Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия растительного сырья. Учебное пособие
.pdf
Кукурузу используют преимущественно в пищевой промышленности, в основном кремнистую, зубообразную и крахмальную.
Зерна кукурузы содержат до 75–78 % углеводов, 10–13 % белков, 2–2,5 % клетчатки, 4–5 % жира и 0,5–2,0 % минеральных веществ. Углеводы представлены в основном амилопектином (70–80 %)
и амилозой (20–23 %). Есть также 1,5–5 % простых сахаров, 1–6 %
декстринов и до 7 % пентоз. В дефектном зерне количество крахмала
снижается. В зерне содержатся гемицеллюлозы, состоящие из гексозанов (маннан, галактан, глюкозан) и пентозанов (ксилан, арабан).
Общее количество пентозанов в зерне – 7–15 %. Для кукурузы характерно наличие декстринов (1–6 %). Пектиновых веществ в зерне относительно немного.
В зерне кукурузы содержится до 60 % проламинов, 38 % глютелина, 14 % альбумина и 22,6 % глобулина от общего количества белков. В составе белков кукурузы обнаружено 18 заменимых и незаменимых аминокислот. Основные аминокислоты: аспарагиновая кислота – 1,37 %; аланин – 1,21 %; аргинин – 0,610 %; цистин – 0,22 %;
глютаминовая кислота – 1,37 %; глицин – 0,33 %; гистидин – 0,25 %;
изолейцин – 0,44 %; лейцин – 1,43 %; лизин – 0,27 %; метионин –
0,22 %; фенилаланин – 0,55 %; пролин – 1,10 %; серин – 0,51 %; треонин – 0,53 %; тирозин – 0,47 %; триптофан – 0,11 %; валин – 0,81 %
от общего количества белка. Протеолитические ферменты проращенного зерна кукурузы полностью обеспечивают гидролиз белков, но
активности амилолитических ферментов недостаточно для полного
осахаривания крахмала. Поэтому солод из кукурузы перерабатывают
на экстракты только в смеси с солодом других злаков.
Кукуруза превосходит по количеству витаминов большинство
зерновых культур и является основным сырьем для производства диетических продуктов. В зерне желтой кукурузы содержатся следующие
витамины: каротин 1,0–6,5 мкг/кг; тиамин-хлорид 0,69 мкг/кг;
рибофлавин 5,8 мкг/кг; пиридоксин 0,69 мкг/кг; никотиновая кислота
14–31 мкг/кг; пантотеновая кислота 4,6–5,6 мкг/кг; токоферол
2,5 мкг/кг; холин 100–109 мкг/кг.
Зерно кукурузы содержит много минеральных веществ:
209 мг% калия; 186 мг% фосфора; 82 мг% магния, 7 мг% кальция;
2,2 мг% железа.
Очень ценными веществами, которые содержатся в кукурузе,
являются фитогормоны (ауксины, андрогены, эстрогены) – органические регуляторы обмена веществ.
Вследствие неблагоприятных погодных условий, нарушений
режимов роста, уборки и хранения образуется значительное количе-
41
ство дефектного крахмалсодержащего сырья – дефектного зерна. Доля некондиционного сырья в объеме заготовок составляет 10–20 %.
Такое зерно не может быть использовано ни для пищевых, ни кормовых целей. Но оно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сырью для биохимической переработки.
В зависимости от вида злаков и степени дефектности зерна содержание легкогидролизуемых углеводов (ЛГП) составляет 84–92 %
от общего количества углеводов. Легкогидролизуемые полисахариды
представлены в основном гексозанами. Содержание пентозанов в дефектном зерне пшеницы – 8 %, ржи – 10 %, ячменя – 14 %, овса – 13 %.
Содержание трудногидролизуемых полисахаридов (ТГП), т. е. клетчатки, в зерне различных злаков колеблется от 2 до 14 % (табл. 3.7).
Таблица 3.7
Крахмал Сахара Целлю-
Пшеница 60,0 4,3 2,8 8,0 16,0 1,9 2,2
Рожь 65,0 5,0 2,2 10,0 13,0 1,7 2,0
Овес 45,0 2,0 14,0 13,0 12,0 5,5 3,8
Ячмень 55,0 4,0 6,0 11,0 12,0 2,0 3,5
Химический состав дефектного зерна
Содержание, % а.с.с. Злаки
лоза
Гемицел-
люлозы
Белки Жиры Мине-
ральные
вещества
В результате кислотно-каталитического способа обработки зерна получают гидролизаты, на основе которых осуществимы любые
типы ферментации.
Химический состав незернового углеводного сырья. В зерне
гороха содержится 20–30 % белка, который состоит из аргинина, гистидина, лизина, тирозина, цистеина и др. В составе углеводов гороха
обнаружены крахмал (40–56 %), сахароза (4–10 %), клетчатка (4,5–7,0 %).
Содержание жира составляет около 2 %. Также в зеленом горохе есть
витамины: аскорбиновая кислота – 30 мг%; ретинол – 0,4 мг%; рибофлавин – 0,15 мг%; никотиновая кислота – 2,1 мг%; пантотеновая
кислота – 0,12 мг% гороха. На долю зольных веществ приходится
2,5–4 %.
В спелых семенах гороха ценится хорошее разваривание, вкус
и питательность, поэтому стандартный горох разделяют на продовольственный и кормовой. Горох, используемый в пищевой промышленности, должен отвечать следующим требованиям: влажность – не
42
более 14 %, содержание сорных примесей – не более 1 %, зерновых
примесей – не более 3 %, мелких и поврежденных зерен – не более 4 %.
Семена сои содержат 27–52 % белка, 16–26 % жира, 3,5–5,8 %
клетчатки, 3,3–6,4 % золы, 14–33 % не содержащих азота веществ.
В аминокислотный состав белка сои входят аланин, аргинин, гистидин, глютаминовая и аспарагиновая кислоты. Кроме того, в семенах
сои содержится 3,3–5,8 % сахарозы, 0,4–2,4 % моносахаридов, около
3,1 % декстринов, установлено присутствие каротина, витаминов
группы В, Д, К, С, Е.
Семена сои делятся на четыре вида: первый – желтые, второй –
зеленые, третий – коричневые, четвертый – черные. В пищевой промышленности используют первый вид. Семена этого типа должны отвечать ряду требований: влажность – не более 18 %, чистота – не менее 94 %, содержание сорных примесей – не более 3 %.
Семена сои ценят за содержание белка, большого количества
жира, сахаров, лецитина и витаминов. Соя имеет достаточно широкое
применение.
Горох и соя отличаются от злаковых культур высоким содержанием белка. В процессе выращивания солода под действием протеолитических ферментов в бобовых культурах накапливаются аминокислоты, в том числе и незаменимые. Как проращенные, так и непроращенные бобовые являются ценной добавкой в производстве полисолодовых экстрактов с высоким содержанием белка.
Картофель является одной из ведущих сельскохозяйственных
культур страны, так как является одним из основных продуктов питания людей. Картофель используется как сырье в легкой, пищевой
и фармацевтической промышленности, используется в рационе кормления животных. Картофель как источник крахмала весьма перспективен в биотехнологии.
В среднем клубни картофеля содержат 25 % сухих веществ
(24 % органических и 1 % минеральных) и 75 % воды. Количество
крахмала составляет 70–80 % от сухой массы клубней и 95–98 %
от массы углеводов. Содержание крахмала в клубнях изменяется
в широких пределах – от 12 до 30 %, и зависит от сорта, условий
культивирования, размеров клубней и их зрелости. Сахар находится
в картофеле в виде глюкозы, фруктозы и сахарозы, причем преобладает глюкоза (около 75 %). Содержание клетчатки колеблется от 0,9
до 2 %, пентозанов – от 0,7 до 1 %.
Азотистых веществ в картофеле содержится от 0,1 до 0,6 %, что
в пересчете на белок составляет в среднем 2 %; липидов – от 0,04
до 0,96 %. Количество минеральных веществ изменяется от 0,5 до 1,9 %.
43
В составе золы больше всего калия (568 мкг%) и фосфора
(58 мкг%), а из органических кислот – лимонная, щавелевая, яблочная. В клубнях найден почти весь комплекс витамина В (В1, В2, В6),
фолиевая кислота, кроме того, витамин В5 (никотиновая кислота).
Основным витамином является аскорбиновая кислота (10–54 мкг/кг).
Топинамбур – многолетнее травянистое растение высотой около
полутора метров, имеющее клубни. По химическому составу клубни
сродни картофелю. По питательной ценности они превосходят многие
овощи. Клубни топинамбура содержат до 3 % белка, минеральные
соли, растворимый полисахарид инулин (от 16 до 18 %), фруктозу,
микроэлементы, 2–4 % азотистых веществ. Содержание сахаров
в клубнях увеличивается в зависимости от сроков сбора за счёт оттока
питательных веществ из стеблей и листьев.
Целесообразность использования вегетативной части топинамбура определяется не только общим составом углеводов, но и количеством отдельных моносахаридов. Основными сахарами при гидролизе
являются глюкоза и фруктоза (табл. 3.8).
Вегетативная часть топинамбура, традиционно используемая
в кормопроизводстве, в полной мере соответствует требованию,
предъявляемому к сырью для биохимической переработки. Практический интерес представляет вегетативная часть, заготавливаемая в сентябре-октябре, поскольку к этому периоду в ней накапливается
наибольшее количество углеводов (табл. 3.9).
Таблица 3.8
Состав моносахаридов вегетативной части топинамбура
Содержание, % от редуцирующих веществ Наименование
сахара
Глюкоза 35,4 3,9 94,3
Фруктоза 46,7 84,5 0,2
Манноза 1,5 0,5 5,5
Галактоза 16,3 0,9 –
Ксилоза – 1,3 –
Арабиноза – 8,8 –
Примечание: прочерк означает отсутствие компонента.
Водный экстракт ЛГП ТГП
Таким образом, высокое содержание углеводов в составе недревесного сырья, сравнительно легкая и полная их гидролизуемость под
действием разбавленных кислот открывают перспективу расширения
сырьевой базы гидролизного и микробиологического производства
и создает условия для совершенствования технологии.
44
Таблица 3.9
Химический состав надземной части топинамбура в период роста и развития
Содержание, % от абсолютно сухого сырья Показатель
Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Апрель
Минеральные вещества 5,20 5,40 3,20 2,90 4,10 3,10
Сырой протеин 17,40 13,65 11,18 5,25 1,50 2,71
34,64 43,16 25,67 25,83 25,67 20,20 Вещества, экстрагируемые горячей водой
В том числе:
– моносахариды
8,05
13,28
6,34
6,65
6,93
6,20
– олигосахариды 14,35 11,12 6,88 7,38 8,36 4,90
14,00 11,96 10,43 13,33 13,90 19,40 Легкогидролизуемые полисахариды
В том числе:
– пентозаны
5,04
4,21
3,84
4,79
4,97
6,98
– гексозаны 8,96 7,75 6,29 8,54 8,93 12,42
Трудногидролизуемые полисахариды 20,07 20,98 41,11 38,31 38,28 38,80
В том числе целлюлоза 18,16 18,88 36,99 34,86 35,22 35,70
Вещества лигниновой природы 9,20 8,69 9,40 14,90 17,92 15,50
45
Контрольные вопросы и задания
1. Какое растительное сырье используется в биотехнологии?
2. Дайте характеристику минеральных веществ растительного
сырья.
3. Какой процент высокомолекулярных соединений содержится
в растительных материалах?
4. Охарактеризуйте элементный химический состав древесины.
5. Что относится к основным компонентам клеточных стенок
древесины?
6. Приведите химический состав древесины лиственных пород.
7. Назовите химический состав древесины хвойных пород.
8. Сформулируйте отличия химического состава лиственной и
хвойной древесины.
9. От чего зависит направление переработки растительного
сырья?
10. Укажите состав зерновых культур.
11. Сравните химический состав злаковых культур.
для самоподготовки
12. Дайте характеристику состава бобовых культур.
13. Составьте схему химического состава древесины.
14. Как классифицируют экстрактивные вещества древесины?
15. Какие вещества извлекаются органическими растворителями?
16. Какие вещества извлекаются холодной и горячей водой?
17. Чем представлены экстрактивные вещества злаковых и бо-
бовых культур?
18. Какие аминокислоты входят в состав растительного сырья?
19. Какие экстрактивные вещества имеют промышленное зна-
чение?
20. Укажите состав топинамбура.
21. Какие полисахариды входят в состав гороха, сои, картофеля?
22. Исходя из химического состава, сформулируйте направле-
ния переработки древесного сырья.
23. Исходя из химического состава, сформулируйте направления
переработки недревесного растительного сырья.
46
4. СТРОЕНИЕ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ
РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
4.1. У
ГЛЕВОДЫ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Углеводы относятся к числу наиболее распространенных в природе органических соединений и являются компонентами клеток любых организмов. Содержание углеводов в тканях растений достигает
80 %. Функции углеводов в клетках весьма разнообразны. Они служат
источником и аккумулятором энергии клеток (крахмал), выполняют
скелетные (целлюлоза, хитин, глюканы и др.), защитные (в виде комплексов с белками) и регуляторные (клетчатка, крахмал) функции.
Все известные углеводы обычно подразделяют три больших
класса – моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Отдельную
группу составляют углеводсодержащие смешанные биополимеры.
К моносахаридам относятся углеводы и их производные, которые не способны расщепляться без потери основных углеводных
свойств. Моносахариды – полигидроксикарбонильные соединения
общей формулы Сn(Н2О)n; кроме гидроксильных и карбонильных
групп они могут содержать тиольные, карбоксильные и аминогруппы.
В эту группу входят триозы (С3Н6О3), тетразы (С4Н8О4), пентозы
(С5Н10О5), гексозы (C6H12O6). В растениях чаще всего встречаются
пентозы – арабиноза, кселоза, рибоза, дезоксирибоза и гексозы – глюкозы, фруктозы и др.
Олигосахариды составляют промежуточный класс между моносахаридами и полисахаридами и содержат от двух до десяти моносахаридных остатков. Олигосахариды – сложные сахара (ди-, три-, и
тетрасахариды). Наиболее важные дисахариды (сахароза, мальтоза,
целлабиоза) встречается во всех частях семени: у овса – 12 %, пшеницы – 2–3 %, ржи – 6–7 %. Дисахариды образуются из двух молекул
моносахаридов с выделением одной молекулы воды (сахарозы).
Мальтоза образуется при гидролизе крахмала под действием фермента амилазы, широко распространена в растениях как составная часть
сложных углеводов. Трисахариды (раффиноза) содержится в семенах
хлопчатника, тетрасахариды (стахиоза) – в сое, люпине, чечевице.
Полисахариды представляют собой высокомолекулярные соединения, образующиеся при поликонденсации моносахаридов. Чаще
всего в составе полисахаридов встречается глюкоза, но широко распространены также полисахариды, содержащие маннозу, галактозу,
47
фруктозу, ксилозу и арабинозу. Они имеют большую молекулярную
H
массу и представляют собой коллоидные вещества: это крахмал, целлюлоза (клетчатка), гемицеллюлозы, инулин.
Полисахариды в связи с особенностями надмолекулярной
структуры и по скорости гидролитического распада можно разделить
на две группы: легко- и трудногидролизуемые. К легкогидролизуемым полисахаридам относятся гемицеллюлозы, крахмал и небольшая
часть целлюлозы (аморфная часть), способные гидролизоваться разбавленными кислотами при температуре около 100 °С.
К трудногидролизуемым полисахаридам относятся целлюлоза
и небольшая часть гемицеллюлоз (целлюлозаны), которые гидролизуются концентрированными минеральными кислотами при нормальной температуре. Разбавленными кислотами гидролиз трудногидролизуемых полисахаридов можно осуществить лишь при высокой
температуре (160–190 °С) при соответствующем давлении.
Целлюлоза. Целлюлоза, или клетчатка, является основной со-
ставной частью древесины и других растительных тканей, составляющей 40–50 %. Целлюлоза – это природный, линейный, жесткоцепной, стереорегулярный гомополисахарид, макромолекула которо-
го состоит из звеньев β-D-глюкопиранозы, соединенных связью по
месту 1→4.
Целлюлоза имеет эмпирическую формулу (С6Н10О5)n, которую с
учетом трех гидроксильных групп в элементарном звене можно пред-
ставить в виде [С6 Н7 О2 (ОН)3]n.
Структурная формула макромолекулы целлюлозы имеет следующий вид:
H
O
H
H
|
OH
H
|
CH
2
OH
H
OH
|
O
H
O
_
OH
CH
2
|
H
OH
|
H
O
H
OH
H
O
H
H
_
H
|
OH
H
|
CH
OH
|
H
H
O
O
H
2
O
_
OH
CH
2
|
H
2
n
_
-
H
OH
H
O
H
|
OH
O
H
где n – степень полимеризации, равная 6000–14000.
В этой формуле отражены концевые звенья макромолекулы
и показан целлобиозный структурный элемент, так называемый период идентичности. Плоскости колец глюкозных остатков повернуты по
отношению друг к другу на 180°. Средняя степень полимеризации
48
природной целлюлозы по вискозиметрическому методу составляет
H
у хлопка 6000–6500, у льна – 8000, у наиболее распространённых древесных пород – от 4000 до 5500.
Целлюлоза – волокнистое вещество. Она не плавится и не переходит в парообразное состояние. При нагревании примерно до 350 оС
целлюлоза разлагается – обугливается. Целлюлоза не растворима ни
в воде, ни в большинстве других неорганических и органических растворителях. Растворителем целлюлозы является реактив Швейцера –
раствор гидроксида меди (II) с аммиаком, с которым она одновременно и взаимодействует. Концентрированные кислоты (серная, фосфорная) и концентрированный раствор хлорида цинка также растворяют
целлюлозу, но при этом происходит ее частичный распад (гидролиз),
сопровождающийся уменьшением молекулярной массы.
Строение макромолекулы целлюлозы было установлено с помощью химических и физико-химических методов исследования. Доказано следующее:
– элементарным звеном макромолекулы целлюлозы является остаток D-глюкозы (ангидро-β-D-глюкопиранозы);
– элементарное звено в макромолекуле целлюлозы содержит три
свободные гидроксильные группы (одну первичную и две вторичные);
– гидроксильные группы в элементарном звене целлюлозы находятся у 2, 3 и 6-го атомов углерода; они различаются по реакционной способности; гидроксилы придают целлюлозе слабокислые свойства и обусловливают различные полимераналогичные превращения;
– остатки D-глюкозы в молекуле целлюлозы имеют пиранозную,
а не фуранозную форму;
– элементарные звенья в макромолекуле целлюлозы соединены
друг с другом ацетальной глюкозидной связью 1→4, что было доказано исчерпывающим метилированием целлюлозы с последующим
легким гидролизом в присутствии метилового спирта (метанолизом);
– макромолекула целлюлозы практически не имеет ответвлений;
– остаток D-глюкозы, находящийся на одном конце макромолекулы целлюлозы («правый»), является редуцирующим (восстанавливающим), так как может существовать в открытой альдегидной форме:
OH
OH
H
O
2
OH
H
H
OH
O
O
49
OH
H
H
CH
H
H
OH
H
H
CH
2
OH
OH
O
C
Это доказывается способностью целлюлозы восстанавливать
окисные соединения меди до закисных и окисляться йодом в щелочной среде.
Гидроксил у первого углеродного атома отличается от остальных своими особыми свойствами. Он способен метилироваться метанолом с образованием метилглюкозида.
Структурная формула целлюлозы не отражает истинной пространственной формы макромолекулы этого биополимера. Пиранозные кольца не являются плоскими, так как для уменьшения внутренних напряжений принимают пространственные конформации кресла
или ванны. У целлюлозы в природном состоянии звенья β-D-глюкопиранозы в макромолекулах находятся в наиболее устойчивой конформации кресла С1 (рис. 4.1).
конформация
кресла
С1
конформация
кресла
1С
Рис. 4.1. Конформация звеньев целлюлозы
В отличие от крахмала (амилозы), макромолекулы которого построены из звеньев ά-D-глюкопиранозы, у целлюлозы конформация
звеньев обеспечивает вытянутую конформацию цепи в соответствии
со стереохимической формулой.
Для целлюлозы характерными являются два типа межмолекулярного взаимодействия: водородные связи и силы с малой энергией
взаимодействия – силы Ван-дер-Ваальса.
Наличие водородных связей обусловлено присутствием сильнополярных гидроксильных групп в элементарных звеньях макромолекулы целлюлозы. Небольшая энергия водородных связей компенсируется их огромным количеством за счет высокой степени
полимеризации целлюлозы, и в суммарном виде она может превосходить энергию ковалентных связей в макромолекуле. Наиболее ве-
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]