Пищевая Биохимия / Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

17.1. Зерновые культуры

Гетерополисахаридов в зерновках пшеницы содержится 8 %, кукурузы — 7, ржи — 10, овса — 13, ячменя — 12, риса — 2, проса — 2 %.

Зерновки злаковых культур очень бедны липидами. В зерновках пшеницы, ржи, ячменя и риса количество липидов может быть 2,0…2,3 %,

ав зерновках кукурузы — 4,6, овса — 5,5, проса — 4,6 %.

Взерновках злаковых культур синтезируются практически все витамины. Однако они неравномерно распределены в целом зерне, и их количество зависит от сортовых особенностей и условий выращивания зерновых культур. Так, в 100 г зерна пшеницы может присутствовать до 0,5 мг вита-

минов В1 и В6, 0,1…0,3 мг витамина В2, 5,0…9,4 мг витамина РР, 1,0…1,5 мг витамина В3, 1 мг α-токоферола. В отрубях пшеницы количество витамина РР достигает 25…30, а в рисовых отрубях — до 40 мг%.

При прорастании семян ячменя образующиеся в скуттеле свободные гиббереллины транспортируются из зародыша в эндосперм и алейроновый слой. Гиббереллины индуцируют процесс гидролиза клеточных стенок эндосперма посредством активирования специфических ферментов. Кроме этого, гиббереллины вызывают новообразование в алейроновом слое амилазы — фермента, расщепляющего крахмал эндосперма до растворимых сахаров, служащих энергетическим и строительным материалом для растущего зародыша. Однако наличие лаг-фазы в действии амилазы обусловливает то, что синтез этого фермента не входит в число первичных реакций.

Всеменах многих растений, в том числе и кукурузы, ИУК находится в связанной форме в виде коньюгатов. У кукурузы при созревании семян в эндосперме зерновки накапливаются гликозиды — коньюгаты 2-о-ин- дол-3-ацетил-мио-инозитола (ИУК-ноз). При прорастании семян гликозиды превращаются в ИУК-ноз, который транспортируется в зародыш, где происходит его гидролиз. Установлено, что в эндосперме зерновок кукурузы мало свободной ИУК, но много ее эфиров. Таким образом, ИУК-ноз является главным источником свободной ИУК для растущего проростка. Превращение ИУК-ноз в ИУК происходит преимущественно в стеблевой части проростка.

Всеменах кукурузы, в отличие от других растений, обнаружены значительные количества цитокининов — зеатина и его производных, причем, как показано в ряде работ, в сухих семенах содержание цитокининов ниже, чем в прорастающих. У кукурузы эндогенные цитокинины играют важную роль при запуске процессов прорастания.

17.1.2. Состав минеральных веществ зерна

Элементный состав золы зерновых злаков очень разнообразен и сильно зависит от сорта и условий их выращивания. Так, содержание золы

283

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

в зерновках ячменя колеблется от 1,8 до 4,5 %, овса — 2,2…5,9, проса — 2,3…5,0, риса — 3,6…8,1 %.

Различным частям зерновок присущ индивидуальный элементный состав. Поэтому количество золы в отдельных частях зерновок ржи, пшеницы и кукурузы может быть следующее (в %): целое зерно — 1,8, плодовые оболочки — 3,5, семенные оболочки — 2,9, алейроновый слой — 7,9, зародыш — 5,3, эндосперм — 0,4. При этом в зерновках пшеницы, кукурузы и ржи на долю фосфора и калия приходится около 80 % общего количества зольных элементов, магния — 13%, кальция, серы, хлора, кремния и других элементов в сумме всего около 7,0 %. Фосфор в зерновках злаков входит в состав биогенных соединений (фитин, фосфоглицериды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты). На долю минерального фосфора приходится не более 7…15 % общего его содержания в зерновках. Сера определяется преимущественно в составе серосодержащих аминокислот (цистеин, метионин).

17.1.3.Распределение химических веществ в различных частях зерновки

Зерновки представляют собой эмбриональные растения, находящиеся в стадии покоя, обеспеченные запасами питательных веществ, содержащихся в семядолях, эндосперме или в перисперме, которые заключены в защитные структуры, состоящие из семенной кожуры и других образований. В семенах сохраняется генетическая информация, которая в дальнейшем будет определять видовую принадлежность растения, то есть строение, функционирование, а также особенности роста и развития растительного организма.

Основными частями зерновок являются покровы, зародыш со щитком и эндосперм. В зрелой зерновке зародыши злаковых культур составляют 3,7 %, эндосперм — 77,5, покровы — 18,6 %. Покровы состоят из перикарпия и семенной кожуры.

Следует отметить, что распределение отдельных биогенных соединений в различных анатомических частях зерновок крайне неравномерно (табл. 17.2). При этом в зародыше отмечается самое высокое содержание белка, углеводов и липидов, а в эндосперме — крахмала. Клетчатка, моносахариды и зольные элементы больше всего содержатся в поверхностных структурах зерновок. Гетерополисахариды в различных частях зерновок распределены крайне неравномерно. Так, в эндосперме их 2,7%, зародыше — 9,7, алейроновом слое — 36,7 %.

Распределение липидов в зерновках также неравномерно. Самое высокое содержание липидов отмечается в зародыше зерновок пшеницы, а самое низкое — в эндосперме. В составе липидов зерновок присутству-

284

17.1. Зерновые культуры

Та б л и ц а 1 7 . 2

Химический состав (% от сухой массы) биогенных соединений отдельных частей зерновок пшеницы

ют следующие жирные кислоты: пальмитиновая, олеиновая, линолевая

илиноленовая. В зерновках количество ненасыщенных жирных кислот намного больше, чем насыщенных. При этом на долю линолевой и олеиновой кислот приходится до 85 % общего количества жирных кислот.

Витамины неравномерно распределены в частях зерновок. Наибольшее их количество содержится в щитке, зародыше и алейроновом слое

именьше всего — в эндосперме.

Активность компонентов антиоксидантной защиты в различных частях зерновок пшеницы в период их набухания при 23 °С сильно различается (табл. 17.3). Наличие высокой активности пероксидазы в зерновках пшеницы позволяет предположить участие фермента в метаболических процессах, происходящих во время покоя зерновок и в период их активного прорастания. Пероксидаза входит в состав антиоксидантной системы, активность которой определяет уровень устойчивости к различным

Та б л и ц а 1 7 . 3

Биохимические показатели органов зерновок пшеницы сорта Омская 12 после 24 ч замачивания в дистиллированной воде при 23 °С

285

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

воздействующим факторам в процессе онтогенеза растений. Фермент способен катализировать окисление различных неорганических и органических соединений. Обладая широкой субстратной специфичностью, фермент может проявлять свойства оксидазы. Поэтому активность пероксидазы возрастает с увеличением дыхания семян при выходе их из состояния вынужденного покоя.

Наибольшая активность пероксидазы и высокое содержание антиоксидантов отмечаются в зародыше и щитке зерновок, где активно протекают процессы перекисного окисления липидов. Наблюдаемые изменения можно объяснить в рамках единого представления о роли пероксидазы и антиоксидантов, являющихся компонентами антиоксидантной системы, в регулировании процессов перекисного окисления в зерновках пшеницы. Пероксидаза способна использовать в качестве субстратов антиоксиданты и перекись водорода. Фермент катализирует реакцию, в которой антиоксиданты окисляются, а перекись водорода восстанавливается до воды. Однако в высоких концентрациях антиоксиданты способны ингибировать фермент и таким образом способствуют увеличению уровня ПОЛ в клетках. Взаимная регулируемость системы позволяет контролировать ПОЛ в зерновках пшеницы и поддерживать его на определенном постоянном уровне.

17.1.4. Состав и биологическая ценность белков зерна

Белки зерновок злаковых культур можно условно разделить на альбумины, глобулины, проламины и глютелины.

Содержание альбуминов в зерновках пшеницы может составлять 5…15% общего количества белка в зерне, кукурузы — 6…14, ячменя — 8…15, ржи до 35%.

Глобулинов в зерновках пшеницы содержится 10…20 %, кукурузы — 7…15, овса — 15…25, ржи — 15…25 % от общего количества белков.

Проламины относятся к специальным белкам злаковых культур. В зерновках пшеницы и ржи эта группа белков называется глиадинами, в ячмене — гордеинами, овсе — авенинами, кукурузе — зеинами. В зерновках пшеницы содержится 20…40% глиадинов, а ржи — в 2 раза меньше. Содержание авенина в зерновках может колебаться в пределах 20…30%, зеина в кукурузе — 40…50, гордеина в ячмене — 25…40% общего количества белков.

Глютелинов в зерновках пшеницы, ячменя и овса обычно 25…40 %, а в рисе — до 60…70 % от общего количества белков.

Следует отметить, что аминокислотный состав белков зерновок различных видов злаковых культур может сильно различаться. Отмечается

286

17.1. Зерновые культуры

низкое содержание некоторых незаменимых аминокислот и в первую очередь лизина, триптофана и треонина.

Кроме аминокислот, в зерновках содержатся их амиды, нуклеиновые кислоты, пептиды и др. Общее содержание небелковых соединений азота обычно не превышает 1% массы сухого зерна. В зерновках синтезируются все аминокислоты, входящие в состав белков. При этом наибольшее их количество содержится в зародыше.

Высокая биологическая ценность зерен пшеницы определяется еще и тем, что при содержании в зерновках в среднем около 13 % белков и урожайности зерновой культуры 30 ц/га можно получить до 390 кг/га сырого протеина.

17.1.5.Химический состав и качество клейковины пшеницы

Пшеница — это единственная культура, из муки которой можно выпекать пористый, легко усвояемый белый хлеб. Зерно пшеницы богато белком, содержание которого в зависимости от условий места произрастания колеблется от 11 до 24 %. Более 80 % суммарного белка в муке пшеницы составляют запасные белки (глиадины и глютенины). Они называются клейковинными белками, так как при отмывании пшеничного теста

вводе формируется эластичный и нерастворимый сгусток (клейковина), основой которого являются щелочерастворимые белки — глютенины и спирторастворимые — глиадины.

Вцелом клейковина представляет собой сильно гидратированный гель, в составе которого, кроме белков, присутствуют еще и углеводы, липиды и минеральные вещества. Количество компонентов клейковины зависит от сорта муки, подготовки к замесу, продолжительности отмывания и др.

При смешивании муки с водой происходит гидратирование белков и их слипание (образуя компактную, упругую массу теста). Реологические свойства (упругость, эластичность, растяжимость) пшеничного теста определяются в основном составом глютенинов и глиадинов. Глютенины образуют волокна клейковинного комплекса, а глиадины включаются

всостав субъединиц глютенинов, образуя фибриллярные структуры клейковины. Глиадины повышают растяжимость пшеничного теста, тогда как глютенины увеличивают эластичность и стабильность теста в период замешивания. Наличие различных компонентов глиадинов и глютенинов

вклейковине оказывает непосредственное влияние на свойства клейковинного комплекса и поэтому может служить показателем хлебопекарных свойств пшеницы.

287

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