ПРОДОЛЖЕНИЕ ЛЕКЦИИ № 7

3. Строение и морфологические особенности зерна

Большинство зерновых хлебных культур относится к злаковым растениям (по бота­нической классификации ‒ семейство Мятликовых). Плод их ‒ зерно; зерновка большинства злаковых имеет сходное строе­ние. В качестве примера приведем строение пшеничного зерна (рис.7.3) и морфологичес­кую характеристику зерна основных куль­тур (табл. 7.1).

Плодовые и семенные оболочки состоят в основном из неусвояемых веществ (клетчатки, минеральных и др.), поэтому при переработке зерна на муку они отделя­ются в виде отрубей.

Алейроновый слой богат питатель­ными веществами и витаминами, но они за­ключены в клетках, оболочки которых не перевариваются в орга­низме человека. При переработке зерна этот слой вместе с оболоч­ками отделяется в виде отрубей.

Эндосперм, или мучнистое ядро, занимает всю внутреннюю часть зерновки. Ядро состоит из крупных клеток, заполненных крахмалом, белком и другими веществами. Состав эндосперма отличается от состава других частей зерна. В нем содержится весь крахмал, большая часть белков и других соединений.

Зародыш представляет собой ту часть зерна, из которой развивается новое растение. Он богат питательными веществами, витаминами группы В, РР, Е и содержит много жира (например, в кукурузном ‒ от 25 до 45%). При переработке зерна зародыш обычно отделяют с отрубями, так как содержащийся в нем жир нестоек при хранении, и если часть зародыша попадает в муку, то возможно ее прогоркание.

Таблица  7.1. Соотношение морфологических частей зерна Мятликовых

(злаковых) культур (в % к массе зерновки)

Для примера приведем химический состав целого зерна пше­ницы и его частей (табл. 7.2). 

Таблица 7.2. Химический состав зерна пшеницы (в  %   по сухому веществу)

Химический состав зерна пшеницы и других культур не явля­ется строго постоянным. Особенно большие колебания наблюда­ются в содержании белка и крахмала. Средний химический состав зерна основных культур приводится в табл. 7.3.

Таблица 7.3. Средний химический состав зерновки и семян (в % по сухому веществу)

Белки являются наиболее ценной частью зерна. Белки всех видов зерна способны набухать в воде и образовывать связанную массу (например, при замесе теста). Однако только белки пшени­цы придают этой массе эластичность. При промывании водой пшеничного теста можно от него отделить крахмал и выделить набухший эластичный белок, называемый клейковиной. Клей­ковина участвует в образовании пористой структуры хлебного мя­киша и бисквитных изделий и обусловливает прочность макаронных изделий. Белки других зерновых культур с водой клейковины не образуют.

Жиры в зерне злаковых содержатся в малом количестве. Бо­гаты жирами лишь семена масличных культур, являющиеся сырь­ем для масло-жировой промышленности.

Жиры всех видов зерна имеют высокую биологическую цен­ность, но различаются стойкостью при хранении. Лучше сохраня­ются жиры гречихи, ржи, ячменя и риса, хуже ‒ кукурузы и пшени­цы. Весьма нестойки при хранении жиры овса и проса. Наиболь­шее количество жира содержится в зародыше и алейроновом слое, наименьшее ‒ в эндосперме.

Углеводы в зерне представлены в основном крахмалом, имеются клетчатка и сахара. Крахмал откладывается в виде крахмальных зерен, заключенных в клетках эндосперма. Крах­мальные зерна различных культур отличаются не только разме­рами и формой, но и свойствами: влагоемкостью, температурой клейстеризации, скоростью осахаривания и т. п. Например, пше­ничный или ржаной хлеб черствеет медленнее, чем овсяный или ячменный, потому, что крахмал пшеницы и ржи более влагоемок, чем ячменный и овсяный.

Кроме указанных в табл. 7.3 веществ в зерне содержатся вита­мины, ферменты, кислоты и другие вещества.

Витамины В₁, В₂, В₆, РР, Е и др. входят в состав зерна всех злаков. Витамин В₂ содержится только в пшенице, а каро­тин ‒ в зерне ржи, пшеницы (особенно твердой) и желтой куку­рузы. Витамины С и D в зерне отсутствуют.

Ферменты в зерне, как и в любом другом живом организ­ме, представлены широко по всем 6 классам. При переработке и хранении зерна особенно большое значение имеют ферменты гид­ролазы, оксиредуктазы и трансферазы (см. лекцию № 5).

Качество зерна. Показатели качества зерна подразделяются на пять групп: ботанико-физиологические, сенсорные (органолептические), физические, химиче­ские и технологические.

Ботанико-физиологические показатели включают культуру (род) растения, ее вид, форму (озимая или яровая), сорт, цвет, всхожесть, энергию прорастания.

Органолептические показатели включают цвет, вкус, запах, опреде­ляемые с помощью органов чувств.

Цвет является сортовым признаком. Измененный цвет характеризует или степень зрелости или характер порчи зерна.

Запах здорового зерна характерен свой для каждой культуры. Посторонние запахи зерно приобретает в результате его порчи или сорбции летучих веществ. Амбарный запах возникает при хранении зерна в невентилируемых складах. Этот запах исчезает при вентиляции или переработке зерна.

Солодовый запах свойствен проросшему зерну, а плесенный появляется в результате развития плесневых грибов. В зависимости от степени поражения зер­на плесенями различают затхлый и гнилостный запах. Зерно с поражением пле­сенями только поверхности пригодно на продовольственные цели, а зерно с пора­жением эндосперма с разрешения ветеринарного надзора реализуется на корм животным и птицам, зерно 3-й и 4-й степени порчи реализуется только на тех­нические цели.

Во вкусе здорового зерна не должно быть никаких привкусов.

Физические свойства зерна включают целый комплекс показателей: форму и линейные размеры, выполненность, щуплость и выравненность, абсолют­ную массу, натурную массу, стекловидность и др.

Форма зерна ‒ сортовой признак, однако в пределах каждой культуры и да­же одной партии зерна наблюдаются некоторые отклонения по форме зерна в за­висимости от степени спелости и других причин. Линейные размеры определяют крупность зерна.

Выполненностью выражают степень зрелости зерна. Щуплым называют мел­кое, иногда сморщенное зерно с небольшим запасом белка и крахмала. Выравненностью отражают однородность зерен по размерам, влажности, цвету, хими­ческому составу и другим показателям. Абсолютной массой называют массу 1000 зерен, а натурной массой называют массу зерна в 1 л объема.

Стекловидность характеризует консистенцию или структуру эндосперма. Структура может быть стекловидной и мучнистой. В поперечном срезе стекло­видное зерно имеет вид скола стекла, а мучнистое имеет белый цвет подобно ме­лу. Стекловидное зерно имеет плотную, а мучнистое — рыхлую упаковку крах­мальных зерен и белка в клетках эндосперма. Более высоким качеством облада­ет стекловидное зерно. Стекловидность выражается в процентах стекловидных зерен к их общему количеству. В стекловидных зернах '/4 площади поперечного среза может быть мучнистой, а в мучнистом, наоборот, 1/4 этого среза может быть стекловидной.

В странах СНГ распространены мягкая и твердая пшеница. Этими терми­нами обозначается принадлежность данного зерна к определенному ботаниче­скому типу, а не физические свойства зерновки. Твердая пшеница всегда стекло­видна, содержит большее количество белка, обладает янтарным цветом зерна и является превосходным сырьем для производства макаронной муки. Мягкая пшеница содержит меньшее количество белка, может иметь стекловидный и муч­нистый эндосперм, цвет различный  от белого до красного с разным оттенком.

Механические свойства зерна включают реологические характерис­тики: предельное напряжение, модуль упругости, вязкость, ползучесть, время ре­лаксации и т. п. Эти характеристики определяют способность зерна сопротив­ляться разрушению. Характерной особенностью зерна является неоднородность (анизотропность) его механических свойств по различным осям.

Химические свойства зерна определяются его составом (см. табл.7.3), влажностью, зольностью, количеством и качеством[1] клейковины (для пшеницы), кислотностью. Кроме указанных в этой таблице веществ в зерне со­держится вода.

Количество воды в зерне и семенах характеризует их влажность. Влажность – важнейший показатель, с увеличением которой снижается содержание сухих веществ в сырье, зерно плохо хранится, плесневеет, теряет всхожесть. В качестве примера приводим границы влажности зерна злаковых: сухое до 14% включи­тельно; средней сухости свыше 14 до 15,5% включитель-но; влажное свыше 15,5 до 17%; сырое свыше 17%.

Влага, которая находится в зерне, бывает свободная (которая перемещается из клетки в клетку и участвует в биохимических процессах) и связанная (связана с белками, крахмалом, она  не перемещается из клетки в клетку и не участвует в биохимических процессах). С повышением влажности появляется свободная влага, которая активизирует гидролитические и дыхательные ферменты, происходит распад сухих веществ зерна. Влажность зерна, при которой появляется свободная влага, называется критической. Она находится в пределах 14,5-15,5%. Для нормального процесса хранения зерно должно иметь влажность меньше критической.

Засоренность – наличие примесей в зерне. Примеси делят на сорные, вредные, зерновые. Наличие их в зерне нежелательно, так как затрудняет очистку, ухудшает хранение зерна.

Зараженность. Зерно может быть заражено насекомыми-вредителями (клещом, молью, долгоносиком, клопом-черепашкой и др.). Наиболее опасен долгоносик, образующий скрытую зараженность. Зерно, поврежденное долгоносиком, не принимают на хранение и переработку.

Показатели специального (технологического) значения связаны с производственным назначением культуры.

Качество зерна при переработке на спирт не регламентируется. Основное требование – высокая крахмалистость (сумма крахмала и сахаров).

Зерновые культуры на спирт могут перерабатываться и в дефектном виде. Различают четыре степени дефектности зерна:

1 – зерно с солодовым запахом, подвергшееся самосогреванию;

2 – зерно с плесневело-затхлым запахом;

3 – зерно с гнилостно-затхлым запахом, подвергшееся разложению;

4 – зерно с изменившейся почерневшей оболочкой.

Ячмень является основным сырьем при производстве пива. К пивоварен-ному ячменю предъявляют следующие требования: экстрактивность 78-82%; содержание крахмала – 60%; белка - не более 12%; прорастаемость 90-95%; влажность до 15,5%; крупность 60-80%;

Для получения солода используют различные зерновые культуры (ячмень, овес, просо, рожь, пшеницу). Основное требование к ним – высокая прорастаемость  (90-95%).

В сухом зерне вода находится в связанном состоянии, что и обусловливает хорошую сохраняемость зерна. Влажность, при которой появляется свободная влага, называется критической. При наличии в зерне свободной влаги создаются благоприятные условия для интенсификации дыхания зерна и развития в зерно­вой массе микробиологических процессов, приводящих нередко к порче зерна.

Зольность ‒ количество золы (в %), оставшейся после сжигания зерна. Минеральные вещества в зерновке распределены неравномерно. Меньше их в эндосперме и больше в зародыше и алейроновом слое. Зольность зерна твердой пшеницы выше, чем мягкой.

Клейковина ‒ белок пшеничного зерна, набухший в воде. Клейковина спо­собна поглотить 2‒2,5-кратное количество воды к своей сухой массе. Количество сырой клейковины в зерне составляет от 25 до 40%.

Качество клейковины ‒ это совокупность ее физических свойств: упругос-ти, эластичности, вязкости, пластич­ности и др. Показатели количества и качества клейковины взаимосвязаны. Высо­ко ценится зерно с высоким содержанием «сильной» клейковины. Силой клейко­вины называют ее способность сопротивляться растяжению или сжатию.

Кислотность характеризует наличие в зерне кислот и других веществ, имею­щих кислую реакцию. Кислотность измеряется в градусах.

Градусом называют количество миллилитров нормальной щелочи, пошедшей на нейтрализацию кисло-реагирующих веществ в 100 г размолотого зерна или другого сырья и продукта. У свежего зерна кислотность находится в пределах 1‒3°, а при хранении этот показатель незначительно увеличивается в основном в результате гидролитиче­ского распада жиров.

Технологические свойства зерна определяются показателями, ха­рактеризующими процесс переработки зерна или муки. Различают мукомольные, хлебопекарные, а для пшеницы, кроме того, макаронные свойства зерна.

Мукомольные свойства определяются размолоспособностью зерна и его му­комольной ценностью. Первое характеризует поведение зерна при размоле (дроб­ление, разделение продуктов размола, выход муки и т. п. и расход энергии). Второе включает всю совокупность показателей, характеризующих мукомольный процесс: режимы кондиционирования, потребное количество размольных и других систем, длительность процесса, качество промежуточных продуктов и муки (золь­ность, цвет, крупность, количество и качество клейковины).

Хлебопекарными свойствами зерна называют способность получаемой из него муки давать при оптимальных режимах хлебопечения хлеб хорошего качества и высокого выхода.

Макаронными свойствами зерна называют способность образовывать при размоле макаронную крупку и полукрупку, пригодные для выработки макарон­ных изделий высокой питательности и прочности с привлекательным желто-кремовым цветом.

Свойства зерновой массы. Свойства зерновой массы могут быть представлены следующей схемой:

Зерновая масса ‒ дисперсная двухфазная система зерно-воздух. Зерновую массу рассматривают как физическое тело, обладающее определенными свойствами. Знание этих свойств позволяет сократить потери, улучшить качество зерна и снизить материальные затраты при транспортировании, обработке и хранении.

Сыпучесть ‒ подвижность зерновой массы. Хорошая сыпучесть позволяет легко перемещать массы нориями, конвейерами, пневмотранстпортными установками. От сыпучести зависит степень заполнения хранилища. Зерновая масса легко заполняет емкость любой конфигурации и свободно выте­кает из емкости через отверстия. Она характеризуется коэффициентами внутреннего и внешнего трения, определяемые путем измерения угла трения и угла естественного откоса.

На сыпучесть влияет: форма зерна, размер, состояние поверхности, вид и количество примесей, материал, формы и состояние поверхности, по которой самотеком перемещают зерновую массу. Примеси снижают текучесть, увеличение влажности массы снижает сыпучесть.

Сыпучесть проявляется в само­сортировании зерна. При встряхивании (в транспортных средст­вах при перевозке, в сортировочных машинах) зерновая масса сортируется: легкие фракции зерна и примесей движутся (всплы­вают) к поверхности насыпи, а тяжелые оседают вниз.

Самосортирование, т.е. неравномерное распределение входящих в массу компонентов по отдельным участкам насыпи. В результате самосортирования массы у стен силоса накапливаются легкие органические примеси, пыль, семена сорных растений, щуплые и битые зерна. В зерновой массе, заложенной на хранение, нарушается ее однородность, создаются условия для развития различных физиологических процессов, приводящих к частичной или полной порче зерна. Это может вести к самосогреванию зерна.

Скважистость ‒ наличие в зерновой массе межзерновых скважин, заполненных воздухом. Скважистость (в %) определя­ется по формуле

где V ‒ общий объем зерновой массы;  υ ‒ истинный объем зерновой массы.

Величина S меняется в широких пределах  от 30% у проса до 50% у овса и 80% у семян подсолнечника.

Благодаря скважистой структуре зерновая масса хорошо обду­вается воздухом при вентилировании и газируется при дезинсек­ции с целью уничтожения амбарных вредителей.

Сорбционные свойства проявляются в поглощении зер­ном паров воды и летучих веществ. Это свойство обусловлено скважистостью зерновой массы и капиллярно-пористой коллоид­ной структурой зерновки. Суммарная активная поверхность зерна пшеницы и ржи примерно в 20 раз больше внешней поверхности зерновки. Сорбционные свойства зерна играют исключительную роль в процессах влагообмена зерна с соприкасающимся воздухом при хранении.

Гигроскопичность зерновой массы - способность ее сорбции и десорбции паров воды. Увлажнение зерновой массы при хранении в результате гигроскопичности создает условия для жизнедеятельности микроорганизмов.

Влага, распределяется в зерновой массе неравномерно: наибольшей гигроскопичностью обладает зародыш, меньшей - оболочки и еще меньшей-эндосперм. Такое распределение влаги по частям зерна способствует развитию микроорганизмов, находящихся на поверхности зерна.

Аэродинамические свойства зерновой массы прояв­ляются в способности зерна перемещаться в воздушном потоке с различной скоростью витания. Для характеристики этой способ­ности применяют коэффициент парусности К_п (в 1/м)

где f ‒ коэффициент, учитывающий форму зерна; r_в ‒ плотность воздуха, кг/м³; F ‒ площадь наибольшего поперечного сечения, перпендикулярного вектору ско­рости воздуха, м²; m ‒ масса зерновки, кг.

где g  ‒  ускорение свободного падения, м/с².

Парусность   зерна   связана   со скоростью   витания υ_в  (в м/с) следующим образом:

Численные значения коэффициента К_П и скорости витания υ_в зер­на различных культур приведены ниже.

Теплофизические и массообменные свойства. Эти свойства характеризуются теплоем­костью, теплопроводностью,  температуропроводностью и  термовлагопроводностью зерновой массы.

Теплоемкость ‒ количество теплоты, необходимо для нагревания тела характеризуется величиной удельной теплоемкости. Теплоемкость характеризует интенсивность изменения температуры тела при его нагревании или охлаждении.

Удельная теплоемкость зерна примерно в 2 раза больше удельной теплоемкости воздуха  и меньше удельной теплоемкости воды.

Удельная теплоем­кость абсолютно сухого зерна составляет примерно 1,5‒1,52 кДж/(кг·К), т.е. почти в 3 раза меньше, чем воды (4,19), и в 1,5 раза больше, чем воздуха (1,01). Коэффициент теплопроводно­сти зерна злаков находится в пределах 0,08‒0,15 Вт/(м·К).

Теплопрово́дность ‒ это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей зерновой массы (или зерен) к менее нагретым частям (или зернам), осуществляемый хаотически движущимися частицами зерна. Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности тела проводить тепло. Зерновая масса обладает низкой теплопроводностью из-за ее органического состава.

Таким образом, зерновая масса обладает большой тепловой инерцией. Положительное значение этого свойства заключается в том, что холодом можно консервировать зерно. Охлажденное зимой зерно длительное время остается холодным в теплое время года. Отрицательная роль этого свойства состоит в том, что в ре­зультате развития микробиологических процессов в зерновой мас­се могут возникать локальные очаги самосогревания.

Температуропроводность ‒ определяет скорость изменения температуры в исследуемом материале, его теплоинерционные свойства. Зерновая масса имеет низкую тепмературопроводность, поэтому средний слой насыпи зерна имеет практически постоянную температуру.

Низкие значения тепло- и температуропроводности позволяют при правильно организованном режиме сохранять низкую температуру в масс зерна даже в теплое время года, т.е. консервировать ее холодом.

Термовлагопроводность - перемещение влаги, обусловленное градиентом температур. Перемещение влаги в виде конденсата по направлению потока теплоты может сопровождаться скоплением ее в отдельных участках зерновой массы и вызвать ее набухание а даже прорастание. 

 ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ

Напечатать