Тема 3. Технічна біохімія

Біохімія зерна і продуктів його переробки займається вивченням хімічного складу зерна, муки, крупи і хліба, хімічних перетворень, які відбуваються в зерні під час його дозрівання, зберігання, проростання і псування під впливом різних несприятливих чинників. Задачами біохімії зерна є також вивчення біохімічних перетворень, які відбуваються під час переробки зерна на млині і на круп'яному заводі, при зберіганні крупи і муки, при виготовленні з муки хліба, локши і інших виробів, і вивчення харчової цінності зерна, борошна, крупи, хліба і інших продуктів переробки зерна.

Білки зерна мають молекулярну масу в межах 3000 - 40000.

Глютенін також складається з ряду білкових компонентів, молекулярна маса яких значно вище: від 500 тисяч до 2-3 мільйонів. Виділити і очистити їх поки не вдалося. Якщо ж обробити глютенін реактивами, що розщеплюють дисульфідні зв'язки, то при елетрофорезі на крохмальному гелі можна виділити ті ж компоненти, які входять до складу гліадину. Далі виявилося, що в білках гліадинової фракції клейковини є дисульфідні зв'язки усередині кожного поліпептидного ланцюжка, тоді як глютенін побудований з аналогічних поліпептидних ланцюжків, але сполучених між собою дисульфідними «містками», і цим пояснюється його висока молекулярна маса. З відомим припущенням можна вважати глютенін продуктом полімеризації гліадину.

Ні гліадин, ні глютенін окремо не мають характерних фізичних властивостей клейковини, які властиві їй тільки як цілому білковому комплексу. Яким чином сполучені індивідуальні білкові компоненти в єдину частинку білка клейковини — невідомо; велику роль при цьому грають, мабуть, дисульфідні і водневі зв'язки, а також гідрофобні взаємодії.

Більш всього клейковини містиця в зовнішньому шарі ендосперма, в наступних менше, і зовсім її мало у внутрішніх шарах. Таким чином, борошно, що одержане із зовнішніх шарів, буде більш багате на клейковину, ніж борошно з внутрішніх шарів ендосперма.

Протеолітичні ферменти зерна особливо добре можуть проявити себе при вимірюванні змін фізичних властивостей тіста: зменшення його пружності і розпливчатості.

Протеолітичні ферменти зерна і борошна мають оптимум дії в слабокислому середовищі при рН 5,5—6,0. Характерною їх особливістю є також те, що вони активуються сульфгідридом і деякими сполуками, наприклад глютатіоном і цистеїном. В непророслому і не пошкодженому клопом-черепашкою зерні пшениці, жита, ячменю і інших зернових культур активність протеолітичних ферментів дуже невелика.

Про розподіл по зерну протеолітичних ферментів дають уявлення наступні дані. Якщо за 100 % прийняти активність протеолітичних ферментів у зародку, то активність протеаз в щитку складе біля 3 %, а в ендоспермі — всього лише біля 11 %. Протеолітичні ферменти зародка найбільш активні; в щитку вони менш активні, ніж в самому зародку, а в ендоспермі активність протеолітичних ферментів дуже мала. Таким чином, оскільки борошно вищого ґатунку виходить з ендосперма, її протеолітична активність дуже низька. При проростанні зерна активність протеолітичних ферментів різко зростає, а у міру його дозрівання — знижується.

Особливо високою протеолітичною активністю відрізняється зерно, уражене клопами-черепашками.

Дуже великий вплив на дію протеолітичних ферментів має атакуємість білка — його більша або менша здатність чинити опір дії протеолітичного ферменту. У одних сортів пшениці білки легше атакуються протеолітичними ферментами і легше ними розщеплюються, а у інших сортів вони атакуються менше.

Вуглеводи зерна злаків — пшениці, жита, вівса, ячменю і інших — складають основну частку всього зерна. Так, наприклад, близько 3/4 речовин, що входять до складу пшеничного зерна, складається з вуглеводів.

Цукри. Пентози, як такі, у вільному вигляді в зерні, борошні і крупі практично не містяться. Вони містяться в досить великій кількості в зерні у вигляді пентозанів. Цих останніх особливо багато в оболонках зерна, висівках, «лушпинню» різного насіння (соняшнику), кукурудзяних стрижнях.

Ксилоза має промислове значення. Її зараз одержують шляхом гідролізу пентозанів, до складу яких вона входить, наприклад, шляхом кислотного гідролізу лушпиння бавовняного насіння або кукурудзяних стрижнях. Одержана таким чином ксилоза використовується в кондитерській промисловості.

Глюкоза і фруктоза містяться в зерні в дуже незначних кількостях.

Складні цукри. Значна частина цукру, що міститься в нормальному непророслому зерні, складається з сахарози.

Сахарозу розщеплює фермент β-фруктофуранозидаза або інвертаза (його називають ще сахараза). Цього ферменту особливо багато в дріжджах і в зерні, що проростає.

В нормальному непророслому зерні мальтоза майже не міститься; вона нагромаджується в зерні лише при проростанні.

Мальтоза гідролізуєтся не тільки кислотами з утворенням двох молекул глюкози, але також ферментом α-глюкозидазою (мальтазою), який міститься в дріжджах і в деяких видах солоду; особливо багато її в просяному солоді.

В зародках зерна в помітній кількості міститься рафіноза. Так, наприклад, в сухій речовині пшеничних зародків міститься від 4 до 6,9 % рафінози.

Найсолодшою серед цукрів є фруктоза. Можна написати такий ряд цукрів по солодкості: фруктоза > сахароза > глюкоза > мальтоза.

В зерні ячменю міститься в середньому 2—3 % цукрів, головним чином сахарози і інших олігосахаридів. В зерні гороху і квасолі цукрів від 4 до 7 %, а в сої — від 4 до 15 %. Особливо багато їх в зародках. Так, наприклад, в зародках жита і пшениці — від 16 до 23 % цукрів, в зародках кукурудзи — біля 11 %; в зародках цукор складається з сахарози з невеликою домішкою рафінози і дуже малою кількістю глюкози і фруктози.

Крохмаль — головна з речовин, що містяться в зерні злаків. Середній вміст крохмалю в зерні кукурудзи, жита, рису і пшениці складає від 60 до 75 %, у ячменю — від 50 до 60 %; особливо багато крохмалю в рисовому зерні — від 75 до 80 %. В зерні він міститься у вигляді крохмальних зерен різного розміру і форми. Розмір крохмальних зерен коливається від 0,02 до 0,12 мм. Особливо крупні зерна крохмалю у картоплі. Крохмальні зерна різних культур розрізняються формою.

Крохмальні зерна пшениці, жита і ячменю прості, тоді як у кукурудзи, вівса і рису складні, складаються з окремих, нібито склеєних між собою дрібних крохмальних зерняток.

Крохмаль дає дуже характерну реакцію з розчином йоду — забарвлюється в синій колір. Ця реакція застосовується для виявлення і кількісного визначення крохмалю.

Крохмальні зерна при нагріванні їх у воді утворюють крохмальний клейстер. Клейстеризація крохмалю різного походження наступає при різній температурі. Пшеничний крохмаль клейстеризується при 62,5 °С, житній — при дещо більш низькій температурі.

Крохмаль складається з амілози і амілопектину. Ці речовини сильно розрізняються за своїми хімічними властивостям. Так, наприклад, від йоду амілоза забарвлюється в синій колір, а амілопектин — в червоно-фіолетовий. Вони розрізняються і по розчинності: амілоза легко розчиняється в теплій воді і дає розчини з порівняно невисокою в'язкістю, тоді як амілопектин розчиняється у воді лише при нагріванні під тиском і дає дуже в'язкі розчини.

Ліпіди зерна включають в себе: 1) власне жири; 2) фосфатиди; 3) каротиноїди; 4) стероли і 5) віск.

Всі ліпіди, не дивлячись на відмінність їх хімічного складу і структури, розчиняються в так званих жирових розчинниках: ефірі, бензині, петролейному ефірі і ін. Коли проводять визначення жиру в зерні або борошні, його екстрагують диетиловим ефіром. При цьому в ефірний екстракт переходять всі речовини, що відносяться до групи ліпідів, і в екстракті знаходиться так званий сирий жир, тобто суміш жиру з жироподібними речовинами: фосфатидами, стеролами, воском і каротиноїдами.

В зерні пшениці біля 30 % всіх ліпідів складають ліпіди, що пов'язані з білками і вуглеводами і вони не екстрагуються диетиловим ефіром.

Жири зерна містять головним чином ненасичені жирні кислоти. Завдяки тому що в ненасичених жирних кислотах є подвійні зв'язки, вони дуже легко окислюються, і саме з процесом окислення ненасичених жирних кислот пов'язано згіркнення борошна і крупи.

До складу деяких рослинних жирів входять особливі жирні кислоти, що зустрічаються тільки в насінні певних рослин. Так, наприклад, до складу касторової олії (масла рицини) входить рицинолева кислота СН₃(СН₂)₅СНОНСН₂СН=СН(СН₂)₇СООН. Вона відрізняється тим, що має один подвійний зв'язок і разом з тим містить оксигрупу -ОН.

В маслах з насіння хрестоцвітих рослин — рапсу, рижика, гірчиці — міститься особлива жирна кислота, так звана ерукова: СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₁₁СООН. Вона специфічна для рослин з родини хрестоцвітих.

В будь-якому зерні міститься ліпаза, але особливо активна вона в насінні рицини. Ліпаза зерна злаків відрізняється від рицинової кращою розчинністю у воді. Ліпаза пшеничних зародків має оптимум дії при рН 8.

Оскільки в жирі містяться ненасичені жирні кислоти він може легко окислюватися. Процес окислення жиру, окислення ненасичених жирних кислот, може йти сам по собі за рахунок приєднання кисню повітря по місцю подвійних зв'язків. Проте цей процес може значно прискоритись під впливом особливого ферменту, що міститься в зерні, борошні і крупі, — ліпоксигенази. Вона особливо активна в сої і соєвому борошні.

Вітаміни зерна. До жиророзчинних вітамінів відносяться вітаміни А, D і Е.

В зерні і продуктах його переробки вітамін А як такий відсутній. Проте в зерні, борошні і крупі містяться каротиноїди, з яких в організмі людини і тварин утворюється вітамін А. Таким чином, каротиноїди є провітамінами А.

Вітаміну D в зерні і продуктах його переробки також немає, а є ергостерол і інші стероли, з яких при опромінюванні ультрафіолетовим світлом утворюється вітамін D.

З жиророзчинних вітамінів в зерні міститься лише вітамін Е, або токоферол. Токоферол міститься в зерні у вигляді чотирьох ізомерів: α-β-γ- і 2-токоферолів.

Недолік в кормах вітаміну Е викликає у тварин серйозні порушення обміну речовин і безплідність. Токоферол перешкоджає окисленню і згіркненню жирів і тому належить до антиокислювачів — речовинам, що оберігають жири від згіркнення.

Вітамін Е міститься в зародках злаків. Препарати вітаміну Е одержують з пшеничних зародків.

До водорозчинних вітамінів зерна належить вітамін B, що міститься у великій кількості в пшеничних і рисових висівках, в алейроновому шарі і зародку рисового, пшеничного і житнього зерна. При очищенні і поліровці рису, а також при виготовленні пшеничного борошна вищого ґатунку зародок і алейроновий шар зерна видаляються. Тому полірований рис і пшеничне борошно вищого і першого ґатунків практично не містять вітамінів, у тому числі і вітаміну В.

Багато вітаміну В в щитку пшеничного зерна, де його міститься біля 60 % від загальної кількості вітаміну В в цілому зерні. Особливо багаті вітаміном B дріжджі.

Питання для самоконтролю:

1. Для чого перед помелом зерно зволожують?

2. Чи можна поліпшити якість борошна з зерна ураженого клопом шкідливою-черепашкою?

3. Чи підвищується поживна цінність борошна з поліпшенням якості помела?

4. Які зміни відбуваються у хімічному складі борошна при його відбіленні?

5. Яким чином можна нівелювати дефекти борошна?

Література: 3, 7, 8.