Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биохимия зерна и продуктов его переработки. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
БИОХИМИЯ ЗЕРНА И ПРОДУКТОВ
ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ
Учебное пособие
Казань
Издательство КНИТУ
2016
2
УДК 664.7:577.1(075)
БКК 36.821:28.57я7
Авторы: С. В. Борисова, Т. А. Ямашев, М. М. Богова,
З. Ш. Мингалеева, О. А. Решетник
Биохимия зерна и продуктов его переработки : учебное пособие /
С. В. Борисова [и др.]; М-во образ. и науки России; Казан. нац. исслед.
технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2016. – 100 с.
ISBN 978-5-7882-1966-0
Является руководством к лабораторным занятиям по дисциплине «Биохимия зерна и продуктов его переработки» и к выполнению
магистерских диссертаций. Рассмотрены правила работы в лаборатории, дана информация о химическом составе компонентов зерна, методах определения и анализа количества и качества этих компонентов, а также об их влиянии на продукты переработки зерна.
Предназначено для магистров, обучающихся по направлению
подготовки 19.04.02 «Продукты питания из растительного сырья» по
программе «Комплексная переработка зернового сырья».
Подготовлено на кафедре технологии пищевых производств.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического
университета
Рецензенты: нач. производ.-техн. лаб. ОАО «Казанский
хлебозавод № 3» Г. Н. Амирханова
гл. технолог Союза хлебопроизводителей РТ
Р. С. Таштабанова
ISBN 978-5-7882-1966-0 © Борисова С. В., Ямашев Т. А., Богова М. М.,
Мингалеева З. Ш., Решетник О. А., 2016
© Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2016
3
ВВЕДЕНИЕ
Биохимия – это составная часть биологии. Она изучает химиче-
ский состав растений, животных и микроорганизмов, происходящие в
живых организмах биохимические процессы, связь между жизнедеятельностью организмов и протекающими в них биохимическими процессами.
В задачу биохимии входит также изучение физиологической
роли отдельных веществ в жизни организмов, процессов биосинтеза
сложных органических веществ из неорганических соединений. Совокупность химических превращений, отражающих постоянную
взаимосвязь организма с внешней средой, составляет биологический
обмен веществ. Обмен веществ лежит в основе наиболее сложной
формы движения материи, называемой жизнью.
Физиология растений изучает общие закономерности жизнедеятельности растительных организмов и разрабатывает пути управления
ими.
Методы биохимии имеют большое практическое значение для
медицины, сельского хозяйства, отраслей промышленности, перерабатывающих растительное сырье. Биохимия дает знания, необходимые для решения задач управления развитием растительных организмов, изучения закономерностей и регулирования синтеза веществ в
растениях, создания новых форм организмов, селекции новых форм
организмов, селекции новых сортов. Биохимия составляет научную
основу хранения запасов зерна, плодов и овощей, выращиваемых в
сельском хозяйстве и поступающих в переработку.
Биохимия зерна изучает химический состав семян, зерна, муки,
крупы и хлеба; биохимические процессы, происходящие при созревании и прорастании семян и зерна; биохимические процессы при хранении зерна и продуктов его переработки, а также пути борьбы с потерями при хранении; биохимические процессы, происходящие в зерне при его переработке; разработку научной основы мероприятий по
улучшению качества муки, крупы и других продуктов из зерна и для
системы производственного технологического контроля; биохимические процессы в продуктах переработки зерна при их хранении; пищевую ценность зерна и продуктов его переработки.
Развитие науки о зерне в нашей стране тесно связано с именем
Д. И. Менделеева, исследовавшего клейковину, ее свойства и значение для хлебопечения. Сведения о химическом составе зерна пшени-
4
цы и зависимости содержания в нем белковых веществ от климатических и почвенных условий дал профессор Московского университета
Н.Э. Лясковский в 1865 г.
В технологическом плане биохимическим процессам при
гидротермической обработке зерна отведено большое место в трудах Г. А. Егорова. Биохимические процессы нашли также отражение в
работах Г. А. Егорова по проблеме тепломассообмена в зерне и в его
двух монографиях, посвященных мукомольно-технологическим признакам и свойствам зерна.
Активного участия биохимиков потребовали вопросы использования разных видов неполноценного зерна. Многочисленные исследования в этом направлении, выполненные в разные годы, обобщены
в монографии Е.Д. Казакова и В.Л. Кретовича «Биохимия дефектного
зерна и пути его использования».
Перевод хлебопечения на индустриальные рельсы и широкое
внедрение в хлебопекарную промышленность механизации и автоматизации, создание автоматической техники непрерывного действия
поставили перед учеными задачу глубокого познания сущности биохимических и микробиологических процессов, лежащих в основе
приготовления хлеба. Особенно детально была исследована α-амилаза
зерна и муки, ее свойства, методы ее определения и подавления. Разработаны условия и методы количественного определения содержания клейковины в зерне и муке и создан ряд приборов и методов для
объективной оценки ее качества.
Большое значение имеет дальнейшая разработка и совершенствование на основе биохимических данных объективных методов
оценки качества зерна и муки, а также методов технохимического
контроля технологических процессов и качества готовой продукции.
Особое значение приобретает разработка и внедрение специальных экспрессных и автоматических методов на основе хроматографии, электрофореза, спектроскопии, люминесцентного и изотопного анализа, а также других современных методов химического и
физического анализа.
5
1. ПРАВИЛА РАБОТЫ
В БИОХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ
Приступая к выполнению лабораторного практикума, студент
должен быть подготовленным к лабораторному занятию. Подготовка
проводится до занятий по учебникам, лекционным записям и методическим пособиям. В специальную тетрадь заносится краткое описание
опыта, уравнения реакций. Наблюдения и выводы записываются при
непосредственном выполнении опытов.
Во время проведения опытов на рабочем месте не должно быть
ничего лишнего, необходимо поддерживать на нем чистоту и порядок.
По окончании работы студент должен убрать рабочее место, вымыть
лабораторную посуду.
Нельзя уносить приборы, реактивы, цилиндры, пипетки и другие
предметы общего пользования на свое рабочее место.
После выполнения цикла лабораторных работ студенты сдают
теоретический коллоквиум.
Староста группы на время занятий назначает дежурного по
группе. Дежурный отвечает в течение всего занятия за порядок и чистоту рабочих мест, за оборудование общего пользования. По окончании работы дежурный сдает лабораторию учебному лаборанту. Рабочее место, не приведенное в порядок, убирает сам дежурный.
Правила техники безопасности при работе в биохимической
лаборатории
Каждый работающий должен знать, где находятся в лаборатории
средства противопожарной защиты и аптечка, содержащая все необходимое для оказания первой помощи.
Никакие вещества в лаборатории нельзя пробовать на вкус. Нюхать вещества можно лишь осторожно направляя на себя пары или газы легким движением руки, а, не наклоняясь к сосуду и не вдыхая
полной грудью.
Приступать к выполнению каждой работы следует только с разрешения преподавателя и после полного уяснения всех ее операций.
Нельзя производить какие-либо опыты в загрязненной посуде.
Посуду следует мыть сейчас же после окончания опыта.
Не разрешается работать в лаборатории без халата.
Нельзя оставлять действующий прибор без присмотра.
6
Концентрированные кислоты и щелочи нужно наливать в сосуд
осторожно, под тягой, чтобы не облить рук, не получить брызг на лицо
и платье. При наливании концентрированных растворов кислот и щелочей обязательно пользоваться воронкой. Надо твердо помнить правило смешивания концентрированной серной кислоты с водой: не воду лить в кислоту, а наоборот – кислоту в воду небольшими порциями.
В случае воспламенения легкоиспаряющихся жидкостей нужно,
прежде всего, потушить горелки, выключить электроприборы, унести
все находящиеся поблизости горючие вещества, а затем гасить пламя,
засыпая его песком, закрывая мокрым полотенцем или одеялом.
Большое пламя гасят с помощью углекислотных огнетушителей. Не
следует заливать пламя водой, во многих случаях это приводит к
большему распространению пламени и расширению очага пожара.
В случае воспламенения одежды не следует бежать, надо набросить на пострадавшего халат, брезент, шерстяное или войлочное одеяло. Можно тушить одежду на себе обливанием водой или быстрым перекатыванием на полу.
При легких термических ожогах кожу следует обработать спиртом, а затем смазать глицерином или вазелином. При более сильных
ожогах, после обработки спиртом или концентрированным раствором
перманганата калия, обожженное место необходимо смазать мазью от
ожога.
При ожогах крепкими кислотами необходимо сразу же промыть
пораженное место большим количеством воды, а затем 3 % раствором
гидрокарбоната натрия и опять водой.
При ожогах едкими щелочами обильно промыть пораженное место проточной водой, затем разбавленным раствором уксусной кислоты, а после опять большим количеством воды.
При попадании кислоты или щелочи в глаза следует сразу же их
промыть. Для этого направляют небольшую струю воды то в один, то
в другой глаз в течение 3-5 мин. Затем глаза необходимо промыть 3 %
раствором борной кислоты. После этого нужно немедленно обратиться
к врачу.
При порезах стеклом необходимо удалить осколки стекла из раны, залить пораженное место спиртовым раствором йода и наложить
стерильную повязку. При сильных кровотечениях следует наложить
выше раны жгут и вызвать врача или отправить пострадавшего в медпункт.
7
2. ФЕРМЕНТЫ
В основе всех жизненных процессов, включая превращение
энергии, лежит работа ферментов. Ферменты – биологические катализаторы белковой природы, образуемые любой живой клеткой и обладающие способностью активизировать различные химические соединения. Каждый тип фермента может катализировать, как правило,
только какой-то один тип реакции, известны тысячи различных ферментов. Ферменты значительно превосходят искусственные катализаторы по специфичности, каталитической активности и способности
действовать в мягких условиях, т. е. при умеренной температуре и физиологической концентрации водородных ионов. Они способны в течение миллисекунды обеспечить протекание сложных многостадийных реакций, для проведения которых химику потребовались бы дни,
недели или месяцы работы. Самое замечательное свойство химических реакций, протекающих в живых клетках, которое в конечном
итоге и делает возможным успешное функционирование клеток, состоит в том, что реакции, катализируемые ферментами, протекают со
стопроцентным выходом.
Особенность ферментов заключается еще в том, что одни и те же
ферменты при известных условиях способны изменять регулируемые
ими биохимические процессы в обратном направлении.
Поскольку каждый фермент способен ускорить только какую-то
одну реакцию конкретного соединения, не влияя при этом на другие
его возможные реакции, в живых организмах может протекать одновременно множество различных независимых реакций, причем без
риска увязнуть в бесполезных побочных продуктах.
Механизм действия ферментов, как и всех других катализаторов,
связан со снижением энергии активации, необходимой для прохождения химической реакции, направляя ее обходным путем через промежуточные реакции, которые требуют значительно меньшей энергии
активации. Так, реакция: АВ → А + В в присутствии фермента
протекает следующим образом: АВ + Ф → АВФ; АВФ → А + ВФ;
ВФ → В + Ф. Важным условием протекания любой биохимической
реакции является образование фермент-субстратного комплекса, понижающего энергию активации.
Строение ферментов. Все ферменты построению разделяют на
два класса: однокомпонентные и двухкомпонентные.
8
К первому классу относятся ферменты, состоящие только из
белка, обладающего каталитическими свойствами, а ко второму классу
– ферменты, которые состоят из белка и связанной с ним небелковой
части, так называемой активной группой. Для названия активных
групп двухкомпонентных ферментов часто используют термин кофермент или простетическая группа.
У однокомпонентных ферментов роль активных групп выполняют определенные химические группировки, входящие в белок. Эти
группировки получили название активных или каталитических центров. Каталитический центр однокомпонентного фермента представляет собой сочетание нескольких аминокислотных остатков, располагающихся в определенной части белковой молекулы. Аминокислотные
остатки, образующие каталитический центр однокомпонентного фермента, расположены в различных точках единой полипептидной цепи.
Это означает, что каталитический центр возникает в тот момент, когда
белковая молекула приобретает присущую ей третичную структуру.
Следовательно, изменение третичной структуры фермента под влиянием тех или иных факторов приведет к деформации каталитического
центра и изменению ферментативной активности.
У двухкомпонентных ферментов одну его часть – белковую называют апоферментом. Вторую часть – добавочную или активную
группу, прочно связанную, не отделяемую от белковой части, называют простетической группой; в отличие от этого добавочную группу,
легко отделяющуюся от апофермента и способную к самостоятельному существованию, именуют коферментом. Ни белковая часть и ни
простетическая в отдельности не обладают заметной каталитической
активностью. Только их комплекс приобретает ферментативные свойства. При этом белок резко повышает каталитическую активность добавочной группы, присущую ей в свободном состоянии в очень малой
степени: добавочная же группа стабилизирует белковую часть и делает ее менее уязвимой к денатурирующим агентам. Таким образом, хотя непосредственной каталитической функцией обладает добавочная
группа, образующая каталитический центр, ее действие в полной мере
невозможно без участия полипептидных фрагментов белковой части
фермента. Более того, в апоферменте есть участок, характеризующийся специфической структурой, избирательно связывающий кофермент.
Это так называемый кофермент, связывающий домен, его структура у
различных апоферментов, соединяющихся с одним и тем же коферментом очень сходна.
9
Пример двухкомпонентного фермента – пируватдекарбоксилаза,
катализирующая расщепление пировиноградной кислоты на диоксид
углерода и уксусный альдегид:
CH3COOH → CH3COH + CO2
Простатическая группа пируватдекарбоксилазы (тиаминпирофосфат) образована молекулой тиамина (витамина В1) и двумя остатками фосфорной кислоты.
Простетические группы ряда важных окислительно-восстановительных ферментов (дегидрогеназ) содержат производное амида никотиновой кислоты (ниацина) или рибофлавина (витамина В2). В состав
простетической группы так называемых пиридоксалевых ферментов,
катализирующих перенос аминогрупп (—NH2), декарбоксилирование
и ряд других превращений аминокислот, входит пиридоксальфосфат –
производное витамина В6; активная группа ферментов, катализирующих перенос остатков различных органических кислот (например,
ацетила СН3СО—), включает пантотеновую кислоту (витамин группы
В). К двухкомпонентным ферментам относятся также важные окислительно-восстановительные ферменты каталаза (катализирует реакцию
разложения пероксида водорода на воду и кислород) и пероксидаза
(окисляет перекисями различные соединения, например полифенолы с
образованием соответствующего хинона и воды).
Каталитическое действие двухкомпонентных ферментов может
быть воспроизведено с помощью ионов железа, обладающих малой
каталитической активностью, которая может быть усилена, если атом
железа входит в состав Гема (простетическая группа гемоглобина крови). Гем обладает значительным каталазным действием, но его каталитическая активность в несколько миллионов раз меньше активности
катал азы, в которой Гем в качестве простетической группы этого
фермента связан со специфическим белком. Гем обладает также слабым пероксидазным действием, которое проявляется в полной мере
только после соединения Гема со специфическим белком в целостный
фермент пероксидазу.
Соединение простетической группы с белком приводит к резкому возрастанию ее каталитической активности. От природы белка зависит не только каталитическая активность, но и специфичность действия фермента. Прочность связи простетической группы и апофермента у разных ферментов различна. У некоторых ферментов, напри-
10
мер у дегидрогеназ, катализирующих окисление различных субстратов
O H
║ │
2HOOC─CH─CH2─CH2─C─N─CH─C─N─CH2─COOH →
│ ║ │ │
NH2 O H CH2─SH
отнятием водорода, эта связь является непрочной. Такие ферменты
легко диссоциируют (например, при диализе) и распадаются на простетическую группу и апофермент.
Многие ферменты содержат металлы, придающие им активность. Эти металлы называются кофакторами. Пероксидаза и каталаза
содержат железо, аскорбинатоксидаза, катализирующая окисление аскорбиновой кислоты, – медь.
Одним из свойств ферментов, отличающихся от свойств неорганических катализаторов, является их большая лабильность – зависимость от ряда воздействий: концентрации водородных ионов, температуры, окислительно-восстановительных условий, концентрации некоторых соединений (продуктов обмена веществ), ионов металлов и т.п.
Отдельные ферменты различаются по оптимальной для их действия величине рН. Оптимум действия β-фруктофуранозидазы находится в зоне рН 4,0-5,5. Отношение к рН α- и β-амилазы различно: βамилаза может действовать при более кислой реакции, чем α-амилаза.
Вместе с тем β-амилаза более термолабильна, чем α-амилаза, которая
выдерживает более высокую температуру.
Действие ферментов зависит также от присутствия специфических активаторов и неспецифических или специфических ингибиторов. Многие ферменты активизируются в присутствии соединений,
содержащих сульфгидрильную группу (—SН). К ним принадлежат
аминокислоты цистеин и трипептид глютатион, содержащийся в каждой живой клетке и состоящий из остатков глютаминовой кислоты,
цистеина и гликокола. Особенно сильное активизирующее воздействие глютатион оказывает на некоторые протеолитические и окислительные ферменты. Глютатион регулирует окислительновосстановительные процессы благодаря тому, что может существовать
в двух формах – восстановленной (Г—SН) и окисленной.
восстановленная форма глутатиона
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]