Роль биохимических процессов при хранении и переработке пищевого сырья

Лекция 16. Биохимические процессы, происходящие в пищевом сырье при хранении

1. Прикладное значение биохимических превращений, происходящих в пищевом сырье при его хранении и переработке

Биохимические показатели и превращения лежат в основе качественной оценки пищевого сырья, мероприятий по борьбе с потерями в процессе хранения и разработки путей усовершенствования технологических процессов пищевой промышленности.

За последние 50 лет возникли совершенно новые отрасли пищевой промышленности, базирующиеся на достижениях биологической химии и представляющие собой ее практические приложения. К примеру, производство органических пищевых кислот — лимонной, молочной и других с помощью различных микроорганизмов.

Если взять витаминную промышленность, то она целиком является примером приложения успехов биологической химии. Выявление сырьевых ресурсов, разработка и совершенствование технологии производства, нормы и способы применения витаминов — все базируется на биохимии, на ее успехах и достижениях.

Нужно отметить, что качественное изучение растительного сырья биохимик должен вести в неразрывной связи с селекционером и технологом. Примером того, к каким печальным результатам приводит забвение этой истины, является история пшеницы «Заря», которая была выведена селекционерами как весьма урожайный и хороший во многих отношениях сорт. Этот сорт пшеницы без предварительной биохимической оценки с точки зрения свойств его белково-протеазного комплекса и качества клейковины в свое время занял на Украине большие площади. Оказалось, что он дает муку с совершенно неудовлетворительными хлебопекарными качествами.

Интересные работы, свидетельствующие о высокой эффективности связи селекционеров с биохимиками, проведены в последние десятилетия в США по выведению высокомасличных форм кукурузы. В результате обширных исследований, проведенных селекционерами в тесной увязке с биохимиками, выведены формы кукурузы, содержащие в зерне до 14% жира.

Весьма важной задачей, стоящей перед селекционерами и биохимиками, является повышение пищевой и кормовой ценности белков зерновых и зернобобовых культур путем выведения сортов, запасные белки которых более богаты незаменимыми аминокислотами, в первую очередь, лизином, триптофаном и метионином.

Ряд важных задач стоит перед биохимией в связи с борьбой за повышение качества пищевых продуктов. В целях улучшения вкусовых качеств и аромата продукции приходится применять специальные методы, которые дают возможность выделять вещества ароматического комплекса в неизменном состоянии, а также производить их идентификацию и количественное определение в ничтожно малых количествах, исчисляемых тысячными долями миллиграмма.

2. Биохимические процессы, происходящие при прорастании и созревании зерна

Для прорастания зерна необходимы три условия: влага, доступ кислорода и известный минимум тепла.

В результате прорастания резко усиливается действие ферментов зерна, начинается процесс растворения отложенных в эндосперме сложных веществ с образованием более простых. Крахмал превращается в декстрины и мальтозу, белок — в аминокислоты, жир — в глицерин и жирные кислоты.

Сухой вес зерна при прорастании очень сильно понижается, т.к. в этот период зерно теряет большое количество содержащихся в нем органических веществ. В процессе прорастания зерна активность ферментов резко увеличивается: особое значение имеет увеличение активностиамилазы. Именно оно является главной причиной резкого ухудшения хлебопекарных качеств муки, полученной из проросшего зерна (мука, полученная из проросшего зерна, дает плохой хлеб с невкусным, заминающимся, неэластичным и недостаточно пористым мякишем).

Другой причиной ухудшения качества муки, полученной из проросшего зерна, является изменение свойств клейковины под влиянием протеолитических ферментов. Клейковина теряет упругость и становится очень слабой, липкой, а затем полностью разрушается. На первых этапах прорастания разрываются дисульфидные и водородные связи в клейковинном белке, а далее начинают расщепляться пептидные связи (происходит протеолиз).

При прорастании резко возрастает дыхание зерна. Поэтому совершенно ясно, что проросшее зерно при прочих равных условиях будет храниться значительно хуже, чем нормальное.

При созревании зерна происходят процессы, в целом как бы обратные тем, которые наблюдаются при прорастании. При созревании, во-первых, постепенно понижается активность ферментов и доходит, наконец, до какой-то величины, характерной для полностью созревшего зерна. Поскольку при созревании понижается активность ферментов, естественно, что и процесс дыхания, интенсивность которого зависит от действия ферментов, также будет ослабевать и, наконец, достигнет какой-то величины, характерной для полностью созревшего зерна. По мере созревания происходит превращение растворимых низкомолекулярных веществ, притекающих в зерно из листьев и стеблей, в высокомолекулярные нерастворимые вещества.

На ранних фазах созревания почти половина сухого вещества зерна состоит из сахаров и растворимых левулезанов. По мере созревания количество высокомолекулярных углеводов — крахмала и гемицеллюлоз — постепенно возрастает, а содержание сахаров и левулезанов соответственно убывает. Образование нерастворимых полисахаридов происходит за счет притекающих в зерно растворимых сахаров.

При созревании зерна количество аминокислот в нем постепенно уменьшается, а содержание белка возрастает: синтез белков идет за счет притекающих в него аминокислот.

Клейковина образуется в созревающем зерне очень рано, еще до начала молочной спелости, однако качество ее в этот период низкое, она крошится и с трудом образует связный комок. По мере созревания зерна содержание клейковины в нем растет, а качество улучшается. При созревании семян происходит также накопление жира (за счет углеводов, притекающих в семена из листьев и стеблей). По мере созревания происходит постепенное превращение крахмала в жир, т. е. как бы «ожирение» крахмальных зерен.

Вопрос о накоплении веществ в созревающем зерне имеет большое практическое значение в связи с определением правильных сроков уборки урожая и в связи с борьбой за снижение потерь зерна при уборке. Важнейшим средством борьбы с потерями является раздельная уборка зерновых культур, при которой зерно, убранное в период восковой спелости, остается некоторое время после жатвы в снопах и валках. Раздельная уборка значительно снижает потери зерна от осыпания и способствует при благоприятной погоде быстрому подсыханию зерна в валках, что улучшает его товарные и семенные качества. Практически раздельную уборку следует начинать при влажности зерна около 35−40%, что соответствует середине фазы восковой спелости.

При созревании зерно может подвергаться различным неблагоприятным воздействиям, в результате чего ухудшаются его мукомольные и хлебопекарные качества.

Во-первых, это прорастание зерна во время созревания и в процессе уборки.

Второй важный вид дефектного зерна — это морозобойное зерно пшеницы. Морозобойная пшеница появляется в результате воздействия мороза на не совсем созревшее зерно. Если влажность зерна выше 45%, оно особенно легко повреждается морозом.

Морозобойное зерно пшеницы отличается от нормального по внешнему виду: оно более щуплое, имеет морщинистую поверхность, цвет его изменен. Морозобойное зерно дает муку с низкими хлебопекарными качествами, плохо хранится и легко подвергается самосогреванию и порче. Мука, полученная из морозобойного зерна, содержит меньше клейковины и, что особенно важно, качество клейковины значительно ухудшается. Клейковина, отмытая из такой муки, крошащаяся, неупругая, неэластичная. Вместе с тем мука из морозобойного зерна отличается повышенной активностьюамилазы. Чем зерно менее зрелое и чем выше его влажность, тем сильнее оно повреждается морозом и тем хуже его семенные и хлебопекарные качества. Мука, полученная из морозобойного зерна, дает хлеб с заминающимся мякишем, сладковатым, имеющим неприятный запах и вкус солода.

Во время созревания зерно пшеницы может быть повреждено клопами-черепашками. Зерно, поврежденное этими насекомыми, отличается от нормального тем, что в месте повреждения имеет темную точку и светлое пятно; иногда темной точки нет и в месте повреждения имеется лишь светлое пятно с морщинистой поверхностью. Клоп-черепашка во время созревания зерна накалывает его своим хоботком и в месте укола вводит слюну, в которой содержатся очень активные ферменты. Особенно активны в слюне этого насекомого протеазы, расщепляющие белки и поэтому разрушающие клейковину. Этот фермент наиболее активно действует при слабощелочной реакции и в этом отношении сходен с трипсином кишечника человека.

В результате повреждения зерна клопами-черепашками снижается содержание общего азота в зерне: если в нормальной части зерна азота 2,76% от сухого вещества, то в поврежденной — лишь 1,14. Это происходит потому, что черепашка, накалывая зерно, частично растворяет и высасывает его содержимое, в первую очередь белок. В поврежденной части зерна под влиянием фермента, внесенного черепашкой, половина всего белка расщеплена, превращена в низкомолекулярные азотистые соединения.

3. Биохимические процессы, происходящие при хранении продовольственного сырья

Одной из основных задач биохимических исследований в области пищевой промышленности является глубокое изучение физиолого-биохимических процессов, протекающих в пищевом сырье и готовой продукции во время хранения. Конечная задача исследовательских работ этого направления — сведение до минимума различного рода количественных и качественных потерь на основе регулирования биохимических процессов.

Важнейшим из этих процессов является дыхание, которое легко переходит в процесс самосогревания. От интенсивности дыхания в значительной степени зависят потери органического вещества сухого (зерно) и сочного (плоды и овощи) растительного сырья. От характера дыхания и связанных с ним ферментативных процессов зависит жизнеспособность хранящегося зерна, развитие так называемых физиологических расстройств у хранящихся плодов или же ухудшение качества, подобное накоплению сахара в картофеле. Поэтому выяснению условий, определяющих интенсивность и характер дыхания хранящегося растительного пищевого сырья, уделяется очень большое внимание.

В результате проведенных различными учеными исследователей установлена зона критической влажности зерна, превышение которой приводит к резкому усилению процесса дыхания; для зерновых культур — в пределах от 14 до 15% влажности и для масличных — около 9−10%.

В зерне в зависимости от того, в каких условиях оно находится, могут осуществляться два вида дыхания: аэробное и анаэробное (брожение). В результате аэробного дыхания потребляются сахар (глюкоза) и кислород, а образуются углекислый газ и вода. При аэробном дыхании выделяется тепло: 674 ккал га одну грамм-молекулу (180 г) израсходованной глюкозы.

При анаэробном дыхании также выделяется некоторое количество тепла: 28 ккал на одну грамм-молекулу израсходованной глюкозы.

К каким последствиям приводит интенсивное дыхание зерна?

Прежде всего, оно вызывает значительное расходование органических веществ зерна (глюкозы). Иными словами, приводит к уменьшению сухого веса зерна. Во-вторых, состав воздуха в межзерновом пространстве будет изменяться — кислород будет потребляться, а двуокись углерода накапливаться. Наконец, в результате усиленного дыхания зерна будут накапливаться водяные пары, а следовательно, влажность зерна будет повышаться.

Чрезвычайно важное следствие интенсивного дыхания — выделение тепла. Зерновая масса, как известно, обладает плохой теплопроводностью. Поэтому тепло, выделяющееся в результате интенсивного дыхания зерна, будет как бы аккумулироваться в зерновой массе, что в свою очередь будет способствовать усилению процесса дыхания и возникновению процесса самосогревания.

Если зерно находится в герметических условиях и в зерновой массе происходит процесс анаэробного дыхания, зародыш зерна погибает от образующегося при этом этилового спирта, который отравляет зародыш, и зерно теряет всхожесть. Именно поэтому семенное зерно должно храниться в условиях как можно лучшего доступа воздуха. Иногда при анаэробном дыхании зерна наряду со спиртовым брожением частично происходит также процесс молочнокислого брожения, при котором из глюкозы образуется молочная кислота.

Интенсивность дыхания зависит от ряда факторов, из которых самыми важными являются влажность зерна и температура.

Чем выше влажность зерна, тем интенсивнее оно дышит. Следует отметить, что усиленное дыхание зерна начинается только тогда, когда его влажность достигает определенной величины. Влажность зерна, выше которой начинается такое резкое усиление процесса дыхания, называется критической. Обычно критическая влажность для зерна злаков и для семян бобовых культур составляет 14−15%. Для богатых жиром семян масличных культур критическая влажность гораздо ниже: она равна 8−9%.

Второй фактор, от которого очень сильно зависит интенсивность дыхания зерна, — температура. При низких температурах, близких к нулю градусов, дыхания практически не происходит, зерно не дышит. По мере повышения температуры интенсивность дыхания резко возрастает и, наконец, при 50−55^? С достигает максимума, после чего начинается резкое падение кривой. Это резкое падение интенсивности дыхания зерна происходит из-за слишком высокой температуры, при которой начинается денатурация белков и зерно погибает. Поэтому, если охлаждать, замораживать зерно, препятствуя, таким образом, возникновению процесса дыхания, это будет способствовать лучшему сохранению зерновой массы. Однако влажное семенное зерно нельзя охлаждать слишком сильно (промораживать), так как оно может потерять всхожесть.

Третий фактор, от которого зависит интенсивность дыхания зерна, — качество самого зерна. Чем хуже зерно по качеству, тем, при прочих равных условиях, оно сильнее, интенсивнее дышит и тем труднее его хранить. Зерно, не прошедшее послеуборочного дозревания, дышит значительно интенсивнее, чем-то, у которого период послеуборочного дозревания закончен. Отсюда следует, что свежеубранное зерно особенно легко может подвергнуться самосогреванию и порче, вследствие чего за ним нужно вести особенно тщательное наблюдение.

Для характеристики дыхания зерна большое значение имеет дыхательный коэффициент — отношение объема выделяемого при дыхании углекислого газа к объему поглощаемого кислорода. Дыхательный коэффициент нормального зерна обычно равен 1. Если это отношение больше 1, значит, зерно выделяет несколько больше двуокиси углерода, чем поглощает кислорода. Сухое зерно с влажностью 12−14%, как правило, имеет дыхательный коэффициент несколько выше единицы (1,2−1,3), поскольку зародыш зерна, даже в присутствии кислорода, частично дышит по типу анаэробного дыхания.

Если дыхательный коэффициент меньше единицы, это значит, что кислорода потребляется больше, чем выделяется двуокиси углерода. Это наблюдается при дыхании масличных семян, в которых жир, для того чтобы превратиться в необходимую для дыхания глюкозу, должен предварительно окислиться.

Таким образом, работы, проведенные за последние годы в области биохимического исследования процесса сушки зерна, привели к важному выводу принципиального значения. Они показывают, что изменение физиологических и биохимических свойств зерна зависит не только от температуры нагрева зерна, но и от его влажности. Полученные данные свидетельствуют о том, что менее влажное зерно выдерживает нагрев при более высоких температурах. Эти данные являются обоснованием ступенчатых режимов сушки зерна, при которых по мере подсыхания зерна температура агента сушки постепенно повышается, давая, таким образом, возможность повысить производительность сушки.

Важная роль биохимических процессов, происходящих при хранении готовой продукции, может быть проиллюстрирована также на примере прогоркания круп. Обычно прогоркание муки и круп рассматривается как чисто химический процесс, в основе которого лежит окисление жировой фракции кислородом воздуха. Однако установлено, что в процессе прогоркания круп весьма существенная роль принадлежит ферментам, а именно: липазе и липоксигеназе. Оказывается, что если исходное зерно подвергнуть кратковременному пропариванию, то крупа, полученная из такого зерна, прогоркает гораздо медленнее, чем крупа из непропаренного зерна. Эти наблюдения указывают путь повышения стойкости круп при хранении, основанный на инактивировании ферментов зерна, контролирующих гидролиз и окислительное расщепление жиров.

Чрезвычайно важными являются биохимические проблемы, связанные с хранением пищевого сырья животного происхождения. Так, например, практика хранения и замораживания мяса выдвигает перед биохимиками целый комплекс вопросов, касающихся природы процесса созревания мяса, биохимических изменений при его замораживании и оттаивании, ферментативных и химических превращений липидов при хранении мяса и различных мясных продуктов.

4. Роль биохимических процессов в переработке продовольственного сырья

В процессе переработки продовольственного сырья широко используются различные биохимические процессы. Особенно часто используются гидролиз и брожение. Гидролиз, как правило, является необходимым подготовительным процессом, который предшествует брожению, подготавливая для него соответствующие субстраты (например, гидролиз крахмала при производстве дрожжевого теста). Из различных видов брожения на практике чаще используются спиртовое и молочнокислое брожение. Спиртовое брожение находит применение в пивоварении, виноделии и для приготовления дрожжевого теста.

Молочнокислое брожение характерно для некоторых видов бактерий и используется для приготовления молочнокислых продуктов (простокваши, ацидофилина, кефира), при изготовлении кваса, хлебных заквасок и «жидких дрожжей» для хлебопечения, при квашении капусты, огурцов, при силосовании кормов.

По мере развития наших знаний о ферментах, по мере развития энзимологии становилось все более и более очевидным, что для правильной организации технологического процесса и определения правильного пути использования данного сырья в процессе его переработки необходимо знать не только и не столько его химический состав, сколько активность и условия действия содержащихся в нем ферментов. Необходимо знать, как в процессе дальнейшей переработки сырья поведут себя отдельные составные части его, каким превращениям подвергнутся углеводы, белковые вещества, жировая фракция, дубильные вещества, витамины. Именно поэтому при определении качества растительного сырья такое большое внимание уделяется определению ферментов. Так, наряду с определением содержания белка и клейковины в муке были введены такие важные показатели, как амилолитическая активность и автолитическая активность для ржаной муки — показатели, характеризующие активность амилазного комплекса, от которого в значительной степени зависит качество готового хлеба. При помощи этих показателей мы можем легко распознать муку из проросшего зерна, что имеет особое значение для ржаной муки. Такой распространенный дефект зерна и муки, как повреждение клопами-черепашками, может быть обнаружен лишь методами, позволяющими выявить высокую активность протеолитических ферментов. На основе выяснения ферментативной природы повреждения зерна клопами-черепашками был предложен метод гидротермической обработки поврежденного зерна.

За последние деcятилетия все большее значение приобретает применение ферментных препаратов из плесневых грибов в спиртовой и хлебопекарной промышленности. Проведенные производственные испытания на московских хлебозаводах показали, что как неочищенные препараты из плесневых грибов, так и очищенные препараты являются мощным средством для улучшения качества ржаного и пшеничного хлеба: значительно повышается объем хлеба, улучшаются его внешний вид, аромат и вкус.

Таким образом, знания о биохимических процессах, которые происходят как при созревании зерна, так и при хранении и переработке продовольственного сырья, являются весьма важными для технологов. Они необходимы для того, чтобы можно было бы целенаправленно ими управлять: для того чтобы создавать и поддерживать условия, в которых нежелательные процессы сводятся к минимуму, а желательные осуществляются наиболее эффективно.