Importanta Cerealelor

CAPITOLUL 1

CARACTERISTICI GENERALE

Caracteristici generale și importanța cerealelor

Cerealele sunt plante care fac parte din familia Gramineae și au însușiri fiziologice comune. Cele mai cultivate cereale pe glob sunt următoarele: grâul, triticale, orzul, ovăzul, secara, porumbul, sorgul, meiul și orezul. Hrișca face parte tot din această grupă datorită compoziției chimice și a utilizărilor asemănătoare cu a celorlalte specii, deși hrișca este din altă familie botanică – Polygonaceae.

Cerealele au o importanță deosebită în hrana animalelor, se folosesc pentru furajarea animalelor și constituie materia primă de bază pentru industria alimentară. Circa 55% din proteine, 15% din lipide și 70% din glucide, în total 50-55% din caloriile consumate în lumea întreagă provin din cereale. În țara noastră cerealele se cultivă pe suprafețe mari, cele mai cultivate fiind grâul și porumbul.

Caracterizarea grâului

Grâul este o plantă ce aparține genului Triticum din familia Gramineae. Bobul de grâu provine din fecundarea și dezvoltarea ovarului. La unele specii, după recoltare, boabele rămân îmbrăcate în palee, dar la majoritatea speciilor ( T. Vulgare, T. Durum, T. Turgidum etc. ), la treierat, boabele ies din palee. Prin formă, culoarea și aspectul suprafeței se deosebesc boabele diferitelor soiuri de grâu. Forma poate fi alungită, eliptică, ovală sau rotunjită. Suprafața bobului poate fi netedă, aspră sau zbârcită pe porțiuni mai mult sau mai puțin întinse. Culoarea bobului de grâu variază de la alb-gălbui, galben până la roșu de diferite nuanțe. Partea bombată a bobului se numește partea dorsală, iar cea adâncită partea ventrală. Pe partea ventrală a bobului există o adâncitură numită șanț. La partea superioară, bobul de grâu prezintă un smoc de perișori scurți, iar la partea inferioară se află embrionul [3]. Grâul este o plantă bogată în proteine, acestea fiind reprezentate prin prolamine , glutenine, globuline și albumine. Aceste proteine asigură creșterea și dezvoltarea organismului ele deținând un rol biocatalitic și energetic foarte important. Grâul conține o mare cantitate de amidon (65-70%), principalul component al bobului, precum și unele zaharuri fermentescibile (maltoza, zaharoza). Toate acestea au un rol energetic foarte important. Embrionul de grâu conține lipide (2-4%) care sunt bogate în acizi grași nesaturați, precum și în tocoferol sau vitamina E (4-7 mg%). Boabele de grâu sunt bogate în vitamine din grupul B: vitamina B1 (0,5-0,8 mg%), vitamina B2 (0,2-0,4 mg%), vitamina B5 (3-5 mg%), vitamina B6 (3-6 mg%), vitamina PP (2-5 mg%). Din grupul K se găsesc vitaminele K1, K2 și K3, în cantități limitate găsindu-se și vitamina H. În schimb, boabele de grâu sunt sărace în vitamina A și nu conțin deloc vitaminele C și D. Grâul conține aproape întreaga gamă de aminoacizi esențiali, totuși lizina, metionina, treonina și tirozina se găsesc în cantități insuficiente trebuințelor omului [2].

Structura anatomică a bobului de grâu

Bobul de grâu este format din învelișul fructului sau pericarpul, stratul aleuronic, embrionul, barba și corpul făinos sau endospermul. Pericarpul este format din trei straturi suprapuse și anume epicarpul, mezocarpul și endocarpul.

Figura 1.1 Structura bobului de grâu

Epicarpul este foarte subțire, fiind format dintr-un singur rând de celule care au o membrană celulozică rezistentă, în timp ce mezocarpul este mai gros și format din celule alungite, iar endocarpul este format dintr-un strat de celule foarte alungite, sub care se află un alt strat de celule, de formă cilindrică, așezate perpendicular pe primele, astfel încât să mărească rezistența endocarpului. Sub endocarp și lipit de aceasta se află învelișul seminței sau spermoderma. Acest înveliș este format din stratul brun și stratul hialin. Stratul aleuronic este format din celule mari, pereți groși și secțiune aproape pătrată. Endospermul sau corpul făinos cuprinde cea mai mare parte a bobului ( ~ 84% ), reprezentând sursa principală de materii nutritive pentru dezvoltarea embrionului. În centrul endospermului se găsesc granule mari de amidon. Embrionul conține organele viitoarei plante ( rădăcina, tulpinița și mugurele terminal). Embrionul este protejat în partea endospermului de cotiledonul seminței. El este îmbrăcat numai de pericarp, nefiind protejat de tegumentul seminal și de stratul aleuronic. Reprezintă o proporție de numai 1,5 % din bobul întreg. Embrionul este asezat in partea opusa varfului care are perii sau barba si contine organele viitoarei plante. In partea endospermei, embrionul este protejat de un scutisor care este cotiledonul semintei de grau. prin stratul epitelial se face legatura cu endospermul se unde absoarbe materiile de rezerva hidrolizate în faza germinativă a bobului [3].

În tabelul 1.1 este prezentată proporția diferitelor părți anatomice ale bobului de grâu.

Tabelul 1.1 Proporția părților anatomice ale bobului de grâu

Compoziția chimică a bobului de grâu

Compoziția chimică a bobului de grâu depinde de foarte muți factori, cei mai importanți fiind: soiul, gradul de maturitate a boabelor, compoziția solului, clima etc. Compoziția chimică a bobului de grâu se referă la principalele componente ale acestuia și anume: umiditatea, glucide, substanțe proteice, lipide, substanțe minerale, vitamine și enzime.

Apa

Apa este un element important în păstrarea cerealelor. Grâul se păstrează în condiții bune dacă are un conținut sub 13%, însă în cazul în care depășește 14% apar procese biochimice de fermentație care determină alterarea bobului de grâu. Umiditatea influențeaza proprietățile fizice: rezistenta la sfărâmare și plasticitatea învelișului. Astfel, boabele cu umiditate redusă se mărunțesc puternic producând grișuri și randamentul în făină albă scade, înrăutățindu-se în același timp și calitatea făinii iar cele cu umiditate mare cer un consum de energie ridicat la măcinare iar curățirea grișului este anevoios și diminueaza randamentul în făina.

Glucidele

Partea cea mai mare a bobului de grâu o reprezintă glucidele și constituie substanțe de rezervă ( amidon, zaharuri, dextrine), substanțe de constituție a învelișului celular și a scheletului învelișurilor protectoare ale bobului (celuloza, hemiceluloza). Clasificarea glucidelor în funcție de structura lor chimică este următoarea: monozaharide, dizaharide, polizaharide. În bobul de grâu, monozaharidele se găsesc în cantități foarte mici, iar conținutul de glucoză variază între 0,09-0,3% iar cel de fructoza între 0,06-0,08%. Se găsesc și cantități foarte mici de riboză, xiloză, manoză și galactoză. Deși endospermul conține cea mai mare parte din glucide, conținutul în mono și oligozaharide este infim comparativ cu embrionul și învelișul.

Polizaharidele prezente în cereale sunt:

Glucofructani cu o masă moleculară de 2000, solubile în apă. Pe cale cromatografică s-a putut determina sitosina în boabele de grâu, germinina A în boabele de secară, kritesina și hordiacina în boabele de orz.

Hemiceluloze și pentozani, identificați în aproape toate părțile componente ale bobului.

Celuloza se găsește în cantitate mică.

Amidonul este partea cea mai importanta din glucide. În structura amidonului exista doua tipuri de macromolecule: amiloza și amilopectina. Structura secundara a amidonului este condiționată de existența punților de hidrogen.

În bobul de grâu amidonul se află sub forma unor granule de diferite mărimi și forme. În majoritatea cazurilor granula de amidon este sferică, ovodoidală cu dimensiuni de 2-170 mm.

Proteine

Proteinele sunt distribuite neuniform în diversele părți componente ale structurii anatomice ale bobului de grâu: în epiderma 4%, stratul de celule rotunde 11%, învelișul seminal 18%, stratul aleuronic și membrana hialină 33%, 11% în corpul făinos și în germeni 23%. Principalele categorii de proteine sunt următoarele: Albuminele se găsesc în citoplasma celulelor vii, în calitate de substanțe de rezervă, în stratul aleuronic, învelișul bobului și embrion. Conținutul de albumină al bobului de grâu variază între 0,3-0,5%. Globulinele sunt concentrate în embrion sub forma de nucleat de globulină. Globulina grâului numită edestina, se găsește în proporție de 0,6%. Prolaminele, dintre care gliadina grâului este cea mai importanta se găsește în endospermul și care împreuna cu glutenina (zimona), formează glutenul. Glutelinele au caracter acid. Cea mai importantă este glutenina grâului, componenta care rămâne insolubilă prin extragerea glutenului cu alcool de 70%. Dintre proteine cele mai importante sunt gliadina și glutenina, care în prezența apei formează o masa elastico-vâscoasă numită gluten, ce conferă aluatului principalele însușiri de panificație. Substanțele proteice sunt distribuite neuniform în endospermul, crescând ca pondere din centru spre periferie. Dupa conținutul de gluten endospermul se poate împărți în cinci zone: zona întâi conține 7,4 % gluten, zona a doua 8,6%, zona a treia 9,5%, zona a patra 13%, zona a cincea 16.5%. Conținutul în gluten este influențat de forma și mărimea boabelor. Boabele de forma alungită și soiurile de grâu cu bobul mic sunt mai bogate in gluten.

Lipidele

Lipidele sunt răspândite în mod deosebit în embrion, stratul aleuronic și endospermul. Distribuția lipidelor: Lipidele sunt combinații chimice ușor oxidabile, putând determina alterarea proprietăților organoleptice ale făinurilor. Din totalul lipidelor trigliceridele reprezinta 63-70%. În compoziția trigliceridelor intră o serie de acizi grași: Lipidele complexe sunt scindate de fosfataze, cu punerea în libertate de fosfati acizi și acid fosforic. Acizii grași, fosfații acizi, acidul fosforic determină creșterea acidității grâului și făinii.

Substanțe minerale

Substanțele minerale sunt răspândite neuniform în părțile componente ale bobului. Cantitatea cea mai mică se găsește în endospermul 0,3% în zona centrală, crescând către periferie la 0,48%. În stratul aleuronic cantitatea de substanțe minerale crește la 7%, iar în spermodermă și pericarp scade la 3,5%. Embrionul are 5% substanțe minerale. Concluzia este că straturile periferice care de regulă se îndepartează în procesul tehnologic de măcinare sub formă de tărâțe, sunt bogate în substanțe minerale. În compoziția cenușii, rezultate prin calcinarea boabelor, elementele sunt grupate în două grupe:

grupa I: C, O, H, N, S, P ce se găsesc în proporție de 95-98,5%.

grupa II: care se găsesc în proporție de 1,5-5% și se pot grupa astfel:

macroelemente: K,Mg, Na, Fe, Al,Si, Ca, – în proporție de 0,1-0,01%

microelemente: Mn, B, Sr, Cu, Zn, Ba, Ti, Li, I, Br, Mo, Co – în proporție de 0,001- 0,00001%

ultramicroelemente: Cs, Se, Cd, Hg, Ag, Au, Ra – în proporție de 0,000001%

Pe baza conținutului de cenușă se poate realiza clasificarea făinurilor pe clase de calitate. Dacă se considera ca secțiunea bobului ar prezenta 100 de straturi concentrice, atunci extracțiile (tipurile) de făină pot fi de trei categorii:

– extracții simple, care au limita inferioara 0, iar limita superioară variabilă (0-30, 0-70)

– extracții intermediare, la care ambele limite sunt variabile (0-30, 20-70, 30-70) – extracții complementare la care limita superioară este fixă iar cea inferioara variabila (30-100, 70-100) cu referire specială la tărâțe.

1.2.2.6 Enzimele

Acestea reprezintă o clasa importantă de substanțe ce catalizează o serie de reacții biochimice. Bobul de grâu conține un număr mare de enzime din clasele hidrolaze, transferaze, oxidoreductaze, liaze, izomeraze, sinteaze. Enzimele determină procesul de germinație și metabolismul componentelor chimice ale bobului, pe care le transformă în stare asimilabilă de către noua plantă în procesul de dezvoltare.

1.2.2.7 Vitamine

Vitaminele existente în bobul de grâu constituie o sursă importantă pentru necesitățile catabolismului și anabolismului uman. Distribuția vitaminelor este diferită în părțile anatomice ale boabelor. În bobul de grâu se găsesc următoarele vitamine: B1 (tiamina), B2 (riboflavina), PP (niacina), E (tocoferol), A, acid pantotenic, acid folic, biotina [4].

Micotoxinele din cereale

Micotoxinele desemnează metaboliți secundari secretați de mucegaiurile care aparțin în principal genurilor Aspergillus, Penicillium și Fusarium, prezente în mod natural în aer, pe pământ și pe culturi. Micotoxinele sunt considerate ca fiind parte din contaminanți alimentari cei mai semnificativi în ceea ce privește impactul asupra sănătății publice, securității alimentare și asupra economiei a numeroaselor țări. Acestea se găsesc pe o mare varietate de produse alimentare înainte, în timpul și după recoltă. Micotoxinele afectează numeroase produse agricole, anume cereale, fructele, nucile, boabele de cafea, orezul și plantele oleaginoase, care sunt substraturi foarte sensibile la contaminarea cu mucegaiuri și la producerea de micotoxine. Prin diversitatea efectelor lor toxice și a propietăților lor sinergice, micotoxinele prezintă un risc pentru consumatorul alimentelor contaminate. Ele nu sunt imperceptibile simțurilor umane ( miros, culoare și gust) și mai mult, ele nu sunt distruse în timpul gătitului [5]. O mare varietate de ciuperci pot produce micotoxine, s-au raportat aproximativ 25% din cerealele produse în lume ca fiind contaminate cu micotoxine. Contaminarea cu micotoxine a cerealelor produce efecte adverse asupra consumatoriilor din toate grupele de vârstă [6].

Tabel 1.2 Specii fungice producătoare de micotoxine

1.3.1. Principalele tipuri de micotoxine ce sunt întâlnite în cereale

În prezent, mai mult de 400 de micotoxine sunt identificate în lume, dar cele mai importante grupuri de micotoxine care apar destul de des în produsele alimentare sunt:

Aflatoxinele

Ochratoxina

Zearalenona

Desoxinivalenol

Fumonisine

1.3.1.1. Aflatoxinele

Sunt micotoxine produse de mucegaiuri din genul Aspergillus, mucegaiuri prezente în multe locuri și sunt puțin exigente la creștere: temperatura cuprinsă între 6 si 50˚C. Din acest motiv, numeroase produse alimentare destinate consumului pot conține aflatoxine în cantități uneori importante: alune, porumb, grâu, fistic, cacao, cafea, manioc, soia. Metabolizate de diverse enzime microzomiale, aflatoxinele sunt eliminate sub formă de glucorani pe cale urinară, prin lapte sau bilă, dar pot apărea anumiți derivați epoxidici. Aflatoxinele au de asemenea un efect puternic teratogen și pot provoca moartea în câteva ore sau câteva zile, în funcție de cantitata de micotoxină și sensibilitatea animalului.

1.3.1.2. Ochratoxina

Aceast tip de micotoxină este un metabolit secundar, elaborat de diferite mucegaiuri din genurile Aspergillus și Penicillium. Producția de ochratoxina A este legată de temperatura, umiditatea mediului ambiant și conținutul de apă al suportului contaminant. Valorile minimale ale umidității pentru producția de ochratoxină oscilează între 0,83 și 0,90, în funcție de mucegaiul studiat. Temperatura optimă pentru producția de ochratoxină de către Aspergillus ochraceus este de 28ºC, sinteza poate avea loc la temperaturi cuprinse între 15º si 37 ºC. Penicillium veridicatum însă crește într-o gamă de temperaturi care variază între 4º si 30ºC în prezența unei umidități de 22%. În regiunile cu temperatură scăzută, ochratoxina este produsă de mucegaiuri din genul Penicillium, iar în regiunile calde, ochratoxina este sintetizată de mucegaiuri din genul Aspergillus. Producția de ochratoxină A este legată de psihologia proprie a fiecărei specii de mucegai și de parametrii ecologici. În Europa și Canada, Penicilium verrucosum este considerat ca fiind principalul mucegai producător de ochratoxina A în cereale, formându-se în general pe alimente acide. Concentrațiile de ochratoxina A, regăsite în alimente sunt foarte variate, și sunt cuprinse între câteva ng/kg până la multe zeci de mg/kg. Mucegaiurile producătoare de ochratoxina A pot dezvolta și alte toxine sau pot cu alte mucegaiuri să producă toxine diferite ca citrinina sau aflatoxine.

1.3.1.3. Zearlenona

Poate fi produsă de diferite specii de Fusarium: Fusarium culmorum, Fusarium graminearum și Fusarium Crookwellense. Este un compus cristalin, de culoare albă. A fost numită inițial toxina F2. Condițiile optime pentru a se produce sunt umiditate ridicată și temperatură scăzută. Contaminarea fungică intervine pe câmp, porumbul prezentând un mucegai roșu. Dar producția de toxine se realizează în principal în timpul depozitarii. Nu prezintă efecte toxice cronice.

1.3.1.4. Desoxinivalenol

Desoxinivalenol numit și vomitoxină este cea mai răspândită micotoxină din lume și este produsă de F. Graminearum și F. Culmorum. Este întâlnită în cerealele neprocesate, grâu și ovăz.

1.3.1.5. Fumonisinele

Sunt produse de diferite specii de Fusarium, în special de Fusarium moniliforme. Cele mai toxice fumonisine sunt fumonisina B1 și fumonisina B2. Se găsesc în principal în porumb și produsele pe bază de porumb. Are o structură liniară din 20 atomi de carbon cu grupări metil, hidroxil și doi substituienți cu masa mai mare Au de asemenea o funcție aminică primară care ii conferă o reactivitate interesantă și o solubilitate în mediu apos. Sunt hepatotoxice, nefrotoxice. Se găsesc de obicei în porumb, dar și în orez, mirodenii, bere.

Metalele grele din cereale

Ioni de metale grele au efecte letale asupra tuturor formelor de viață, iar acestea intră în lanțul alimentar prin eliminarea deșeurilor în canalele de apă. În partea de sus pe lista toxicității se afla Plumbul, Mercurul, Cadmiu și Crom (VI). Datorită efectelor toxice, industriile sunt sfătuite ca apele reziduale să fie tratate în mod sistematic pentru a elimina la minimum conținutul de metale în deșeuri [7]. Metalele grele cele mai întâlnite la cereale sunt Hg, Cd, As și Pb :

Mercurul- este o substanță toxică, în concentrații mici provoacă insomnie, dureri de cap și oboseală iar în concentrații ridicate inflamarea stomacului, afecțiuni ale rinichilor și pierderi de memorie. În agricultură este folosit pentru proprietățile sale fungicide, în prevenirea și combaterea măluriei, fuzariilor, tăciunelui.

Cadmiul- are o puternică acțiune toxică asupra tuturor organismelor vii. Se acumulează în rinichi și în cantități mai mici în ficat și alte organe.

Arsenul- ajunge în organismal uman prin intermediul apei și alimentelor. Consumul acestui metal a fost asociat cu creșterea riscului de cancer de vezică urinară,piele și plămâni. La cereale, orezul are conținutul cel mai ridicat datorită mediului de creștere apos. Arsenul se dizolvă foarte bine în apă.

Plumbul- din atmosferă ajunge în special în sol, ape. În sol este absorbit de plante, în special de rădăcini. Prezența plumbului în organism afectează fertilitatea la barbate, riscul de avort spontan sau chiar pierderea sarcinii la femei.