Что образуют денатурированные клейковинные белки

Хлебопекарное оборудование

понедельник, 5 апреля 2010 г.

Роль белков муки в процессе тестообразования

В основе образования кондитерского теста лежат коллоидные процессы взаимодействия белковых веществ и крахмала пшеничной муки с водой и создания структуры из набухших нитей клейковины и зерен увлажненного крахмала. Таким образом, процесс образования теста обусловлен химическим составом и свойствами отдельных составляющих муку веществ. Качество кондитерского теста зависит от их количественного содержания и качества.

Оптимальное содержание белков в муке может быть достигнуто при помоле зерна на мукомольных предприятиях путем подбора и смешивания разных партий. Однако для изготовления мучных кондитерских изделий до сих пор не вырабатывается специальной кондитерской муки и предприятия используют хлебопекарную пшеничную муку, в которой в расчете на сухие вещества содержится 12—16% белков.

Белки представляют собой высокомолекулярные органические коллоиды. Молекулы белков состоят из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Это простые белки. Но в состав молекул белка входят кроме аминокислот липиды, углеводы, ионы металлов, пигменты, нуклеиновые кислоты и др. Это сложные белки.

В состав белков пшеничной муки входят как простые, так и сложные белки. Основными физико-химическими свойствами белков, которые проявляются в процессе тестообразования, являются растворимость, способность к набуханию, денатурации и гидролизу.

В пшеничной муке содержатся белки: растворимые в воде — альбумины, растворимые в спирте — проламины, растворимые в слабых щелочах — глютелины, растворимые в солевых растворах — глобулины.

Водо- и солерастворимые белки образуют в тесте коллоидные растворы, обладающие высокой эластичностью и поверхностной активностью. С этим связана их способность к пластификации, пенообразованию и стабилизации соединений структуры теста.

Структуру белков и мучного теста пластифицируют также продукты гидролиза белков, растворимые в воде, — пептиды и аминокислоты. Ограниченно растворимые белки — проламины (глиадин) и глютелины (глютенин) — набухают и образуют клейковину, которую можно выделить из теста в сыром виде путем отмывания водой.

Эти белки являются полимерами и состоят из остатков а-аминокислот. Полимерные молекулы белков, имеющих физиологическую ценность, состоят из 20 аминокислот.

Наличие в молекулах белков полярных и неполярных групп атомов придает им свойства поверхностной активности, высокой реакционной способности. В тесте белки взаимодействуют с водой, углеводами, жирами. Сложное строение, прочные связи придают белкам значительную упругость и прочность. Содержание неполярных атомных групп, обладающих слабыми дисперсионными связями, обеспечивает высокую эластичность белков.

Гидрофильные свойства белков объясняются наличием в молекулах многочисленных ионных и полярных атомных групп и способностью при оводнении механически захватывать (иммобилизовывать) значительное количество свободной влаги. Поглощение воды белковыми веществами происходит в две стадии.

На первой стадии набухания связывается незначительное количество воды за счет активности гидрофильных групп и образуются водные сольватные оболочки. Взаимодействие воды с гидрофильными группами происходит не только на поверхности частиц муки, но и в объеме. Процесс на первой стадии протекает с выделением теплоты. Количество удерживаемой воды незначительно (около 30 %) и не приводит к большому увеличению объема частиц муки.

Основное связывание белками воды (свыше 200 %) происходит на второй стадии за счет так называемого осмотического набухания — молекулы воды в результате диффузии проникают внутрь частиц. Вторая стадия набухания сопровождается значительным увеличением объема частиц муки и проходит без выделения теплоты.

На водопоглотительную способность муки и количество удерживаемой белками влаги влияют структура и механические свойства белков, а также размер частиц муки. С уменьшением размера частиц увеличивается удельная поверхность в единице массы муки, поэтому воды может быть связано больше. Поглощение воды частицами мелкого размера происходит значительно быстрее.

Важным свойством гидратированных молекул белков является изменение формы молекул, или денатурация, в условиях прогрева, перемешивания, сбивания, а также химического воздействия окислителей, восстановителей и др. Денатурация гидратированных белков может быть обратимой и необратимой. Она зависит от интенсивности физико-химического воздействия на белки.

Механическое воздействие на молекулы белков приводит к деформированию и ориентации в плоскости направления этих воздействий. Они образуют в объеме волокна и пленки, стабилизируя (эмульсируя) водно-жировые структуры. При сбивании в присутствии воздуха молекулы белков ориентируются на поверхности раздела фазы «жидкость — воздух», образуя пенообразные структуры. При этом молекулы белков вытягиваются и денатурируются. Эти процессы имеют место, в частности, при формировании бисквитного теста.

При интенсивном прогреве гидратированных молекул белков происходит необратимая денатурация белков. Этот процесс происходит при выпечке. Механические свойства гидратированных и денатурированных белков меняются. Из мягких упругопластичных гидратированных гелей они превращаются в жесткие, упругие, прочные гели, практически лишенные пластичности (текучести).

Набухающие в воде пшеничные белки (глиадин и глютенин) могут отмываться из теста водой в частично денатурированном виде. Набухшие в воде фракции белков слипаются, образуя сильно набухший коллоидный студень — гель, обладающий упругостью и способностью к растяжению. Эту массу называют клейковиной.

В сырой клейковине содержится 65 — 70 % влаги и 35 —30 % сухих веществ. В зависимости от содержания белков в муке количество сырой клейковины колеблется от 15 до 50 % массы муки. В сухой клейковине содержатся 90% белков, 10% крахмала и поглощенные белками при набухании другие составные части муки — липиды, сахара и др.

Структура мучного теста обусловлена не только количеством белков, но главным образом их структурой и механическими свойствами. Структура сырых клейковинных белков влияет как на свойства теста, так и на выход и свойства изделий.

Источник

Химические свойства клейковины

Осборн и сотр. первыми предприняли широкое аналитическое исследование клейковины и ее фракций. Для элементарного состава глиадина и глютенина они получили следующие величины.

Хорошее совпадение значений для этих более или менее очищенных веществ является указанием, что эти величины можно считать справедливыми и для клейковины, из которой получены эти вещества. Присутствие небольших количеств водорастворимых белков, обычно содержащихся в клейковине, полученной путем отмывания, вероятно, оказывает большее влияние на содержание отдельных аминокислот, чем на элементарный состав. Величина общего азота, равная примерно 17,5%, является главным основанием для использования коэффициента 5,7 для перевода полученных по Кьельдалю величин азота в показатели для общего белка пшеничных продуктов. Хотя содержание общего азота в альбуминном и глобулиновом белках равно соответственно 17,1 и 18,6%, эти величины вызывают только незначительное отклонение от коэффициента пересчета, поскольку содержание каждого из этих белков в муке, как правило, не превышает 10% общего азота.

Таким образом, ошибка, которую вносят глобулиновые компоненты, сравнительно мала и непостоянна. В литературе имеется мало данных относительно содержания азота в белках отрубей и зародыша, представленных, по-видимому, почти полностью альбуминами и глобулинами.

Данные по содержанию аминокислот в клейковине, обобщенные Блишем, были получены до расцвета хромато графических и микробиологических методов определения и имели много недостатков в связи с трудностями анализа. Современные данные для клейковины и отдельных ее компонентов представлены. Тем не менее в данном разделе будут рассмотрены основные особенности аминокислотного состава клейковины и ее компонентов, поскольку они определяют химические свойства и поведение клейковины. Характерной особенностью аминокислотного состава клейковины является необычайно высокое содержание глютаминовой кислоты, пролина и амидного азота. Примечательным является также сравнительно низкое содержание основных аминокислот и триптофана. Характерные особенности растворимости клейковины и ее фракций могут объясняться низким содержанием в них ионизируемых групп. Основные группы малочисленны, многочисленные же карбоксильные группы в значительной степени связаны в амидной форме. Большое число боковых цепей, несущих амидные группы, также затрудняет образование многочисленных водородных связей между белковыми цепями. Связывание полярных липидов, таких как фосфатидная кислота и лизолецитин, которые, логически рассуждая, должны находиться на заряженных участках молекулы, может также оказывать влияние на растворимость и на способность молекул к взаимодействию и вследствие этого на дальнейшее уменьшение числа ионных (заряженных) групп.

Подсчет ионизируемых групп клейковины, основанный на данных аминокислотного состава, показал присутствие 27—30 карбоксильных групп, большей частью в амидной форме, двух гидроксильных групп тирозина и 4—6 основных групп в 10 000 г белка, причем эти количества до некоторой степени зависели от того, имели ли дело с неочищенным клейковинным студнем или с очищенной клейковиной. Определение, основанное на кривых титрования пшеничной клейковины, дало следующие количества ионизирующихся групп на 100 000 г белка: карбоксильных — 29, имидазольных—15, альфа-амино — 2, сульфгидрильных — одна, тирозильных — 20, лизильных — 9. Константы ионизации, присущие каждой отдельной группе, являются, по-видимому, нормальными для всех групп, за исключением имидазольной, где она несколько низка. Поскольку установлено, что общее количество остатков глютаминовой и аспарагиновой кислот составляет примерно 312 для одного и того же веса белка, особенный интерес представляло точное определение свободных карбоксильных групп.

Глиадиновые компоненты обычно содержат больше карбоксильных групп, также в основном в амидной форме, но меньше основных групп, чем клейковина, что согласуется с особенностями их растворимости (за исключением омега-глиадина) и их электрофоретической подвижностью при низких рН. При щелочных значениях рН, когда ионизация основных групп подавлена, глиадиновый компонент неспособен растворяться и обладает очень низкой электрофоретической подвижностью, вследствие того, что практически все карбоксильные группы находятся в неионной амидной форме.

Ряд исследователей показали, что все имеющиеся в белке пшеницы сульфгидрильные группы почти поровну разделены между растворимыми белками и белками клейковины. Распределение сульфгидрильных групп между различными белками клейковины еще не изучено, хотя было установлено, что сульфгидрильные группы, имеющие наиболее непосредственное отношение к изменению свойств теста во время замешивания, локализованы, по-видимому, в глютениновой части комплекса. Общее количество сульфгидрильных групп в муке невелико. На каждые 10—12 молей цистина приходится всего 1 эквивалент сульфгидрильных групп. Такие небольшие количества сульфгидрильных групп лучше всего определять методом амперометрического титрования, используя доведенные почти до нейтрального рН растворы хлористой ртути и азотнокислого серебра. Степень чувствительности сульфгидрильных групп к окислению такими улучшителями хлеба, как бромат или йодат, не вполне определена, хотя несомненно, что, по крайней мере, часть их реагирует с этими веществами. Издавна считалось, что увеличение сопротивления замесу во время формирования теста объясняется окислением сульфгидрильных групп с образованием дисульфидных мостиков. Однако с теоретической точки зрения более вероятным кажется обмен радикалов между сульфгидрильными группами и дисульфидными мостиками.

К другим недавно изученным производным клейковины относится соединение клейковины с краской тиазоловым желтым, с помощью которой микроскопически были изучены стадии превращения клейковины при замешивании теста и других технологических процессах. Обработка 2,4- фтординитробензолом приводит к образованию двух фракций, одна из которых растворима в воде. Ультрацентрифугирование растворимой части не показало ее гомогенности, однако, исходя из результатов других опытов по ультрацентрифугированию, можно предположить, что это растворимое производное образуется из глиадина.

Исследование реакционной способности групп боковых цепей (боковых групп) сырой и сухой клейковины в процессе ее прогревания выявило ранее предполагавшееся увеличение их реакционной способности по мере повышения температуры. Исключение в этом смысле представляют основные группы, у которых наблюдался период замедления в реакции с кислыми красками. Изменение поглотительной способности теста с увеличением температуры имеет волнообразный характер, возможно, из-за наличия индукционного периода у основных групп. В другой работе тепловая денатурация клейковины прослеживалась по изменению ее растворимости в разбавленной кислоте и по изменению хлебопекарных качеств «воссозданного» теста. Энергия активации всей реакции, являющейся, по-видимому, реакцией первого порядка, определенная методом пробной выпечки, была равна 35 000 кал/моль, а методом растворимости — 44 000 кал/моль. Скорость денатурации была максимальной при влажности от 35 до 40%. При рН 4 денатурация была медленной, но усиливалась при более высоких значениях рН. При низких значениях рН имело место ухудшение хлебопекарных качеств, не связанное с нагреванием. Денатурация глиадиновой фракции была менее быстрой по сравнению с денатурацией всей клейковины, и ее можно было заметить благодаря наличию определенного индукционного периода.

Чрезвычайно интересное и важное исследование поглощения меченой радиоактивной аминокислоты составными частями семени позволяет предположить, что максимальная скорость биосинтеза глиадина достигается в более поздний период, чем дляглютенина, альбуминов и глобулинов; возможно, что глиадины самостоятельно участвуют в образовании белков, хотя на основании более поздних сведений о составе глиадина можно допустить, что за эти факты ответственны отдельные компоненты данной группы белков. Так, например, появление активности в отдельных, различимых глиадиновых компонентах происходит неравномерно и, вероятно, с различными скоростями во время созревания зерна. Белки оболочек образуются, по-видимому, на более поздних стадиях созревания зерна, чем белки эндосперма.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Белковые вещества клейковины

Зерно пшеницы содержит белковые вещества, которые можно разделить на четыре группы: растворимые в воде альбумины, растворимые в солевых растворах глобулины, растворимый только в спирте определенной концентрации глиадин и не растворимый в спирте, в воде и солевых растворах, но растворимый в щелочах глютенин. Последние два не растворимые в воде белковых вещества называются также клейковинными, так как они являются основными компонентами отмываемой из пшеничного теста клейковины.
Значительное количество исследований было посвящено изучению количественных соотношений между этими группами белков в пшеничной муке различных сортов и в подобных продуктах помола. Эти исследования, обстоятельный обзор которых был сделан недавно, позволили установить определенную закономерность в содержании различных но растворимости белков в частицах оболочки, зародыше и эндосперме пшеницы. Именно в последнем и сосредоточены клейковинные белки, тогда как растворимые белки находятся в основном в алейроновом слое и зародыше. Отсюда следует, что в муке, содержащей много этих частиц, т. е. в муке высоких выходов, доля альбуминовой и глобулиновой фракции будет значительно выше, чем в муке высшего и I сорта.
Отсутствие в литературе систематических данных, характеризующих соотношение различных белковых фракций в пшеничной и ржаной муке разных сортов, не дает возможности проанализировать значение этого показателя для величины выхода сырой клейковины, получаемой при отмывании, и оценки роли клейковинных и неклейковинных белков в процессе выработки хлеба. Успехи современной протеинологии позволили получить более полное представление о белковых веществах пшеницы и ржи. Выделение этих веществ в нативном состоянии сильно затруднено вследствие их большой лабильности и способности вступать в реакции с различными другими соединениями — с липидами и особенно углеводами, поэтому получаемые характеристики отдельных белков пшеницы и ржи всегда будут в известной степени условны и будут колебаться в определенных пределах в зависимости от способов получения изучаемых препаратов.
Основной предпосылкой для исследования белков клейковины, имеющих исключительно большое технологическое значение, является выделение их в таком состоянии, которое позволяет вновь регенерировать из них клейковину. Только в этом случае можно считать, что в процессе извлечения и фракционирования молекулы белков не претерпели глубоких изменений и результаты исследований могут быть использованы при определении свойств этих белков в тесте в процессе его приготовления.
Большое значение поэтому имеет метод фракционирования клейковинных белков, разработанный достаточно давно и внесший существенные поправки в классический метод Осборна. Если для фракционирования глиадина последний может быть принят безоговорочно, так как растворение его в 70%-ном этиловом или метиловом спиртах не изменяет его нативных свойств, то при выделении глютеиина применение в качестве растворителя даже слабых растворов щелочи противопоказано. Использование слабых растворов органических кислот, в частности уксусной (0,01 н.), позволяет получить препарат глютенина, содержащий 17,1% азота и лишенный посторонних примесей. При этом нативные свойства глютенина не изменяются, при смешивании его с препаратом глиадина и добавлении воды получается клейковина, по всем своим свойствам тождественная нормальной, свежеотмытой из теста. Следует отметить, что сохранение характерных реологических свойств клейковины после ее растворения в слабой органической кислоте и осаждения из раствора тем или иным способом нашло самое широкое применение не только в протеинологии, но и в технике. Для получения препарата сухой клейковины используется ее свойство растворяться в кислоте, затем растворенную клейковину сушат в сублимационной или распылительной сушилке. Выделенные препараты глиадина и глютенина, представляющие в обезвоженном состоянии тонкие порошки, при добавлении к ним воды быстро поглощают ее, превращаясь в гидратированный студень, весьма различный по своим свойствам.

Источник

Клейковина и клейковинные белки других злаков

Из данных, приведенных ранее, видно, что зерновки злаков трибы пшеничных содержат глиадин и глютенин, т. е. клейковинные белки, примерно в тех же количественных соотношениях, что и пшеница. Уже из этого факта можно было сделать вывод о возможности формирования клейковины из муки ржи, ячменя и пырея. Тем не менее экспериментальное доказательство этого предположения было получено лишь относительно недавно. В 1920 г. клейковина была отмыта из зерна некоторых видов дикого ячменя. Эти данные не подвергались проверке до 1945 г., когда были обстоятельно изучены хлебопекарные свойства сортов культурного ячменя, показана возможность отмывания из него клейковины и исследованы ее свойства. В 1950-х годах были изучены условия формирования клейковины ржи и ячменя и показано отрицательное влияние на этот процесс пентозановой фракции муки. Глиадин и глютенин в зерне пырея и клейковина пшенично-пырейных гибридов были исследованы в связи с проблемой повышения содержания белка путем межродовой гибридизации, но более подробного изучении ее свойств проведено не было.
Всестороннему изучению подвергалась за последнее время клейковина ржи. На первом этапе исследований было показано, что после удаления водорастворимой фракции ржаной муки сумма клейковинных белков может быть извлечена слабыми растворами органических кислот. После нейтрализации кислоты до pH 5,9—6,4 из раствора выпадает типичный студень клейковины.
Эти данные были подтверждены в последующих работах. Было установлено, что добавление в нейтрализованный раствор 2 н, раствора хлористого натрия значительно повышает выход ржаной клейковины. В этих же исследованиях было показано, что из ржаной муки можно извлечь клейковину и при прямом отмывании из препаратов промежуточного белка, полученного фракционированием муки по плотности методом Гесса. Исследования показали, что основным препятствием для формирования клейковины при отмывании из замешенного ржаного теста является фракция пентозанов. Удаление их при повторном фракционировании муки по плотности позволяет отмыть клейковину с получением теоретически рассчитанных выходов. Опыты в обратном направлении, т. е. добавление к препаратам промежуточного белка компонентов ржаной муки, богатых пентозанами, подтвердили, что последние отрицательно воздействуют на процесс формирования клейковины. Если количество добавленных пентозанов превысит определенную границу, то клейковина не отмывается совсем. Вместе с этим было отмечено, что слизистые вещества ржи, содержащие пентозаны, оказывают определенное влияние на реологические свойства клейковины, увеличивая ее растяжимость. Опыты показали также, что клейковинные белки могут взаимодействовать со слизями, образуя растворимые в воде комплексы. Если дальнейшие исследования подтвердят это, то можно считать доказанным, что именно наличие пентозанов препятствует образованию клейковины ржи. Исследование образцов ржи различных сортов показало, что по качеству клейковины они значительно отличаются друг от друга. В таблице 61 приведены данные, характеризующие пределы колебания этих свойств у разных сортов ржи, выращенной в разных условиях. По-видимому, сказываются сортовые особенности, но вместе с тем влияет географический фактор. Так, если сорт ржи Вятка 2 и Зееландская, выращенные в Майкопе (Краснодарский край), имели клейковину с удельной растяжимостью соответственно 6,9 и 9,0 см/мин, то эти же сорта при выращивании в Ташкенте характеризовались величиной этого показателя 2,8 и 0,2 см/мин соответственно. Испытание одного и того же сорта в разных районах страны выявило, что клейковина ржи, выращенной на юге, обладает меньшей растяжимостью и большей упругостью.

Источник

Строение клейковины

Вопрос о внутреннем строении белкового комплекса клейковины и характере связи между составляющими его частями не разрешен до настоящего времени и для выяснения его необходимы дальнейшие углубленные экспериментальные исследования.

Рассмотрим вкратце существующие представления и гипотезы по этому вопросу. В течение долгого времени господствовало мнение, что клейковина — это комплекс двух белков — глиадина и глютенина, поэтому большинство теорий о строении клейковины исходило именно из этого представления и стремилось лишь выяснить характер связи между указанными белками, их взаимное расположение в составе клейковины и роль обоих компонентов для придания определенных свойств клейковине как единому целому.

Исходя из свойств очищенных препаратов глиадина и глютенина и считая, что эти белки находятся в составе клейковины в том же виде, как и вне ее, Осборн предполагал, что клейковина построена из твердых частиц глютенина, погруженных в полужидкую массу глиадина. Представления Осборна получили затем развитие в серии работ Берлинера и Коопмана (Berliner, Koopmann, 1927, 1929а, б), изучавших набухание и растворение клейковины в слабых кислотах, а также вязкость и микроскопическую структуру автоклавированных клейковинных золей. На основании своих опытов эти авторы пришли к выводу, что клейковина состоит из бесструктурного геля глиадина, в котором равномерно распределены твердые микроскопически видимые зернышки глютенина. Каждая частица глютенина окружена как бы глиадиновой оболочкой, причем связь между глиадином и глютенином является очень прочной, и полное разделение обоих белков возможно лишь при обработке кислотного золя клейковины в автоклаве.

Физические свойства клейковины по этой теория определяются соотношением глиадина и глютенина, а также степенью дисперсности глютенина, поскольку с увеличением общей поверхности глютениновых частиц возрастает связывание ими глиадиновой массы и, следовательно, вся клейковина становится более крепкой и упругой.

Нужно сказать, что представления Берлинера и Коопмана не встретили поддержки среди других исследователей, да и в последующих работах самих авторов они не получили дальнейшего развития. Слишком примитивным является взгляд на клейковинные белки как на микроскопически видимые образования. Совершенно очевидно, что если клейковинный

Белок и построен из двух фракций — глиадина и глютенина, то молекулы или мицеллы последних образуют весьма тесный комплекс и не могут быть, конечно, видимы под микроскопом в отдельности. Наконец, постулируемая авторами зависимость качества клейковины от соотношения глиадина и глютенина в ней не находит, как было показано выше, экспериментального подтверждения.

Другие исследователи (Luers, 1919; Mohs, 1931) предполагали, что глиадин и глютенин в составе клейковинного комплекса связаны между собой силами взаимной адсорбции, причем один из белков играет по отношению к другому роль защитного коллоида. Однако никаких экспериментальных доказательств адсорбционной природы взаимодействия указанных белков не имеется, а представление о защитном действии одного из них на другой было поставлено под сомнение работой А. И. Гершзон (1937в), показавшей взаимную коагуляцию спиртовых золей глиадина и глютенина.

Весьма интересная попытка экспериментального выяснения природы связи между фракциями, составляющими клейковину, была предпринята Бунгенберг де-Ионгом (Bungenberg De Yong, Klaar, 1929, 1931, 1952; Bungenberg De Yong, 1932, 1933). Он подробно изучил изменения мутности растворов глиадина и глютенина, смешиваемых в разных соотношениях, в зависимости от рН и присутствия электролитов. На основании отклонений показателей мутности смеси от закона аддитивности Бунгенберг де-Ионг развил теорию взаимодействия частиц глиадина и глютенина в зоне рН, лежащей между изоэлектрическими точками обоих белков, за счет их противоположных зарядов, в результате чего образуется бинарный протеиновый комплекс типа коацервата, во многом аналогичный однокомпонентному белку в его изоэлектрической точке. Максимальное комплексообразование происходит при равенстве противоположных по знаку зарядов обоих компонентов при определенном рН, величина которого зависит от соотношения компонентов в смеси и от присутствия электролитов. При других значениях рН один из компонентов, частицы которого сильно заряжены, уже в небольшом количестве полностью нейтрализует слабые заряды частиц другого компонента, вследствие чего первый из них участвует в комплексообразовании лишь частично, а избыток его играет роль коллоида, стабилизирующего систему.

Величины зарядов частиц глиадина и глютенина при различных значениях рН условно изображены знаками разного размера, а количество каждого белка в составе бинарного комплекса обозначено величиной соответствующего кружка. Рисунок показывает, как по обе стороны от точки максимального комплексообразования количества реагирующих, белков изменяются в обратной зависимости от величины их зарядов. Данные, полученные на препаратах глиадина и глютенина, Бунгенберг де-Ионг переносит на клейковину, считая, что последняя представляет собой естественный протеиновый комплекс типа коацервата, образовавшийся в результате взаимодействия противоположных зарядов частиц глиадина и глютенина. Физически автор представляет себе клейковину в виде системы из полужидкой массы глиадина, в которой распределены твердые частицы глютенина, причем увеличение количества последнего изменяет свойства клейковины в сторону ее укрепления. Бунгенберг де-Ионг приводит ряд соображений о влиянии рН среды, примесей других веществ и т. п. на соотношение глиадина и глютенина в клейковинном комплексе, а отсюда и на его физические свойства. Он отмечает, правда, что количественное соотношение глиадина и глютенина в клейковине не может определить полностью качества последней, однако его теория все же требует признания большой роли этого фактора, что плохо согласуется с действительностью.

Кроме того, результаты опытов автора со смесями глиадина и глютенина вряд ли могут быть полностью перенесены на естественную клейковину, отдельные фракции которой связаны, вероятно, не только силами ионного взаимодействия. Все же следует признать, что исследования Бунгенберга де-Ионга являются весьма интересной попыткой приблизиться к пониманию природы взаимодействия отдельных частей клейковинного комплекса и продолжение этих работ применительно к естественной клейковине представляется очень желательным.

Для обоснования взгляда на клейковину как на комплекс двух индивидуальных белков — глиадина и глютенина — очень существенным является искусственное приготовление клейковины из очищенных препаратов этих белков. Такие попытки делались неоднократно, но только в недавнее время они привели к положительному результату (Шкловский, 1957).

Еще в 1922 г. Вудмен (Woodman, 1922) сообщил, что при увлажнении смеси сухих препаратов глиадина и глютенина, приготовленных по Осборну, клейковину получить не удается. Наиболее обстоятельные опыты в этом направлении были проведены М. С. Резниченко и Е. А. Алякринской (1936). Указанные авторы, убедившись в невозможности получения клейковины при смешивании сухого глиадина и глютенина в самых различных соотношениях, пытались достигнуть более тесного соединения обоих белков путем совместного осаждения их из раствора в слабой кислоте, нейтрализуемой до рН 6,0 как непосредственно, так и в присутствии различных солей. Осаждаемая таким образом смесь белков ни в одном случае не имела сходства с клейковиной. Те же авторы показали далее, что уже однократная обработка муки 70%-ным спиртом, удаляемым затем отгонкой в вакууме, уменьшает количество сырой клейковины в этой муке и ухудшает ее физические свойства. Если же мука обработана 70%-ным спиртом несколько раз, экстракты соединены с остатком и спирт удален в вакууме, то из полученной тестообразной массы клейковина совсем не отмывается.

Из этих опытов авторы сделали вывод, что глиадин денатурируется в процессе выделения его спиртом и именно поэтому из препаратов глиадина и глютенина не удается вновь получить клейковину. В недавнее время И. Ш. Шкловский подробно исследовал влияние этилового спирта на процесс формирования сырой клейковины при замешивании теста. Оказалось, что спирт не разрушает полностью клейковинного комплекса, но сильно затрудняет слипание мельчайших частиц клейковины в общую массу. Если применять очень осторожное и тщательное отмывание с помощью тонких сит, то из муки, обработанной 50—90%-ным спиртом, удается выделить сырую клейковину. Таким образом, предположение М. С. Резниченко и Е. А. Алякринской о денатурирующем действии спирта на глиадин не подтвердилось. Кроме того, давно известно, что при добавлении к муке препарата глиадина выход сухой клейковины соответственно возрастает и, следовательно, глиадин в процессе выделения не теряет способности участвовать в формировании клейковины. Глютенин же заметно денатурируется спиртом, что видно, например, из данных Кука и Алсберга (Cook, Alsberg, 1931), показавших, что этот белок полностью утрачивает способность пептизироваться в водном растворе мочевины, если материал подвергался воздействию спирта.

При обычном же препаративном получении глиадина и глютенина основным денатурирующим фактором является не спирт, а щелочь и если не применять ее, то в ряде случаев удается вновь «синтезировать» клейковину из ее компонентов. Так, еще в 1908 г. Бекер и Халтон (Baker, Hulton, 1908) получили клейковину из смеси глиадина и сухого остатка муки после извлечения глиадина спиртом. В этом опыте глютенин совсем не выделяется в виде препарата.

Позднее В. Л. Кретович (1938) разделил сухую клейковину на глиадин и остаток, содержавший глютенин, а затем, смешав оба сухих препарата и прибавив воду, получил типичную сырую клейковину. Этот опыт, явившийся первым случаем получения клейковины из ее более или менее очищенных и сухих компонентов, убедительно показал, что главным денатурирующим фактором в процессе выделения клейковинных белков является щелочь, отказавшись от применения которой можно избежать обычного денатурирования глютенина.

Исходя из этих соображений, И. Ш. Шкловский (1957) приготовил чистый препарат глютенина пшеницы по методу Блиша и Сандстедта, осадив его из дисперсии сырой клейковины в 0,01 п уксусной кислоте, содержащей 70% метилового спирта, путем осторожной нейтрализации этой смеси до изоэлектрической точки глютенина. При тщательном смешивании приготовленного таким способом глютенина с препаратом глиадина (выделенного методом Осборна), увлажнении смеси и растирании ее в ступке была получена типичная сырая клейковина. «Синтетическая» клейковина содержала 17% азота (на сухое вещество), 62% влаги и характеризовалась величиной удельной растяжимости порядка 0,15— 0,20 см/мин. Органолептически и по скорости истечения на пластометре она была крепче исходной клейковины той же муки. После высушивания в вакууме при 35° сухой порошок синтетической клейковины при добавлении сто к муке увеличивал выход отмываемой из муки клейковины в полном соответствии с количеством добавленного препарата. Качество «синтетической» клейковины зависит от соотношения в ней глиадина и глютенина. Глиадин придает клейковине растяжимость и клейкость, при избытке же глютенина клейковина становится малосвязной, короткорвущейся. Наиболее близка к естественной «синтетическая» клейковина, приготовленная из равных весовых частей глиадина и глютенина.

Работа И. Ш. Шкловского впервые продемонстрировала возможность искусственного получения клейковины из хорошо очищенных препаратов глиадина и глютенина и в этом отношении она представляет значительный интерес.

После того как выяснилось, что глиадин и глютенин не являются химически индивидуальными, гомогенными веществами и клейковина может быть разделена на ряд иных фракций, появились новые представления о внутреннем строении клейковинного комплекса. Некоторые из них непосредственно примыкают к старым воззрениям в том отношении, что клейковина рассматривается как комплекс двух или трех фракций, каждая из которых построена в свою очередь из белковых мицелл различной величины. Так, А. Г. Кульман в ряде работ (1937а, б, 1940′, 1949, 1953) развивает представление о клейковине как адсорбционном комплексе белковых мицелл трех типов, различающихся по степени агрегации и мицеллярному весу. Эти фракции обозначаются как а-глиадин, (3-глиадин и глютенин, причем низкомицеллярная фракция а-глиадина играет роль пептизатора более высокоагрегированных фракций бета-глиадина и глютенина.

Блиш и его сотрудники (Blish, 1945, 1946; Sandstedt, Blish, 1933) рассматривают клейковину с точки зрения теории Зеренсена (Sorensen, 1930) о строении растворимых белков. Согласно этой теории, последние представляют собой обратимо диссоциирующие компонентные системы, отдельные компоненты которых удерживаются относительно слабыми силами дополнительной валентностн и способны к обратимой диссоциации, тогда как внутри каждого компонента действуют прочные гомеополярные связи. В зависимости от внешних условий (температура, рН, концентрация и характер солей) компоненты различных систем, диссоциируя в большей или меньшей степени, обратимо соединяются между собой в самых различных сочетаниях, образуя большое разнообразие фракций, отличающихся друг от друга по составу и свойствам и способных при изменении условий вновь диссоциировать и давать начало другим компонентным системам, т. е. новым фракциям.

В тех случаях, когда соединение компонентов приводит к образованию нерастворимой компонентной системы, последняя выделяется из раствора в виде осадка белка. Фракционирование путем осаждения и состоит, по Зеренсену, в созданий таких условий, при которых происходит постепенное образование нерастворимых компонентных систем.

При соблюдении постоянной методики можно выделять одни и те же белковые фракции, тогда как всякое изменение условий будет приводить к сдвигу равновесия в обратимо диссоциирующих системах и, следовательно, к получению уже иных фракций.

Применяя представления Зеренсена к белкам клейковины и исходя из своих опытов но разделению последней на три главные фракции — глиадин, мезонин и глютенин, Блиш рассматривает каждую из этих фракций, как обратимо диссоциирующую компонентную систему, состоящую из многих рыхло связанных компонентов, способных в зависимости от условий диссоциировать и соединяться в новые компонентные системы. Многообразие возникающих при этом сочетаний и является причиной большого количества фракций, на которые можно разделить клейковину, если варьировать условия ее фракционирования. Все же число исходных компонентных систем в клейковине ограничено, и условно можно считать, что последняя представляет собой сочетание трех таких систем: глиадина, мезонина и глютенина, связанных в единое целое, причем о характере связи между системами Блиш не высказывает никаких предположений.

Подводя итоги изложенным представлениям о внутренней структуре клейковины, приходится, прежде всего, отметить крайнюю недостаточность экспериментальных данных для обоснования какой-либо определенной теории строения клейковины. Вместе с тем ясно, что привычное представление о клейковине как комплексе двух индивидуальных белков — глиадина и глютенина — устарело и не соответствует дейст-вительности. Глиадин и глютенин являются, по-видимому, лишь осколками белкового вещества клейковины, получаемыми при строго определенной методике ее расщепления, тогда как применяя другую методику, можно получить совершенно иные части того же исходного белка.

Представление Блиша о трех главных компонентах клейковины столь же условно, как и классическая теория Осборна о двух клейковинных белках, поскольку небольшие изменения в методике фракционирования могут привести к получению не двух или трех, а гораздо большего числа белковых фракций. Что касается теории Зеренсена о белках как обратимо диссоциирующих компонентных системах, то применение ее к клейковине требует доказательства полной обратимости разделения последней на фракции, а таких доказательств не только нет, но и сомнительно, чтобы они могли быть получены. Наконец, весьма неопределенными кажутся и взгляды канадских исследователей, согласно которым клейковина представляет собой комплекс неограниченного числа фракций, расположенных в порядке последовательного изменения их состава и свойств.

То обстоятельство, что в зависимости от применяемой методики из одной и той же клейковины можно получить весьма различные белковые фракции, может быть объяснено с наибольшей полнотой, если считать, что клейковина представляет собой единое белковое вещество, построенное достаточно сложно и способное расщепляться в зависимости от применяемых реагентов во многих местах с образованием то одних, то других осколков, заметно отличающихся друг от друга но химическому составу и свойствам. Например, если действовать на клейковину разбавленным этиловым спиртом, то в результате расщепления определенных связей внутри частицы клейковинного белка выделяется фракция, называемая глиадином. Солевые растворы, салицилат натрия, мочевина и другие вещества действуют на клейковину иначе, чем спирт; расщепление при этом идет по другим связям и соответственно этому выделяются иные фракции. Естественно, что, даже действуя одним и тем же реагентом, но в неодинаковых условиях, можно подвергнуть расщеплению то большее, то меньшее число внутренних связей клейковинного белка и получить в результате не вполне одинаковые фракции. Это и наблюдается в действительности, когда, например, небольшие отклонения в методике получения глиадина приводят к выделению не идентичных белковых препаратов.

Нужно сказать, что представление о клейковине как о едином белковом веществе высказывалось неоднократно. Так, например, М. И. Княгиничев и Т. М. Горелкина (1937) на основании опытов по растворимости клейковины в водных растворах салицилата натрия пришли к заключению, что клейковину следует рассматривать как единый белковый комплекс, а не сумму индивидуальных белков. Аналогичный взгляд был высказан также Ричем (Rich, 1936, 1938) и другими авторами. Следует, впрочем, отметить, что, говоря о клейковине как о едином белковом комплексе, указанные исследователи не уточняли вопрос о его внутреннем строении и лишь подчеркивали, что отдельные фракции клейковины связаны известным образом между собой, а не составляют простую смесь. При этом в большинстве случаев подразумевалось, что связь отдельных фракций внутри клейковинного комплекса носит сорбционный характер, и клейковина представляет собой коллоидную систему, построенную из мицелл различной формы и величины.

В 1952 г., изучая процесс образования клейковины при созревании пшеницы, мы установили, что на протяжении всего периода созревания зерно не содержит отдельных белков — глиадина и глютенина — в свободном состоянии (Вакар, 1952). С самого начала формирования зерна глиадин и глютенин могут быть обнаружены в нем только в вице фракций единого клейковинного комплекса, физико-химические свойства которого претерпевают, правда, в процессе созревания зерна заметные изменения. На основе этих опытов и критического рассмотрения имеющихся в литературе данных было выдвинуто представление (Вакар, 1952), согласно которому клейковина построена из однородных белковых макромолекул, имеющих сложную пространственную структуру и включающих наряду с полипептидной и циклической гомеополярными связями ряд других менее прочных связей и «мостиков» между отдельными полипептидными или циклическими участками. Расщепление этих менее прочных связей (например, дисульфидных, водородных и др.) под влиянием определенных реактивов может приводить к дезагрегации первоначальной макромолекулы на ряд осколков или фракций, число и характер которых определяются условиями расщепления. Согласно представлениям современной химии высокополимерных веществ, отдельные макромолекулы клейковины под влиянием сил межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) должны располагаться в более или менее ориентированном порядке, причем степень взаимодействия макромолекул, называемая обычно «плотностью упаковки», зависит от наличия тех или иных химических группировок в соседних макромолекулах клейковины.

Небольшие изменения в характере взаимодействующих активных групп могут резко изменить «плотность упаковки» макромолекул, а последняя определяет собой физические свойства высокополимера: его упругость, растяжимость, пластичность, хрупкость и т. д. Таким образом, с точки зрения химии высокополимеров становится понятной до сих пор нерасшифрованная связь между химическим строением клейковины и ее физическими свойствами. Решающим для изменения последних является связывание, замещение или расщепление тех активных групп, через которые осуществляется взаимодействие соседних макромолекул, т. е. их «упаковка». При этом во многих случаях в результате изменения тех или иных химических группировок в макромолекулах происходит не только усиление межмолекулярного взаимодействия (возрастание сил Ван-дер-Ваальса), но и образование новых связей путем «сшивания» нескольких макромолекул поперечными мостиками в единое целое. Подобное явление происходит, например, при вулканизации каучука, когда отдельные макромолекулы последнего соединяются мостиками из атомов серы, образуя вещество с иными физическими свойствами, чем исходный каучук.

При всяком усилении взаимодействия соседних макромолекул полимера, путем ли увеличения «плотности упаковки» или путем возникновения поперечных мостиков главной валентности, жесткость всей системы увеличивается, и потому крепкая, короткорвущаяся клейковина должна отличаться от слабой, растяжимой именно более сильным взаимодействием своих макромолекул. В этой плоскости, по-видимому, и следует искать теоретического объяснения таких явлений, как, например, уплотнение клейковины под влиянием ненасыщенных жирных кислот или ее дезагрегация протеолитическими ферментами. В первом случае может иметь место окисляющее действие двойных связей ненасыщенных жирных кислот на сульфгидрильные (—SH) или пептидные (—CONH—) группировки клейковины, в результате чего возможна спайка соседних макромолекул через дисульфидные или азотные мостики, что приведет к значительному увеличению жесткости всей клейковины. Во втором случае, т. е. при дезагрегации клейковины протеолитическими ферментами изменение ее начинается, вероятно, с уменьшения «плотности упаковки» макромолекул, а затем уже затрагиваются и валентные связи внутри последних. Наконец, зависимость между физическими свойствами клейковины и способностью ее к гидратации можно объяснить тем, что при изменении «плотности упаковки» макромолекул изменяется также количество ‘воды в пространствах между отдельными макромолекулами.

Изложенные выше представления встретили сочувственный отклик у ряда исследователей (Кульман, 1953; Ауэрман, 1956; Островский, 1959), однако в настоящее время они высказаны только в самой общей форме и для доказательства и конкретизации их необходима большая и разносторонняя экспериментальная работа. В последнее время И. Ш. Шкловский (1955, 1957) развил другую гипотезу внутреннего строения клейковины. На основании своих опытов по «синтезу» клейковины из препаратов глиадина и глютенина, а также опытов по действию спирта на формирование сырой клейковины в тесте, указанный автор считает, что клейковина представляет собой продукт «слипания» (когезии) двух отдельных белков: глиадина и глютенина. Слипание этих белков происходит еще в созревающем зерне, которое в дальнейшем содержит не отдельные белки — глиадин и глютенин, но частицы продукта их слипания — клейковины. При замешивании теста и отмывании клейковины возникает процесс «самослипания» (аутогезии) ее мельчайших частичек в общую связную и эластичную массу.

Таким образом, по И. Ш. Шкловскому, клейковина состоит из двух белковых компонентов, соединенных сравнительно непрочными силами «слипания», т. е. заклинивания отдельных, главным образом, концевых участков молекулярных цепей одного белка в поверхностном слое другого белка. Получается нечто вроде частичного растворения одного белка в другом или образование из них «сплава». Эта гипотеза не объясняет легкости разделения клейковины на иные фракции, отличные от глиадина и глютенина. Непонятным остается и факт диспергирования клейковины целиком раствором салицилата натрия, который, по нашим данным (Вакар, 1952), растворяет глиадин и почти не растворяет глютенин. При отсутствии прочной связи между этими белками раствор салицилата натрия, действуя на клейковину, растворял бы только глиадин, оставляя глютенин в осадке, как это и наблюдалось в опытах (Вакар, 1952) при действии раствором салицилата на смесь препаратов глиадина и глютенина. Фактически же раствор салицилата натрия диспергирует клейковину целиком, т. е. будучи способным преодолеть силы «самослипания» между частицами клейковины, он не может в то же время преодолеть сил «слипания» глиадина и глютенина. Это говорит, по нашему мнению, не в пользу гипотезы слипания глиадина и глютенина, но свидетельствует о более прочной связи между ними в составе клейковины. Что же касается вопроса о «самослипании» мельчайших частичек клейковины (а не отдельных ее фракций) при замешивании теста и отмывании сырой клейковины, то в этой части гипотеза Шкловского не встречает возражений.

В заключение необходимо вновь со всей определенностью подчеркнуть, что в настоящее время нет достаточных оснований для того, чтобы принять целиком ту или иную гипотезу или теорию строения клейковины. Только основательные и разносторонние экспериментальные исследования смогут выяснить полностью этот весьма сложный вопрос.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник