Значение пищевых продуктов в питании человека определяется их химическим составом. Зерно каждой культуры в зависимости от сорта, условий выращивания и других факторов может иметь различный химический состав, но при любых условиях в зерне имеются практически все необходимые вещества для развития человеческого организма.

Такие зерновые культуры, как пшеница, рожь, гречиха, ячмень, просо, кукуруза и соя широко распространены на территории РФ и, кроме того, за счет достаточно высокого содержания углеводов, белков, жиров, минеральных веществ и витаминов являются ценным и недорогим сырьем для производства пищевых продуктов.

Биохимический состав зерна характеризуется макронутриентами — углеводами, белками, жирами и микронутриентами — минеральными веществами, витаминами и другими биологически активными компонентами. В первую очередь химический состав зерна определяется видом, однако он может существенно меняться в зависимости от места и условий выращивания. Средний химический состав зернобобовых и масличных культур приведен в табл. 1.

Таблица 1. Средний химический состав различных культур (%)

Углеводы составляют главную массу зерна и семян — примерно две трети. Это основной питательный и опорный материал растительных клеток и тканей. Велика их роль в питании человека; они представляют собой энергетический материал — главный источник калорий. Важнейшие углеводы, встречающиеся в зерне, представлены на рис. 1.

Рис. 1. Классификация углеводов зерна

По пищевой ценности углеводы делятся на усвояемые и неусвояемые. К первым относятся глюкоза, фруктоза, сахароза, лактоза, мальтоза и альфа-глюкановые полисахариды — крахмал, декстрины и гликоген. Ко вторым — целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, камеди и слизи.

В последнее время повышенное внимание привлекают полисахариды второго порядка — целлюлоза (клетчатка), гемицеллюлоза (полуклетчатка) и пектин. Вместе с лигнином они объединяются в группу веществ, названных пищевыми волокнами, которые плохо усваиваются организмом человека, из-за чего их часто называют балластными веществами. При этом они играют важную роль в процессах функционирования пищеварительного тракта.

Пищевые волокна являются строительным материалом стенок клетки растений. Клетчатка — наиболее распространенный углевод с высокой молекулярной массой — образует структурную основу оболочек растительных клеток. Основное ее физиологическое назначение — связывать воду. В зависимости от происхождения и степени предварительной обработки усвояемость клетчатки составляет от 6 до 23 %, перевариваемость клетчатки пшеничных отрубей около 15 %.

В стенках клетки зерна каркас из клетчатки заполнен гемицеллюлозой и лигнином. Гемицеллюлоза по своему функциональному назначению и свойствам занимает промежуточное положение между клетчаткой и крахмалом. С одной стороны, как и клетчатка, она является строительным материалом стенок клетки, с другой — запасным питательным веществом, как и крахмал. Гемицеллюлоза нерастворима в воде, способна удерживать воду и связывать катионы, ее перевариваемость составляет 69…95 %. Среднее содержание клетчатки и гемицеллюлозы в зерне представлено в табл. 2.

Таблица 2. Содержание полисахаридов в зернобобовых культурах (% на сухое вещество)

Пектиновые вещества, или пектины, содержатся в первичных клеточных стенках и межклеточных тканях. Водонерастворимая форма пектина называется протопектином. Одно из важнейших свойств пектина — способность образовывать комплексы при взаимодействии с тяжелыми металлами и радионуклидами. Это особенно важно для питания лиц, имеющих контакт с неблагоприятной радиационной средой или средой, загрязненной тяжелыми металлами.

Лигнин — высокомолекулярное соединение, состоящее из полимеров ароматических спиртов. В организме это вещество способно связывать соли желчных кислот и другие органические вещества.

Белки — сложные высокомолекулярные органические вещества со строго определенным составом и строением. Они содержат углерод, азот, водород и серу. С белками связаны все основные жизненные процессы организма. Они участвуют в образовании иммунных тел, передаче генетической информации, транспортировании веществ в организме, регулируют и катализируют биохимические реакции в процессе обмена веществ. Около 40 % белковой массы продукта используется как источник энергии, а остальное — как пластический материал и биологически активные вещества.

Простые белки (протеины) построены только из аминокислот. В состав сложных белков, помимо аминокислот, входят нуклеиновая и фосфорная кислоты, углеводы и ряд других веществ. Белки не синтезируются организмом из других макронутриентов (углеводов, жиров) и не запасаются впрок в виде резерва, как, например, жиры, поэтому источником их синтеза являются аминокислоты, поступающие с белками продуктов питания. Аминокислоты — это гетерофункциональные соединения, которых известно более 200, но в состав белков входят только 20 постоянно встречающихся. Из них 8 не синтезируются в организме человека, а синтезируются только растениями, поэтому их необходимо получать с пищей.

К таким незаменимым аминокислотам относятся: валин, лейцин, изолейции, треонин, метионин, лизин, фенилаланин и триптофан. В детском организме не синтезируются также гистидин и аргинин. Дефицит всех этих аминокислот не компенсируется за счет активизации биохимических реакций синтеза в организме и приводит к болезненным последствиям.

Биологическая ценность белков, таким образом, определяется количеством и соотношением входящих в них аминокислот. Белки различаются также по усвояемости. Лучше всего (на 96…98 %) усваиваются белки молока и яиц, а белки злаковых и бобовых усваиваются на 70…80 %.

Сравнительный аминокислотный состав некоторых видов зернобобовых и масличных культур представлен в табл. 3.

Белки злаковых культур неполноценны по ряду незаменимых аминокислот, в первую очередь по лизину, метионину, триптофану и треонину. В то же время горох и соя, да и все бобовые, содержат высокий процент лизина.

По своему аминокислотному составу белок сои наиболее приближен к животным белкам, чем и определяется его пищевая ценность.

Под действием физических (в первую очередь температуры), химических и биологических факторов белки денатурируют — меняется их структура, что сказывается на их качестве.

Особое внимание стоит обратить на белок зародыша сои. Он имеет повышенную биологическую ценность, поскольку является концентратом структурных и ферментативных белков, близких по своим свойствам к физиологическим белкам животной ткани. Его усвояемость составляет 91,6 %.

Таблица 3. Содержание незаменимых аминокислот в белках зерновых, бобовых и масличных культур (%)

По данным ФАО.

Кроме белка, в зародыше сои также имеются различные формы небелкового азота (10…15 % от общего азота) — это такие биологически активные вещества, как аспарагин (0,3…0,6 %), аллантоин (0,7 %), бетаин (0,3…0,6 %), холин (2,6…3,3 %), лецитин (1,25 %), глютамин (0,35…0,5 %).

Такие бобовые культуры, как горох, соя, фасоль, вика, чечевица, кормовые бобы, люпин и другие содержат белка в 2…3 раза больше, чем зерно злаковых. В семенах сои и люпина белки могут достигать 40 %, а в некоторых видах люпина их было обнаружено 61,27 % к весу сухой массы.

Белки бобовых культур хорошо растворимы (в воде и 10 %-ном растворе хлорида натрия), что улучшает их использование организмом животных.

Биологическая ценность для большинства бобовых равна 75…85 %. Некоторые исследователи утверждают, что белки сои равноценны белку молока. Характерной особенностью белка зерна бобовых является аминокислотный состав, почти соответствующий аминокислотному составу кормов животного происхождения. Поэтому зерно бобовых является хорошим белковым дополнителем рационов, содержащих большое количество легкодоступных белков с высокой концентрацией незаменимых аминокислот.

По сравнению со злаковыми в зерне бобовых культур меньше крахмала и больше сахаров. В них мало (за исключением люпина, сои и нута) жира, представленного насыщенными жирными кислотами с низким йодным числом.

В отличие от семян зерновых культур, содержащих преимущественно углеводы, масличные семена очень богаты белками. Наиболее богаты белками (в %): семена подсолнечника — от 26,0 до 29,2; хлопчатника — от 29,5 до 43,5; льна — до 33,8; горчицы — до 30,0; преобладают белки типа глобулинов, альбуминов и меньше глютелинов и нерастворимых.

Значительно меньше в масличных семенах содержится углеводов; так, в ядре семян подсолнечника их будет 8,54 %, хлопчатника — до 14,08 %. Большое количество фосфатидов содержат (в %): соя — до 2, подсолнечник — 0,94, хлопчатник — 0,94, конопля — до 0,88.

Липиды зерна объединяют большое количество разнообразных по составу веществ, основную долю из которых (63…65 %) составляют жиры — простые липиды, причем 70…85 % жиров представлены триацилглицеролами ненасыщенных жирных кислот: олеиновой, линолевой и линоленовой. В силу этого многие растительные масла жидкие.

Кроме того, различают большую группу сложных липидов (фосфатидов), отличающихся от жиров содержанием фосфорной кислоты, и циклических липидов (стеролов и стеридов). Жир содержится главным образом в алейроновом слое и зародыше. Содержание жира в зародыше зерна (в %, в среднем): пшеницы — 14, проса — 22, гречихи — 17, кукурузы — 30. Некоторые из жиров имеют биологически активные вещества — например, сложные липиды: фитин — источник витамина инозита, липид эргостерол — является провитамином D.

В зерне и семенах преобладают лецитин, кефалин. Это фосфатиды, которые вместе с белками образуют липопротеиды. Они, особенно лецитин, — поверхностно-активные вещества, прекрасные эмульгаторы, широко применяются в производстве шоколада, маргарина и в качестве веществ, предохраняющих жиры от окисления и прогоркания. В зерне пшеницы, ржи, ячменя и риса содержится 0,3…0,6 % фосфатидов, в зародыше пшеницы — 1,6 %, в семенах подсолнечника — 0,7…0,8 %, сои — 1,6…2 %, в зародыше сои — 3,15 %.

Витамины в зерне представлены семью водорастворимыми витаминами: В1 (тиамин), В2 (рибофлавин), В3 (пантотеновая кислота), В6 (пиридоксин), РР (ниацин), Н (биотин), миоинозит в виде фитина, и тремя жирорастворимыми: витамины А, D и Е (табл. 4). Аскорбиновая кислота (витамин С) в зрелых зернах практически не содержится и появляется лишь при прорастании зерна.

Таблица 4. Содержание витаминов в зерновых, бобовых и масличных культурах (мг на 100 г)

Примечания: * — для взрослого населения; Н/у — неустойчив; У — устойчив; О/у — ограниченно устойчив.

Зерно и зернопродукты считаются основными источниками витаминов РР и Е, группы В. Витамины В1, В2 и В6 содержатся в ржаном и пшеничном хлебе, пшеничном зародыше и отрубях, пантотеновая кислота (В3) — в изделиях из ржи, ниацин (РР) — в пшеничном зародыше и ячменных зернопродуктах, биотин (Н) — в овсе, кукурузе и горохе. К примеру, зародыш пшеницы содержит (в мг на 100 г): В1 — 0,24…6,0, В2 — 0,3…1,45, В3 — 0,3…2,6, В6 — 0,7…30, витамин РР — 3,4…7,5, фолиевую кислоту — 0,3…0,7 и токоферол — 15…30.

Минеральные вещества составляют 2…5% от сухого вещества зерна, основа которого — углерод (45 %), кислород (42 %), водород (6,5 %) и азот (1,5 %), образующие его органическую часть. На количественном и качественном составе минеральных веществ сильно сказываются условия выращивания, в том числе химический состав почв.

В соответствии с количественным содержанием, минеральные вещества в зерне принято делить на следующие:

• макроэлементы — Р, K, Мg, Nа, Са;
• микроэлементы — Fе, Мn, Сu, Zn, Sе, I, Мо, Со и др.;
• ультрамикроэлементы — Сs, Сd, Нg, Аg, Аu, Rа.

Содержание некоторых элементов в зернобобовых и масличных культурах, рекомендуемая среднесуточная норма потребления минеральных веществ для человека приведены в табл. 5.

Таблица 5. Содержание некоторых минеральных элементов в зерне (мг на 100 г)

Зола бобовых на 75 % состоит из фосфора, калия, на долю других элементов приходится 25 % веса золы. По сравнению с зерном злаковых в них меньше магния и больше кальция и особенно серы, поэтому бобовые служат ценным источником этих элементов в кормлении животных. Кроме того, в них имеются марганец, медь, молибден, бор, йод, кобальт, цинк и др.

В зерне бобовых в значительных количествах обнаружены витамины В1 и В2 , РР, А, Е, K, D и С. Витамины группы В находятся преимущественно в оболочках семян, а жирорастворимые (A, D, Е) — в зародышах.

Недостатком некоторых бобовых культур является содержание в них алкалоидов — в семенах люпина (особенно токсичны узколистные и белые сорта), гликозидов — в семенах фасоли и вики некоторых сортов, в сое присутствует несколько подобных веществ.

Рассмотренные показатели характерны для зерна в целом, однако, в силу различий функционального назначения отдельных анатомических частей зерна, их химический состав существенно различается. Основные запасы питательных веществ (белки, жиры и крахмал) сосредоточены в эндосперме и семядолях. Зародыш злаковых и оболочки содержит большую часть витаминов и микроэлементов. Эти же части зерна являются и основным источником пищевых волокон.

Масличные семена богаты различными органическими кислотами, в том числе лимонной, винной, хлорогеновой, щавелевой, малиновой, уксусной, а также различными витаминами и ферментами; так, в семенах подсолнечника содержится провитамин А и ферменты — каталаза, липаза, амилаза; в семенах хлопчатника — витамины Е, группы В и провитамин А. Особенно богаты витаминами и ферментами кукурузные и пшеничные зародыши, а также семена сои. В кукурузных зародышах содержится комплекс витаминов: Е, В1, В2, РР, С, провитамин А, пантотеновая кислота. Все масличные семена содержат красящие вещества — пигменты, придающие маслам различную окраску.

В масличных семенах присутствуют также минеральные вещества, в состав которых входит калий, натрий, кальций, марганец, магний, фосфор, бор и др. Масличные семена в зависимости от ботанического вида и сорта делятся на типы, которые подразделяются (по содержанию примесей и влаги) на классы. Семена горчицы сарептской (сизой) и белой имеют одинаковую шаровидную форму, но различаются размером и цветом. Первые имеют диаметр 1,65 мм, цвет темно-бурокоричневый или желтый, вторые — диаметр 2,26 мм и беловато-желтый цвет. Содержание жира в сарептской горчице выше, чем в белой.

Содержание жира в семенах конопли северных и умеренных районов выше, чем южных. Семена кунжута окрашены во все оттенки от белого до черного. Светлоокрашенные сорта содержат больше жира и расцениваются выше, чем темноокрашенные. Масличный лен включает семена льна-кудряша и межеумка. Семена льна-кудряша имеют наиболее высокое содержание жира, межеумка — несколько меньшее и долгунца — наименьшее.