Биохимические процессы, происходящие в зерновой массе
Зерно - живой организм, находящийся в покое и, следовательно, как и в любом живом организме, в нем совершается постоянный, хотя и медленный, обмен веществ, поддерживающий жизнь зародышевой клетки. Характер и интенсивность физиологических процессов, протекающих в зерновой массе при хранении, зависят не только от активности ферментативного комплекса зерна, но и от условий окружающей среды. Основным, важнейшим физиологическим процессом, протекающим в зерне, является дыхание.
Дыхание обеспечивает энергией клетки семян за счет окисления органических веществ, главным образом сахаров, под действием окислительно-восстановительных ферментов. При достаточном доступе кислорода в зерне преобладает аэробное дыхание, которое можно выразить суммарным уравнением С6Н12О6+6О2 6СО2+6Н2О+674 ккал (2821, 9 кДж) на 1 грамм-молекулу (180 г) израсходованной глюкозы.
При недостатке кислорода полного окисления органических веществ не происходит, в зерне идет процесс анаэробного (интрамолекулярного) дыхания (спиртового брожения), выражаемого суммарным уравнением: С6Н12О6 2С2H5OH+2СО2+ 28, 2 ккал (118 кДж) на 1 грамм-молекулу израсходованной глюкозы. При анаэробном дыхании параллельно со спиртовым брожением частично может идти и молочно-кислое, при котором из глюкозы образуется молочная кислота2: С6Н12О6 2СН3СН (ОН) СООН+ 22, 5 ккал (83, 5 кДж), что приводит к медленному нарастанию титруемой кислотности продукта. Анаэробное дыхание зерновой массы нежелательно, так как накопление этилового спирта и других промежуточных продуктов дыхания может привести к гибели зародыша, т. е. потере всхожести семян.
Сухое зерно имеет невысокую интенсивность дыхания. За год хранения при температуре 10 - 20 `С 1 т сухого зерна (с влажностью до 14 %) теряет за счет дыхания 100 г (0, 01 %) массы. У зерна средней сухости (от 14, 1 до 15, 5 %) интенсивность дыхания примерно в 1, 5 - 2 раза выше, чем у сухого. Влажное зерно ` (влажность 15, 5 - 17%) разных культур резко увеличивает интенсивность дыхания (кратное): пшеница - в 4 - 8, овес - в 2 - 5, кукуруза - в 8, 5 - 17 по сравнению с зерном средней сухости. На рис. 3 показана зависимость интенсивности дыхания от влажности зерна проса.
Температура хранения оказывает существенное влияние на интенсивность дыхания. Зерно, хранящееся при температуре, близкой к 0 `С, дышит с исчезающе малой интенсивностью, как это видно на рис. 3. По мере повышения температуры интенсивность дыхания возрастает, достигая максимума при 50 - 55`С, после чего начинает резко падать. Падение совпадает с началом тепловой денатурации белков, инактивации ферментов, т. е. началом гибели зерна. На рис. 4 видно, что при температуре около 0 `С можно хранить определенное время даже, зерно с повышенной влажностью.
Качество зерна оказывает существенное влияние на энергию его дыхания. Чем хуже качество зерна, тем труднее его хранить.
Следствия дыхания зерна при хранении. Каким бы способом ни дышало зерно, этот процесс вызывает:
потерю сухого вещества (убыль массы) зерна. Расходуемая, при дыхании глюкоза постоянно пополняется за счет ферментативного гидролиза крахмала;
изменение состава воздуха межзерновых пространств за счет выделения диоксида углерода и расходования кислорода, что в конечном итоге может вызвать анаэробное дыхание;
увеличение количества гигроскопической влаги в зерне и повышение относительной влажности воздуха в межзерновых пространствах. Образующаяся при аэробном дыхании вода остается в зерновой массе и при высокой интенсивности дыхания может существенно увлажнить ее, приводя тем самым к еще большему увеличению интенсивности дыхания;
образование тепла в зерновой массе особенно при высокой интенсивности аэробного дыхания мотает быть весьма существенным. Известно, что зерновая масса обладает низкой теплопроводностью, поэтому образующееся тепло вызывает повышение температуры и, следовательно, интенсивности дыхания. Два последних названных следствия дыхания являются причинами возникновения самосогревания зерновой массы, приводящего ее к порче, а иногда и к полной гибели.
Самосогревание - результат высокой интенсивности дыхания зерновой массы, развития в ней плесеней, а иногда и амбарных вредителей. В начальной стадии самосогревания (повышение температуры до 30 `С) зерно приобретает солодовый запах и сладковатый вкус, свойственные прорастающему зерну. Поверхность зерна сначала обесцвечивается, затем приобретает красноватый оттенок, а эндосперм - сероватый. В нем повышаются доля моносахаридов, титруемая кислотность и кислотное число жира. Активность ферментов существенно возрастает. Объемный выход хлеба снижается, мякиш получается более темным, чем из нормального зерна. При переработке пшеницы с солодовым запахом ее смешивают с нормальным зерном.
При развитии самосогревания и повышении температуры до 40 - 50 `С и выше поверхность зерна темнеет вплоть до полного почернения, иногда полностью покрывается мицелием плесеней. Темнеет, а затем чернеет эндосперм. Запах становится плесневым, а потом гнилостно-затхлым, изменяется соответственно и вкус, увеличиваются титруемая кислотность (в болтушке), кислотное число жира, растет содержание аммиака. Интенсивность дыхания достигает максимума и начинает падать, снижается всхожесть зерна вплоть до полной ее утраты. Содержание клейковины в пшенице резко снижается, а ее качество ухудшается. Эти изменения говорят о распаде в греющемся зерне углеводов, белков и липидов под действием собственных и плесневых ферментов, а также длительным воздействием повышенных температур. Если самосогревание возникает в поверхностном слое насыпи (до 0, 7 м от поверхности), то главной причиной порчи зерна является его плесневение.
При возникновении самосогревания в глубинных слоях бурное развитие плесеней задерживается недостатком там кислорода, поэтому основной причиной порчи являются деятельность собственных ферментов и высокая температура. Мука из зерна поверхностных очагов самосогревания дает хлеб плоский, почти без пор, с очень темным заминающимся мякишем, а из глубинных очагов самосогревания - высоким, с рваными корками. Зерно, подвергшееся самосогреванию больше, чем в первой стадии, на пищевые (иногда и кормовые) цели не используется.
В период хранения постоянно проводят наблюдения за зерном. Температура хранящейся зерновой массы должна находиться под повседневным контролем. При небольшом повышении температуры (на 1 - 3 С) проводят активное вентилирование сухим холодным воздухом. Если зерно после этого продолжает греться, то его приходится перемещать в резервный силос, пропуская при этом через зерносушилку и зерноочистительную машину (для охлаждения).
Поверхностный слой зерна не реже одного раза в неделю осматривается для определения присутствия (или отсутствия) признаков появления амбарных вредителей. При их обнаружении принимаются срочные меры по обеззараживанию зерновой массы и предупреждению их перехода в другие силосы.
Изменение пищевой ценности зерна при хранении связано с постепенным, хотя и очень медленно протекающим, старением коллоидов. Начало процесса старения коллоидов практически совпадает с завершением послеуборочного дозревания зерна. Известно, что уборка зерна производится в стадии технической спелости, когда влажность его может достигать 18 - 25 % и синтез питательных веществ еще не завершен. Оно обычно имеет пониженные всхожесть и технологические достоинства. Полная физиологическая зрелость зерна, при которой наиболее полно выявляются технологические и семенные качества, наступает для ржи и овса через 15 - 20 дней, пшеницы - 1 - 1, 5 мес., ячменя - 6 - 8 мес. после уборки.
Послеуборочное дозревание - комплекс биохимических процессов синтеза высокомолекулярных органических соединений из низкомолекулярных, накопленных в зерне в ходе фотосинтеза растения и налива зерна. При дозревании заканчиваются процессы образования полисахаридов, белков и жиров. Уменьшается доля растворимых углеводов и небелкового азота. Белки клейковины уплотняются, качество ее улучшается. Снижается доля свободных жирных кислот и несколько возрастает содержание триглицеридов и других липидов. Всхожесть зерна достигает максимума. Активность ферментов снижается до уровня, характерного для хорошо созревшего зерна.
Послеуборочное дозревание наиболее быстро завершается в сухом зерне (до 14 %) при положительной температуре в хранилище (15 - 20 `С), достаточном доступе кислорода. Более низкая температура или недостаток кислорода растягивают время дозревания, а повышенная влажность зерна может привести к его плесневению. Необходимо подчеркнуть, что процессы синтеза протекают с выделением влаги, связанной низкомолекулярными соединениями. Поэтому наблюдение за изменением влажности зерна в первый период хранения имеет особенно большое значение.
Завершение послеуборочного дозревания и вступление зерна в состояние покоя фактически являются началом процесса старения. По данным В. Л. Кретовича, покой представляет собой важное приспособительное свойство растений, предохраняющее семена от преждевременного прорастания и позволяющее им длительное время сохранять жизнеспособность и пищевую ценность.
Старение также идет под действием ферментативного комплекса зерна и при участии кислорода воздуха. Однако основная направленность его противоположна дозреванию. Все процессы старения коллоидов в зерне протекают значительно медленнее, чем в продуктах его переработки. Поэтому резервное хранение хлебных продуктов во всех странах производится именно в виде сырья, а не муки и крупы. Следует отметить, что даже при самых благоприятных условиях хранения жизненные процессы в зерне продолжаются (хотя и с малой интенсивностью) и коллоиды, образующие зерно, постепенно изменяются, стареют, снижают свою пищевую ценность.
Изменение белков наблюдается при хранении зерна. Общее содержание азотистых веществ остается постоянным или незначительно возрастает за счет уменьшения доли углеводов, расходуемых на дыхание. Однако снижаются растворимость белков и атакуемость их пищеварительными ферментами. Одновременно наблюдаются повышение доли аминного азота и уменьшение содержания белков. Так, за два года хранения при температуре 24 `С пшеницы с влажностью 11 % атакуемость белков снизилась на 8 %, а кукурузы - на 3, 6 %. Постепенно изменяется аминокислотный состав белков, снижается доля доступного лизина. Особенно существенны эти изменения в первые месяцы хранения и при сушке, даже очень осторожной. Изменяется также доля гистидина и аргинина.
Изменение углеводов в сторону уменьшения идет за счет расходования их на дыхание, но соотношение растворимых углеводов и крахмала длительное время остается достаточно постоянным в результате деятельности амилаз. В дальнейшем наблюдается постепенный рост содержания растворимых углеводов за счет ослабления дыхания.
Изменение липидов также происходит при хранении зерна. Протекают ферментативные процессы в липидном комплексе - расщепляются фосфои гликолипиды, глицериды; при этом накапливаются свободные жирные кислоты. Ненасыщенные жирные кислоты, особенно свободные, под действием кислорода воздуха и фермента липоксигеназы окисляются. Накапливаются перекиси, гидроперекиси и другие продукты окисления, которые могут образовывать комплексы с белками и, углеводами.
Изменение витаминов происходит крайне медленно. Так, убыль тиамина в сухой пшенице составила за 5 мес. хранения около 12 % его исходного количества. Высокая температура и влажность ускоряют распад тиамина. Другие витамины группы В также устойчивы при хранении. Наиболее быстро окисляются каротиноиды, потери которых за год хранения достигают 50 - 70 % исходного количества в зерне. Снижение доли токоферолов тесно коррелирует с уменьшением содержания ненасыщенных жирных кислот в липидах зерновых культур.
Биохимические изменения веществ, входящих в состав зерна, постепенно приводят к снижению активности ферментов, всхожести, потере присущего живому организму активного иммунитета и существенному снижению технологических свойств и пищевых достоинств. Зерно становится более хрупким, легко дробится при - переработке с образованием повышенного количества отходов, снижаются выход продукции и ее качество. Полученные продукты значительно легче обсеменяются микроорганизмами и быстрее портятся.
Долговечность зерна зависит от его исходного качества и условий хранения. По данным Л. А. Трисвятского, хлебные злаки сохраняют жизнеспособность (всхожесть) от 5 до 15 лет. Наиболее долговечными являются овес, пшеница и ячмень, быстрее всех теряет всхожесть просо. Мукомольно-крупяные и пищевые достоинства сохраняются 10 - 12 лет, а кормовые - еще дольше. Однако столь длительное хранение запасов нецелесообразно, их следует обновлять через 3 - 5 лет.