Пищевая ценность и функционально-технологические свойства пшеницы и продуктов ее переработки

Среди зерновых культур исключительно важное место в питании человека занимает пшеница. По химическому составу зерна она относится к группе крахмалистого растительного сырья, так как в нем количественно преобладает крахмал. Это предоставляет широкие возможности использования различных продуктов переработки пшеницы в пищевой промышленности.

Основные вещества, определяющие питательную ценность зерна пшеницы, - белки и углеводы. Белковые вещества, содержание которых составляет 9,97-14,62 % от массы зерна, необычайно многообразны и могут быть разделены на две группы - белки протоплазмы и запасные белки. К первым относятся структурные и энзиматические белки цитоплазмы и ядра. Они свойственны клеткам всех частей зерна, но «концентратом» их является зародыш. Запасные белки зерна пшеницы представлены в основном глиадином и глютенином. Они локализованы в эндосперме (наиболее высока их концентрация в клетках субалейронового слоя эндоспермы).

Белки пшеницы подразделяются также на водо- и солерастворимые, представленные соответственно альбуминами и глобулинами, на долю которых в зерне пшеницы приходится по 12-20 %. Подавляющая часть этих белков (75-90 %) представлена глиадином и глютенином, которые вместе образуют глютеновый комплекс.

Недостатком суммарного белка пшеничного зерна как питательного компонента является несбалансированность его по отдельным незаменимым аминокислотам, в частности, мало содержание лизина, метионина и триптофана.

Основные углеводы, входящие в состав зерна пшеницы, - крахмал, сахара, клетчатка, гемицеллюлозы, пентозаны. Содержание крахмала в зависимости от сортовых особенностей и условий выращивания может быть от 52 до 71 %. При среднем содержании Сахаров в пшенице 3-5 % количество глюкозы и фруктозы составляет 0,1-0,5 % массы зерна, мальтозы и рафинозы - 1-2 %. Кроме того, в пшенице довольно много пентозанов, полиуронидов и других полисахаридов. Пентозаны, выделенные из эндосперма пшеницы, содержат 36 % арабинозы, 57 % ксилозы, 4 % галактозы и 3 % глюкозы. В состав семенных оболочек и клеточных сте­нок пшеницы входит также клетчатка в количестве 2-3 %.

Жиры распределены в зерне пшеницы неравномерно: если в целом их содержание составляет в среднем 1,92 % липидов, то в эндосперме их - 1,18, отрубях - 5,21, зародыше - 8,76 %. Жирнокислотный состав различных частей зерна примерно одинаков: в них в наибольшем количестве представлены пальмитиновая, олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты, на долю которых приходится 70-85 % общего содержания жирных кислот.

Золы в зерне пшеницы сравнительно мало - от 1,3 до 3 %. Не менее 70-80 % общего количества зольных элементов приходится на долю фосфора и калия, 11-13 % - на долю магния. Кальция, серы, хлора, кремния и других минеральных веществ в зерне значительно меньше. Распределение минеральных веществ по анатомическим частям зерна пшеницы следующее: в оболочке - 7 %, алейроновом слое - 61, зародыше со щитком - 12, эндосперме - 20 %.

Среди компонентов, определяющих пищевую и кормовую ценность зерна пшеницы, большое значение имеют витамины. Среднее их содержание, в мг на 100 г, составляет: В1 - 0,5, В2 - 0,2, В6 - 0,5, РР - 6,0, пантотеновой кислоты - 1,25, Е - 0,91. Изучение распределения витаминов и минеральных веществ в зерне показало, что наиболее высока их концентрация в зародыше и частицах отрубей, включающих алейроновый слой. Около 90 % тиамина и 70 % рибофлавина от общего количества сосредоточено в щитке зародыша и алейроновом слое. Наибольшее количество никотиновой кислоты (до 82 %) - в алейроновом слое.

Основными продуктами переработки зерна пшеницы являются мука, клейковина, отруби и зародыши.

Высокие влагопоглощающая и влагоудерживающая способности пшеничных белков объясняются присутствием в их составе большого количества гидрофильных центров: высокополярных амидогрупп глютаминовой и аспарагиновой кислот, полярных групп аминокислот серина, треонина и тирозина и сульфгидрилъных групп цистита. Вместе с тем небольшое число неамидированньгх остатков глютаминовой и аспарагиновой кислот, а также остатки лизина и гистидина дают соответственно отрицательно и положительно заряженные группы, обладающие способностью притягивать диполи воды. Остатки же таких аминокислот, как глицин, лейцин, изолейцин, аланин, валин, фенилаланин и пролин, содержание которых составляет 40-50 % всех аминокислот пшеничного белка, придают его молекуле гидрофобные свойства, что предопределяет ее хорошие жиропоглощающую и жироудерживающую способности.

Отмечено, что с уменьшением размера частиц продуктов переработки пшеницы с большим содержанием белка - клейковины и зародышей - наблюдается улучшение их функционально-технологических характеристик, обусловленное увеличением в процессе измельчения зерна числа гидрофильных и гидрофобных центров белка. Как показали исследования, для клейковины оптимален размер частиц 20 мкм, для зародышей-21,91 мкм.

Большую роль в формировании функционально-технологических свойств пшеничных отрубей играют также структурные полисахариды, такие как целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин. Целлюлоза, будучи нерастворимой в воде, обладает большим количеством гидроксильных групп и развитой системой тончайших субмикроскопических капилляров, что определяет ее способность поглощать и удерживать значительное количество воды. Гемицеллюлозы относятся к категории гидрофильных коллоидов, гидратация которых обусловлена электростатическими силами. На поверхности коллоидных частиц целлюлозы и гемицеллюлоз за счет электрических зарядов, возникающих вследствие ионизации, образуются оболочки, состоящие из диполей воды, ориентированных в зависимости от знака заряда высокомолекулярных соединений своим положительным или отрицательным концом. В связи с этим снижение влагоудерживающей и влагопоглощающей способностей пшеничных отрубей при уменьшении размеров частиц объясняется прежде всего относительным сокращением содержания в них гемицеллюлоз. Перераспределение последних при измельчении до мелкого рыхлого состояния способствует их переходу в раствор при гидратации отрубей, что, в свою очередь, приводит к снижению гидрофильных свойств данного продукта.

Вместе с тем следует отметить, что жиропоглощающая и жироудерживающая способности пшеничных отрубей определяются, вероятно, в основном наличием лигнина. С уменьшением дисперсности частиц отрубей наблюдается снижение их гидрофобных характеристик, предопределенное относительным уменьшением содержания лигнина в отдельных частицах отрубей. Установлено, что наиболее высокими функционально-технологическими свойствами обладают пшеничные отруби со степенью измельчения 1390 мкм.

Микроструктурные исследования, проведенные с помощью электронного сканирующего микроскопа, показали, что структурные эле­менты пшеничной муки характеризуются ярко выраженной ассиметричностью, присущей компонентам растительного происхождения. На общем ее фоне, представленном в основном двумя видами крахмальных зерен (крупных, имеющих шаровидную форму, с гладкой поверхностью и фиксированных на них многочисленных мелких), в виде островков обнаруживаются белковые образования сложных конфигураций.

Частицы сухой клейковины имеют кристаллическую форму с ломаными зубчатыми краями, поверхность которых характеризуется наличием многочисленных микротрещин, пор и выступов.

Пшеничные отруби состоят из множества клеток овальной формы, покрытых толстыми, плотными оболочками, и находящихся внутри клеточных образований плотно упакованных крахмальных зерен глобулярной формы, между которыми неравномерно распределены субъединицы белков.

В пшеничных зародышах, наряду с отдельными клеточными образованиями, окруженными плотными тонкими оболочками и заполненными компактно прилегающими друг к другу крахмальными гранулами с расположенными между ними белковыми формированиями, обнаружено большое количество находящихся вне клеток частиц углеводов, что придает пористость структуре данного продукта.

Для повышения пищевой и биологической ценности пшеничной муки и клейковины, а также приближения их по структуре и реологическим свойствам к аналогичным показателям мясных фаршевых систем целесообразно модифицировать указанные продукты путем их гидратации. Например, гидратацию пшеничной клейковины можно осуществить при перемешивании одной ее части (со степенью измельчения (20 мкм) с тремя частями воды с последующим набуханием в условиях термостатирования. Гидратация сопровождается агрегацией субъединиц глютенина и компонентов глиадина при помощи водородных связей. В результате ионогенных и гидрофобных взаимодействий с образованием трехмерной фибриллярной сетчатой структуры, заполненной ассоциированными (главным образом, на основе глиадинов) молекулами растворимых белков и других компонентов клейковины, она приобретает такие реологические свойства, как упругость, вязкость, эластичность, прочность. Гидратация клейковины при температуре 40 °С в течение 50 мин обеспечивает наиболее высокий (82 %) показатель ее влагосвязывающей способности (ВВС) при незначительном увеличении упругости гелеобразной массы (1075 Па) - показателя напряжения стандартной пенетрации (НСП).

Повышение же температуры гидратации сверх 60 °С сопровождается снижением влагосвязывающей способности и повышением механической прочности клейковины, что, вероятно, обусловлено денатурационными изменениями белков.

Предварительная гидратация существенно повышает биологическую ценность пшеничной клейковины, что подтверждают полученные результаты по определению ее переваримости in vitro ферментами желудочно-кишечного тракта - пепсином и трипсином. Так, суммарная переваримость белка сухой пшеничной клейковины составляет 10,85, а гидратированной - 14,73 мг тирозина/1 г белка.

Все эти свойства гидратированных продуктов переработки пшеницы делают их весьма привлекательными для использования в мясной промышленности, а полученные результаты дают основание считать, что продукты переработки пшеницы могут быть использованы в технологии мясных изделий в качестве дополнительных источников белков, полисахаридов (в том числе структурных) и минеральных веществ.

Функциональные свойства муки могут быть значительно улучшены в результате предварительной тепловой обработки зернового сырья. Как и в исходном зерне, не подвергнутым тепловой обработке, зерна крахмала находятся в нативном, не разрушенном состоянии, что препятствует их взаимодействию с другими компонентами фаршевой системы и затрудняет образование стойких липопротеино-углеводных комплексов, способных удерживать влагу.

В настоящее время из существующих методов термообработки зерна, по мнению ряда исследователей, наиболее рентабельно ИК-облучение, которое обеспечивает более глубокие биохимические преобразования в зерне, повышающие его пищевую и энергетическую ценность и функционально-технологические свойства. Установлено, что данный способ значительно увеличивает содержание декстринов (продуктов расщепления крахмала) в зерне, способствует его обеззараживанию и разупрочнению. Немаловажно также, что оборудование для ИК-обработки дешевле и проще (чем, например, для экструдирования зерна), благодаря чему этот способ получил широкое распространение в США, Англии, Италии, Германии, Японии и других развитых странах, где он известен под названием «микронизация» зерна.

Термическая обработка зерна ИК-облучением при определенных режимах позволяет получить так называемые «вспученные» или «взорванные» зерна, по питательной ценности значительно превосходящие исходный продукт. Технология их выглядит следующим образом. При быстром нагреве зерна за счет ИК-облучения влага, находящаяся в нем, начинает перемещаться к центру. Поверхностные слои зерна благодаря высокой температуре спекаются, образуя плотную оболочку без пор и капилляров. Влага, переместившись в центр зерна, начинает преращаться в пар, давление которого по мере повышения температуры увеличивается. При достижении температуры 160..180 °С внутреннее давление пара настолько повышается, что происходит «взрыв» зерна, который приводит к выходу наружу паровоздушной смеси из центра, увеличению объема в 1,5-2,0 раза, растрескиванию, уменьшению плотности и прочности продукта.

При «взрыве» зерна резко меняются его биохимические показатели. Степень их изменения определяется режимом ИК-обработки.

Исследования химического состава и функциональных свойств рисовой муки, подвергнутой ИК-обработке и термопластической экструзии, показали целесообразность введения в рецептуру вареных колбасных изделий 6 % рисовой муки ИК обработки и 3 % рисовой муки термопластической экструзии. Замена в рецептуре говядины на модифицированную рисовую муку повышает упругость колбасных изделий, стабилизирует величину рН, увеличивает вла-госвязывающую способность и повышает вязкостные свойства мясных систем и цветовые характеристики (интенсивность и устойчивость окраски) вареных колбасных изделий, при этом остаточное содержание нитрита натрия соответствует контрольному образцу. На основании полученных результатов разработаны рецептуры и технологии вареных колбасных изделий с использованием модифицированной рисовой муки.

Перспективной считается и обработка зерна и муки способом сухой экструзии, при которой сырье проходит полную тепловую обработку в экструдере при температуре 120...150°С. Под воздействием высоких температуры и давления болезнетворные микроорганизмы (например, сальмонелла) полностью уничтожаются, а токсины бактерий и активность грибков либо также уничтожаются, либо подавляются до приемлемых уровней.

Экструзионная обработка повышает переваримость белков, делает аминокислоты более доступными усвоению вследствие разрушения в молекулах белка вторичных связей. Благодаря кратковременности тепловой обработки сами аминокислоты при этом не разрушаются. В то же время экструдеры успешно нейтрализуют факторы, отрицательно влияющие на пищевую ценность сырья, такие как ингибитор трипсина, уреазу и пр. В процессе экструзии крахмал желатинизируется, что повышает его усвояемость. При выходе из экструдера температура и давление резко снижаются, что приводит к увеличению объема конечного продукта.

Американскими учеными изучен процесс расширения частиц пшеничной муки в процессе экструзии. Примененный ими способ экструзии зернового крахмалосодержащего сырья предусматривает загрузку его в питатель экструдера, сжатие, гомогенизацию и вспучивание экструдата. Одновременно с сырьем в экструдер подают углекислый газ в твердой фазе в количестве 4-6 % к массе сырья. Экструдат, полученный таким способом, характеризуется большой степенью вспучивания, а сама технология меньшей энергоемкостью процесса в сравнении с другими способами. Использование полученной с применением экструзии муки обеспечивает улучшение качества мясных продуктов и увеличение их влагосвязывающей способности.