячмень), зеин (кукуруза), авенин (овес), кафирин
(сорго). К глютелинам – глютенин (пшеница, рожь), оризенин (рис),
глютелин (кукуруза). В злаковых культурах больше бывает белков из
группы проламинов и глютелинов (~ 80 %), а альбуминов и глобулинов меньше (~ 20 %). У бобовых культур белки представлены в основном альбуминами и глобулинами.
Аминокислоты служат не только для синтеза белков, но и как
энергетический материал – в сложных реакциях превращений веществ. Аминокислоты в процессе метаболизма превращаются в различные органические кислоты с выделением аммиака. Из аминокислот получаются амиды. При оценке зерна необходимо знать не только
общее количество, но и аминокислотный состав белка (табл. 3.6).
Таблица 3.6
Аминокислотный состав белка зерновых культур
кислоты
Аргенин 4,3 4,8 7,2 5,6 – 6,0 –
Гистидин 2,1 2,5 1,7 2,4 – 2,0 –
Лизин 2,7 2,3 3,2 4,1 3,4 3,3 3,7
Лейцин 7,0 15,0 8,2 6,1 6,3 8,0 7,0
Изолейцин 4,0 6,4 5,2 3,4 3,7 5,3 3,8
Валин 4,3 5,3 6,2 1,5 4,8 6,5 5,2
Метеонин 2,5 3,1 3,0 1,8 1,5 2,3 1,6
Треонин 3,3 3,7 3,8 3,2 3,1 3,5 3,6
Феналаланин 5,1 5,0 5,0 3,2 4,3 6,9 5,2
Триптофен 1,2 0,6 1,3 1,0 1,3 1,3 1,4
Примечание: прочерк означает отсутствие компонента.
Пшеница Кукуруза Рис Рожь Тритикале Овес Ячмень
Содержание, % Амино-
Зерно ячменя состоит из мякинной, плодовой и зерновой оболочек, алейронового слоя, эндосперма, зародыша. В его состав входит
до 11,5 % белка, 3,0 % жира, 5,5 % клетчатки, 2,8 % минеральных веществ. Не содержащих азота экстрактивных веществ в зерне ячменя
около 77 %: это крахмал – около 60 %, пентозаны – 10,5 %, сахароза –
1,8 %, инвертный сахар – 0,3 %. В общем, химический состав ячменя
зависит от состояния почв (кислотность и др.), количества влаги, тепла и других условий культивирования.
37
Ячмень, который используется в пищевой промышленности,
должен иметь высокую экстрактивность и прорастаемость, округлую
форму, светло-желтоватый цвет, легкое отделение пленок, а также ограниченное содержание мелких зерен.
Озимый шестирядный ячмень неприхотлив к почве, влаге, температуре и солнечному свету и нетребователен к агротехнике. Отличие озимого ячменя от ярового состоит в строении колоса, размерах
крахмальных зерен и прослоек белковых веществ между ними. Есть
также отличия в химическом составе (углеводы, белки, зола и др.).
Для производства концентратов используют шестирядный озимый ячмень. Основным его компонентом являются углеводы, содержание которых составляет 40–70 % от массы сухих веществ. Основную их часть составляет крахмал – один из конечных продуктов синтеза углеводов. Он находится в клетках эндосперма в виде зерен разного размера (от 1,5 до 34 мкм) овальной или сферической формы.
Ячменный крахмал содержит 20 % амилозы и 80 % амилопектина.
Температура клейстеризации крахмала – 60–80 °С. При выращивании
ячменя в условиях сухого и жаркого климата клейстеризация может
происходить даже при 50 °С. Содержание крахмала в ячмене колеблется в пределах 42–68 % от массы сухих веществ. Двухрядный ячмень выгодно отличается от шестирядного высоким содержанием
крахмала, что обусловливает высокую экстрактивность солода.
Составной частью клеточных оболочек зерна являются гемицеллюлозы – высокомолекулярные полисахариды, из которых при
ферментативном гидролизе образуется смесь гексоз (галактоза, манноза), пентоз (ксилоза, арабиноза) и уроновых кислот (глюкуроновая,
галактуроновая). В ячмене гемицеллюлоза находится в основном
в виде пентозанов. Количество ее в высокобелковом кормовом ячмене
выше, чем в низкобелковом.
Пектин содержится в стенках клеток в виде нерастворимого
протопектина в небольших количествах.
Экстрактивные вещества ячменя представлены также свободными сахарами (рафиноза 0,14–0,57 %, сахароза 0,57–1,29 % и в незначительном количестве фруктоза, галактоза и мальтоза).
Содержание жиров и липидов в ячменном зерне составляет
2–3 %. Жир сосредоточен главным образом в зародыше и клетках
алейронового слоя. В оболочке зерна содержатся также полифенольные соединения.
Количество минеральных веществ зависит от химического
состава почв, на которых выращивали ячмень, и составляет 2–3 %.
38
Основную часть их составляют кремниевые соединения, фосфор
и калий.
Азотсодержащие соединения представлены белковыми и небелковыми веществами. В ячмене содержатся аминокислоты (аминный
азот), соли органических кислот (аммиачный азот) и азотной кислоты
(минеральный азот), глютамин (амидный азот). Все формы небелкового азота в сумме с азотом белков (белковый азот) составляют общий азот ячменя, содержание которого в пересчете на сырой белок
колеблется в пределах от 7 до 26 % и зависит от сорта ячменя, климатических условий выращивания, использования азотистых удобрений.
В шестирядном ячмене белка, как правило, больше, чем в двухрядном. В белках ячменя обнаружены аминокислоты: аланин, аргинин, аспарагиновая кислота, изолейцин, лейцин, лизин, метионин,
пролин, тирозин, фенилаланин, цистеин.
Простые белки разделяют на четыре вида: водорастворимые –
альбумины, солерастворимые – глобулины, спирторастворимые –
проламины (ячменный проламин называется гордеином) и щелочерастворимые – глютелины. Сумма водо- и солерастворимых белков называется растворимым белком.
Ячменный солод и ячмень являются основным сырьем для производства ячменно-солодовых и полисолодовых экстрактов.
Пшеница бывает озимой и яровой. Зерно пшеницы содержит
от 11 до 15 % белка, 0,08–0,17 % сахаров, 2,2–2,8 % клетчатки, около
2,5 % жира, 1,8–1,98 % минеральных веществ, до 72 % крахмала.
Белок пшеницы состоит из альбумина, глобулина, глютелина,
глюадина. Больше всего его в эндосперме. Около 30 % от общего белка составляют незаменимые аминокислоты: треонин – 3,5; лизин –
3,6; лейцин – 6,9; фенилаланин – 4; метионин – 1,7; триптофан – 1,6;
гистидин – 2,2; валин – 4,3; цистин – 2,4 %. Небелковые азотистые
вещества сосредоточены в алейроновом слое. Основным углеводом
является крахмал, количество которого в разных сортах пшеницы неодинаково.
Зерно пшеницы богато витаминами, активность которых при
проращивании значительно увеличивается. Минеральные вещества
пшеницы представлены калием – 0,52 %, натрием – 0,03 %, кальцием –
0,05 %, фосфором – 0,79 %, железом – 0,2 %, магнием – 0,2 %, серой –
0,01 %.
В зерне пшеницы содержатся такие ферменты, как амилаза, протеаза, цитаза, мальтаза, пероксидаза, каталаза и др. При выращивании
солода их активность значительно возрастает.
39
Рожь бывает озимой и яровой. Зерно ржи близко по строению
к пшеничному. Плодовые оболочки составляют 5–7,0 %, зерновая
оболочка – 2–4 %, алейроновый слой – 11–18 %, эндосперм – 75–79 %
и зародыш – 3,4–4 %. Зерно содержит 8–19 % белка. Белок ржи состоит из альбумина, проламина, глиотина, глобулина и глютелина.
В аминокислотный состав входят аргинин, валин, гистидин, лизин,
лейцин, цистин и др.
Основным углеводом является крахмал, содержание которого
составляет 53–63 %. Есть также 2,5–5,0 % гумивеществ, около 3 %
левулезанов, 4–6,6 % сахаров, 2,1–3,3 % клетчатки.
Жир составляет 1,7–2,0 % (44,2 % линоленовой, 31,9 % олеиновой, 8,1 % пальмитиновой и 0,2 % стеариновой кислот). Содержание
минеральных веществ колеблется в пределах 1,5–2,5 %.
Рожь для производства солода должна отвечать следующим
требованиям: в партии должно быть не менее 92 % зерен ржи, всхожесть – не ниже 92 %, влажность – не выше 15,5 %, содержание примесей – не более 5 %. По своей пищевой ценности рожь занимает
второе место после пшеницы.
Ржаной солод является основным сырьем для производства концентрата квасного сусла.
Овес бывает озимый и яровой. В зависимости от почв и климатических условий состав зерна овса достаточно сильно колеблется.
В его зерне содержится 11–19 % белка, 0,5–0,97 % жира, 25–35 %
клетчатки, около 36,5 % пентозанов, 4–7 % минеральных веществ,
0,6–2,2 % сахарозы. Также содержатся пигменты, гликозид, авенин,
ферменты. В составе овса обнаружены такие витамины, как тиамин –
4,6–9,7 мкг/кг, ниацин – 1,7–4,4 мкг/кг, рибофлавин – 1,0–1,8 мкг/кг,
а также пантотеновая кислота – 6,3–12,7 мкг/кг.
Овес разделяют на три вида: первый – белый отборный, второй –
желтый отборный, третий – обычный. В пищевой промышленности
используют первый и второй виды. Зерно овса должно удовлетворять
ряду требований: влажность – не более 16 %, сорные примеси –
не более 3 %, зерновые примеси – не более 3 %, всхожесть – не менее
92 %. Овес не должен иметь неприятный запах.
Овес обладает диетическими свойствами и отличается от других
зерновых культур высоким содержанием белка, в состав которого
входят все незаменимые аминокислоты. По содержанию микро-
и макроэлементов он также занимает лидирующее место среди злаковых культур, этому способствует высокая пленочность (23–45 %).
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]