Физико-химические свойства и структурные особенности белков сухой пшеничной клейковины с ограниченной степенью протеолиза Васильев Алексей Вячеславович

Содержание к диссертации

Введение

1. Литературный обзор 9

1.1. Роль растительного белка в питании человека 9

1.2 Пшеница - важнейший сырьевой источник растительного белка 14

1.3 Сухая пшеничная клейковина: получение, химический состав, функциональные свойства 17

1.4 Физико-химические свойства и структурные особенности белков клейковины разного качества 27

1.5 Биохимические способы модификации растительных белкой 37

1.6 Ферментативная модификация белков с ограниченной степенью гидролиза 39

1.7 Направления использования сухой пшеничной клейковины и ферментативно модифицированных белков 44

1.8 Заключение по обзору литературы 51

2. Экспериментальная часть 54

2.1 Материалы и методы исследования 54

2.1.1. Материалы исследований 54

2.1.2 Методы исследований 55

2.1.2.1 Физико-химические и биохимические методы 55

2.1.2.2 Методы исследований муки, теста, хлеба. 63

2.3 Результаты и их обсуждение 65

2.3.1 Техно-функциональные свойства и химический состав сухой пшеничной клейковины 65

2.3-2 Парамечры гидролиза сухой пшеничной клейковины разного качества с эндо- и экзопротеиназами 66

2.3.3 Определение степени гидролиза сухой пшеничной клейковины

2.3.4 Молекулярные массы полипептидов сухой пшеничной клейковины разного качества 77

2.3.5 Фракционный состав гидро л изо ванных белков клейковины 95

2.3.6 Растворимость и межмолекулярные взаимодействия белков 103

2.3.7 Агрегирующая способность и гидрофобные свойства белков 106

2.3.8 Влияние активаторов и ингибиторов на активность протеиназ 109

2.3.9 Использование гидролизованной клейковины для улучшения качества и обогащения пшеничного хлеба белком 113

2.3.10 Функциональные свойства гидролизованной сухой пшеничной клейковины 127

2.3.11 Разработка рекомендаций и проектов НТД получения и применения гидролизованной пшеничной клейковины,: 130

Заключение и выводы 131

Список литературы 136

Приложение А 153

• Пшеница - важнейший сырьевой источник растительного белка
• Физико-химические свойства и структурные особенности белков клейковины разного качества
• Физико-химические и биохимические методы
• Агрегирующая способность и гидрофобные свойства белков

Введение к работе

Актуальность темы. Одним из основных направлений производства пищевых продуктов является интенсификация процессов их приготовления с одновременным приданием комплекса свойств, отвечающих требованиям науки о питании. В качестве приоритетных используются технологии получения и применения растительных белковых препаратов, однако свойства последних иногда не удовііет50ряют требованиям потребителей, что сдерживает их применение.

Несмотря на то, что сухая пшеничная клейковина (СПК¹) довольно широко применяется в производстве хлеба, области ее использования могут быть расширены за счет модификации свойств. Выбор С11К обуславливался тем, что пшеница является одной из традиционных культур для производства хлеба и тем, что для расширения и улучшения сырьевой базы растительного белка подобные разработки востребованы и для производства других видов пищевых продуктов,

СПК традиционно применяется в качестве улучшителя свойств муки, однако с помощью модификации ее белков можно изменить не только техно -функциональные свойства, но и обеспечивать эффективное ресур с о сбережение за счет экономии сырья при использовании еш в уменьшенных количествах и создании композиций с улучшенным аминокислотным составом,

Эпзиматическое расщепление белкового комплекса СПК, биохимические характеристики гидролизатов и их функциональные свойства, определяющие пригодность препарата к использованию в различных пищевых продуктах, изучены не достаточно. В литературе полностью отсутствуют сведения о физико-химических свойствах белковых гидролизатов СГЖ разного качества, полученных с различными видами протеиназ, с одновременным анализом их функциональных свойств. Такие

Примечание: список сокращений представлен в конце реферата. данные необходимы для целенаправленного регулирования свойств белков с целью эффективного применения и расширения направлений использования СПК в различных отраслях пищевой промышленности.

Изучение биохимических характеристик белков гидролизованной СГЖ и обоснование способов направленной модификации является актуальным, оно имеет теоретическое и лракгнческое значение для управления процессами переработки зерна пшеницы, так и длн биохимии растений в целом.

Работа проводилась в рамках Государственных контрактов НИР «Расширение и развитие совместного учебно-научного центра МГУТШ и Института биохимии им. А.Н, Баха РАН с целью подготовки высококвалифицированных специалистов в различных областях биотехнологии» (2007-2009гг.) и «Экологически безопасные ресурсосберегающие процессы получения, модификации, применения и сохранения качества пищевой белоксодержащей продукции из различных видов сельскохозяйственного сырья, включая некондиционное и отходы», заключенных с Федеральным Агентством по образованию в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 гг.

Цели и задачи исследований. Целью данной работы явилось изучение биохимического процесса модификации сухой пшеничной клейковины разнот качества с ограниченной степенью протеолиза₅ предназначенной душ использования и качестве улучшителя и для обогащения хлеба белком с улучшенным аминокислотным составом.

В задачи исследований входило; - определение техно-функциональных свойств и химического состава СПК разного качества; -- исследование параметров гидролиза СПК разного качества с эндо- и экз 01 юотеиназами; - определение степени гидролиза сухой пшеничной клейковины; - исследование молекулярно-весового распределения пол и пептидов гапролизатов СПК разного качества; - изучение фракционного состава гидролизованньтх белков клейковины; исследование растворимости и меж молекулярных взаимодействий белков; изучение агрегирующей способности и гидрофобных свойств белков; исследование влияния активаторов и ингибиторов на активность протеиназ; - использование гидролизовашюй клейковины для улучшения хлебопекарных свойств пшеничной муки и обогащения хлеба белком; определение функциональных свойств гидролиз о ванной СПК; разработка рекомендации и проектов нормативной документации для получения и применения гидролизованной СПК.

Научная новизна. Впервые проведена сравнительная оценка ферментативного гидролиза СПК экзо-> и эндопротеиназными препаратами и показано, что чем крепче клейковина, тем больше аминного азота образуется под действием эндопротеиназ (Neutrase 1,5 MG, Protamex), чем слабее, тем больше выделяется азота с экзопротеиназой (Flavourzyme 500 MG).

Научно обоснованы параметры протеолиза с учетом особенностей качества СПК.

Показано, что степень гидролиза белков слабой клейковины с экзопротеиназой выше (2,86-3,41%), чем степень гидролиза короткорвущейся (1,7-2,9%) и хорошей (1,4-2,57%) СПК в присутствии эндопротеипазы. Чем слабее клейковина, тем больше образуется в ней белков, растворимых в солях, спирте и уксусной кислоте, содержащей детергент ЦТАБ.

При степени гидролиза белков 1,2-3,4% под действием эндо- и экзопротеиназ гидролизу подвергается как растворимая, так и нерастворимая глготениновая фоакпии клейковины с образованием белков альбуминового, глобулинового и глиадинового типов.

Выявлены различия во фракционном составе гидролизованной СПК в зависимости от ее качества. Фракционный состав белков короткорвущейся СПК отличался от состава белков слабой и хороший клейковины больишм количеством альбуминов, глобулинов и меньшим количеством глиадипа₃ что аналогично фракционному составу сырой короткорвущейся клейковины зерна, выращенного при неблагоприятной погоде (прохладная и влажная).

Белки гидролизатов отличались от белков не модифицирован ной СПК более «рыхлой» структурой, содержащей на 25-37% больше белков, соединенных между собой нековалепткыми взаимодействиями. Среди них в структуре гидролизованных белков большая роль отводится ионным, меньшая — водородным и гидрофобным.

Улучшение хлебопекарных свойств пшеничной муки высшего сорта наблюдалось с использованием гидролизатов СПК со степенью протеолиза 1,40-2,18%, характеризующейся присутствием многоцепочечных белков, содержащих в своем составе ВМ одноцепочечные компоненты с М.М, 100, 108, ИОкДа.

Практическая значимость. Разработан способ гидролиза СПК разного качества, направленный на расширение возможностей применения сухой пшеничной клейковины в качестве улучшителя и обогатителя хлебобулочных изделий из муки пшеничной высшего сорта. Определены технологические параметры (температура, влажность, рН, время гидролиза, дозировки эндо- и экзоферментных препаратов) для ограниченной степени гидролиза (1,4-2,9%) слабой, хорошей и короткорвущейся СПК, Предложен способ остановки гидролиза эндо протеи н аз препарата Protamex с нитратом кальция.

Разработаны технологические режимы применения гидролизованной СПК (дозировки - 0,03; 0,09%, время брожения теста — 120 мин.) для улучшения хлебопекарных свойств пшеничной муки. Достигнут эффект улучшения показателей качества формового и подового хлеба с одновременным сокращением времени созревания теста. Показана целесообразность применения композиции гидролизованная СПК — амарантовая мука при дозировках 0,09-0,21% и 5-25%, соответственно, для выработки хлебобулочных изделий, обогащенных белком на 20-93%, лизином, іреонином, триптофаном (скор 72-100%) и кальцием (27,5-56,8 мг/100 г хлеба).

Проведена опытно-промышленная апробация способа приготовления хлеба из муки пшеничной высшего сорта в ОАО «Звездный» и ОАО «Коломенское». Разработаны проекты ТУ на СПК гидролизованную, ТИ на производство, ТИ на производство хлеба пшеничного «Богатырь» и рекомендации по получению и применению СПК гидролизованной в хлебопекарной и кондитерской промышленности в качестве пенооб разователя.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1Л Роль растительного белка в питании человека

Здоровье человека непосредственно связано с пищей, которую он ежедневно употребляет. Формула «здоровье есть функция питания» является базовой для современной пищевой пауки [1]. Исследования ученых РАМН показали, что в настоящее время потребляемые россиянами продукты питания ле удовлетворяют физиологическим потребностям человека, вследствие чего возрастает общая заболеваемость, снижается работоспособность, значительно сокращается продолжительность жизни и численность населения РФ [2],

Анализ динамики потребления пищевых продуктов в РФ показывает, что доля функциональных продуктов питания в структуре рациона россиян возрастает. В этой ситуации актуально создание новых технологий и ассортимента функциональных продуктов питания, обогащенных пищевыми ингредиентами, в роли которых рекомендуется использовать белки, пищевые волокна, витамины, минеральные вещества, пищевые добавки натурального происхождения и т. д. [3].

Под термином «функциональное питание» подразумевается употребление в пищу таких продуктов естественного происхождения, которые при систематическом употреблении оказывают позитивное регулирующее воздействие на определенные системы и органы организма или на их функции, улучшая физическое и психическое состояние здоровья человека [4]. Они способствуют укреплению здоровья, поддерживают естественное равновесие в организме и активируют внутренние защитные силы организма, [1].

При конструировании продуктов функционального питания рекомендуется традиционные пищевые продукты обогащать теми функциональными ингредиентами, дефицит в которых наиболее существенен для тех или иных групп населения- Важно, чтобы в процессе создания продуктов потребительские характеристики не изменялись в худшую сторону [5].

Для оптимизация рациона питания населения общепризнанной является необходимость широкого производства и внедрения белковых препаратов из растительного сырья в технологические процессы производства пищевых продуктов [в\. В организме человека белок является посгавщиком незаменимых аминокислот [7], в составе пищи он выполняет роль техно-функционального ингредиенту. [S, 9J,

Белки являются одним из главных и обязательных компонентов здорового и полноценного питания [10]- Они расходуются на синтез различных азотсодержащих соединений и тем самым необходимы человеку для нормального роста, обеспечения здоровья и поддержания физиологических функций организма [11]. Среднесуточная потребность в белке, по рекомендациям ВОЗ, составляет около I г на кг массы тела или около 60-100 г в сутки при соотношении животный: растительный белок -' 55:45 [11].

Человек испытывает потребность, как в количестве белка, так и в незаменимых аминокислотах. Восемь аминокислот из 20 (лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин₅ фенилаланин, вагшн и триптофан) относятся к иєзамєиимьт аминокислоталг [11]. Гистидин и аргинин являются обязательными компонентами для молодого растущего организма.

Отсутствие в организме полнот набора незаменимых аминокислот приводит к отрицательному азотистому балансу, остановке роста, нарушению скорости синтеза белка и деятельности органов и систем в целом [12]. При недостатке хотя бы одной из незаменимых аминокислот в организме наблюдается перерасход белка.

Важнейшей проблемой питания является белковая недостаточность [12J. Бедно живущие сємї.и на фоне недостаточно калорийной пищи мало потребляют " белка, возникает синдром дистрофии, который называется квашиоркором. Квашиоркор у человека развивается при голодании и потреблении неполноценных белков. Заболевание сопровождается нарушением функции кишечника, так как не синтезируются ферменты поджелудочной железы, развивается отрицательный азотистый баланс, появляется атония мышц и остановка роста. Пищевая дистрофия особенно опасна для младенцев.

Избыточные аминокислоты также неэффективно расходуются на энергетические цели или превращаются в запасные вещества (жир, гликоген) [12].

Каждая аминокислота играет определенную роль в организме человека. Свойство цистеина окисляться придает ему защитные и радиопротекторные свойства за счет снижения интенсивности окислительных процессов в липидах, белках и повышения устойчивости организма к ионизирующим излучениям. Метионин, треонин, серии принимают участие в синтезе фоефолипидов [14]. Серии в спою очередь синтезируется из глицина, который являєічія предшественником пуринового кольца гема крови.

Аргинин, глицин и метионин - участвуют в синтезе креатина — соединения, с помощью которого в мышечной ткани происходит непрерывный ресинтез АТФ. Глютаминовая и аспарагиновая кислоты [7] активные участники процессов расщепления, синтеза и переноса аммиака. С их обменом связаны превращения нуклеотидов, пролина, группы медиаторов (у-аминомасляная кислота), которым отводится важная роль в обмене веществ мозга и нервной ткани [7, 37]. Тирозин отвечает за окраску волос, кожи, глаз, темный цвет пищевых продуктов (ржаной хлеб), с его участием синтезируются темноокрашенные пигменты — меланины [13, 38]. Тирозин образуется из фенилаланина, который при наследственном умственном заболевании (фенилкетонурия) превращается в избыточное количество фенил пир овиноградной кислоты в моче.

Известен и ряд других врожденных заоблевапии',' связанных с нарушением обмена аминокислот [14]. Так, алкаптонурия возникает в результате недостатка оксидазы гомогентизиновой кислоты, продукта обмена тирзина, гиперпролинемия — недостатка (фермента пролиноксидазы, цитруллинемия — обусловлена нарушением цикла образования мочевины, цеаликия взаимоспязана с неспособностью организма усиаивать некоторые компоненты глиадина клейковинных белков [39J.

Незаменимая аминокислота триптофан служит предшественником никотиновой кислоты, НАД и НАДФ, серотонина. В результате декарбоксилирования аминокислот в организме образуются такие важные биогенные амины как [3-аланин, являющийся составной частью биологически активных соединений, витаминов, и медиаторы, принимающие участие в передаче б клетках нервных импульсов (ацетилхолин, глютаминовая, аспарагиновая кислоты, пшцин, ГАМК, гистамин, серотопип> норадреналин).

Наличие полного набора незаменимых аминокислот в достаточном количестве и определенном соотношении с заменимыми аминокислотами характеризуется понятием качество пищевого белка [8, 12]. Качество белка оценивается аминокислотным скором, который рассчитывается сравнением аминокислотного состава с составом аминокислот «идеального» белка [15], Аминокислота, у которой величина скора наименьшая, называется лимитирующей. Белки пшеницы, ржи, овса, кукурузы лимитированы по лизину, треонину и триптофану, белки бобовых — по метионину и цистеину. Наиболее близки к «идеальному» белку белки яиц, мяса, молока {12].

Структура белкового питания населения России, как и по всем мире, не совершенная, дефицит белка (25-40%) в ближайшие десятилетия, вероятно, сохранится. По отдельным категориям населения он достигает размеров, угрожающих здоровью человека [16, 17].

Поскольку белки животного происхождения являются наиболее дорогостоящими ингредиентами продуктов питания, то сильно возрастает роль высококачественного растительного белка. Применение его при выработке продуктов питания является одним из путей снижения дефицита и получения продуктов, сбалансированных по химическому составу [18, 19],

Критериями развития процессов производства белковых продуктов при этом являются функциональность, рентабельность и степень безопасности [17, 20],

Традиционными источниками растительного белка являются соя, пшеница [8, 21-23], нетрадиционными — подсолнечник, рапс, овес, лен, кунжут, чечевица, горох, сафлор, отруби, крупка, зародыш, амарант и другое [12, 24-26]. Суммарный объем производства растительных белков і* мире составляет свыше 1,3 млн. т,, большая часть из которых, приходится на соевые продукты [8]. Это обусловлено объемами выращивания сои (около 160 млн. т.), уникальным химическим составом (белок 35-45%), хорошими свойствами [16, 21]. Соевый белок легкоусвояемый, сбалансирован но аминокислотному составу [35-36]. Интерес к соевым продуктам в мире не угасал [7, 34], однако, в последнее время вспыхнул с особой силой л связи с появлением генетически модифицированных их видов и поиском новых им альтернатив.

К альтернативным источникам следует отнести белки зерновых и масличных культур. В последние годы интерес исследователей обращен к таким нетрадиционным культурам как амарант- [27-31], лен [32], нут, маш [32], кунжут [32], в то же время в течение нескольких десятилетий во всем мире налажено производство сухой пшеничной клейковины - продукта, занимающего второе место после соевых белков. Причина заключается в больших объемах посевных площадей зерна пшеницы и первостепенной роли ее белков в производстве массового продукта питания - хлеба [33].

К сожалению, биохимические характеристики белкового комплекса зерна пшеницы и функциональные свойства ее белков, определяющие пригодность сухой клейковины для использования в рецептурах пищевых продуктов изучены недостаточно, что ограничивает применение белкового продукта в различных отраслях пищевой промышленности н требует дальнейших исследований.

1.2 Пшеница - важнейший сырьевой источник растительного белка

Пшеница - основная и самая важная продовольственная культура в большинстве страті мира. Ее посевы занимают Ї/80 часть суши, т.е. более 1/5 обрабатываемой человеком площади {40, 41]. Посевы пшеїшцьі в нашей стране составляют около 40 млн. га, валовые сборы — 40-50 млн. і, из которых на товарное зерно приходится около 20 мли.

Род пшеницы насчитывает двадцать один вид. Наибольшую площадь и максимальное товарное производство принадлежит мягкой и твердой пшенице. Мягкая пшеница используется для производства муки, направляемой в хлебопекарную [42], кондитерскую [43], частично в макаронную и крупяную промышленность. Твердая пшеница является лучшим сырьем для производства макаронных изделий [44, 45].

Основным фактором, влияющим на качество зерна мягкой и твердой пшеницы, является сорт, наследственная природа которого предопределяет технологические достоинства зерна. Необходим правильный выбор сорта как носителя уникальных свойств с учетом зоны его районирования. В нашей стране районировано свыше 200 сортов пшеницы, в том числе 75 озимой IV типа, 113 яровой I, Ш типов, 26 сортов твердой пшеницы 11-ого и 4 сорта VI типов.

Районированные сорта мягкой пшеницы делятся на сильные, средние (ценные) и слабые сорта [46, 47]. Сильная пшеница способна давать муку, обеспечивающую высокое качество хлеба. При замесе она поглощает большее количество воды, тесто из нее обладает способностью хорошо удерживать 0( сохранять упругость, эластичность. Отличительной особенностью сильной пшеницы является способность служить эффективным улучшителем зерна с низкими хлебопекарными свойствами. Бе не используют непосредственно для выпечки хлеба, но применяют для подсортировки к зерну с низкими хлебопекарными свойствами и для получения сухой пшеничной клейковины.

Пшеница средней силы Ценная) способна давать хлеб, отвечающий требованиям стандарта; она не является улучшитслем слабой муки и служит недорогим сырьем для получения сухой пшеничной клейковины.

Слабой считается та пшеница, которая без добавления к сильной, непригодна для цепей хлебопечения. Мука из нее мало поглощает воды, в процессе замеса, брожения тесто быстро теряет упругие и эластичные свойства. Хлеб имеет небольшой объем, неудовлетворительные внешний вид и состояние мякиша [48].

К сильным сортам озимой пшеницы относятся Альбатрос, Одесский, Безостая, Волгоградская S4, Дон &5> Донская юбилейная и др., яровой пшеницы — Алиби дум 28, Алтайская 88, Башкирская 24, Ботаническая 2, Бурятская 79, Саратовская 29 _? Уралочка, Целинная 26, Целинная 60, Эритроопермум 50 и др.

К наиболее ценным по качеству сортам относят около 66 сортов, например, Ахтырчашсу, Базальт, Безенчукскуюую 380, Донецкую 46, Инну, Колос Дона, Льгонскую 167, Мироновскую 61, Московскую 70, Нсмчиновскую 52, Северодвинскую 5, Харьковскую 92, Херсонскую 86, Юбилейную 75 и др.

Списки сильных и ценных сортов ежегодно пересматриваются Пленумом Государственной комиссии по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур и утверждаются Минсельхозом РФ, так как далеко не всегда сильный или ценный сорт может проявить свои свойства при выращивании в поле. На качество зерна влияют условия выращивания, агротехника возделывания почвы. Поэтому качество хлеба, выпеченное из одного и того же сорта пшеницы, но произведенного в разных почвенно-климатических условиях может быть разным [49].

Прямым методом опенки свойств пшеницы является пробная лабораторная выпечка хлеба [50], при торговых же операциях используют методы определения количества и качества клейковины (ГОСТ 2766S — 88). Количество сырой клейковины в зерне колеблется от 16 до 58%, сухой - от 5 до 28 %.

На содержание клейковины влияет влажность почвы и температура. Чем больше влаги, тем ниже содержание клейковины и белка в зерне, а чем меньше влаги и выше температура созревания зерна, тем больше белка я крепче клейковина [49], но при разных условиях внешней среды сохраняются сортовые различия в качестве и количестве клейковины [51, 52].

Из слабой, морозобоиной пшеницы, а также зерна, пораженного клопом-черепашкой, хлеб не выпекают, также как и не получают сухую пшеничную клейковину из-за особенностей физико-химических свойств и структуры ее белков [53,54].

Состояние углевод но-амилазного комплекса зерна, которое оценивают по числу падения, для качества хлеба также имеет большое значение, но для получения сухой пшеничной клейковины подобных сведений в литературе не обнаружено.

В мягкой озимой пшенице количество белка в среднем составляет 11,6%, в мягкой яровой - 12,7%, s твердой - 12,5% при колебаниях от 8,0 до 22,0%. При содержании белка ниже 10-11% из зерна отмывается мало сырой клейковины, что недостаточно для выпечки хлеба и производства сухой пшеничной клейковины [53],

Сырая клейковина содержит 70-85% белка, 10-15% углеводов, главным образом крахмала, 2-8% лигждов и 0,5-2,0% золы [3]. Не белки, в соответствии с классификацией Г, Осборна [56], представлены проламинами и глютелинами, в количестве 40-80% (таблица 1.1),

Таблица 1.1 — Фракционный состав белков, % от общего содержания

20-30 До 40

Помимо общего содержания белка, для оценки качества зерна пшеницы, предназначенной для производства сухой клейковины, большое значение имеет качество сырой клейковины, которое оценивается по реологическим свойствам и органолептическим характеристикам [8"|. Сырая клейковина обладает уникальными иязко-эластично-упругими свойствами, среди которых наиболее важным показателем является «упругость», определяемая на приборе ИДК [50, 56]. Выражается она в условных единицах шкалы прибора, на основании которых устанавливается группа качества.

Для производства сухой пшеничной клейковины зерно должно иметь сырую клейковину хорошей или удовлетворительно слабой группы качества, чтобы после сушки в процессе терловой обработки клейковина не перешла, например, в группу «неудовлетворительно крепкая» [57].

Таким образом, важнейшая зерновая культура в силу особенностей химического состава, биохимических и реологических свойств ее белков является традиционным сырьем, из которого, помимо муки, получают и сухую пшеничную клейковину. Требования, которые предъявляются к качеству сухой пшеничной клейковине, обеспечиваются отличительными биохимическими особенностями, зерна, зависящими как от генотштических, так и от фенотипических факторов выращивания зерна, к которым относятся физико-химические свойства и структурные особенности ее белков.

1.3 Сухая пшеничная клейковина: химический состав, получение, функциональные свойства

Сухая пшеничная клейковина — продукт, получаемый методом водной экстракции небелковых веществ и растворимых белков из пшеницы или пшеничной муки [8]. Процесс осуществляется на специализированных предприятиях или заводах крахмального производства, В мире разработано около 15 схем процессов получения клейковины. Различаются они по виду исходного сырья (зерно, мука), методу отделения белка от крахмала (механический, ферментативный, химический), качеству клейковины (денатурированная, нсдеиатурированная)_: способу получения (из теста или мучной болтушки) и во всех процессах стремятся получить максимальный выход и сохранить нативпые свойства.

При использовании зерна во всех способах имеются общие операции; замачивание, размалывание, отделение крахмала от клейковины и сушка продукта. Замачивание зерна производят в воде (35-37С) (Альсатин и Галле процессы), сернистой кислоте (способы Лонгфорд - Слотгер) и соляной кислоте (способ Пилсбури) [22], Процесс выделения клейковины по способу Пилсбури, например, включает: замачивание зерна в растворе НО с рН 0,8-1,7 при 37-40С в течение 12-24 ч, размалывание размягченной кашицы, получение суспензии крахмала и клейковины и удаление отрубей.

Из суспензии, созданием изоэлектрической точки (рН 4,5-4,8) белков, выделяют осадок клейковины. По способу Фармарко зерно замачивают в воде при 20-49"С до влажности 14-22%, раскатывают и хлочъя, отделяют отруби, получают тесто, которое выдерживают при 16-32 С в специальном барабане, и клейковину выделяют по Мартин-процессу [8].

Большая же часть способов в качестве сырья предусматривает использование муки с выходом не менее 80%, В мировой практике распространены методы, которые из недорогой пшеницы позволяют получить значительное количество клейковины. Этому условию удовлетворяет «сладкий» способ Martin, по которому из муки и воды замешивают густое тесто с содержанием сухих вєшєстб 55-60%, т которого после отлежки вымывают крахмал при температуре воды 18-35С. Для этого используют ленточные смесители, дежи с двойным шнеком и вращающиеся сита [8]. Роль ленточного смесителя выполняет моечная машина «Мартин» с двумя лопастными роторами, вращающимися в разные стороны с различиой скоростью. Свежая вода или рециркулированная отработанная жидкость вводится со дна емкости. Крахмал перетекает в другую емкость, а сырая клейковина разгружается со дна при помощи насоса.

Усовершенствованный способ Мартина [8] предусматривает получение теста при соотношении мука-вода 1:0,6-1,0 и температуре 40 С, после чего его разводят водой ігри 3(ГС- Сформированная в виде агломератов клейковина отделяется от крахмала при помощи сю¹, декантации и гидро циклонов. Клейковина, получается не денатурированной с выходом 98%.

Способ разделения муки на клейковину и крахмал с системой жидкого теста {Баттер-процесс) разработан її США [8]. Он заключается в том, что муку и воду с температурой 48-57С смешивают при соотношении 0,7:1 для мягких и при 1,8:1 - для твердых пшениц с получением эластичного, взбитого теста с содержанием сухих веществ 48-55%. Тесто подается к разрубающему насосу, в который поступает холодная вода при соотношении с мукой 3:1. Жгуты клейковины образуют творожную структуру, из которой отделяют жидкость, содержащую крахмал. Для этого используют сита с рециркуляцией продуктов, позволяющей обеспечить содержание белка в клейковине не менее 75% на сухое вещество. Выход белка составляет 80% и выше.

Баттер-процесс усовершенствован финским АО «Райзмон-Техтаат» совместно со шведской фирмой «Альфа- Лаваль» и назван Райзио-процессом [9]. По зтому способу пшеницу мягких и твердых сортов перерабатывают в муку грубого помола. Мука содержит 70-80% крахмала, 9-12% белка и 0,6-

0,8% золы на СВ. Дополнительно получают белоксодержащий продукт «Райсорб» и экстракт. Мука подается в ленточный смеситель на замес дисперсии, туда же подается вода с температурой 35-50 С при соотношении мука-вода 6:5 в зависимости от качества муки. Смесь муки и воды обрабатывается в дезинтеграторе до образования однородной дисперсии.

Диспергированная смесь разделяется в центрифуге па крахмал и ..кЕййто&ШіЦчтаА^^^ ^ -.40% - Посадо до, вдиа*гтг,«и* дозреватель на 10 - 90 мин для получения массы, которую просеивают. После выхода из дозреватсля белковая масса разбавляется процессовой водой в соотношении 1:1 и подается в дезинтегратор для выделения крахмала. Затем смесь поступает на сита со щелями 0,6-0,8 мм, где отделяются кусочки клейковины. Пройдя шнеки-отцеживатели, клейковина подается в пневматическую сушилку, где она высушивается нагретым воздухом до 160-170С. Температура клейковины при сушке не превышает 55^0. Сухая клейко пин а дробится на частицы размером до 300 мкм, после чего у п аковывается.

Способом предусматривается получение крахмала Л и Б и продукта Райсорб, который получают доведением рН суспензии части крахмала В до определенного значения нагреванием до 120-180С и охлаждением'до 75-85 С, с последующим введением в смесь &- амилазы и глюконазы. Продукт содержит 15-33% белков, 50-60% углеводов, 2% жира и 3% клетчатки на св.

Другая часть крахмала В охлаждается до 55-60С и направляется в ферментеры на 20-40 ч, куда добавляется глюкоамилаза для осахаривания. Выход продукции в %: крахмал А (0,3% белка) 59; крахмал В (7% белка) — 17; клейковина (77-80% белка) - 15 и растворимые белки (15%) с сахарами (60%)-9. Сухая клейковина содержит белка не менее 75%, ВПС- 170-180%,

В Нидерландах разработан процесс получения, клейковины с использованием системы 10 мм гидроциклонов, работающих по противоточной схеме. Жидкий сход с первой ступени поступает на вторую группу гидроциклонов, в которых клейковина агломерируется в кусочки и нити. Дальнейшее слипание кусочков и формирование клейковины происходит н промывателе, в котором отделяется суспензия крахмала. Клейковина с содержанием 80% белка высушивается в пневматической сушилке, выход - 14,5% на св. муки.

Сырая клейковина представляет собой' скоропортящийся- продукт, поэтому используют сушку, К процессу сушки подходят с двух позиций: в влажность не должна превышать 10%, она должна быть нативной или «витальной». Первое условие должно выполняться в целях успешного хранения, второе — для эффективного применения клейковины в пищевых производствах.

Для сохранения структуры и физико-химических свойств белков температура нагрева клейковины не должна превышать 60^ПС, температура сушильного агента — 150-170С [59], Используют вальцовые, барабанные, распылительные, кольцевые сушилки. В вальцовых сушилках сырая клейковина подается между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу и обогреваемыми паром. Высушенная клейковина снимается с вальцов в виде тонкой пленки и размалывается, В барабанных сушилках сырую клейковину предварительно смешивают с сухой в соотношении 1:4 для снижения влажности продукта до 30%. Смесь просеивают с целью удаления избытка сухой клейковины и сушат до влажности 10-12%.

Распылительная сушка позволяет получить клейковину высокого качества, она имеет ряд преимуществ: быстрая гидратация, хорошие свойства и легкость включения в состав других компонентов (лецитин). Сушилки коль це в о го типа являются одними из совершенных аппаратов, так как обеспечивают высокое качество продукта- Гидратация клейковины — 180%, время —40 с,

В лабораторных условиях применяются два вида сушки: вакуумная и сушка из замороженного состояния. Перспективным является совмещение этих двух видов сушки в один выкуумно-лиофильный способ [60, 72].

Химический состав сухой клейковины зависит от сорта пшеницы, условий выращивания, способов получения. Она может содержать 70-85% белка, 10-15% углеводов, 2-8% липидов на св. Международная Ассоциация клейковины для Codex Alimentarius утвердила следующие показатели на с. в.: белок - минимум S0% (N х 6,25), зольность, жир, клетчатка - максимум по 2; 2; 1,5%, соответственно; влажность — максимум 10%.

Сухая пшеничная клейковина представляет собой сложный белковый комплекс, включающий лип иды, углеводы, минеральные соединения. Белковая часть клейковины состоит из глиаддна и глютенина. Количество глиадиновой фракции в клейковине составляет 20-60%, остальная часть соответствует фракции глютенина. Пол и пептидные цепи глиадина и глютенина соединяются друг с другом равными типами связей в сложную трехмерную структуру- Количество и тип связей определяются аминокислотным составом, особенностями сорта, почвенно-климатическими условиями выращивания зерна и, что очень важно, способом сушки.

Данные зарубежных публикаций [61, 73-75, 83, 96, 157] и отечественные исследования [24, 75-82, 111-115₅ 141] показывают, что сухая клейковина обладает достаточно широким спектром функциональных свойств (таблица 1.2), что создает возможности ее разнообразного использования.

Таблица 1.2 - Функциональные свойства белковых препаратов

Растворимость, % ^АВСС - подоспязывающая способность; ЖСС - жиросвязыаающая способность; ЖЭС -жироэмульгирующая способность; СЭ - стабильность эмульсин; СП - ста5нлыюсть пены; ПОС - пенообразующая способность;

Функциональные свойства представляют собой совокупность физико-хйМйжскихг- xapaR'tepfieiT-ґду которые" сх^лашіїшїют^ ₍ґоведєйїїє~ \Ёшшг а~ пищевых системах [34, 84], К ним относятся: растворимость, стабилизация суспензий, эмульсий, пен, гелеобразование, совмещение с липидами, полисахаридам, адгезия и т.п. Учитывая, что физико-химические характеристики белков в значительной степени изменяются в технологических процессах, то специалисты считают наиболее корректным определение «техно-функциональные свойства» [8].

Функциональные свойства белков зависят от вида и исходного качества сырья» условий извлечения белков, очистки, сушки и хранения [34]. Формирование свойств в процессе получения белковых препаратов может иметь положительную и огрицаїельную направленность. Считается, что более высокими функциональными свойствами обладают белки из сырья, подвергнутого минимальной денатурации,

УЗ водной ср^де белковые продукты могут частично рас творяться или ограниченно набухать с образованием гидратированной липкой эластичной массы. Растворимость в большей степени обусловлена неко валентны ми взаимодействиями: гидрофобными, электростатическими, водородными. Чем ниже относительная гидрофоб но сть белков, гем больше взаимодействие их с молекулами растворителя, следовательно, выше растворимость. Учитывая, что гидрофобность клейковины высокая, то растворимость, наоборот, низкая (1-5%).

Вклад электростатических сил в растворимость клейковины зависит от рН среды и присутствия солей. В изоэлектрической точке белки имеют наименьшую растворимость. В кислой или щелочной среде, наоборот, обеспечивается взаимодействие противо положи о заряженных ионов растворителя с белковыми частицами, заряженными положительно в кислой среде и отрицательно в щелочной, растворимость повышается. Высокие концентрации солей, снижающие гидратацию белковых цепей, наоборот, усиливают гидрофобные белок-белок взаимодействия и вызывают выпадение белка в осадок (высаливание) [12]. Растворимость является первичным показателем, который взаимосвязан с другими свойствами [85].

Абсорбция или удержание воды - результат взаимодействия молекул воды с гидрофильными слоями белка при помощи водородных связей. Водосвяъывающая способность зависит от присутствия ляпидов, углеводов, способа сушки и технологических условий (температура, рН и т.д.) [34].

Мука, изоляты и концентраты обладают различной водо связываю щей способностью. Количество воды, поглощаемой клейковиной, превьішает её собственную массу почти в 2 раза [87]. Если белковые продукты денатурированы при сушке, то они имеют пониженную способность поглощать воду, что отрицательно сказывается на текстуре и сроке хранения изделий [34],

Сорбция воды при замешивании теста зависит от дозировок клейковины. С их увеличением повышается водопоглотительная способность теста и время замеса [88].

Жиросвязывающая способность обуславливается адсорбцией жира за счет гидрофобных остатков аминокислот белка. Она зависит от аминокислотного состава, структуры, фракционного состава, способа обработки, рН, температуры и присутствия небелковых компонентов [89]. Высокая жиросвязываюшая способность белков обеспечивает, например, нежную и однородную текстуру изделий, исключает отделение жира и сморщивание изделий.

Растительные белки поверхностно-активны [89], так как имеют полярные и гидрофобные группы» поэтому применяются в качестве эмульгаторов и стабилизаторов ясировьіх эмульсий, пенообразователей и стабилизаторов пен [89], Ориентация гидрофильных групп белка к воде, а гидрофобных - к маслу на границе раздела фаз в виде адсорбционного слоя снижает поверхностное натяжение в дисперсных системах и делает их агрегативно устойчивыми. Жироэмулъгирующая способность белков позволяет оценивать возможность их применения при производстве кондитерских масс, масложирошй или молочной продукции [87-88].

На пенообразующей способности белков широко базируется производство сбивных кондитерских изделий, кремов, мороженого и т. д. [88, 90, 91]. Белки клейковины образуют пену в тесте под действием диоксида углерода [84], Стабильность пен сильно зависит от рН среды, концентрации NaCI, температуры и других факторов [92], Пены способны сорбировать большие количества тонкодисперсных частиц белков, углеводов, липидов, что приводит к повышению устойчивости и упругих характеристик пен [84],

Отличительным свойством клейковины является низкий уровень полярности функциональных групп. Молекулы воды, окружай частицы белков, отталкиваются, а молекулы белков, наоборот, агрегируются с образованием комплексов с присущими им вязкостью, эластичностью, упругостью [93]. Изменение вязко-упруго-эластичных свойств клейковины является важнейшим «собирательным» функциональным свойством в хлебном тесте и тесте для мучных кондитерских изделий. Оно заключается в увеличении силы и снижении растяжимости теста [22]. С другой стороны, под влиянием белков реологические свойства теста и качество изделий могут ухудшаться. Это может происходить из-за плохой набухаемости, слабой газоудерживаюшей способности белков и повышенного содержания ЗН-групп.

Использование белковых препаратов, включая клейковину, в производстве пищевых изделий основывается на сведениях зависимости функциональных свойств от химической природы белка, технологических факторов, присутствия спирта, солеи, углеводов, липидов и др. [24, 88, 93, 116]. Стабильность процессов обеспечивается регулированием функциональных свойств белков за счет изменения условий среды, физических, физико-химических воздействий и рецептурных компонентов.

Все методы регулирования свойств делятся на: физико-химические, химические и ферментативные [34]. К физико-химическим методам относят растворение белков клейковины перед сущкой в растворе кислот, щелочей с целью изменения их заряда или ионного соста&а, термодонатурацию, тепловую обработку в растворах кислот с последующей нейтрализацией, влияние рецептурных компонентов и т.п. У белков повышается растворимость, гелеобразующая и жироэмульгирующая способность и т.д.

В литературе немного имеется сведений по регулированию такими методами свойств сухой пшеничной клейковины. Так, Ваниным С. изучено влияние полисахаридов различной химической природы на свойства данного препарата, при разработки многофункциональной белоксодержащей смеси для мучных кондитерских [5S]. Улучшение пенообразующей способности пшеничной клейковины наблюдалось под действием ксантановой камеди, камеди рожкового дерева и гуммиарабика в дозировках 0,1-0_;3%; 0,1-0,3% и 0,1-0,6% к ее массе, соответственно. Для смеси альбумин - клейковина при соот нов іении 60:40 выявлен синергетический эффект совместного использования іуммиарабика, альгината наїрия, ксаптановой камеди и к-каррагинана в дозировках 0,5; 1; 0,2; 0,5% к массе белка. Эффект обеспечивал эффект, равный яичному альбумшгу (285%).

Установлен факт улучшения жироэмульгирующих свойств смеси клейковины с яичным альбумином под влиянием гу аров ой камеди. Выявлены концентрации сахарозы и разрыхлителя с рЫ 7,5, обеспечивающие повышение жироэмульгирующих свойств сбалансированной смеси белков,

В процессе сбивания пены повышались растворимость, характеристическая вязкость и осевое отношение Ь/а частиц смеси белков с сухой пшеничной клейковины. Химические разрыхлители повышали пенообразующие свойства, а соль понижала [58]. Сахароза и соевый лецитин ухудшали пепообразующие свойства клейковины. Пена СЇЇК отличалась крупным размером пузырьков и неравномерностью формы. Пол влиянием выбранной композиции гидроколлоидов размер пузырьков уменьшался ло 80-120 мкм, равномерность распределения повышалась, в присутствии сахара характеристики пены были выше, чем у яичного альбумина с сахаром [58}.

Известны также химические способы регулирования свойств сырой пшеничной клейковины, такие как сукцинилироваыие и ацетилирование [62], но они, как правило, применяются для изучения вклада тех или иных связей в структуру белков, а не для использования белков в пищевых целях в силу их не безопасности.

Большими преимуществами обладают биотехнологические способы реіулирования функциональных свойств, которые более подробно излагаются в специальном разделе 2Л.2. Но в любом случае эти свойства будут зависеть от особенностей многоуровневой трехмерной структуры белков пшеничной клейковины, представляющей собой комплекс фракций глиадииа и глютенина, без знаний свойств и структуры которых не возможна разработка мсгодов регулирования ее функциональных свойств.

1.4 Физико-химические свойства и структурные особенности белков клейковины разного качества

Техно-функциональные свойства и поведение сухой пшеничной клейковины в пищевых системах определяются физико-химическими свойствами и структурными особенностями белков сырой клейковины. Отличительные особенности свойств и структуры сырого бел ков ош комплекса, с одной стороны, могут изменяться в процессе сушки, а, с другой, прежде всего, они обуславливают конечные показатели качества и являются основой для определения соответствия белкового препарата заданным требованиям стандарта или технических условий,

В литературе достаточно много сведении относительно свойств и структуры сырого клейковинного комплекса и его компонентов глиадииа и глютенина [22, 62, 63, 64, 67]. Однако, имеющиеся на сегодня сведения не достаточны, чтобы до конца понять причины разного качества уникальных реологических свойств клейковины для управления процессами накопления белка в зерне пшеницы, процессами, связанными со структурными перестройками белков при производстве хлеба и, тем более, процессами формирования качества сухой пшсішчной клейковины в процессе ее производства- Одной из причин этого является сильная гетерогенность и плохая растворимость белков клейковины [24, 65, 94], а другой — сложность зависимости особенностей белков от большого числа факторов, главными из которых являются наследственные признаки copra и почленно-климатические условия выращивания зерна [49].

В изучение молекулярных аспектов реологических свойств клейковины разного качества значительный вклад внесли А. Вакар н В. Кретоиич с соавторами [55, 85, 86_? 97, 99]. Полученные ими сведения относятся к взаимосвязи структуры и свойств запасных белков пшеницы с реологическими свойствами крепкой и слабой клейковины.

Установлено, что средний аминокислотный состав клейковины разных сортов пшеницы не зависит от её качества [86]. В растворах сапшщлата натрия крепкая клейковина, по сравнению со слабой, имеет меньшую величину характеристической вязкости, удельного гидродинамического объема и осевого отношения растворенных частиц, что указывает на большую компактность частиц крепкой клейковины, по сравнению со слабой, и меньшую величину их асимметрии [22, 106], Результаты свидетельствуют о том, что свойства клейковиннык белков зависят не только от первичной структуры, но и от пространственного расположения остатков аминокислот в полипептидах. Отсюда, следствием неодинаковой третичной структуры запасных белков является различное поведение их при растворении: чем более упругой, но менее растяжимой является клейковина, тем меньше ее белки переходят в раствор 122, 85, 107].

Значительное количество работ посвящено характеру и типу меж-молекулярных связей в структуре белков клейковины. Различия в упругости и растяжимости клейковины объясняют различиями в прочности связей между ее компонентами. Опытами с тяжелой водой показано, что водородная связь яиляется одним из важных факторов, стабилизирующих структуру клейковинного белка (Вакар, 1.975). Доказательством того служили и опыты с блокировкой функциональным групп, способных к образованию водородных связей. Полная потеря клейковиной её реологических свойств наблюдалась при ацетилировании аминных групп остатков лизина и аргинина (Beckwith А,, 1963), метилировании карбоксильных остатков глютамииовой, аспараги новой кислот и замещении амидных ірупп па эфирные группы. На роль водородных связей в клейковине указывает и разрушающее действие на нее мочевины, сопровождающееся повышением вязкости растворов клейковины.

В зависимости от природы донора и акцептора Н-атомов различают шесть основных типов водородных связей, стабилизирующих маїсромо л окулярную структуру белков [62]. Водородные связи, в образовании которых участвуют атомы кислорода — ОН групп, имеют меньшую длину, следовательно, обладают большей энергией. Несколько большие расстояния и меньшая энергия у водородных связей между атомами азота и серы, а длины связей с участием азота и кислорода занимают промежуточное положение.

Водородные связи образуют амидные, карбонильные и другие полярные группы, локализованные как на внешней, так и на внутренней области молекул. Считается, что более 90% полярных групп, расположенных внутри белковых глобул, образуют водородные связи, участвующие в стабилизации нативных макромолекул [62]. Важную роль играют водородные связи, образуемые поверхностными полярными группами с водой.

Предполагают, что число внутренних водородных связей приблизительно соответствует суммарному количеству полярных остатков, за исключением остатков кислых и основных аминокислот, ионизируемые группьї которых ориентированы наружу и участвуют в образовании гидратно-сольватного слоя. Высокой полярностью при этом обладают боковые группы аргинина, гистидина, ароматических, дикарбоиовых аминокислот, а также глутамина и аспарагина.

Содержание полярных остатков варьирует от 38-40 до 50-52% от суммы аминокислотных остатков, У белков с высокой способностью формировать макромолекулярные ассоциаты (а -глиадины, фракция F1I субъединиц восстановленного глютенина, со-глиадины) относительное содержание полярных групп, как правило, выше по сравнению с суммарным глютенином и его фракцией Щ [67].

В клейковине различных сортов пшеницы количество амиднрованных форм глутаминовой и аспарагиновой кислот составляет 80-93% от общего содержания дикарбоновых аминокислот и их амидов [73]. Оптимальное количество амидов, которое соответствует клейковине с высокими реологическими свойствами, составляет около 90%, Глиадины более амидированы (92%), чем глютепины (88%) [62],

Сведения об ионио-эяектростатических связях в структуре клейковиныого белка немногочисленны. По электрохимическим свойствам боковые остатки аминокислот классифицируются на кислотные и основные, при ионизации которых образуются соответственно отрицательные и положительные заряды. Нейтральные боковые остатки представляют собой недиссоциируемые углеводородные цепочки. Оценить роль ИОІШО-электро статически к взаимодействий в стабилизацию или дестабилизацию пативного состояния многокомпонентных белковых систем клейковины достаточно трудно из-за высокой гетерогенности и различий в изоэлектрической. точке клейковшшых белков. Не исключается и смещение значений К-диссоциации трупп, локализованных внутри или па поверхности свернутых полипептидных цепей.

Однако, имеются и некоторые конкретные результаты о роли данных связей в структуре и качестве белков. Так, показано, что количество белка, экстрагируемого за счет разрыва ионных связей, содержалось больше в глютениновой фракции упругий, эластичной клейковины, чем в глготсниые_г выделенном из слабой и растяжимой клейковины [65], На важность ионных взаимодействий для проявления растяжимости указывали исследования, выполненные с использованием модифицированной клейковины. Добавление в тесто ацетил ир о ванной уксусным ангидридом клейковины с одной свободной группой — COOII приводило к большему уменьшению балловой оценки объема хлеба, чем внесение сукцинилированных препаратов с двумя свободными группами - СООН, Следовательно, для реологических характеристик более важным является отрицательный заряд, чем положительный, а электростатические іізаимодействия играют большую роль, по сравнению с водородными связями [100].

На существенную роль поверхностного заряда в белковых молекулах различных видов злаков указывают и результаты агрегации, обусловленные относительным содержанием остатков кислых и основных аминокислот [62],

Не менее сложным является вопрос о роли гидрофобных езаилюдейстеий в формировании белкового комплекса клейковины. Для их изучения использовали высокоэффективную жидкостную хроматографию [101] и измерение степени мутности растворов, в которых потеря растворимости белков под влиянием солей является следствием уменьшения электростатических и усиления гидрофобных взаимодействий [24, 106]. Более высокая скорость агрегации белков клейковины хорошего качества п присутствии солей свидетельствовала о большей роли гидрофобных взаимодействий для крепкой клейковины, по сравнению со слабой.

Подход к оценке вклада гидрофобных взаимодействий в стабилизацию белков предложен еще Фишером, по которому аминокислотные остатки разделили на два класса: полярные (Apr, Лиз, Гис, Асл, Глу, Сер, Тре, Тир) и гидрофобные (12 остатков)* Гидрофобные взаимодействия способствуют локализации аполярных остатков внутри белковой глобулы, гидрофильные остатки располагаются па се поверхности.

При соотношении гидрофильные/гидрофобные остатки большем, чем 1, увеличиваются линейные размеры макромолекул, т. е. при значительном преобладании гидрофильных остатков над аполярными в запасных белках, в частности А-глиадинах, образуются фибриллярные структуры. Агрегированные А-глиадины образуют микр о фибриллы, которые складываются в сложные трехмерные структуры, характерные для глютенина и клейковины [62], Гидрофобные взаимодействия приводят к агрегации макромолекул с образованием четвертичных структурных форм.

Наибольший вклад в гидрофобные свойства вносят ароматические остатки триптофана, тирозина, фенилаланииа, наименьший - остатки аланина, сериыа. аспарагиновой кислоты. В 1973г. Брандте Д. предложил аминокислотные остатки разделять на: гидрофобные остатки внутри белковой глобулы (Ала, Вал, Лей, Фен и т.д.), гидрофильные остатки на поверхности (заряженные) и нейтральные, локализующиеся как внутри, так и снаружи глобулы (Гли, Сер, Цис, Асп, Глн). Соотношение гидрофобных и гидрофильных остатков может служить одним из критериев количественетой оценки гидрофобных свойств поверхности белков.

Дисульфидные связи относятся к важнейшим факторам стабилизации специфи ческой структуры белковых молекул, обусловливающей их функциональные свойства [100, 102]. Под действием цистеина, глютатиона, меркаптоэтанола снижается эластичность, теряются вязкоэ ластичные свойства клейковины, в присутствии иодата или бромата калия свойства клейковины, наоборот, восстанавливаются [55].

Для клейковины сильной пшеницы характерно относительно высокое содержание связей [85]. Эта закономерность проявляется в пределах одного и того же сорта, а также в зависимости от условий выращивания при созревании и прорастании зерна [104], Изменения в количестве связей наблюдаются и под влиянием сушки зерна и при брожении теста, [64, 85],

Общее содержание цистипа и цистеина в клейковинных белках одних и тех же сортов пшеницы, но выращенных it разных климатических условиях, остаемся неизменным, в то время как реологические свойства клейковины отличаются [99]. В слабой клейковине содержание S-S-связей оказалось на 22-31% ниже, следовательно, сделан вывод, что качество клейковины взаимосвязано с соотношением S-S-связей и -Sl-І групп при одинаковом количестве цистинолых и цистсиповых остатков.

Формирование белкового комплекса в созревающем зерне сопровождается увеличением содержания -S-S связей [62, 100], при прорастании зерна, наоборот, наблюдается разрыв дисульфидных связей с увеличением содержания SIl-групп и ухудшением реологических свойств клейковины. Взаимопревращения и SH-групп в развивающихся и прорастающих зерновках катализируются системой специфических ферментов [62, 99, 103].

Опыты с воестанонательным или окислительным расщеплением помогли расшифровать особенности строения глиадина и глютенина Глиадип преимущественно состоит из одной полипептидной цепи с внутримолекулярными связями, а глютенин — из многих полипептидных цепей, соединенных между собой как внутри-, так и межмолекулярными связями [65]. При этом взаимосвязь между количеством -S-S- и качеством пшеницы проявляется и на уровне обоих фракций [66, 105, 123J.

Обнаруживаемые электрофорезом компоненты пшадина принято условно, в порядке уменьшения их электрофоретической подвижности в кислой среде, объединять в четыре группы: а-, |3> у- и ш- глиадипы, каждая из которых состоит из нескольких компонентов [67].

В литературе отмечены следующие количества компонентов в каждой из 4-х зов электрофор етическнх спектров глиадина в крахмальном или полнакриламидном геле: а-Глиадины ...2-1 у-Глиадины ... 2-4 (З-Глиадины ... 2-8 йЯ лиедетаьї... 5-12

Общее число белковых компонентов глиадина достигает 40-50. Компоненты глиадина различаются между собой по аминокислотному составу, характерной же особенностью всех глиадиновых белков является высокое содержание остатков глютаминовой кислоты (свыше 40%), пролина (около 20%) и малое количество ионогенных групп, поскольку дикарбоновые кислоты почти полностью амидированы, а содержание основных аминокислотных остатков невелико. Наиболее отличаются по аминокислотному составу со-глиадины, не содержащие мешопина.

Молекулярные веса a-, J3 и у-глиадинов оказались очень близкими: от 31000 до 34700 Да. Для компонентов «-глиадина найдены более высокие значения молекулярных весов: 73-78 кДа, что соответствует низкой электрофоретической подвижности их в ПААГ.

Кроме того, как нативные, так и восстановленные препараты пшадина содержат около 5-10% низкомолскулярных одноцепочных белков с высокой электрофоретической подвижностью, характерной для альбуминов и глобулинов. Молекулярный вес этих белков равен 11,4кДа.

В обеспечении реологических свойств клейковины, теста и качества хлеба роль отдельных компонентов глиадина различна [24, 105, 108]. Наибольшее значение во взаимодействии с глютениновыми белками имеют а-, ІЗ-, у- компоненты, тогда как высокомолекулярные со-глиадины не обеспечивают высоких реологических свойств. Если же в реконструированной клейковине отсутствует хотя бы одна из фракций у-, а-, р- глиадинов, то образуется несвязная, короткорвущаяся клейковина.

Несколько меньше изучена другая фракция клейковини от белка -глюгенин. Седиментационные и другие измерения [69] показали, что глютенин сильно гетерогенен по молекулярным массам и состоит⁴ из многих белковых компонентов с М, М. от 50 до 3000 кДа [24, 106]. Электрофорез неприменим для его анализа, так как молекулы не мигрируют в ПААГ и остаются на старте. Фракция богаче глиадина основными аминокислотами, глицином, триптофаном и тирозином, но беднее глютамшювой кислотой, пролшюм и фенилаланином.

В структуре глютенин а, наряду с глиадиновыми молекулами, принимают участие полипептидные цепи альбуминов и глобулинов. Все они обнаруживаются в злектрофоретическом спекгре восстановленного глютенина как наиболее подвижные компоненты [108, 109],

Высокий молекулярный вес глютенина определяется не только степенью полимеризации полинептидных непей, подобных глиадинам, альбуминам и глобулинам, но и присутствием специфических высокомолекулярных еубъединиц (ВМСГ) [65, 117],

Во всем мире широко проводятся исследования, посвященные зависимости хлебопекарного качества пшеницы от полипептидного состава как глютепиновой, так и глиадиновой фракций клейкопшш в снязи с различиями сортов на генетическом уровне. Увеличение доли БМСГ в глютениновой фракции может приводить к повышению средней молекулярной массы всего полимера за счет большей способности полипептидов с высокой молекулярной массой к агрегации [ПО], что в свою очередь может приводить к существенным изменениям в реологических свойствах теста и качестве хлеба. По последним данным ВМСГ имеют большое значение для эластичности и силы теста [118* ПУ]. Они содержат 35% глутамина, 20% глицина и 10% пролина от общей массы, состоят из центральной повторяющейся зоны и расположенных по бокам неповторяющихся N- и С- концевых зон [120], более богатых заряженными остатками аминокислот и содержащими большинство или асе остатки цистешт [121], Повторяющиеся зоны имеют вторичную структуру в виде свободной спирали с регулярными |3-витками и р-пластинами, тогда как концевые зоны являются по большей части а-сгшралыо или случайными кольцами [121, 122]. Повышенное же количество глютенина, с одной стороны, приводит к повышению упругости и уменьшению растяжимости клейковины» а с другой — к потере связности, снижению липкости теста и уменьшению объема хлеба.

Интересно, что при восстановительном разрыве дисульфидных связей и последующей регенерации их окислением тиоловых групп физико-химические свойства глиадина и глютенина изменяются по-разному. Более определенные результаты достигнуты при сравнительном исследовании белкового комплекса клейковины разного качества целиком, без предварительно го разделения его на фракции и компоненты (Вакар А., 1975). Известно, что крепкая клейковина содержит больше, чем слабая, так называемых «скрытых» дисульфидных связей, конформационно недоступных анализу без предварительной денатурации белковых молекул, например, мочевиной.

Нельзя предполагать, что -S-S- связи участвуют в соединении молекул глиадина и глютенина, образующих клейковини ый белок, так как фракционирование клейковины легко осуществляется растворителями, не ^посос/ныдтй" разорватБ' лов*тсйчЩ1й" L-fi&3fr аКг іевд* ЖТ5^Л игоо^жеъкш * исключается возможность участия -S-S- связей в формировании. клейковин но го геля из частин клейковинного белка, которые, как известно, нетрудно пере л ести в раствор, не прибегая к реагентам, разрывающим -S-S- «мостики». Остается предположить, что более высокое содержание -S-S- и крепкой клейковине, по сравнению со слабой, обусловлено различиями в степени полимеризации полипептидньгх цепей глютенина, хотя экспериментальных данных по этому вопросу нет.

При этом, биохимические основы признака разнокачествешюсти клейковины, по мнению некоторых авторов [62, 103], можно объяснить функционированием лабильной системы ферментов тиол-дисульфидного обмена

Однако, ни глютенин, ни глиадин в отдельности не обладают характерными реологическими свойствами клейковины, и только соединение этих фракций в едином комплексе создает белок со всеми присущими ему особенностями. Поэтому чрезвычайно важно выяснить, как построен этот комплекс, за счет каких связей происходит соединение многочисленны* полипептидных цепей.

По мнению А. Вакара (1975 г), полипептидные цепочки глиадина в разных местах и разными связями соединяются с солимеризованнымн молекулами глютени новой фракции, объединяя их в сложную трехмерную сетку переплетающихся полгтептидных цепей. Глютенин представляет собой ряд «каркасных элементов» весьма разного размера, объединенных полипептидными цепочками глиадиновых компонентов в единую частицу («макромолекулу») клейковины с достаточной прочной и одновременно подвижной структурой, которая как бы «рассыпается» на части, если удалить цементирующий ее глиадин. Другого определения клейковины нет.

Белок — белковые взаимодействия, обусловленные гидрофобными, ионно-электростатическими, водородными и другими невалентными связями между фракциями, по-видимому, в большей степени проявляются в условиях гидратации белков в процессе приготовления теста и отмывания клейковины, нежели в период формирования белковых комплексов в развивающейся зерновке, В целом же, выяснение ключевых звеньев структурі ю- функциональной организации клейковины представляет несомненный интерес для разработки теоретических основ создания высококачественных сортов пшеницы, а также для поиска путей и способов сознательной регуляции биохимических процессов, связанных с приготовлением теста [124],

К сожалению, исследований по вопросу молекулярных основ качества мягкой пшеницы в последние годы проводится недостаточно. Это относится и клейковине пониженного качества, например, короткорвущейся, несмотря на получение нами некоторых сведений [49] для белков одних и тех же сортов зерна, но выращенных в условиях влажной и прохладной погоды.

Таким образом, можно самым приблизительным образом оценить физико-химические свойства и структурные особенности белкового комплекса СГЖ и, тем более, объяснить различия в особенностях образцов зерна разного качества. Подобные сведения необходимы для расширения направлений применения СПК и регулирования ее функциональных свойств в целях улучшения и модификации.

1.5 Биохимические способы модификации растительных белков осуществляются с применением ферментных препаратов. Особую актуальность приобретает совершенствование технологий с микробными ферментными препаратами, которые модифицируют сырье, повышают выход, улучшают пищевую ценность продукции и экологическое состояние производства, делая их безопасными [12, 125]. Применение ферментов обусловлено их высокой избирательностью, стерео специфичностью, мягкими условиями действия, высокими скоростями превращений. Ферменты безвредны для окружающей среды, потому в мире ведется интенсивный ПОИСК НОВЫХ ИХ 1ШДОВ fT26"J.

К наиболее важным характерне гикам ферментных препаратов относят рЫ, температурный оптимум, субстратную специфичность. Кривые строятся на основе данных, полученных при измерении скоростей реакции, протекающей в буферных растворах с разными значениями рН [38]. Факторы могут действовать и в комбинации друг с другом. Например, падение активности но одну сторону от оптимума рН может быть результатом уменьшения сродства фермента к субстрату, а по другую — результатом инактивации фермента [97].

К биохимическим способам относятся лластештвый синтез, фосфорилирование, деламидирование, сшивание, ограниченный ттротеолиз и другое [62]. Преимуществами являются сохранение биологической ценности, возможность регулирования и улучшения свойств. Модификацни белков изменяет растворимость, гелеобразование, жироэмульгирующие, пепообразутощие свойства.

Интересны реакции ферментативного синтеза из пептидов определенной молекулярной массы {ппастегтовый синтез) с целыо введения в состав белков незаменимых аминокислот для улучшения биологической ценности и свойств (растворимость, пено-, і еле образование, жироэмульгирование и т.д.)-

Гидролиз Пептиды с Концентрирование Концентрат Синтез

Белок — * мол. массой * пев гидов —-> Пластеин

3-20 кДа (30-40%) Фермент

Способы получения пластеинов разработаны для соевых белков, молочной сыворотки, включение цистсина - в гидролизаты белков сои, клейковины, арахиса. Отмечено изменение вязкости для детских молочных смесей, упрочнение гелей для сосисок, желе, пудингов, облегчение сбивания кремов, пен, десертов [127],

При этом важную роль в регулировании функциональных свойств играют межмолекулярные взаимодействия с заряженными полисахаридами, фосфолипидами, металлами, пектиновыми веществами, полифенольными соединениями, которые изменяют исходную кон формацию и физико- химические свойства. В любом случае знание физико-химических характеристик модифицированных белков (растворимость, гидрофоб ность, соотношение полярных и неполярных групп, характеристическая вязкость, форма, размер молекул) позволяют предсказать поведение белков в пищевых системах, объяснить их функциональные свойства и обеспечить с помощью технологических приемов высокое качество готовых изделий.

1.6 Ферментативная модификация белков с ограниченной степенью гидролиза

За рубежом выпускается достаточно широкий перечень ферментативно модифицированных белков, включая и на лечебные цели. При этом учитывается, что одним из направлений восполнения недостатка полноценного белка в рационе питания человека - повышение его переваримости за счет протеолиза.

Важная роль модификации белков протеолнзом принадлежит и при разработке новых способов обработки в целом пищевого сырья с направленным воздействием, по сравнению с традиционными технологиями [128, 129]. На это указывают работы отечественных и зарубежных ученых (Браудо Е., Кроха Н., Римарева Л., Рогов И,, Траубепберг С, Зайцева Л., Румянцева Г., Осадько М,, Доморощенкова M,_s Hemandea L.₃ Redricson M., Lee J., Linares E., Larre C, Popineau Y.).

Протеолитические ферменты играют важную роль в процессах созревания, прорастания и хранения семен растений. Особенно велико их значение для зерноьых культур, перерабатываемых в пивоваренной, спиртовой, кондитерской промышленности [130, 131]. Однако уровень исследований протеаз значительно отстает от исследований амилолитических и цитолитических ферментов, тогда как растительное сырье — это удобный объект не только для исследования функций протеаз, механизмов синтеза, транспорта белка и отложения запасных веществ при прорастании семян [130, 131], но и для поиска новых нетрадиционных источников пищевого белка вообще. Протеолиз — это эффективный метод регулировании функциональных свойств белков и повышения выхода при сохранении их природных качеств.

Нротсолити чески е ферменты синтезируются практически всеми живыми существами, В промышленных целях используются животные ткани, растения и клетки микроорганизмов. Наиболее перспективным источником протсииаз яшіяются микроорганизмы из-за неограниченности их источников, возможности варьирования свойств методами селекции, генной инженерии, подбором условий биосинтеза, широким спектром ферментных комплексов_? глубиной воздействия на субстраты, простотой и относительной дешевизной технологии.

Продуцентами протеолитичсских ферментов являются различные группы бактерий: Bacillus, Micrococcus, Psoudomonas, микромицеты Aspergillus, Rhizopus, РепїсШішті, актиномицеты Streptomyces, Actinomyces, на осноие котрих и создается крупнотоннажное производство ферментных' препаратов,

Протсолитичсские ферменты относятся к классу гидролаз и образуют подклассы пептидаз и протеиназ [55], Четкого разделения по этом}' признаку не существует, так как протеипазы (пепсин, трипсин, палаин и другие) гилролизуюг пептидные связи не только в белках, но и в пептидах. Согласно классификации Бергмана, подкласс пептидаз делится па: ондопептидазы и экзопептидазы. Эндопептидазы гидролизуют пептидные связи в центральных участках с расщеплением молекулы белка на более мелкие фрагменты, экзолептидазы отщепляют последовательно одну за другой концевые аминокислоты. Нерастворимые формы белков переходят в растворимые формы. На рисунке 1.1 показаны различия в действии протеаз.

Ферментативный катализ происходит на расстоянии длины химической связтіу и" аза" кшшіїшг ^1лгея*гатся" ±га" кЯіртдетеїгкші * /гаъткхг ікп№рХК&т' макромолекулы, называемым активным центром [38, 55_t 62]. Каталитический центр представляет собой набор небольшого числа функциональных групп, расположенных близко друг от друга и имеет вид впадин и выемок на поверхности молекулы фермента. Сближение их связано с формированием !Зіщопро теаэ а

GaJcK Пвя*«Дг,|

ПнПтИцы Пі'іЛіЦЬі: н ШибсдііЬів *іМшістКИUl ibJ

Рисунок 1.1 —Действие эндо- и экзопротеаз на белки третичной структуры молекулы фермента [55, 132]. Специфичность ферментов объясняется в первую очередь совпадением пространственных конфигураций субстрата и активного центра фермента. Только тогда, когда совпадение это достаточно полно, может образоваться фермент-субстратный комплекс и, следовательно, начаться процесс ферментативного катализа [131].

Эндопротеазы входят в состав Alcalasc , тип FG , Esperase , тип FG , Neulrase^, Protaraex, РТК б.О S, тип Saitfree, экзопептидазы - в состав комплекса Flavourzyme. Препараты микробного происхождения представлены с коммерческими названиями и различной активностью. Активность-ферментов оценивается числом единиц (Аксон, ВАЕЕ₅ TAME).и обычно соответствует гидролизу одной единицы субстрата за ЫО мни при определенной температуре, рН, концентрации и соотношении фермент-субстрат.

Степень гидролиза белков определяется как процент разорванных пептидных связей и является ключевым параметром, характеризующим белковый гидролизат [7]. DH = (Число разорванных пептидных связей / Общее число пептидных связен) х 100%, где DH - степень гидролиза, которая оценивается увеличением осмотического давления* измеряемого по понижению точки замерзания; определением свободных аминогрупп с помощью методов ОРА, определением сиободиых аминогруггл методом формодьного титрования [7].

Различают песпецифические и специфические методы гидролиза, К неспецифическим методам относится больше кислотный гидролиз, который Сэнгер и Тупи применили при расшифровке структуры В-цспи инсулина [133]. Выделив и проанализировав не менее 60 пептидов, они расшифровали только 4 участка цепи с 19 остатками аминокислот. В гидролизатах находилось до 25% свободных аминокислот. В ходе гидролиза полностью разрушался триптофан и оксиаминокислоты.

Из методов неспецифического ферментативного расщепления чаще всего применяется гидролиз пепсином, папаином, бактериальными или грибковыми протеазами. Все три типа ферментов образуют гидролизаты со смесью мелких пептидов. В связи с этим их лучше использовать на конечных этапах расщепления крупных пептидов, полупенных методами специфическою гидролиза [131].

Специфический ферментативный гидролиз обуславливают трипсин и химотрипсин. Благодаря этому можно "управлять" структурой гидролизуемых соединений. Например, по мере аминоэтилирования свободных SH-групл упеличивается число NH^-ipynn и, следовательно, увеличивается количество пептидных связей, чуиствительных к трипсину, т.е. в гидролизате оказывается больше триптичесхих пептидов. Если же, наоборот, обратимо или необратимо заблокировать ЫНг-группы лизина, то трипсин сможет гидролизовать только те пептидные связи, в которых участвует аргинин. В этом случае в гидролизате обнаруживаются крупные аргининовые пептиды. При обратимом блокировании остатков лизипа, например путем трифторацелирования, после выделения аргинин овых пептидов их можно деблокировать, а затем подвергнуть трнптическому гидролизу с расщеплением только пептидных связей лизина.

Модифицированные растительные белки с ограниченной степенью протеолнза могут обладать уникальными потребительскими свойствами: растворимостью при различных гшачеииях рН, пепообразующей способностью (выше, чем у яичного альбумин її), улучшенной эмульгирующей и жироудерживагошеи способностью и другими важными свойствами. При этом характер продуктов зависит от вида гидролизуемого белка, протеаз, условий проведения процесса и степени гидролиза [134], Высокая же степень гидролиза приводит к появлению горького вкуса, обусловленного гидрофобными пептидами и аминокислотами [135].

Ограниченный протеолиз хорошо изучен для 11S глобулинов соевых, кормовых бобов, гороха, подсолнечника и кукурузы [34]. Установлено, что под влиянием трипсина при небольшой степени гидролиза расщепляются пептидные связи а-цепей легумина гороха, Р-цепи остаются «незатронутыми». Образуется «обрубок» молекулы легумина -Тс молекулярной массой 200-260 кДа и сильными гидрофобными свойствами, повышающими жироэмудьгирующие и пен с образующие свойства белков.

Различные фракции одних и тех же белков, например, фракции 2S и 12S рапса, 2S, 7S и 11$ сои, глиадин-глютенин, альбуми в ы-гл обул и ны пшеницы по-разному гидролизуются одними и теми же ферментами, следовательно, достигаются и разные результаты улучшения функциональных сшйст

Несмотря на значительное количество публикаций, посвященных влиянию ферментативной обработки на процес сі .і модификации свойств растительных белков, качество гидролизуемых продуктов н каждом случае является уникальным и зависит от характера субстрата, типа фермента, следовательно, всегда требует и конкретных исследований [135, 136].

Важно то, что при протеолитическом распаде пищевых белков пептидов. Соответствено, может возникать дополнительная физиологическая активность, поэтому необходимы специальные исследования [137],

Совершенствование технологий пищевых продуктов сегодня особую актуальность приобретает с микробными ферментными препаратами, которые наїгравленно модифицируют сырье, повышают выход, улучшают пищевую ценность продукции и экологическое состояние производства [12, 52, 125], Однако лишь для немногих микробных ферментов проведена подробная идентификация функциональных групп каталитического центра, исследовала кинетика гидролиза субстратов, расшифрована первичная структура [7], поэтому требуются дальнейшие исследования с одновременной разработкой новых препаратов для модификации.

Параллельно развивается направление использования полупроницаемых мембран с пропускной способностью по молекулярной массе белков [138, 139].

Таким образом, применение ферментов обусловлено их высокой избирательностью, специфичностью, мягкими условиями и высокими скоростями превращений. Они, к тому же, безвредны, потому в мире ведется интенсивный поиск новых возможностей использования гидролаз для улучшения их качества и получения ценных пищевых ингредиентов [136].

1.7 Направления использования сухой пшеничной клейковины и ферментативно модифицированных белков

Сухая клейковина является натуральным ингредиентом, она полностью соответствует требованиям кодекса ФАО/ВОЗ комитета «Эксперт по продовольственным добавкам», поэтому не существует пределов, ограничивающих ее применение. Использование включает способы применения в качестве улучщителя, наполнителя и обогагителя в зависимости от дозировок [65, 77, 140].

Основными отраслями применения клейковины остаются мукомольная и хлебопекарная отрасли, в шгорвгк" в яислйдни^ 2S?-3tf лет ита^івзивашге ее выросло в десятки раз, особенно в передовых странах [57], В мукомольном производстве многих стран Европы клейковину добавляют в количестве 1-

2% к муке низкого качества, с невысоким содержанием белка (9-10%). Сильная пшеница является дорогостоящей и обычно импортируется из США и Канады, Улучшаются физические свойства тоста, качество хлеба соответствует качеству образцов, приготовленных из сортов пшеницы с содержанием белка 14-15% [142],

Хлебопекарные предприятия России ежегодно перерабатывают значительные объемы (до 60%) муки с пониженными хлебопекарскими свойствами; низким содержанием клейковины, неудовлетворительным ее качеством - слабой, короткорвущейся клейковиной, с пониженной или повышенной активностью ферментов. Одним из способов улучшения или корректировки качества муки является добавление СПК.

Результаты действия сухой клейковины па белковый комплекс муки зависят от ее техно-функциональных свойств и исходных свойств муки [58, 79], что не всегда учитывается производителем, отсюда снижение эффекта и качества изделий. Так, установлено, например, что, если учитывать вопросы экономики сырья и одновременно обеспечивать высокое качество продукции из муки с удовлетворительно крепкой клейковиной, то целесообразно использовать сухую клейковину в дозировке всего 1% к массе муки. Удельный объем хлеба при этом увеличивается на 5-22%, пористость — на 1-6%, формоустойчивость — на 4-32%.

Показано, что добавление 1% клейковины «БМ» (Казахстан) увеличивало количество сырой клейковины на 1,6-2,0%, а 2-3% -на 3,5-4,2% и 4,8-6,8%, соответственно. Клейковина заметно укреплялась, увеличивалась ее гидратация. Изменения сіруктурно-механических свойств теста с клейковиной отмечены и в работе [76J специалистов СПб ГУНГиГШ.

Внесение в муку сухой пшеничной клейковины - практически единственный способ существенно повысить содержание и качество клейковины уже па этапе производства муки [77, 141], Сухая пшеничная клейковина стабилизирует качество муки, расширяет ее ассортимент, вовлекая в производство большие объемы зерна 4-го класса.

При использовании клейковины как наполнителя ее применяют в количестве 3-S% к массе муки для нивелирования отклонений в качестве хлеба с высоким содержанием клетчатки_? вносимой с отрубянистой мукой, отрубями, продуктами из кукурузы, кокосовой пальмы, изюмом и т.д. [ИЗ]. Так, предложен способ приготовления бескоркового хлеба длительного хранения с 4-5% клейковины (заявка Франции № 2584895) с использованием эмульгатора и аскорбиновой кислоты. Качество хлеба из 85% пшеничной муки и 15% пшеничных отрубей значительно улучшается добавлением клейковины и ПАВ [96, 106]. Saibel исследовал влияние 2, 4, 6% сухой пшеничной клейковины на качество хлеба [145]. Хлеб готовили с клейковиной, а также с добавлением клейковины совместно с улучшителями (солод, аскорбиновая кислота), которые нивелировали укрепление белков муки. Отмечалось увеличение содержания белка в муке с 12,0% до 14,9% и улучшение качества хлеба. Сухая размолотая клейковина улучшает пористость хлеба [146]. Можно использовать и большее количество сухой клейковины, но обращать при этом внимание на ее качество. Малорастяжимую клейковину можно использовать для производства, например, ржано-пшеничных сортов хлеба в количестве до 5_f5% [147]. Производство хлеба дарыицкого с использованием закваски БАЗ возможно также с 6% СПК к массе муки [148].

Польские ученые [57,157] считают СПК одним из ценных белковых препаратов. В Польше на заводе «Cargill» ее производится около 1100 т ежегодно. Соотношение глиадина и глтотенина при этом колеблется от 0,8 до 1Д.

СПК позволяет расширить ассортимент продукции, в частности продукции диетического и лечебного назначения. Препараты СШС можно использовать не только при выработке массовых сортов пшеничного хлеба до 5% к массе муки, но специальных и диетических сортов (белково-пшеничный, белково-отрубной).

При выработке хлебобулочных изделий с повышенной биологической ценностью широкое распространение получили различные композитные смеси. По при этом почти все белковые обогатители при дозировке, превышающей 3-5% от общей массы муки, ухудшают физические свойства теста за счет несовместимости белков сырья, котрая проявляется тем сильнее, чем больше разнородность белков и чем продолжительнее контакт белков друг с другом. При добавлении их в количестве свыше 5% значительно ухудшается качестно хлеба: уменьшаются объём и раярыхленность. Трудность обогащения хлеба этими продуктами возрастает в связи с тем, что для достижения сбалансированного аминокислотного состава хлеба добавки необходимо вносить в количестве, не менее 20 - 30% к массе муки [149].

Известно, что качество белков отражает биологическую ценность продукта^ характеризует сбалансированность, перевар ив аемость, усваяемость [48, 150, 151]. По данным диетологов за счет хлеба человек получает 37% общей калорийности рациона, удовлетворяет около 30% потребности в белках и одновременно 25-30% в пищевых волокнах [55]. В соответствии с формулой сбалансированного питания [151-154], суточная потребность человека в белке — 60-100г, содержание растительного белка растительного происхождения ири этом должно составлять 45%. Основная масса его приходится на долю зерновых, 80-90% которых человек потребляет в составе хлеба.

Белки в хлебобулочных изделиях содержатся в небольших количествах, к тому же они плохо сбалансированы из-за недостатка лизина, триптофана, метионипа, треонина [13], Вместе с тем, и белках хлеба оптимален лейцин-изолейциновый комплекс и избыточно количество фенилаланина. Отсюда повышение биологической ценности хлеба предполагает: повышение содержания белка; улучшение аминокислотного состава белков.

Для решения проблемы применяются обогатители растительного происхождения с повышенным содержанием белка- Для приготовления специальных сортов хлеба для диабетиков, страдающих ожирением использование клейковины известно уже давно [22, 96, 143], Добавление 10-30% сухой клейковины предназначено для получения обогащенных белком изделий до 9-15%, против 7-8% в традиционном хлебе [143].

Во ВІЇИИХП проведены исследования по разработке способа приттовления хл^ба с применением сухой клейковины, содержащей 30% белковых веществ. В МГУПП разработан сорт хлебобулочных изделий и булки "Радонежские" с использованием 20% СПК к массе муки. Содержание белка составляет около 17%, изделия прошли клиническую апробацию я внедрены в производстве. Саню-Петербургским филиалом ГосНИИХП разработаны рекомендации для производства новых видов изделий с сухой клейковиной в количестве до 40% к массе муки. Хлеб с повышенным содержанием глютена имеет равномерную мелколористую структуру, повышенный па 7-9,5% удельный объем хлеба, пористость выше - па 14%, формоусгойчивость - на 25%. Улучшаются реологические характеристики теста: стабильность повышается в 1,5-2 раза, степень разжижения уменьшается в 1,6 разЭз упругость возрастает на 25%. Облегчается выполнение технологических операций — разделки, формования и расстойки.

СГЖ находит применение не только для увеличения доли белка в хлебе, но и продления срока сохранения свежести и снижения крошковатости, что очень важно при современных технологиях.

Уникальные адгезивные, когезивные и пленкообразующие свойства нативной пшеничной клейковины и се терм о функциональные свойства позволяют использовать ее в качестве добавок в мясные, рыбные продукты и продукты из мяса птицы [34, 52], Клейковина является эффективной добавкой для связывания кусочков и обрезков мяса, из которых готовятся бифштексы, котлеты, а также для изготовления кулинарных рулетов. Сухая клейковина используется как добавка в количестве от 2 до 6% в мясной, сосисочный фарши и другие мясные эмульсионные продукты. Изделия, содержащие клейковину, по вкусовым свойствам превосходили изделия, при готов ленные с использованием казеината натрия или изделия без добавок,

Вязкоупругие свойства клейковины позволяют применять ее при изготовлении аналогов сыра с текстурой и вкусовыми качествами натурального сыра. Пшеничная клейковина применяется как основа жевательной резинки, а также в косметических изделиях (тушь для ресниц) и в фармацевтической промышленности для таблетирования [156].

Известны и другие способы применения сухой клейковины, широко описанные в литературе [24, 155]. Новыми направлениями применения клейковины является использование ее в производстве мучных кондитерских изделий (бисквитный полуфабрикат, кексы, бслоксодержащие смеси и т.д.) в качестве пенообразователя и жироэмульгатора [79, 111, 113], в макаронных изделиях, пельменей, н мясоперерабатьіваюїдем производстве, производстве пиццы и других продуктах питания. [116, 158],

Методы протеолитического расщепления растительных белков применяются в основном по следующим направлениям: для повышения выхода экстрагируемого белка, модификации их свойств с одновременным улучшением качества пищевых продуктов и получения вкусоароматических веществ.

По первому направлению заслуживают внимание работы проф. Румянцсной Г. и Римаревой Л. [135, 159], Протеолиз рассматривают как метод, позволяющий обеспечить максимальный выход белка при сохранении или регулировании его функциональных свойств. Так, например, при исследовании динамики накопления пшеничного белка в экстракте с препаратом Псйтраза установлено, что при 0,1% к массе сырья максимальный выход достигался при времени протеолиза 4,5-5 ч [1351, а максимальная степень гидролиза белков и выход аминокислот отмечена под действием пептидаз дрожжей (18-22%) и комплекса их с микробными протеазами (31%), что свидетельствовало о синергизме их действия и стимуляции процесса брожения [159].

В результате ферментативной модификации улучшаются функциональные свойства и белки находят более широкое применение в производстве продуктов лечебного, профилактического назначения для достижения требуемой питательной характеристики, структуры, вкуса и внешнего вида [136], Ферментативные гидролизаты более эффективные, по сравнению с кислотными и щелочными, так как с большей достоверностью обеспечивают специфичность функциональных свойств, например, при использовании я напитках, еоках, супах, бульонах.

Улучшение жироэмульгирующей, жиро- и водоевязывающей способности белковых продуктов при выделении их с применением композиций ферментных препаратов делают возможным расширение применения их в качестве эмульгатора, влагопоглотителя и абсорбента жира в хлебопекарной, мясной, кондитерской, маеложировой или других отраслях пищевой промышленности [49].

Белковые гидролизаты представляют собой смеси пептидов со свободными аминокислотами, поэтому с расщеплением белковых молекул на небольшие пептиды и аминокислоты усиливается аромат (мясной, растительный и т.п.) и появляются пептиды, обладающие горьким вкусом. Привкус горечи обусловливается присутствием пептидов определенного размера с концевой гидрофобной аминокислотой (рисунок 1.1). Обесцвеченный гидролизат более пригоден, например, для производства продуктов из снетлых видов мяса (птица), окрашенный — из темных (говядина).

Гидролизованная клейковина, подвергнутая экструзии, может использоваться при разработке новых продуктов питания - аналогов мяса, крабов и даже искусственной икры.

В последние годы белковые гидролизаты используются не только как готовые продукты, но и как полуфабрикаты для производства производных — ароматизаторов, значение которых на рынке пищевых продуктов постоянно возрастает. Полагают_? что эта тенденция сохранится и в будущем [137],

Перспективным направлением является ферментативная переработка муки низкого качества, в результате чего можно получить продукты водорастворимого белка до 15% для регулирования свойств хлебобулочных изделий. Протеолиз уменьшает вязкость чрезмерно крепкой клейковины, благоприятно влияет на созревание теста, улучшает пористость, структуру мякиша, увеличивает объем хлеба. Под действием протеаз в процессе приготовления теста накапливаются аминокислоты, значение которых очень велико в обеспечении дрожжей питанием, интенсификации образования меланоидинов и ароматических веществ в корке хлебобулочных изделий при выпечке [12].

Размер белковой молекулы, очевидно, влияет на сіруктуру теста. В результате ферментативного гидролиза могут быть получены продукты с содержанием белка 50-90%, обладающие сбиваемостью, равной или в 2 раза болт-шей сбиваемое яичного альбумина (для сои). При тепловой обработке эти продукты практически не вспениваются [136].

1,8 Заключение по литературному обзору

Обзор литературных данных свидетельствует о том, что здоровье человека непосредственно связано с количеством белка в нище, с его аминокислотным составом, перевариваемостыо и усвояемостью. Дефицит белка и питании и его особая роль в технологических процессах и в составе пищевых продуктов, подвинет к поиску новых форм белка, а также модификации уже известных, традиционных источников, к которым и относится СПК.

Сухая пшеничная клейковина, в силу больших объемов производства важнейшей мировой зерновой культуры — пшеницы, является одним из главных белковых препаратов, который производится во всем мире с использованием большого количества технологических схем. На ее химический состав и функциональные свойства влияют различные физико-химические, биохимические, технологические факторы, от которых зависят области и направления применения в производстве продуктов питания с улучшенными технологическими свойствами и обогащенных белком для функционального, диетического или специального питания.

Многими исследователями изучалось влияние СПК на белковый комплекс и хлебопекарные свойства муки, так как это генеральное направление применения белкового продукта в пищевой промышленности.

При этом достигнуты определенные успехи в теоретических и практических вопросах использования ее в хлебопекарной, мукомольной промышленности, но отсутствие полных сведений по вопросу отличительных особенностей структуры и свойств белкового комплекса сырой пшеничной клейковины разного качества, и тем более недостаток сведений по вопросу изменений техно-функциональных свойств сухого белкового продукта во взаимосвязи со свойствами и особенностями структуры натиаиого комплекса белков и изменения их в процессе сушки приводит к ограничению использования клейковины не тол ьхо на хлебопекарных и мукомольных предприятиях, но и в других отраслях пищевой промышленности.

Несмотря на то, что в изучении физико-химических и структурных особенностей белкового комплекса клейковины разного качества достигнуты определенные успехи, в частности, в типах связей, его стабилизирующих, отличительных особенностях основных фракций (глиадиы, глютенин) сегодня продолжает оставаться дискуссионным вопрос о первостепенной роли ковалентных и нековалентных связей в формировании техно-функциональных свойств сырой и сухой клейковины, о гетерогенности белковой системы, определяющей в конечном счете ее уникальную структуру, функциональные свойства и реологические характерисі и к и.

Широкое разнообразие возможных причин раз но качественности клейковины и сильная вариабельность показателей качества в меняющихся условиях среды представляют основную сложность в поиске путей и способов направленной регуляции ее функциональных свойств на уровне сорта, фенотиптических и технологических факторов для конструирования клейковинного комплекса с заданными свойствами. Многогранность и взаимообусловленность процессов, происходящих в процессе репродуктивного развития пшеницы, также предопределяют основные признаки и технологические свойства зерна, муки, реологические характеристики сырой и сухой клейковины и ее функциональные свойства.

Не изучен до конца вопрос о структурных основах отдельных показателей качества клейковины; упругости, эластичности, растяжимости, связности. Расшифровка данной проблемы позволила бы разработать научно обоснованные методы оценки качества СПК, разработать направленные способы модификации ее функциональных свойств, и, прежде всего, ферментативные как наиболее экологически безопасные и эффективные.

Ферментативный протеолиз является одним из перспективных способов модификации свойств» однако нужны дальнейшие исследования по использованию различных ферментных препаратов микробиологического происхождения для регулирования их физико-химических характеристик. В литературе полностью отсутствуют сведения по вопросу изучения процессов модификации свойств клейковины разного качества, включая сортовые и фенотипические особенности, под влиянием эндо-, и экзопротеиназ, чтобы обеспечить конкретно заданный молекулярно-весовой состав, тип ковалентных и нековалентных связей, фракционный состав и другие характеристики, от которых зависят функциональные свойства. Это

Таким образом, обобщены и проанализированы литературные данные по вопросам роли растительного белка в питании, получения, химического состава, функциональных свойств С1Ж_? физико-химических свойств и структурных особенностей белков сырой клейковины разного качества, способов модификации белков и направлений использования в пищевой промышленности. Литературные сведения послужили основой для постановки задач и выполнения экспериментов в решении проблемы регулирования свойств СПК разного качества ферментативной модификацией с различный протеин азами дли эффективного применения ее в пищевой промышленности.

^ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2. 1 Материалы и методы исследований

В работе использовали общепринятые и специальные биохимические и технологические методы исследования физико-химических свойств и структурных особенностей белков контрольных и модифицированных образцов СПК с оіраниченной степенью протеолиза, а также методы оценки свойств сырья, пол}'фабрикатов и качества хлебобулочных изделий.

2.1.1 Материалы исследований

Для исследований применяли 11 образцов СПК, полученных с одного и того же предприятия — «БМ» (Казахстан), по качеству удовлетворяющих сертификатам: содержание белка, жира, золы, клетчатки и времени гидратации (не более 40 с). Результаты детальных исследований показателей качества приведены в экспериментальной части в таблицах 1, 2.

В работе применялись 2 ферментные препарата (ФП) эндопротсиназиого действия (Neutrase 1,5 MG и Protamex) и 1 экзопротеиназного - Flavourzyme 500 MG (производитель Novozymes, Дания), любезно предоставленные компанией Символ - БИО, г. Москва* По данным производителя, характеристики ферментных препаратов представлены в таблице 2.1;

Таблица 2.1 — Характеристика условий действия ферментов

Протеолитическая активЕїость, определенная по методу Ансона в модификации Рухлядевой, составляла для Neutrase 1,5 MG_? Protamex и Flavourzyme 500MG 105, 125 и 85 Е/г соответственно.

В работе использонали также 2 образца муки пшеничной хлебопекарной высшего сорта (ГОСТ Р 52189-2003) с содержанием сырой клейковины 28,1 и 27,3 % и показателем ИДК Н_ЛРф. 55 и 53 ед. приб,, а также муку из амаранта, произведенную в ГНУ ВНИИЗ по ТУ 9293-0095268-4947-06, дрожжи прессованные - ГОСТ 171-88, соль поваренную пищевую - ГОСТ Р- 53574 - 2000, иоду іштьеиуто - СанПиН 2Л .4.559-96 и масло растительное рафинированное дезодорированное — ГОСТ 1Ї29-93.

2.1.2 Методы исследований 2.1*2А Физико-химические и биохимические методы

Техно-функциональные свойства СПК. Свойства сухой пшеничной .лглеАшр.тшы -сдісьишаїш _л<ї -Bhix&yv _сьтай _ггіегсне.глу.ооваиеай .ісїїєй.ковиньі-гидратационной способности и деформации сжатия.

Для определения выхода сырой регенерированном клейковины с точностью ±0,01 г отвешивали навеску 4 г СПК, помещали ее в фарфоровую ступку и приливали 8 см³ водопроводной волы при IS...20 ^(ЇС. Замешивали шарик теста, накрывали крышкой и оставляли на 20 мин для набухания. Сырую клейковину отмывали от крахмала под слабой струей воды при 28„.20^иС над ситом, слегка разминал пальцами тесто. Отмывание клейковины проводили до полного удаления крахмала, по аналогии с отмыванием сырой клейковины из муки по ГОСТ 27839-88. Время отмывания 20-30 мин. Сырую клейковину взвешивали на технических весах с точностью ± 0,01 г и рассчитывали ее выход (В)₅ % по формуле:

В — /4 ^х^ ' ^где М- ~~ ^масса сырой клейковины, г; 4 - навеска СПК, г.

Для определения деформации сжатия на приборе ИДК-1 из отмытой, клейковины выделяли навеску 4г, формовали шарик с гладкой поверхностью без разрывов. Шарик клейковины помещали на 15 мин в чашку с водой с температурой 18-20 С для отлежки. Затем измеряли деформацию сжатия по методике, описанной в ГОСТ 27839-88.

Гидратационную способность сырой регенерированной клейковины определяли следующим образом: навеску сырой клейковины 4 г, взвешенную с точностью 0,01 г, помещали в предварительно высушенный бумажный пакет. Затем пакет с навеской высушивали в приборе Кварц 21 МЗЗ - 1 при температуре 160С в течение 10 мин. Опыт проводили в 2-х повторностах и вычесляли среднюю арифметическую величину гидратации [161]. Расчет гидратационной способности клейковины в % (Г) проводили по формуле:

Г—в*190/а, где в — массовая доля влаги, определенная по разности величины навески до и после высушивания; а - содержание сухого вещества клейковины в навеске, определяемое по разности массы пакетика с навеской после высушивания и массы пустого пакетика.

Показатели химического состава СПК. Содержание общего белка и образцах СПК определялось по методу Къельдаля [ГОСТ 10846-91] на анализаторе белка/азота (BUCHI К-424) (Швейцария), массовая доля влаги -по ГОСТ 9793-74, массовая доля жира с гексаном в экстракторе/ анализаторе жира Fex IKA (Германия), зольность - по ГОСТ 10847-74, содержание клетчатки - по методу, изложенному в руководстве [169], углеводов - по разности между 100 и суммой всех других показателей.

Протеолитическая активность ферментов зндо- и экзопротеиназ определялась по методу Ансона в модификации Рухлядевой, основанному на гидролизе белка казеината натрия препаратом фермента и осаждением не гидр оли зов анн ого белка трихлорукеусной кислотой [162].

За единицу протеолитической активности принималось такое количество фермента, которое за 1 минуту при температуре +30"С превращало казешіат натрия в неосаждаемое трихлоруксусной кислотой состояние, в количестве, соответствующем 1 мкмоль тирозина (1 мкмоль тирозина равен 0,1S1 мг) [163].

Определение аминпого азота, В ступке навеска исследуемого образца смешивалась с определенным количеством дистиллированной воды (исходя из влажности 63%), предварительно растворив в ней протеолитический фермент, и выдерживалась в течение определенного промежутка времени в термостате при оптимальной температуре. Затем 4,5 г гидролизата отбиралось в пробирку, добавлялось 65 см дистиллированной вод hi и диспергировалось в гомогенизаторе 4-5 мин. После этого раствор центрифугировался при 6000 об,/мин в течение 20 мин, над осад очная жидкость сливалась, 5 см ее отбиралось и переносилось в кювету для титрования с измерением рН. Предварительно добавлялось 20 см³ дистиллированной воды [166].

Нейтрализация проводилась 0,2 моль/дм* раствором NaOH. Щелочь добавлялась по каплям при постоянном перемешивании, следя за показаниями нотешиомерта. Когда рН раствора достигало 7, к нему добавлялось 0,5 см формолыюй смеси с фенолфталеином и титровалось 0,2 моль/дм раствором NaOH до рН 9Д — 9,5, что соответствовало ярко- красному окрашиванию пробы [167]. Электроды во время определения должны быть погруженными в раствор [168],

Определение степени гидролиза белков. Степень гидролиза (Дшч) рассчитывалась'по формуле:

Дном- Хф/Хп * 100 % , где Хф - содержание азота в образце>%; Хп -содержание аминного азота при полном гидролизе обрачца, %.

Для этого проведился полный гидролиз навески образца (около 100 мг) с 10 см' 6 моль/дм" раствора НС1. Проба выдерживалась и термостате при 110С в течение 24 ч, после чет определялся аминный азот методом формольного титрования [167],

Электрофорез в ІЇААГ. Для определения полип en гид ног о состава методом электрофореза в ПААГ белки переводились в раствор следующим способом. Предварительно взвешенные сухие образны в количестве 0,2 г ±0,001г, а гидролиза в количестве 0,52г±0,001г смешивались с 20 см³ Sunrple-buffer с рН 6,8, проводилось механическое встряхни ал ие к течение 1 ч и оставлялось ыа ночь в холодильнике. Через 15-17ч образцы встряхивались вновь в течение 1 ч, центрифугировались при 12-13 тыс. об/мин и количественно отделялся суперпатант от осадка. В растворах определялся белок iro методу Лоури, в осадках - по метолу ТСъельдаля 1169].

При восстановительном расщеплении белкон использовался Sumplc-buffer с меркаптоэтанолом (концентрация 10-20%), Буфер добавлялся осадку, полученному после предыдущего центрифугирования, в количестве 10 см\ раствор термос сатировался при 37С 2 ч, после чего его центри фугові.шали и использовали дня электрофореза.

Электорофорсз проводился при Т - 23-25С при использовании электродного и разделяющего буферов. Полиакриламидный гель в концентрации 10% и градиентный 10-20% готовили смешиванием реактивов ^^лслевдтогцих"акгіїготлеті wax;

Количество реактивов, см³ Конценрация ГТААГ, %

Акриламид, 30 % - ный 5 10

Пшеница - важнейший сырьевой источник растительного белка

Пшеница - основная и самая важная продовольственная культура в большинстве страті мира. Ее посевы занимают Ї/80 часть суши, т.е. более 1/5 обрабатываемой человеком площади {40, 41]. Посевы пшеїшцьі в нашей стране составляют около 40 млн. га, валовые сборы — 40-50 млн. і, из которых на товарное зерно приходится около 20 мли.

Род пшеницы насчитывает двадцать один вид. Наибольшую площадь и максимальное товарное производство принадлежит мягкой и твердой пшенице. Мягкая пшеница используется для производства муки, направляемой в хлебопекарную [42], кондитерскую [43], частично в макаронную и крупяную промышленность. Твердая пшеница является лучшим сырьем для производства макаронных изделий [44, 45].

Основным фактором, влияющим на качество зерна мягкой и твердой пшеницы, является сорт, наследственная природа которого предопределяет технологические достоинства зерна. Необходим правильный выбор сорта как носителя уникальных свойств с учетом зоны его районирования. В нашей стране районировано свыше 200 сортов пшеницы, в том числе 75 озимой IV типа, 113 яровой I, Ш типов, 26 сортов твердой пшеницы 11-ого и 4 сорта VI типов.

Районированные сорта мягкой пшеницы делятся на сильные, средние (ценные) и слабые сорта [46, 47]. Сильная пшеница способна давать муку, обеспечивающую высокое качество хлеба. При замесе она поглощает большее количество воды, тесто из нее обладает способностью хорошо удерживать 0( сохранять упругость, эластичность. Отличительной особенностью сильной пшеницы является способность служить эффективным улучшителем зерна с низкими хлебопекарными свойствами. Бе не используют непосредственно для выпечки хлеба, но применяют для подсортировки к зерну с низкими хлебопекарными свойствами и для получения сухой пшеничной клейковины. Пшеница средней силы Ценная) способна давать хлеб, отвечающий требованиям стандарта; она не является улучшитслем слабой муки и служит недорогим сырьем для получения сухой пшеничной клейковины.

Слабой считается та пшеница, которая без добавления к сильной, непригодна для цепей хлебопечения. Мука из нее мало поглощает воды, в процессе замеса, брожения тесто быстро теряет упругие и эластичные свойства. Хлеб имеет небольшой объем, неудовлетворительные внешний вид и состояние мякиша [48].

К сильным сортам озимой пшеницы относятся Альбатрос, Одесский, Безостая, Волгоградская S4, Дон &5 Донская юбилейная и др., яровой пшеницы — Алиби дум 28, Алтайская 88, Башкирская 24, Ботаническая 2, Бурятская 79, Саратовская 29 Уралочка, Целинная 26, Целинная 60, Эритроопермум 50 и др.

К наиболее ценным по качеству сортам относят около 66 сортов, например, Ахтырчашсу, Базальт, Безенчукскуюую 380, Донецкую 46, Инну, Колос Дона, Льгонскую 167, Мироновскую 61, Московскую 70, Нсмчиновскую 52, Северодвинскую 5, Харьковскую 92, Херсонскую 86, Юбилейную 75 и др.

Списки сильных и ценных сортов ежегодно пересматриваются Пленумом Государственной комиссии по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур и утверждаются Минсельхозом РФ, так как далеко не всегда сильный или ценный сорт может проявить свои свойства при выращивании в поле. На качество зерна влияют условия выращивания, агротехника возделывания почвы. Поэтому качество хлеба, выпеченное из одного и того же сорта пшеницы, но произведенного в разных почвенно-климатических условиях может быть разным [49].

Прямым методом опенки свойств пшеницы является пробная лабораторная выпечка хлеба [50], при торговых же операциях используют методы определения количества и качества клейковины (ГОСТ 2766S — 88). Количество сырой клейковины в зерне колеблется от 16 до 58%, сухой - от 5 до 28 %. На содержание клейковины влияет влажность почвы и температура. Чем больше влаги, тем ниже содержание клейковины и белка в зерне, а чем меньше влаги и выше температура созревания зерна, тем больше белка я крепче клейковина [49], но при разных условиях внешней среды сохраняются сортовые различия в качестве и количестве клейковины [51, 52].

Из слабой, морозобоиной пшеницы, а также зерна, пораженного клопом-черепашкой, хлеб не выпекают, также как и не получают сухую пшеничную клейковину из-за особенностей физико-химических свойств и структуры ее белков [53,54]. Состояние углевод но-амилазного комплекса зерна, которое оценивают по числу падения, для качества хлеба также имеет большое значение, но для получения сухой пшеничной клейковины подобных сведений в литературе не обнаружено. В мягкой озимой пшенице количество белка в среднем составляет 11,6%, в мягкой яровой - 12,7%, s твердой - 12,5% при колебаниях от 8,0 до 22,0%. При содержании белка ниже 10-11% из зерна отмывается мало сырой клейковины, что недостаточно для выпечки хлеба и производства сухой пшеничной клейковины [53], Сырая клейковина содержит 70-85% белка, 10-15% углеводов, главным образом крахмала, 2-8% лигждов и 0,5-2,0% золы [3]. Не белки, в соответствии с классификацией Г, Осборна [56], представлены проламинами и глютелинами, в количестве 40-80% (таблица 1.1),

Физико-химические свойства и структурные особенности белков клейковины разного качества

Техно-функциональные свойства и поведение сухой пшеничной клейковины в пищевых системах определяются физико-химическими свойствами и структурными особенностями белков сырой клейковины. Отличительные особенности свойств и структуры сырого бел ков ош комплекса, с одной стороны, могут изменяться в процессе сушки, а, с другой, прежде всего, они обуславливают конечные показатели качества и являются основой для определения соответствия белкового препарата заданным требованиям стандарта или технических условий,

В литературе достаточно много сведении относительно свойств и структуры сырого клейковинного комплекса и его компонентов глиадииа и глютенина [22, 62, 63, 64, 67]. Однако, имеющиеся на сегодня сведения не достаточны, чтобы до конца понять причины разного качества уникальных реологических свойств клейковины для управления процессами накопления белка в зерне пшеницы, процессами, связанными со структурными перестройками белков при производстве хлеба и, тем более, процессами формирования качества сухой пшсішчной клейковины в процессе ее производства- Одной из причин этого является сильная гетерогенность и плохая растворимость белков клейковины [24, 65, 94], а другой — сложность зависимости особенностей белков от большого числа факторов, главными из которых являются наследственные признаки copra и почленно-климатические условия выращивания зерна [49].

В изучение молекулярных аспектов реологических свойств клейковины разного качества значительный вклад внесли А. Вакар н В. Кретоиич с соавторами [55, 85, 86? 97, 99]. Полученные ими сведения относятся к взаимосвязи структуры и свойств запасных белков пшеницы с реологическими свойствами крепкой и слабой клейковины.

Установлено, что средний аминокислотный состав клейковины разных сортов пшеницы не зависит от её качества [86]. В растворах сапшщлата натрия крепкая клейковина, по сравнению со слабой, имеет меньшую величину характеристической вязкости, удельного гидродинамического объема и осевого отношения растворенных частиц, что указывает на большую компактность частиц крепкой клейковины, по сравнению со слабой, и меньшую величину их асимметрии [22, 106], Результаты свидетельствуют о том, что свойства клейковиннык белков зависят не только от первичной структуры, но и от пространственного расположения остатков аминокислот в полипептидах. Отсюда, следствием неодинаковой третичной структуры запасных белков является различное поведение их при растворении: чем более упругой, но менее растяжимой является клейковина, тем меньше ее белки переходят в раствор 122, 85, 107].

Значительное количество работ посвящено характеру и типу меж-молекулярных связей в структуре белков клейковины. Различия в упругости и растяжимости клейковины объясняют различиями в прочности связей между ее компонентами. Опытами с тяжелой водой показано, что водородная связь яиляется одним из важных факторов, стабилизирующих структуру клейковинного белка (Вакар, 1.975). Доказательством того служили и опыты с блокировкой функциональным групп, способных к образованию водородных связей. Полная потеря клейковиной её реологических свойств наблюдалась при ацетилировании аминных групп остатков лизина и аргинина (Beckwith А,, 1963), метилировании карбоксильных остатков глютамииовой, аспараги новой кислот и замещении амидных ірупп па эфирные группы. На роль водородных связей в клейковине указывает и разрушающее действие на нее мочевины, сопровождающееся повышением вязкости растворов клейковины.

В зависимости от природы донора и акцептора Н-атомов различают шесть основных типов водородных связей, стабилизирующих маїсромо л окулярную структуру белков [62]. Водородные связи, в образовании которых участвуют атомы кислорода — ОН групп, имеют меньшую длину, следовательно, обладают большей энергией. Несколько большие расстояния и меньшая энергия у водородных связей между атомами азота и серы, а длины связей с участием азота и кислорода занимают промежуточное положение.

Водородные связи образуют амидные, карбонильные и другие полярные группы, локализованные как на внешней, так и на внутренней области молекул. Считается, что более 90% полярных групп, расположенных внутри белковых глобул, образуют водородные связи, участвующие в стабилизации нативных макромолекул [62]. Важную роль играют водородные связи, образуемые поверхностными полярными группами с водой.

Предполагают, что число внутренних водородных связей приблизительно соответствует суммарному количеству полярных остатков, за исключением остатков кислых и основных аминокислот, ионизируемые группЬЇ которых ориентированы наружу и участвуют в образовании гидратно-сольватного слоя. Высокой полярностью при этом обладают боковые группы аргинина, гистидина, ароматических, дикарбоиовых аминокислот, а также глутамина и аспарагина.

Содержание полярных остатков варьирует от 38-40 до 50-52% от суммы аминокислотных остатков, У белков с высокой способностью формировать макромолекулярные ассоциаты (а -глиадины, фракция F1I субъединиц восстановленного глютенина, со-глиадины) относительное содержание полярных групп, как правило, выше по сравнению с суммарным глютенином и его фракцией Щ [67].

Физико-химические и биохимические методы

Для решения проблемы применяются обогатители растительного происхождения с повышенным содержанием белка- Для приготовления специальных сортов хлеба для диабетиков, страдающих ожирением использование клейковины известно уже давно [22, 96, 143], Добавление 10-30% сухой клейковины предназначено для получения обогащенных белком изделий до 9-15%, против 7-8% в традиционном хлебе [143].

Во ВІЇИИХП проведены исследования по разработке способа приттовления хл ба с применением сухой клейковины, содержащей 30% белковых веществ. В МГУПП разработан сорт хлебобулочных изделий и булки "Радонежские" с использованием 20% СПК к массе муки. Содержание белка составляет около 17%, изделия прошли клиническую апробацию я внедрены в производстве. Саню-Петербургским филиалом ГосНИИХП разработаны рекомендации для производства новых видов изделий с сухой клейковиной в количестве до 40% к массе муки. Хлеб с повышенным содержанием глютена имеет равномерную мелколористую структуру, повышенный па 7-9,5% удельный объем хлеба, пористость выше - па 14%, формоусгойчивость - на 25%. Улучшаются реологические характеристики теста: стабильность повышается в 1,5-2 раза, степень разжижения уменьшается в 1,6 разЭз упругость возрастает на 25%. Облегчается выполнение технологических операций — разделки, формования и расстойки.

СГЖ находит применение не только для увеличения доли белка в хлебе, но и продления срока сохранения свежести и снижения крошковатости, что очень важно при современных технологиях.

Уникальные адгезивные, когезивные и пленкообразующие свойства нативной пшеничной клейковины и се терм о функциональные свойства позволяют использовать ее в качестве добавок в мясные, рыбные продукты и продукты из мяса птицы [34, 52], Клейковина является эффективной добавкой для связывания кусочков и обрезков мяса, из которых готовятся бифштексы, котлеты, а также для изготовления кулинарных рулетов. Сухая клейковина используется как добавка в количестве от 2 до 6% в мясной, сосисочный фарши и другие мясные эмульсионные продукты. Изделия, содержащие клейковину, по вкусовым свойствам превосходили изделия, при готов ленные с использованием казеината натрия или изделия без добавок,

Вязкоупругие свойства клейковины позволяют применять ее при изготовлении аналогов сыра с текстурой и вкусовыми качествами натурального сыра. Пшеничная клейковина применяется как основа жевательной резинки, а также в косметических изделиях (тушь для ресниц) и в фармацевтической промышленности для таблетирования [156].

Известны и другие способы применения сухой клейковины, широко описанные в литературе [24, 155]. Новыми направлениями применения клейковины является использование ее в производстве мучных кондитерских изделий (бисквитный полуфабрикат, кексы, бслоксодержащие смеси и т.д.) в качестве пенообразователя и жироэмульгатора [79, 111, 113], в макаронных изделиях, пельменей, н мясоперерабатьіваюїдем производстве, производстве пиццы и других продуктах питания. [116, 158],

Методы протеолитического расщепления растительных белков применяются в основном по следующим направлениям: для повышения выхода экстрагируемого белка, модификации их свойств с одновременным улучшением качества пищевых продуктов и получения вкусоароматических веществ.

По первому направлению заслуживают внимание работы проф. Румянцсной Г. и Римаревой Л. [135, 159], Протеолиз рассматривают как метод, позволяющий обеспечить максимальный выход белка при сохранении или регулировании его функциональных свойств. Так, например, при исследовании динамики накопления пшеничного белка в экстракте с препаратом Псйтраза установлено, что при 0,1% к массе сырья максимальный выход достигался при времени протеолиза 4,5-5 ч [1351, а максимальная степень гидролиза белков и выход аминокислот отмечена под действием пептидаз дрожжей (18-22%) и комплекса их с микробными протеазами (31%), что свидетельствовало о синергизме их действия и стимуляции процесса брожения [159].

В результате ферментативной модификации улучшаются функциональные свойства и белки находят более широкое применение в производстве продуктов лечебного, профилактического назначения для достижения требуемой питательной характеристики, структуры, вкуса и внешнего вида [136], Ферментативные гидролизаты более эффективные, по сравнению с кислотными и щелочными, так как с большей достоверностью обеспечивают специфичность функциональных свойств, например, при использовании я напитках, еоках, супах, бульонах.

Улучшение жироэмульгирующей, жиро- и водоевязывающей способности белковых продуктов при выделении их с применением композиций ферментных препаратов делают возможным расширение применения их в качестве эмульгатора, влагопоглотителя и абсорбента жира в хлебопекарной, мясной, кондитерской, маеложировой или других отраслях пищевой промышленности [49].

Белковые гидролизаты представляют собой смеси пептидов со свободными аминокислотами, поэтому с расщеплением белковых молекул на небольшие пептиды и аминокислоты усиливается аромат (мясной, растительный и т.п.) и появляются пептиды, обладающие горьким вкусом. Привкус горечи обусловливается присутствием пептидов определенного размера с концевой гидрофобной аминокислотой (рисунок 1.1). Обесцвеченный гидролизат более пригоден, например, для производства продуктов из снетлых видов мяса (птица), окрашенный — из темных (говядина).

Агрегирующая способность и гидрофобные свойства белков

Гидролизаты, полученные при более высоких концентра і ъиях ФП Protamcx - 0,6 и 1,0 Е/г, после расщепления -S-S- связей, имели одинаковый электроферетический спектр, который включал 13 полипептидов против 18 в гндролизате с 0,3 Е/г. Следовательно, имела место более глубокая степень протеолиза. По сравнению с предыдущим вариантом, в гидролизатах полностью отсутствовало 5 полипептидов с М,М. 28, 30, 100, 108 к 110 кДа, меньше содержалось пептидов с М.М. 40, 44, 46,54, 60, 69 кДа и в значительно меньшем количестве в их состав входили белки с М.М. 86 и 92 кДа. Большая интенсивность полос наблюдалась и для полнпептидов с М.М. 12-22 кДа.

В общей сложности в гидролизатах белков содержалось 13 полипептидов, против 16, если сравнить с контролем, и 18 — если сравнить с гидролизатом, приготовленным с концентрацией ФП 0,3 Б/г.

Таким образом, в состав растворимой части гидролизатов входило 9 одноценочечных поли пептидов с М.М. от 12 до 44 кДа (таблица 2,3.11), 3 из них - следовых количествах, и многоцепочечные с М.М. менее 100 кДа. Семь многоцетючечных белков с М.М. 92, 86, 69, 46, 40, 30, 28 кДа после расщепления -S-S- связей распадались на 4 одноцепочечных полипептида с М.М. от 12 до 22 кДа (таблица 2.3,12).

У слабой СГЖ электрофоретические спектры гидролизованных белков, приготовленных при концентрации ФП Protamex 0,3 и 0,6 Е/г, после восстановления S-S- связей не отличались друг от друга и очень мало отличались от спектра хорошей СПК, полученного при концентрации 0,3 Е/г. Однако если сравнить эти данные со спектром белков хорошей СПК, гидролизованных при концентрации 0,6 Е/г, то видно, что в образце слабой СПК присутствовали высокомолекулярные одно цепочечные полипептиды {100, 108 и ПО кДа) и в большем количестве содержались гголипептиды с 30 и 36 кДа. Следовательно, при концентрации 0,6 Е/г гидролиз мно го це почечных белков слабой клейковины протекал менее интенсивно, чем хорошей. При самой высокой концентрации ФП 1,0 Е/г п восстановленных гидролизованных белках слабой СП К содержалось всего 4 одноцепочечных полипептида с М.М. 12-22 кДа, полипептиды с М.М, 22 кДа присутствовали в следовых количествах. Следовательно, гидролиз СПК также протекал более глубоко, чем при дозировках 0,3 и 0,6 Е/г. При этом появлялись 9 одноцепочечных компонентов с М.М. от 12 до S6 кДа и многоцепочечпые, состоящих из низкомолокулярных полипептидов с М.М, всего 12-22 кДа. Сравнение электрофоретических спектров гидролизатов слабой и нормальной СПК, полученных без и с расщеплением S-S евнзей, показало, что при концентрациях 0,6 и 1,0 Е/г схожесть в молекулярных массах наблюдалась только на уровне одноцепочечных белков (таблица 2,3.11), тогда как в молекулярных массах, полученных после расщеітлеиия дисульфидных связей, обнаружены ощутимые различия (таблица 2.3.12). Заключение о том, что чем крепче клейковина, тем интенсивнее ее белки подвергаются гидролизу с эндопротемпазой, справедливым оказалось только для концентрации ФП Protamex 0,3 и 0,6 Е/г. При концентрации же 1,0 Е/г такая закономерность нарушалась из- за высокой степени гидролиза белков. В гидролизованных белках короткорвущейся СПК после восстановления -S-S- связей уже при концентрации 0,3 Е/г количество полипептидов было наименьшим: 13 против 16-18 для слабой и хорошей клейковины. По сравнению с контролем, при данной концентрации в СПК полностью исчезли полипептиды с ММ, 100, 86, 84, 69, 36 и 28, кДа, в следовых количествах оставались наиболее высокомолекулярные полипептиды (М.М. 92, 108, ПО кДа) и значительно уменьшалось содержание 5 полипептидов с средними молекулярными массами (40-60 кДа), В неизменном количестве оставались только 2 пептида с М.М. 22 и 30 кДа, содержание же низкомолокулярных белков с М.М, 12, 14 и 16 кДа значительно увеличивалось.При концентрации ФП 0,6 Б/г в белках короткорвущейся СГЖ в процессе гидролиза полностью распадались высокомолекулярные компоненты с М. М. от 69 до 110 кДа и компоненты с М.М 28, 30? 36 кДа, частично - 5 одноцепочных полилептида с М.М, 40-60 кДа; при этом Б значительном количестве накапливались низкомолекулярные пептиды (12-16 к Да). Следовательно, гидролиз СГЖ протекал более глубоко, чем при концентрации 0,3 Е/г. Гидролизаі ы включали 9 одноцеиочечпых компонента с М.М. от 12 до 60 кДа и многоцепочечные, соединенные -S-S- син-дамк, с М.М. более 120 кДа (таблица 2.3.12). Последние включали пептиды с М.М. 40-60 кДа, но и меньшем количестве, чем в контроле, и низкомолекулярные компоненты с М.М. 12-22 кДа, В восстановленных белках і идролизатов короткорвущейся СЇЖ при использовании дозировки 1,0 Е/г, как и у слабой СІЖ, содержалось всего 4 одноце почечных полипептила с М.М. 12-22 кДа. Следовательно, гидролиз коротко-рвущейся СГЖ протекал также глубоко, и выявить ОТЛИЧИЙ Л составе мпогоцепочных белков от других образцов не представлялось возможным. В целом же белки такого гидролизата состояли из 2-х одноцепочных полипептидов с М.М. 12 и 14 кДа, небольших количеств 5 полипептидов с М.М. 16 и от 40 до 46 кДа и многой елочных белков, состоящих из 4-х компонентов с массами 12-22 кДа.

Похожие диссертации на Физико-химические свойства и структурные особенности белков сухой пшеничной клейковины с ограниченной степенью протеолиза

Особенности структуры и физико-химических свойств сывороточного альбумина гибридных кур Бородина Наталия Ивановна

Особенности физико-химических, кинетических и регуляторных свойств изоформ малатдегидрогеназы из печени крыс при аллоксановом диабетеФарис Сатар Абуд

Фосфопротеинфосфатаза ядер селезенки быка физико-химические свойства и механизм действия Резяпкин Виктор Ильич

Малатдегидрогеназная ферментная система бактерий Rhodobacter sphaeroides: очистка, физико-химические свойства, метаболитная и экспрессионная регуляцияШихалиева, Ксения Джамильевна

Альбумины семян льна: биохимические и физико-химические свойстваКозловская, Юлия Владимировна

Изоферменты изоцитратлиазы из амаранта: физико-химические свойства, регуляция, идентификация генов icl1 и icl2 и их экспрессияСальников, Алексей Владимирович

Высокоэффективная жидкостная хроматография в исследовании физико-химических свойств кумаринов, фурокумаринов и их комплексов с переходными металламиСеменистая Екатерина Николаевна

Очистка и изучение физико-химических свойств медьсодержащей аминоксидазы из кровеносных сосудов Меграбян Зара Борисовна

Физико-химические свойства и частичная первичная структура гемоглобинов сурка обыкновенного (Marmota bobac L.) и суслика серого (Citellus citellus L.) Шах Евгений Степанович

Влияние пиридоксина и серусодержащих веществ на показатели белкового обмена, аминокислотный состав и физико-механические свойства шерсти овец Чепелев Николай Александрович