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

Наименование свойств	Амилоза	Амилопектин
Молекулярная масса	1,0·105 – 4·105	1,0·106 – 5·108
Растворимость при обработке зерен крахмала водой при температуре ниже 100˚С	Растворима	Нерастворим
Стабильность раствора при хранении	Легко ретроградирует	Остается стабильным
Окраска йодного комплекса	Синяя	Фиолетовая
Способность связывать йод, %	18 – 20	0 –0,13
Число нередуцирующих концевых групп на молекулу	1	Несколько сотен
Отношение раствора к высшим спиртам	Выпадает в осадок в виде комплексного соединения	Остается в растворе
Действие β-амилазы	Расщепляется полностью	Расщепляется примерно на 50%
Пленкообразующая способность фракций	Эластичные пленки	Хрупкие пленки

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.

а

б

в

г

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.