Биологические особенности и морфологическое строение зерновых культур

Зерновые культуры — основа растениеводства благодаря высокой питательной ценности, отличной усвояемости и низким затратам на производство. Зерно удобно хранить и транспортировать, а сами злаки обладают высокой экологической пластичностью и максимальным коэффициентом размножения среди всех полевых культур. Чтобы получать стабильные урожаи с заданными параметрами качества, агроному необходимо понимать особенности строения и химического состава зерновки.

• Доля оболочек зерновки — 5–7 %
• Доля эндосперма — 70–85 %
• Влажность сухого зерна — ~15 %
• Соотношение глиадинов к глютенинам — 1:1

Анатомия зерновки: пленчатые и голозерные культуры

Плод злаков — односемянная зерновка. По строению зерна все культуры делятся на пленчатые и голозерные. У пленчатых культур (просо, рис, большинство сортов овса, ячменя и сорго) зерновка после обмолота остается покрытой цветковыми чешуями. При этом у ячменя они срастаются с зерновкой, а у остальных культур лишь плотно прилегают к ней. У голозерных культур (пшеница, рожь, кукуруза) цветковые чешуи легко отделяются при обмолоте.

Снаружи зерновка защищена плодовой и семенной оболочками. Они составляют всего 5–7 % массы, но надежно защищают семя от неблагоприятных внешних условий, вредителей и патогенов. На брюшной стороне зерна у хлебов первой группы есть бороздка, которая отсутствует у просовидных культур. На верхушке зерновки у хлебов первой группы расположен хохолок, но у ячменя и просовидных его нет.

Анатомически зерновка состоит из трех основных частей: зародыша, эндосперма и сросшихся оболочек. Зародыш примыкает к эндосперму через щиток — единственную семядолю. При прорастании щиток перенаправляет питательные вещества к растущим частям зародыша. Эндосперм занимает 70–85 % массы зерновки и заполнен крахмалом.

Внешний слой эндосперма называется алейроновым. Его клетки богаты белками и ферментами, запускающими прорастание, но не содержат крахмала. У ячменя алейроновый слой состоит из 3–5 рядов клеток, у остальных культур — из одного ряда.

Управление качеством зерна: белок и клейковина

Влажность зерна при уборке колеблется от 10 % до 30 %, но после сушки содержание влаги снижается примерно до 15 % для обеспечения надежного хранения. Сухое вещество состоит из углеводов, белков, жиров, минеральных солей и витаминов. Особое значение имеют азотистые вещества. На долю небелкового азота приходится лишь 2–3 %, остальная часть представлена белками, пептидами и гликопротеинами.

Накопление белка в зерне напрямую зависит от климата и географии. Содержание белка увеличивается при продвижении посевов с севера на юг и с запада на восток. Этот эффект наиболее выражен в лесостепной зоне России и в меньшей степени проявляется в Беларуси. Главные факторы здесь — сухость воздуха и высокое содержание азота в почве.

Агроном может активно влиять на накопление белка в зерне с помощью технологии возделывания. Для этого необходимо правильно подбирать предшественники и вовремя проводить защитные мероприятия. Максимальному накоплению белка способствуют следующие приемы:

• размещение посевов по лучшим предшественникам (черный пар, зерновые бобовые, многолетние бобовые травы);
• внесение органических и минеральных удобрений;
• надежная защита посевов от вредителей и болезней;
• своевременная уборка.

Важнейшим показателем качества хлебопекарной муки является клейковина. Это сгусток белковых веществ, остающихся после отмывания теста от крахмала. В ее состав входят нерастворимые в воде белки — глиадины и глютенины. Для выпечки качественного хлеба их соотношение должно составлять примерно 1:1. Качественная клейковина способна хорошо растягиваться в длину и сопротивляться разрыву.

Помимо клейковинообразующих белков, в зерне содержатся водорастворимые альбумины и солерастворимые глобулины. Ценность зерна также определяется присутствием незаменимых аминокислот. К ним относятся лизин, триптофан, валин и другие биологически активные вещества.

Углеводы составляют преобладающую часть зерна мятликовых культур, и представлены они главным образом крахмалом. Около 80% всех углеводов сосредоточено в эндосперме, тогда как на растворимые сахара приходится всего 2–3%, локализованных преимущественно в зародыше. Структура эндосперма напрямую зависит от соотношения крахмала и белка. В мучнистом зерне промежутки между крупными крахмальными зернами заполнены мелкими крахмалистыми фракциями, а белковые прослойки остаются тонкими. В стекловидном зерне мелких крахмальных зерен практически нет — все свободное пространство занимают белки.

Содержание клетчатки (целлюлозы) — основного компонента клеточных стенок — зависит от пленчатости культуры и крупности зерна. У пленчатых злаков она сосредоточена в цветковых чешуях, а у голозерных — в плодовой оболочке. Чем крупнее сформировалось зерно, тем больше размер его клеток и тем меньше в нем удельный вес клетчатки. При переработке преобладающая часть клетчатки уходит в отруби, поэтому при тонком помоле мука максимально очищается от оболочек.

Влияние жиров и зольных элементов на хранение и переработку зерна

Жиры в зерне составляют от 2 до 6% и локализуются главным образом в зародыше и алейроновом слое. По своей консистенции они жидкие, так как состоят преимущественно из ненасыщенных жирных кислот: олеиновой, линолевой и линоленовой. Из-за высокой концентрации липидов в зародышевых частях возникает риск быстрой порчи продукции при хранении.

Концентрация жира в зародыше существенно различается в зависимости от культуры:

• Зародыш кукурузы — до 40%
• Зародыш овса — до 26%
• Зародыш проса — до 20%
• Зародыш пшеницы — до 14%
• Зародыш ржи и ячменя — до 12,5%

Минеральный состав зерна представлен фосфором, калием, магнием, кальцием, натрием, железом, кремнием, серой и хлором. В микродозах в нем также присутствуют марганец, цинк, никель, кобальт и другие элементы. Соотношение этих компонентов зависит от культуры. Например, зерно овса и проса содержит значительно больше кремния, чем пшеница. Основную же долю золы пшеницы составляют фосфор, калий и магний.

Клетчатка, минеральные соли, витамины (А, B1, B2, С, D, PP, Е) и ферменты (амилаза, липаза) сосредоточены в периферийных частях зерна — под чешуями у пленчатых и в плодовой оболочке у голозерных культур. Там же находятся пигменты (порфирины, каротиноиды, антоцианы), определяющие цвет зерновки. При тонком помоле все эти биологически активные компоненты отсеиваются вместе с отрубями. Это делает муку более чистой и светлой, но обедняет ее питательные свойства.