Материал: Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П. - Биохимия зерна и хлебопродуктов
УДК 644.6/.7:577.1(075.8) ББК 36.821 К 14
Рецензенты: профессор, доктор биологических наук В.Ф. Голенков (РГТЭУ);
профессор, доктор биологических наук А. Ф. Топунов (институт биохимии им. А.Н. Баха РАН)
Е.Д. Казаков, Г.П. Карпиленко. Биохимия зерна и хлебопродуктов К 14 (3-е переработанное и дополненное издание). — СПб.: ГИОРД, 2005. — 512с.
ISBN 5-901065-82-4
В учебном пособии для студентов вузов приведены химический со- став зерна, муки и крупы, процессы, происходящие в зерне при его прорастании, созревании, хранении и переработке, а также в муке и крупе при их производстве и хранении. Содержатся данные о химиче- ском составе и качестве готовой продукции. Приведены оптимальные показатели биохимических процессов, обеспечивающих сохранность качества зерна и продуктов его переработки.
УДК 644.6/.7:577.1(075.8) ББК 36.821
©ЗАО ГИОРД, 2005 |
|
© Г.П. Карпиленко, |
|
ISBN5-901065-82-4 |
|Е.Д. Казаков], 2005 |
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ........................................................................................................ |
8 |
Глава1. Вводныебиологическиепонятия .......................................................... |
20 |
§ 1. Метаболизм ........................................................................................... |
20 |
§ 2. Классификация организмов по типу питания .................................. |
26 |
§ 3. Генетические понятия........................................................................... |
28 |
§ 4. Строение клетки ................................................................................... |
33 |
§ 5. Строение и химический состав зерна и семян ................................. |
38 |
Глава 2. Белковые вещества................................................................................ |
45 |
§ I. Общая характеристика белков ........................................................... |
45 |
§ 2. Аминокислоты ....................................................................................... |
47 |
§ 3. Стереохимия аминокислот.................................................................. |
49 |
§ 4. Аминокислотный состав белка .......................................................... |
50 |
§ 5.Формы связей в белке .......................................................................... |
56 |
§ 6. Пространственная структура белковой молекулы........................... |
59 |
§ 7. Свойства белков .................................................................................... |
63 |
§ 8. Классификация белков ...................................................................... |
67 |
§ 9. Запасные белки..................................................................................... |
69 |
§ 10. Выделение белков............................................................................... |
75 |
§ 1 1 . Белковые вещества зерна пшеницы................................................ |
80 |
§ 12. Клейковина зерна пшеницы ............................................................ |
83 |
§ 13. Методы определения количества и качества клейковины ........... |
86 |
§ 14. Состав и строение клейковины зерна пшеницы ........................ |
90 |
§ 15. Клейковина и ферменты .................................................................. |
100 |
§16. Смешивание зерна пшеницы с клейковиной разного качества..102
§17. Факторы, влияющие на выход и качество клейковины зерна пше
ницы ............................................................................................................... |
106 |
|
Глава 3. Белки зерна злаковых, семян бобовых и масличных культур............ |
115 |
|
§ I. Белки зерна ржи ................................................................................... |
115 |
|
§ 2. |
Белки зерна тритикале......................................................................... |
121 |
§ 3. |
Белки зерна ячменя .............................................................................. |
123 |
§ 4. |
Белки зерна овса ................................................................................... |
126 |
§5. Белки зерна кукурузы .......................................................................... |
128 |
|
§ 6. |
Белки зерна проса................................................................................. |
132 |
3
Оглавление
§ 7. Белки зерна гречихи.............................................................................. |
133 |
|
§ 8. Белки зерна риса ................................................................................... |
135 |
|
§ 9. |
Белки семян бобовых культур ............................................................. |
138 |
§ 10. Белки семян масличных культур...................................................... |
142 |
|
Глава 4. Нуклеиновые кислоты .......................................................................... |
146 |
|
§ 1. Рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты ............. |
149 |
|
Глава 5. Витамины............................................................................................... |
152 |
|
§ 1. Витамины ............................................................................................... |
152 |
|
§2. Водорастворимые витамины ............................................................. |
153 |
|
§ 3. Жирорастворимые витамины ............................................................. |
160 |
|
§ 4. Витаминоподобные вещества ............................................................. |
163 |
|
§ 5. Антивитамины ....................................................................................... |
165 |
|
Глава 6. Ферменты............................................................................................... |
166 |
|
§ 1. Общая характеристика ........................................................................ |
166 |
|
§ 2. Строение ферментов ............................................................................ |
168 |
|
§ 3. Взаимодействие между ферментом и субстратом........................... |
170 |
|
§ 4. Специфичность и условия действия ферментов .............................. |
173 |
|
§ 5. Свойства и изменение активности ферментов ............................... |
178 |
|
§ 6. Классификация и номенклатура ферментов ................................... |
179 |
|
§ 7. Ферменты зерна .................................................................................... |
181 |
|
Глава 7. Углеводы................................................................................................. |
199 |
|
§ 1. Общая классификация ........................................................................ |
199 |
|
§ 2. Моносахариды ..................................................................................... |
200 |
|
§ 3. Полисахариды первого порядка......................................................... |
206 |
|
§ 4. Полисахариды второго порядка .......................................................... |
209 |
|
Глава S. Липиды, Красящие вещества................................................................ |
220 |
|
§ 1. Общие свойства и классификация липидов.................................... |
220 |
|
§ 2. Простые липиды .................................................................................. |
221 |
|
§ 3. Сложные липиды .................................................................................. |
231 |
|
§ 4. Циклические липиды .......................................................................... |
234 |
|
§ 5. Связанные липиды .............................................................................. |
236 |
|
§ 6. Пигменты и другие красящие вещества зерна ............................... |
238 |
|
§ 7. Цвет и качество зерна.......................................................................... |
245 |
|
§ 8. Фенольные соединения....................................................................... |
246 |
|
Глава 9. Минеральные вещества, влага, кислотность зерна ........................... |
249 |
|
§ 1. Минеральные вещества зерна............................................................ |
249 |
|
§ 2. Влага в зерне.......................................................................................... |
262 |
|
§ 3. Кислотность зерна ................................................................................ |
269 |
|
Глава 10. Влияние природно-климатических и агротехнических факторов на |
|
|
состав и качество зерна ...................................................................................... |
272 |
|
§ 1. Внутренние и внешние факторы качества зерна ............................ |
272 |
|
Оглавление |
|
§ 2. Генотип и качество зерна ..................................................................... |
273 |
§ 3. Сорт и его значение.............................................................................. |
274 |
§ 4. Влияние географического фактора, климата и почвы .................. |
276 |
§ 5. Разнокачественность зерна ................................................................. |
280 |
§ 6. Влияние минеральных удобрений на качество зерна ..................... |
283 |
§ 7. Влияние химизации па производство зерна ..................................... |
286 |
§ 8. Влияние орошения на качество зерна............................................... |
289 |
§ 9. Влияние предшественников на урожай и качество зерна .............. |
293 |
§ 10. Механические повреждения зерна при уборке урожая и при хра |
|
нении ............................................................................................................. |
294 |
§11. Гидротермический коэффициент и качество зерна....................... |
297 |
§ 12. Способы увеличения белковости зерна........................................... |
298 |
Глава 11. Дыхание зерна ..................................................................................... |
302 |
§ 1. Интенсивность дыхания и вызываемые им изменения в зерновой |
|
массе .............................................................................................................. |
302 |
§ 2. Генетическая связь между процессами брожения и дыхания ....... |
309 |
§ 3. Процессы, протекающие на общем этапе брожения и дыхания . |
310 |
§4. Превращения пировиноградной кислоты при брожении ............... |
312 |
§ 5. Механизм дыхания............................................................................... |
313 |
§ 6. Суммарный баланс дыхания .............................................................. |
316 |
§ 7. Процессы дегидрогенизации .............................................................. |
317 |
§ 8. Окислительное фосфорилирование .................................................. |
318 |
§ 9. Различия между горением и дыханием.............................................. |
319 |
Гита 12. Биохимические процесс при созревании и прорастании зерна.......... |
321 |
§ 1. Созревание зерна.................................................................................. |
321 |
§ 2. Послеуборочное дозревание зерна .................................................... |
325 |
§ 3. Состояние покоя и старение зерна ................................................... |
330 |
§ 4. Прорастание зерна ............................................................................... |
332 |
Глава 13. Поврежденное, неполноценное зерно и его непользование................ |
347 |
§ 1. Зерно промороженное.......................................................................... |
352 |
§ 2. Зерно суховейное.................................................................................. |
353 |
§ 3. Стекание (истекание) зерна............................................................... |
355 |
§ 4. Зерно пожелтевшее .............................................................................. |
358 |
§ 5. Зерно, поврежденное клопом-черепашкой...................................... |
362 |
§ 6. Зерно с горькополынным вкусом и запахом.................................... |
371 |
§ 7. Зерно с черным зародышем ............................................................... |
372 |
§ 8. Зерно, перезимовавшее в поле .......................................................... |
374 |
§ 9. Зерно, пораженное фузариозом......................................................... |
378 |
§ 10. Зерно меланозное ............................................................................... |
381 |
§11. Зерно, пораженное головней............................................................ |
382 |
§ 12. Зерно, пораженное спорыньей ......................................................... |
383 |
§ 13. Зерно, поврежденное сушкой ......................................................... |
385 |
§ 14. Самосогревание зерна ...................................................................... |
390 |
4 |
5 |
Оглавление
§ 15. Зерно заплесневевшее ................................................................ |
396 |
|
§ 16. Остаточное содержание пестицидов в зерне............................... |
400 |
|
Глава 14. Смешивание и обработка зерна перед помолом ............................. |
405 |
|
§ 1. Смешивание двух или нескольких партий зерна......................... |
405 |
|
§ 2. Гидротермическая обработка зерна............................................... |
407 |
|
Глава 15. Химический состав промежуточных продуктов переработки зерна в |
||
муку и крупу............................................................................................... |
417 |
|
§ 1. Переработка зерна в муку ........................................................... |
417 |
|
§ 2. Изменение химического состава зерна при подготовке его к по |
419 |
|
молу и переработке в крупу ................................................................ |
||
§ 3. |
Химический состав промежуточных и конечных продуктов раз |
419 |
мола зерна пшеницы........................................................................... |
||
§ 4. Получение пшеничных отрубей пищевого назначения ............... |
429 |
|
§ 5. Получение пшеничных зародышевых хлопьев............................ |
431 |
|
§ 6. Переработка зерна ржи в муку ..................................................... |
432 |
|
§ 7. Переработка зерна в крупу........................................................... |
437 |
|
Глава 16. Биохимические процессы, происходящие в муке и крупе при хране |
444 |
|
нии.............................................................................................................. |
|
|
§ 1. Особенности процессов, происходящих в муке при хранении .... |
444 |
|
§ 2. Созревание пшеничной муки ....................................................... |
445 |
|
§ 3. Хранение муки после периода созревания ................................. |
451 |
|
§ 4. Бестарное хранение пшеничной муки.......................................... |
454 |
|
§ 5. Хранение ржаной муки ............................................................... |
455 |
|
§ 6. Хранение крупы ............................................................................ |
458 |
|
§ 7. Хранение пищевых пшеничных отрубей ..................................... |
462 |
|
Глава 17. Биохимические процессы, происходящие в муке при получении из |
|
|
нее хлеба, макаронных, мучных и кондитерских изделий .............................. |
463 |
|
§ 1. Хлебопекарное достоинство пшеничной муки ........................... |
463 |
|
§ 2. Технология пшеничного хлеба ...................................................... |
465 |
|
§ 3. Производство макаронных изделий............................................... |
468 |
|
§4. Использование муки в кондитерской промышленности ............. |
470 |
|
§ 5. Оценка технологического достоинства пшеничной муки и каче |
|
|
ства готовой продукции, полученной из нее....................................... |
471 |
|
§ 6. Применение пищевых добавок к хлебным изделиям для улучше |
|
|
ния их качества.................................................................................... |
472 |
|
§ 7. Сертификация зерна и зернопродуктов......................................... |
475 |
|
Глава 18. Ржаная мука и получение из нее хлеба........................................... |
479 |
|
§ 1. Особенности ржаной муки............................................................ |
479 |
|
§ 2. Хлебопекарное достоинство ржаной муки.................................... |
481 |
|
§ 3. Производство ржаного хлеба......................................................... |
483 |
|
§4. Оценка технологического достоинства ржаной муки и качества |
|
|
ржаного хлеба ...................................................................................... |
484 |
|
Оглавление |
|
Глава 19. Пищевая ценность хлеба............................................................... |
487 |
§ 1. Питание......................................................................................... |
487 |
§ 2. Усвояемость хлеба ......................................................................... |
490 |
§ 3. Энергетическая ценность (калорийность) хлеба........................... |
491 |
§ 4. Хлеб как источник белка и незаменимых аминокислот ............... |
491 |
§ 5. Хлеб как источник витаминов...................................................... |
497 |
§ 6. Хлеб как источник минеральных веществ.................................... |
499 |
§ 7. Обеспеченность человека углеводами, содержащимися в хлебе ...... |
500 |
§ 8. Обеспеченность человека липидами, содержащимися в хлебе....... |
501 |
§ 9. Вкус и аромат хлеба....................................................................... |
502 |
§ 10. Источники и методы повышения пищевой ценности хлеба....... |
504 |
Заключение .......................................................................................... |
507 |
6 |
7 |
ВВЕДЕНИЕ
Биологическая химия (биохимия) — составная часть биоло- гии, ее называют также физиологической химией, или наукой о химии живого. Она изучает химический состав растений, жи- вотных и микроорганизмов, происходящие в живых организ- мах биохимические процессы, связь между жизнедеятельно-
стью организмов и протекающими в них биохимическими процессами.
В задачу биохимии входит также изучение физиологической роли отдельных веществ в жизни организмов, процессов био- синтеза сложных органических веществ из неорганических со- единений. Совокупность химических превращений, отража- ющих постоянную взаимосвязь организма с внешней средой, составляет биологический обмен веществ. Обмен веществ ле- жит в основе наиболее сложной формы движения материи, называемой жизнью. Нередко вместо слов «обмен веществ» применяют термин «метаболизм». Вещества, возникающие в организме в результате обмена веществ, называют продуктами обмена, или метаболитами.
Биохимия по своему содержанию и методам тесно связана с физиологией — наукой о природе живых организмов, о фун- кциях и процессах, протекающих в живом организме и его ча- стях (органах, тканях, клетках). Физиология растений изучает
общие закономерности жизнедеятельности растительных организмов и разрабатывает пути управления ими. Задача фи- зиологии состоит в изучении процессов роста и развития, цве- тения и плодоношения растений, почвенного и воздушного питания, синтеза и накопления пластических веществ, т. е. совокупности всех тех процессов, которые определяют спо- собность роста и воспроизводства растений.
Введение
Биохимия развивалась в борьбе с господствовавшим в био- логии в XVIII в. и в четверти XIX в. идеалистическим учени- ем — витализмом, согласно которому организмы строят свои вещества с обязательным участием непознаваемой жизнен- ной силы, не подчиняющейся законам сохранения материи и энергии.
Достижения органической и биологической химии в XIX— XX вв. показали полную несостоятельность витализма. Немец- кий химик Ф. Велер в 1828 г. осуществил превращение неорга-
нического циановокислого аммония в хорошо известное органическое вещество мочевину, русский ученый А. М. Бутле- ров в 1861 г. получил из формальдегида сахаристые вещества, французский химик М. Бертло выполнил синтез ряда органиче- ских соединений. В изучения липидов важную роль сыграли ра- боты французского химика-органика М. Шеврёля, показавше- го, что жиры состоят из остатков жирных кислот и глицерина. Многие исследования, касающиеся структуры углеводов, ами- нокислот и белков, связаны с именем немецкого химика-орга- ника Э. Фишера, доказавшего, что аминокислоты связываются между собой посредством карбоксильных и аминогрупп, и обо- сновавшего полипептидную теорию строения белков.
В начале XIX в., в 1814 г., действительный член Российской академии наук К.С. Кирхгоф установил, что в проросшем зерне содержится вещество, вызывающее осахаривание крахмала. Это вещество было первым описанным наукой ферментом. Откры- тие Кирхгофа было началом развития ферментологии.
Крупный вклад в органический синтез внес русский химик Л.М. Бутлеров, разработавший в 1861 г. теорию строения орга- нических веществ. На основе этой теорий во второй половине X IX в. и в XX в. синтезировано множество соединений, начи- ная от простейших спиртов, кислот и эфиров до углеводов, витаминов, дубильных веществ и др. Многие крупные химики изучали процесс брожения. Французский ученый Л. Пастер
ввел в науку представление об анаэробных микроорганизмах и раскрыл природу процессов брожения. Немецкий химик и биолог Э. Бухнер в 1897 г. установил, что экстракт из дрожже- вых клеток способен сбраживать сахар. Основы учения о фо- тосинтезе были заложены швейцарским ученым К. Соссюром
8 |
9 |
Введение
в 1804 г. Знания о природе фотосинтеза, а также о физике и химии хлорофилла были значительно расширены исследова- ниями русского ученого К. А. Тимирязева.
Подлинный расцвет биохимии наступил в XX в. Важные открытия следовали одно за другим. Русский ученый Н.И. Лу- нин положил начало учению о витаминах — веществах орга-
нической природы без незначительных количеств которых наряду с белками, углеводами, жирами и минеральными со- лями невозможны нормальный рост и развитие живых орга- низмов. Выдающийся английский биохимик Ф. Гопкинс от- крыл трипептид глютатион, содержащийся во всех живых клетках, в том числе в зерне пшеницы (особенно много его в зародыше и в дрожжах). Глютатион влияет на активность мно- гих ферментов, особенно тех, действие которых связано с пре- вращениями белков и клейковины.
Большие успехи достигнуты в изучении состава, структуры и функций белка и нуклеиновых кислот. Расшифрована струк- тура многих нуклеиновых кислот и белков. Полипептидная теория строения белка обоснованная Э. Фишером составной частью входит в современную теорию строения белковой мо- лекулы, исходящей из того, что белки имеют четыре последо-
вательно возникающих уровня пространственной организации с использованием пептидных, водородных, дисульфидных, солевых сложноэфирных связей, а также сил ван-дер-ваальсо- ва взаимодействия, электростатического, гидрофобного взаи- модействий и др.
Расшифровано строение полипептидных цепей многих бел- ков, среди них инсулина — гормона белковой природы, выде- ляемого поджелудочной железой, ферментов рибонуклеазы, лизоцима, химотрипсина, растительного фермента папаина, белков, входящих в состав цитохромов-катализаторов, участву- ющих в процессе дыхания.
Вторая половина XX столетия характеризуется крупнейши- ми открытиями в области структуры и биосинтеза белков, ме- ханизма функционирования белков и нуклеиновых кислот. Русский исследователь А.А. Баев в 1967 г., развивая исследова- ния по биохимии нуклеиновых кислот, расшифровал структу- ру транспортной РНК (тРНК) — валиновой, переносящей при
10
Введение
синтезе белка аминокислоту валин. Им была построена двух- мерная модель молекулы РНК в виде линейно организован- ной цепочки структурных единиц— нуклеотидов, связанных между собой обычными (ковалентными) связями.
В 1970 г. американский ученый Г. Корана с сотрудниками впервые синтезировал ген носителя наследственной инфор- мации дрожжевого грибка. В 1971 г. английские исследовате- ли Р. Диксон и Дж. Постгэйт сообщили о пересадке гена асси- миляции молекулярного азота воздуха из клеток бактерий, способных осуществлять этот процесс, в клетки бактерий, ли- шенных такой способности.
Английские ученые Д. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. предложи- ли модели строения молекулы дезоксирибонуклеиновой кис- лоты (ДНК) — носительницы наследственности — в виде двой- ной завитой спирали, соединенной в одно целое водородными связями. С этого времени начинается создание новой науки — молекулярной биологии, совместившей достижения совре- менной генетики, биохимии, биофизики, кристаллографии, математики. В становлении молекулярной биологии, связан- ной с биохимией, сыграли большую роль идеи и методы клас- сической генетики, микробиологии, вирусологии, физики и химии полимеров, теории информации.
Важны исследования по расшифровке и пересадке генов азотфиксации. Этой способностью обладают только неко- торые микроорганизмы свободно живущие в почве или оби- тающие в клубеньках бобовых растений. Усиление процесса азотфиксации или наделение ими других, не обладающих по- добной особенностью растений, позволит повысить урожай- ность сельскохозяйственных культур не прибегая к азотсодер- жащим удобрениям.
С начала 80-х годов XX столетия возникла и стала развиваться генетическая инженерия — раздел молекулярной гене-тики, связанный с целенаправленным созданием in vitro новых комбинаций генетического материала, способного размножаться в клетке-хозяине и синтезировать измененные конечные продукты обмена. Положено начало технологии на-
правленного конструирования биологических объектов с новыми свойствами.
11