Δημητριακά Δημητριακά ή σιτηρά είναι αποξηραμένοι ώριμοι καρποί φυτών. Τα πιο σημαντικά δημητριακά είναι το σιτάρι ή σίτος, το ρύζι, το καλαμπόκι ή αραβόσιτος, το κριθάρι, η σίκαλη και η βρώμη. Ο κόκκος του σιταριού αποτελείται από τρία κύρια μέρη: α) το εξωτερικό περίβλημα (13% του κόκκου), που περιέχει το μεγαλύτερο ποσοστό της κυτταρίνης και της τέφρας του κόκκου, και βιταμίνες. β) το ενδοσπέρμιο (85% του κόκκου), που περιέχει το μεγαλύτερο ποσοστό του αμύλου του κόκκου και πρωτεΐνες. γ) το φύτρο (2% του κόκκου), που περιέχει λιπαρές ύλες, πρωτεΐνες, ανόργανα άλατα και βιταμίνες. Μορφολογία του κόκκου του σιταριού. Τομή καρπού σιταριού.
Καλλιεργούνται πολλές ποικιλίες σιταριών, οι οποίες χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: α) σε σκληρά σιτάρια τα οποία έχουν υψηλότερο ποσοστό σε πρωτεΐνη και προορίζονται για την παραγωγή σιμιγδαλιών (παρασκευή ζυμαρικών) και αλευριών αρτοποιίας και β) σε μαλακά σιτάρια που είναι χαμηλότερα σε πρωτεΐνη και προορίζονται για την παραγωγή αλευριών αρτοποιίας και ζαχαροπλαστικής. Οι όροι σκληρό και μαλακό σιτάρι αναφέρονται στο γυαλιστερό του κόκκου δηλαδή στην περιεκτικότητα του κόκκου σε πρωτεΐνες, καθόσον το γυαλιστερό του κόκκου είναι συνάρτηση της ποσότητας της πρωτεΐνης που περιέχει το σιτάρι. To ρύζι ως προϊόν προκύπτει από την επεξεργασία των ώριμων καρπών του φυτού και προσφέρεται στο εμπόριο ως αναποφλοίωτο, αποφλοιωμένο και κατεργασμένο. Το καλαμπόκι χρησιμοποιείται για τη διατροφή του ανθρώπου και των ζώων και ως πρώτη ύλη για την παραγωγή διαφόρων προϊόντων (όπως αμύλου, γλυκόζης, οινοπνεύματος). Από τα φύτρα του καλαμποκιού με εκχύλιση, λαμβάνεται το καλαμποκέλαιο (αραβοσιτέλαιο). Η μισή παγκόσμια παραγωγή του κριθαριού χρησιμοποιείται ως ζωοτροφή ενώ ένα μεγάλο μέρος από το υπόλοιπο χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη στην ζυθοποιία για την παρασκευή της βύνης. Η βρόμη είναι πιο πλούσια σε λίπος και ανόργανα συστατικά από τα άλλα δημητριακά. Χρησιμοποιείται κυρίως ως ζωοτροφή, ενώ στη διατροφή του ανθρώπου χρησιμοποιείται με τη μορφή διαιτητικών προϊόντων (π.χ. κουάκερ). Η σίκαλη μαζί με το σιτάρι είναι τα δύο κύρια δημητριακά που χρησιμοποιούνται στην αρτοποιία. Η σίκαλη, εκτός από την παρασκευή αλεύρων και ψωμιού, χρησιμοποιείται στην παρασκευή αλκοολούχων ποτών, και στην παρασκευή ζωοτροφών.
Χημική Σύσταση Τα κύρια συστατικά των δημητριακών από ποσοτική άποψη, είναι το άμυλο (40-70%), η υγρασία (11-14%), οι πρωτεΐνες (7-13%) και το λίπος (1-6%). Επίσης, περιέχουν άλλους υδατάνθρακες (5-23 %), όπως πεντοζάνες, μαλτόζη, γλυκόζη, φρουκτόζη, και κυτταρίνη. Περιέχουν μικρές ποσότητες ανόργανων συστατικών (1-3%) όπως K, P, Mg, Ca, βιταμίνες, κυρίως του συμπλέγματος Β, και χρωστικές όπως καροτινοειδή, φλαβονοειδή. Η βρόμη περιέχει υψηλή συγκέντρωση λίπους. Η βρόμη, το κριθάρι και η σίκαλη περιέχουν χαμηλά επίπεδα αμύλου και υψηλά επίπεδα άλλων υδατανθράκων. Η υγρασία των δημητριακών είναι 11-14%, που προκύπτει με φυσική ή τεχνητή ξήρανση. Ενδεικτική σύσταση δημητριακών, % Δημητριακό Υγρασία Πρωτεΐνες Λίπος Άμυλο Άλλοι υδατάνθρακες Kcal/100g Σιτάρι 13.2 11.7 2.2 59.2 10.1 340 Ρύζι 13.1 7.4 2.4 70.4 5.0 310 Καλαμπόκι 12.5 9.2 3.8 62.6 8.4 352 Κριθάρι 11.7 10.6 2.1 52.2 19.6 320 Βρόμη 13.0 12.6 5.7 40.1 22.8 317 Σίκαλη 13.7 11.6 1.7 52.4 16.6 321
Αλεύρι Το αλεύρι είναι το προϊόν της άλεσης των δημητριακών. Από το βαθμό άλεσης εξαρτάται το ποσό του αλευριού που θα ληφθεί. Με μεγαλύτερο βαθμό άλεσης λαμβάνονται υψηλότερα επίπεδα τέφρας, βιταμινών, και το χρώμα είναι πιο σκούρο. Στο αλεύρι βρίσκονται και ένζυμα α- και β- αμυλάσες, πρωτεινάσες, λιπάσες, οξειδάσες όπως η λιποξειδάση. Μέση σύσταση των αλευριών, % Προέλευση αλευριού Υγρασία Πρωτεΐνες Λίπος Υδατάνθρακες Σιτάρι 11 13 2 69 Ρύζι 11 8 2 75 Καλαμπόκι 11 10 4 72 Κριθάρι 14 12 2 63 Σίκαλη 11 12 2 71
Πρωτεΐνες δημητριακών Οι σπόροι των δημητριακών είναι σημαντικές πηγές πρωτεϊνών. Όμως, έχουν μικρή θρεπτική αξία, χαμηλότερη από αυτή των περισσότερων ζωικών πρωτεϊνών, καθόσον υστερούν σε απαραίτητα αμινοξέα κυρίως σε λυσίνη. Οι πρωτεΐνες των δημητριακών διακρίνονται σε 4 κλάσματα ανάλογα με τη διαλυτότητά τους. Οι διαλυτές πρωτεΐνες είναι οι αλβουμίνες και οι γλοβουλίνες, ενώ οι αδιάλυτες είναι οι προλαμίνες και οι γλουτελίνες. Οι αλβουμίνες και οι γλοβουλίνες βρίσκονται σε τμήματα του καρπού, ενώ οι προλαμίνες και οι γλουτελίνες είναι πρωτεΐνες αποθήκευσης. Το καλαμπόκι και το σιτάρι έχουν υψηλά επίπεδα σε προλαμίνες, ενώ το ρύζι χαμηλά. Η σίκαλη έχει υψηλά επίπεδα σε αλβουμίνες και το καλαμπόκι χαμηλά. Το ρύζι έχει υψηλά επίπεδα σε γλουτελίνες και η σίκαλη χαμηλά. Όλα τα δημητριακά έχουν χαμηλά επίπεδα σε γλοβουλίνες.
Προλαμίνες Οι προλαμίνες είναι πρωτεΐνες διαλυτές σε αιθανόλη 60-70% w/v, και στα διάφορα δημητριακά έχουν διαφορετικές ονομασίες. Οι προλαμίνες του σιταριού (32.6%), ονομάζονται γλιαδίνες και είναι οι α-, β-, γ- και ω- γλιαδίνες. Διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το μοριακό τους βάρος, που είναι 30.000-40.000 (<100.000). Οι α-, β- και γ- έχουν ενδομοριακούς S-S-. Οι προλαμίνες του καλαμποκιού (47.9%), ονομάζονται ζεΐνες. Γλουτελίνες Οι γλουτελίνες είναι διαλυτές σε αραιά οξέα και βάσεις, και στα διάφορα δημητριακά έχουν διαφορετικές ονομασίες. Οι γλουτελίνες του σιταριού (45.7%), ονομάζονται γλουτενίνες. Έχουν την τάση να δημιουργούν συσσωματώματα με δεσμούς υδρογόνου, υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις και διαμοριακούς S-S-. To μοριακό βάρος των συσσωματωμάτων είναι μέχρι 1.000.000 (>100.000). Με διάσπαση των S-S- λαμβάνονται προϊόντα με ΜΒ 20.000-130.000. Οι S-S- είναι πολύ σημαντικοί για τις περισσότερες ρεολογικές ιδιότητες των αλεύρων. Οι γλουτελίνες του ρυζιού που αποτελούν το 77.3% των συνολικών του πρωτεϊνών ονομάζονται ορυζενίνες (η περιεκτικότητά τους σε λυσίνη είναι σχετικά υψηλή).
Οι αλβουμίνες και οι γλοβουλίνες είναι διαλυτές σε αραιά διαλύματα αλάτων, περιέχουν δισουλφιδικούς δεσμούς και ελεύθερες σουλφυδρυλομάδες. Οι πρωτείνες που δεν συμμετέχουν στο δίκτυο της γλουτένης είναι το περίπου 15 %. Είναι κυρίως οι αλβουμίνες και οι γλοβουλίνες, αλλά και πεπτίδια και αμινοξέα. Οι πρωτείνες που συμμετέχουν στο δίκτυο της γλουτένης είναι το περίπου 85 %, και είναι οι γλιαδίνες και οι γλουτενίνες. Περιεκτικότητα των δημητριακών σε πρωτείνες, % Πρωτεΐνες Σιτάρι Ρύζι Καλαμπόκι Κριθάρι Βρόμη Σίκαλη Αλβουμίνες 14.7 10.8 4.0 12.1 20.2 44.4 Γλοβουλίνες 7.0 9.7 2.8 8.4 11.9 10.2 Προλαμίνες 32.6 2.2 47.9 25.0 14.0 20.9 Γλουτελίνες 45.7 77.3 45.3 54.5 53.9 24.5
Αλεύρι Το αλεύρι είναι το προϊόν της άλεσης των δημητριακών. Από το βαθμό άλεσης εξαρτάται το ποσό του αλευριού που θα ληφθεί. Με μεγαλύτερο βαθμό άλεσης λαμβάνονται υψηλότερα επίπεδα τέφρας, βιταμινών, και το χρώμα είναι πιο σκούρο. Στο αλεύρι βρίσκονται και ένζυμα α- και β- αμυλάσες, πρωτεινάσες, λιπάσες, οξειδάσες όπως η λιποξειδάση. Με χρήση του αλευριού, αλατιού και ζυμούκητα παρασκευάζεται το ψωμί. Το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται με τη δράση του ζυμομύκητα συντελεί στη διόγκωση της αρτόμαζας. Γλουτένη Η ενυδάτωση των πρωτεϊνών γλιαδίνης και γλουτενίνης, δημιουργεί το συνεκτικό, ελαστικό, τρισδιάστατο δίκτυο της γλουτένης. Οι γλιαδίνες συμβάλουν στο ιξώδες (εκτατή ζύμη), ενώ οι γλουτενίνες στην ελαστικότητα της ζύμης. Η γλουτένη αποτελείται από πρωτεΐνες (90%), λιπίδια (8%) και υδατάνθρακες (2%). Κατά την παρασκευή του ζυμαριού (αρτόμαζα) η γλουτένη απορροφά σημαντικές ποσότητες νερού, περίπου το διπλάσιο του βάρους τους. Συμβαίνουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πρωτεϊνών με αποτέλεσμα τη δημιουργία του δικτύου της γλουτένης. Οι ιδιότητες της γλουτένης που προκύπτει, είναι παρόμοιες με εκείνες της γλιαδίνης και της γλουτενίνης.
Σχηματισμός γλουτένης από τη γλιαδίνη και τη γλουτενίνη. Η δομή της γλουτένης υπάρχουν διάφορα είδη αλληλεπιδράσεων μεταξύ πρωτεϊνώνπρωτεϊνών. Σχηματίζονται S-S- δεσμοί, όπως και δευτερεύοντες, δεσμοί υδρογόνου, ιοντικοί, υδρόφοβοι. Δεσμοί αλληλεπιδράσεων πρωτεινών-πρωτεινών στη γλουτένη.
Εκτός από τις πρωτεΐνες, η γλουτένη περιέχει και υψηλό ποσοστό λίπους (8%) καθόσον, κατά την παρασκευή του ζυμαριού, η (ακατέργαστη) γλουτένη δεσμεύει (παγιδεύει) σημαντική ποσότητα λιπιδίων όταν παρασκευάζεται το ζυμάρι. Τα λιποειδή/φωσφολιπίδια ενώνονται/αντιδρούν με ιοντικούς δεσμούς με τις πρωτεΐνες. Έτσι, σχηματίζονται στιβάδες λιποπρωτεινών στη μάζα της γλουτένης. Η ολισθηρότητα οφείλεται στις λιποπρωτείνες. Δηλαδή, τα λιπίδια δρουν ως μία λιπαντική ουσία, και συνεισφέρουν στην ποιότητα του ψωμιού. Γενικά, οι πρωτεΐνες της γλουτένης σε συνδυασμό με τα λιπίδια, συμβάλλουν στις συνεκτικές και ελαστικές ιδιότητες της ζύμης. Αυτές οι ρεολογικές ιδιότητες, επιτρέπουν το σχηματισμό και το φούσκωμα της ζύμης (φούσκωμα) με συγκράτησης του σχηματιζόμενου διοξείδιο του άνθρακα. Έτσι, παρασκευάζεται πορώδες και αφράτο προϊόν. Το άμυλο παγιδεύεται στο δίκτυο της γλουτένης με δυνάμεις συνοχής αμύλου και γλουτένης, και συμβάλλει στην εκτατότητά της. Με την ενυδάτωση του αμύλου οι κόκκοι γίνονται ελαστικοί και εκτείνονται με την γλουτένη κατά την παρασκευή της αρτόμαζας. Οι υδατάνθρακες είναι κυρίως αδιάλυτες πεντοζάνες. Οι πεντοζάνες είναι υδρόφιλες και με δέσμευση νερού συνεισφέρουν στη σκληρότητα της ζύμης. Πιθανόν αντιδρούν με τις πρωτεΐνες με δεσμούς υδρογόνου.
Στο αλεύρι των δημητριακών οι ιδιότητες συνοχής και ελαστικότητας της ενυδατωμένης γλουτένης παίζουν σπουδαίο ρόλο στη διόγκωση της αρτόμαζας για λήψη αποδεκτού ψωμιού. Κατ αρχή τα μόρια της γλουτένης στο αλεύρι βρίσκονται στενά συνδεμένα με δεσμούς υδρογόνου, διαμοριακούς δισουλφιδικούς δεσμούς και ιοντικούς δεσμούς. Με το νερό η γλουτένη ενυδατώνεται, διογκώνεται, και συνεπώς οι δυνάμεις συνοχής των πρωτεινικών μορίων εξασθενούν. Ως αποτέλεσμα τα πρωτεινικά μόρια ξεδιπλώνονται. Παράλληλα σχηματίζονται διαμοριακοί δισουλφιδικοί δεσμοί με οξείδωση των σουλφυδρυλομάδων των αμινοξέων. Αποτέλεσμα είναι η δημιουργία τρισδιάστατου πλέγματος με ελαστικές και συνεκτικές ιδιότητες. Με την ωρίμανση της αρτόμαζας, το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται διογκώνει την αρτόμαζα, για να προκύψει το διογκωμένο ψωμί. Κατά το ψήσιμο του ψωμιού, η ζελατινοποίηση των πρωτεϊνών και του αμύλου συντελεί στη απόκτηση της τελικής δομής του προϊόντος. Ο σχηματισμός γλουτένης δεν μπορεί να επιτευχθεί από όλα τα δημητριακά. Έτσι, για την παρασκευή ζύμης στην αρτοποιία χρησιμοποιείται κυρίως το σιτάρι και σε έναν πολύ μικρό βαθμό η σίκαλη. Όταν χρησιμοποιείται αλεύρι από σίκαλη, συνήθως προστίθεται και σιτάρι ώστε να βοηθήσει στο φούσκωμα του ψωμιού.
Δίκτυο γλουτένης Χρήση βελτιωτικών Η αρτοποιητική ικανότητα είναι το σύνολο των ιδιοτήτων του αλευριού που σχετίζονται με την παρασκευή καλού ψωμιού. Για βελτίωση των αλεύρων γίνεται χρήση λευκαντικών και βελτιωτικών. Οι ξανθοφύλλες και οι εστέρες τους που έχουν υποκίτρινο χρώμα οξειδώνονται από τα υπεροξείδια προς άχρωμες ενώσεις. Η δράση των βελτιωτικών σχετίζεται με τις πρωτεΐνες του αλευριού. Το συνεκτικό και ανθεκτικό της αρτόμαζας οφείλεται σε διαμοριακούς S-S- των πρωτεινικών αλυσίδων. Εάν δεν υπάρχουν S-S- η αρτόμαζα είναι κολλώδης.
Ασκορβικό οξύ Το ασκορβικό οξύ, μαζί με το προιόν της οξείδωσής του το δευδροασκορβικό οξύ, είναι αποτελεσματικό βελτιωτικό. Οξειδώνει την ενδογενή γλουταθειόνη (γλυκίνη-κυστείνηγλουταμινικό οξύ) σε οξειδωμένη γλουταθειόνη. Έτσι, περιορίζεται η αναγωγή των δισουλφιδικών δεσμών των πρωτεινών προς SH από την γλουταθειόνη. Σημειώνεται ότι η αναγωγή αυτή συμβαίνει αμέσως κατά την παρασκευή του ζυμαριού και οδηγεί σε αποπολυμερισμό των πρωτεινών της γλουτένης και συνεπώς σε αποδυνάμωση της γλουτένης. Δηλαδή το ασκορβικό οξύ με οξυγόνο (οξείδωση) δίνει δευδροασκορβικό, το οποίο οξειδώνει την γλουταθειόνη σε οξειδωμένη γλουταθειόνη (-S-S-). Ενδεχομένως, το ασκορβικό οξύ οξειδώνει τις ελεύθερες SΗ των πρωτεινών σε δισουλφιδικούς δεσμούς. Οξείδωση της αναγμένης (-SH) σε οξειδωμένη γλουταθειόνη (-S-S-), από το ασκορβικό οξύ.
Συμβολή στην ανάπτυξη χρώματος και flavour του ψωμιού Η καστάνωση της κρούστας κατά το ψήσιμο του ψωμιού είναι αποτέλεσμα της αντίδρασης Maillard. Με την πορεία αυτή σχηματίζονται διάφορες αλδεΰδες, όπως η φουρφουράλη και η υδροξυμεθυλο-φουρφουράλη, που συμβάλλουν στο flavour του ψωμιού. Με την αντίδραση Maillard αμινοξέα μετατρέπονται σε αλδεΰδες με ένα άτομο άνθρακα λιγότερο.