Материал: Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

Качественные показатели клейковины (эластичность, упругость, растяжимость, связность, гидратированность и др.) определяют хлебопекарные свойства муки и качество хлебобулочных изделий. Количество сырой клейковины в муке пшеницы колеблется от 15 до 50 %. Мука высшего сорта содержит 35…45 % сырой клейковины, а низкого сорта — 15…20 %. В составе сырой клейковины присутствует 65…70 % воды.

Распределение клейковины в отдельных частях зерновок пшеницы неравномерно. Клейковины нет в зародыше, покровных оболочках и алейроновом слое зерновок. Вся клейковина содержится в эндосперме, причем она в основном локализуется ближе к периферии. В целом химический состав клейковины сильно гетерогенен и состоит из белков на 88,0%, липидов там 2,0%, крахмала — 6,7, моно- и олигосахаридов — 1,2, золы — 0,9%.

17.1.6.Характеристика по количеству и качеству клейковины сильной, средней и слабой пшеницы

Качество выпекаемого хлеба зависит от свойств клейковины. Клейковина состоит из гетерогенного вида белков, состав которых проявляет ее упругие, вязкие и эластичные свойства. К веществам, способным понизить упругие свойства клейковины, относятся бисульфиты, цистеин, мочевина, глутатион, протеолитические ферменты и др. На свойства клейковины могут оказывать действие низкая и высокая температуры, активное вентилирование, интенсивность помола, гидротермическая обработка зерен, условия их хранения и др.

Во время созревания зерновок пшеницы колебаниям подвержены процессы синтеза углеводов. В частности, возрастает синтез крахмала при снижении содержания моно- и олигосахаридов, количество которых в зрелых зерновках не превышает 2…3 %.

Возрастание активности синтетических процессов сопровождается увеличением содержания в зерновках пшеницы витаминов, в частности витаминов В1 и В2, количество которых в период полной спелости зерновок может увеличиться в 1,5…2,0 раза по сравнению с начальными этапами созревания зерна.

В зрелых зерновках пшеницы проявляется высокая активность оксидоредуктаз (пероксидазы, алкоголь- и альдегиддегидрогеназ и др.), происходит накопление аскорбиновой кислоты.

По качеству клейковину пшениц можно разделить на три вида: сильная, средняя и слабая. Сильная клейковина имеет высокую упругость и эластичность, хорошо растягивается и затем сжимается. Средняя клейковина проявляет высокую эластичность, но при небольшом растяжении рвется. Слабая клейковина может легко растягиваться, но при разрыве не сжимается и легко рвется. Поэтому к сильным сортам относят зернов-

288

17.1. Зерновые культуры

ки пшеницы, содержащие не менее 14% белка и 28% сырой клейковины (I группа), 11 % белка и 25 % сырой клейковины (II группа), меньше 10 % белка и 25 % сырой клейковины (III группа). Из муки сильных сортов пшеницы получают высококачественные хлебобулочные изделия.

17.1.7.Влияние клейковинных белков на свойства клейковины

Синтез белков клейковины (глиадинов и глютенинов) начинается на ранних фазах развития зерновок. В фазе молочной спелости обнаруживаются низкие концентрации белков клейковины, количество которых к фазе полной спелости увеличивается в 1,7…8,4 раза. В процессе созревания зерновок происходят изменения в аминокислотном составе белков клейковины. При этом снижается содержание основных аминокислот, но увеличивается количество кислых аминокислот (глутаминовой и аспарагиновой). Это обусловлено тем, что на начальных этапах созревания зерновок синтезируются преимущественно альбумины и глобулины, а на завершающим этапе наиболее активно происходит синтез белков клейковины.

Состав белков клейковины достаточно гетерогенен, но основу до 80…90% составляют глиадины и глютенины, которых соответственно содержится 40…48 и 36…42%. При этом считается, что глютенины образуют основу клейковины, с которыми прочно связываются глиадины. Вместе эти белки формируют упругую и эластичную, а также легко растяжимую массу.

Выделяют 4 группы глиадинов, различающиеся между собой по молекулярной массе и аминокислотному составу. α-Глиадины имеют молекулярную массу 22…60 кДа, β-глиадины — 27…41, γ-глиадины — 16…44, ω-глиадины — 57,0…80,5 кДа. Глиадины являются белками с малым зарядом, содержат в своем составе от 6 до 11 остатков лизина, гистидина и аргинина на молекулу белка. Кроме того, 85…95 % остатков аспарагиновой и глутаминовой кислот находятся в форме амидов, а на молекулу белка приходится всего 8…9 свободных карбоксильных групп. Высокую степень гидрофобности имеют γ-глиадины, а саму низкую — ω-глиадины. Все глиадины состоят из одной полипептидной цепи. Цистеины в молекулах α-, β-, γ-глиадинов связаны внутримолекулярными дисульфидными связями, и их разрыв приводит к значительной фрагментации полипептидной цепи. При отсутствии воды эти белки имеют компактную структуру, но в водном растворе они агрегируют вследствие образования водородных связей. В агрегированном состоянии глиадины находятся в виде фибрилл с d = 600 нм. Эти микрофибриллы в концентрированном растворе могут образовывать устойчивую трехмерную сеть.

Глютениновые белки также гетерогенны, среди них выделяют до 20 фракций, которые имеют молекулярную массу от 100 кДа до нескольких

289

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

миллионов. Глютенины больше чем глиадины содержат лизина, глицина, аланина, серина и тирозина, но меньше глутаминовой кислоты, пролина и цистеина. Белковые комплексы глютенинов состоят из очень разнородных фракций и субъединиц. Вторичная структура глютенинов имеет низкую степень спирализации в водном растворе, поэтому они способны агрегироваться, связываясь между собой за счет образования дисульфидных связей. При этом формируется полисубъединичный комплекс с молекулярной массой в несколько миллионов дальтон. Агрегированные глютенины не растворимы или частично растворимы в отсутствии восстанавливающих соединений, которые способствуют высвобождению белковых субъединиц, уменьшая вязкость раствора после восстановления дисульфидных связей.

Белки клейковины в водной среде образуют белковый комплекс, который можно выделить с помощью большого количества воды из теста, приготовленного из пшеничной муки. В результате отмывания получают вязкоэластичную нерастворимую массу, основу которой составляют агрегированные белки.

Гидратированные белки клейковины набухают за счет образования водородных связей с молекулами воды. Полярность связей определяется аминокислотным составом белков клейковины, среди которых преобладают полярные заряженные аминокислоты. Поляризация поверхностных аминокислотных остатков обусловливает возникновение взаимодействий между белками, которые образуют непрерывную фазу гидратированных белков, формирующих компактную структуру теста.

В составе клейковинных белков преобладают следующие аминокислоты: глутаминовая — 39%, пролин — 14, лейцин — 8%. Видно, что в белках клейковины много глутаминовой кислоты и пролина, но низкое содержание лизина и триптофана. Мало присутствует в клейковине углеводов, а липиды находятся в составе липопротеидов.

Эластичность и упругость клейковины зависит от агрегационной способности белков. При этом глютенины из-за больших размеров выполняют роль структурообразующих элементов клейковины, формируя многочисленные нековалентные связи как между собой, так и с глиадинами. Агрегированные глютенины обеспечивают прочность и эластичность клейковины, тогда как слабо связанные глиадины обусловливают подвижность и лабильность структуры.

Кроме того, установлено, что высокая упругость и низкая растяжимость клейковины коррелирует с числом дисульфидных связей, которые возникают в молекулах белков. Поэтому в сильной клейковине больше присутствуют белки, которые способны образовать множество дисульфидных и водородных связей, чем в слабой. Дисульфидные связи по своей природе относятся к ковалентным неполярным связям, прочность

290

17.1. Зерновые культуры

которых определяет устойчивость структуры клейковины. Это наглядно видно на примере белков ржи, которые по своим свойствам и аминокислотному составу резко отличаются от белков пшеницы. Ржаная мука содержит до 36 % водорастворимых белков и только около 20 % солерастворимых. Проламиновая и глютелиновая фракции белков ржаной муки значительно ниже по массе, чем у пшеницы, и в обычных условиях клейковину не образуют. Гидрофильные свойства белков ржи очень специфичны. Они быстро набухают в воде, сильно гидратированы и по мере добавления воды формируют только коллоидный раствор. В особых условиях из ржаной муки можно выделить белковую массу, напоминающую по эластичности и растяжимости клейковину.

17.1.8.Пигменты, содержащиеся в оболочках зерна и эндосперме

Плодом злаковых культур является зерновка, имеющая тонкий пленчатый или кожистый околоплодник (перикарпий), который плотно прилегает к семени. Основную часть зерновки занимает эндосперм (70…80 %), зародыш — 5…8 % и покровы — 10…19 %. Параметры составных частей зерновок очень сильно варьируются и зависят от условий произрастания и вида растений.

Покровы зерен состоят из перикарпия и семенной кожуры. В перикарпии имеются покрытая кутикулой наружная эпидерма, один или несколько слоев частично сдавленной и частично резорбированной паренхимы. Кроме того, поперечные клетки, вытянутые поперек длинной оси зерновки и имеющие одревесневшие толстые оболочки. У некоторых видов зерен в поверхностных структурах образуется хлорофиллоносный слой (мезокарпий) и остатки внутренней эпидермы в виде одревесневших клеток (эндокарпий).

Таким образом, во время созревания зерновок у многих из них в поверхностных слоях имеются элементы фотосинтетической системы, в состав которой входят различные пигменты. Поэтому зерновки вначале имеют зеленую окраску. Однако у зрелых зерновок зеленые пигменты в основном отсутствуют и имеется лишь незначительное количество пигментов, в основном ксантофиллов. Кроме того, внутренние клетки семенной оболочки содержат бурый пигмент, обусловливающий поверхностную окраску зерен.

Окраска эндосперма в основном определяется наличием пигментов, белков и углеводов. Соотношение белков и углеводов обусловливает наличие стекловидного и мучнистого типа зерен. В составе красящих веществ эндосперма присутствуют каротиноиды, которые окрашивают эндосперм в желтовато-кремовый цвет.

291

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

Содержание пигментов в зернах обусловливает использование полученной из них муки в производстве хлебобулочных и макаронных изделий. Для изготовления макарон преимущественно используется мука более темного цвета.

17.1.9. Факторы, вызывающие обесцвечивание зерна

Обесцвечивание зерен служит показателем изменений в химическом составе поверхностных и внутренних структурных образований зерен, которые могут происходить под воздействием различных факторов среды (температура, влажность, свет и др.).

Обесцвечивание зерен в колосе наблюдается при избытке влаге, а также под воздействием ультрафиолетового облучения в период их сушки на воздухе. Кроме того, цвет зерен может изменяться при резкой смене влажности и температуры окружающей среды, а также при сушке зерен с высокой влажностью. Обесцвечивание зерен может сопровождаться изменением состава пигментов, а также соотношения белков и углеводов эндосперма. При этом происходят функциональные и структурные перестройки в составных частях эндосперма.

Заполнение клеток эндосперма крахмалом и белками определяет тип зерновок: мучнистый или стекловидный. При стекловидном типе плотность крахмала очень высока и между зернами крахмала отсутствуют микропромежутки. В мучнистом типе зерен эндосперм рыхлый и имеет промежутки, которые рассеивают свет и обусловливают его поглощение. Формирование зерен стекловидного типа происходит при воздействии на них в период налива высокой температуры и высокой сухости воздуха, обусловливающих ускоренный процесс созревания зерновок. Кроме того, стекловидный тип зерен может появиться при избытке в почве азота, тогда как повышенное содержание фосфора уменьшает стекловидность зерновок. Как правило, в стекловидном зерне пшеницы, ржи, ячменя обычно больше содержится белков, чем в мучнистом. Только у зерен риса эта зависимость отсутствует.

Стекловидный и мучнистый типы зерновок могут быть использованы в различных технологических производствах. Так, при производстве крупы и муки из зерен ячменя и кукурузы предпочтение отдается зернам стекловидного типа, тогда как в пивоварении целесообразно использовать зерновки ячменя мучнистого типа. Кроме того, стекловидное зерно обладает более высокими мукомольными свойствами, чем мучнистое. При этом из мучнистого зерна получают, как правило, мягкую, мажущуюся муку, а из стекловидного типа — более жесткую, крупитчатую. Поэтому в хлебопекарном производстве большим спросом пользуется мука из зерен стекловидного типа.

292