Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биохимическое и технологическое обоснование консервации зерна пшеницы производными карбамида

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Першакова, Татьяна Викторовна, Краснодар

Ш

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПЕРШАКОВА Татьяна Викторовна

БИОХИМИЧЕСКОЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСЕРВАЦИИ ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ ПРОИЗВОДНЫМИ КАРБАМИДА

03.00.04 -Биохимия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Кудинов П.И.

Краснодар 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. ... Л.......................................' 5

1 .ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................7

1.1. Особенности зерна пшеницы как объекта хранения и консервации..........................................7

1.2. Современные способы послеуборочной обработки зерна

пшеницы......................................................................................14

1.2.1. История хранения влажного зерна............................................14

1.2.2. Методы временного хранения (консервации) влажного зерна. 15 1.2.2.1 .Применение герметичного хранения для консервации зерна. 16

1.2.2.2.Использование регулируемых газовых сред (PFC) для консервации зерна..........................................17

1.2.2.3. Применение искусственного холода для консервации зерна. . 18

1.2.2.4. Лучевая стерилизация зерновой массы......................................19

1.2.2.5. Использование СВЧ-энергии для консервации зерна..............20

1.2.2.6. Консервация зерна при помощи ультразвука..........................21

1.2.2.7. Химическое консервирование...............................23

1.3. Теоретическое обоснование выбора консервантов класса производных карбамида для обработки влажного зерна пшеницы..........................................................................31

1.4. Патентные исследования............. .................................36

1.5 Цели и задачи исследования......................................................39

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................42

2.1. Объекты исследования, условия и схема проведения эксперимента..............................................................................42

2.2. Методы исследования.............. ......................................46

2.3. Математико-статистический анализ экспериментальных

данных.............................................. 51

3 . РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ......................... 54

3.1. Влияние дозы консервантов на качество зерна пшеницы при , хранении............................................ 54

3.2. Влияние доз консерванта на количество микроорганизмов хранящегося зерна.................................... 55

3.3. Влияние обработки зерна консервантами на активность окислительно-восстановительных ферментов............. 65

3.4. Влияние обработки зерна консервантами на изменение жизнеспособности зерна пшеницы при хранении............ 73

3.5. Влияние дозы консервантов при обработке зерна пшеницы

на биохимические свойства пшеничной муки............. 80

3.5.1 .Изменение основных показателей качества муки........... 81

3.5.2.Влияние исследуемых консервантов на угледно-амилазный комплекс муки...................................... 81

3.5.3. Изменение белково-протеиназного комплекса.............. 88

3.5.4.Влияние консервации зерна пшеницы исследуемыми консервантами на цветность муки и способность её к потемнению........................................... 90

3.6. Влияние обработки зерна исследуемыми консервантами на качество хлеба......................................... 91

3.7. Картофельная болезнь хлеба............................. 99

3.7.1 .Влияние обработка зерна пшеницы консервантами при

хранении на заболевание хлеба картофельной болезнью...... 104

3.7.2.Влияние консервантов на степень поражения хлеба картофельной болезнью................................ 105

3.7.3.Изменение кислотности хлеба, в процессе развития картофельной болезни.................................. 107

3.7.4.Изучение методом хромато-масс-спектрометрии изменения состава доли органических кислот в процессе развития картофельной болезни.................................108

3.7.5.Изучение методом газовой хроматографии изменений в хлебе,

в процессе развития картофельной болезни................ 113

3.7.6.Использование метода капиллярного электрофореза для изучения динамики изменения химического состава хлеба

в процессе развития картофельной болезни хлеба.......... 117

3.8. Определение остаточного количества консервантов в зерне и продуктах его переработки. ............................. 129

3.9. Влияние консервантов на биологическую ценность зерна и продуктов его переработки............................. 130

3.10. Определение токсичности зерна и продуктов его переработки .

3.11. Разработка технологии и технологической схемы консервации влажного зерна пшеницы производными карбамида......... 131

3.12. Расчёт экономической эффективности рекомендаций .... 134

ВЫВОДЫ............................................... 138

ЛИТЕРАТУРА................................. 142

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................... 160

ВВЕДЕНИЕ

Система хлебопродуктов ежегодно принимает на хранение большие массы влажного зерна от зернопроизводящих хозяйств различных форм собственности. Обеспечение его сохранности и повышение стойкости зерна при хранении с целью сокращения потерь и затрат на обработку - одна из важнейших народнохозяйственных задач.

Для решения этой задачи используются традиционные и современные способы послеуборочной обработки зерна, способствующие завершению зерном послеуборочного дозревания, а также способы консервирующие влажное зерно. К первым относят тепловую сушку, активное вентилирование атмосферным и подогретым воздухом, к вторым - герметическое хранение зерна, искусственное охлаждение, регулирование газовой межзерновой среды и химическое консервирование.

Решение задачи состоит в том, чтобы, используя достоинства существующих и новых способов сохранения и повышения стойкости поступающего на хранение зерна, получить в условиях конкретного хозяйства необходимый технологический эффект, сохранив и улучшив исходное качество зерна, при сокращении потерь и минимальных затратах на его обработку и хранение.

Тепловая сушка, активное вентилирование, искусственное охлаждение зерна и хранение его в регулируемых газовых средах, несмотря на высокую эффективность в настоящее время становятся всё более нецелесообразными из-за растущего увеличения стоимости энергетических ресурсов. В связи с этим актуальными становятся исследования в области химической консервации, и в первую очередь, исследования направленные на поиск новых, экологически безопасных консервантов, применение которых для обработки влажного зерна пшеницы, было бы экологически оправданным.

Однако, применяя для обработки продовольственного зерна химические консерванты, следует иметь в виду, что результат химической консервации влажного зерна пшеницы может быть, как положительным, так и отрицательным, неблагоприятно влияя на его жизнеспособность, а в дальнейшем на хлебопекарные свойства муки и качество хлеба, а также устойчивость хлеба к картофельной и другим болезням хлеба.

В связи с изложенным мы считали актуальным биохимическое и технологическое исследование влияния обработки зерна консервантами нового типа -производными гуанидина- на количественный и качественный состав микрофлоры зерна при хранении, качественное состояние зерна, сохранение зерном его жизнеспособности, а также влияния обработки зерна консервантами на технологические показатели качества муки и хлеба и, в частности, на характер развития болезней готового хлеба, в первую очередь, картофельной.

Свою задачу мы видим в биохимическом обосновании технологии временного хранения влажного зерна пшеницы, основанной на использовании для обработки зерна новых типов экологически безопасных консервантов, разработке методов определения остаточного количества консерванта в зерне и продуктах его переработки и разработку технологических рекомендаций по применению рекомендуемых консервантов для обработки зерна.

Актуальность темы исследования подтверждена включением её в Республиканскую научно-техническую программу " Продовольствие России" ( номер госрегистрации 01890086835).

1.0Б30Р ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И ЗАРУБЕЖНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Особенности зерна пшеницы как объекта хранения и

консервации

Пшеница - основной продукт питания большинства населения планеты. Она занимает первое место в мире среди зерновых культур по калорийности, технологичности, вкусовым свойствам. Основное производство пшеницы сосредоточено в Европе ( Испания, Италия, Франция), Северной Америке, Азии. В России большая часть зерна пшеницы производится в районах Поволжья, Северного Кавказа, Западной Сибири, Урала, Кубани [7,68,78,79].

Зерно пшеницы - важнейшее сырье пищевой промышленности, оно также широко используется в качестве корма в животноводстве и птицеводстве. Калорийность пшеницы одна из самых высоких среди зерновых культур - 3610 калорий в 1 кг [ 78,119,161].

Род пшеницы (Triticum) насчитывает несколько видов, из которых наибольшее распространение получили два - мягкие пшеницы (Triticum vulgare) и твёрдые (Triticum durum). Эти виды значительно различаются по ботаническим признакам и по технологическим свойствам зерна.

У мягкой пшеницы зёрна округлой формы с хорошо заметной бородкой, цвет зерна белый или с красным оттенком. Этот вид пшеницы наиболее распространен в мировом земледелии. Зерно твердой пшеницы узкое, ребристое, плотное. Консистенция эндосперма стекловидная, реже полустекловидная. Клейковина, полученная из муки твердых пшениц, упругая, сильная. Твердые пшеницы сеют, как правило, яровыми в районах с сухим климатом [68,78,79].

Важнейшими показателями, характеризующими качество зерна, являются его органолептические показатели - внешний вид, цвет, запах. Зерно пшеницы может приобретать запахи вследствие адсорбции им посторонних веществ при развитии на растении и особенно при его и хранении: полынный, чесночный,

дымный, амбарный, затхлый, плесенный, солодовый, медовый и т.д. Свежее, нормального состояния, зерно не имеет запаха и характеризуется слабо выраженным, слегка сладковатым мучным вкусом [7,24,65].

Плотность и крупность зерна, его заполненность питательными веществами характеризуется натурой - массой 1 л. зерна, выраженной в граммах. Зерно с более высокой натурой содержит больше эндосперма и даёт более высокий выход муки. Средняя натура зерна пшеницы 750 [59, 65,79].

Стекловидность зерна характеризует белковый или крахмалистый характер его эндосперма. Стекловидные зерна плотные, слабо просвечивающие. Мучнистые зёрна непрозрачны, имеют в срезе белый цвет. Стекловидные зерна содержат больше белка, а мучнистые соответственно больше крахмала. Стекловидность - важный признак качества зерна пшеницы, характеризующий его мукомольные и хлебопекарные свойства. Зерно с высокой стекловидностью лучше вымалывается и даёт более сильную муку [59,60,79].

Зерно состоит из следующих анатомических частей: оболочки, алейронового слоя, эндосперма и зародыша. Средний химический состав зерна пшеницы приведён в табл. 1. [67,79].

По сравнению с другими злаковыми растениями, в зерне пшеницы самое большое количество белков - до 12 % от массы зерновки, углеводов - 66,6 %, и меньше всего жиров 1.6 % [6,7,58,59,110].

Основными химическими соединениями зерна пшеницы, являются углеводы, которые представлены крахмалом, сахарами и декстриноподобными веществами, пентозанами, целлюлозой и гемицеллюлозами. Преобладающим среди углеводов является, крахмал. Физико-химические свойства крахмала отражаются на хлебопекарных свойствах муки произведенной из зерна пшеницы. В зерне пшеницы крахмал содержится в эндосперме, составляющем до 80 % его массы. При нагревании с водой, крахмал пшеницы образует вязкий коллоидный раствор - клейстер. При охлаждении клейстер превращается в

плотный студень, обладающий упругостью. Под действием ферментов амилаз, крахмал расщепляется до мальтозы и декстринов [11,19,152,181,219]. Таблица 1. Средний химический состав зерна пшеницы, % от массы

сухого вещества

Части зерна Соот- Белки Крахмал Сахара Целлю- Пенто- Липиды Зола

пшеницы ношение лоза заны

частей

Зерно в целом 100,0 16,06 63,1 4,32 2,76 8,1 2,24 2,18

Эндосперм 81,60 12,91 78,82 3,54 0,15 2,72 0,68 0,45

Зародыш 3,24 41,30 - 25,12 2,46 9,74 15,04 6,32

Алероновый слой и

оболочки 15,48 28,75 4,18 16,2 36,65 7,78 10,51

Целлюлоза - второй по значению полисахарид зерна пшеницы, входящий в состав клеточных стенок. Она нерастворима в воде и органических растворителях, устойчива ко многим химическим воздействиям и разрушается только при кипячении с крепкой серной кислотой. При прорастании зерна в нем синтезируются ферменты, расщепляющие целлюлозу. Аналогичные ферменты встречаются во многих плесневых грибах и бактериях [11,19,79 ].

Кроме того в зерне содержатся гемицеллюлозы - полисахариды, не растворимый в щелочах; и слизи - полисахариды, растворимые в воде и образующие при этом ,густые, вязкие растворы [5,54 ].

Белок - важнейший компонент зерна. Белки зерна пшеницы включают в себя семь незаменимых аминокислот из десяти, обладают высокой пищевой ценностью. Проламины и глютенины пшеницы не растворимы в воде, но могут впитывать её, образуя гидратированный студень - клейковину, качество которой в значительной степени определяет хлебопекарные свойства муки. Клейковин-ный каркас обуславливает ценные физические свойства пшеничного теста, его формоудерживающую и газоудерживающую способность. Белки клейковины

содержатся, в наибольшем количестве в эндосперме зерна пшеницы, причем в периферийных слоях эндосперма их больше, чем в центре [5,9,61].

Важной составляющей зерна пшеницы являются лйпиды, представленные триацилглицеролами, фосфолипидами, восками и другими. Содержание липи-дов в пшенице - 1.6 %, самое низкое, по сравнению с другими злаками (в зерне гречихи -2.3%, проса - 3.8 %, овса - 4.7 %, риса - 2.0 %) [5,26,115].

В процессе помола зерна и получения муки содержание липидов снижается, так как из муки удаляются части зерновки, содержащие наибольшее их количество. Гидролиз триацилглицеролов при прорастании и самосогревании зерна, а также при его хранении приводит к повышению кислотного числа. Образующиеся при этом, жирные кислоты, в том числе и непредельные, оказывают сильное влияние на свойства пшеничной клейковины [5, 26,48 ].

Зерновка пшеницы богата водо- и жирорастворимыми витаминами и пигментами. В процессе помола зерна их количество в муке снижается, так как основная часть этих веществ содержится в алейроновом слое и зародыше, которые удаляются в процессе получения муки [79, 161,167].

Активность ферментов в зерне пшеницы - карбоксилаз, протеиназ, поли-пептидаз, липазы, липоксигеназы, тирозиназы, каталазы, и ряда других, существенно сказывается на хлебопекарных свойствах муки и, как следствие, на качестве хлеба [4,8,19,49].

В состав зерна входят минеральные элементы, часть которых находится в виде их солей в клетках, часть - в составе молекул ряда органических соединений. Общее количество минеральных веществ, остающихся после полного сгорания зерна в виде золы, составляет, в среднем, для пшеницы -1.68%, главная доля золы приходится на окислы фосфора. Минеральный состав зерна и продуктов его переработки имеет значение с точки зрения питательности хлеба и кормов [8,172,178].

Влажность поступающей на хранение и переработку зерновой массы -один из важнейших показателей качества зерна. Содержание влаги в зерне колеблется от 8 до 35 %. Вода, обладающая пластичностью и богатством форм физико-химического взаимодействия с веществами клетки, приобретает первостепенное значение для всех жизненных процессов зерна. Существенна роль воды в зерне при хранении и технологической переработке. При размоле зерна в муку широко применяется предварительная обработка его водой - кондиционирование зерна по влажности. Наибольшее количество воды, при этом, поглощает нижняя и средняя часть зерна с зародышем [33,34,70,72].

В соответствии со стандартами зерно пшеницы делится на продовольствен-: ное, семенное и техническое. Посторонние примеси в зерновой массе подразделяют на сорные и зерновые. К сорной примеси относятся минеральный и органический сор, а также ядовитые семена куколя, горчака, плевела, головни и спорыньи.

Микрофлора зерна пшеницы представлена бактериями, в основном не спо-рообразующими рода Pseudomonas herbicola, плесневыми грибами, в основном родов Alternaria и Cladosporium herbarum, и в большей степени, чем в других зерновых культурах, дрожжевыми организмами [79,108,109,135] (табл. 2).

Влажность зерна, относительная влажность воздуха, температура окружающей среды, а также продолжительность хранения зерна, значительно влияют на видовой и количественный состав микрофлоры [103,114,117].

В процессе хранения зерна его первоначальная микрофлора вытесняется плесенями хранения родов Penicililium u Aspergillus [78,108,163].

Хранение в неблагоприятных условиях приводит к самосогреванию влажного зерна. Развивающиеся при этом плесневые грибы являются продуцентами ферментов, вызывающих, в первую очередь, гидролиз запасных веществ зерновки, а также приводящих к накоплению микотоксинов, изменяя биологические и технологические свойства зерна пшеницы. Плесени хранения, при раз-

витии на зерне и других пищевых продуктах, способны вырабатывать более 200 видов токсинов [79,108,150,173]. Таблица 2. Микрофлора свежеубранного зерна пшеницы

(на 1 килограмм, тысячах штук клеток)

Вид микроорганизма Количество, тысяч