Физико-химические основы переработки какао бобов

Раздел: Производство

Какао бобы имеют сложный химический состав. Наиболее ценная часть - ядро - состоит из липидов, белков, углеводов, веществ вторичного происхождения (фенольные соединения, органические кислоты, гликозиды, эфирные масла и смолы, алкалоиды), ферментов, витаминов, минеральных веществ ( 1).

Из этого перечня трудно выделить вещества, определяющие специфические свойства бобов и получаемых из них изделий, их вкус и аромат. Вполне определенно можно говорить только о роли, которую играют липиды какао бобов в формировании высокотвердой структуры изделий и вкуса, обусловленного низкой температурой плавления (31-36 °С).

Химический состав какао бобов и его изменения в результате первичной обработки и при последующей технологической переработке определяют специфические качества шоколадных изделий.

Свежие неферментированные какао бобы содержат около 30-35% влаги и 70-65% сухих веществ, примерно половина которых приходится на масло.

Ценные специфические вкусовые и ароматические свойства какао бобов проявляются только при переработке товарных бобов, прошедших стадию ферментации и сушки на- плантациях непосредственно после сбора. Поэтому наиболее обширно представлены в мировой литературе исследования ферментации сырого какао на плантациях в различных странах и изучение тех процессов, которые протекают в семядолях какао бобов и мякоти.

Вполне очевидно, что в какао бобах при ферментации происходит образование органических соединений, которые затем при последующей обработке, главным образом на стадии термической обработки, становятся источником новых аромат- образующих и вкусовых веществ. Но этим не ограничивается, по-видимому, значение ферментации какао бобов. Структурные изменения, происходящие в семядолях при ферментации, безусловно, связаны с химическими и биохимическими процессами и взаимообусловлены. Однако этому уделяется, как правило, недостаточно внимания и до сих пор отсутствует ясное представление об этой связи.

Роль структурных изменений в какао бобах при ферментации различные исследователи сводят к подготовке бобов к последующему дроблению и тонкому измельчению.

Совершенствование технологии шоколадного производства должно основываться на знании степени подготовленности какао бобов к переработке и состоять в умении компенсировать недостатки ферментации и сушки. В этой связи необходимо более подробно остановиться на приемах и способах ферментации какао бобов в различных странах, особенностях ферментации отдельных видов бобов, химических и биохимических процессах.

Ферментация. Первичная обработка какао бобов на плантациях осуществляется по-разному. Как известно, от количества ферментируемого сырья, способа ферментации, перемешивания зависят продолжительность ферментации, ее равномерность. Это связано с последовательным наступлением отдельных фаз, достижением определенной оптимальной температуры и кислотности. При сушке, кроме удаления влаги, продолжаются биохимические процессы - окисление полифенолов под влиянием активной полифенолоксидазы.

Процесс ферментации состоит в том, что масса из сырых какао бобов и мякоти зрелых плодов (пульпы) плотйо укладывается в груды (кучи), на лотки или по 1000-3000 кг в деревянные ящики и подвергается микробиологическому воздействию. Известны также способы ферментации небольших количеств какао бобов в бочках, в корзинах ( 2).

Во всех случаях стремятся достичь равномерной ферментации путем регулирования аэрации массы бобов.

При использовании аэрирующих устройств, особенно вращающихся барабанов, были уменьшены различия в качестве какао бобов, имеющие место при ферментации их традиционными способами (в кучах). Но интенсивная аэрация приводит не только к быстрому и равномерному прогреву массы, но и к быстрому разжижению пульпы в находящейся в движении массе и преждевременному покоричневению бобов (происходит сверхферментация). Вследствие микробиологических аэробных процессов увеличивается рН ферментационной жидкости. Под влиянием быстро- проникающего кислорода воздуха происходит сильное потемнение какаовеллы и семядолей бобов. Последние обогащаются кислотами. Образование кислот, как полагают авторы, вызывается аэробными микроорганизмами, массовым ростом грибковой микрофлоры, которая проникает в семена.

Проверка товарного продукта, полученного с применением рассмотренных выше способов ферментации, не показала существенного улучшения качества. В литературе мы не встретили сообщений об использовании в промышленном масштабе описанных выше способов ферментации. По-прежнему ферментация ведется традиционными способами.

В зависимости от объемов производства бобов кроме ферментации больших масс применяют ферментацию малых количеств бобов - 8-100 кг. Исследования первичной обработки какао бобов, проведенные Роан в Гане, показали, что в случае использования малых количеств бобов достигаются более низкие температуры, чем рекомендуемые (46°С против 50°С), но увеличение температуры происходит более равномерно в результате ферментативных реакций, протекающих по всему объему массы. По заключению Роан, даже в условиях мелких хозяйств возможно успешное проведение ферментации малых количеств бобов в течение главного зернового сезона, который в Гане продолжается с сентября по январь. Однако при ферментации малых количеств уменьшается общая продолжительность ферментации и перемешивание не оказывает заметного воздействия на качество продукта, а в периоды, когда температура ночью низкая, происходит задержка в протекании биохимических процессов при ферментации, и качество бобов оказывается низким.

Продолжительность этого процесса зависит не только от размера кучи, но и погодных условий и требует наблюдения за ходом ферментации и опыта обслуживающего персонала.

в корзине.

При отсутствии промышленных, строго контролируемых способов ферментации неизбежно получение товарного продукта различного качества даже при использовании равноценных по качеству сырых какао бобов. Попытки улучшить ферментацию ограничиваются простейшими изменениями традиционных методов. Оптимизация методов ферментации до настоящего времени остается сложной проблемой.

Для оценки качества урожая, полученного с опытных деревьев, разработаны методы ферментации семян отдельных плодов.

Сушка. Первичная обработка свежих какао бобов, как указывалось выше, состоит из ферментации и следующей за ней сушки. Сушка может производиться естественным путем (солнечная сушка) или нагретым воздухом. Целью сушки, при которой происходит удаление влаги от 60-40% примерно до 5%, является не только получение транспортабельного и лежкоспособного сырья, но и улучшение его качества. При сушке семян могут продолжаться процессы аэробной фазы ферментации: главным образом окисление полифенолов под влиянием полифенол- оксидазы, приводящее к покоричневению семян, уменьшению горького и вяжущего вкуса, что оказывает положительное влияние на вкусовые качества семян. Вследствие разрыхления ткани, растворения содержимого клеток, выделения полифенолов из вакуолей при ферментации и лучшей диффузии кислорода при сушке окисление' полифенолов ускоряется. Диффузия кислорода облегчается с уменьшением содержания воды. Покоричневение семян отмечается при содержании влаги 15-20%. Увеличение рН в семенах в конце ферментации до 6,0 способствует повышению активности полифенолоксидазы. Температурный оптимум остаточного фермента довольно высок - до 60°С. Кратковременное повышение температуры до 70°С при использовании сушилок не способствует инактивации полифенолоксидазы и не препятствует покоричневению. Быстрая сушка не ухудшает качества бобов, так как при использовании сушилок и нагреве бобов горячим воздухом температура семян из-за их повышенной влажности остается ниже температуры теплоносителя.

Естественная сушка на земляных площадках считается наилучшей, но при высокой относительной влажности воздуха затрудняется. Трудность соблюдения постоянных условий сушки при отсутствии вполне современных сушильных установок в странах-производителях какао бобов и использование естественных условий не позволяет стабилизировать качество товарного продукта. Это приводит к получению сырья, содержащего большее или меньшее количество полностью или частично фиолетовых какао бобов, что не может не сказываться на йкусе получаемых изделий. Применение огневой сушки приводит к появлению в бобах дымного запаха, ухудшающего качество товарных бобов.

Применяемые способы ферментации не обеспечивают равномерного течения биохимических ферментативных процессов по всему объему из-за недостаточного регулирования аэрации. Поэтому товарный продукт не может быть полностью однородным по степени ферментации и содержит наряду с ферментированными семенами переферментированные и недоферментированные бобы.

Сохранение бобами фиолетовой окраски при сушке является свидетельством недостаточного вскрытия клеток при ферментации семян.

Можно полагать, что при ферментации семян в результате воздействия на них уксусной кислоты, спирта и тепла повышается проницаемость клеточных оболочек и клеточных мембран. В результате при технологической обработке семян облегчено выделение из клеток запасных веществ и их химическое взаимодействие.

Семена, сохранившие в результате недостаточной ферментации целостность клеточной структуры и исходные свойства клеточных оболочек и мембранных структур, требуют применения специальных видов обработки, компенсирующих недостаточную*степень ферментации.

Направленность физико-химических и биохимических процессов, протекающих в семядолях какао бобов при ферментации, определяется не только их химическим составом, но и строением бобов и составом пульпы. В свою очередь эти процессы определяют качество товарных какао бобов и в значительной степени вкусовые свойства получаемых из них шоколадных изделий.

Большинство исследований процессов, протекающих при ферментации какао бобов, преследовало в качестве основной цели совершенствование способов, приемов ферментации, перевод первичной обработки какао бобов на плантациях на промышленную основу, получение более однородного товарного продукта.

Для специалистов шоколадного производства знание процессов, которые протекают и должны протекать при ферментации, поможет выяснить дефекты товарных какао бобов и выбрать способы их устранения.

В результате ферментации происходят изменения в пульпе и в семядолях, связанные с действием ферментов. В литературе эти стадии ферментации характеризуются как внешняя и внутренняя ферментация.

Биохимические процессы. Биохимические процессы при ферментации какао бобов протекают прежде всего в пульпе, которая находится на поверхности бобов и раньше подвергается воздействию внешних факторов, действию микроорганизмов, для которых пульпа представляет собой прекрасную питательную среду.

В состав пульпы входит 10—13% Сахаров (сахароза, глюкоза, фруктоза), две трети которых составляют моносахариды, и 80-90% воды. В состав пульпы входят также пектиновые вещества, нелетучие кислоты, преимущественно лимонная, рН пульпы 3,6 - 3,7. Из азотистых веществ преобладают аспарагиновая, глутами- новая кислоты и аспарагин.

В связи с наличием в пульпе значительного количества сахара вполне очевидна легкость ее инфицирования различными микроорганизмами, на что обращают внимание некоторые исследователи. Однако создаваемые определенные условия ферментации ограничивают возможность воздействия на пульпу многих микроорганизмов и благоприятны только для нескольких форм. Начальная стадия ферментации протекает в анаэробных условиях. При ящичной ферментации, которая имеет место на крупных плантациях, поверхность между бобами почти полностью заполнена пульпой и содержание кислорода в смеси низкое. Анрробные условия, высокое содержание сахара в пульпе, низкое значение рН благоприятны для роста и размножения дрожжей, которые быстро сбраживают сахара и образуют большое количество этанола и диоксида углерода. На одну грамм-молекулу сброженной гексозы должно выделиться количество энергии, соответствующее 234,3 кДж тепла.

Известно, что кроме главных продуктов брожения — этилового спирта и диоксида углерода — при спиртовом брожении всегда образуются в незначительном количестве ацетальдегид, глицерин, янтарная кислота и сивушное масло. Мы не встречали в литературе сведений в отношении сопутствующих образованию этанола и диоксида углерода веществ при сбраживании Сахаров пульпы. Однако указание на метаболизм в пульпе лимонной кислоты и повышение рН среды является косвенным доказательством образования сопутствующих веществ.

Присутствие в пульпе легкосбраживаемых Сахаров - глюкозы и фруктозы - ускоряет процесс брожения. При общей продолжительности ферментации 3-7 сут уже к концу первых суток значительное количество пульпы под действием дрожжей и пектиназ мякоти превращается в сок, стекает и открывает доступ кислороду. Бобы освобождаются от слоя липкой мякоти, но, находясь в соке, частично поглощают его. Однако внутри семядолей какао бобов анаэробные условия сохраняются почти 5-7 сут.

Высокая концентрация спирта, повышение рН и доступ воздуха создают благоприятные условия для роста молочнокислых бактерий. Мы не располагаем  сведениями, характеризующими виды развивающихся молочнокислых бактерий.  Известно, что на 3-4-е сутки ферментации благодаря хорошей аэрации уксуснокислые бактерии полностью подавляют жизнедеятельность молочнокислых бакте- \ рий. В большом количестве образуется уксусная кислота, но в результате продол- / жающейся диссимиляции лимонной кислоты рН продолжает расти.

В результате уксуснокислого брожения этиловый спирт окисляется в ук-  сусную кислоту по уравнению СН3СН2ОН + 02= СН3СООН + Н2О. На 1 грамм- молекулу окисленного спирта выделяется 989,53 кДж тепла. Уксуснокислые бактерии, окислив весь спирт в уксусную кислоту, начинают окислять последнюю до

диоксида углерода и воды. Полное окисление этанола до воды и СО2 сопровождается выделением 1360,12 кДж. Если «после анаэробной фазы ферментации, сопровождающейся выделением этанола и тепла, температура ферментируемой массы повышается до 32-33°С, то через 3 сут ферментации аэробный сильно экзотермический процесс доводит температуру массы в зависимости от количества массы, высоты слоя и др. до 45-52°С. В условиях ферментации бобов на лотках анаэробная фаза сокращается и уже через 18 ч.температура массы повышается до 45°С.

Рассмотренные процессы обусловлены химическим составом пульпы и протекают в ней под влиянием микроорганизмов, попадающих из окружающей среды, и ферментов мякоти (пектиназ). На ход этих процессов не оказывают влияния органические вещества, входящие в состав семядолей. Наоборот, биохимические, микробиологические процессы, протекающие в пульпе, создают условия для протекания биохимических и физико-химических процессов внутри семядолей.

Влияние процессов, протекающих на первой стадии ферментации, сказывается прежде всего на прекращении жизненных функций семени. Какао бобы теряют всхожесть, происходит отмирание семян.

Длительное время существовали различные взгляды на причины, вызывающие отмирание семян, и роль в этом процессе тепла и основных продуктов брожения Сахаров пульпы - уксусной кислоты и спирта. Лишь сравнительные исследования влияния на всхожесть семян указанных факторов позволили разграничить роль каждого из них при совместном воздействии. Тепло может явиться причиной потери всхожести, но при условии достижения температуры свыше 53°С. При ферментации бобов такая температура, как правило, не достигается, поэтому прогрев бобов не является основной причиной гибели зародыша семени.

Это согласуется с данными, приведенными в работе [7oJ , где показано, что основное влияние на всхожесть семян оказывает уксусная кислота. При ящичной ферментации бобов в Тринидаде при достижении температуры 43°С только 50% семян сохранили способность к прорастанию. В действительности в ящиках-ферментаторах и в центре больших куч температура семян значительно ниже. Это подтверждает тот факт, что повышение температуры какао бобов, достигаемое при ферментации, не всегда является причиной их отмирания. Уксусная кислота, проникающая из сброженного сока пульпы в бобы, и высокая температура - главные факторы гибели зародыша и последующего частичного автолиза.

В последующие после отмирания семени часы (10-20 ч) происходят посмертные анаэробные реакции обмена, имеющие большое значение в появлении в бобах новых качественных свойств (способность образовывать ароматические вещества при переработке, улучшение вкуса, изменение окраски и др.).

Открытым остается вопрос о роли продуктов сбраживания Сахаров пульпы в образовании специфического вкуса и аромата шоколада при промышленной переработке какао бобов.

Несмотря на отсутствие единого и обоснованного мнения о значительной роли уксусной кислоты в получении высококачественного товарного продукта, при создании новых конструкций ферментаторов уделяется серьезное внимание возможности образования уксусной кислоты и накопления ее в ферментационной жидкости, а затем в какао бобах. Не только уксусная кислота, но и другие органические кислоты, являющиеся веществами микробиологического разрушения пульпы, обусловливают в какой-то степени качество товарного продукта

Эффективность ферментации и последующей сушки какао бобов, как указывают исследователи, зависит от определенной последовательности протекающих в семядолях при внутренней ферментации процессов. Только в этих случаях обеспечивается образование ароматобразующих и вкусовых веществ при переработке какао бобов.

При ферментации какао бобов происходит внешняя и внутренняя ферментация.

Внешняя ферментация (в пульпе) включает биохимические, микробиологические процессы, происходящие в анаэробных условиях в пульпе (сбраживание Сахаров, накопление уксусной кислоты, спирта и создание условий для внутренней ферментации).

Внутренняя ферментация (внутри семядолей) состоит из двух последовательно идущих фаз (анаэробной и аэробной).

В анаэробных условиях протекают биохимические процессы в результате действия гидролитических ферментов и накопления редуцирующих Сахаров и свободных аминокислот. В аэробных условиях происходят окисление полифенолов фенолазами в хинон и неферментативная конденсация хинона в флобафены. С последним связано покоричневение бобов. Окислительные ферментативные процессы возможны при условии контакта полифенолов и ферментов, который возникает при слиянии содержимого клеток. С белками хинон образует полифенолпротеи- новые комплексы, нерастворимые в воде и снижающие вяжущие свойства бобов. Преждевременное наступление аэробных условий может привести к связыванию белка ферментов хиноном и прекращению гидролиза дисахаридов, антоцианов и белков. В то же время покоричневение бобов может быть принято за окончание процесса ферментации.

С точки зрения образования из товарных какао бобов ароматических и вкусовых веществ наиболее важной является первая фаза. Окислительная фаза влияет на интенсивность проявления вяжущего вкуса, так как она способствует устранению вяжущего вкуса водорастворимых полифенолов.

Если исходить из правомерности этих представлений и соответствия названия процесса его существу, основную роль следует отводить ферментативным реакциям, в которых участвуют глюкозидазы и протеазы.

Экспериментально доказано присутствие в сырых свежих какао бобах целого комплекса ферментов, под действием которых в определенных условиях могут фи ферментации происходить биохимические процессы (амилазы, протеиназы, липазы, фосфатазы, пектинэстеразы, полигалактуроназы, катал азы, пероксидазы, полифенолоксидазы, декарбоксилазы).

Несмотря на присутствие в семядолях свежих бобов богатого ферментного комплекса, в процессе ферментации и сушки проявляется действие только некоторых из них: /3-галактозидазы, Д-фруктофуранозидазы, протеиназы, полифенолоксидазы [] .

Отсутствуют доказательства ферментативного воздействия при ферментации к£као бобов на. такие соединения, как липиды, крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества.

Присутствие в семядолях неферментированных свежих семян ферментов предопределяет те биохимические процессы, которые протекают при ферментации и обусловливают качественные и количественные изменения химического состава бобов. Изменениям подвергаются прежде всего те соединения, которые являются субстратами для указанных ферментов: углеводы, белки, полифенолы.

Воздействие ферментов возможно только при непосредственном контакте с субстратом, и скорость ферментативных реакций зависит от концентрации фермента и субстрата pi} . Такой контакт, безусловно, возникает при ферментации бобов, но степень контакта, а следовательно, и степень ферментации, по-видимому, зависят от структурных изменений, происходящих в клетках семядолей.

В свежих семядолях полифенолоксидаза и полифенолы находятся в различных клетках, т.е. разобщены, и их ферментативные изменения возможны только при слиянии содержимого этих клеток при ферментации.

В настоящее время выделение полифенолов из клеток связывают с посмертными анаэробными процессами, протекающими после отмирания семени в результате повышения концентрации уксусной кислоты и нагрева. Содержимое полифе- нольных клеток разливается и заполняет всю ткань семени. Умершие бобы поглощают воду из ферментационной жидкости и насыщаются соком. Присутствие воды является необходимым для растворения содержимого клеток и диффузии к местам ферментативного воздействия. Для полного растворения содержимого полифенольг ных клеток при 48°С требуется 32 части воды. Это количество не является достижимым, но присутствие спирта и уксусной кислоты облегчает растворение и перемещение фенольных веществ. В течение 4-6 сут после отмирания семян полифенолы находятся при 45-50°С, т.е. при температуре, равной или близкой к оптимуму действия лолифенолоксидазы. Однако препятствием деятельности фермента является отсутствие аЗробных условий.

При нормальной ящичной ферментации только на 4-е сутки ферментации кислород начинает проникать в ядро какао бобов и вызывать окислительные изменения на его поверхности. Внутри семени могут оставаться анаэробные условия до конца ферментации и даже при сушке. Однако некоторые исследователи объясняют отдельные изменения полифенолов при ферментации образованием комплексов с протеинами и изменением растворимости. Полифенолы соединяются с протеинами в таниновой реакции. Образующиеся комплексы в воде не растворимы.И это, безусловно, смягчает горький терпкий вкус бобов. Антоцианы превращаются в сахара и цианидин, который при анаэробных условиях дальнейшим изменениям не подвергается. Гидролизу антоциацов приписывают роль реакции, при которой создаются условия для развитие хорошего вкуса. Отмечено, что если более 10% первоначальг ного количества антоцианов остается негидролизованными, вкус характеризуется, как бедный ;[8lJ . Однако ряд исследователей не связывает создание вкуса с образованием цианидина. По данному вопросу существуют различные мнения.

В процессе ферментации имеют значение многие свойства флаваноидов. Большое число ди- и о лиг ом еров проантоцианидинов (лейкоцианидинов) относится к эффективному дубильному веществу - танину. Наличие ортопостоянных дигид- рооксигруппировок является причиной их легкого окисления в хинон, который затем вступает в реакции, особенно реакции конденсации.

Известна реакция с хиноном не только аминов, аминокислот, но и протеинов с образованием стабильных высокомолекулярных коричневых соединений. Белок связывает хиноновые дубильные вещества. В образований таких соединений с хиноном могут участвовать и ферменты. При этом они теряют активность. Поэтому от строгой последовательности анаэробных и аэробных условий при ферментации какао бобов зависит ферментативный гидролиз антоцианов, Сахаров, протеинов. Преждевременное наступление аэробных условий препятствует гидролитическим ферментативным процессам. Гидролиз протеина в какао бобах наблюдается по достижении температуры 45-52°С, что может быть связано со структурными изменениями семядолей и нарушением целостности клеток. Это в свою очередь доказывает, что гидролиз имеет ферментативную природу. Наибольшая степень ферментативного гидролиза была отмечена в анаэробной фазе ферментации. Исследования отдельных аминокислот показали, что все аминокислоты освобождаются равномерно, т.е. происходит общий гидролиз белка и идет интенсивное накопление водорастворимого азота в сравнении с накоплением свободного аминного азота.

Перед прорастанием семян уровень содержания аминокислот не возрастает. Протеин свежих бобов большей частью растворимый. После проникновения кислорода внутрь клеток тотчас наступает аэробная ферментация. Большая часть протеина мгновенно благодаря воздействию дубильных веществ становится нерастворимой. Изменения протеина проявляются при электрофорезе.

Таким образом, гидролиз протеина с образованием аминокислот и пептидов происходит на стадии анаэробной ферментации, при которой еще нет хиноновых дубильных веществ. Таниновые дубильные вещества не предотвращают гидролиз протеина, что объясняется тем, что они не вызывают эффективную инактивацию протеиназ. Гидролизу подвергается 60-35% всего протеина. На аэробной стадии небольшое количество первоначального протеина может быть связано хиноном.

В процессе ферментации активность ферментов падает. При достижении температуры в массе 45-50°С и потере всхожести семян наблюдается инактивация ферментов. Через 24-48 ч после нарушения целостности клеток доказано отсутствие активности большинства ферментов (амилазы, |3-глюкозидазы, каталазы, перо к си да- зы). Фенолаза в процессе ферментации инактивируется не полностью. Ее остается около 2%, и остаточный фермент имеет более высокий оптимум температуры, чем у свежих семян. При несвоевременном перелопачивании массы, сокращении длительности ферментации можно ожидать более высокую остаточную активность не только фенолазы, но и других ферментов, температурный оптимум инактивации которых выше.

В более поздних работах были по отдельности исследованы ферменты в ферментируемых какао бобах и установлено, что они не отличаются от ферментов свежих семян, но в растворе имеют оптимум рН. Было высказано предположение о наличии модифицированных форм и обусловлена остаточная активность нерастворимой формы. Между ними установлена органическая связь, что хорошо согласуется с исследованиями фенолаз чая .

Полифенолоксидаза и пероксидаза являются окислительными ферментами чайного растения, и в этом много общего с семенами какао дерева. М.А. Бокуча- ве, М.Н. Запрометову принадлежат фундаментальные исследования дубильных веществ и окислительных ферментов чайного листа [11-14, 22 ]. Ранними работами Бокучавы (1940 г.) установлено, что в чайном листе полифенолоксидаза нахб- дится в основном в адсорбированном, нерастворимом состоянии. Была определена активность растворимой и нерастворимой фракций, выделяемых из различных клеточных структур. Было доказано, что полифенолоксидаза и пероксидаза чайного растения не связаны с каким-либо одним видом структур: и митохондрии, и хлоропласты чайного листа содержат оба окислительных фермента, но активность их в митохондриях несколько выше.

Имеющиеся в литературе сведения о локализации полифенолоксидазы и пероксидазы внутри клеток различных растений, плодов (сахарная свекла, яблоки, листья табака, листья чая, шпината и др.) разноречивы, и поэтому отсутствуют однозначные выводы относительно топографии этих ферментов в растительной клетке. Согласно представлениям Н.М. Сисакяна, следует говорить не о строгой локализации тех или иных ферментов в определенных клеточных структурах, а лишь о превалирующей локализации фермента, зависящей от типа обмена веществ у растения, а также от физиологических условий. По-видимому, существующее мнение в отношении локализации полифенолоксидазы в митохондриях клеток семядолей какао бобов объясняется тем, что наличие фермента в других структурных частях клеток не определялось.

Независимо от того, в каких субъединицах клеток содержится полифенолоксидаза какао бобов, можно считать доказанной необходимость слияния содержимого клеток, имеющих полифенольную вакуоль, и клеток, в состав которых входят белки, в том числе ферменты, для того чтобы произошло окисление полифенолов. Но этому процессу должны предшествовать гидролитические процессы (гидролиз дисахаридов, протеина, антоцианинов), иначе образование хинон-протеиновых комплексов может привести к инактивации ферментов и снижению эффекта ферментации.

На активность ферментов, как и на инактиванию, безусловно, оказывают влияние температура и активная кислотность в семядолях какао бобов при ферментации.

Рассмотренный материал дает основание сомневаться в относительной правильности оценки степени ферментации и качества товарных какао бобов, зависящего от степени ферментации, содержанием частично или полностью фиолетовых какао бобов. Покоричневение какао бобов происходит, как показано выше, в результате окислительной конденсации фенолов, только в аэробных условиях. Основные биохимические ферментативные процессы, которые приводят к изменению химического состава и обусловливают качественные изменения бобов, происходят в анаэробных условиях. Преждевременное наступление аэробных условий может привести к окислительному покоричневению бобов, в то время как ферментативные процессы не успевают пройти. В данном случае соответствия окраски и степени ферментации какао бобов не может быть.

Таким образом, ферментация свежих какао бобов является необходимой стадией их первичной обработки, которая обусловливает получение товарного продукта со специфическим вкусом и ароматом, что имеет важное значение в шоколадном производстве.

"В анаэробных условиях протекают биохимические процессы в результате действия гидролитических ферментов и накопления редуцирующих Сахаров и свободных аминокислот. В аэробных условиях происходят окисление полифенолов фенолазами в хинон и неферментативная конденсация хинона в флобафены. С последним связано покоричневение бобов. Окислительные ферментативные процессы возможны при условии контакта полифенолов и ферментов, который возникает при слиянии содержимого клеток. С белками хинон образует полифенолпротеино- вые комплексы, нерастворимые в воде и снижающие вяжущие свойства бобов. Преждевременное наступление аэробных условий может привести к связыванию белка ферментов хиноном и прекращению гидролиза дисахаридов, антоцианов и белков. В то же время покоричневение бобов может быть принято за окончание процесса ферментации.

Если учесть, что наибольшие химические изменения в составе какао бобов происходят в анаэробной фазе ферментации, и предположить, что именно эти изменения ответственны за появление у бобов нового качества - способности образовывать при обработке ароматического вещества и формировать вкус, - строгая последовательность условий ферментации необходима. Показатели качества товарных какао бобов должны отражать последовательность и соотношение анаэробной и аэробной стадий ферментации. Появление коричневой окраски какао бобов не характеризует эффективность биохимических процессов на первой, наиболее ответственной, стадии ферментации.

Физико-химические процессы. Биохимические процессы, происходящие в какао бобах при ферментации, развиваются параллельно с физико-химическими процессами, под которыми здесь прежде всего имеются в виду структурные изменения, происходящие в ткани семядолей.

Так как деревья какао растут в Советском Союзе только в оранжерейных условиях, исследования, связанные с процессами ферментации какао бобов, и исследования свежих бобов не выходят за рамки лабораторных. Тем не менее первые работы в России в области изучения структуры какао бобов относятся к концу XIX и началу XX в. В.А. Тихомиров во время экспедиции на острова Цейлон (Шри Ланка) и Яву в 1891 г. исследовал свежие неферментированные семена какао. По материалу, вывезенному им, А. Беляев изучил гистологию плода и семени у Theobroma cacao (1903 г.) и дал описание структурных элементов семени [8] .

В клетках паренхимы семядолей свежих бобов А. Беляев обнаружил мелкозернистую плазму, зерна крахмала, алейрона, теобромин (вместе с кофеином) и твердый жир. В тканях зародышевой оси и других клетках он наблюдал также щавелевокислую известь в виде ромбических и призматических кристаллов и мелких звездчатых друз.

В семядолях товарных какао бобов, по наблюдениям А. Беляева, жир находился в виде сплошных масс, облекающих зерна крахмала и алейрона, или игольчатых кристаллов. При микроскопировании жир затемнил присутствие крахмала и алейрона, поэтому при изучении последних требовалось предварительно растворить жир в эфире или хлороформе.

В.А. Тихомиров наблюдал в живом семени бобов жир в жидком, совершенно прозрачном состоянии, на фоне которого отчетливо вырисовывались зерна крахма

ла и алейрона. В клетках паренхимы было много свободных прозрачных сферических жировых капель, легко растворимых в эфире и хлороформе и чернеющих от осмия.

В. Тихомиров и А. Беляев предположили, что причиной различного состояния жира являются неодинаковые температурные условия проведения анализа. Высокие температуры экваториального пояса могли послужить объяснением жидкого состояния жира.

Такое объяснение может показаться неполным. Наблюдаемые в живых семенах бобов капли жира, по-видимому, не были диспергированными частичками непрерывной жировой фазы клетки, а представляли собой липидные вакуоли, как дифференцированные структурные элементы клетки. В товарных, т.е. ферментированных, какао бобах жир представлял собой непрерывную фазу, которая могла возникнуть только в результате слияния липидных вакуолей, что вряд ли может быть связано с температурными условиями, при которых находился препарат во время исследования (при подготовке и микроскопировании). Наиболее вероятной причиной различий состояния жира представляются структурные изменения, происходящие в семядолях при ферментации и вызывающие слияние липидных вакуолей.

В паренхимной ткани кроме клеток, содержащих жир, крахмал, алейрон и др., А. Беляев наблюдал обильно рассеянные пигментные клетки. По наблюдениям В. Тихомирова в экспедиции в тонких разрезах свежих семядолей легко можно было отличить на глаз рассеянные всюду темные фиолетово-красные пятна.

А.Л. Рапопорт, изучая микроструктуру товарных какао бобов (1939 г.), установил, что основная ткань семядолей состоит из округло-многоугольных клеток, имеющих размеры в поперечнике от 23 до 40 мкм. Среди основной массы клеток также были обнаружены пигментные клетки, отличающиеся большими размерами. Поперечник этих клеток достигал 40-80 мкм. Толщина клеточных стенок, диаметры твердых частичек, содержащихся внутри клеток, зерна крахмала и др. не превышали 12-14 мкм [50].

В более поздних работах также было подтверждено наличие в семядолях какао бобов двух типов паренхимных клеток: мелких, содержащих протоплазму, крахмал, алейроновые зерна и жировые включения, и разбросанных среди клеток первого типа крупных клеток. Последние содержат все фенолы и пуриновые основания. Жир и протеин в этих клетках не были обнаружены. В зависимости от содержания антоцианина эти клетки различаются по окраске - от белой до глубоко-пурпурной.

Сепарация двух типов клеток седиментацией в петролейном эфире показала, что тяжелые клетки с полифенолами не содержат ферментов. Последние были обнаружены в легкой фракции - клетках первого типа [76].

А. Кнэпп не обнаружил крахмальных зерен в полифенольных клетках (1937 г.). Однако позднее автором работы [70] в 1963 г. было доказано, что в полифенольных клетках содержится незначительное количество крахмала, что может быть легко доказано йодной реакцией остатка после экстракции из сепарированных клеток метанолом или 80%-ным ацетоном.

Изучение микроструктуры какао бобов на новом, более высоком уровне стало возможным благодаря электронной микроскопии.

Фотографии микроструктуры свежих неферментированных какао бобов, полученные при увеличении в 2000 и 4000 раз, отчетливо показали присутствие крахмальных зерен, липидных вакуолей, алейрона и вакуолей полифенолов. Кроме этих найденных ранее с помощью световых микроскопов включений в клетках обнаружены цитоплазма, ядро, митохондрии и аминопласты. Паренхимные клетки плотно упакованы липидными вакуолями, изолированными друг от друга плазмой или плазменной мембраной.

Исследование ультратонких слоев паренхимных запасных клеток неферментированных, и-высушенных при комнатной температуре семян какао бобов показало слияние липидных вакуолей и дифференциацию в липидной фазе частиц плазмы. Митохондрии, алейроновые вакуоли, зерна крахмала остаются изолированными.

Проведенные исследования микроструктуры семядолей какао бобов вряд ли могут считаться исчерпывающими, но тем не менее можно сказать, что изменения микроструктуры могут носить различных характер в зависимости от условий обработки какао бобов при ферментации и сушке, от последовательности чередования этих условий (анаэробные, аэробные).

В живой клетке биохимическое равновесное состояние предотвращает бесконтрольные, односторонне идущие литические реакции. Физическое влияние на клетку извне, например повышение температуры до 52°С, нарушает это равнове-        ,

сие. Благодаря росту литического обмена, по-видимому, происходит освобождение ферментов, смешение всех компонентов клетки в непрерывной плазматической водной фазе. Разрушение пограничного слоя приводит к слиянию липидных вакуолей. Образование непрерывной липидной фазы ведет к тому, что в ней в противоположность живым семенам плазматическая водная фаза оказывается дифференцированной подобно дисперсной фазе в дисперсных системах.

Изменение микроструктуры семядолей при ферментации имеет значение для ферментативных реакций, и, следовательно, можно полагать, влияет на качество товарных какао бобов. Это может быть подтверждено только систематическими одновременными исследованиями структурных, биохимических и химических изменений, происходящих в семядолях какао бобов в процессе ферментации, сушки и дальнейшей обработки.

Таким образом, изменение качества какао бобов при ферментации тесно связано со структурными изменениями, так как семядоли состоят из различных клеток и содержащиеся в них ферменты и субстраты в свежих бобах разобщены. Жир в свежих семенах находится в виде обособленных вакуолей, которые сливают-          2

ся при высушивании неферментированных семян. Имеются предположения, что в           

процессе ферментации в результате литического обмена при температуре около 52°С происходит смешение всех компонентов клетки в непрерывной плазматической водной фазе и становятся возможными ферментативные гидролитические, а затем и окислительные процессы. Липидные вакуоли должны находиться на этой        :

стадии дифференцированно. Можно полагать, что преждевременное слияние липид-

ных вакуолей в результате нарушения целостности мембран и образование непрерывной жировой фазы нежелательно, так как может привести к изоляции сферы         , плазмы и отдельных органоидов и к сокращению или прекращению ферментативных ) процессов.

Поскольку в зависимости от способа ферментации, количества ферментируемой массы, длительности процесса происходит неравномерный прогрев массы, а также и неравномерное насыщение диоксидом углерода и спиртом, можно утверждать, что в отдельных какао бобах могут происходить различные структурные изменения. Наименьшим изменениям может быть подвержена срединная внутренняя часть семядолей, которая чаще, чем поверхностные слои, остается фиолетовой.

Можно предполагать, что клетки внутренней части семядолей после фермен-

тации и сушки остаются невскрытыми из-за недостаточно высокой температуры

и содержат находящиеся в дифференцированном состоянии органоиды. В процессе обработки товарных какао бобов затруднено выделение из таких какао бобов масла, Сахаров, азотистых и других веществ, что снижает эффект обработки.

Целенаправленная обработка какао бобов или какаопродуктов может привести к освобождению содержимого клеток, повышению качества продукции и дать экономический эффект. Одним из путей достижения этой цели является механическое вскрытие клеток - разрушение клеточных стенок. Размер частиц в этом случае должен соответствовать размеру наименьших клеток. Второй путь — повышение проницаемости клеточных оболочек и клеточных мембран для соединений, содержащихся в клетках.