Дипломная (вкр): Введение йодхитозана в рецептуру производства пшеничного хлеба

Рисунок 2 - Дисульфидные связи в глютениновой фракции (а) и в глиадиновой (б)

Предполагается, что полипептидные цепи глиадина в разных местах и разными связями соединяются с линейными полимерными фракциями глютенина, образуя сложную трехмерную сетку переплетающихся полипептидных цепей. В образовании такой сетки значительную роль, помимо ковалентных дисульфидных связей, играют водородные связи и ван-дер-ваальсовые взаимодействия. Именно невалентные взаимодействия, легко разрываемые и вновь возникающие при различных воздействиях на белок, определяют реологические свойства клейковины - упругость и эластичность.

Свойства вязкости и эластичности возникают вследствие растяжения достаточно гибких полипептидиых цепей и перемещения их относительно друг друга с последующим возвращением растянутых, но не закрученных полипептидпых цепей, в исходную конформацию. Причем чем больше высокомолекулярных субъединиц в глютелиновой фракции (≈ 60%), тем выше вязкоэластичные свойства клейковины. Всего в глютелинах обнаружено свыше 25 высокомолекулярных субъединиц, 3 - 5 из них присутствуют в каждом сорте пшеницы. В целом, около половины полипептидпых цепей клейковины связаны дисульфидиыми связями.

Образование клейковины основано и на сольватных и влагоудерживающих свойствах глиадиновой и глютениновой фракций. При взаимодействии с водой не растворимых в ней белковых молекул происходит их сольватация, молекулы воды могут проникать в структуру белка и удерживаться там за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Белок при этом увеличивает объем и массу, иными словами, «набухает». При этом и образуется эластичная клейкая масса, названная клейковиной. Будучи отмыта и отжата, клейковина, тем не менее, продолжает удерживать значительное количество воды.

Различают крепкую и слабую клейковину. Крепкая клейковина формирует тугое тесто, с трудом поддающееся растяжению диоксидом углерода. Слабое тесто, наоборот, плохо удерживает СО₂, так как слабая клейковина не может создать в тесте белкового каркаса необходимой прочности.

Содержание клейковины в зерне и ее качественные параметры зависят от ряда факторов: генетических, свойственных сорту пшеницы, экологических и экзогенных. Под последними понимают физико-химические воздействия на зерно, муку или непосредственно клейковину.

Здесь лишь отметим некоторые. На качество клейковины большое влияние оказывают некоторые вещества, например:

·        глутатион (восстановленная форма), содержащийся в большом количестве (до 0,45%) в зародыше зерна, а также в дрожжах (особенно старых);

·        цистеин;

·        протеолитические ферменты, вносимые вредителями;

·        протеиндисульфатредуктаза, расщепляющая дисульфидные связи.

Количество сырой клейковины зависит также от степени гидратации белков. Мука, полученная из дефектного зерна, при нормальном содержании белка дает низкий выход сырой клейковины, так как гидрофильные свойства ее белков нарушены.

2.2.2 Углеводы и углеводно-амилазный комплекс

Углеводы играют важную технологическую роль при приготовлении хлеба, являясь основным источником энергии, а также субстратом для спиртового, молочнокислого и других типов брожения теста, влияют па газообразующую и сахаробразующую способности теста, формирование клейковинного каркаса и определяют многие показатели качества хлеба.

В муке (и в тесте) сахара разделяются на собственные сахара муки и сахара, накопленные в результате ферментативного гидролиза крахмала. Собственные сахара муки представлены моно- и полисахаридами: моносахариды - глюкоза, фруктоза; дисахариды - сахароза, мальтоза; полисахариды - крахмал, целлюлоза, гемицеллюлоза, слизи.

Крахмал, как видно из таблицы 1, является основным углеводом зерна пшеницы и муки. На его долю приходится около 63% от массы сухого вещества. В клетках крахмал образует зерна - гранулы размером от 2 до 180 мкм с характерной слоистостью. От особенностей строения, формы, размеров, количественного соотношения различных фракций, молекулярной структуры крахмальных зерен зависят их физико-химические свойства. Крахмал не является химически индивидуальным веществом, а состоит из структурных фрагментов двух полисахаридов - амилозы (18 - 25%) и амилопектина (75 - 82%), построенных из остатков глюкопиранозы и различающихся по строению и свойствам. Различия в строении амилозы и амилопектина представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Различия в строении амилозы и амилопектина

В амилозе a-D-глюкопиранозные фрагменты связаны между собой a-1,4-О-гликозидными связями, причем полисахаридная цепь не содержит разветвленных участков (точек ветвления). В этом смысле структуру амилозы определяют как линейную:

Амилопектин имеет разветвленное строение. Его молекула состоит из большого числа коротких цепочек, содержащих около 20 - 30 моносахаридных фрагментов. В пределах короткой цепочки остатки глюкозы соединены α-1,4-О-гликозидными связями. Короткие цепи связаны между собой α-1,6-О-гликозидными связями:

В отличие от других широко представленных полисахаридов растений крахмал в растениях не выполняет никаких структурных функций. Напротив, в хлебе, крахмал является структурообразующим компонентом, поскольку при гидротермической обработке начинает проявляться способность крахмала набухать с последующим формированием структуры геля.

В присутствии воды водородные взаимодействия «крахмал-крахмал» заменяются па взаимодействия «крахмал-вода» (рисунок 3). Это приводит к разделению организованных цепей в зоне кристалличности и набуханию крахмала. Повышение температуры облегчает разрушение водородных связей между цепями крахмала и образование новых водородных связей между молекулами воды и гидроксильными группами крахмала. В конечном итоге происходит диспергирование крахмальных полимеров в растворе с переходом в вязкоколлоидное состояние, другими словами, происходит клейстеризация крахмала. Для пшеничной муки температура клейстеризации составляет 58-64˚С.

Рисунок 3 - Схема набухания крахмала

При клейстеризации происходит разделение амилозы и амилопектина. Амилоза легко диффундирует из зерен крахмала. При охлаждении в результате стабилизирующих водородных взаимодействий молекулы амилозы самообъединяются в упорядоченные параллельные образования. Явление образования таких ассоциатов амилозных цепочек называется ретроградацией, или регрессом. Предполагается, что ретроградация крахмала является главной причиной черствения хлеба.

Из других полисахаридов в зерне пшеницы представлены пентозаны и целлюлоза. Клетчатка и гемицеллюлозы - главные составные части пшеничных диетических отрубей - пищевых волокон.

Пентозаны относятся к гемицеллюлозам, содержащимся в оболочечных частях зерна. При гидролизе пентозаны образуют только пентозы, обычно арабинозу и ксилозу. Пентозаны оказывают большое влияние на качество муки и теста вследствие их способности к гелеобразованию и повышенной способности к гидратации.

Целлюлоза (клетчатка) - это линейный полимер, состоящий из β-D-глюкопиранозных остатков, соединенных между собой β-1,4-О-гликозидными связями. Фрагменты β-D-глюкозы в молекуле целлюлозы повернуты относительно друг друга на 180°, что способствует образованию водородных связей между пиранозным кислородом одного фрагмента и гидроксильной группой при СЗ соседней β-D-глюкозы:

Такие водородные взаимодействия стабилизируют линейную структуру молекулы целлюлозы, препятствуя вращению расположенных рядом остатков глюкозы вокруг связывающей их О-гликозидной связи. В результате формируется жесткая линейная структура, определяющая высокую механическую прочность, устойчивость к химическому и ферментативному гидролизу нативной целлюлозы.

От углеводно-амилазного комплекса связано второе важнейшее свойство муки - газообразующая способность.

Газообразующая способность характеризуется количеством диоксида углерода, выделившегося за 5 ч брожения при температуре 30˚С теста, приготовленного из 100 г муки, 60 мл воды, 10 г прессованных дрожжей. Двуокись углерода образуется вследствие спиртового брожения сахаров хлебопекарными дрожжами.

В начале брожения важную роль играют сбраживаемые сахара муки: глюкоза, фруктоза, сахароза, мальтоза. В связи с чем по мере брожения возрастает значение сбраживаемых сахаров, образующихся в результате действия амилолитических ферментов муки на крахмал. Следует отметить, что у хлебопекарных дрожжей в числе экзоферментов, выделяемых ими в процессе жизнедеятельности, амилазы отсутствуют. Активность дрожжей и интенсивность газовыделения зависят исключительно от состояния углеводно-амилазного комплекса муки.

В нормальном не проросшем зерне пшеницы содержится в достаточном количестве только β-амилаза, которая катализирует гидролиз крахмала по α-1,4-О-гликозидным связям, последовательно отщепляя от нередуцирующего конца β-мальтозу. Однако нередуцирующих участков, доступных для воздействия присутствующей в муке β-амилазы, явно недостаточно, чтобы обеспечить мальтозой дрожжевые клетки при приготовлении теста. В связи с чем важнейшей характеристикой качества муки, кроме содержания клейковины, является амилолитическая активность муки, которая связана с содержанием в муке α-амилазы.

α-Амилаза - водорастворимый глобулярный белок, металлопротеин, содержащий в качестве кофактора ионы кальция. Все α-амилазы устойчивы к действию протеолитических ферментов. α-Амилаза - эндофермент, действующий на внутренние а-1,4-О-гликозидные связи в любой части молекулы крахмала без какого-либо определенного порядка. В результате образуются декстрины, а количество нередуцирующих концов - мест атаки β-амилазы, существенно возрастает. Схема действия α- и β-амилаз на крахмал представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема действия α-амилазы (1) и β-амилазы (2) на крахмал

Каталитический центр амилаз образован остатками гистидина, аспарагиновой или глутаминовой кислоты. Предполагается, что субстратный центр не перекрывается с каталитическим и образован несколькими фрагментами тирозина, который за счет водородных связей с пиранозным кислородом полисахарида фиксирует субстрат таким образом, что в каталитическом центре оказывается внутренняя О-гликозидная связь (рисунок 5, а).

Одновременное согласованное образование и расщепление связей в каталитическом центре амилазы показано на рисунке 5, б. После завершения этого процесса один из образующихся декстринов покидает каталитический центр, а структурно измененный каталитический центр занимает второй реагент - вода (рисунок 5, в). Имидазольный фрагмент гистидина, обладая основными свойствами, формирует связь с водородом воды, при этом вода нуклеофильно активируется и конкурирует за образование связи с атомом углерода С1 глюкозного фрагмента. Схема взаимодействия каталитического центра с водой представлена на рисунке 5, г. По окончании гидролитического процесса строение каталитического центра восстанавливается, а второй декстрин покидает каталитический центр.

Рисунок 5 - Схема действия α-амилазы

Как видно из схемы, представленной на рисунке 5, особую роль в осуществлении гидролиза гликозидных связей играют имидазольные фрагменты гистидина. Именно при их участии осуществляется перенос протона в каталитическом центре амилазы. Аналогичное строение и механизм действия имеют другие амилазы.

2.3 Брожение теста

Начиная с замеса, происходит спиртовое брожение - процесс сбраживания углеводов в отсутствии кислорода с образованием этанола и углекислого газа, вызываемый дрожжами. Спиртовое брожение осуществляется через целый ряд промежуточных продуктов с участием многочисленных ферментов.

Дрожжи, применяемые в хлебопекарном производстве, относятся к виду Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи сбраживают глюкозу непосредственно, фруктозу - после её изомеризации в глюкозу фруктоизомеразой дрожжей. Сахароза предварительно превращается в глюкозу и фруктозу под действием β-фруктофуранозидазы дрожжей. При наличии мальтозы в среде дрожжевая клетка продуцирует мальтопермеазу, которая осуществляет транспорт мальтозы внутрь клетки, где она расщепляется ферментом α-глюкозидазой (мальтазой) на две молекулы глюкозы. Мальтопермеаза, фрктоизомераза и мальтаза являются адаптивными, тогда как ферменты, сбраживающие глюкозу и сахарозу, являются конститутивными.

Сбраживание глюкозы происходит по реакциям анаэробного гликолиза [2].

Первой стадией является фосфорилирование глюкозы с участием АТФ, катализируемое гексокиназой:

Глюкозо-6-фосфат изомеризуется под действием глюкозофосфатизомеразы во фруктозо-6-фосфат:

Образование фруктозо-1,6-дифосфата с участием фермента фосфофруктокиназы и АТФ:

Фруктозо-1,6-дифосфат распадается на две молекулы: глицеральдегид-3-фосфат и дигидроацетон-3-фосфат под действием фермента альдолазы:

Образовавшиеся дигидроксиацетонфосфат изомеризуется в глицеральдегид-3-фосфат с участием триозофосфатизомеразы:

Триозы находятся в равновесии, причем в равновесной смеси в большем количестве содержится дигидроксиацетонфосфат. Но поскольку в дальнейшие превращения включается только глицеральдегид-3-фосфат, равновесие постоянно смещается вправо, и весь дигидроксиацетонфосфат постепенно превращается в глицеральдегид-3-фосфат.

Окислительное фосфорилирование под действием глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы проходит в 3 стадии:

.        Фермент через фрагмент цистеина образует фермент-субстратный комплекс, который на второй стадии окисляется с участием НАДН: