Главная страница / Строение зерна ячменя и его химический состав
Спелое зерно ячменя представляет собой зерновку, в которой срослись обе внешние оболочки, и состоит из трех основных частей: зародыша (эмбриона), эндосперма (мучнистого тела) и оболочки (цветковой, плодовой, семенной).
Химический состав ячменя представлен двумя группами: органическими и неорганическими соединениями. Органические соединения в составе ячменя наиболее многочисленны и важны. По значимости в технологии солода и пива органические вещества ячменя располагаются в следующем порядке: углеводы, азотистые соединения, полифенолы. Эти соединения имеют высокомолекулярное строение, то есть являются природными полимерами. Неорганические вещества в составе ячменя - это более десятка элементов, находящихся в структурной взаимосвязи с органическими соединениями.
Углеводы - это и источник образования этилового спирта, и необходимые для метаболизма дрожжей органические вещества. Углеводы зерна ячменя представлены высокомолекулярными и низкомолекулярными соединениями. К ним относятся: крахмал, целлюлоза, гемицеллюлоза, гумми, пектиновые вещества , продукты расщепления различных полисахаридов (водорастворимый сахар).
В зерне ячменя содержание крахмала колеблется от 55 до 66%, в пшеничном от 53% до 70%. Большая часть крахмала образуется путем фотосинтеза непосредственно в колосе. Крахмал накапливается в виде зерен различной величины - от 0,002 до 0,150 мм, Они имеют овальную или сферическую форму и состоят из концентрических слоев, представляющих собой радиально расположенные мицеллы (кристаллические элементы).
Крахмал в чистом виде - это белый порошок. Относительная плотность крахмала высокая: у безводного крахмала она составляет 1,63; у воздушно-сухого (10-20% влаги) - 1,5—1,6. Поэтому при отмачивании крахмала раздробленных злаков или картофеля в воде он значительно раньше, чем другие составные части материала, осаждается на дно.
Наиболее характерной является реакция крахмала с йодом, при которой он приобретает синее окрашивание. Это типичный гидрофильный коллоид. В химическом отношении крахмал представляет собой высокомолекулярный полисахарид, который построен из структурных элементов одного типа - молекул D-глюкозы (С6Н10О5), связанных а-1,4- и а-1,6-гликозидными связями.
Крахмал неоднороден. Около 98% всего количества вещества приходится на химически чистый крахмал, отвечающий общей формуле С6Н10О5 , остальное - на связанные с ним белки, жиры, клетчатку и минеральные вещества, такие как фосфаты и кремниевая кислота. В крахмале ячменя содержатся два структурно различных углевода - амилоза (20%) и амилопектин (80%), которые можно выделить в чистом виде.
Молекулы амилозы представляют собой длинную неразветвленную цепь остатков глюкозы, соединенной а-1,4-гликозидными связями. Они образуются между первым альдегидным углеродом (которому свойственна редуцирующая способность) одного остатка глюкозы и гидроксилом четвертого атома углерода следующего глюкозного остатка. Молекулярная масса амилозы 3 х 105 - 1 х 1006 D. В цепи амилозы содержится до 3800 остатков глюкозы. Пространственная конфигурация амилозы имеет спиральную форму, каждый виток спирали состоит из шести глюкозных остатков. Именно амилоза обуславливает синее окрашивание крахмала с йодом. Она легко агрегатируется в растворе, в результате чего выпадает в осадок. Ее растворимость в воде лучше, чем амилопектина. Амилоза образует в воде менее вязкие структуры, поскольку представляет собой плотную пространственную укладку полиглюкозидных цепей и, таким образом, образует компактную систему.
Молекула амилопектина по структуре существенно отличается от молекулы амилозы. Амилопектин имеет разветвленное строение. Остатки D-глюкозы в линейных участках амилопектина связаны, как и в амилозе, а-1,4-глюкозидными связями, а в точках разветвления - а-1,6-глюкозидными связями, то есть присоединение боковых цепей происходит через шестой углеродный атом глюкозного остатка основной цепи. Со стороны боковой цепи в образовании связи участвует альдегидная группа первого углеродного атома глюкозного остатка. Точки разветвления встречаются примерно через каждые 25 глюкозных остатков. Молекулярная масса амилопектина 1,5 х 106 D. Каждая ветвь состоит из 15-18 остатков глюкозы. Реакция амилопектина с йодом приводит к появлению красно-бурого окрашивания крахмального раствора. При смешивании крахмала с водой амилопектин обуславливает образование крахмального геля.
Крахмал в эндосперме, как правило, связан с белковыми и минеральными веществами, а также с высшими жирными кислотами. Содержание минеральных веществ в крахмале составляет 0,2 - 0,7%, это в основном остатки фосфорной кислоты. Жирные кислоты представлены пальмитиновой, стеариновой и другими кислотами в количестве 0,6%.
Крахмал нерастворим в холодной воде, этиловом спирте и эфире. Степень его набухания зависит от температуры. При постепенном нагревании с водой крахмал теряет свою естественную структуру и превращается в вязкий коллоидный раствор - крахмальный клейстер. Вязкость клейстера увеличивается за счет сильного набухания амилопектина, который при этом не растворяется, в то время как амилоза растворяется. Клейстеризованная масса крахмала представляет собой пространственную сетку, образованную из разветвленных цепочек набухшего амилопектина, ячейки которого наполнены раствором амилозы. Температура, при которой крахмальный клейстер приобретает наибольшую вязкость, называется температурой клейстеризации; для ячменя она составляет 60-80 °С. На температуру клейстеризации крахмала влияет состав среды: присутствие нейтральных солей и щелочей снижает температуру клейстеризации, наличие сахара — повышает.
Под действием кислот и амилолитических ферментов крахмал гидролизуется. При гидролизе крахмала образуются сахара различной молекулярной массы, в связи с чем этот процесс называется - осахаривание крахмала. При кипячении с кислотами крахмал превращается в глюкозу и декстрины. Амилазами крахмал расщепляется до глюкозы, мальтозы, декстринов, а глюкоамилазой - до глюкозы. Крахмал и декстрины не сбраживаются дрожжами.
Целлюлоза - это основное вещество, образующее стенки клеток. Основное количество целлюлозы находится в цветковой оболочке, следы целлюлозы имеются в зерновом зародыше, в плодовой и семенной оболочке. В эндосперме зерна ячменя целлюлозы практически нет. Подобно геммицеллюлозе, целлюлоза образуется из молекул глюкозы, соединенных друг с другом связями ß-1,4, т.е. молекула целлюлозы представляет собой длинную неразветвленную цепь, элементами которой являются глюкозные остатки, соединенные ß-1,4-гликозидными связями, то есть это линейный полимер ß-D-глюкопиранозы. Она, как и крахмал - гомополисахарид. Повторяющимся структурным звеном в молекуле целлюлозы является целлобиоза - дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы: a- и ß-глюкозы.
Целлобиоза не имеет вкуса и запаха, трудно поддается воздействию всех реагентов, нерастворима в воде, достаточно стойка против воздействия ферментов. Целлобиоза не участвует в обмене веществ зерна и остается в цветковой оболочке, где укрепляется лигнином.
При солодоращении целлюлоза не изменяется и при фильтрации играет в цветковой оболочке роль фильтрующего слоя. Аналитически целлюлоза определяется как клетчатка (3,5-7% сухого вещества зерна ячменя).
Цепь целлюлозы состоит приблизительно из 1000 остатков глюкозы. Гидроксильные группы в ней создаются так, что создаются максимально благоприятные условия для взаимодействия цепей с помощью водородных связей. Как известно, эти связи слабы, но в силу линейности цепей их создается очень много и они настолько регулярны, что сообщают целлюлозе свойства кристалличности, придавая ей упругость. Поэтому целлюлоза не растворяется в воде, а только набухает. При кипячении с минеральными кислотами целлюлоза гидролизуется до глюкозы.
Гемицеллюлоза и гумми в большой степени участвуют в построении клеток эндосперма и определяют их прочность. Гемицеллюлоза содержится также в оболочке зерна. В противоположность целлюлозе, которая не обнаруживается в эндосперме, гемицеллюлоза может растворяться в разбавленных щелочах, но в воде она нерастворима. Гумми не отличаются от гемицеллюлозы по строению, но растворимы в горячей воде и имеют другую молекулярную массу.
На гемицеллюлозы и гумми приходится до 10% сухого вещества зерна ячменя. Их количество колеблется в зависимости от степени спелости ячменя и зависит от климатических условий во время роста. При гидролизе в кислой среде гемицеллюлозы дают не только глюкозу, как целлюлоза, но также пентозы (ксилозу и арабинозу) и уроновые кислоты. В зависимости от местонахождения (в эндосперме или в цветковой оболочке) обнаруживается два различных типа гемицеллюлозы: 1) "цветковая", состоящая из небольшого количества ß-глюкана и уроновых кислот и значительного количества пентозанов, и 2) "эндоспермная", содержащая много ß-глюкана, мало пентозанов и не содержащая уроновых кислот.
ß-глюкан имеет молекулярную массу около 200 000 и состоит из остатков глюкозы, которые соединены между собой связями типа ß-1,4 (70%) и ß-1,3 (30%).
Итак, гемицеллюлоза состоит из различных полисахаридов, общей особенностью которых является растворимость в щелочах. В состав гемицеллюлозы входят как гексозаны, при гидролизе которых образуются глюкоза, галактоза, манноза, фруктоза, так и пентозаны, при гидролизе которых образуются ксилоза, арабиноза. В гемицеллюлозе молекулы гексоз и пентоз соединены >между собой (ß-1,3- и ß-1,4-связями. Поэтому гексозные цепи гемицеллюлоз представляют собой повторяющиеся звенья ламинарибиозы (ß-1,3-связь) или целлобиозы (ß-1,4-связь). В пентозных цепях арабиноксилана присутствует также ß-1,2-связь. В арабиноксиланах основная цепь состоит из остатков ксилозы, а боковые ответвления — из остатков арабинозы. В линейной цепи пентозанов ксилоза соединена ß-1,4-связями, а боковые ответвления идут через ß-1,2- или ß-1,3-связи в виде арабинозных звеньев.
Гемицеллюлозы, находящиеся в эндосперме и оболочках зерна, различаются составом. В связи с этим в зерне злаков присутствуют два типа гемицеллюлоз: мякинный и эндосперменный. Гемицеллюлоза первого типа находится в оболочке зерна и содержит до 70% ксилана, 15-20% арабана, 3-5% уронового альдегида и только 6% глюкана. Гемицеллюлоза оболочек ячменя отличается низкой удельной вязкостью, она относительно устойчива к действию ферментов и при проращивании зерна не играет важной биологической роли. При переработке такая гемицеллюлоза не растворяется и, таким образом, не участвует в технологических процессах производства солода и пива. Гемицеллюлоза второго типа входит в состав клеточных стенок эндосперма. Она содержит 77% глюкана, 17% ксилана и 6% арабана. Гемицеллюлоза эндосперма характеризуется высокой удельной вязкостью. Она экстрагируется разбавленной щелочью и переводится в растворимое состояние под действием ферментов.
Близки по составу и строению к гемицеллюлозе гумми-вещества. Гумми-вещества путем осаждения сульфатом аммония были фракционированы на глюкозаны (ß- глюкан), пентозаны (ксилан, арабан, арабиноксилан), арабоглюкозан, галактан и маннан. В гумми-веществах, выделенных из эндосперма ячменя, ß-глюкан составляет 80-85%.
Таким образом, гемицеллюлоза и гумми-вещества зерен хлебных злаков представляют собой сложные смеси некрахмалистых полисахаридов, основными компонентами которых являются левовращающий ß-глюкан и ПЕНТОЗАНЫ (арабиноксиланы).
Ячменный ß-глюкан сконцентрирован в основном в эндосперме, в стенках клеток; он нерастворим в воде, ß-глюкан ячменя представляет собой ß-глюкозид неразветвленного линейного строения, в котором молекулы глюкозы соединены ß-1,3-и ß-1,4-связями в соотношении 30 и 70%.
Основная часть арабиноксилана ячменя (ПЕНТОЗАНОВ) находится в оболочках зерна и около 25% -в клеточных стенках эндосперма. Большая часть пентозанов - как оболочек, так и эндосперма - нерастворима в воде.
Более сложное строение имеют арабиноксиланы оболочек зерна и зерновой шелухи, в состав боковых цепей которых могут входить ксилоза в пиранозной форме, а также метиловые эфиры глюкуроновой кислоты, присоединенные к главной цепи ксилана ß-1,3- и ß-1,2-связями. Таким образом, различия в структуре арабиноксиланов обусловлены природой сахарного остатка в боковых цепях этих полисахаридов, а также распределением и длиной боковых цепей.
Нерастворимые в воде фракции ß-глюкана и арабиноксилана, входящие в состав гемицеллюлозы эндосперма, имеют большую молекулярную массу, чем эти же соединения, входящие в состав гумми-веществ. Разница в растворимости гумми-веществ и гемицеллюлозы обусловлена степенью разветвления молекул арабиноксилана, а также его связью с белком ячменя. При проращивании зерен ячменя эти вещества гидролизуются специальными ферментами — цитазами. В горячей воде гумми-вещества дают вязкие желирующие растворы. Эти вещества играют очень важную роль в пивоварении: в случае их плохого расщепления в процессе проращивания ячменя при затирании зернопродуктов резко повышается вязкость сусла и затрудняется его фильтрование. Количество гумми-веществ в зерне составляет 1,5-3,0%
К группе пектиновых веществ относятся водорастворимые полисахариды, состоящие в основном из метоксилированных полигалактуроновых кислот.
Пектиновые вещества в ячмене содержатся в форме нерастворимого протопектина, который входит в состав клеточных стенок в качестве цементирующего материала. Основная цепь пектина состоит из соединенных между собой остатков галактуроновой кислоты, часть карбоксильных групп которых связана с метильными группами. В состав боковых цепей входят арабиноза, галактоза, и при полном гидролизе пектина образуются а-галактуроновая кислота, метиловый спирт и различные моносахариды.
Количество пектиновых веществ в зерне ячменя в зависимости от сорта культуры и условий ее произрастания колеблется от 1,2 до 3,5%; содержание растворимой формы пектина составляет от 0,6 до 0,7% на сухое вещество ячменя. Содержание пектиновых веществ в процессе проращивания уменьшается на 75%.
Пектиновые вещества ячменя способствуют пенообразованию пива, осаждают тяжелые металлы, но в то же время входят в состав коллоидной мути пива, снижают его стойкость. При разрушении пектиновых веществ под воздействием ферментов солода и ферментных препаратов при приготовлении пивного сусла вязкоcть последнего уменьшается, улучшается процесс осахаривания крахмала.
Зерно ячменя содержит в своем составе растворимые в эфире жиры (липиды) в количестве около 2% от сухого вещества. Две трети липидов ячменя находятся в алейроновом слое и одна треть - в зародыше. При солодоращении часть липидов расходуется при обмене веществ на дыхание, но большая их часть переходит в дробину. При правильной очистке зерна в сусло попадает лишь незначительная часть липидов. Присутствие липидов в сусле нежелательно, так как они отрицательно влияют на пенообразование, стабильность и вкус пива.
Собственно жиры являются эфирами глицерина и жирных кислот и называются также глицеридами.
В составе ячменя только незначительная часть липидов (менее 0,1%) присутствует в виде свободных жирных кислот, из которых 52% приходится на долю линоленовой, 28% - на долю олеиновой и 11% - на долю пальмитиновой кислоты, а большая часть представлена глицеридами, эфирами глицерина и высших жирных кислот. Глицерин может образовывать с жирными кислотами моно-, ди- и триглицериды, которые составляют соответственно 0,5, 3 и 95% общего содержания липидов. Во время прорастания ячменя происходит гидролитическое расщепление глицеридов на названные компоненты.
К липидам ячменя относятся а- и (3-фосфолипиды, такие как кефалин и лецитин соответственно. В этих соединениях глицерин этерифицирован двумя жирными кислотами и фосфорной кислотой, которые связаны также с аминоспиртами — холином и коламином. Лецитин и кефалин выполняют в зерне важную физиологическую функцию, составляя основу клеточных мембран.
Фосфолипиды относятся к бифильным веществам, их молекулы состоят из двух частей с различными физико-химическими свойствами. Одна часть - головка молекулы, в состав которой входят глицерин, остаток фосфорной кислоты и аминоспирт, — является гидрофильной. Другая часть молекулы (ее хвост) гидрофобная и состоит из алифатических цепей жирных кислот.
Полярные липиды способны распространяться по поверхности водных растворов с образованием мономолекулярных слоев. Гидрофобные цепи жирных кислот расположены над линией раздела воздушной и водной фаз, в последней находятся гидрофильные части молекул. Такого рода ориентация фосфолипидов в мицеллах приводит к образованию двуслойных структур толщиной около 7 нм.
К липидам ячменя относят также фитостерины и эфиры фосфолипидов, соединенных с сахарами и крахмалом. А такой липид, как лизолецитин, существует в качестве включения в амилозу после созревания зерна ячменя.
Другим компонентом ячменного жира является воск. Он представляет собой сложный эфир жирных кислот и высокомолекулярных одноатомных спиртов.
Около половины фосфатов присутствует в ячмене в виде фитина, который относят также к липидам. Фитин состоит из циклического сахара инозита и остатков фосфорных кислот. На долю фитина (липоинозитгексафосфата) приходится около 0,9% сухого вещества ячменя. В ячменном зерне фитин содержится в виде солей кальция и магния. Как фосфатный остаток, так и ионы магния имеют большое значение для прорастания зерна. В процессе прорастания зерна в результате гидролиза фитина образуется основная часть кислотных составляющих, а именно первичные фосфаты, благодаря которым при солодоращении, а затем в сусле и пиве поддерживается определенный уровень рН.
В ячмене жиры содержатся как в свободном, так и в связанном состоянии с белками и углеводами.
В пивоварении повышенное содержание жиров в зерне ячменя неблагоприятно влияет на качество пива.
Дрожжевые клетки нуждаются в липидах - для поддержания нормальной жизнедеятельности. Особенно велика роль стеринов и ненасыщенных жирных кислот: они участвуют в структурной организации клетки, необходимы для роста и развития микроорганизмов, а также обладают защитным действием. В клетках дрожжей увеличение содержания жирных кислот с низкой молекулярной массой (капроновой и каприловой) приводит к выходу их в среду, что негативно сказывается на вкусе пива и его пеностойкости. Жирные кислоты с увеличенной углеродной цепью усиливают разрушающее действие на пену.*
Высшие жирные кислоты с короткой цепью отрицательно влияют на жизнедеятельность дрожжей. Их токсичность объясняется сорбцией на мембранах, в результате чего нарушается обмен веществ между клеткой и средой.
Среди пеноингибиторов пива наиболее значимы липиды и липидосодержащие вещества. Однако ингибирующая способность липидов зависит не только от их количества, но также и от качественного состава и физического состояния в среде.
При изучении влияния отдельных фракций липидов на пеностойкость пива было обнаружено, что только диглицериды обладают заметной пеноингибирующей способностью. Смесь фосфолипидов и триглицеридов (наиболее и наименее полярные липиды) отрицательно действует на пену. Вместе с тем их фракции, добавленные в пиво раздельно, были «неэффективны». Для других возможных смесей только моно- и триглицериды, а также фосфолипиды и моноглицериды ухудшали пеностойкость, но в гораздо меньшей степени. Наиболее отрицательное воздействие на пену оказывают ненасыщенные кислоты: линолевая, пальмитоолеиновая, олеиновая и линоленовая. Некоторые из этих кислот присутствуют в пиве в концентрациях, недостаточных для разрушения пены, однако не исключена вероятность, что в суммарном количестве они могут значительно дестабилизировать пену. Поскольку жирные кислоты практически нерастворимы в воде, то они присутствуют в пиве в виде соединений с белком и другими веществами. Это в значительной мере нейтрализует вредное влияние жирных кислот на пену.
Витамины играют решающее значение для поддержания жизненных процессов при проращивании ячменя, роста дрожжей и брожения, участвуют в построении некоторых ферментов. Из фосфатидов веществом роста дрожжей является продукт гидролиза миоинозит, прежде называемый мезоинозитом.
Ячмень богат витаминами, которые локализуются в живых тканях зародыша и алейронового слоя. Повышению содержания витамина С способствует избыток калийных и меньшее, чем обычно, количество азотных удобрений. В 100 г. сухого вещества ячменя содержится 8-15 мг никотиновой кислоты, 0,12-0,74 мг витамина В1, 0,3-0,4 мг витамина В6 (пиродиксина) и 0,1-0,37 мг витамина В2 (рибофлавина). За время проращивания содержание последнего увеличивается в 1,5 раза.
Наряду с этим в ячмене имеются еще витамин Н (биотин), пантеотеновая, фолиевая и а-аминобензойная кислоты.
Витамины - естественная составная часть растений. Важнейшей функцией витаминов является их вхождение в состав биохимических систем клеток, а именно коферментов. Таким образом, водорастворимые витамины, входя в состав коферментов, участвуют в жизненно важных биохимических процессах растений и животных. Однако, большая их часть разрушается в ходе технологического процесса, поэтому остаточное содержание витаминов в пиве невелико.
Например, по данным Салетана, в 1 л пива содержится примерно следующее количество витаминов (мкг):
Тиамин 20-600
В2 (Рибофлавин) 300-10000
Пантотеновая кислота 400-8000
В6 (Пиридоксин) 400-9000
Литература 1. Строение зерна. Химический состав зерна
Литература 2. Сухая очистка и шелушение зерна.
