Клейковина

Клейковина була відкрита в 1745 р. італійським вченим Беккарі. Вона є пружною, гумоподібною масою, яка виходить з пшеничного тіста після відмивання водою крохмалю і висівок.

Після відкриття Беккарі вважали, що клейковину можна відмити лише з пшеничного борошна. Але вона міститься також в насінні інших злаків, як дикорослих, так і культурних. З культурних злаків клейковину містять деякі сорти ячменю, а з диких злаків — насіння пирію. В насінні деяких видів пирію понад 65 % сирої клейковини.

Клейковина міститься в зерні в сухому стані, але при замісі тіста частинки її набухають, злипаються один з одним і після відмивання крохмалю утворюють цілісну масу, так звану сиру клейковину. Сира клейковина містить 2/3 води і 1/3 сухої речовини, що складається в основному з білка.

Від кількості і в'язко-еластичних властивостей клейковини залежить здатність пшеничного борошна давати при випічці пишний хліб з пружним, еластичним і пористим м’якушем. Залежно від сорту пшениці і умов її вирощування вміст клейковини в зерні може сильно коливатися. Наші сильні сорти пшениці з високою хлібопекарською якістю містять за сприятливих умов зростання біля 40 % сирої або 13 % сухої клейковини.

На вихід клейковини при відмиванні можуть впливати наступні чинники. По-перше, домішки борошна різних інших культур. Наприклад, якщо до пшеничної підмішують вівсяне або кукурудзяне борошно, вихід клейковини знижується. На нього досить сильно впливає тривалість відлежки тіста, замішеного перед відмиванням клейковини. Проте відлежка тіста, приготованого з борошна високої якості, практично не робить вплив на вихід клейковини. Коли борошно або зерно дефектні, тривалість відлежки має значний вплив, але різний, залежно від того, як було пошкоджено зерно, з якого одержали борошно. А саме: якщо, наприклад, борошно одержане із зерна, пошкодженого клопом-черепашкою, тобто в ньому є ферменти, що руйнують білки, то чим довше лежатиме тісто, тим сильніше фермент руйнуватиме білки, і тим самим буде менше клейковини. Якщо ж узята мука з морозобійного зерна або зерна, що піддалося неправильній сушці, відлежка тіста збільшуватиме вихід клейковини. Це відбувається тому, що білки при пошкодженні їх морозом або дуже високою температурою частково денатуруються і не так легко вбирають воду, не так легко гідратуються, як білки нормального зерна. Для того, щоб вони достатньо добре гідратувались, потрібен дещо більший час відлежки тіста.

Для хлібопечення дуже важлива не тільки кількість клейковини в борошні, але і її якість. Під якістю клейковини розуміють сукупність її фізичних властивостей: пружність, еластичність, розтяжність, зв'язність.

Розрізняють клейковину «нормальної якості», «слабку», «міцну», «крихку» і ін.

Якість клейковини визначають різними методами. Перший з них — визначення розтяжності за Козьміною-Кранцем. Цей метод заснований на визначенні швидкості розтягування шматочка клейковини під тяжінням п’ятиграмової гирі.

Визначення якості клейковини проводять також за допомогою пластометра Ауермана-Воскрєсєнского. Цей прилад для визначення пластичних властивостей клейковинного гелю. В основу приладу встановлений принцип вантажного віскозиметра. Про механічні властивості клейковини судять за тривалістю протікання наважки клейковини масою 2 г через отвір перетином в 4,9 мм під тиском вантажу в 3 кг. Останнім часом для визначення в'язко-еластичних властивостей клейковини застосовують пенетрометри різних марок, а також новий вітчизняний прилад ПЕК-3. За допомогою пенетрометрів вимірюють глибину проникнення в клейковину спеціального тіла занурення, а за допомогою ПЕК-ЗА — стисливість кульки клейковини під впливом певного вантажу за певний час. Чим вище пружність, еластичність і в'язкість клейковини, тим менше проникає в неї тіло занурення пенетрометра і тим слабкіше стискається вона при випробуванні на ПЕК-3.

Визначають також розпливчастість клейковини. З неї роблять кульку, яку кладуть під скляний ковпак і залишають при певній температурі на деякий час. Якщо було узяте борошно із зерна, пошкодженого клопами-черепашками, тобто борошно, що містить активні ферменти, що розщеплюють білки, кулька розпливається. Якщо борошно було нормальне, хороше, то після години відлежування форма кульки практично майже не зміниться. Якщо ж мука була з морозобійного зерна, то в цьому випадку, навпаки, кулька клейковини стане навіть більш компактною.

В Німеччині для оцінки якості пшениці і пшеничного борошна широко застосовується ще один метод; визначення так званого числа набухання клейковини. Цей метод полягає в наступному: певну наважку сирої клейковини, подрібнюють на шматочки, поміщають в конічну колбу з розподілами на шийці, в яку налитий слабкий розчин молочної кислоти. Колбу закривають пробкою і перегортають вверх дном, кусочки клейковини збираються на пробці, займаючи при цьому певний об'єм. Під впливом молочної кислоти клейковина починає набрякати, і до кінця досліду кульки займають інший об'єм. Визначивши відношення кінцевого об'єму клейковини до первинного знаходять таким чином «число набухання». Якість пшеничного борошна також перевіряється по цьому показнику, який, на думку німецьких фахівців, тісно пов'язаний з хлібопекарськими якостями зерна і борошна.

На якість клейковини впливає ряд чинників: по-перше, вміст солей у воді, за допомогою якої відмивають клейковину, або ж вміст солей в тісті. Солі, як правило укріплюють клейковину, роблять її менш розтяжною.

Дуже велике значення має вміст в борошні ненасичених жирних кислот: олеїнової, лінолевої і ліноленової. Як було показане Н. П. Козьміною, ці кислоти і солі виявляють дуже сильну зміцнюючу дію на клейковину. Присутність мізерної кількості цих кислот робить клейковину дуже пружною, малорозтяжною. Це має велике значення при зберіганні пшеничного борошна, в процесі його так званого дозрівання

Якість клейковини сильно залежить від підвищених температур при сушці і гарячому кондиціонуванні зерна, при якому, як відомо, зерно перед помелом зволожується, а потім прогрівається в спеціальних машинах — кондиціонерах. Підвищені температури укріплюють клейковину, вона стає менш розтяжною і більш пружною. Проте, якщо температура нагріву зерна була дуже висока, білки клейковини згортаються, денатуруються і тоді відмити її вже не можна. Зерно, що піддалося дії дуже високих температур, звичайно, втрачає свої первинні хлібопекарські якості.

Важливим чинником, від якого залежить якість клейковини, а отже, і хлібопекарські якості пшеничного борошна, є речовини, що містять сульфгідрильну групу —SH. Додані в мізерній кількості до борошна або тіста, вони викликають різке погіршення якості клейковини і тіста: викликають їх розпливання і розрідження. Серед цих речовин потрібно особливо відзначити цистеїн і глютатіон (трипептид).

Глютатіон має особливий інтерес, оскільки він міститься в досить помітній кількості у зародку пшеничного зерна (0,45 % від сухої речовини), а також в дріжджах, особливо старих. Глютатіон спричиняє на клейковину особливо сильну розріджуючу дію: клейковина і тісто абсолютно розпливаються і слабшають.

Негативний вплив на клейковину має тільки відновлена форма глютатіона.

Розріджуючу дію цистеїна і глютатіона на тісто і клейковину звичайно пояснювали тим, що ці речовини активують протеолітичні ферменти муки, які починають енергійно розщеплювати білки клейковини, призводячи, таким чином, до розпливання тіста і клейковини. Проте досліди, проведені В. Л. Кретовичем при 0°С, тобто, коли протеолітичні ферменти практично не діють, показали, що цистеїн або глютатіон за цих умов все рівно призводять до негайного розпливання клейковини. Таким чином, сульфгідрильні з'єднання впливають безпосередньо на білки клейковини, викликаючи глибоку зміну їх фізичних властивостей.

Якість клейковини залежить також від дії протеолітичних ферментів. Під їх впливом клейковина втрачає свої первинні фізичні властивості, розріджується і іноді її навіть відмити неможливо. Саме це явище спостерігається, коли борошно зроблено із зерна, ураженого клопами-черепашками. З такого борошна не можна відмити клейковину, тому що клопи-черепашки, наколюючи дозріваюче зерно, впускають в нього слину, що містить дуже активний протеолітичний фермент. Внесений в зерно протеолітичний фермент зберігається в ньому, і якщо приготувати тісто з борошна, одержаного з такого зерна, фермент починає діяти, руйнуючи білки клейковини.

Хімічний склад сухої речовини клейковини непостійний. Він залежить від складу борошна і методики виділення клейковини. В середньому суха клейковина містить 80-85 % білка, 10-15 % вуглеводів (головним чином крохмаль), 2-8 % ліпідів і 0,5-2 % золи. За допомогою спеціальних методів очищення можна підвищити вміст білка в клейковині до 98-99 %, тобто одержати практично чистий білок клейковини. Ліофілізіровані препарати такого білка, набухаючи у воді, утворюють знов сиру клейковину зі усіма притаманними їй властивостями.

Клейковина являє собою складний білковий комплекс, будова якого повністю ще не з'ясована. Вона складається з двох головних білкових фракцій: гліадину, розчинного в 70 %-ому етанолі, і глютеніну, розчинного в розбавленому лугу (0,1 н.). Довгий час вважали, що гліадин і глютенін — це хімічно індивідуальні білки. Згодом виявилося, що кожну з цих фракцій клейковини можна розділити у свою чергу на ряд білкових компонентів. За допомогою сучасних методів хроматографії, електрофорезу і седиментації в ультрацентрифузі вдалося розділити гліадин на 8 індивідуальних білків, що позначаються α1-, α2-, β1-, β2-, β3-, β4-, γ- і W-компоненти гліадину.

Молекулярна маса цих білків коливається в межах 30.000-40.000.

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 наближенням можна вважати глютенін продуктом полімеризації гліадину, як це показано на схемі.

Гліадин Глютенін

Ні гліадин, ні глютенін окремо не мають характерні фізичні властивості клейковини, які властиві їй тільки як цілому білковому комплексу. Яким чином зєднані індивідуальні білкові компоненти в єдину частинку білка клейковини - невідомо; велику роль при цьому відіграють, мабуть, дисульфідні і водневі зв'язки, а також гідрофобні взаємодії. Дослідження клейковини різної якості показало, що вона має однаковий амінокислотний склад і побудована з одних і тих же білкових компонентів, проте міцність їх взаємного з'єднання усередині частинки білка клейковини різна: - в міцній клейковині «щільність упаковки» білкових молекул вище, ніж в слабкій. Внаслідок цього розчинність міцної клейковини, в'язкість розчину і об'єм кожної частинки (так званий питомий гідродинамічний об’єм, що обчислюється за в'язкістю розчину) помітно менше ніж відповідні показники слабкої клейковини.

Неоднакова структура білка клейковини різної якості пояснюється тим, що в міцній клейковині більше дисульфідних і водневих зв'язків, ніж в слабкій. Крім дисульфідних і водневих зв'язків якість клейковини залежить, мабуть, і від інших типів ковалентних і нековалентних взаємодій білкових молекул (сольові зв'язки, гідрофобні взаємодії), проте експериментальних даних в цьому відношенні поки мало.

В ендоспермі пшеничного зерна клейковина розподілена наступним чином. Більш всього клейковини в зовнішньому шарі ендосперма, в наступних менше, і зовсім її мало у внутрішніх шарах. Таким чином, борошно, що отримана із зовнішніх шарів, буде більш багата клейковиною, ніж борошно з внутрішніх шарів ендосперма.

Німецький хімік К. Гесс запропонував новий метод виділення білків з пшеничного ендосперма. Якщо приготувати суспензію тонко подрібненого борошна в суміші органічних розчинників (звичайно хлороформ і бензол), то при центрифугуванні частина білка спливає, а частина осідає разом з крохмалем. На підставі дослідів, проведених цим методом, Гесс прийшов до висновку, що в клітинах ендосперма пшениці білок міститься у вигляді так званого хафтпротеїну (Haftprotein) і цвиккельпротеїну (Zwickelprotein). Хафтпротеїном називають ту частину білка, яка міцно прилягає до крохмальних зерен, обволікає їх тонким шаром, мов би білковою плівкою, що має волоконну будову; цвиккельпротеїном - білок, розташований в просторі між крохмальними зернами.

Білкові речовини інших зернових культур.В зерні жита також містяться гліадин і глютенін. Проте за звичайних умов відмити клейковину з житнього борошна не вдається, оскільки білки житнього зерна істотно відрізняються від білків пшеничного зерна за своїми фізичними і хімічними властивостям. Перш за все у них інший амінокслотний склад. Далі, вони відрізняються за своїми фізичними властивостям. Так, наприклад, гліадин жита, хоча і має таку ж середню молекулярну масу, як гліадин пшениці, - 30000, але відрізняйся більшою розчинністю у воді і у водно-спиртових розчинах. Оптичні властивості гліадину жита також помітно відмінні: питоме обертання спиртного розчину пшеничного гліадину дорівнює - 90°, а питоме обертання гліадину жита - 114°.

Висловлюється припущення, що клейковину не можна відмити з житнього борошна, оскільки в ньому знаходяться слизи - речовини вуглеводної природи, які нібито заважають утворенню клейковини, заважають злипанню частинок гліадину і глютеніну. Проте це припущення не можна визнавати доведеним.

Потрібно відзначити, що шляхом екстракції водою, а потім слабкими кислотами з подальшою нейтралізацією кислотного екстракту лугом, з житнього борошна можна виділити білкову масу, що за своїми фізичними властивостями - еластичності і розтяжності - нагадує клейковину пшениці. Білок, утворюючий масу, що за своїми фізичними властивостями подібна клейковині, був виділений також Н. П. Козьміною з житнього борошна за згадуваним вище методом К. Гесса.

Кукурудзяне зерно містить головним чином два білка: проламін, який (у кукурудзи) носить назву зеїн, і глютелін. Глютелін складає приблизно 40 % від всього білка, що міститься в кукурудзяному зерні; зеїн - приблизно стільки ж. Таким чином, біля 80 % білка в зерні кукурудзи припадає на частку зеїну і глютеліну.

Зеїн відрізняється від інших білків зерна за своїм амінокислотним складом. Він практично не містить важливих незамінних амінокислот - лізину та триптофану. Тому з погляду харчової цінності зеїн - неповноцінний білок.

Хоча зеїн і належить до групи проламінів, він відрізняється від гліадину тим, що краще всього розчиняється в 90-93 %-ому спирті. Середня молекулярна маса зеїну 35.000. Зеїн має велике промислове значення. В США він застосовується для виробництва особливих сортів паперу і пластичних мас.

Білки ячменю, так само як і пшениці, представлені невеликою кількістю альбуміну, проламіну, який (у ячменя) носить назву гордеїн, і глютеліну. Співвідношення кількості гордеїну і глютеліну в білках ячменю приблизне один до одного.

Зерно вівса також містить проламін, глютелін і деяку кількість альбумінів.

В рисовому зерні проламіну майже немає, а головна маса білка представлена глютеліном, який (у риса) носить назву оризенін.

В зерні цих культур (вівса, ячменю, кукурудзи, рису) є невелика кількість водорозчинних білків - альбумінів, проте вона незначна.

Білки насіння олійних культур - соняшнику, рицини і інших - також представлені головним чином глобулінами.