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

ГЛАВА 6

Амилазы — ферменты, под действием которых происходит гидролиз крахмала с образованием декстринов и мальтозы.

Амилазы гидролизуют неизмененные крахмальные зерна и крахмальный клейстер. Гидролиз неизмененных крахмальных гранул сопровождается образованием мальтозы и постепен- ным изменением формы крахмальных зерен — они как бы разъедаются ферментом и теряют свои первоначальные очер- тания. Скорость расщепления амилазами крахмала из зерна

разных культур и сортов или из разных частей одного и того же растения неодинакова. Эта различная податливость крахмала действию амилазы получила название атакуемости крахмала. Таким образом, скорость расщепления крахмала амилазой за- висит не только от количества и активности фермента, но так- же от атакуемости субстрата.

Атакуемость крахмала возрастает с уменьшением размеров крахмальных зерен, т. е. с увеличением их относительной по- верхности. Она резко возрастает также при механическом нару- шении структуры крахмальных зерен при их длительном пере- тирании в ступке или при помоле зерна на мукомольном заводе. Действие амилазы на неизмененные или механически повреж-

денные крахмальные зерна значительно слабее по сравнению с их действием на оклейстеренный крахмал. По этой причине во многих отраслях пищевой промышленности перед осахарива- нием крахмала солодом (источник активной амилазы) муку или картофель предварительно заваривают горячей водой.

Различают три амилазы: а-амилаза, б-амилаза и глюкоа- милаза.

а-Амилаза (3.2.1.1) — систематическое название 1,4-a-D- глю-кан-глюканогидролаза, старые названия — диастаза, птиалин, гликогеназа, декстриногенамилаза. a-Амилаза содержится в слюне, пищеварительном соке поджелудочной железы, в плесневых грибах, в проросшем зерне пшеницы, ржи, ячменя.

Характерной особенностью всех a-амилаз является нали- чие в них по крайней мере одного моля прочно связанного каль- ция на один моль фермента. Обработка фермента этилендиа- минтетраацетатом, связывающим кальций, его инактивирует. Роль кальция заключается в том, что он стабилизирует вто- ричную и третичную структуру молекулы a-амилазы, обеспе-

ФЕРМЕНТЫ

чивая таким образом ее каталитическую активность и предох- раняя фермент от действия протеолитических ферментов.

Атакуемость крахмала a-амилазой связана с количеством в грануле крахмала амилозы: крупные высокоамилозные грану- лы с большей легкостью атакуются а-амилазой.

Выявлена возможность наряду с активацией зимогенной амилазы ее новообразования в прорастающем зерне. При по- вышенной влажности атмосферы наблюдается усиление син- теза a-амилазы в созревающем зерне, что приводит к ухудше- нию хлебопекарных достоинств зерна.

б-Амилаза (3.2.1.2)— систематическое название 1,4-a-D- глюкан-мальтогидролаза, старые названия — диастаза, саха- рогенамилаза, гликогеназа. б-Амилаза находится в зерне пше- ницы, ржи, ячменя, в соевых бобах. Оба фермента существенно различаются по характеру действия на амилозу и амилопек- тин крахмала.

б-Амилаза расщепляет амилозу нацело, превращая ее на 100% в мальтозу (рис. 26). Амилопектин б-амилаза гидролизу- ет на мальтозу и декстрины, дающие коричнево-красное окра- шивание с йодом. б-амилаза расщепляет лишь свободные кон- цы глюкозных цепочек с образованием мальтозы. Ее действие прекращается, когда происходят разветвления в молекуле ами- лопектина (б-амилаза расщепляет амилопектин с образовани- ем мальтозы лишь на 54%). Декстрины, образовавшиеся при действии б-амилазы на амилопектин, гидролизуются а-ами-

лазой с образованием декстринов с меньшей молекулярной массой, не дающих окрашивания с йодом.

193

ГЛАВА 6

При последующем, длительном воздействии б-амилазы на крахмал около 85% его превращается в мальтозу. При действии (3-амилазы на крахмал образуются главным образом мальтоза и небольшое количество высокомолекулярных декстринов. При действии на крахмал а-амилазы образуются главным об- разом декстрины меньшей молекулярной массы и незначи- тельное количество мальтозы. Ни а-, ни б-амилазы в отдель-

ности не могут полностью гидролизовать крахмал или гликоген с образованием мальтозы.

При одновременном действии обеих амилаз крахмал гид- ролизуется на 95%.

а- и б-Амилазы различаются своим отношением к рН — б- амилаза может работать при более кислой среде (оптимальный рН 4,8), чем а-амилаза (рН 5,6—6,3). Вместе с тем б-амилаза бо- лее термолабильна (оптимальная t — 51 °С), а а-амилаза выдер- живает более высокую температуру (оптимальная t = 65 °С).

Оказывается, что разные а-амилазы различаются по своей термолабильности. Наиболее быстро при нагревании разру- шается грибная а-амилаза. На втором месте стоит зерновая а- амилаза (фермент из проросшего зерна или солода). Наиболее устойчива к нагреванию бактериальная а-амилаза.

Семена растений различаются по содержанию в них а- и б-амилазы. В непроросших семенах пшеницы и ячменя содер- жится только б-амилаза; а-амилаза образуется при прорастании.

Во ржи присутствуют оба фермента — а- и б-амилазы, при прорастании количество и активность а-амилазы резко возра- стает. В соевых бобах, непроросших и проросших встречается только б-амилаза. В непроросших семенах сорго имеется глав- ным образом а-амилаза.

Как и другие ферменты, амилазы могут находиться в клетке в связанном с белками виде, и тогда они лишаются гидролити- ческой активности. Связывание амилаз с белками играет боль- шую роль в регулировании их действия в прорастающем и со- зревающем зерне.

Экзо-1,4-а-глюкозидаза, ее чаще называют глюкоамилазой (3.2.1.3), имеет систематическое название 1,4-а-D-глюкан глюкогидролаза. Гидролизует крахмал с образованием преиму- щественно глюкозы и небольшого количества декстринов.

ФЕРМЕНТЫ

Препараты глюкоамилазы получают из плесневых грибов.

С помощью этого фермента получают глюкозную патоку и кристаллическую глюкозу.

Ферменты группы амидаз (3.5) — уреаза и глютаминаза. Уреаза (3.5.1.5) содержится в растениях, плесневых грибах и некоторых бактериях. Особенно большие количества уреазы содержатся в семенах сои и канавалии (род из семейства бобо- вых), из которых ее получают в кристаллическом виде. Актив- ную уреазу содержат также бактерии, разлагающие мочевину при разложении навоза. При этом мочевина расщепляется на аммиак и диоксид углерода:

Глютаминаза (3.5.1.2) катализирует гидролиз глютамина с

образованием глютаминовой кислоты и аммиака:

Ферменты четвертого класса — лиазы. Некоторые из них

катализируют отщепление воды, другие — отщепление диок- сида углерода или аммиака. Из ферментов этого класса рас- смотрим пируватдекарбоксилазу и лизиндекарбоксилазу.

Пируватдекарбоксилаза (4.4.1.1)— фермент, содержащий- ся в растениях и микроорганизмах и расщепляющий пирови- поградную кислоту на уксусный альдегид и СО :

Активная группа пируватдекарбоксилазы состоит из ви- гамина B1 (тиамина), соединенного с двумя остатками фос- форной кислоты. Ферментативному декарбоксилированию могут также подвергаться аминокислоты, в результате наряду с СО2 образуется соответствующий амин или аминокислота. Гак при декарбоксилировании лизина под действием лизин- декарбоксилазы (4.1.1.8) образуется пентаметилендиамин (кадаверин):

ГЛАВА 6_________________________________________________________

Ферменты пятого класса — изомеразы. Катализируют изоме-

ризацию органических соединений. Некоторые из них при- нимают участие в брожении теста.

Фермент триозофосфат-изомераза (5.3.1.1) катализирует превращение промежуточных продуктов брожения 3-фосфо- глицеринового альдегида и фосфодиоксиацетона:

Фермент глюкозофосфат-изомераза, или оксиизомераза (5.3.1.9) катализирует обратимое взаимное превращение глю- копиранозо-6-фосфата и фруктофуранозо-6-фосфата:

ФЕРМЕНТЫ

Таким образом, глюкозофосфат-изомераза катализирует взаимное превращение фосфорных эфиров глюкозы и фрук- тозы. В высших растениях эти взаимные превращения глюко- зы и фруктозы происходят с чрезвычайной легкостью.

Ферменты шестого класса — лигазы. В этот класс входят фер-

менты: глютаминсинтетаза, аспарагинсинтетаза, глютатион- синтетаза, пируваткарбоксилаза.

Глютаминсинтетаза (6.3.1.2) катализирует реакцию синте- за глютамина из глютаминовой кислоты и аммиака:

Аспарагинсинтетаза (6.3.1.1) катализирует аналогичную реакцию синтеза аспарагина.

Глютатионсинтетаза (6.3.2.3) катализирует при участии АТР синтез восстановленного глютатиона из у-глютамилцистеина и глицина:

Карбоксилазы — ферменты, которые при участии АТР

катализируют присоединение диоксида углерода к различным органическим кислотам, т. е. удлинение углеродной цепочки.

Так, пируваткарбоксилаза (6.4.1.1) катализирует реакцию синтеза щавелевоуксусной кислоты из пировиноградной кис- лоты: Н2О + АТР + пировиноградная кислота + СО2 = АДР + + Н3РО4 + щавелевоуксусная кислота. Карбоксилазы, катали- зирующие присоединение СО2, содержат в качестве просте- тической группы биотин.

Ферменты играют большую роль во всех процессах выра- щивания зерна в поле, при послеуборочном дозревании, хра- нении, при его переработке в мукомольном производстве, хле- бопечении, производстве круп и макарон, пивоварении, спирто-водочном производстве и в ряде других отраслей пи- щевой промышленности.

ГЛАВА 6__________________________________________________________

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое ферменты?

2.Каково значение ферментов для живых организмов и в различных отраслях народного хозяйства?

3.Каков механизм действия ферментов?

4.При каких условиях действуют ферменты?

5.Какова классификация и номенклатура ферментов?

6.Как измеряют активность ферментов?

7.Какие реакции в зерне катализируют ферменты зерна монофенолмонооксигеназа (тирозиназа), каталаза и липокси- геназа?

8.Какое практическое значение имеют эти ферменты при хранении и переработке зерна?

9.Что такое ферменты трансферазы, каково их значение в процессах, происходящих в зерне?

10.Каково значение протеаз для хлебопечения?

11.Какие существуют протеазы, каков характер действия различных протеаз?

12.Каков характер действия триацилглицерол-липазы?

13.Как характеризуется действие а-глюкозидазы и б-фрук- тофуранозидазы?

14.Каковы особенности действия а-амилазы, б-амилазы и глюкоамилазы?

15.Что такое пируватдекарбоксилаза, каков характер ее дей ствия?

Глава 7

УГЛЕВОДЫ

§ 1. ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ

Углеводы составляют главную массу зерна и семян — при- мерно две трети. Это основной питательный и опорный мате- риал растительных клеток и тканей. Велика их роль в питании человека, они — основная часть кормов сельскохозяйственных животных. Многие углеводы находят широкое техническое применение. Значение углеводов для живых организмов в том, что они представляют собой энергетический материал — глав- ный источник калорий. Сахара — основной субстрат брожения и дыхания. Все углеводы разделяют на две группы: монозы, или моносахариды и полиозы, или полисахариды, состоящие из остатков молекул моносахаридов. Важнейшие углеводы, встре- чающиеся в зерне, представлены в следующей схеме:

ГЛАВА 7_____________________________________________________________

§ 2. МОНОСАХАРИДЫ

Моносахариды (пентозы и гексозы) легко растворимы в воде, труднее в спирте, нерастворимы в эфире. Многие из них имеют сладкий вкус. При нагревании обугливаются. Они ней- тральны, но являются сильными восстановителями. Осажда-

ют серебро из аммиачного раствора азотнокислотного серебра и закись меди из фелинговой жидкости. Последняя реакция лежит в основе методы Бертрана, при помощи которого по количеству выпавшей закиси меди (Сu2О) определяют содер- жание восстанавливающих (редуцирующих) Сахаров.

Пентозы. К ним относятся арабиноза, ксилоза и рибоза. Арабиноза и ксилоза образуют ряд сложных полисахаридов — пентозанов, которые входят в состав клеточных стенок. Осо- бенно их много в семенных и плодовых оболочках.

Кроме арабинозы и ксилозы, в состав пентозанов входят и другие пентозы. Пентозам свойственна характерная общая ре- акция — при нагревании с умеренно разбавленной соляной или серной кислотой они, потеряв три молекулы воды, образуют

пятичленное кольцо летучего гетероциклического альдегида фурфурола:

В малых концентрациях фурфурол обладает приятным за- пахом свежего ржаного хлеба. Он входит в состав веществ, оп- ределяющих аромат хлеба. Фурфурол с соляной кислотой и анилином дает интенсивное красное окрашивание, что исполь- зуют для качественного и количественного определения пен- тоз.

УГЛЕВОДЫ

L-Арабиноза существует в двух видах:

Преобладает циклическая полуацетальная или окисленная форма. В растворах, на нециклическую форму приходится примерно 1%. L-Арабиноза широко распространена в расте- ниях, входит в состав пентозанов, гемицеллюлоз, пектиновых и других веществ, которых много в отрубях, соломе, початках кукурузы. В небольших количествах L-арабиноза может быть в свободном виде. В зерне ржи содержится 1,0—1,5% свобод- ной арабинозы. Дрожжами не сбраживается.

D-Ксилоза встречается также в двух формах:

D-Ксилозу называют иногда древесным сахаром. Содержание пентозанов различно и составляет: в целом

пшеничном зерне (% сухого вещества) —8,1, эндосперме — 2,72, зародыше — 9,74, оболочках и алейроновом слое — 36,65. Дрожжами пентозаны не сбраживаются, организмом челове- ка не усваиваются.

Пентозаны разделяют на водорастворимые (РП) и нера- створимые (НРП), но растворяющиеся в водных растворах щелочей.