Материал: Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П. - Биохимия зерна и хлебопродуктов

Введение

Генная инженерия открывает новые возможности в обла- сти борьбы с вредителями сельского хозяйства, так как при- менение химических препаратов иногда наносит существен- ный вред природной среде. Не нарушая природного баланса, при помощи генной инженерии можно добиться нужных ре- зультатов направленным изменением наследственного аппа-

рата вредителей в результате чего количество вредителей уменьшится.

Большая роль принадлежит генной инженерии в промыш- ленной микробиологии, в генно-инженерном конструирова- нии промышленных микроорганизмов, продуцирующих такие важные соединения, как ферменты, аминокислоты, антибио- тики, витамины и пищевые белки, биологические средства защиты растений, пептидные гормоны животных и человека и т.д. Во Всероссийском научно-исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроорганизмов вы- делены клоны* мутантных генов, кодирующих синтез амино- кислоты треонина. Получен штамм** по ряду параметров превосходящий все используемые в мировой практике в на- стоящее время продуценты L-треонина.

Проводят работы по введению в пекарские дрожжи генов, кодирующих пищевые белки овальбумина (основного белка куриного белка) и миозина (белка мышц).

Исследуют дрожжевые штаммы, использующие дешевые субстраты — этанол и метанол.

В рамках новой отрасли биологии — геномики завершили глобальный международный проект расшифровки генома че- ловека, представляющего собой набор генов не отдельной осо- би, а вида. Получаемые результаты открывают возможности установить генетические причины большинства болезней, ста- рения и смерти, во многом понять влияние наследственности на наши способности, таланты и недостатки. Геномика позво- лит расширить увеличение урожайности, улучшение качества

*Клон — совокупность клеток или особей, происходящих от общего пред- ка бесполым размножением. Клон — основная единица учета в генетике мик- роорганизмов.

**Штамм — чистая культура микроорганизма, выделенного из опреде- ленного источника или полученного в результате мутаций.

12

Введение

и повышения биологической ценности зерна и других сель- скохозяйственных культур.

КПД фотосинтетического использования энергии активной солнечной радиации (ФАР) у большинства растений невелик и составляет менее 1%, лишь у отдельных сельскохозяйственных культур достигает 1—2%. Интенсивность фотосинтеза можно повысить до 3—6% направленным изменением наследствен- ности зеленых пластид хлоропластов, улавливающих энергию солнца, используемую для усвоения углекислоты воздуха. Под- считано, что в зависимости от географической широты и осо- бенностей природной зоны можно будет получать урожаи зер- на на уровне 100—150 ц/га.

Повышается внимание к фитонцидам — веществам, проду- цируемым растениями и обладающим бактерицидными*, фунгицидными**, протистоцидными свойствами***.

Фитонциды играют важную роль в иммунитете растений и во взаимоотношениях организмов в биоценозах.

Методы биохимии имеют большое практическое значение для медицины, сельского хозяйства, отраслей промышленно- сти, перерабатывающих растительное сырье. Биохимия дает знания, необходимые для решения задач управления развити- ем растительных организмов, изучения закономерностей и регулирования синтеза веществ в растениях, создания новых форм организмов, селекции новых форм организмов, селек- ции новых сортов. Биохимия составляет научную основу хра- нения запасов зерна, плодов и овощей, выращиваемых в сель- ском хозяйстве и поступающих в переработку.

Академик А. И. Опарин указывал, что потери сельскохозяй- ственных продуктов, происходящие при хранении, — свиде- тельство нашего незнания физиологических, биохимических и микробиологических процессов, происходящих в раститель- ном сырье. Организация рационального хранения и борьбы с

*Бактерицид — химический или биологический препарат для защиты растений от бактериальных заболеваний.

**Фунгицид — химический или биологический препарат для защиты растений от грибковых заболеваний.

***Протистоциды — препараты для борьбы с простейшими организмами, вызывающими заболеваний растений и животных.

Введение

потерями растительного сырья, а также сведение их до мини-

мума возможны лишь на основе глубокого изучения сущности биохимических процессов и исследования влияния различных факторов, вызывающих эти процессы и потери при хранении. Правильная организация и совершенствование технологиче- ских процессов мукомольной, крупяной, комбикормовой, эле- ваторной, хлебопекарной промышленности возможны лишь на основе широкого использования биохимии. В результате накопления и обобщения научных исследований, практики хранения и переработки сельскохозяйственного сырья как на- учная дисциплина сложилась техническая биохимия, вклю- чающая биохимию зерна, биохимию хлебопечения и т.д.

Биохимия зерна изучает химический состав семян, зерна, муки, крупы и хлеба; биохимические процессы, происходящие при созревании и прорастании семян и зерна; биохимические процессы при хранении зерна и продуктов его переработки, а также пути борьбы с потерями при хранении; биохимические процессы, происходящие в зерне при его переработке; разра-

ботку научной основы мероприятий по улучшению качества муки, крупы и других продуктов из зерна и для системы произ- водственного технологического контроля; биохимические про- цессы в продуктах переработки зерна при их хранении; пище- вую ценность зерна и продуктов его переработки.

Итальянский ученый Беккари в 1745 г. опубликовал доклад

о выделении им из пшеничного теста отмыванием водой от крахмала и отрубей связной эластичной и упругой массы (клей- ковины). Обширные исследования клейковины выполнил член Петербургской академии наук Модель (1768 г.).

Развитие науки о зерне в нашей стране тесно связано с име- нем Д. И. Менделеева, исследовавшего клейковину, ее свойства и значение для хлебопечения. Сведения о химическом составе зерна пшеницы и зависимости содержания в нем белковых ве-

ществ от климатических и почвенных условий дал профессор Московского университета Н. Э. Лясковский в 1865 г.

На рубеже XIX и XX вв. американский биохимик Т. Б. Ос- борн изучил состав белков зерна (наиболее полно зерно пше- ницы). Исследования химического состава зерна пшеницы, ржи и ячменя в начале XX в. проводили П. П. Петров и Я.Я. Ни-

Введение

китинский, выдающийся русский агрохимик академик Д.Н. Прянишников, который прославился и как биохимик. Им выполнены ставшие классическими работы по азотистому пи- танию и химизму превращения белков в растительном орга- низме.

На протяжении XX в., особенно во вторую его половину, в нашей стране выполнено большое число научных исследова- ний в области биохимии зерна и хлебопродуктов — химиче- ского состава, процессов при хранении и переработке, пище- вого достоинства.

Большой вклад в биохимию растений и технической био- химии внесли академики А.Н. Бах и А.И. Опарин, основавшие

в1935 г. в Москве институт имени А.Н. Баха, превратившийся

вцентр научно- исследовательских работ по биохимии. Из об-

ширного круга вопросов над которыми работали эти ученые необходимо выделить исследования по ферментам, значитель- но расширившими представления о биохимических процес- сах в зерне и при производстве хлеба.

Вначале 4О-х годов академик В.А. Энгельгардт внес значи- тельный вклад в мировую науку, открыв дыхательное фосфо- рилирование — основу биоэнергетики. Русский ученый В.А. Белицер и ряд других ученых установили, что энергия, ос- вобождающаяся при окислительных процессах дыхания, трансформируется (запасается) в высокоэнергетических фос- фатных связях аденозинтрифосфорной кислоты (АТР). Энер- гия этих фосфатных связей приводит в действие механизм все- го разнообразия биологических функций.

Профессор Ленинградского института растениеводства Н.Н. Иванов выполнил большую работу по биохимической ха- рактеристике важнейших видов и сортов культурных растений. Профессор Московского университета А.Р. Кизель исследовал ферменты зерна, связь влажности зерна и зерновой массы с физиологическими и биохимическими процессами. Сотруд- ник Ленинградского института растениеводства К.М. Чинго- Чингас составил первую сводку мукомольных и хлебопекар- ных особенностей сортов советской пшеницы в 1922 и 1931 гг. Работы члена АМН СССР Б.И. Збарского показали роль бел- ков в питании человека и необходимость изучения аминокис-

Введение

лотного состава всего комплекса белков для характеристики биологической ценности пищевых продуктов.

Обширные исследования были посвящены разработке науч- ных основ уборки и хранения зерна. В работах А.Н. Баха, А.И. Опарина, А.Р. Кизеля, В.Л. Кретовича, Н.И. Соседова, М.И. Княгиничева, Н.И. Проскурякова подробно изучены био- химические процессы накопления в созревающем зерне основ- ных запасных веществ — белков и углеводов, и дана характери- стика его ферментов. Роль микроорганизмов в самосозревании зерновых масс и интенсивность их развития выяснены работа- ми Б.Л. Исаченко, Н.П. Михаловского, Е.Н. Мищустина, Л.А. Трисвятского, В.Л. Кретовича, Я.И. Раутенштейна. Труда- ми В.Л. Кретовича, А.П. Прохоровой, Е.Д. Казакова, Б.П. Не- красова выяснены биохимические аспекты и на их основе раз-

работаны практические режимы долгосрочного хранения зерновых запасов и научно обоснованные нормы убыли зерна при хранении. М. Голиком глубоко исследованы физиологичес- кие и биохимические процессы, происходящие при созревании, уборке и хранении кукурузы.

Проведены исследования по физиолого-биохимическим основам хранения и переработки масличных семян (A.M. Гол- довский, В.Л. Кретович, В.Г. Щербаков, В.М. Копейковский, А.И. Стародубцева). Детально изучен химический состав пше- ничного зерна и его анатомических частей (Н.В. Роменский);

химический состав промежуточных продуктов помола зерна на современных мельзаводах (С.Д. Чигирев, Н.И. Соседов; A.M. Братухин). Полученные результаты использовались при разработке схем помола и для стандартизации сортов муки.

Важное значение приобрел способ оценки качества муки по зольности, введенный в практику еще в 20-е годы П.А. Козь- миным и B.C. Смирновым. Многочисленные работы были по- священы изучению отдельных компонентов зерна — белков, углеводов, полисахаридов, липидов, минеральных веществ и т.д. (А.Р. Кизель, В.Л. Кретович, Н.П. Козьмина, Н.И. Сосе- дов, А.Б. Вакар, В.Ф. Голенков и многие другие). Работы по химии и биохимии зерновых культур были обобщены в моно- графии А.П. Нечаева и Ж.Я. Сандлер «Липиды зерна». Физи- ко-химические основы размола зерна разработаны Я.Н. Куп-

Введение

рицем и изложены в его монографии «Физико-химические основы зерна». Биохимические процессы при холодном и го- рячем кондиционирования (гидротермической обработке) зерна подробно исследованы Н.И. Соседовым, В.Л. Кретови- чем, Н.Н. Зотовой, Е.Д. Казаковым, И.А. Сахаровой.

В технологическом плане биохимическим процессам при гидротермической обработке зерна отведено большое место в грудах ГА. Егорова. Биохимические процессы нашли также отражение в работах Г.А. Егорова по проблеме тепломассооб- мена в зерне и в его двух монографиях, посвященных муко- мольно-технологическим признакам и свойствам зерна.

Активного участия биохимиков потребовали вопросы ис- пользования разных видов неполноценного зерна. Многочис- ленные исследования в этом направлении, выполненные в разные годы, обобщены в монографии Е.Д. Казакова и В.Л. Кретовича «Биохимия дефектного зерна и пути его ис- пользования».

Вода — среда и активный участник биохимических процес- сов в зерне на всех этапах его онтогенеза, хранения и перера- ботки. Без воды полностью прекращается действие фермен- тов — движущей силы биохимических процессов. Роль воды в зерне отражена в монографии «Вода, ее функции в зерне» (Е.Д. Казаков). Развитие крупнопромышленного хлебопечения и широкое строительство хлебозаводов в стране с начала 30-х годов XX столетия потребовало создания науки о хлебопече- нии. Этот труд был выполнен Л.Я. Ауэрманом, разработавшим основы науки о технологии заводского производства хлеба.

Перевод хлебопечения на индустриальные рельсы и широ- кое внедрение в хлебопекарную промышленность механиза- ции и автоматизации, создание автоматической техники не-

прерывного действия поставили перед учеными задачу глубокого познания сущности биохимических и микробиоло- гических процессов, лежащих в основе приготовления хлеба. Вначале особенно детально была исследована а-амилаза зер- на и муки, ее свойства, методы ее определения и подавления (Н.П. Козьмина, Н.И. Проскуряков, СИ. Пронин). Значитель- ное число работ было посвящено клейковине пшеницы от ко- торой зависит газоудерживающая способность теста и «сила»

Введение

муки. Разработаны условия и методы количественного опре-

деления содержания клейковины в зерне и муке и создан ряд приборов и методов для объективной оценки ее качества (Н.П. Козьмина, Л.Я. Ауэрман). Подробно исследовано влия- ние различных факторов на количество и качество клейкови- ны (Н.П. Козьмина, Л.Я. Ауэрман, В.Л. Кретович, А.Б. Вакар, К.Н. Чижова).

Проведенные в Институте биохимии им. А.Н. Баха АН

СССР исследования природы различий между клейковиной разного качества показали, что реологические свойства бел- кового комплекса клейковины зависят от дисульфидных и во- дородных связей и возможно от гидрофобных взаимодей- ствий. Количество и прочность этих связей определяют собой физические свойства клейковины в целом, т. е. ее качество (В.Л. Кретович, А.Б. Вакар). Было показано наличие клейко- вины в некоторых других злаках (ячмень, рожь, пырей) и ис- следованы ее свойства (П.Н. Шибаев, М.М. Самсонов, В.Л. Кретович). Установлено, что в образовании ароматиче- ского комплекса хлеба играет роль окислительно-восстанови- тельное взаимодействие восстанавливающих Сахаров и амино- кислот (реакция Майара). В образовании аромата хлеба принимают участие фурфурол, оксиметилфурфурол, ацеталь- дегид, изовалериановый альдегид и др. альдегиды, сопро- вождающие меланоидиновую реакцию (В.Л. Кретович, P.P. То- карева). При изучении кинетики образования летучих ароматических соединений хлеба в процессе выпечки было об- наружено, что в ароматический комплекс входят также про- дукты спиртового и молочнокислого брожения — альдегиды, органические кислоты, спирты и образующиеся при их взаи- модействии сложные эфиры (В.Л. Кретович, P.P. Токарева, В.И. Маклюкова). Для улучшения качества хлеба Московским технологическим институтом пищевой промышленности со- вместно с институтом биохимии им. А.Н. Баха АН СССР был предложен метод добавок соевой муки — источник фермента липоксигеназы (Л.Я. Ауэрман, В.Л. Кретович, Р.Д. Поландова). В результате работ Всесоюзного научно-исследовательского института хлебопекарной промышленности, проводившихся совместно с Институтом питания АМН СССР (Л.Я. Ауэрман,

Введение

В.А. Патт, А.А. Покровский) был разработан набор рациональ- ных смесей для новых видов хлеба повышенной пищевой цен- ности с увеличенным содержанием в хлебе белковых веществ, незаменимых аминокислот (лизина, триптофана, метионина), кальция и фосфора, витаминов, лецитина, полиненасыщен- ных жирных кислот.

Интенсивно проводятся исследования в области химиче- ских методов борьбы с вредителями зерновых запасов, изыс- кания более эффективных инсектицидов и методов их приме- нения (ГА. Закладной). Поставлена задача всемирного внедрения в растениеводство интенсивной технологии— ма-

гистрального пути увеличения продовольственного фонда страны, прежде всего зерна с высокой урожайностью и повы- шенным качеством — мукомольным и хлебопекарным. Сущ-

ность интенсивной технологии заключается в оптимизации условий выращивания.

Проводятся исследования биохимических и технологиче- ских свойств и показателей качества зерна выращенного на раз- личных уровнях окультуренности почвы (Г.П. Карпиленко).

Большое значение имеет дальнейшая разработка и совер-

шенствование на основе биохимических данных объективных методов оценки качества зерна и муки, а также методов техно-

химического контроля технологических процессов и качества ютовой продукции.

Особое значение здесь приобретает разработка и внедрение специальных экспрессных и автоматических методов на осно- ве хроматографии, электрофореза, спектроскопии, люминес- центного и изотопного анализа, а также других современных методов химического и физического анализа.

К основным научным центрам России по биохимии зерна и хлебопродуктов относятся институты биохимии им. А.Н. Баха РАН, Московский государственный университет пищевых производств, Всероссийский научно-исследовательский ин- ститут зерна и продуктов его переработки.

Глава 1

ВВОДНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ

§ 1. МЕТАБОЛИЗМ

Биохимию при изучении условно делят на статическую и динамическую. Статическая биохимия изучает химический состав и свойства веществ живых организмов. Задача динами- ческой биохимии — изучение превращений веществ в живых организмах. Это деление позволяет облегчить изучение био- химии. В действительности тот и другой аспекты познания биохимии невозможно расчленить. Невозможно изучить и понять превращения какого-либо вещества организма без зна- ния его строения и свойств и вместе с тем описания особенно- стей биохимических соединений без характеристики их пре- вращений в организме.

Для биологического обмена веществ характерно большое разнообразие химических соединений, степени их сложности, размеров и функций, что связано с различием форм и проч- ности химических связей, регулирующих это разнообразие.

Первоосновой этого разнообразия является своеобразие и большая разносторонность физико-химических свойств и по- ведение углерода. По всем численным признакам он занимает

стабильные четные места в периодической системе элементов Д.И. Менделеева: находится во 2-м периоде, II ряду, IV груп- пе; его атомный номер равен 6, в его заряде 6 протонов и 6 ней- тронов, а в орбите 6 электронов. Атом углерода четырехвален- тен. При любой химической реакции его атом приобретает заполненную стабильную электронную оболочку из 8 элект- ронов путем обобществления 4 электронов. В таком виде атом углерода способен соединяться с другими элементами основ- ной ковалентной связью с образованием органических веществ:

________________________________ВВОДНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ

Важной особенностью углерода является его способность образовывать двойные и тройные связи, наиболее часто встре- чаются двойные связи:

Соединяясь прочными ковалентными связями, углерод способен образовывать углеродные цепи практически неогра- ниченной длины. Многообразие органических соединений определяется и тем, что при одинаковом числе атомов углеро- да в молекуле возможны не только соединения с открытой не- замкнутой цепью атомов, но также вещества, которые содер- жат циклы (циклические соединения).

Совокупность всех происходящих химических, физических, коллоидных и других процессов, происходящих в организме с момента рождения и на протяжении его онтогенеза, т. е. за- рождения, а также индивидуального развития на протяжении

всей жизни до ее конца представляет собой биологический обмен веществ, коротко говоря «обмен веществ» или просто «обмен», его называют еще метаболизмом. В метаболизме — общей совокупности процессов — различают два вида химиче- ских реакций: катаболизм и анаболизм. Реакции расщепления, сопровождающиеся высвобождением энергии, составляют основу катаболизма (энергетического обмена или диссимиля- ции поступивших в организм пищевых продуктов). При ката- болизме высокомолекулярные органические вещества распа-

даются до простых веществ в результате разнообразных реакции (гидролиза, фосфоролиза, окисления) с одновремен- ным выделением свободной химической энергии, используе- мой затем на процессы жизнедеятельности. При анаболизме происходят реакции синтеза образования сложных высокомо- лекулярных веществ, входящих в ткани организма. Процессы обмена происходят между пищевыми продуктами (белки, уг-