Белки злаков

Анализируя аминокислотный состав суммарных белков различных злаковых культур с точки зрения состава эталонного белка для питания людей (ФАО, 1973) следует отметить, что все они, за исключением овса, бедны лизином (2,2-3,8%), а за исключением риса и сорго - изолейцином. Для белков пшеницы, сорго, ячменя и ржи характерно относительно небольшое количество метионина (1,6-1,7 мг/100 г белка). Белки пшеницы к тому же содержат недостаточное количество треонина (2,6%), а белки кукурузы - триптофана (0,6%). Наиболее сбалансированными по аминокислотному составу являются овес, рожь и рис.

Аминокислотный состав суммарных белков злаковых культур определяется аминокислотным составом отдельных фракций, в основу классификации которых положен принцип растворимости (Т. Осборн, 1907). При последовательной обработке муки или размолотого зерна водой, 5-10%-м раствором хлорида натрия, 60-80%-м водным раствором спирта и 0,1-0,2%-м раствором гидроксида натрия экстрагируются белковые фракции, соответственно названные альбуминами, глобулинами, пролами-нами и глютелинами. В таблице 2.3 приводится процентное содержание белковых фракций в зерновых культурах. В состав белков входят и так называемые склеропротеины (нерастворимые белки), содержащиеся в оболочках и периферических слоях зерна. Особенностью белков данной фракции является прочное соединение с лигнино-полисахаридным комплексом. Склеропротеины выполняют структурную функцию и малодоступны для пищеварения. Наряду с белками в зерне содержится небелковый азот (0,7-12,9% от общего азота), включающий свободные аминокислоты (50-60%), пептиды, нуклеотиды и др.

Количество небелкового азота-изменяется в зависимости от степени зрелости, выравненнос-ти и прорастания зерна.

Таблица 2.3. Содержание белковых фракций в зерне злаковых

Культура	Азот фракций (в % от белкового азота)
Альбумины	Глобулины	Проламины	Глютелины	Склеропротеины
Пшеница мягкая	5,2	12,6	35,6	28,2	8,7
Рожь	24,5	13,9	31,1	23,3	7,2
Ячмень	6,4	7,5	41,6	26,6	17,9
Кукуруза	9,6	4,7	29,9	40,3	15,5
Овес	7,8	32,6	14,3	33,5	11,8
Гречиха	21,7	42,6	U	12,3	23,3
Рис	11,2	4,8	4,4	63,2	16,4

 

Для альбуминов отличительной особенностью является высокое содержание лизина (3,9-8,2%), треонина (2,4-7,7%), метионина (1,7- 3,3%), изолейцина (3,1-6,0%) и триптофана (6,7-16,9%). Наиболее высоким содержанием лизина отличаются альбумины овса, риса и проса (6,5-8,2%), более низким - альбумины пшеницы, ячменя и ржи (3,9-4,5%). Высокое количество треонина (4,7-7,7%) характерно для альбуминов ячменя, ржи, овса; низкое (2,4%) - для альбуминов пшеницы.

Глобулиновая фракция злаковых культур беднее, чем альбуминовая по содержанию лизина (2,8-6,0%), триптофана (0,5-1,3%) и метионина (1,1-2,7%). Обе фракции отличаются высоким содержанием глютами-новой и аспарагиновой кислот, но низким - пролина.

Характерной особенностью проламинов является высокое содержание остатков глутаминовой кислоты (13,7-43,3%), пролина (6,3-19,3%) и малое количество ионогенных групп, так как дикарбоновые кислоты почти полностью амидированы. Проламины отличаются низким содержанием лизина. Очень мало его в зеине кукурузы (0,2%), глиадине пшеницы и секалине ржи (0,6-0,7%). Высокий процент лизина (3,3%) наблюдается в авенине овса. Небольшое количество лизина в проламинах и относительно большое содержание данной фракции в суммарном белке отражается на общей несбалансированности зерна большинства злаковых культур. Проламины бедны к тому же треонином, триптофаном, аргинином и гистидином. Зеин кукурузы, оризин риса и кафирин сорго отличаются высоким уровнем лейцина (16,9-18,6%). По содержанию цис-тина и метионина среди отдельных злаков также наблюдаются различия. Так, глиадин пшеницы в среднем содержит 1,2% метионина и-1,9% цис-тина, а авенин овса - 3,7 и 4,2%, соответственно.

Глютелины по аминокислотному составу занимают промежуточное положение между проламинами и глобулинами. Содержание лизина, аргинина, гистидина в них больше, чем в проламинах. Так, содержание лизина в глютенине пшеницы составляет 2,6%, ржи - 2,3%, ячменя - 4,0%, а овса - 5,0%. По содержанию лизина и цистина между сортами зерна наблюдаются некоторые различия. Например, глютенин пшеницы слабого сорта Акмолинка 1 содержит меньше цистина (5,18%), чем глютенин сильного сорта Саратовская 29 (7,34%). Глютелины ячменя, риса и овса отличаются от глютенина пшеницы более высоким уровнем лизина. Если учесть, что у риса 80% всего белка приходится на глютелины (оризенин), то понятно, почему обеспечивается удовлетворительное содержание лизина (2,6-4,0%) в общем белке рисового зерна. Преобладающими фракциями овса являются глобулины и глютелины, содержащие 5,0-5,5% лизина, что также обеспечивает хорошую сбалансированность данной культуры по лизину.

Белки неравномерно распределяются между морфологическими частями зерна. Основное их количество (65-75%) приходится на эндосперм, меньшее - на алейроновый слой (до 15,5%) и зародыш (до 22%). В алейроновом слое и зародыше концентрация белка высокая^ В зародыше пшеницы содержится 33,3% белка, кукурузы - 26,5%, овса - 19,4%. Алейроновый слой пшеницы и кукурузы содержит более 19% белка. В эндосперме белки распределены также неравномерно, концентрация их снижается по мере продвижения от субалейронового слоя к центру. Субалейроновым слоем называется периферическая зона зерновки, находящаяся под алейроновым слоем. Содержание белка в данной части зерна достигает у кукурузы 27,7%, у сорго 29-30%, у ячменя 21-24%, у риса 29%. Центральная часть эндосперма содержит мало белка (7-9%). В общем же распределение белка по частям зерновки зависит от вида культуры, ее сорта и почвенно-климатических условий выращивания.

Белки зародыша и алейронового слоя представлены в основном альбуминами и глобулинами, выполняющими каталитическую функцию при прорастании зерна (ферменты), а белки эндосперма - альбуминами, глобулинами, проламинами и глютелинами. Большую часть белков эндосперма злаковых культур (до 80%) составляют запасные белки: спирторастворимые проламины и щелочерастворимые глютелины. Альбумины и глобулины входят в состав мембран органелл зерна, образуют рибосомы, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, являются составной частью сложных белков - нуклеопротеидов, липопротеи-дов, фосфопротеидов.

Запасные белки эндосперма злаков сосредоточены в белковых телах, имеющих более простое строение, чем алейроновые зерна (белковые тела алейронового слоя). Алейроновое зерно состоит из кристаллоида (гликопротеида), глобоида (калиевой, магниевой соли фитиновой кислоты) и основного белкового вещества - аморфной зоны.

У кукурузы и сорго белковые тела эндосперма состоят из матрицы и вдавленных в нее округлых белковых гранул. Матричные белки являются глютелинами, а белки гранул - проламинами. Матричный белок характеризуется однородной структурой, тогда как белковые гранулы имеют пластинчатую структуру с входящими в нее липопротеинами. В эндосперме зрелого зерна пшеницы откладываются белковые образования в виде непрерывной белковой матрицы клиновидной формы и в виде выпуклых серповидных зон под мембраной, окружающей крахмальные зерна. С этими представлениями соотносится классификация Гесса (Hess, 1954), по которой белки муки разделяются на промежуточные (цвикель) и прикрепленные (хафт). Промежуточные белки располагаются между крахмальными зернами и соответствуют белковой матрице, а прикрепленные представляют собой остатки мембран крахмальных зерен. У ржи и пшеницы прикрепленные белки характеризуются лучшим аминокислотным составом. При размоле твердых и стекловидных мягких пшениц раскол компонентов происходит через крахмальное зерно и запасной белок, в результате чего крахмальные зерна разрушаются. При размоле зерна с мучнистым эндоспермом трещины образуются не в крахмальных зернах, а вокруг них, так как между белком и крахмалом существует относительно слабое взаимодействие.

Белковые фракции зерновых культур представляют собой гетерогенную смесь отдельных компонентов, сходных по ряду физико-химических свойств. В то же время компоненты отличаются по электрофорети-ческой подвижности, молекулярной массе, аминокислотному составу и способности взаимодействовать друг с другом при помощи различных типов связей. В альбуминах мягкой пшеницы электрофорезом в ПААГ и крахмальном геле обнаружено 14-21 субъединиц, преобладающими среди которых по количеству являются субъединицы с молекулярной массой около 11 и 20 кД. Эти компоненты различаются по содержанию лизина, аланина, триптофана и гистидина, они отсутствуют в твердой пшенице.

В эндосперме мягкой пшеницы обнаружены доминирующие ос-глобулины с молекулярной массой 24 кД, в зародыше - γ-глобулины с молекулярной массой 210 кД. К глобулинам относят и специфические белки, выделенные в кристаллической форме из бензинового экстракта муки (пуротионин пшеницы, гордотионин ячменя). В зерне они содержатся в виде липопротеинового комплекса, имеют молекулярную массу около 7 кД. Положительного влияния этих белков на хлебопекарные свойства муки не установлено.

С помощью ионообменной хроматографии, гельхроматографии, электрофореза и других методов глиадиновая фракция пшеницы разделена на большое число индивидуальных компонентов. Электрофоретические компоненты глиадина условно объединяют в порядке уменьшения электрофорети-ческой подвижности в кислой среде в четыре группы: α-, β-, γ- и ωглиадины, каждая из которых состоит из нескольких компонентов. Общее число белковых компонентов в пшенице может достигать 40-50. При строго определенных условиях электрофореза в ПААГ или крахмальном геле электрофоретический спектр рассматривается как генотипический признак вида и сорта пшеницы (рис. 2.13). Эталонный спектр содержит 30 позиций, которые распределяются по фракциям следующим образом:

Рис. 2.13.Эталонный электрофоретический спектр глиадина пшеницы [В. Конарев, 1983]

 

В соответствии с этим эталоном глиадин сорта Лютесценс 230, например, записывается так: α 567 β 2345 γу2345 ω34689

Большинство глиадиновых белков построено из одной полипептидной цепи с молекулярной массой 30-45 кД и внутримолекулярными ди-сульфидными связями (рис. 2.14).

 

 

 

Рис. 2.14.Дисульфидные связи в глиадине и глютенине

 

В меньшем количестве в состав глиадина входят белки с молекулярной массой 22; 5,6; 48,8; 57,3 кД и 64-80 кД, а также димеры, построенные из одноцепочных молекул главного типа (36,5 и 44,2 кД). От других компонентов в большей степени отличаются ω-глиадины, имеющие слабый заряд, высокое содержание глутамина, глу-таминовой кислоты, пролина, гидрофобных остатков аминокислот и не содержащие цистина и метионина и, соответственно, внутримолекулярных дисульфидных связей. В питательном отношении со-глиадины являются ценными как источники -NH₂ групп и пролина, необходимых для биосинтеза аминокислот и азотистых оснований. Дополнительно в состав глиадина входят низкомолекулярные белки (5-10%) типа альбуминов, глобулинов (11-12 кД) и высокомолекулярная фракция ("низкомолекулярный глютенин") с молекулярной массой 104-125 кД (6%).

Проламины других злаков также образуют индивидуальные электро-форетические спектры, поэтому, как и у пшеницы, они используются в роли белковых маркеров для определения видовой и сортовой принадлежности при выведении новых сортов, основываясь на зависимости ценных хозяйственных признаков зерна (урожайность, засухоустойчивость, неспособность к полеганию и др.) от присутствия конкретных компонентов.

Глютенин пшеницы является более гетерогенной белковой фракцией по сравнению с глиадином. Он состоит из многих компонентов с молекулярной массой от 50 до 3000 кД и без разрыва дисульфидных связей не способен мигрировать в гель при электрофорезе. Восстановленный глютенин разделяется при электрофоретическом анализе не менее чем на 15 компонентов, состоящих из одной полипептидной цепи с молекулярными массами от 11,6 до 133 кД. Некоторые из них идентичны молекулам глиадина (36-44,6 кД), другие - молекулам альбуминов и глобулинов (11,6 кД), а третьи представляют собой специфические высокомолекулярные субъединицы (102, 124, 133 кД). Эти данные позволяют утверждать, что глютенин - это белок, построенный из многих полипептидных цепей, соединенных между собой дисульфидными связями. Расчеты показывают, что на каждую полипептидную цепь глютенина приходится 2-3 дисульфидные связи с соседними цепями (Эварт, 1968).

Изучению запасных белков, особенно глютенина, отводится важная роль, однако структура их остается до конца не выясненной. Главной трудностью при выяснении особенностей строения является способность белков к агрегации, которую трудно преодолеть известными в настоящее время методами. До сих пор изучаются значения молекулярных масс компонентов и целого белка этой фракции. Так, по последним данным отечественных ученых, глютенин состоит из белковых частиц, включающих несколько субъединиц с молекулярной массой всего 100-300 кД, тогда как на долю частиц сверхвысокой молекулярной массы и одноцепочных молекул приходится не более 20%.

Предложены несколько гипотез строения глютенина и клейковины, однако ни одна из них не дает полного ответа на вопросы взаимосвязи его особенностей с природой вязко-эластичных свойств пшеничного теста. До конца не выяснен вопрос, чем отличаются глютелины зерновых культур, способных и не способных к формированию клейковинного комплекса. По представлениям Эверта, это различие обусловлено неодинаковым способом соединения отдельных полипептидных цепей через дисульфидные мостики при образовании полимерных молекул глютелинов. Каждая полипептидная цепь, соединяясь с другими, может увеличиваться в длину, образуя структуру линейного типа. Если же полипептидные цепи соединяются большим количеством поперечных ди-сульфидных мостиков, то возникает разветвленная трехмерная структура, обладающая относительно высокой компактностью. Глютелины зерновых культур, образующих клейковину, обладают линейной структурой в отличие от глютелинов культур, не способных формировать ее (овес, кукуруза).

Реологические свойства клейковины и теста получают более полное обоснование, если принять линейную структуру глютенина, тогда и вязкость теста из пшеницы, ржи и ячменя можно объяснить сильным раскручиванием достаточно гибких цепей и постоянным перемещением их относительно друг друга. Свойство эластичности возникает вследствие тенденции растянутых, незакрученных полипептидных цепей возвратиться к их прежней конформации. Причиной же отсутствия вязко-эластичных свойств овсяного и кукурузного теста является ветвящийся способ соединения полипептидных цепей, характеризующийся трехмерной разветвленной структурой.

Во всем мире интенсивно проводятся исследования, посвященные зависимости хлебопекарных качеств пшеницы от полипептидного состава глютениновой фракции в связи с различиями сортов и классов на генетическом уровне. Установлено, что наиболее выраженное влияние на реологические свойства клейковины и качество хлеба оказывает присутствие высокомолекулярных субъединиц глютенина (100 кД) или соотношение высоко- и низкомолекулярных субъединиц. Всего обнаружено около 25 субъединиц с высокой молекулярной массой, 3-5 из них присутствует в каждом сорте. Каждой субъединице присвоен номер в зависимости от подвижности в ПААГ с ДДС-Na, и выясняется конкретная роль ее в обеспечении качества зерна. Например, 98% американских сортов пшеницы, характеризующиеся высокой "силой" и хорошей эластичностью теста, содержат субъединицы 5+10, синтез которых кодируется хромосомой 1Д, тогда как у английских пшениц с низким качеством они встречаются только у 19% образцов. Такая же картина наблюдается и в отношении высокомолекулярных субъединиц 7+8 и 7+9, кодируемых хромосомой В1.

Реологические свойства клейковины и качество пшеничного хлеба зависят не только от присутствия высокомолекулярных субъединиц (60%), но и от наличия хромосомы 1BL/1RS (7%), полиморфизма низкомолекулярного глютенина, глиадина (а-, Р-, у-, со-), количества белка и активности а-амилазы (31%). Глютенин придает клейковине упругие свойства, а глиадин обуславливает растяжимость и связность, то есть ни глютенин, ни глиадин в отдельности не обладают характерными реологическими свойствами клейковины, только взаимодействие этих фракций в едином комплексе создает клейковинный белок со всеми присущими ему особенностями. Предполагают, что "полипептидные цепи глиадина в разных местах и разными связями соединяются с полимеризо-ванными молекулами глютениновой фракции, объединяя их в сложную трехмерную сетку переплетающихся полипептидных цепей" (А. Вакар, 1975). В структуре такой сетки значительную роль помимо ковалентных дисульфидных связей играют нековалентные взаимодействия: водородные, электростатические (ионные) связи и гидрофобное взаимодействие. Всем им отводится важная роль при объяснении различий в реологических свойствах крепкой и слабой клейковины (растяжимости, связности, упругости, эластичности).

Аминокислотный состав клейковинного белка и соотношение глиа-диновой и глютениновой фракций не являются показателями его качества, тогда как растворимость, содержание водородных, дисульфидных связей и вискозиметрические характеристики соотносятся с различиями реологических характеристик клейковины. Крепкая клейковина отличается от слабой меньшей растворимостью в разных растворителях, большим количеством водородных и дисульфидных связей, меньшими значениями характеристической вязкости (η), удельного гидродинамического объема и осевого отношения частиц (в/а). Частицы крепкой клейковины имеют уплотненную структуру, слабой - разрыхленную.

Более высокая скорость агрегации белков клейковины хорошего качества при действии на них солей свидетельствует о большей роли гидрофобных взаимодействий в структуре крепкой клейковины по сравнению со слабой. Установлен больший вклад этих видов взаимодействий в агрегацию глютенина и его фракций. Для упругой, эластичной клейковины на долю белков глютенина, перешедшего в раствор за счет разрыва гидрофобных связей, приходится 25,4%, ионных- 17,3%, водородных - 56,3%, в то время как для неупругой и растяжимой клейковины распределение белка по растворимости составляет, соответственно, 7,1; 12,8 и 80,1 %. Излишняя "гидрофобизация" поверхности белковых молекул (действие жирных кислот, тепловая денатурация и т.д.) приводит к ухудшению реологических свойств клейковины (связности), снижению гидратации и растворимости. Таким образом, разная степень упругости, растяжимости и связности определяется различным соотношением сил ковалентного и нековалент-ного характера (гидрофобные, ионные, водородные связи) как внутри фракций клейковины, так и на уровне взаимодействия их друг с другом.

Признавая за глиадином и глютенином главенствующую роль в обеспечении качества клейковины, необходимо учитывать роль небелковых соединений в формировании ее структуры. Высокая реакционная способность химических группировок молекул белка делает возможным взаимодействие их с липидами и углеводами и образование, соответственно, липопротеиновых и гликопротеиновых комплексов, оказывающих влияние на структуру и свойства клейковины. Общепризнана гипотеза, по которой фосфолипиды являются составной частью липопротеина, выполняющего роль слоистой структуры между белковыми пластинками и обеспечивающего деформацию скольжения (Гросскрейтц, 1960). В целом же особенности взаимодействия белков и других веществ зерна остаются до конца не изученными.

С клейковинным комплексом пшеницы находятся во взаимодействии протеазы, их белковые ингибиторы, амилазы и липоксигеназа (табл. 2.4).

Таблица 2.4. Ферментативная активность белков клейковины [М. Попов, 1998]

Растворитель	Растворенный белок, %	Активность ферментов, ед/г клейковины
Протеазы	Липоксигеназа	β-Амилаза
Сода 0,35%-я	23,3	5,94
Спирт 70%-й	49,1
Глугатион 0,75%-й	92,7

 

Протеазы извлекаются щелочным раствором соды, β-амилаза - водным раствором спирта, а липоксигеназа и β-амилаза - раствором глютатиона. В покоящемся зерне ферменты не проявляют своей активности, тогда как при прорастании они участвуют в распаде и превращениях запасных питательных веществ. Не менее важная роль отводится ферментам и при тестоведении. Протеазы, частично дезактивируя белки, ослабляют клейковину, липоксигеназа, при участии которой продукты окисления жирных кислот окисляют -SH группы белка, укрепляет ее. Высвобождение липоксигеназы из клейковины происходит в присутствии восстановленного глютатиона, с другой стороны, это же соединение, принимая участие в тиоловом обмене с клейковиной, уменьшает количество S-S связей и ослабляет ее. Таким образом, ферментные системы в комплексе с клейковинными белками выступают в роли регулятора качества хлеба из пшеницы.

Таблица 2.5. Аминокислотный состав белков муки (в г на 100 г белка)

Аминокислота	Яровая рожь	Тритикале	Твердая пшеница
Лизин	3,49	2,80	2,29
Гистидин	2,14	2,34	2,37
Аргинин	4,55	4,77	3,64
Аспарагиновая кислота	6,82	5,67	4,62
Треонин	3,26	3,05	2,82
Серии	4,11	4,37	4,37
Глутаминовая кислота	30,51	32,91	35,78
Пролин	15,29	14,18	13,92
Глицин	3,82	3,87	3,52
Алании	4,06	3,55	3,27
Цистин	2,65	3,22	2,66
Валин	5,22	4,93	4,77
Метионин	2,15	2,25	2,14
Изолейцин	4,21	4,37	4,51
Лейцин	6,65	7,55	7,46
Тирозин	2,16	2,81	2,67
Фенилаланин	5,16	4,98	5,48
Аммиак	3,40	3,25	3,91

 

Среди злаковых культур особого внимания заслуживает белковый комплекс первой искусственно созданной зерновой культуры, полученной при скрещивании пшеницы (Triticum) и ржи (Secale) - тритикале. С точки зрения питательности тритикале - ценная культура, так как ее отличает относительно высокий уровень белка (11,7-22,5%) и улучшенный аминокислотный состав по сравнению с пшеницей. Аминокислоты в тритикале содержатся, как правило, в количествах, промежуточных между родительскими формами (табл. 2.5). Более высокое содержание лизина, метионина и других аминокислот существенно для пищевой ценности. В данной культуре геномы ржи и пшеницы не взаимодействуют между собой с образованием "новых" белков, поэтому их электрофореграммы являются идентичными электрофореграммам смеси белков родительских форм.

По сравнению с пшеницей тритикале содержит больше водорастворимых и солерастворимых белков, но меньше - спирторастворимых и значительно меньше - белков нерастворимого остатка, поэтому в хлебопечении она может использоваться только в смеси с пшеничной мукой или с улучшителями.