Строение и химический состав зерна, масличных культур, зернобобовых культур и семян

Качество зерна как объекта хранения и переработки зависит от его видовых и сортовых особенностей, а также от условий развития растения в поле.

Зерно и его потенциальные технологические свойства формируются в процессе развития под влиянием многочисленных факторов. Формирование технологических свойств зерна можно представить в виде схемы (рис. 1.1).

Сформировавшиеся свойства зерна оказывают определяющее влияние на многие процессы его послеуборочной обработки, хранения и переработки, но зачастую и сами изменяются в результате этих процессов. Поэтому знакомство с внешним (морфологией) и внутренним (анатомией) строением является началом глубокого познания процессов, происходящих в зерне. Морфология и анатомия плодов и семян составляют важную сторону технологической характеристики зерна.

Морфологическое и анатомическое строение зерна злаковых практически одинаково, за исключением некоторых особенностей. Ниже приводится морфологическое строение наиболее распространенной культуры - зерновки пшеницы (рис. 1.2).

Для описания морфологических особенностей зерна любой культуры приводят характеристику его формы, размеров, характера поверхности, окраски и других отличительных признаков.

Зерновка пшеницы имеет удлиненную, округло-овальную форму. В зерновке различают спинную и брюшную стороны. Ее выпуклая сторона называется спинкой, а противоположная, более плоская - брюшком. На брюшке имеется продольное углубление - бороздка. В нижней части спинной стороны зерновки находится зародыш. На противоположной верхней части зерновки имеется хохолок, состоящий из тонких волосков - выростов покровной ткани. Каждую из двух боковых сторон зерновки называют бочком.

У зерновки различают длину, ширину и толщину. Длина зерна (Д) - это расстояние между его основанием, или нижней частью, и верхушкой; ширина (Ш) - наибольшее расстояние между боковыми сторонами; толщина (Т) - расстояние между спинкой и брюшком зерновки. Соотношение между линейными размерами чаще всего соответствует условию Д< Ш< Т.

Форма зерновок других культур может быть шарообразной (просо, сорго), удлиненной (рожь, ячмень, овес, рис), округлой или гранистой (кукуруза). Поверхность зерновки бывает гладкая (пшеница), слабоморщинистая (рожь), опушенная (овес). Окраска - белая, желтая, серая, зеленая, коричневая, черная. У некоторых злаков есть бороздка - место спайки стенок завязи. Злаки, имеющие плоды, похожие на зерновку пшеницы, относятся к так называемым настоящим злакам (первая группа). Это пшеница, рожь, ячмень, овес. Вторая группа, или просовидные злаки: просо, рис, кукуруза, сорго. Данная группа не имеет ни бороздки, ни хохолка и прорастает одним корешком. Морфологическая характеристика зерна хлебных злаков, семян бобовых и масличных культур приведена ниже в табл. 1.1.

Зерновка злаковых имеет характерное для всех культур этого семейства анатомическое строение: зародыш, эндосперм и оболочки.

Плодовая оболочка (перикарпий) плотно прилегает к семенной оболочке, но не срастается с ней. У пленчатых культур (овес, просо, сорго, рис) зерновка сверху покрыта еще и цветочными чешуями. Плодовые и семенные оболочки защищают эндосперм и зародыш от вредных воздействий внешней среды. Эндосперм являётся запасником питательных веществ, а зародыш дает жизнь новому растению. Весовое соотношение отдельных анатомических частей зерна некоторых злаковых приведено в табл. 1.2.

Каждая часть зерновки имеет сложное строение (рис. 1.3, 1.4).

Плодовая оболочка (перикарпий) покрывает зерновку снаружи и состоит из трех слоев клеток: 1 - эпикарпия, образованного несколькими рядами удлиненных клеток, расположенных вдоль зерновки и называемого продольным слоем; 2 - мезокарпия (поперечного слоя), состоящего из толстостенных удлиненных клеток, расположенных поперек зерна; 3 - эндокарпия (трубчатого слоя), образованного удлиненными трубчатыми клетками, расположенными вдоль зерна.

Семенная оболочка (периспермий) состоит из прозрачного слоя, плотно срастающегося с пигментным слоем, который содержит красящие вещества. Ниже располагается бесструктурный блестящий слой, именуемый гиалиновым, или набухающим. Зародыш имеет прилегающий непосредственно к эндосперму своей всасывающей поверхностью щиток. В нижней части располагаются зародышевые корешки, выше - первичный стебель, который заканчивается почечкой, покрытой колпачком зачаточных листьев. Зародыш невелик и неодинаков у разных хлебов.

В эндосперме различают периферический слой, непосредственно прилегающий к оболочке семян и состоящий из резко очерченных, с сильно утолщенными стенками более или менее правильных клеток. Слой этот состоит у некоторых хлебов из одного ряда клеток (пшеница, рожь, овес), у других - из нескольких (ячмень). Он носит название алейронового слоя. Под алейроновым слоем располагаются крупные тонкостенные клетки разнообразной формы, занимающие всю внутреннею часть эндосперма. Клетки эти густо заполнены крахмальными зернами различной величины. У каждого хлебного злака они имеют свой характерный вид и форму.

Группа зернобобовых представлена довольно большим числом разнообразных культур. Зернобобовые включают: горох, фасоль, нут, чину, чечевицу, кормовые бобы, люпин, сою, арахис. Относятся они к классу двудольных растений, семейству бобовых.

При большом ботаническом различии все зерновые бобовые имеют много общих особенностей. В отличие от злаковых у них нет эндосперма. Запасные питательные вёщества содержатся в семядолях зародыша. Схематичное строение бобовых представлено на рис. 1.5, анатомическое - на рис. 1.6.

Масличные культуры (подсолнечник, клещевина, кунжут, горчица, рыжик, лен, мак, ране, и др.) в отличие от злаковых и бобовых состоят из представителей различных семейств. Поэтому затруднительно дать общую характеристику всей группы масличных. В табл. 1.1 приведены морфологические характеристики наиболее распространенных масличных культур.

Анатомические строение у масличных культур различно. Семена одних покрыты плодовой, других - семенной оболочкой. Под семенной оболочкой находится тонкий слой эндосперма, который покрывает зародыш. Зародыш состоит из двух семядолей. Между семядолями, в одном их конце находятся стебелек и корень. У семян подсолнечника (рис. 1.7) зародыш сильно развит и занимает основной объем семени; эндосперм состоит из одного ряда клеток. Строение ядра и плодовой оболочки подсолнечника показано на рис. 1.8 и 1.9.

Ценность и технологические достоинства плодов и семян определяются их химическим составом. Поэтому химический состав контролируют на всех этапах работы с зерном: при выведении новых сортов, разработке приемов агротехники, послеуборочной обработке, хранении и переработке. Химический состав колеблется в широких пределах и зависит от генетической особенности сорта, от внешних и внутренних факторов. Большое влияние оказывают почвенно-климатические условия, агротехника, количество осадков, выпадающих в период формирования плодов и семян.

Все вещества, входящие в состав зерна, делят на органические (углеводы, белки, липиды, пигменты, ферменты, витамины) и неорганические (вода, минеральные элементы). По химическому составу зерновки всех злаков относятся к группе крахмалистого растительного сырья, так как в них количественно преобладает крахмал, зернобобовые - к группе белковых, так как в них преобладают белки, масличные в основном содержат липиды. Химический состав различных злаков представлен в табл. 1. 3.

Наиболее биологически ценной составляющей частью плодов и семян является белок. Именно белковые фракции определяют их пищевую товарную ценность. Из злаковых белками наиболее богато зерно пшеницы, наименее - зерно риса. Полноценные белки содержат все незаменимые аминокислоты аргинин, валин (норвалин), гистидин, лейцин (изолейцин), лизин, метионин, триптофан, треонии, фенилаланин. Наибольшую биологическую ценность с учетом аминокислотного состава их белков представляет зерно риса, овса, гречихи. Неполноценными считаются белки проса и кукурузы. В состав зерна входят и небелковые азотистые вещества (аминокислоты, амины, алкалоиды). Их повышенное содержание свидетельствует или о незаконченных процессах дозревания, или о порче зерна.

Бобовые отличаются высоким содержанием белка - 25-29%. В отдельных культурах его содержится больше, так, в сое - до 50%, горохе и чечевице - до 35%.

В семенах масличных культур содержат белков меньше – 12 - 30%. По основным культурам содержание азотистых веществ таково: подсолнечник - 13-19%, рапс - до 30, клещевина - 20%.

По содержанию в зерне углеводы, представляющие основные энергетические ресурсы, стоят на первом месте.

В состав плодов и семян входят разнообразные углеводы: крахмал, сахар, клетчатка, гемицеллюлоза, слизи. Каждая группа имеет сложную классификацию, строение и играет большую роль, являясь источником энергии или строительным материалов клеток. Количество и соотношение различных групп углеводов влияют на технологические свойства зерна. Содержание углеводов в некоторых культура приведено в табл. 1.4.

В состав плодов и семян наряду с белками и углеводами входят липиды. Наибольшее их содержание в группе масличных культур: подсолнечник и клещевина - до 55%, рапс - 45, кунжут - 50-61%.

Из зернобобовых наиболее масличной считается соя - 13-27%, другие культуры содержат значительно меньше жиров; горох - 0,6-2,5%; фасоль - 0,7-3,7; чечевица - 0,6-2,1%. Из злаковых (см. табл. 1.3) наиболее богаты липидами зерно овса, кукурузы и проса, менее - рис.

Все плоды и семена содержат ферменты, которые выполняют функции регуляторов биохимических процессов, происходящих в период их формирования и послеуборочной обработки. Из большого числа ферментов наибольшую важность имеют протеазы, расщепляющие белковые вещества, амилазы, расщепляющие крахмал, и липазы, расщепляющие липиды. Функцию регуляторов биохимических процессов выполняет другая группа веществ - витамины. В рассматриваемых культурах присутствуют многие важные витамины: ретинол, токоферол, биотин, витамины группы B - тиамин, рибофлавин, пиридоксин. Кроме перечисленных химических веществ важную роль играют пигменты, окрашивающие плоды, семена и продукты, получаемые из зерна. К ним относятся: каротиноиды, хлорофилл, антоцианы, флавоны.

Все плоды и семена зерновых, бобовых и масличных культур богаты минеральными или золообразующими веществами. Зольность - один из важнейших показателей качества муки. Кроме оценки качества муки зольность учитывают при расчете выходов готовой продукции.

Химические вещества неравномерно распределяются по отдельным анатомическим частям зерна (табл. 1.5).

Белковые вещества эндосперма пшеницы представлены в основном глиадином и глютенином и значительно отличаются от белков других частей зерна, тем самым определяя ценные технологические свойства муки. Эндосперм состоит в основном из крахмала. Содержание клетчатки, пентозанов и зольных элементов незначительно. В зародыше много белков, сахаров, липидов, витаминов, а пентозанов и зольных веществ больше, чем в эндосперме. Оболочки состоят в основном из клетчатки и гемицеллюлоз - веществ, не усваиваемых человеком. Алейроновый слой богат белками и жиром.

При сортовых помолах стремятся получить муку, состоящую почти из одного эндосперма, поэтому алейроновый слой вместе с оболочками отделяют в отруби. Присутствие в муке зародыша нежелательно (хотя он и богат питательными веществами и витаминами), так как содержащиеся в нем липиды, легко прогоркая, Ускоряют порчу муки при хранении.

Химический состав зерна постоянно изменяется. Изменения проявляют себя с момента высева семян в поле, в период роста и развития растения, при созревании, уборке, хранении и переработке зерна на предприятиях (мукомольных, крупяных, крахмалопаточных и др.).

Состояние, качество и технологические особенности зерна определяются тремя факторами: генетическим, внешними условиями и совокупностью воздействий, оказываемых на зерно на всех этапах работы с ним. Интенсивная технология, применяемая в сельском хозяйстве, приближает к оптимальным условия развития и созревания зерна и в итоге улучшает его качество.