Протеолітичні ферменти зерна.

Як показали досліди Л. Я. Ауермана і інших дослідників, дія протеолітичних ферментів в тісті особливо добре може бути врахована шляхом вимірювання змін фізичних властивостей тіста: зменшення його пружності і розпливчатості.

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

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

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

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

Вуглеводи зерна та продуктів його переробки

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

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

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

Глюкоза і фруктоза містяться в зерні в дуже незначних кількостях.

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

Сахарозу розщеплює фермент β-фруктофуранозидаза або инвертаза (його називають ще сахараза). Цього ферменту особливо багато в дріжджах і в проростаючому зерні.

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

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

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

Найсолодшою серед цукрів є фруктоза. Можна написати такий ряд цукрів за солодкістю: фруктоза > сахароза > глюкоза > мальтоза.

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

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

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

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

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

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

В картопляному крохмалі міститься від 19 до 22 % амілози і від 78 до 91 % амілопектину; в пшеничному і кукурудзяному — відповідно 25 і 75 %.

Таким чином, в крохмалі міститься від 19 до 25% амілози і від 81 до 75% амілопектину.

Амілоза і амілопектин відрізняються за своєю хімічною будовою. В молекулі амілози окремі залишки глюкози зв'язані між собою у вигляді нерозгалуженої нитки.

Молекулярна маса амілози коливається від 3 • 10⁵ до 1 • 10⁶. Амілопектин побудований дещо інакше. Якщо молекула амілози є лінійним полімером, то молекула амілопектину сильно розгалужена. Молекулярна маса амілопектину сягає сотень мільйонів.

Глікоген — близький до крохмалю полісахарид — міститься в зерні деяких сортів і видів кукурудзи і в дріжджах.

Глікоген має структуру, схожу із структурою амілопектину, тобто також є розгалуженим полісахаридом; проте на відміну від амілопектину молекула глікогену побудована як би більш компактно (розгалуження утворюються значно частіше).

Між окремими «гілками» молекули амілопектину знаходиться вісім-дев'ять залишків глюкози; в глікогені ця відстань менше. Молекулярна вага глікогену ще більше, ніж у амілопектнну. Так само як амілопектин, він забарвлюється йодом в червоно-коричневий колір.

При кип'яченні з кислотами і крохмаль, і глікоген гідролізуютсья: утворюється глюкоза. Крохмаль гідролізується ферментами, які носять назву амілаз. Особливо багато амілаз в пророслому зерні. Вони розщеплюють крохмаль з утворенням декстринів і мальтози. Декстрини — це високомолекулярні речовини, що є проміжними продуктами розщеплення крохмалю під дією амілаз і кислот. Таким чином, при розщепленні крохмалю амілазами утворюється кінець кінцем не глюкоза, а мальтоза, а при гідролізі під дією кислот — глюкоза.

Декстрини бувають різного складу і молекулярної ваги. При дії амілази на крохмаль спочатку утворюються декстрини з дуже великою молекулярною масою, або, як їх називають, амілодекстрини, які забарвлюються йодом в синій колір. Потім утворюються декстрини з меншою молекулярною масою — еритродекстрини, що дають від йоду червонувато-буре забарвлення. При подальшій дії амілаз утворюються декстрини, які мають ще меншу молекулярну масу і не забарвлюються від йоду, — ахроодекстрини. Нарешті, утворюються мальтодекстрини — декстрин з порівняно низькою молекулярною масою, близькі до мальтози; йодом вони також не забарвлюються. Кінець кінцем утворюється мальтоза. Такі етапи розщеплювання крохмалю амілазами.

Амілази діють на крохмаль наступним чином.

По-перше, вони розріджують крохмаль. Далі амілази перетворюють крохмаль на різні декстрини (завдяки декстринізуючий властивості), що можна легко прослідити по зміні забарвлення з йодом. І нарешті, оскільки при дії амілаз на крохмаль утворюється цукор (мальтоза), вони виявляють оцукрюючу дією.

Амілази містяться в зерні в двох видах — у вигляді вільних амілаз, які можуть бути легко экстраговані з борошна водою, і у вигляді зв'язаних, які міцно адсорбовані, пов'язані з білками.

Залежно від характеру дії розрізняють дві амілази: α-амілазу, або, як її інакше називають, декстриногенамілазу, і β-амілазу, або сахарогенамілазу.

β-Амілза, діючи на крохмаль, утворює головним чином мальтозу і мало декстринів. α-Амілаза розщеплює крохмаль з утворенням головним чином декстринів і невеликої кількості мальтози. Мабуть, α-амилаза мов би дробить молекулу крохмалю на крупні частини, декстрини, які при цьому утворюються. Що стосується β-амілази, то вона мов би лущить частинку крохмалю з поверхні, відщеплюючи від молекули мальтози, причому залишається молекула високомолекулярного декстрину — амілодекстрину, який за своїми властивостями наближається до первинного крохмалю.

Амілази мають дуже велике значення в оцінці якості зерна і борошна: процес накопичення цукру під час бродіння тіста і сам процес бродіння залежать від швидкості накопичення в тісті мальтози, що у свою чергу залежить від дії цього ферменту. Амілази мають дуже велике значення в спиртовій і пивоварній промисловості, де застосовується солод, що є пророслим і обережно висушеним зерном, яке, по суті кажучи, є джерелом активної амілази.

α- і β-амілази досить істотно розрізняються за своїми властивостями, а саме: β-амилаза інтенсивніше діє в більш кислому середовищі, ніж α-амилаза. Таким чином, якщо підкисляти тісто, α-мілаза швидко втрачатиме свою активність. Це має дуже велике значення при переробці борошна з пророслого зерна, в якому багато α-амілази, погіршуючи його хлібопекарські якості.

α- і β-амілази розрізняються також за своєю термостабільністю, стійкістю до дії високих температур. α-Амілаза пшениці термостабільніше, вона діє при більш високих температурах, ніж β-амілаза. Тому зернова α-амілаза може діяти під час випічки хліба.

В нормальному непророслому зерні пшениці, жита і ячменю міститься тільки β-амілаза, α-амілази немає; в зерні цих культур α-амілаза утворюється тільки при проростанні. В зерні деяких інших культур, наприклад сої, міститься тільки β-амілаза, і навіть при проростанні α-амілаза не утворюється. В непророслому насінні сорго міститься головним чином α-амілаза. Таким чином, зерно різних культур розрізняється за вмістом α-амілази. В зерні пшениці, жита і ячменю найактивніші амілази містяться у зародку: активність амілази ендосперма значно нижча.

Крохмаль може зазнавати ферментативні перетворення не тільки під впливом α- та β-амілаз, але також під впливом глюканфосфорнлази. Цей фермент, що міститься в зерні, каталізує наступну реакцію:

(C₆H₁₂O₆)n + xH₃PO₄ ↔ nC₆H₁₁O₆ ∙ H₂PO₃

Як видно з рівняння, глюканфосфорилаза за інших умов каталізує також і зворотну реакцію синтезу крохмалю з глюкозофосфату. Проте, слід підкреслити, що синтез крохмалю в дозріваючому зерні здійснюється не завдяки дії фосфорилази.

Слизи (гумі). Слизи, що містяться в зерні, є полісахаридами, в більшості випадків розчинними у воді. Порівняно багато слизу в зерні жита — близько 2,5 і навіть 3 % від сухої маси зерна.

Слизи житнього зерна є полісахаридами, які при кип'ятінні з кислотами, тобто при гідролізі, дають головним чином пентози, а саме арабінозу і ксилозу. Слизи жита дуже легко набухають у воді і утворюють надзвичайно в'язкі розчини.

Якщо приготувати певної концентрації розчини желатину і слизу, то, виявиться, що в'язкість розчину житнього слизу у багато разів вище за в'язкість розчину желатину тієї ж концентрації.

Слизи мають велике значення при переробці житнього зерна. Мабуть, саме тому, що в житньому зерні містяться слизи, воно розмелюється важче, ніж пшеничне. Підвищена в порівнянні з пшеничним зерном в'язкість жита при помелі пояснюється саме вмістом слизу в житньому зерні.

В зерні багатьох культур (жита, пшениці, вівса, ячменю) містяться левульозани — полісахариди, що складаються із залишків левульози (фруктоза).

Левульозани — складні полісахариди, в більшості випадків розчинні у воді, які при гідролізі (при кип'ятінні з кислотами) дають левульозу. Левульозани в помітній кількості містяться в зерні жита — до 1,5 % від сухої речовини, причому вони грають важливу роль в процесі дозрівання пшеничного і житнього зерна, в процесі утворення в ньому крохмалю. Під час дозрівання жита, наприклад на ранніх фазах його дозрівання, левульозанів в зерні до 35 % від сухої речовини. Протягом дозрівання зерна поступово кількість їх падає до 2—1,5 %, тоді як кількість крохмалю відповідно зростає.

В пшеничному зерні левульозанів значно менше — всього лише біля 0,3 %.

Геміцелюлози— нерозчинні полісахариди зерна, які не засвоюються людським організмом. Вони містяться головним чином у висівках, в периферичних, оболонкових частинах зерна.

При гідролізі геміцелюлози зерна утворюють або гексози, наприклад глюкозу, або пентози (арабінозу і ксилозу).

Таким чином, геміцелюлози можуть бути розділені на дві групи: гексозани, які при гідролізі утворюють гексози, і пентозани, утворюючі при гідролізі пентози.

В зерні жита і пшениці міститься від 8 до 10 % геміцелюлоз, у тому числі від 5 до 8 % пентозанів.

Клітковинає полімером глюкози, тобто складається із сполучених між собою залишків глюкози. Тому при гідролізі кислотами клітковина утворює кінець кінцем глюкозу.

Клітковина, так само як і геміцелюлози, є вуглеводом, не засвоюваним людським організмом. Міститься вона головним чином в оболонках зерна і в стінках кліток алейронового шару.

При оцінці якості пшеничного борошна важливо б було знати, скільки в ній незасвоюваних речовин. Це було б показником харчової цінності муки, отже, і вироблених з неї продуктів. Проте визначення клітковини і геміцелюлоз досить тривале. Тому для правильної уяви про якість борошна користуються більш швидким визначенням її зольності, яка тісно пов'язана з вмістом в борошні клітковини і геміцелюлоз, із вмістом оболонкових частинок.