Минеральные вещества

ТОВАРОВЕДЕНИЕ И ЭКСПЕРТИЗА ЗЕРНОМУЧНЫХ ТОВАРОВ

По товароведной классификации зерномучные товары являются группой однородной продукции благодаря общности (одинаковости) основного зернового сырья, определяющего химический состав готовой продукции.

Зерновые и бобовые культуры — товар, поль­зующийся неизменным спросом на мировом и внутреннем рынке. Его продают заготовительным организациям и хлебоприемным предпри­ятиям для использования в различных отраслях пищевой промышлен­ности и для производства комбикормов, на биржах и в розничной сети.

Производство зерна — основа обеспечения населения основными продуктами питания. Зерно является также главным бир­жевым продовольственным товаром. Цены на большинство продовольственных товаров в определенной мере формируются в зависимости от цен на зерно. Состояние зерново­го рынка характеризуют как мировую, так и национальную продоволь­ственную безопасность.

Зерно

Зерно – плоды злаковых, зернобобовых и масличных культур, используемые для пищевых и кормовых целей (ТР ТС 015/2011 «О безопасности зерна»).

Зерновые культуры классифицируют по различным признакам:

- по целевому назначению;

- по ботанической принадлежности;

- по химическому составу.

В соответствии с ТР ТС 015/2011 О безопасности зерна предусмотрено деление зерна по целевому назначению на:

1) пищевые цели – использование зерна для переработки в пищевую продукцию;

2) кормовые цели – использование зерна в качестве корма для животных и производства комбикормов.

По ботанической принадлежности в зависимости от строения плода, соцветия, стебля, корня (плод, соцветие, стебель, корень) зерновые культуры относят к трем семейст­вам: злаковые, гречишные, бобовые.

Семейство злаковых. Злаки принято делить на две группы:

- настоящие хлеба (злаки) – пшеница, рожь, ячмень, овес;

- просовидные (ложные) хлеба (злаки) – кукуруза, рис, просо, сорго.

Различаются эти группы строением плода, кото­рый называют зерновкой. У настоящих злаков зерновка продолговатой или овальной формы, со стороны спинки четко различим зародыш в виде вмятинки. На противоположном зародышу конце – бородка, образованная клетками оболочек. Со стороны брюшка вдоль всей зерновки проходит бороздка.

У просовидных злаков зерновка различной формы, например, у риса – продолговатая, у проса – округлая, у кукурузы – неправильная. Бороздка и бородка отсутствуют.

Зерновка покрыта цветковой пленкой (за исключением кукурузы, которую называют ложным злаком). Если цветковая пленка легко отделяется, то злаки называют голозерными (пшеница, рожь), если ее отделить невозможно — пленчатыми (ячмень, овес, рис, просо).

Семейство гречишных. К этому семейству относится гречиха обыкновенная (из которой получают крупу) и татарская гречишка (сорное растение).

Плод гречихи по ботанической классификации — орешек, имеет трехгранную форму. Плодовые оболочки, состоящие из нескольких слоев толстостенных клеток, плотно облегают зерно, но не срастаются с ним, что позволяет легко удалять их. Зерно состоит из тонкой семенной оболочки, эндосперма и зародыша. Меньшая часть зародыша расположена на поверхности зерна под оболочками, а большая, имеющая S-образную форму, в середине эндосперма. Сам эндосперм рыхлый, мучнистый, легко дробящийся при переработке, что снижает выход целой крупы.

Семейство бобовых. К семенам бобовых, используемых в питании, относят горох, фасоль, чечевицу, сою, чину, нут и др. Они имеют общее строение, у них плод называется — боб. Он состоит из двух семядолей, покрытых семенной оболочкой и соединенных ростком. Форма плода бобовых культур разнообразная — округлая (соя), шаровидная (горох), линзовидная (чечевица), овальная или удлиненная (фасоль). Окраска семядолей является видовым и сорто­вым признаками и может быть желтой, зеленой (у гороха), белой, коричневой, пестрой (у фасоли). Семенная оболочка бобовых бывает полупрозрачной, тогда цвет семян зависит от окраски семядолей (у гороха), и непрозрачной белой, однотонной, пестрой.

По химическому составу зерновые культуры принято делить на три группы:

1 — богатые углеводами (крахмалом), это зерно злаковых культур и плоды гречихи; в пересчете на сухое вещество они содержат в среднем 70—80 % углеводов, основную часть которых составляет крахмал, 10—16 % белков и 2—5 % жира;

2 — богатые белками, это семена бобовых культур; они содержат в среднем 25—30 % белков, 60—65 % углеводов при малом количестве жира (2—4 %) за исключением сои;

3 — богатые липидами, это семена масличных культур; они содержат в среднем 25-50 % липидов и 20—40 % белков при незначительном количестве углеводов.

Химический состав зерна. Химический состав зерна, а также его биохимические и технологические свойства зависят от климатических и почвенных условий: количества солнеч­ных дней и осадков в течение вегетационного периода, состава удобрений и т. д.

Углеводы

Наибольший удельный вес в зерне занимают углеводы, которые представлены в основном крахмалом (в пшенице — 50…60 %). Сахара содержатся в небольшом коли­честве (0,8 %) (8,0 % сахарная кукуруза).

Крахмал в растениях находится в виде крахмальных зерен, которые различаются по своим свойствам и химическому составу как в одном и том же растении, так, особенно, в различных растениях. Крахмальные зерна имеют овальную, сферическую или неправильную форму, размером от 0,002 до 0,12 мм. Самые мелкие крахмальные зерна у риса и гречихи. Характерная форма крахмальных зерен дает возможность легко различить их под микроскопом, что используется для обнаружения примеси одного продукта к другому (например, кукурузной или овсяной муки к пшеничной).

Углеводная часть крахмала состоит из полисахаридов двух типов, которые различаются по своим физическим и химическим свойствам, — амилозы и амилопектина. Так, от йода амилоза окрашивается в синий цвет, а амилопектин — в красно-фиолетовый. Они различаются и по растворимости: амилоза легко растворяется в теплой воде и дает растворы со сравнительно невысокой вязкостью, в то время как амилопектин растворяется в воде лишь при нагревании под давлением и дает очень вязкие растворы. В пшеничном и кукурузном крахмале содержится 25 % амилозы и 75 % амилопектина, в рисовом 17 и 83 % соответственно.

Слизи (гумми) содержащиеся в зерне представляют собой полисахариды, в большинстве случаев растворимые в воде. Сравнительно много слизей в зерне ржи – 2,5…4 % в пересчете на сухое вещество. Слизи ржи очень легко набухают в воде и образуют вязкие растворы. Слизи имеют большое значение при переработке ржаного зерна: оно размалывается труднее, чем пшеничное.

Гемицеллюлозы содержащиеся в зерне представляют собой нерастворимые в воде полисахариды, которые не усваиваются организмом человека. Они содержатся в отрубях, т.е. в оболочках зерна. В зерне ржи и пшеницы содержится 8…10 % гемицеллюлоз.

Целлюлоза, как и гемицеллюлоза, не усваивается организмом человека, содержится в оболочках зерна и в стенках клеток алейронового слоя.

Бóльшая часть сахара, содержащегося в непроросшем зерне, состоит из сахарозы. В зерне ячменя, ржи, пшеницы содержится в среднем 0,8…1,8 % сахаров (главным образом сахарозы), в горохе и фасоли — 4…7 %, в сое — 4…14 %.

Белки

Различные белки, в том числе белки разных видов зер­на, отличаются по аминокислотному составу. Белки являются гидрофильными веществами, т.е. их молекулы способны связывать значительное количество воды. Белки обладают способностью к набуханию и обра­зованию студней и гелей. Типичным белковым, сильно гидратированным гелем является пшеничная клейковина. В сырой клейковине содержится около 66 % воды.

Очень важным свойством белков является их способ­ность к денатурации, т. е. изменению первоначальных свойств под влиянием различных воздействий. Денатура­ция может происходить под влиянием кислот, щелочей, различных излучений (рентгеновских лучей, γ-излуче­ния) и тепла. В результате денатурации белок теряет свою первоначальную растворимость, гидрофильность, ферментативную активность и претерпевает ряд химиче­ских изменений. Процесс денатурации белков под влиянием тепла име­ет большое значение при хранении и переработке зерна. Так, потеря всхожести и ухудшение хлебопекарных качеств, происходящие в результате перегрева зерна при его неправильной сушке в зерносушилке, являются следстви­ем денатурации белков. Слабая денатурация наблюдается также при горячем кондиционировании зерна. Процесс глубокой денатурации белков происходит во время вы­печки хлебобулочных изделий. Степень денатурации зависит от температуры нагрева. Чем выше температура, тем быстрее и сильнее дена­турируется белок. При одной и той же температуре степень денатурации зависит от продолжительности воздействия тепла и от влажности белка. Чем меньше влаги содержит белок, тем он устойчивее к действию повышенных температур, и на­оборот – при большей влажности белок легче денатури­руется.

Все белки разделяются на две большие группы: про­стые (протеины) и сложные (протеиды).

Простые, в свою очередь, делятся на следующие под­группы:

- альбумины – белки, растворимые в воде;

- глобулины – белки, не растворимые в воде, но растворимые в солевых растворах, например в 10% -ном растворе хлористого натрия;

- проламины – белки, не растворимые в воде и соле­вых растворах, но растворяющиеся в водно-спиртовых растворах, содержащих примерно 70…90 % спирта;

- глютелины – белки, не растворимые ни в воде, ни в солевых, ни в спиртовых растворах и растворяющиеся лишь в щелочных растворах, например в 0,2%-ном раст­воре щелочи. Здесь нужно, однако, отметить, что эта клас­сификация простых белков, основанная на их раствори­мости, весьма условна.

Сложные белки также разделяют на несколько подгрупп:

- липопротеиды, представляющие собой соединение белка с каким-либо жироподобным веществом;

- гликопротеиды, состоящие из белка и какого-либо углевода;

- нуклеопротеиды, являющиеся соединением белка с нуклеиновыми кислотами. Нуклеиновые кислоты пред­ставляют собой высокомолекулярные вещества, состоящие из остатков фосфорной кислоты, сахара и азотистых оснований, например производных пурина, пиримидина и т. д. Большое количество нуклеопротеидов содержится в зародышах зерна. Нуклеопротеиды имеют очень большое значение, так как с ними связаны наследственные свойства организмов.

Белки пшеничного зер­на. По данным Т. Осборна, в пшеничном зерне содержит­ся 4,0 % проламина, 4,4 % глютелина, 0,6 % глобулина, 2,4 % альбумина и других во­дорастворимых веществ бел­ковой природы. Из представленных дан­ных видно, что в зерне пше­ницы больше всего пролами­на и глютелина, которые образуют главную массу пше­ничной клейковины. Проламин пшеницы носит название глиадина. Ами­нокислотный состав глиадина характеризуется следующей особенностью: он содержит мало таких неза­менимых аминокислот как триптофана и лизина. Вместе с тем в глиадине очень много глютаминовой кислоты (46,6 %) и пролина (17,0 %). Глютелин пшеницы носит название глютенина (от французского слова «gluten» – «клейковина»). Глютенин отличается по своему амино­кислотному составу от глиадина, но также содержит много глютаминовой кислоты – 43,1 %.

Семена бобовых превосходят злаки по содержанию белка, коли­чество которого доходит до 35 %, а у сои – до 50 %. Бобовые богаты незаменимыми аминокислотами, исключение составляют серосодер­жащие аминокислоты (метионин и цистин). Но белки плохо усва­иваются, поэтому требуется специальная обработка бобовых, в ре­зультате которой получают текстураты, изоляты, концентраты белка (особенно из семян сои), используемые для обогащения хлебобулоч­ных, мясных и кондитерских изделий.

Липиды

Содержание липидов в злаковых колеблется в среднем от 2 до 3 %, за исключением кукурузы (5 %) и овса (6,2 %). Именно поэтому овсяные мука и крупа легко прогоркают при хранении. Простые липиды находятся в заро­дыше и являются запасными веществами, которые используются при прорастании. Сложные липиды входят в состав мембран оболочек клеток и принимают участие в клеточных процессах. В целом липиды злаковых ненасыщенные, преобладают линолевая и олеиновая кис­лоты. С одной стороны, липиды служат источником ценных эссенциальных жирных кислот, а с другой – способны быстро окисляться. Именно с процессом окисления ненасыщенных жирных кислот связано прогоркание муки и крупы при хранении.

Витамины

В злаковых содержатся водо- и жирорастворимые витамины: каротиноиды (β-каротин), витамин Е (токоферол), витамины группы В (тиамин (В₁), рибофлавин (В₂), пантотеновая кислота (В₃), пиридоксин (В₆)), ниацин (РР) и др.

В зерне и продуктах его переработки витамина А нет, однако содержатся каротиноиды, из которых в организме человека и животных образуется витамин А. Почти все каротиноиды окрашены в желтый или желто-­оранжевый цвет. Содержание β-каротина составляет от 0,01 (пшеница) до 0,3 мг на 100 г.

Витамина D в зерне и продуктах его переработки также нет, а есть эргостерол и другие стеролы, из кото­рых при облучении ультрафиолетовым светом образуется витамин D.

Из жирорастворимых витаминов в зерне содержится лишь витамин Е (в пшенице от 0,9 мг на 100 г в зерне, но 15,8 мг на 100 г в пшеничном зародыше), или токоферол, существующий в виде четырех изомеров (α-, β-, γ- и δ-токоферолов).

Витамин B₁ содержится в большом количестве в алейроновом слое и заро­дыше рисового (0,34 мг на 100 г), пшеничного (0,37…0,46 мг на 100 г) и ржаного зерна (0,44 мг на 100 г). При очистке и полировке риса, а также при изготовлении пшеничной муки высше­го сорта зародыш и алейроновый слой зерна удаляются, поэтому полированный рис и пшеничная мука высшего и первого сортов практически не содержат витаминов, в том числе и витамина B₁.

Содержание витамина В₂ (рибофлавина) в различных видах зерна составляет от 0,1 до 0,2 мг на 100 г.

Витамин В₆ (пиридоксин) в зерне пшеницы содержится 0,5 мг на 100 г витамина.

Витамин РР (никотиновая кислота) в зерне содержится главным образом в алейроновом слое и (меньше) в эндосперме. Содержание никотиновой кислоты в пшеничном зерне составляет 5 мг на 100 г, в других видах зерна от 1,5 до 4,5 мг на 100 г.

К водорастворимым витаминам относится также витамин С (аскорбиновая кислота), но в непророс­шем зерне витамин С не содержится и образуется в нем только в процессе прорастания.

Минеральные вещества

Основными минеральными элементами зерна являются калий (240…420 мг на 100 г) и фосфор (290…400 мг на 100 г), сера (150 мг на 100 г), магний (120 мг на 100 г) и хлор (60 мг на 100 г). Кремний со­держится в зерне пленчатых культур – ячменя, овса и риса, причем только в плодовых оболочках (лузге).

Строение и состав зерновки злаковых культур рассмотрим на примере зерна пшеницы, так как оно типично для всех злаков. Зерно состоит из следующих анатомических частей: оболочки, алейронового слоя, эндосперма и зародыша.

Оболочки делятся на плодовую и семенную, каждая из кото­рых состоит из нескольких слоев кле­ток, причем один из слоев семенной оболочки содержит красящие вещества и определяет цвет зерна. Плодовая оболочка сравнительно легко удаляется, в то время как семен­ная прочно срастается с находя­щимся под ней алейро­новым слоем. Оболочки пре­дохраняют зерно от по­вреждений и состоят в основ­ном из клетчатки и мине­ральных веществ. В зерне пшеницы на долю пло­довых и семенных оболочек приходится 6…8 % его массы.

Алейроновый слой, называемый иногда оболочкой эндосперма, представляет собой один ряд очень круп­ных толстостенных клеток. Стенки кле­ток состоят из клетчатки, а их внутреннее пространство заполнено питатель­ными веществами, из которых половина приходится на белок, а дру­гая поло­вина включает в основном жир и жироподобные вещества, а также некоторое количество минераль­ных веществ, сахаров, водорастворимых витаминов и ферментов. Крахмала в этом слое нет. Алейроновый слой, масса которого со­ставляет 4…9 % массы зерна, играет важную роль при доставке питательных веществ разви­вающемуся молодому зерну.

Эндосперм, или мучнистое ядро, за­нимает всю внутреннюю часть зерна и составляет до 85 % его массы. Он состоит из крупных тонкостенных клеток, за­полненных зернами крахмала, которые окружены частицами белка. Весь крахмал зерна сосредоточен равномерно в эндоспер­ме. Белки распреде­лены в эндосперме неравномерно: наиболь­шее их количество содержится в его периферийных частях. Дру­гих составляющих (липиды, минеральные веще­ства, сахара и клетчатка) в эндосперме немного, наряду с белками они нахо­дятся в окраинных частях эндосперма. Эндосперм – самая ценная часть зерна, из которого получают высшие сорта муки. Чем больше эндосперма в зерне, тем больше выход муки (количество муки, полученное из 100 частей зерна). Эндосперм может быть стекловидным, подустекловидным и мучни­стым. Стекловидная пшеница отличается от мучнистой более высоким со­держанием белка и физическими свойствами – большей плотностью и твер­достью. При перера­ботке в муку такая пшеница дает больший выход муки высших сортов.

Зародыш отделен от эндосперма щитком. Несмотря на не­большие размеры (2…3% массы зерна), зародыш является наи­более важной составной частью зерна, так как в нем находятся первичные органы развития нового растения. Зародыш богат питательными веществами: белками, сахарами, жирами, витами­нами и ферментами (примерно половина всех витаминов зерна находится в зародыше). Несмотря на высокую пищевую цен­ность зародыша, при помоле стараются как можно лучше отде­лить его от муки, так как он бо­гат жиром, содержащим большое количество непредельных жирных кислот, склонных к прогорканию на воздухе. Мука, не освобожденная от зародыша, будет нестойкой при хранении и сравнительно быстро портиться.

Характеристика зерновой массы.В качестве объекта хранения и переработки рассматривают не просто зерно, а зерновую массу. Любая зерновая масса состоит из зерна основной культуры, примесей, микроорганизмов, вредителей и воздуха в межзерно­вом пространстве. Зерновую массу рассматривают как физичес­кое тело, обла­дающее определенными свойствами, которые играют важную роль при транспортировании, обработке и хранении зерна. Независимо от культуры все зерновые массы обладают сыпучестью, самосортированием, скважистостью, сорбционными, теплофизиче­скими и массообменными свойствами.

Сыпучесть – это способность зерновой массы перемещаться по какой-либо поверхно­сти, расположенной под углом к горизонту. Хорошая сыпучесть зерновых масс позволяет легко перемещать их при помощи норий, транспортеров и пневмотранспортеров, загружать в различные по размерам и форме хра­нилища, а также перемещать их, используя принцип самотека.

Самосортирование – способность зерновой массы терять однородность при переме­щении и в свободном падении. Всякое перемещение зерновой массы сопровождается ее самосортированием, т. е. неравномерным расслоением входящих в нее компонентов по отдельным участкам насыпи. Это создает предпосылки к возникновению в зерновой мас­се нежелательных явлений – самосогревания, слеживания, развития микроорганизмов и вредителей.

Скважистость. Промежутки между твердыми частицами в зерновой массе, заполнен­ные воздухом, получили название скважистости. Скважистость основных полевых культур колеблется в широких пределах – от 35 до 80%. Наличие скважин в зерновой массе влияет на многие физические и физиологические процессы, протекающие в ней. Так, воздух, перемещающийся по скважинам, способствует передаче тепла путем конвекции и перемещению влаги через зерновую массу в виде пара. Скважистость зерновой массы зависит от формы, упругости, размеров и состояния по­верхности зерен, от качества и характера примесей, от веса и влажности зерновой массы, а также формы и размеров хранилища.

Сорбционные свойства – это способность поглощать из окружающей среды пары различ­ных веществ или газы и выделять их. Сорбция зерновой массы объ­ясняется капиллярно-пористой, коллоидной структурой каждого зерна и скважистостью всей массы.

Теплофизические и массообменные свойства

Отдельные зерна и зерновая масса в целом обладают рядом теплофизических свойств, из которых для зерна как объекта хранения наибольшее значение имеет теплоемкость, те­плопроводность, термовлагопроводность.

Теплоемкость зерна показывает, какое количество тепла необходимо для повышения температуры 1 кг его на 1 °С и выражается величиной удельной теплоемкости С, Дж/(кг·К). Теплоемкость зависит от химического состава зерна и для сухого вещества является величиной постоянной. Теплоемкость зерна почти вдвое больше теплоемкости воздуха и значительно меньше теплоемкости воды. С ро­стом влажности зерна его теплоемкость возрастает, так как теплоемкость сухой части зерна составляет 1550 Дж/(кг·К), а теплоемкость воды – 4190 Дж/(кг·К).

Теплоемкость учитывают при сушке зерна, так как расход тепла зависит от его исходной влажности. Теплоемкость зерна играет отрицательную роль, когда необходимо повысить или понизить температуру зерна и положительную, – когда необходимо сохранить ее (на­пример, низкую температуру хранящегося зерна с наступлением теплого времени).

Теплопроводностью называется способность зерна переме­щать тепло внутри своей массы. Теплопроводность характеризует теплопроводящую способность зерна, т.е. количе­ством тепла, переходящего в единицу времени через единицу поверхности зерна и определяется ко­эффициентом теплопроводности λ, Вт/(м·К). В вакууме коэффициент теплопроводности равен 0, у воздуха – 0,03, у зерновой массы он находится в пределах 0,13…0,2 Вт/(м·К), что указывает на низкую теплопроводность (например, у меди – 300…390 Вт/(м·К)). Низкая теплопроводность зерновой массы обусловлена ее составом и нали­чием воздуха.

Термовлагопроводность – это перемещение влаги в зерновой массе, обусловленное гра­диентом температуры. В результате термовлагопроводности влага в зер­новой массе перемещается в направлении теплового потока – от слоев более нагретых к ме­нее нагретым.

Массообменные свойства. Практика показывает, что при хранении зерна в производственных условиях наблю­дается самопроизвольное изменение влажности зерна. При хранении его при влажной атмосфере происходит увлажнение, а в сухой – подсыхание. В результате взаимодей­ствия зерновой массы с окружающей средой влажность зерна непрерывно изменяется до установления равновесной. Максимальная равновесная влажность зерна злаков устанавливается при 100%-ной относительной влаж­ности воздуха и равна 33…36%. Это тот предел, до которого зерно может сорбировать пары воды из воздуха. Влажность выше максимальной равновесной возможна только при впи­тывании зерном капельно-жидкой влаги.