Белки злаковых и бобовых культур и их использование в пищевой промышленности. 2

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

БЕЛКИ ЗЛАКОВЫХ И БОБОВЫХ КУЛЬТУР И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

г. Владивосток

2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Зерно является основным продуктом сельского хозяйства. Из зерна вырабатывают важные продукты питания: муку, крупу, хлебные и макаронные изделия. Однако все они имеют в качестве основного сырья зерно различных зерновых культур: пшеницы, ржи, кукурузы, проса гречихи, овса, риса, ячменя. Для производства крупы используется и горох (зернобобовые).

По химическому составу зерновых культур выделим две основные группы – богатые крахмалом (хлебные злаки) и белком (бобовые культуры). Первая культура является основным сырьем для получения хлеба, крупы и других хлебопродуктов, представители второй (горох) используются для получения крупы. Зерновые культуры служат сырьем для получения крахмала, патоки, спирта и других продуктов.

Всемерное увеличение производства зерна – главная задача сельского хозяйства. Наряду с увеличением производства зерна особое внимание обращается на улучшение качества зерна. Для успешного решения этих задач необходимо улучшать использование агротехники, шире внедрять высокоурожайные сорта и гибриды, так же большое значение придается эффективному использованию удобрений.

Важным аспектом является то, что бобовые и злаковые культуры являются основными источниками растительного белка, пищевых волокон, витаминов, минеральных элементов. Жиры зернобобовых и бобовых относятся к биологически ценным, так как в их состав входят эссенциальные жирные кислоты (линолевая, линоленовая), витамин Е, а также фосфолипиды, в том числе лецитин. Характерным для всех зерновых является низкое содержание лизина. Поэтому они являются незаменимыми компонентами в пищевой промышленности [1]. 
1 БЕЛКИ ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Среднее содержание белков в злаках составляет от 7 до 17 %. Причем наиболее белковистой является пшеница, наименьшее количество белка – в рисе и кукурузе (7...9 %).

Белки неравномерно распределяются между морфологическими частями зерна. Основное их количество приходится на эндосперм (65...75 %); на зародыш до 22 %, на алейроновый слой до 15,5 %.

В эндосперме белки распределены также неравномерно, концентрация их снижается по мере продвижения к центру. Центральная часть эндосперма содержит мало белка (7...9 %). Распределение белка по частям зерновки зависит от вида культуры, ее сорта и почвенно-климатических условий выращивания. Биологическая ценность белков злаков различна. В таблице 1 приводится процентное содержание белковых фракций в зерновых культурах.

Анализируя аминокислотный состав суммарных белков различных злаковых культур с точки зрения состава эталонного белка для питания людей, следует отметить, что все они, за исключением гречихи и овса, бедны лизином (2,2...3,3 %), а за исключением риса, гречихи и сорго – изолейцином. Для белков пшеницы, сорго, ячменя и ржи характерно относительно небольшое количество метионина (1,6...1,7 мг. на 100 г. белка). Белки пшеницы к тому же содержат недостаточное количество треонина (2,6 %), а белки кукурузы – триптофана (0,6 %). Наиболее сбалансированными по аминокислотному составу являются овес и гречиха [1].

Таблица 1 – Содержание белковых фракций в зерне злаковых

Для альбуминов отличительной особенностью является высокое содержание лизина (3,9...8,2 %), треонина (2,4...7,7 %), метионина (1,7...3,3 %), изолейцина (3,1...6,0 %) и триптофана (6,7...16,9 %). Наиболее высоким содержанием лизина отличаются альбумины овса, риса и проса (6,5...8,2 %), более низким альбумины пшеницы, ячменя и ржи (3,9...4,5 %). Высокое количество треонина (4,7...7,7 %) характерно для альбуминов ячменя, ржи, овса; низкое (2,4 %) для альбуминов пшеницы.

Глобулиновая фракция злаковых культур беднее, чем альбуминовая по содержанию лизина (2,8...6,0 %), триптофана (0,5...1,3 %) и метионина (1,1...2,7 %). Обе фракции отличаются высоким содержанием глютаминовой и аспарагиновой кислот, но низким пролина.

Характерной особенностью проламинов является высокое содержание остатков глутаминовой кислоты (13,7...43,3 %), пролина (6,3...19,3 %) и малое количество ионогенных групп, так как дикарбоновые кислоты почти полностью амидированы. Проламины отличаются низким содержанием лизина. Очень мало его в зеине кукурузы (0,2 %), глиадине пшеницы и секалине ржи (0,6...0,7 %). Высокий процент лизина (3,3 %) наблюдается в авенине овса. Небольшое количество лизина в проламинах и относительно большое содержание данной фракции в суммарном белке отражается на общей несбалансированности зерна большинства злаковых культур. Проламины бедны к тому же треонином, триптофаном, аргинином и гистидином. Зеин кукурузы, оризин риса и кафирин сорго отличаются высоким уровнем лейцина (16,9...18,6 %). По содержанию цистина и метионина среди отдельных злаков также наблюдаются различия. Так, глиадин пшеницы в среднем содержит 1,2 % метионина и 1,9 % цистина, а авенин овса 3,7 и 4,2 %, соответственно [2].

Глютелины по аминокислотному составу занимают промежуточное положение между проламинами и глобулинами. Содержание лизина, аргинина, гистидина в них больше, чем в проламинах. Так, содержание лизина в глютенине пшеницы составляет 2,6 %, ржи 2,3 %, ячменя 4,0 %, а овса 5,0 %. По содержанию лизина и цистина между сортами зерна наблюдаются некоторые различия. Глютелины ячменя, риса и овса отличаются от глютенина пшеницы более высоким уровнем лизина. Если учесть, что у риса 80 % всего белка приходится на глютелины (оризенин), то понятно, почему обеспечивается удовлетворительное содержание лизина (2,6...4,0 %) в общем белке рисового зерна. Преобладающими фракциями овса являются глобулины и глютелины, содержащие 5,0...5,5 % лизина, что также обеспечивает хорошую сбалансированность данной культуры по лизину [3].

1.1 Белковые вещества пшеничного зерна

Пшеница (Triticum) – самая важная продовольственная культура. В мировом производстве зерна и в России пшеница занимает первое место. Такое значение пшеницы обусловлено ее высокой урожайностью, большим содержанием эндосперма (80...84 % от массы зерна), что дает возможность при его переработке получать высокий выход сортовой муки. В пшенице на долю глиадина и глютенина приходится более 80 % общего содержания белка. Эти белки набухая поглощают 200...300 % воды по отношению к своему сухому весу и образуют связную эластичную массу – клейковину [2].

Содержание белка в пшенице колеблется в широких пределах от 9,2 до 25,8 % (в среднем 13,5 %). При вегетационных опытах удается получать зерно пшеницы с еще большим содержанием белка. Зерно твердой пшеницы содержит белков больше, чем зерно мягкой. В стекловидных зернах мягкой пшеницы белковых веществ не всегда больше, чем в мучнистых.

В пределах эндосперма белок распределен неравномерно. Если его периферические слои имеют высокую концентрацию белков, то центральная часть наиболее бедна белками по сравнению со всеми остальными частями зерна. Так, субалейроновый слой твердой краснозерной пшеницы содержит 45 % белка, а внутренний – 11 % [1].

В партиях зерна озимой пшеницы по мере уменьшения размеров зерна относительное содержание в нем белка возрастает. Наибольшее количество белка содержит неполноценное зерно. Следует учитывать многообразные формы проявления физиолого-биохимической разнокачественности зерна. Необходимо различать мелкое, но нормально развитое и щуплое зерно.

Мелкое, нормально развитое зерно по своему составу и качеству ближе к здоровому, крупному, чем щуплое зерно. Изменения содержания белка и других признаков зерна, в зависимости от размеров зерна, могут быть выражены в разной степени и не имеют строгой закономерности вследствие большой биологической изменчивости зерна при созревании на материнском растении под влиянием многочисленных факторов.

В пределах сорта фракционный состав белков изменяется в зависимости от крупности зерна, с уменьшением размеров семян увеличивается содержание водорастворимых и солерастворимых белков и снижается содержание спирторастворимых белков.

Рисунок 1. Строение зерна пшеницы (продольный разрез) и (поперечный разрез):

1...3 – плодовые и семенные  оболочки зерна;

4 – алейроновый слой; 5 – эндосперм; 6 – зародыш с  зачатками корешка (7) и листа (8);

9 – щиток; 10 – бородка.

Плодовые оболочки, образовавшиеся из стенок завязи, состоят из нескольких слоев клеток: наружный слой – эпидермис, эпикарпий, мезокарпий и эндокарпий. В целом масса плодовых оболочек составляет 4...6 % от веса зерна.

Под плодовыми лежат семенные оболочки, которые состоят из двух слоев клеток: верхний пигментный слой, внутренний слой гиалиновый. Семенные оболочки относительно легки, масса их составляет 2...2,5 % от всего зерна.

В состав плодовых и семенных оболочек входят 3,5...4,5 % минеральных веществ (золы), 43...45 % гемицеллюлоз и пентозанов, 18...22 % клетчатки, 4,5...4,8 % азотистых веществ, немного сахара и жира [2].

Внутренняя часть зерна – эндосперм, подразделяется на наружный, или алейроновый слой и собственно эндосперм – мучнистое ядро.

Алейроновый слой по химическому составу и строению клеток отличается как от оболочек, так и от собственно эндосперма. При помоле пшеницы он отделяется от мучнистого ядра преимущественно с оболочками в виде отрубей. Клетки алейронового слоя по мере приближения к зародышу уменьшаются и затем исчезают, так что зародыш покрыт только оболочками.

Мучнистое ядро (эндосперм) занимает всю внутреннюю часть зерна. Оно состоит из крупных объемных клеток, заполненных крахмалом и частицами белков.

Стенки клеток эндосперма, особенно во внутренних его слоях, очень тонки, почти неразличимы даже под микроскопом.

Зерна пшеницы бывают полностью стекловидными в том случае, когда все клетки эндосперма заполнены без воздушных пор и прослоек. Если клетки эндосперма рыхлые и содержат мельчайшие поры, зерно будет непрозрачным мучнистым [2].

Химический состав эндосперма отличается от состава всех других частей зерна. Эндосперм содержит весь крахмал зерна, количество которого составляет 78...82 % от массы эндосперма, около 2 % сахарозы, 0,1...0,3 % редуцирующих сахаров, 13...15 % белков, преимущественно глиадина и глютенина, образующих клейковину. Характерным является малое содержание в эндосперме золы (0,3...0,5 %), жира (0,5...0,8 %), пентозанов (1...1,5 %), клетчатки (0,07...0,12 %). Продукты, полученные из эндосперма, содержат наименьшее количество зольных элементов (Ca, P, Fe и др.) и витаминов [2].

Разные слои эндосперма неодинаковы по содержанию белка. Распределение белка по слоям эндосперма составляют ряд от центра к периферии (7,4...16 %). Эндосперм составляет от 80 до 84 % массы зерна.

Зародыш пшеницы, находящийся на остром конце зерна, представляет собой ту часть зерна, из которой развивается новое растение. Снаружи зародыш покрыт плодовыми и семенными оболочками. Зародыш содержит: 33...39 % белка, в том числе нуклеопротеиды, альбумины, глобулины и проламины; свыше 25 % сахаров, главным образом сахарозы; 12...15 % жира; 2,2...2,6 % клетчатки и около 5 % минеральных веществ.

Таблица 2 – Содержание веществ в анатомических частях зерна пшеницы [2].

Для оценки пищевого достоинства зерна пшеницы большое значение имеет аминокислотный состав белков. В наибольшем количестве содержится глютаминовая кислота (в среднем 21,9 %), в наименьшем – триптофан (0,8 %), цистин (1,1 %), метионин (1,4 %) и тирозин (1,8 %). Аминокислоты в зерне пшеницы распределены неравномерно. Зародыш наиболее богат незаменимыми аминокислотами и прежде всего лизином. В зародыше его содержится в два с лишним раза больше, чем в эндосперме (соответственно в среднем 5,6 и 2,1 %).

Белки в разных частях эндосперма различаются соотношением содержания отдельных аминокислот. Многие из них в периферийных частях эндосперма содержатся в большем количестве, чем в центральных. Опытами установлено, что к ним относятся (в среднем в % к массе белков):

• аргинин 2,9...4,5;
• цистин 1,5...1,9;
• лизин 1,9...2,6;
• метионин 1,1...1,4;
• триптофан 0,9...1,1;
• валин 3,6...4,0.

Центральная часть эндосперма богаче, чем периферийные его слои (%):

• изолейцином 6,6...7,0;
• лейцином 8,0...9,1;
• фенилаланином 3,4...3,9.

Триптофан в большом количестве сосредоточен в алейроновом слое. Белки субалейронового слоя содержат много глютаминовой кислоты и пролина, мало лизина. Белки алейронового слоя содержат большое количество лизина и аргинина. Белки алейронового слоя имеют более высокую питательную ценность, чем остальная часть эндосперма. Содержимое алейронового слоя, образованного толстостенными клетками, усваивается человеком плохо.

Белки пшеницы содержат все незаменимые аминокислоты. Это видно из таблицы 3.

Таблица 3 – Содержание аминокислот в белке зерна пшеницы

Продолжение (окончание) таблицы 3

Различия в содержании аминокислот между высокобелковым и низкобелковым зерном пшеницы доказаны для лизина, количество которого выше у низкобелковой пшеницы, и для глютаминовой кислоты, пролина и фенилаланина, находящихся в низкрбелковой пшенице в меньших количествах. Важнейшие белки зерна пшеницы – проламины и глютелины. На их долю приходится около 74 % от всей массы белковых веществ. Наибольшее технологическое (хлебопекарное) значение имеют проламин (глиадин) и глютелин (глютенин). Именно они составляют клейковину. На альбумины приходится 20...22 % и глобулины 5...6 % [2].

Различно содержание белка и его аминокислотного состава в зерне разной окраски. Отмечено, что темные и желтые зерна красной озимой пшеницы отличаются по тому и по другому признаку В темных зернах содержание белка колеблется от 13,50 до 16,63 % (в среднем 14,54 %), в желтых от 10,81 до 14,17 % (в среднем 12,14 %). Наибольшие различия в аминокислотном составе обнаружены по шести аминокислотам. Содержание пяти из них в желтых зернах выше по сравнению с темными зернами (г/100 г белка):

• лизина 2,69...3,0;
• аспарагиновой кислоты 4,98...5,18;
• аланина 3,24 ...3,44;
• метионина 2,27...2,91;
• фенилаланина 4,19...4,28.

Глютаминовая кислота в большем количестве содержится в темных зернах (31,34...33,43 г/100 г белка).

Учитывая множественность факторов, влияющих на зерно в период роста и созревания, различия в химическом составе в зависимости от окраски, в том числе по белку и его аминокислотному составу, можно ожидать только в пределах партий зерна, выращенного в одинаковых условиях.

Зерно пшеницы включает белки, углеводы, жиры, минеральные вещества, а также пигменты, витамины, ферменты и др. Различные анатомические части зерна существенно отличаются по своему химическому составу [2].

В таблице 4 приведено содержание пищевых веществ (калорийности, белков, жиров, углеводов, витаминов и минералов) на 100 г съедобной части.

Таблица 4 – Химический состав зерна пшеницы

Продолжение (окончание) таблицы 4

1.2 Белки ржи

Рожь – важная сельскохозяйственная и продовольственная культура; она почти полностью используется для изготовления ржаной муки (сеяной, обдирной, обойной) для целей хлебопечения. Лишь очень незначительная часть урожая ржи идет для получения солода и на винокурение.

Содержание белка в зерне ржи колеблется от 9 до 20 %. В зависимости от места выращивания разница в содержании белка у одного и того же сорта может достигать 30 % и более. Повышение процента белка в зерне ржи наблюдается с северо-запада на юго-восток и с севера на юг. По содержанию белка зерно ржи несколько уступает зерну пшеницы.

Белки зерна ржи несколько отличаются по аминокислотному составу от белков зерна пшеницы. Аминокислотный состав суммарных белков озимой ржи колеблется в значительных пределах в зависимости от сортовых особенностей и от условий выращивания. Предшественники не оказывают существенного влияния на аминокислотный состав зерна. Колебания в содержании отдельных аминокислот в большинстве случаев находятся в пределах ошибок определения.

Белки зерна ржи в связи с более высоким содержанием незаменимых аминокислот – лизина, треонина и фенилаланина – более ценные в пищевом отношении, чем белки зерна пшеницы. Различий в аминокислотном составе зерна озимой и яровой ржи нет. Аминокислотный состав отдельных частей зерна ржи неодинаков. Белки алейронового слоя и зародыша значительно отличаются по составу от белков эндосперма. Они содержат больше лизина, гистидина, тирозина, серина. Их биологическая ценность значительно выше, чем белков эндосперма. Различия аминокислотного состава белков зерна диплоидной и тетраплоидной ржи незначительны [3].

Зерно ржи отличается от пшеницы также по цвету; чаще всего зерно ржи имеет серо-зеленую окраску (в связи с наличием в зернах ржи пигмента хлорофилла), реже – желтую, коричневатую. Эндосперм ржи чаще мучнистый, но может быть полустекловидным и стекловидным. На практике, стекловидность ржи обычно не определяется.

Рожь богаче сахарами (глюкозой, фруктозой и сахарозой), чем другие хлебные злаки. Содержание непосредственно редуцирующих сахаров составляет в ней около 0,3 %, а сахарозы – 4...5 % и иногда до 6 %.

Таблица 5 – Аминокислотный состав белковых веществ озимой ржи, % сухого вещества

Продолжение (окончание) таблицы 5

Зерно ржи по внешнему виду и строению сходно с зерном пшеницы; оно имеет овальную вытянутую форму, на брюшке проходит бороздка, глубоко проникающая внутрь зерна, на одном конце зерна (со стороны спинки) расположен зародыш, на противоположном конце находится опущение (бородка), заметное простым глазом. Внутреннее строение зерна ржи изображенно на рисунке 2.

Рисунок 2. Внутреннее строение зерна ржи: II, III, IV – зародыш зерна;

1,4 – плодовая оболочка, 5 и 6 – семенная оболочка; 7 – алейроновый слой; 8 – эндосперм.

Характерной особенностью углеводного комплекса ржи является наличие значительного количества растворимых полисахаридов (левулезанов и др.). В силу этого общее содержание водорастворимых веществ во ржи более чем вдвое превосходит содержание их в пшенице (в пшенице – 5...7 %, во ржи – 12...15 %) [2].

Содержание минеральных веществ, клетчатки, жира во ржи почти такое же, как в пшенице.

В целом химический состав ржи можно представлен в таблице 6.

Таблица 6 – Химический состав ржи

Продолжение (окончание) таблицы 5