Физико-химические основы переработки какао бобов

Раздел: Производство

Структуре тканей семядолей товарных какао бобов, ее связи со степенью ферментации и технологическими свойствами уделяется недостаточно внимания как в научной, так и в сдециальной технической литературе, в то время как от исходной структуры товарных бобов, бёзусловно, зависят технологические свойства как бобов, так и полуфабрикатов (какао тертое, шоколадные массы). Являясь продуктами тонкого диспергирования обжаренной какао крупки или смеси какао тертого с сахарной пудрой другими рецептурными компонентами, они содержат в составе дисперсионной среды и дисперсной фазы молекулярные компоненты клеток семядолей. Масло, выделенное из клеток, образует дисперсионную среду, остальные компоненты составляют дисперсную фазу. От полноты перехода масла и других компонентов из клеток семядолей в дисперсионную среду зависят реологические свойства полуфабрикатов, суммарный расход какао масла на производство единицы готовой продукции и химиче - ское взаимодействие между отдельными соединениями.

Новые, более глубокие исследования, основанные на изучении микроструктуры какао бобов, особенно срединной части семядолей, которая при ферментации может оставаться менее подверженной изменениям, помогут дать ответ на вопрос, до какой степени следует измельчать какаопродукты, чтобы процессы структурообразования свести к минимуму, и какое влияние могут оказать на структурооб- разование в шоколадных полуфабрикатах отдельные структурные зла- менты клеток. Последнее расширит представления о механизме струя*, турообразования в шоколадных полуфабрикатах и даст теоретическое обоснование дальнейшему совершенствованию шоколадного производства.

В исследованиях микроструктуры какао бобов, проведенных автором, преследовалась цель определить предельные размеры клеток, степень сохранения в товарных бобах целостности клеточных оболочек и клеточной структуры, главным образом в плотной срединной части бобов. Особое внимание было обращено на состояние жира в клетках, его дифференциацию, структуру крахмальных зерен.

Нам представляется, что клеточная структура срединной плотной части какао бобов, менее подверженной действию уксусной кислоты, тепла и спирта при ферментации, нарушается незначительно. И даже после термической обработки в какой-то степени продолжает сохраняться. Характер и степень нарушения структуры в конечном итоге определяют направленность и интенсивность химических и биохими- ческих процессов не только при обжарке какао бобов или какао крупки, но и при других технологических операциях.

Изменения клеточной структуры, безусловно, имеют значение для возникновения аромата и достижения необходимого качества обжаренных какао бобов.

Путем изучения микроструктуры семядолей с помощью современных световых и электронных микроскопов и методов ботанической микротехники удалось получить ответ на поставленные вопросы.

Поскольку на технологическую переработку поступают товарные какао бобы, т.е. семена, покрытые сверху оболочкой - какаовеллой, представляет практический интерес более подробно рассмотреть структуру какаовеллы и всего семени в целом.

Какаовелла. Представляет собой оболочку боба, имеет неоднород*» ную структуру в разрезе и различные свойства в зависимости от ее местоположения. Поперечные разрезы отчетливо показывают на®* личие нескольких слоев в ней ( 5). Внешняя оболочка какаовеллы состоит из крупных многоугольных сравнительно толстостенных клеток. Клетки вытянуты, длина значительно больше ширины (90 - 120 мкм.. против 25-50 мкм|,Под этой оболочкой находится губ- чатообразная клеточная ткань, состоящая из больших округлых рых®« лых клеток. Внутри ткани расположены звездообразные включения пустых клеток, образующих сосудопроводящие пучки толщиной 5 - 10 мкм. Далее идет слой каменистых клеток подковообразной формы. За какаоцеллой следует тонкий слой клеток серебристой пленки.

Толщина какаовеллы ферментированных бобов от 0§08 до 0,3 мм. Оболочка более или менее крепко пристает к ядру и имеет неодинаковую хрупкость. В бобах, относящихся к сортотипу Криолло, она отличается хрупкостью и рыхлой структурой, в бобах Ф.орастеро какаовелла жесткая и прочно прилегает к ядру. Крепкая связь какаовеллы с ядром отмечена в бобах Арриба, Айвори-Коста и др. При переработке бобов часть какаовеллы, ростка, серебристая пленка и зародыш попадают в какаопродукты, участвуя в формировании свойств последних.

Внешний слой лепесткового зародыша состоит из многоугольных клетокэ Во внешней оболочке и в ростке присутствуют так называемые тела Mitscherlichschen 9 состоящие из большого числа клеток, образующих цепочку.

Остальная часть лепесткового зародыша состоит из тонкостенной паренхимы, в которой проходят Отдельные связки с тонкими сосудо®» проводящими пучками. В больших клетках ткани размером 20 - 40 мкм находятся зерна крахмальные (2-12 мкм) и алейроновые (5 мкм).

Размер клеток ткани 15-30 мкм. На,. 6 представлен продольный разрез ростка вдоль зародышевой оси.

Семядоли (ядро). Исследования, проведенные автором на световом микроскопе МБИ-6 и электронном растровом микроскопе НЗМ- 2А (фирма ХитачиЯпония), позволили изучить микроструктуру семядолей бобов* Идентификация отдельных компонентов клетки проведена окрашиванием специфическими красителями, принятыми в биологической микротехнике £15, 48j в

Прежде всего необходимо было выяснить, насколько сохраняются клеточная структура и целостность оболочек в плотной -центральной части семядолей, наименее подверженной изменениям в процессе ферментации.

При просматривании тонких срезов ткани какао бобов даже без применения красителей наблюдали участки с полностью сохранившейся клеточной структурой, дифференцированной клеточными оболочками ( 7, а). Микрофотографии отчетливо показывают микроструктуру, образованную клетками овальной или многогранной формы. Среди клеток, заполненных различными компонентами, встречаются клетки, освобожденные от содержимого, вследствие чего они выглядят темными порами.

Клетки эти располагаются в виде цепочек, собранных из 4-5 клеток, или в виде отдельных клеток (7, 5 ). Размер их около 20 мкм. В некоторых клетках при просматривании срезов в сканирующем электронном микроскопе обнаружены включения. Ос таль - ные клетки* содержащие жир, алейроновые зерна9 крахмал и другие включения8 неоднородны по размеру. Среди клеток, размер которых составляет 15-20 мкмэ обнаружены клетки значительно меньшего размера- около 10 мкмэ также содержащие все компоненты. В плотной ткани обнаружены клетки, содержащие жир в виде вакуо«» лей ( 8).

Клеточные оболочки. Отличаются неоднородностью» Они как бы собраны из отдельных строительных элементов между которыми имеются просветы в виде канальцев. В клеточной стенке двух соседних клеток можно обнаружить три слоя? имеющие сложную высо« кодифферендированную структуру. Внутренняя оболочка как бы находится между оболочками двух соседних клеток.

Клеточные оболочки играют важную роль в живой ткани растений в процессе обмена веществ. Вода и растворенные в ней вещества поступают в растительную клетку через оболочку. Через нее испаряется вода, выделяемая из тканей. Путь, по которому перемещаются растворы или вода, представляет собой как бы трубопровод, состоящий исключительно из клеточных оболочек. Вследствие достаточной прочности они хорошо приспособлены к тому, чтобы ограничивать величину отдельных клеток и служить основой структуры ткани растений.

Обладая достаточной устойчивостью к деформации, клеточные оболочки зрелых растительных клеток при действии нагрузок растягиваются, проявляются обратимые упругие свойства. Чтобы вызвать такую деформацию, необходимо приложить большие напряжения [43].

Товарные какао бобыэ потерявшие всхожесть и функции живого организма8 отличаются значительной механической прочностью что в большей степени может быть обусловлено механической прочностью клеточных оболочек. Проведенные нами исследования микроструктуры какао бобов подтверждают это. Форма клеток правильна, недеформированная, четко дифференцированная. Для более четкой дифференциации клеточных оболочек применяли красители.

Поскольку мы не встречали в литературе достаточных сведений о составе клеточных оболочек ткани семядолей какао бобов, при выборе красителя руководствовались биологическими данными.

Как известно, основным веществрм клеточной оболочки растительной ткани преимущественно является целлюлоза. Мы также наблюдали целлюлозные структуры клеточных стенок семядолей какао бобов, окрашивая тонкие срезы хлорчцинк-йодом- красителем, наиболее часто применяемым для определения клетчатки [483.   Чистая

клетчатка окрашивается при этом в лиловый цвет, а одревесневшая - в желтый.

Окрашенные клеточные оболочки выглядели еще более неоднородными по структуре. Между структурными элементами оболочек, напоминающих отдельные бусинки, были видны просветы - поры, через которые осуществляется связь между соседними ; клетками. Можно полагать, что эти промежутки частично или полностью заполнены водой. По водным каналам может осуществляться транспорт веществ через клеточную оболочку. Обычно клеточные оболочки более проницаемы для растворов низкомолекулярных веществ. Размер клеточных оболочек ткани семядолей какао бобов, как показали исследования, составляет 0,5-1,5 мкм. Размер клеток в центральной части семядолей преимущественно 10-20 мкм. Внутренняя часть клеток заполнена различными молекулярными компонентами органической и неорганической природы.

В отличие от живой ткани, для которой характерно в высшей степени упорядоченное распределение веществ в структуре в зависимости от их функций, в товарных какао бобах, потерявших всхожесть в результате ферментации и сушки, распределение веществ, как можно полагать, носит случайный характер. Тем не менее, некоторые признаки живого в ткани бобов сохраняются, например небольшая активность полифенолоксидазы. Это вызвано, очевидно, тем, что процесс отмирания семян идет при ферментации неравномерно и зависит от объема ферментируемой массы, т.е. от толщины слоя. Быстрое повышение температуры наблюдается в верхних слоях ферментируемой массы, поэтому там имеют место наиболее высокая температура и более быстрое отмирание семян. В  2 приведены характерные для ферментации условия, при которых происходит отмирание семян.

5-часовое воздействие температуры 50°С убивает семена и вызывает окрашивание какао бобов вследствие диффузии пигмента клеток.

Изучение микроструктуры ткани семядолей и какаовеллы проводилось на световом исследовательском микроскопе МБИ-6 и электронном растровом микроскопе.

Растровый (сканирующий) электронный микроскоп обладает преимуществами перед просвечивающими электронными микроскопами. Одно из них и состоит в более простой методике подготовки образца. На получение четкого объемного фотографического изображения объекта требуется во много раз меньше времени, чем при светооптических или электронно-микроскопических исследованиях.

При подготовке образцов не требовалось изготовления ультратонких срезов и окрашивания. Срезы исследуемого объекта покрываются тонкой электропроводной пленкой, не нарушающей картины микроскопического и ультрамикроскопического строения

Наблюдение поверхности на телеэкране позволило получить общее представление о структуре, а кроме того, просмотреть наиболее характерные места при различном увеличении и произвести фотосъемку.

Структурные единицы клетки. Наличие остаточной активности по- лифенолоксидазы в товарных какао бобах свидетельствует о частичном сохранении не только клеток, но и отдельных структурных единиц (митохондрии, мембраны).

По имеющимся в литературе сведениям, в ряде растений и плодов полифенол- оксидазы локализируются преимущественно в митохондриях/Отсутствие конкретных данных, относящихся к топографии полифенолоксидазы в клетках какао бобов, позволяет только в предположительной форме высказать мнение в отношении возможности сохранения в незначительной части клеток плотных слоев семядолей, в которых не достигается максимальная при ферментации и сушке температура и незначительна концентрация уксусной кислоты, митохондрий и других структурных элементов клеток. В случае сохранения в клетках товарных какао бобов митохондрий должны сохраниться прежде всего мембраны. Известно, что митохондрии представляют собой относительно стабильные образования, которые можно, не повреждая, перемещать микроиглой внутри клетки.

Митохондрии подобно другим органоидам клеток (цитоплазма, вакуоль) покрыты мембранами. При помощи радиоактивных изотопов удалось показать, что проникновение ионов в клетку не всегда сопровождается осмотическими явлениями и что механизм, участвующий в переносе ионов, локализован внутри самой клеточной мембраны.

В клетках семядолей какао бобов, утративших всхожесть, маловероятно сохранение по всей толщине боба клеточных мембран. Но в плотной средней части семядолей, в клетках которых сохраняются митохондрии и другие органоиды клеток, можно предположить, что сохранены плазматические мембраны, мембраны липидных вакуолей, которые в силу своей ограниченной проницаемости наряду с клеточными оболочками препятствуют выделению липидов, молекулярных компонентов клеток, а тем самым и их взаимодействию. В условиях технологической обработки какао бобов и продуктов из них это может оказывать влияние на выход масла в дисперсионную среду, формирование ароматобразующих веществ.

Нашей задачей было, во-первых, теоретически Доказать возможность сохранения в части клеток семядолей клеточных мембран или других структурных единиц и, во-вторых, экспериментально (прямыми и косвенными методами) доказать существование указанных структур в части клеток ткани товарных какао бобов.

Вопросы, связанные со строением биологических мембран, их свойствами, особенно в живой клетке, имеют огромное значение.

По мере накопления экспериментальных данных менялись представления о структуре мембран, создавались модели, позволяющие описывать все более полно процессы, происходящие в живой клетке.

По одной нз схем мембрана состоит из двойного липидного слоя, обе поверхности которого покрыты белковыми молекулами.

Мембраны различаются по расположению белковых молекул. Благодаря белковым слоям мембрана обладает эластичностью и относительной механической прочностью. Данные электронной микроскопии подтверждают такое строение плазматической мембраны.

Типичным компонентом большинства мембран является фосфатидилхолин (ледин).

Проницаемость мембран в живой клетке обусловлена совокупностью различных механизмов: растворимостью веществ в липидах, наличием в мембранах пор и специальных ферментных систем.

Лизис клетки происходит вследствие повреждения полупроницаемой мембраны, нарушения комплекса структуры белок-липид, сопровождающегося выходом некоторых компонентов протоплазмы во внешнюю среду. Клетка утрачивает большинство водорастворимых компонентов содержимого, и внутрь входит значительное количество воды. В поврежденных мембранах белок-липидный комплекс разделяется на индивидуальные белки и ли пи д. Это наблюдается при воздействии на мембраны таких средств, как додецилсульфат натрия, органические растворители, кислоты, щелочи, которые вызывают денатурацию белка и разрушают водородные или ионные связи. Денатурация белка возможна также под влиянием нагревания. Отдельные факторы могут не вызывать прямого нарушения мембраны, а лишь подавлять активность энзиматических систем, находящихся на поверхности цитоплаз- матической мембраны и играющих основную роль в синтезе комплексов клеточной оболочки.

При ферментации большой массы какао бобов температура в середине кучи через 2-3 сут достигает 33-40°С (обычно фермента - ция продолжается около 3 сут), а рН - 6,5-5,7. Эти условия недостаточно благоприятны для денатурации белка.

Исследования влияния активной кислотности на структурный белок внешних мембран митохондрий, изолированных в чистом виде, показали, что повышение рН до 12 приводит к диссоциации структурного белка на мономеры. При нейтральной реакции происходит сильная агрегация белка, сопровождающаяся переходом глобулярно-мономер- ной формы в фибриллярную - полимерную.

Механизмы повреждения мембранных структур могут быть различны. Наиболее изученными из них являются дезинтеграция и ли- зщ? мембран в результате окисления ненасыщенных липидов, сопровождающегося образованием перекисей. Необходимым участником реакции переокисления являются ионы железа. Предполагают, что существуют два пути переокисления липидов в мембранах митохондрий: энзиматический (при малых концентрациях железа) и неэнзимати - ческий, который превалирует при больших концентрациях последнего. . Посмертное окисление липидов играет немаловажную роль в необратимой (биологической) гибели клетки.

При ферментации и сушке какао бобов окислительные процессы могут наступать с опозданием или вовсе не наступить из-за недостатка кислорода. В связи с этим не проявляется активность полифенолоксидазы, семядоли полностью или частично остаются фиолетовыми. В данном случае устраняется возможность окисления липидов мембран и разрушения белок-липидного комплекса.

Таким образом, нестабильные условия ферментации и сушки какао бобов на плантациях приводят к неравномерному их прогреву, недостаточному воздействию уксусной кислоты, спирта и кислорода воздуха. Это создает предпосылки для частичного сохранения мембранных структур или элементов комплексов структурной белок-липид, оказывающих влияние на проницаемость молекулярных компонентов леток, их контакт, взаимодействие и на выход масла.