5.1. Фракционный состав белков зерна злаковых культур

(% от общего количества белков)

Культуры	Альбумины	Глобулины	Проламины	Глютелины
Пшеница	10	15	30	35
Рожь	25	20	20	25
Ячмень	12	13	35	30
Овёс	14	19	25	32
Кукуруза	14	15	45	16
Просо	12	10	55	13
Рис	13	10	7	60

У мягкой и твердой пшеницы запасные белки образуют клейковину, количество и качество которой тесно коррелирует с хлебопекарными и мака-ронными свойствами зерна. Клейковина представляет собой сильно гидра-тированный белковый сгусток (студень), который выделяют из цельносмоло-того зерна при замешивании и отмывании водой получаемого из него теста. Такой белковый сгусток называют сырой клейковиной, в ней содержится в среднем 33–35 % сухого вещества. При высушивании сырой клейковины получают сухую клейковину. Отношение количества воды в сырой клейкови-не к количеству сухого вещества, выражаемое в процентах, называют показа-телем гидратации клейковины, который у пшеницы изменяется в пределах 170–250 %.

Сухая пшеничная клейковина на 80–90 % представлена запасными бел-ками – глиадинами (40–50 %) и глютенинами (35–40 %). Кроме запасных белков, в клейковине содержатся в небольшом количестве белки альбумино-глобулинового типа (3–6 %), крахмал (6–9 %), липиды (2–8 %), сахара (1–2 %), клетчатка (1–2 %), зольные вещества (0,5–2 %). Все химические компо-ненты клейковины объединяются в единый комплекс в результате возникно-вения водородных и дисульфидных связей, электростатических и гидрофоб-ных взаимодействий между группировками полипептидов, образующих мо-лекулы клейковинных белков.

Наличие большого количества нековалентных связей в структуре пше-ничной клейковины предопределяет её характерные физические свойства – упругость, эластичность, связность, растяжимость, способность к упругой де-формации. Фракции клейковинных белков глиадины (растворимы в 70%-ном растворе этанола) и глютенины (щёлочерастворимые белки) каждая в отдельности не формируют реологические свойства клейковины, они дей-ствуют совместно. Глиадины, образующие компактную пространственную структуру молекул, имеют внутримолекулярные дисульфидные (–S–S–) связи. Глютенины же характеризуются более рыхлой пространственной структурой молекул, способных образовывать межмолекулярные дисульфид-ные связи.

Реологические свойства клейковины зависят от соотношения в ней дисульфидных связей и восстановленных тиоловых групп (–SН). При увели-чении количества дисульфидных связей повышается упругость и связность клейковины, в результате чего она становится более крепкой. А если дисуль-фидные связи восстанавливаются с образованием НS-групп, упругость и связность клейковины понижаются и она утрачивает способность к упругой деформации.

Образование дисульфидных связей в клейковинных белках катализиру-ет фермент тиолоксидаза (1.8.3.2), который с участием кислорода способен окислять тиоловые группы и таким образом инициировать соединение в полимеры глютениновых субъединиц запасных белков в созреваюшем зерне. Расщепление дисульфидных связей катализирует фермент протеиндисуль-фидредуктаза (1.8.4.2), под действием которого происходит восстановление в белках дисульфидных связей с образованием тиоловых групп.

С участием указанных ферментов поддерживается определённое соот-ношение SS- и НS-групп в клейковинных белках, обеспечивая тот или иной уровень связности, упругости и эластичности клейковины. При увеличении в зерновках активности фермента тиолоксидазы и понижении активности про-теиндисульфидредуктазы отношение количества SS-связей к количеству HS-групп в клейковинных белках возрастает, вследствие чего улучшается качес-тво клейковины.

Клейковина активно участвует в формировании хлебопекарного теста, при взаимодействии с водой она набухает и образует упругую белковую структуру, соединяющую в единый комплекс все вещества теста. Выделяю-щийся в результате брожения сахаров углекислый газ растягивает клейко-вину, в результате чего тесто начинает увеличивать объём и подыматься, приобретая пористое строение. В тесте образуется большое количество по-ристых ячеек, наполненных СО₂, и стенки этих пор в основном образованы белками клейковины. В процессе выпечки хлеба под воздействием высокой температуры пористая структура теста закрепляется вследствие денатурации белков, образуя характерный пористый хлебный мякиш.

Слишком крепкая клейковина формирует тугое тесто, которое с трудом поддаётся растяжению выделяющимся при брожении диоксидом углерода. Слабая клейковина не создаёт в тесте прочного белкового каркаса и СО₂ в нём слабо удерживается. И в том, и другом случаях ухудшается пористость хлебного мякиша и уменьшается объём хлеба, что свидетельствует об ухудшении хлебопекарных свойств зерна.

Клейковина разжижается под действием протеолитических ферментов, подвергающих гидролизу запасные белки. Аналогичное действие оказывают протеазы, вводимые в зерновки клопом-черепашкой. Ослабление клейковины вызывает также фермент протеиндисульфидредуктаза, катализирующий рас-щепление дисульфидных связей с образованием восстановленных НS-групп.

Для характеристики качества зерна пшеницы обычно определяют сырую клейковину. Наряду с количеством проводится также оценка качества клейковины, главным образом по её эластичности и упругости, зависящих от состава и свойств запасных белков, образующих клейковину. Измерение упругости и эластичности клейковины выполняется с помощью специальных приборов, регистрирующих усилие, затрачиваемое на деформацию клейкови-ны. Результаты измерения выражают в виде показателя, называемого индек-сом деформации клейковины (ИДК). По этому показателю клейковину под-разделяют на 3 группы качества: I – хорошая, II – удовлетворительная, III – неудовлетворительная. Первая имеет ИДК в пределах 45–75, вторая – 80–100 и 40–20 , третья – 105–120 и 15–0.

По хлебопекарным качествам зерна мягкую пшеницу делят на три кате-гории: сильная пшеница, средняя (или ценная) и слабая. В зерне сильной пшеницы должно содержаться не менее 28 % сырой клейковины первой группы качества, в зерне ценной пшеницы – не менее 25 % сырой клейко-вины первой или второй группы качества. К слабой относится пшеница, в зерне которой содержится менее 25 % сырой клейковины или у которой клейковина очень низкого качества (третья группа).

Из сильной пшеницы получают муку, поглощающую большее количес-тво воды при замесе из неё теста, а получаемое из неё тесто устойчиво сохра-няет консистенцию, эластичность и форму, мало расплывается. Однако очень сильная пшеница образует тесто со слабой газоудерживающей способ-ностью, вследствие чего формируется пониженный объём хлеба. Такая пше-ница при добавлении к слабой пшенице улучшает её хлебопекарные свой-ства. Поэтому сорта сильной пшеницы называют сортами–улучшителями. Средняя пшеница способна давать хороший по качеству хлеб, но не может использоваться в качестве улучшителя слабой пшеницы. Слабая пшеница без добавления сильной пшеницы не способна давать удовлетворительный по качеству хлеб.

Хорошая по качеству твёрдая пшеница имеет крепкую клейковину, ко-торая очень упругая и плохо растяжимая. Поэтому она даёт хлеб с низким объёмом и плотным мякишем. При смешивании твёрдой пшеницы с мягкой слабой пшеницей качество хлеба улучшается.

Кроме пшеницы, клейковина также содержится в зерновках ржи и ячменя, а также в семенах травянистых злаковых растений. Клейковина ржи и ячменя по сравнению с пшеничной труднее отмывается и имеет низкие реологические свойства. А клейковина семян некоторых травянистых злако-вых растений (отдельные разновидности пырея, эгилопса и др.) характе-ризуется хорошими физическими свойствами, в связи с чем данные генотипы злаковых растений используются в селекции пшеницы как генетические источники для улучшения хлебопекарных свойств зерна.

В зерновках злаковых растений, кроме белков, содержатся в неболь-шом количестве и другие азотистые соединения: свободные аминокислоты и их амиды, пептиды, азотистые основания и нуклеотиды, нуклеиновые кисло-ты и др. На их долю приходится 5–10 % от общего количества азотистых веществ зерна. В наибольшем количестве они находятся в зародыше и алейроновом слое.

Белковые фракции зерна различаются по аминокислотному составу и в том числе по содержанию незаменимых аминокислот, от которых зависит биологическая ценность белков (табл. 1.4). Наиболее высокую биологичес-кую ценность имеют водорастворимые белки – альбумины, в их составе валин, лизин, треонин, триптофан содержатся почти в оптимальных соотно-шениях, однако в них понижено содержание метионина и фенилаланина и наблюдается небольшой дефицит по лейцину и изолейцину.

Солерастворимые белки зерна – глобулины также характеризуются довольно хорошо сбалансированным аминокислотным составом, хотя содер-жание некоторых незаменимых аминокислот у них по сравнению с альбу-минами понижено (метионин и лизин).

Щелочерастворимые белки – глютелины у ряда злаковых культур (овёс, ячмень, сорго) по содержанию незаменимых аминокислот близки к глобулинам, а у других (пшеница, рожь, кукуруза, просо) характеризуются довольно сильным дефицитом лизина, триптофана и метионина. Наиболее полноценны по содержанию незаменимых аминокислот глютелины риса – оризенины, в них отмечается лишь некоторый дефицит по метионину и лизину.

Самую низкую биологическую ценность имеют спирторастворимые белки – проламины, которые накапливаются только в семенах злаковых растений. Они отличаются очень низким содержанием таких незаменимых аминокислот, как лизин, триптофан, метионин, и высокой концентрацией глутаминовой кислоты, лейцина и пролина, на долю которых приходится 35–50 % от массы этих белков.

В связи с тем, что в зерне злаковых растений содержится много прола-минов и глютелинов, имеющих значительный дефицит лизина, изолейцина, метионина, треонина, валина, триптофана (табл. 1.3) суммарный белок их зерновок имеет довольно низкую биологическую ценность: белок зерна ку-курузы – 52–58 %, пшеницы, ячменя, проса – 60–70 %, ржи и овса – 70–75 %.

При изучении белковых фракций зерна современными физико-хими-ческими методами (различные способы хроматографии, электрофорез, изо-электрофокусирование и др.) установлено, что они состоят из большого набора индивидуальных белков, которые различаются по химическим свой-ствам и выполняют конкретные биологические функции.

В ходе разделения водо- и солерастворимых белков зерна злаковых культур (альбумины и глобулины) методом электрофореза в полиакриламид-ном геле можно идентифицировать на электрофореграммах до 30 белковых компонентов, различающихся по аминокислотному составу и молекулярным массам. Причём каждый генотип злаковых растений характеризуется опреде-лённым набором электрофоретических компонентов водо- и солераство-римых белков, в связи с чем по электрофореграммам этих белков проводится проверка генетической чистоты существующих сортов и идентификация новых генотипов зерновых культур.

Как показали результаты исследований, спирторастворимая фракция белков зерна пшеницы, которая выделяется после экстракции альбуминов и глобулинов, включает два вида белков – глиадины и спирторастворимый глютенин. При увеличении доли спирторастворимого глютенина во фракции спирторастворимых белков снижается упругость клейковины и устойчивость хлебопекарного теста, что в целом является причиной ухудшения качества хлеба.

Основную часть спирторастворимой фракции зерна пшеницы представ-ляют глиадины, которые методом электрофореза в полиакриламидном геле в лактат-алюминиевой буферной системе (рН 3,1) разделяются на 13–17 компонентов. Молекулы глиадинов обладают повышенной способностью к образованию межмолекулярных комплексов и взаимодействию с другими химическими компонентами зерна, вследствие чего они активно участвуют в формировании реологических свойств клейковины. Указанными свойствами обладают также проламины ржи, ячменя и овса. Формирование межмолеку-лярных агрегатов глиадинов и их комплексов с другими веществами зерна происходит за счёт образования водородных и дисульфидных связей, а также гидрофобных взаимодействий.

Из глютелиновых белков наиболее хорошо изучены глютенины – щелочерастворимые белки зерна пшеницы, которые включают определённый набор прочно связанных между собой полипептидных субъединиц. Большая часть субъединиц глютенинов представлена глиадиноподобными полипепти-дами, а остальная часть включает полипептиды альбумино-глобулинового типа. Полипептиды глютенинов обладают очень высокой способностью к образованию комплексов с глиадиновыми белками и другими химическими компонентами зерна и таким образом влияют на формирование реологи-ческих свойств клейковины.

Синтез белков в созревающем зерне. Синтез и накопление белков в зерновках злаковых культур происходит в основном за счёт оттока азотистых веществ (главным образом аминокислот) из вегетативных органов, так как поглощение минерального азота корнями и использование его в биосинтети-ческих процессах после цветения сокращается (особенно у яровых культур). Наибольшее количество азотистых веществ поступает в формирующиеся зерновки из листьев, особенно верхнего яруса, меньше из колосковых чешуй и стеблей. После цветения в листьях, стеблях и колосковых чешуях активизи-руются процессы гидролиза высокомолекулярных веществ (полисахаридов, белков, липидов, нуклеиновых кислот) и усиливается отток образующихся низкомолекулярных продуктов в зерно.

Рис. 5.1. Интенсивность синтеза различных групп белков в созревающем зерне пшеницы (поступление меченно-го ¹⁵N азота некорневой подкормки в белковые фракции зерна, %).

ФЗ – фаза формирования зерна; МС – молоч-ная спелость; МВС – молочно-восковая спе-лость; ПС – полная спелость; 1 – альбумины; 2 – глобулины; 3 – глиадины; 4 – глютенины.

В наших опытах с использованием меченного ¹⁵N азота показано, что на первых этапах формирования зерна в нём много содержится низкомолеку-лярных азотистых соединений, представленных в основном аминокислотами, а также легкорастворимых белков – альбуминов и глобулинов (рис. 5.1). В дальнейшем в ходе созревания зерновок концентрация в них небелковых азотистых веществ и белков альбумино-глобулинового типа постепенно снижается, но увеличивается накопление клейковинных белков – проламинов и глютелинов, при этом общее количество белков в зерне также увеличи-вается.

Поскольку в процессе созревания зерна относительное содержание альбуминов и глобулинов снижается, а количество проламинов и глютелинов увеличивается, в суммарном белке зерна наблюдаются соответствующие изменения концентрации аминокислот. Поскольку при созревании в зернов-ках увеличивается доля запасных белков с низким содержанием лизина, триптофана, метионина, треонина, изолейцина, то и в общем суммарном белке зерна также усиливается дефицит этих незаменимых аминокислот. Поэтому биологическая ценность суммарного белка в процессе созревания зерна снижается.

Такая закономерность в изменении аминокислотного состава суммар-ного белка особенно заметно проявляется в процессе созревания зерна пшеницы, кукурузы, ячменя, проса, сорго, у которых на долю проламинов приходится 30–50 % от общего количества белков в зерне.

У пшеницы по мере накопления запасных белков происходит форми-рование клейковинного комплекса зерна, в процессе созревания зерновок содержание клейковины повышается, улучшается её качество. В фазу мо-лочной спелости зерна клейковина имеет низкую гидратационную способ-ность и плохую связность, а к фазе полной спелости зерновок она приобре-тает характерные для неё реологические свойства. В ходе созревания зерна происходит постепенное уменьшение числа сульфгидрильных групп (–SН) в клейковине и увеличение количества дисульфидных связей вследствие сни-жения активности фермента протеиндисульфидредуктазы, катализирующего восстановление дисульфидных связей.