Биохимические и физико-химические различия клейковины разного качества
Проблема изучения биохимических и физико-химических различий клейковины разного качества является кардинальной проблемой биохимии и технологии переработки зерна, ее решению посвящено много исследований. Сложность этой проблемы заключена в недостаточности знания особенностей природных биополимеров и возможности воздействия на их свойства разнообразными химическими, биохимическими и физико-химическими факторами.
На данном этапе состояния биохимии зерна можно только рассмотреть многочисленные гипотезы, выдвигаемые различными исследователями.
Самая ранняя гипотеза была выдвинута в 1896 г. Флераном. Он предположил, что различия в свойствах клейковины и теста обусловлены различными количественными соотношениями двух главных компонентов муки: глиадина и глютенина. По данным Флерана, клейковина наилучшего качества, обеспечивающая получение хлеба максимального объема и пористости, характеризуется соотношением глиадина к глютенину, равным 3:1. Повышение содержания глиадина приводит к получению слишком слабой клейковины и теста, обладающего плохой формоустойчивостью. При более высоком содержании глютенина тесто получается крутым, плохо поднимающимся, а клейковина слишком крепкой.
Ho следующие работы показали, что Флеран пользовался несовершенной методикой определения белковых фракций муки и клейковины, вследствие чего его данные по содержанию глиадина преувеличены. Экспериментальное исследование, проведенное позже с применением более точной методики анализа белковых фракций, убедительно показало, что, во-первых, соотношение глиадина и глютенина в отмытой клейковине близко к 2:3, а во-вторых, в клейковине очень сильной, средней и очень слабой оно практически одно и то же. Эти данные не исключают того, что при получении синтетической клейковины из препаратов глиадина и глютенина изменение соотношения этих компонентов может оказать влияние на свойства их комплекса,
Многочисленные материалы были получены при сопоставлении аминокислотного состава белковых компонентов клейковины разного качества.
Многие исследования, в которых был изучен аминокислотный состав клейковины и суммарный белок пшеницы мягкой и твердой различных сортов, установили постоянство этого состава, но не была найдена какая-либо связь его с хлебопекарными свойствами. Например, был изучен аминокислотный состав суммарного белка канадской пшеницы. Сопоставление пшеницы слабой, средней и сильной по хлебопекарным качествам не обнаружило различий в аминокислотном составе. Аналогичные результаты были получены при исследовании аминокислотного состава клейковины разного качества.
He перечисляя более ранних работ, посвященных этой проблеме и обобщенных в монографиях, следует отметить серии новейших исследований, в которых аминокислотный состав клейковины сравнивали с ее качеством. В таблице 52 представлена биохимическая характеристика сортов мягкой пшеницы, различающейся по своей силе, а в таблице 53 — аминокислотный состав клейковины.
Несмотря на значительные различия в силе муки (определяемой по альвеографу и по показателю набухаемости в слабой уксусной кислоте) и в свойствах клейковины аминокислотный состав клейковины был практически одинаков. Найденные отклонения не превышали величину погрешности опыта. Аналогичные выводы сделали также и другие авторы, изучавшие клейковину образцов пшеницы разного качества и установившие стабильность аминокислотного состава.
Приведенные данные четко показывают, что различия в качестве клейковины не стоят в связи с различиями в аминокислотном составе клейковинных белков, а следовательно, они не обусловлены различиями в первичной структуре белков.
Подробно исследованы были также дисульфидные связи и свободные сульфгидрильные группы в клейковине разного качества.
Первые работы в этом направлении были проведены в несколько ином аспекте — сопоставляли не качество клейковины как таковое, а связь хлебопекарных свойств муки с общим содержанием сульфгидрильных групп и так называемых скрытых, доступных только после специальной обработки белка. При этом за исходное положение были приняты хлебопекарные свойства, выражаемые величиной объема хлеба, которые зависят в основном от свойств клейко винных белков. Полученные данные свидетельствуют о наличии довольно тесной связи между содержанием скрытых сульфгидрильных групп и величиной объема хлеба (коэффициент корреляции 0,78). Вместе с тем надо отметить, что такая высокая корреляция получалась только в том случае, если хлеб выпекался с добавлением улучшителя — бромата калия. При выпечке же без улучшителя коэффициент корреляции был значительно ниже (0,43). Поскольку бромат оказывает влияние на свойства теста в целом, это ограничивает ценность полученных выводов в отношении взаимосвязи содержания сульфгидрильных групп с качеством клейковины.
Поэтому методологически более правильным было проведение исследований, в которых сопоставляли непосредственно качество клейковины с содержанием в ее белках дисульфидных связей и свободных сульфгидрильных групп. Впервые такое сопоставление было проведено по пшенице одного и того же сорта, но выращенной при различных условиях, вследствие чего свойства ее клейковины сильно изменились.
Определение содержания SH и S-S-групп в среде, содержащей 7М раствор мочевины, и в среде, не содержащей его, показало, что между клейковиной разного качества не наблюдалось закономерных различий в содержании SH-групп в ее белках. Ho намечалась определенная связь между качеством клейковины и содержанием S—S-связей, определяемых в отсутствии 7М раствора мочевины. Крепкая клейковина, как правило, содержала больше S—S-связей, чем слабая, а ослабление клейковины при выращивании одного и того же сорта пшеницы в разных условиях сопровождалось уменьшением количества этих связей в белке. В среде, содержащей 7М раствор мочевины, происходило значительное увеличение количества определяемых в клейковине дисульфидных групп, поскольку мочевина способствует выявлению тех связей, которые в нативном белке не реагировали с сульфитом натрия, т. е. находились в скрытом состоянии. Однако закономерной зависимости между содержанием дисульфидных групп и качеством клейковины не наблюдалось.
Аналогичные данные были получены также в работе, сопоставлявшей клейковину разных сортов пшениц, выращенных в одинаковых условиях. Соотношение S—S : SH в сильной пшенице было выше, чем в слабой.
Следует отметить исследования, в которых было всесторонне изучено несколько сортов пшеницы с клейковиной разного качества. Количество свободных сульфгидрильных групп клейковины не коррелирует с ее качеством (табл. 54). Количество дисульфидных связей в клейковине во много раз превышает число свободных сульфгидрильных групп, что подтверждает уже известные данные предыдущих исследователей. Ho на исследованных образцах видна ясная зависимость качества клейковины от общего содержания дисульфидных связей, и особенно от скрытых связей. Чем больше дисульфидных связей в клейковинном белке, тем крепче клейковина. Естественно, что эти данные нуждаются в подкреплении большим и статистически достоверным материалом, особенно если учесть, что приведенные выводы противоречат заключению тех же авторов по ранее проведенной работе.
В литературе имеются материалы, противоречащие изложенному. При изучении образцов пшеницы с различной степенью повреждения клопом-черепашкой и соответственно этому с клейковиной разного качества было найдено, что в одном сорте пшеницы ослабление клейковины сопровождалось увеличением содержания дисульфидных связей на единицу массы белка, а в другом сорте наблюдалась обратная картина — крепкая клейковина содержала больше дисульфидных связей, чем слабая.
В исследованиях, проведенных на нескольких сортах пшеницы разного качества, выращенных в одинаковых условиях в течение двух лет, были сопоставлены хлебопекарные достоинства муки с биохимическими свойствами клейковины. Из данных, приведенных в таблице 55, видно, что сопряженность между качеством клейковины и количеством скрытых дисульфидных связей выражена четко. В этих работах, как и в цитированных выше, не отмечалось корреляции между количеством сульфгидрильных групп и качеством клейковины.
По классической теории реологии полимеров их молекулы должны иметь длинную цепь, обладающую сжатой (контрактированной) конформацией, но способную растягиваться; растяжению цепей не должны препятствовать значительные нитра- или интермолекулярные силы; молекулы должны образовывать непрерывную структуру благодаря межмолекулярным поперечным связям. Всем этим условиям отвечает глютенин пшеницы. Он обладает длинной полипептидной цепью и контрактированной конформацией, а внутримолекулярное притяжение осуществляется в нем слабыми водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса. Непрерывная структура может быть осуществлена как за счет ковалентных связей, так и за счет более слабых связей. Глютенин пшеницы содержит по две лабильные дисульфидные связи на каждую полипептидную цепочку, что и обусловливает образование трехмерной структуры. Отсюда следует, что именно глютенину принадлежит ведущая роль в формировании клейковины и теста. Значение дисульфидно-сульфгидрильного обмена при образовании трехмерной сетки белка клейковины и теста ставится под сомнение на основании экспериментальных данных, показывающих, что блокирование сульфгидрильных групп не препятствует формированию упруго-вязко-эластичного теста и не оказывает заметного воздействия на молекулярную массу белковых фракций пшеничной муки. По мнению автора цитированного обзора, роль этого обмена состоит в релаксации напряжений в тесте при его растяжении. При удлиненной конформации молекулы вследствие растяжения дисульфидных связей становятся доступными HS-обмену. Поэтому можно сделать вывод о первостепенном значении глютенина в формировании пшеничной клейковины и теста.-