3.2 Биохимия зерна пшеницы и пшеничной муки

Пшеничная мука сегодня является основополагающим сырьем, которое используется для выпечки хлебобулочных изделий. Её химический состав и качество готового продукта зависят от состава зерна, из которого она получена (таблица 1).

Таблица 1 – Химический состав зерна пшеницы

Наименование, (% в зерне)	Белки	Крахмал	Моно- и дисахариды	Клетчатка	Пентозаны	Липиды	Зола
Целое зерно (100)	16,06	63,07	4,32	2,76	8,10	2,24	3,45
Эндосперм (81,6)	12,9	78,82	3,54	0,15	2,72	0,68	1,19
Зародыш (3,24)	41,30	–	25,12	2,46	9,74	15,04	6,34
Оболочка с алейроновым слоем (15,16)	28,75	–	4,18	16,20	36,65	7,78	6,44

Плод хлебных злаков, состоящий из одного семени, называется зерновкой. Зерно пшеницы состоит из оболочек, эндосперма и зародыша ­– это основные части зерна, и они имеют различное биологическое значение и химический состав (рисунок 1).

Самая наружная оболочка зерна – плодовая, состоит из трех слоев клеток, как и семенная оболочка. Первый слой семенной оболочки образуется прозрачными клетками, второй содержит вещества, придающие цвет зерну, а третий – гиалиновый слой, состоит из непрозрачных набухающих клеток.

1 – зачаточный корешок; 2 – почечка; 3 – зародыш; 4 – щиток; 5 – эндосперм; 6 – алейроновый слой; 7, 8, 9, 10 – оболочки (плодовые и семенные); 11 – бородка

Рисунок 1 – Продольный разрез зерна пшеницы

Зародыш – зачаток будущего растения. Он состоит из почечки, зачаточного корешка и щитка. Зародыш содержит много Сахаров, азотистых веществ, жира, витаминов и ферментов. При прорастании зерна питательные вещества поступают в зародыш через щиток.

Наиболее ценной частью зерна является эндосперм. Он представлен крупными тонкостенными клетками неправильной формы, которые содержат клеточные включения в виде крахмальных зерен. Также в нем различают периферический алейроновый слой, прилегающий к семенной оболочке. Клетки алейронового слоя крупные, имеют сильно утолщенные стенки и обогащены белками и липидами.

Муку высших сортов получают из эндосперма. При переработке зерна оболочки и зародыш удаляются. Также удаляется и алейроновый слой.

1. Белки зерна пшеницы

Белковые вещества играют значительную роль в процессе приго­товления хлеба. Роль белковых веществ состоит в создании клейковин­ного каркаса, формировании газоудерживающей способности тестовой заготовки. Большое значение имеют водорастворимые белковые вещест­ва, участвующие в микробиологических и ферментативных процессах, определяющих органолептические свойства продукта.

Белки пшеницы в соответствии с их растворимостью делятся на альбумины, глобулины, проламины и глютелины. Альбумины растворяются в воде, глобулины – в водных растворах различных солей, проламины – в 60 – 80% растворе этанола, а глютелины – в 0,1 – 0,2% растворах щелочей. В зерне пшеницы их содержится соответственно 2,4, 0,6, 4 и 4,4%. В состав белков также входят склеропротеины. Они содержатся в оболочках и периферических слоях зерна, выполняют структурную функцию и плохо усваиваются организмом. Современные методы выделения, фракциони­рования и характеристики белковых веществ доказали, что альбумин, глобулин, глиадин и глютенин не являются однородными индивидуаль­ными белками. Их можно характеризовать как многокомпонентные фракции белкового вещества зерна, отличающиеся по электрофоретической подвижности, аминокислотному составу, способности агрегатироваться за счет дисульфидных связей и так далее.

Альбуминный комплекс зерна в основном состоит из ферментов. Глобулины отличаются более высоким содержанием лизина по сравнению с клейковинными белками (проламинами и глютелинами).

В зерне пшеницы больше всего проламина и глютелина, которые образуют клейковину. Характерной особенностью проламинов является высокое содержание глутаминовой кислоты и пролина. Особо можно отметить чрезвычайно низкое содержание в проламиновой и глютелиновой фракциях лизина.

Особенностью белков пшеницы является способность к формированию клейковины. Клейковина (глютен) – белковая часть пшеничной муки, остаю­щаяся в виде эластичного сгустка после вымывания из теста водой крахмала. Составляющая часть клейковины – это запасные белки эндосперма – глютенины и глиадины.

Технологическое значение клейковины состоит в том, что она формирует тесто, образуя при набухании сплошную упругую сетку, соединяющую в ком­пактную массу все компоненты муки. При внесении дрожжей в тесто в резуль­тате спиртового брожения выделяется СО₂, который растягивает клейковину. Сначала сплошной комок теста начинает быстро увеличиваться в объеме (под­ниматься). К концу брожения тесто приобретает пористое строение. Разрых­ленное тесто, состоящее из огромного числа пузырьков СО₂, стенки которых образованы клейковиной, закрепляется в таком состоянии при выпечке, образуя характерную пористую структуру пшеничного хлебного мякиша.

Следует отметить, что только соединение глютенина и глиадина в одном комплексе создает клейковинный белок. Существует мнение, что формирование клейковины связано с особым способом образования дисульфидных связей между отдельными полипептидными цепями глютенина.

Глютенин пшеницы представляет собой сложную полимерную структуру с молекулярной массой 2·10⁶ – 3·10⁶, образованную низкомолекулярными белками, которые связаны между собой только продольными дисульфидными связями, формируя структуру линейного вида (рисунок 2, а). Другая белковая фракция – глиадин – представлена в основном еди­ничными полипептидпыми цепями с внутримолекулярными дисульфидными мостиками (рисунок 2, б).

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.