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

ГЛАВА 12___________________________________________________________

§ 4. ПРОРАСТАНИЕ ЗЕРНА

Прорастание зерна — начальный этап жизненного цикла растения. Для прорастания семени требуются строго определен- ные условия — достаточная влажность, тепло и воздух (кисло- род). Прорастание начинается с поглощения семенем влаги и набухания (в среднем до 50% к массе семени). Если набухание происходит в почве, то семя, развивая большее давление, раздви- гает частички почвы. Тронувшийся в рост зародыш разрывает покрывающие его оболочки. Главная особенность прорастания

иего общая биохимическая направленность — распад в эндос- перме и семядолях высокомолекулярных веществ до низкомоле- кулярных растворимых веществ при участии влаги и под действи- ем ферментов. Другая особенность прорастания заключается в том, что если в эндосперме происходят в основном гидролити- ческие процессы, то в зародыше преобладают процессы синтеза.

Образовавшиеся при гидролизе и растворившиеся в воде низкомолекулярные вещества перемещаются в зону зародыша

издесь под влиянием соответствующих ферментов использу- ются как «строительный» материал для биосинтеза более слож- ных органических веществ, из которых формируются ткани, а затем органы нового растения.

Если для индивидуального развития растения (онтогенеза) прорастание семени — естественный и обязательный этап жизненного цикла, то для хранения и промышленной перера- ботки зерна этот процесс нежелателен, он приводит к сниже- нию его качества и порче. Проросшее зерно характеризуется увеличением зародыша, появлением зародышевого корешка и почечки, коричневой окраски зародыша. Мука из проросшего зерна имеет сладковатый вкус. Зерно увеличивается в объеме, снижается его сыпучесть, уменьшается вязкость водно-муч- ной суспензии, повышается доля растворимых в воде веществ (редуцирующих Сахаров и др.).

Основной показатель глубоких биохимических изменений, происходящих в прорастающем зерне, — усиление действия ферментов, прежде всего амилолитического комплекса. Осо- бенно высокую активность приобретает а-амилаза (рис. 51). Активизирующиеся протеолитические ферменты гидролизу-

_______________ БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СОЗРЕВАНИЯ ЗЕРНА

ют белки с образованием полипептидов и аминокислот. При прорастании зерна интенсивно проявляется действие проте- индисульфидредуктазы, катализирующей восстановление ди-

сульфидных связей в белках с образованием сульфгидрильных групп. Прорастание сопровождается увеличением в зерне со- держания свободного восстановленного глютатиона. В эндо- сперме и проростках пшеницы на протяжении первых 5 сут. проращивания наблюдается биосинтез протеин-дисульфид- редуктазы, что приводит к непрерывному повышению ее ак- тивности. Одновременно в клейковине уменьшается содержа- ние дисульфидных связей, и она значительно ослабляется.

При прорастании в зерне происходит повышение активно- сти ряда других ферментов, например пентозаназ, гидролизу- ющих пентозаны, что сказывается на реологических свойствах геста. Действие активизирующихся при прорастании фермен- тов носит сложный характер. Экспериментально доказано, что свободная а-амилаза разжижает тесто, а непредельные жир- ные кислоты, выделяющиеся из жира под влиянием триацил- глицероллипазы, наоборот, укрепляют его.

Таким образом, конечное реологическое состояние теста сле- дует рассматривать как суммарный результат действия всей сово- купности ферментов муки. Сухая масса зерна при прорастании очень сильно уменьшается, так как в этот период зерно теряет большое количество содержащихся в нем органических веществ.

Потери происходят от прорастания и повышения интенсивности дыха- ния. Отсюда вытекает, что пророс- шее зерно хранить значительно труд- нее, чем нормальное. Изменение химического состава зерна при про- растании можно проследить на при- мере кукурузы (табл. 68).

В исходном зерне крахмала было 73,95%, а в проросшем его стало 17,15%, т. е. произошла убыль крах- мала. Вместе с тем в исходном зерне не было найдено сахара, а в про- росшем его было 21,04%. Таким

ГЛАВА 12

Таблица 68

Изменение химического состава зерна кукурузы при прорастании, %

образом, при прорастании, в результате расщепления крахмала

происходит значительное нарастание содержания сахара в зерне. В исходном зерне азота было 2,5%, а в проросшем 3,2%, т. е. количество азота в зерне как будто бы увеличилось. Но это увеличение только кажущееся. При определении содержания азота в исследуемом исходном и проросшем зерне найдено оди- наковое его количество. Однако при расчете процентного со- держания азота в сухом веществе наблюдается его увеличение: это происходит потому, что содержание крахмала резко сни- жается, так как значительная его часть расходуется в процессе дыхания. Количество сухого вещества в зерне уменьшается, а относительное содержание азота увеличивается.

В зерне ячменя (табл. 69) с первых же часов прорастания уменьшается содержание крахмала. В начале прорастания ко-

Таблица 69

Изменение углеводно-амилазного комплекса зерна ячменя при разных сроках прорастания

* Число падения и атакуемость крахмала а-амилазой измерены на приборе определения числа падения.

________________БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СОЗРЕВАНИЯ ЗЕРНА

личество восстанавливающих Сахаров и сахарозы (фруктозидов

вцелом) снижается, а при дальнейшем прорастании резко воз- растает. Уменьшение содержания Сахаров объясняется их рас- ходованием на возрастающее интенсивное дыхание. Увеличе-

ние количества восстанавливающих Сахаров при последующем хранении объясняется тем, что интенсифицирующийся про- цесс ферментативного распада крахмала значительно опережа- ет потерю Сахаров, используемых при дыхании зерна.

Наблюдения над проросшим зерном ячменя позволили обнаружить снижение числа падения, а также вязкости суспен- зий на амилографе (рис. 52). Эти изменения объясняются глав- ным образом повышенной активностью а-амилазы. При про-

растании семян увеличивается содержание органических кислот (табл. 70), причем в проростках бобовых их накапливается боль- ше, чем в проростках злаков и особенно масличных культур.

Прорастание сопровождается снижением содержания жи- ров. Так, за 7 сут. прорастания семян подсолнечника количе- ство жиров уменьшилось на 66%, а за 14 сут. — на 95%; у семян сои за 14 сут. прорастания оно снизилось на 98%. В семядолях

и в зародышах прорастающих семян не только уменьшается содержание жиров, но значительно изменяется и состав жир- ных кислот. Это вызвано возросшей активностью ферментов (триацилглицероллипазы, липоксигеназы и др.), участвующих

впревращении липидов и жирных кислот. Под влиянием фер- ментов протеаз при прорастании происходит гидролиз запас- ных белков и накопление пептидов и аминокислот.

Аминокислоты, образовавшиеся в семядолях или эндоспер- ме, передвигаются в растущие части семени. Одни аминокисло- ты передвигаются из эндосперма в зародыш в неизменном виде, другие предварительно превращаются в глютамин и аспарагин. Во взаимосвязи эндосперма с зародышем важная роль принадле- жит щитку. Это не только транспортное звено, по которому мета- болиты из эндосперма перемещаются в зародыш и наоборот. Щиток, богатый ферментами, является местом синтеза многих жизненно необходимых новому растению соединений.

Наиболее легко на корню прорастает зерно ржи. В наи- большей степени это наблюдается на северо-востоке и севе- ро-западе европейской территории России, где созревание

ГЛАВА 12______________________________________________________________

ржи и ее уборка проходят в усло- виях повышенной влажности.

Повышенная склонность ржи к прорастанию на корню вызвана коротким периодом покоя ее зерновки. В проросшем зерне

ржи повышается ферментативная атакуемость крахмала зерна и возрастает общее количество во- дорастворимых веществ, декст- ринов, восстанавливающих саха- ров (табл. 71). Все эти изменения

резко ухудшают хлебопекарные достоинства зерна ржи.

На хлебопекарные достоин- ства пшеницы существенное вли- яние оказывает изменение азот- содержащих веществ, и прежде всего, содержание и качество клейковины. Из таблиц 72 и 73

видно, что после прорастания спелого зерна пшеницы в тече- ние 1 сут. в нем не происходит изменений в содержании клей- ковины и азотистых веществ. Вместе с тем качество клейкови- ны заметно изменяется в сторону ослабления. Прорастание спелого зерна пшеницы в течение 3 сут. приводит к значи-

тельному уменьшению количества сырой и сухой клейковины и резкому ухудшению ее качества. Клейковина становится очень слабой, одновременно уменьшается ее гидратационная способность.

Наблюдается дезагрегация клейковинного комплекса и частичный протеолиз белка. Это увеличивает содержание водо- растворимых белковых фракций и небелковых веществ в зерне. Содержание свободных аминокислот в зерне пшеницы возрас- тало через 3 сут. прорастания в 7 раз и через 5 сут. — в 10 раз. На пятые сутки прорастания клейковина полностью разрушалась.

При прорастании зерна наблюдается быстрое уменьшение содержания дисульфидных связей и увеличение количества сульфгидрильных групп. В течение первых суток прорастания

________________БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СОЗРЕВАНИЯ ЗЕРНА

Таблица 70

Образование органических кислот при прорастании семян, г на 1000 семян и проростков

общее содержание дисульфидных связей в неклейковинных белках уменьшается почти на 50%, причем расщепляются глав- ным образом «скрытые» дисульфидные связи неклейковин- ных белков (альбуминов и глобулинов). Дисульфидные связи клейковинного белка расщепляются за 1-е сут. прорастания только на 19%, причем «скрытые» дисульфидные связи оста- ются незатронутыми, что отвечает относительно небольшим

Таблица 71

Биохимические особенности обойной муки из проросшего зерна ржи

ГЛАВА 12 _______________________________________________ ____________

Таблица 72

Изменения в зерне пшеницы на разных фазах прорастания

изменениям качества клейковины за этот период. Прораста- ние в течение 3 сут. приводит к уменьшению общего количе- ства дисульфидных связей как клейковинного, так и неклей- ковинного белка на 63,5%. «Скрытые» дисульфидные связи клейковинного белка расщепляются на 58%, что приводит к значительной дезагрегации клейковины, уменьшению ее ко- личества и резкому ухудшению ее качества. Характерный для изменения качества клейковины показатель отношения содер- жания дисульфидных связей и сульфгидрильных групп —S— S—/—SH при прорастании изменился следующим образом:

Качество клейковины и сила при прорастании зерна изме- няются у сильной и слабой пшеницы по-разному: у слабой — в

Таблица 73

Изменения, происходящие при прорастании зерна пшеницы

338

БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СОЗРЕВАНИЯ ЗЕРНА

большей степени, у сильной — в меньшей. Различие в измене- нии реологических свойств клейковины в зерне сильной и сла-

бой пшеницы при прорастании соответственно сказывается на хлебопекарных достоинствах муки.

Изменение хлебопекарных достоинств пшеничной муки из проросшего зерна зависит от исходного качества клейко- вины. Прорастание не во всех случаях приводит к ухудшению качества хлеба. Гидролиз белковых веществ при прорастании зерна с крепкой исходной клейковиной может оказывать по-

ложительное влияние на хлебопекарные достоинства муки и качество хлеба, тогда как изменение клейковины слабой пше- ницы уже на первой стадии прорастания приводит к ухудше- нию качества. Пшеничная мука из проросшего зерна или из партии пшеницы, содержащей проросшие зерна, дает неудовлетворительный по качеству хлеб с липким, понижен- ной эластичности, сладковатым мякишем, характерной кор- кой красновато-буроватой окраски. Подовый хлеб имеет по- вышенную расплываемость (особенно при большой степени прорастания).

Исследованиями, проведенными в Институте молекуляр- ной биологии и биохимии АН Казахстана определено, что в муке 70%-ного выхода из зерна пшеницы, прораставшего в те- чение 12—72 ч, протеолитическая активность оказалась в 4 раза меньше, чем в целом зерне вследствие удаления алейронового слоя, где локализовано 95,8% протеаз. В такой муке протеоли-

тические ферменты не оказывают значительного влияния на снижение ее качества. Ухудшение реологических свойств теста

и других технологических характеристик происходит за счет увеличения газообразующей способности теста в результате по- вышения амилазной активности. Качество клейковины из муки прорастающего зерна пшеницы, следовательно, не все-

гда может служить объективным показателем ухудшения его хлебопекарных достоинств.

При прорастании пшеничного зерна происходят незначитель- ные изменения в липидном комплексе (табл. 74). Содержание свободных липидов при прорастании пшеницы несколько сни- жается, а связанных — возрастает. Жирно-кислотный состав ли- пидов практически не изменяется. Содержание каротиноидов