Количественное определение пентозанов как метод оценки качества ржи

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

УДК 663.43/.44

Количественное определение пентозанов как метод оценки качества ржи

М. В. Гернет,

д-р техн. наук; К. В. Кобелев, канд. техн. наук; И. Н. Грибкова,

канд. техн. наук

ВНИИ пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности

Ключевые слова:

гемицеллюлозы; гумми-вещества; оценка качества; пентозаны; рожь; Keywords:

hemicellulose; gum substances; quality assessment; pentosans; rye grain.

Реферат

В статье рассмотрены физико-химические параметры ржи, в частности содержание пентозанов, а также рассмотрены методики определения пентозанов в зерновом сырье, приведена сравнительная характеристика двух методов определения пентозанов.

Abstracts

The article is considered a physical and chemical parameters of a rye grain, in particular the contents pentosans, and also definition method of pentosans quantity in grain raw material, the comparative characteristic of two methods of definition pentosans is provided.

В последнее время отмечается тенденция увеличения производства и потребления напитков из натурального сырья, в том числе зернового. К основному зерновому сырью, выращиваемому в Европе, в частности и в России, относится пшеница, ячмень, рожь, кукуруза и т. д. Считается, что рожь до сих пор остается в числе важнейших зерновых культур мира [1].

В настоящее время рожь — преимущественно европейская зерновая культура. Основные ее посевы располагаются в странах, входящих в Европейский союз, в России, Беларуси, Украине (табл. 1).

На протяжении многих лет наибольший объем ржи производился в Центральном, Волго-Вятском, Приволжском и Уральском регионах [1]. В результате сокращения посевов ржи по многим, в том числе экономическим причинам, в настоящее время только в девяти субъектах РФ производится рожь (табл. 2).

На 2012 г. в Госреестр селекционных достижений РФ включено 63 сорта озимой ржи, из которых 59 выведено в России, а четыре — за рубежом [1].

Химический состав ржи отличается от других зерновых культур (кроме ячменя) в основном содержанием пентозанов (табл. 3) [2].

Состав и содержание некрахмальных полисахаридов отдельных злаков различны, что необходимо учитывать при их переработке.

Некрахмальные полисахариды зерновых культур — целлюлоза, ге-мицеллюлоза, гумми- и пектиновые вещества. Неустойчивость трактов-

ки понятия «гемицеллюлозы» связано со сложностью их строения, что, в свою очередь, приводит к трудности фракционирования отдельных компонентов [3].

Наиболее важное значение принадлежит гемицеллюлозам, составляющим почти половину всех компонентов клеточных стенок оболочек зерна злаков.

Основное различие гемицеллю-лоз и гумми-веществ заключается в том, что истинные гемицеллюло-зы растворимы только в щелочах, а гумми-вещества растворяются также в теплой воде, образуя вязкие растворы.

По мнению И. М. Грачевой, истинные гемицеллюлозы наиболее правильно разделить на две составляющие (р-глюкан и пентозаны), а гумми-вещества отнести либо к продуктам незавершенного синтеза гемицеллюлоз, либо к продуктам их частичного гидролиза. В целом гумми-вещества можно рассматривать как «декстрины» соответствующих гемицеллюлоз [3].

Структура гемицеллюлоз изменчива, они могут содержать 1,2-; 1,3-; 1,4- и 1,6-связи.

Рассмотрим основные составляющие гемицеллюлоз.

Р-Глюканы — высокомолекулярные полимеры, при полном гидролизе которых образуется глюкоза. По структуре они могут быть линейными и разветвленными. Например, Р-глюканы ячменя представлены в основном линейными полисахаридами, где остатки глюкозы на 70% соединены р-1,4-связями и на 30% Р-1,3-связями. Примеры развет-

ПИВО и НАПИТКИ

2^ 2013

вленного р-глюкана — ламинарин и пахиман.

Во ржи соотношение р-глюкана и арабиноксилана (также присутствующего во ржи и относящегося к некрахмальным полисахаридам) составляет 20:80 [2].

Пентозаны имеют ветвистое строение, они состоят из остатков ксилоз, арабиноз и небольшого количества остатков галактуроновой кислоты. Основной тип связи — Р-1,4-, а в местах ветвления — р-1,3-связь [3].

Гумми-вещества состоят из глюкозы, галактозы, иногда маннозы, ксилозы, арабинозы, рамнозы и остатков уроновых кислот.

Общее количество пентозанов ржи составляет 4,8-9,0 %, они растворимы в воде и в слабых растворах спиртов. Как показали исследования, 20% пентозанов растворимы в воде и составляют группу гумми-веществ [4].

Содержание гумми-веществ в зерне ржи достигает 3,4-4,5%, однако,

Таблица 1

Страна Производство озимой ржи, тыс. т.

2001 г. 2003 г. 2005 г. 2007 г. 2009 г. 2011 г.

Россия 6632 4152 3628 3909 4333 3000

Беларусь 1294 1151 1155 1305 1227 1500

Украина 1822 624 1054 563 953 550

Евросоюз 11 554 6507 7262 7132 9468 6880

Страны в целом 23 338 14 614 15 153 15 741 18 243 12 790

Таблица 2

Регион Валовый сбор озимой ржи, тыс. т Доля ржи в сборе всех зерновых, %

Республика Башкортостан 835 28,5

Республика Татарстан 585 13,2

Оренбургская обл. 430 19,1

Саратовская обл. 312 11,2

Волгоградская обл. 196 5,9

Самарская обл. 146 12,9

Кировская обл. 161 22,8

Брянская обл. 171 28,1

Алтайский край 196 3,5

Таблица 3

Злаки Средний химический состав, % на сухое вещество крахмал белки пентозаны клетчатка жиры зола Температура клейстеризации крахмала, °С

Ячмень 62,0 11,8 10,3 5,7 2,5 3,1 55...70

Пшеница 63,8 14,5 7,4 2,9 2,0 2,2 50...80

Рожь 63,8 13,5 10,6 2,4 2,0 2,4 52.55

Просо 64,6 11,2 2,0 2,6 3,7 1,5 67.77

Овес 44,7 13,4 7,5 12,4 6,1 3,5 —

Рис 85,0 9,0 2,0 2,3 0,5 0,4 80.85

Кукуруза 71,8 11,6 6,2 4,2 5,8 1,2 62.75

Таблица 4

Компонент, мг/кг Зона возделывания

сухого вещества Нечерноземная Поволжье Западная Сибирь

Железо 54,1 62,6 79,7

Алюминий 17,8 29,8 48,0

Марганец 46,4 40,1 29,8

Молибден 0,10 0,28 0,42

Медь 5,03 5,40 4,52

Никель 0,31 0,36 0,24

Титан 1,05 1,38 1,74

Бор 1,68 1,59 1,76

по мнению автора, истинное значение значительно выше, так как используемая методика не учитывает вещества, сильно набухающие, но не переходящие в раствор [5]. Изучая содержание некрахмальных полисахаридов в семи сортах ржи урожая двух лет, автор установил, что общее содержание биополимеров составляет 14,0-19,0%, для ге-мицеллюлоз эта величина составляет 8-14%, а для гумми-веществ — 4,3-7,4%, т. е. 53 % от истинных гемицеллюлоз [6].

Выявлена зависимость содержания водорастворимых пентозанов в зерне ржи от дозы внесенной азотной подкормки — при повышении доли вносимого азота увеличивалось содержание водорастворимых пенто-занов [7].

В небольшом количестве рожь содержит сахароподобные полисахариды (ди- и трисахариды) и простые сахара (глюкоза, фруктоза) [8].

К сложным углеводам ржи относится клетчатка, содержащаяся в периферийных частях зерна, причем в растворимой (2,02%) и нерастворимой форме (3,68%) [9].

Относительно содержания белков [10] озимая рожь различается по сортам: тетраплоидные сорта содержат 138 г/кг СВ, а диплоидные — 123 г/кг СВ. Рожь имеет благоприятный аминокислотный состав, в частности, содержит больше лизина по сравнению с другими зерновыми культурами. На аминокислотный состав зерна тетраплоидной и диплоидной ржи оказывали влияние как сорт, так и место его произрастания, причем последнее влияет в большей степени [11].

Минеральный состав зерна ржи на 80% представлен калием и фосфором, однако примерно 70% последнего находится в форме фитина [12].

В табл. 4 представлен средний минеральный состав зерна ржи по зонам возделывания [8].

Во ржи были обнаружены пенто-заны трех типов — эндоксиланаза, Р-ксилозидаза и а-арабинозидаза. Причем эндоксиланаза гидролизует молекулу арабиноксилана по всей молекуле, тогда как р-ксилозидаза гидролизует молекулу с конца. а-Арабинозидаза избирательно отщепляет арабинозу от молекулы арабиноксилана.

Интерес к пентозанам ржи неслучаен, поскольку они уникаль-

2^ 2013 ПИВО и НАПИТКИ 29

ны по своему строению и влияют на технологические и биохимические свойства зерна и продуктов на его основе:

• повышенное содержание пенто-занов в зерне увеличивает период созревания зерна, когда оно находится в состоянии покоя, на стадии получения урожая;

• благодаря высокой вязкости сусло из ржаного сырья медленнее фильтруется, что удлиняет стадию получения сусла;

• при проращивании зерна на солод именно пентозаны обусловливают аромат «хлебной корочки»: при гидролизе пентозанов образуются сахара (арабиноза, ксилоза), которые, вступая в реакцию меланоидинообразования и реагируя с аминокислотами, дают различные меланоидины, характеризующиеся разными ароматами;

• влияют на образование такого токсичного соединения в концентрате квасного сусла при термической обработке, как оксиметилфурфу-рол.

С другой стороны, при оценке качества ржаной муки важно знать содержание в ней неусваиваемых веществ (клетчатки и гемицеллюлоз), отвечающих помимо других составляющих за ее пищевую ценность. Однако определение клетчатки и ге-мицеллюлоз — процесс достаточно длительный и кропотливый. В связи с этим для определения качества муки пользуются более быстрым определением ее зольности или цвета [13].

Согласно ежегодно проводимому мониторингу качества ржи во ВНИИПБиВП [14] на основе разработки научно обоснованных требований к зерновому и другому растительному сырью и продуктам их переработки проводится научно-исследовательская работа, которая, в частности, затрагивает такой важный качественный показатель зерна ржи и ржаных солодов, как содержание пентозанов.

На основе вышесказанного, представляло интерес изучить имеющиеся методы количественной оценки пентозанов как критерия оценки качества ржи.

Содержание пентозанов находят косвенными способами. Индивидуальные пентозаны определяют гидролизом их до пентоз с последую-

щим хроматографическим анализом моносахаридов, суммарное содержание пентозанов устанавливают превращением их в фурфурол с количественным определением последнего различными методами.

Мы проанализировали литературные данные по определению пенто-занов [15-18] и выявили следующие принципиально отличные методики.

1. Метод Толленса [цитировано по 19]. При кипячении с кислотой происходит гидролиз пентозанов до пентоз, которые теряют три молекулы воды и превращаются в летучее соединение — фурфурол — по реакции

(С5Н8О5)я + Н2О -

пентозаны

НС1 ч НС1

-с- «(СЛ^) -с-

5 10 5 пентозы

НС1 .

-с- л(С5Н4О2) + яН2О.

фурфурол

Фурфурол отгоняют и определяют бромным методом. Источником брома служит смесь бромата натрия и бромида натрия, которая в кислой среде выделяет бром. Последний присоединяется к фурфуролу по месту двойной связи:

3С5Н4О2 + КВгО3 + 5КВг + 6НС- = = 3СД.О, + 6КС- + 6КВг.

5 4 3

Избыток брома определяют йо-дометрически. Для этого к анализируемому раствору добавляют йодид калия, из которого свободный бром вытесняет эквивалентное количество йода (1). Выделившейся йод от-титровывают тиосульфатом натрия в присутствии крахмала (2):

КВгО3 + 6К1 + 6НС- = (1) : КВг + 6КС- + 312 + 3Н2О,

12 + Na2S2O3 = 2№1 + Na2S2O6.

Известны модификации этого метода.

На точность определения пен-тозанов в зерне большое влияние оказывает присутствие в нем гек-соз, которые также превращаются в ю-оксиметилфурфурол, переходящий в дистиллят и определяющийся вместе с фурфуролом. В связи с этим показатели пентозанов получаются завышенными.

2. Весовой метод. Разработан для определения содержания пен-

тозанов в зерне озимой ржи [18]. Принцип метода основан на том, что проводится экстракция водо-нерастворимых пентозанов 0,08н. №ОН и растворимых — водой. После отделения крахмала и клетчатки центрифугированием, упаривания жидкой фазы взвешивают сухой остаток и рассчитывают содержание пентозанов по приведенным формулам.

В качестве сравнения в данной работе приведен метод ионообменной хроматографии, который в восемь раз более трудоемкий и требует дорогостоящего и сложного оборудования. По мнению авторов, сравнение двух методов позволило установить высокую корреляцию (г = 0,96-0,99), что говорит о перспективности весового метода, разработанного авторами.

3. Метод определения массовой доли пентозанов в целлюлозе по ГОСТ 10820—75 «Целлюлоза. Метод определения массовой доли пентозанов». Сущность метода основана на образовании фурфурола из пентозанов при обработке целлюлозы раствором соляной кислоты и определении отогнанного фурфурола спектрофотометрическим методом. Хотя принцип метода по многим позициям совпадает с методом № 1, но объект исследования — чистый субстрат целлюлозы без посторонних примесей, что не совсем коррелирует с таким объектом. Метод разработан для целлюлозно-бумажной промышленности и вряд ли целесообразен для пищевой.

В наших исследованиях мы использовали два метода (1 и 2) и провели сравнение 22 сортов ржи урожая 2009-2011 г. в Кировской области, выращенных в питомнике (Р1), и взятых с конкурсного сортоиспытания (КСИ). Представленные сорта ржи проращивали на микросолодовне «Zeeger» при стандартных условиях, вследствие чего были получены образцы неферментирован-ного и ферментированного ржаного солода, в которых также определяли пентозаны.

Данные по содержанию пентоза-нов во ржи и ржаных солодах представлены в табл. 5-7.

Анализируемая на содержание пентозанов рожь, а также ржаной солод по своим физико-химическим параметрам удовлетворяли требованиям ГОСТ 16991-71, предъявляемым

30 ПИВО и НАПИТКИ

2 • 2013

Таблица 5

Сорт ржи

Содержание пентозанов ржи, % КСИ Р1

Вятка 2 Фаленская 4 Рушник Дымка Кировская 89 Снежана Вятка 2 Фаленская 4

Урожай 2009 г. 1

1-й метод 6,0 6,0 6,0 5,9 5,7 5,9 5,9 5,9

2-й метод:

общих 21,6 20,8 20,4 21,6 24,0 19,6 20,8 21,6

водорастворимых 15,6 16,8 17,2 16,8 18,4 16,4 16,0 17,6

водонерастворимых 6,0 4,0 7,2 4,8 5,6 3,2 4,8 4,0

Урожай 2010 г.

1-й метод 5,7 5,9 5,6 5,4 5,4 5,4 — 5,5

2-й метод:

общих 20,4 21,2 20,0 19,6 20,0 20,0 — 20,0

водорастворимых 18,4 16,4 12,8 13,6 17,6 12,8 16,4

водонерастворимых 2,0 5,2 7,2 6,0 2,4 7,2 3,6

Урожай 2011 г.

1-й метод 6,0 5,6 5,4 6,4 6,1 5,9 — 6,6

2-й метод:

общих 22,0 21,2 18,8 22,8 21,2 19,6 — 23,6

водорастворимых 20,8 16,0 14,8 17,6 19,2 16,0 16,4

водонерастворимых 1,2 5,2 4,0 5,2 2,0 3,6 7,2

Таблица 6

Содержание Сорт ржи

пентозанов ржаного неферментирован-ного солода, % КСИ Р1

Вятка 2 Фаленская 4 Рушник Дымка Кировская 89 Снежана Вятка 2 Фаленская 4

1 Урожай 2009 г. 1

1-й метод 5,9 5,4 5,3 5,5 5,5 5,7 5,6 5,4

2-й метод:

общих 28,5 28,0 26,0 27,5 26,5 25,0 28,5 26,5

водорастворимых 26,5 22,5 17,5 19,0 24,5 17,0 26,5 24,5

водонерастворимых 2,0 5,5 8,5 8,5 2,0 8,0 2,0 2,0

Урожай 2010 г.

1-й метод 5,2 5,5 5,2 4,9 4,8 4,8 — 5,0

2-й метод:

общих 27,5 28,0 25,5 27,5 25,0 25,0 — 27,0

водорастворимых 20,0 19,0 20,5 19,0 19,0 17,5 19,0

водонерастворимых 7,5 9,0 5,0 8,5 6,0 8,5 8,0

Урожай 2011 г.

1-й метод 5,9 5,4 5,1 6,3 5,9 5,7 — 6,5

2-й метод:

общих 27,5 24,0 23,0 29,5 27,5 27,0 - 29,5

водорастворимых 24,5 15,0 16,5 24,5 22,0 20,5 23,0

водонерастворимых 3,0 9,0 6,5 5,0 5,0 6,5 6,5

ко ржи, предназначенной для проращивания, и ГОСТ Р 52061-2003, предъявляемым для ржаного солода.

При сравнительных исследованиях уровня пентозанов во ржи и ржаном солоде двумя методами установлено, что весовой метод дает завышенные результаты, и в ходе исследования были выведены коэффициенты, соответствующие для ржи 4, для неферментирован-ного ржаного солода — 5, для ферментированного ржаного солода — 6, позволяющие соотнести данные

содержания пентозанов по первому методу и по второму, весовому, методу.

Таким образом, сделан вывод, что для получения адекватных данных по количественному определению пентозанов первый метод более подходит, чем второй. Для того чтобы получить адекватные сходимые результаты, весовой метод необходимо доработать в области пробопод-готовки — пробу отделить от белка, сахаров и гумми-веществ, завышающих результаты, вследствие чего

необходимо провести дальнейшие исследования.

При сравнении данных по пенто-занам ржи в течение трех лет можно отметить, что количественный уровень пентозанов колебался приблизительно на одинаковом уровне у всех образцов ржи.

Изучение процесса проращивания ржи урожая 2009-2011 гг. выявило тот факт, что содержание пентозанов сокращается в ходе проращивания на 2-13% в образцах неферментиро-ванного ржаного солода и на 2-7%

2 • 2013 ПИВО и НАПИТКИ 31

Таблица 7

Содержание Сорт ржи

пентозанов ржаного ферментированного солода, % КСИ Р1

Вятка 2 Фаленская 4 Рушник Дымка Кировская 89 Снежана Вятка 2 Фаленская 4

Урожай 2009 г. 1

1-й метод 5,8 5,7 5,8 5,7 5,5 5,6 5,5 5,6

2-й метод (K = 6):

общих 36,0 36,0 34,2 36,0 34,8 34,2 34,2 33,0

водорастворимых 34,8 30,6 25,2 34,2 31,8 28,8 31,8 28,2

водонерастворимых 1,2 5,4 9,0 1,8 3,0 5,4 3,6 4,8

Урожай 2010 г.

1-й метод 5,0 5,1 5,0 4,8 4,6 4,6 - 4,8

2-й метод:

общих 33,0 33,6 33,6 32,4 30,0 30,0 - 33,6

водорастворимых 30,0 25,8 19,2 20,4 19,8 24,0

водонерастворимых 3,0 7,8 14,4 12,0 6,0 10,2 9,6

Урожай 2011 г.

1-й метод 5,7 5,2 4,9 6,0 5,8 5,5 - 6,3

2-й метод:

общих 36,0 31,8 30,0 35,4 32,4 31,2 - 35,4

водорастворимых 31,2 24,6 21,0 25,2 23,4 25,8 24,0

водонерастворимых 4,8 7,2 9,0 10,2 9,0 5,4 11,4

в образцах ферментированного ржаного солода, что обусловлено действием пентозаназ, которые более эффективны при невысоких (12...14 °С) температурах и высокой влажности (42-45%) прорастающего зерна, что подтверждается литературными данными [20].

При сравнении результатов анализа содержания пентозанов по годам очевиден тот факт, что результаты колеблются в интервале 0,3-1,1 %, что обусловливается условиями произрастания зерна ржи.

Исследования качества ржи и ржаного солода, а также применяемых методов анализа будут продолжены, в результате чего мы надеемся изучить влияние уровня содержания пентозанов во ржи на показатели качества концентрата квасного сусла и кваса, а также выявить перечень сортов ржи, наиболее пригодных для производства высококачественного ржаного солода, что, несомненно, позволит улучшить качество производимого концентрата квасного сусла и готового хлебного кваса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гончаренко, А. А. Состояние производства и селекция озимой ржи в Российской Федерации/А. А. Гончаренко // Нива Урала. — 2012. — № 6. — С. 4-6.

2. Главарданов, Р. Производство сиропообразных продуктов на основе хлебных злаков/Р. Главарданов // Пиво и напитки. — 2010. — № 5. — С. 44-47.

3. Грачева, И. М. Технология ферментных препаратов. — 2-е изд., перераб. и доп./И. М. Грачева. — М.: Агропромиз-дат, 1987. — 335 с.

4. Голенков, В. Д. Изучение набухающих и растворимых в воде углеводов озимой ржи/В. Д. Голенков, Г. Д. Траубенберг // Прикладная биохимия и микробиология. — 1966. — Т. 2. — Вып. 1. — С. 27-38.

5. Голенков, В. Д. Проблемы ржи в связи с оценкой ее качества: автореф. дис. ... д-ра биол. наук/В. Д. Голенков. — М.: Московский технологический инст. пищевой промышленности, 1973. — 57 с.

6. Кошевая, В. Н. Вязкость некрахмальных полисахаридов ржаного солода/В. Н. Кошевая, Н. А. Емельянова, Е. А. Яковина // Известия вузов. Пищевая технология. — 1980. — № 5. — С. 85-87.

7. Исмагилов, Р. Р. Хлебопекарные качества зерна озимой ржи и приемы их повы-шения/Р. Р. Исмагилов, Л. М. Ахиярова, Д. С. Аюпов // Аграрный вестник Урала. — 2010. — № 3. — С. 54-55.

8. Козьмина, Н. П. Биохимия зерна и продуктов его переработки/Н. П. Козьмина. — М.: Колос, 1976. — 375 с.

9. Сысуев, В. А. Итоги выполнения научных исследований конкурсного проекта МНТП «Рожь»/В. А. Сысуев, Л. И. Кедрова // Нива Урала. — 2012. — № 6. — С. 7-9.

10. Лисовская, Л. П. Химический состав зерна озимой ржи/ Л. П. Лисовская // Пути повышения урожайности полевых культур. — Минск, 2000. — Вып. 8. — С. 144-146.

11. Рукшан, Л. Аминокислотный состав зерна ржи/Л. Рукшан, О. Рябая // Хлебопродукты. — 2000. — № 6. — С. 15-17.

12. Попов, В. В. Рожь в питании животных/В. В. Попов // Адаптивное кормопроизводство. — 2012. — № 1. — С. 15-23.

13. Казаков, Е. Д. Биохимия зерна и продуктов его переработки/Е. Д. Казаков, В. Л. Кре-тович. — М.: Агропромиздат, 1989. — 368 с.

14. Мониторинг качества ржи и тритикале урожая 2011 г./К. В. Кобелев [и др.] // Пиво и напитки. — 2013. — № 1. — С. 40-43.

15. Boros, D. Extract viscosity as an Indirect Assay for water-soluble Pentosan Content in Rie / D. Boros, R. R. Marquardt, B. A. Slominski // Cereal Chem. — 1993. — V. 70 (5). — P. 575-580.

16. Antoniou, T. Isolation, Partial Characterisation and Antinutritional Activity of a factor (Pentosans) in Rie Grain/T. Antoniou, R. R. Marquardt, P. E. Cansfield // J. Agr.: Food Chem. — 1981. — № 29. — P. 12401247.

17. Luthar, Z. Content and composition of pentose in buckwheat flour/Z. Luthar // Research reports, Biotechnical faculty, Univ. Of Ljubljana. — 1998. — № 71. — P. 99-107.

18. Тимощенко, А. С. Весовой метод определения содержания пентозанов в зерне озимой ржи/А. С. Тимощенко, А. А. Гончаренко // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. — 2004. — № 4. — С. 8-11.

19. Химико-технологический контроль производства солода и пива/П. М. Мальцев [и др.]. — М.: Пищевая промышленность, 1976. — С. 88-91.

20. Нарцисс, Л. Технология солода/Л. Нарцисс. — М.: Пищевая промышленность, 1976. — 503 с. <&

32 ПИВО и НАПИТКИ 2 • 2013