Крахмал

24.10.2014

Несмотря на то, что крахмал является основной по весу частью пшеничного зерна и муки, свойства его изучены менее подробно, чем свойства белковых компонентов. Между тем, роль крахмала в технологическом процессе приготовления хлеба достаточно велика и многие нерешенные в настоящее время вопросы технологии, несомненно, могут найти свое разрешение при внимательном изучении фракций крахмала.
Представляет интерес соотношение двух его фракций — линейной (фракция амилозы) и разветвленной — амилопектина. В табл. 37 приведены некоторые данные, характеризующие пределы колебаний содержания амилозы в крахмале пшениц различных типов и ботанических видов.

Наблюдается некоторая тенденция к повышению содержания фракции амилозы у крахмала твердых пшениц. Водопоглотительная способность крахмала в щелочной среде изменяется в довольно узких пределах, что, впрочем, соответствует и незначительным изменениям других показателей. Более сильные колебания наблюдаются у относительной вязкости растворов крахмала.
Для исследования крахмала, изолированного из муки или же находящегося в муке вместе с другими ее компонентами, очень часто применяется амилограф, записывающий изменение вязкости суспензии в процессе ее нагрева до температуры клейстеризации. По-видимому, как высота максимума амилограммы, так и скорость и температура начала клейстеризации, являются теми показателями крахмала, которые наиболее сильно изменяются в зависимости от происхождения и состояния зерна и способа выработки муки. Из амилограмм, полученных разными авторами, видно, что эти показатели для крахмала различных пшениц колеблются в довольно широких пределах, однако, в какой мере они коррелируют с другими показателями крахмала остается невыясненным.
При изучении крахмала пшеничной муки нередко исследуют его способность поглощать йод. Этой способностью обладает исключительно амилоза, но количество поглощенного йода в сильной степени зависит и от состояния крахмального зерна. При механическом повреждении зерен значительно возрастает количество связанного йода; между другими показателями имеется прямая зависимость. По величине поглощения йода (Jodine absorbtion value) определяют наличие поврежденного крахмала. Наряду с этим данная величина используется при изучении взаимодействия компонентов муки с различными поверхностно-активными веществами, сорбируемыми крахмалом и конкурирующими с йодом в этом отношении.
Способность крахмала сорбировать водяные пары и капельножидкую воду изучалась неоднократно. При этом было показано, что максимальное количество поглощенной воды составляет около 30% его массы. Увеличение диаметра крахмального зерна равнялось 10%, а общее увеличение объема — около 30%.
Ферменты, расщепляющие крахмал. Современные представления о ферментативном расщеплении крахмала зерна злаков исходит из наличия в нем двух амилаз — α- и β-амилазы, оказывающих специфическое воздействие на субстрат. α-Амилаза 3.2.1.1 (1,4-глюкан-4-глюканогидролиза), по международной номенклатуре ферментов, гидролизует α-1,4-глюкановые связи в полисахариде, содержащие три или более остатков α-глюкозы, соединенных α-1,4 связями.
α-Амилаза действует на крахмал гликоген и родственные поли- и олигосахариды; связи разрываются без определенного порядка. Молекулы крахмала при этом расщепляются на крупные осколки, происходит образование низкомолекулярных декстринов и сбраживаемых сахаров.
β-Амилаза, 3.2.1.2 (1,4-глюканмальтогидролаза), гидролизует 1,4-глюкановые связи в полисахаридах, последовательно отщепляя остатки мальтозы от нередуцирующих концов цепей; действует на крахмал и родственные полисахариды, образуя путем инверсии β-мальтозу. В противоположность α-амилазе β-амилаза не действует на большинство зерен нативного крахмала и слабо разжижает и декстринирует клейстеризованный крахмал. Ocaxaривание клейстеризованного крахмала происходит быстро, но неполно, прекращаясь при образовании около 60% мальтозы и 40% «предельного» декстрина.
Рассматривая процесс изменения крахмала под действием α- и β-амилазы, можно отметить, что при этом происходят разжижение крахмального раствора, его декстринизация и образование мальтозы. Под разжижением крахмала понимается дезорганизация крахмального зерна на более мелкие частицы. Результатом этого является уменьшение вязкости клейстера; при этом мало образуется редуцирующих веществ (низкомолекулярных декстринов и мальтозы). Декстринизация крахмала заключается в расщеплении его молекулы на частицы меньшей молекулярной массы, отличающиеся от крахмала лучшей растворимостью, меньшей вязкостью растворов и специфическими цветными реакциями с йодом. Если нативный крахмал дает с подом чисто синее окрашивание, то первичные продукты его распада дают красно-фиолетовое и красно-бурое окрашивание. Процесс осахаривания крахмала заключается в отщеплении мальтозы, которая в дальнейшем под влиянием фермента мальтазы муки или дрожжей легко гидролизуется на две частицы глюкозы.
Из трех перечисленных выше функций амилаз только одна — разжижение крахмального клейстера — зависит исключительно от одного компонента, именно от α-амилазы; декстринизация зависит от обоих компонентов, что же касается осахаривания, то хотя в обычных условиях оно обусловлено активностью β-амилазы, все же определенную роль в этом процессе может играть α-амилаза. Таким образом, методы определения активности крахмал расщепляющих ферментов зерна пшеницы (и ржи), основанные на изменении вязкости крахмального клейстера, образовании декстринов или накоплении мальтозы, характеризуют деятельность обоих амилаз, если они присутствуют в зерне одновременно и не были приняты специальные меры для инактивации одной из них. Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют, однако, что в нормальном зерне пшеницы (вызревшем и непроросшем) α-амилаза практически отсутствует. Следовательно, процесс гидролиза крахмала в мучных суспензиях или тесте из нормального зерна осуществляется за счет действия β-амилазы.
Свойства α-амилазы как фермента, гидролизующего крахмал, изучались в основном с точки зрения изыскания способов инактивации ее деятельности.
Хотя α-амилаза ячменя была одним из самых первых ферментов, полученных в кристаллическом виде, до сих пор нет сведений о возможности выделить из проросшей пшеницы кристаллическую α-амилазу. Это в значительной степени лимитирует изучение состава и свойств пшеничной α-амилазы так подробно, как это было сделано в отношении β-амилазы.
В настоящее время β-амилаза пшеницы получена в чистом виде и хорошо изучена (табл. 38). При осаждении из раствора она образует правильные несколько удлиненные сферические тела, отличающиеся от обычных белковых кристаллов (рис. 18).

Она извлекается из пшеничной муки 10%-ным раствором поваренной соли; после предварительной очистки осаждением сульфатом аммония фракционируется на колонке ДЭАЭ-целлюлозой. При этом получается три основных и два дополнительных компонента, содержащих активную β-амилазу. Следует отметить, что при добавлении глютатиона к солевому раствору, которым экстрагируется мука, значительно повышается активность β-амилазы; глютатион не влияет на распределение компонентов при хроматографировании. По-видимому, при обработке глютатионом происходит освобождение латентной (связанной) β-амилазы.

Некоторые авторы предполагают, что β-амилаза пшеницы связана с глютенином.
Получаемые при хроматографии на колонке с ДЭАЭ-целлюлозой три фракции β-амилазы значительно отличаются одна от другой величиной оптимального pH, а также по своей активности. Установлен также аминокислотный состав этих фракций. Обработка растворов фермента окислителями (KJO3) не влияла на его активность и не изменяла величину константы седиментации; последнее указывает на то, что под действием окислителя не образовывались новые дисульфидные связи или эти связи образовывались интрамолекулярно. Добавление к ферментному раствору веществ, связывающих сульфгидрильные группы (йод-ацетата или М-этилмалеимида), также не оказывало никакого влияния на активность фермента. Полное ингибирование β-амилазы отмечалось только при обработке соединениями ртути.
Существенное значение для технологии хлебопечения имеет то обстоятельство, что температурный оптимум β-амилазы в значительной степени зависит от активной кислотности среды. По имеющимся данным, при максимальной температуре 60°С кислотный оптимум осахаривания крахмала сдвигается в менее кислую зону.
Определение активности β-амилазы в муке для оценки потенциальной осахаривающей способности опары, жидких полуфабрикатов и теста проводится обычно автолитическим методом, предложенным еще в 1927 г. и с тех пор подвергавшимся лишь незначительным модификациям. Принцип этого метода заключается в определении количества восстанавливающих сахаров, образовавшихся при автолизе мучной болтушки за 1 ч при температуре, близкой к температуре брожения опары и теста. Количество сахаров рассчитывают на мальтозу, что, конечно, вносит известную условность. Проведенные недавно исследования фракций сахаров, образующихся при автолизе водомучных смесей, показали, что, кроме мальтозы, которая составляет основную часть восстанавливающих сахаров, обнаруживаются также глюкоза, фруктоза и, вероятно, арабиноза; содержание моносахаридов составляет приблизительно 10% от количества мальтозы, по их восстанавливающая способность на единицу массы вдвое больше, чем у последней.
Таким образом, в величины осахаривающей способности, рассчитанные на мальтозу, следует внести некоторые поправки. Как уже отмечалось выше, вопрос о соотношениях различных групп сахаров в муке и водно-мучных смесях подлежит коренному пересмотру в сторону индивидуализации отдельных фракций. Особое значение при этом имеет выявление содержания восстанавливающих сахаров, относящихся к пентозам, т. е. к несбраживаемым дрожжами углеводам.
Если имеющиеся незначительные данные по пшеничной муке свидетельствуют, что эта группа сахаров при кратковременном автолизе присутствует лишь в небольшом количестве, то при более длительном автолизе, и особенно в случае ржаной муки, наличие арабинозы и ксилозы может существенно воздействовать на суммарную восстанавливающую способность мучных суспензий.
Наряду с методом определения осахаривающей способности, основанном на кратковременном автолизе водно-мучной суспензии, в практике анализа хлебопекарной муки применяются также и методы, основанные на другом принципе — на прямом учете количества сбраживаемых сахаров по выделению углекислого газа сбраживаемым тестом. Таким образом, вместо определения потенциальной газообразующей способности муки по количеству сбраживаемых сахаров, накапливающихся в тесте, этот метод предусматривает непосредственное определение образовавшегося газа. Практически этот метод применяется в нескольких модификациях. Разработанный в 1932—1934 гг. метод, в настоящее время принятый как стандартный Американской ассоциацией зерновых химиков, предусматривает брожение теста с добавлением 3% дрожжей при 30°С в течение 5 ч и определение образовавшегося углекислого газа в специальном манометре; по калибровочной кривой давление газа пересчитывается на количество выделенного углекислого газа в мл. В практике отечественного хлебопечения применяется модифицированный метод, предложенный А. И. Островским, предусматривающий определение углекислого газа, выделяющегося при брожении теста с добавлением значительного количества дрожжей (10% от массы муки) при таком же времени брожения. При этом установлены нормативы величины газообразующей способности пшеничной, муки: менее 1300 мл за 5 ч считается неудовлетворительной величиной газообразования, от 1300 до 1600 мл — средней и свыше 1600 мл — высокой, удовлетворяющей требованиям технологического процесса приготовления пшеничного теста. Вопрос о пригодности этих нормативов для оценки хлебопекарной способности муки следует рассматривать вместе с другими вопросами этой сложной проблемы.
При определении величины осахаривания под действием β-амилазы пшеничной муки необходимо принимать во внимание степень повреждения крахмальных зерен в процессе помола. Многочисленные данные свидетельствуют, что β-амилаза активнее гидролизует декстрины и клейстеризованиый крахмал, чем нативные зерна крахмала. В работах последних лет подтверждается значение интенсивного воздействия рабочих органов измельчающих машин на величину осахаривающей способности муки.

В табл. 39 представлены данные, иллюстрирующие влияние степени повреждения зерен крахмала на величину осахаривающей и газообразующей способности муки. Увеличение количества поврежденных зерен с 14 до 24% повышает интенсивность сахарообразования почти на 50%.
В результате исследований было выявлено, что не всякое усиленное механическое воздействие в равной степени повышает осахаривающую способность пшеничной муки. Наиболее сильное воздействие оказывает обработка частиц эндосперма на шаровой мельнице; в этом случае образование мальтозы при автолизе мучной болтушки повышается в 10 раз по сравнению с контролем. По степени интенсивности воздействия на крахмал за шаровой мельницей следует мельница ударного типа — молотковая дробилка, наименьшее воздействие на крахмал оказывает измельчение в струйной мельнице (табл. 40). Определенный интерес представляет то обстоятельство, что значительная часть β-амилазы не переходит в водный раствор и может быть извлечена только после обработки суспензии муки протеолитическими ферментами. Эти данные привели к установлению понятия о свободной и связанной β-амилазе пшеницы. По-видимому, количество связанной β-амилазы сильно колеблется в зависимости от состояния зерна пшеницы и от вида и сорта ее. В табл. 41 представлены данные, характеризующие соотношение свободной и связанной β-амилазы в зерновке в процессе созревания. В зерновке, находящейся на самых ранних фазах развития, вся амилаза находится в свободном состоянии, тогда как в полностью созревшей зерновке эта фракция составляет только около 25% всей потенциальной активности β-амилазы. При прорастании суммарная активность β-амилазы остается неизменной, однако количество фермента, находящегося в свободном состоянии, повышается почти в два раза; все же, следовательно, около половины β-амилазы проросшего зерна остается в связанном состоянии.

Приведенные данные еще раз показывают необычайную сложность взаимосвязи между различными компонентами муки и, в частности, показывают, что активность амилолитических и протеолитических ферментов может быть связана одна с другой. Повышение активности протеаз будет сопровождаться и повышением активности осахаривающих крахмал ферментов.

Вопрос об условиях активации, связанной с белковыми веществами β-амилазы пшеничной муки, недавно был вновь подвергнут экспериментальной проверке. Воздействуя на мучную болтушку раствором папаина, удалось получить резко выраженное снижение максимальной высоты амилограммы (рис. 19).

Ферментативная природа этого процесса была доказана опытами инактивации папаина азотнокислым серебром, добавление которого в раствор фермента позволяло получить амилограмму, соответствующую контрольной муке. Дальнейшие опыты показали, что обработка папаином активирует только β-амилазу.

В табл. 42 представлены результаты опытов по влиянию папаина на осахаривающую активность водных вытяжек из муки, выраженную в количестве мальтозы, образовавшейся из растворимого крахмала или же из «конечного» декстрина. Как видно, обработка муки папаином заметно повышает степень осахаривания растворимого крахмала, по практически не влияет на декстрин, дальнейшее расщепление которого могло бы быть вызвано только α-амилазой, но не β-амилазой. Сопоставление амилограмм суспензии муки и крахмала с добавлением папаина, раствора чистой β-амилазы и солода, приведенное на рис. 20, также подтверждает, что β-амилаза способна снижать вязкость крахмала. Исследование нескольких образцов пшеничной муки показало, что они содержат различное количество β-амилазы, переходящей в активное состояние под воздействием папаина, и это количество не коррелирует с исходной величиной осахаривающей способности муки.
Приведенные материалы свидетельствуют, что добавление в тесто не только препаратов амилолитических ферментов, но и протеолитических существенно влияет на процесс гидролиза крахмала муки.