Біохімія зерна та продуктів його переробки 1. Ферменти.

Ферменти (ензими) являють собою речовини білкової природи і є специфічними біологічними каталізаторами життєвих процесів рослинного й тваринного організму. Вони входять до складу всіх клітин і тканин та обумовлюють здатність живих організмів здійснювати величезну кількість різноманітних хімічних реакцій, пов'язаних з обміном речовин. Ферменти здатні прискорювати хімічні реакції в 10⁶-10⁹ разів.

Ферменти поділяються на однокомпонентні й двохкомпонентні. Однокомпонентні відносяться до простих білків-протеїнів; двохкомпонентні, що складаються з білкового і небілкового компонентів, відносяться до складних білків-протеїдів. До складу молекули цих ферментів як небілковий компонент нерідко входять вітаміни. Більшість гідролітичних ферментів відносяться до простих білків. Ферменти, які каталізують окислювально-відновлювальні процеси, звичайно належать до числа складних білків.

Активність ферментів залежить від реакції середовища, температури, від фізико-хімічного складу субстрату, деяких специфічно діючих на ферменти речовин (активатори і інгібітори) і інших факторів. Кожний фермент має свій температурний і рН-оптимум, при якому він проявляє максимальну активність.

Хімічний склад ферментів, так само як і білків, ще далеко не вивчений повністю, а тому визначення їхньої кількості викликає великі труднощі. Про активність ферментів судять по силі дії їх на певні речовини – субстрати. Кількість продуктів розпаду або синтезу, що утворюються при дії ферменту на субстрат, служить критерієм для визначення ступеня активності його.

Крім того, підвищення протеолітичної активності зерна супроводжується інтенсивним нагромадженням амінокислот у продуктах його переробки.

Протеолітичну активність ферментів визначають за характером розщеплення білкових речовин і за кількістю продуктів, що утворюються. Є наступні способи визначення кількості амінокислот:

- за вмістом азоту аміногруп або карбоксильних груп;

- за наростанням кількості водорозчинних білкових речовин;

- за виміром в'язкості розчинів желатину;

- за збільшенням кількості небілкових азотистих з'єднань, осаджуваних характерними осаджувачами білків;

- за індивідуальним обліком деяких амінокислот, що утворюються при гідролізі білкового субстрату (наприклад, сіркомістких амінокислот, тирозину).

Про інтенсивність протеолізу можна судити за кількістю зниклого субстрату або за кількістю продуктів гідролізу.

Білкові речовини зерна

Білки становлять основну масу органічних азотистих речовин рослин. Білки – це складні високомолекулярні сполуки, що перебувають в організмі в колоїдному стані. Молекула білка складається із залишків амінокислот, зв'язаних пептидними зв'язками в поліпептидні ланцюги, які можуть бути з’єднані між собою дисульфідними, ефірними, водневими та іншими зв'язками.

Молекула білка є амфотерним з'єднанням, тобто містить карбоксильні (кислі) і аміні (основні) групи.

Білкова молекула дуже лабільна, легко денатурує, в результаті чого змінюються її біологічні та фізико-хімічні властивості. Під дією ферментів, а також кислот, білки розщеплюються, утворюючи ряд проміжних продуктів дезагрегації (протеози, пептони, пептиди) і кінцеві продукти гідролізу – амінокислоти.

Білки розділяють на дві великі групи: прості білки – протеїни та складні – протеїди. Прості білки не містять небілкових груп, вони в основному складаються з амінокислот; складні – містять крім власно білка, ще й небілкову (простетичну) групу.

До простих білків відносяться альбуміни, глобуліни, проламіни, глютеліни, протаміни і гістони. Найбільша кількість альбумінів міститься в зелених частинах рослин.

Глобуліни є найпоширенішою групою природних білкових тіл. У рослинах глобуліни зустрічаються у великій кількості у вигляді відкладень у насінні. Глобуліни на відміну від альбумінів нерозчинні у воді. У насінні пшениці та жита із проламінів міститься гліадин; в насінні ячменя – гордеїн. В насінні злакових і зелених частинах рослин поряд з іншими білками містяться глютеліни. Гліадин і глютенін становлять білки клейковини.

До складних білків належать хромопротеїди (сполуки білка з пігментами); нуклеопротеїди, простетичною частиною яких є нуклеїнові кислоти; фосфопротеїди – білки, що містять фосфорну кислоту; глюкопротеїди – сполуки білка зі складними вуглеводами; ліпопротеїди – білки, з'єднані з жироподібними речовинами ліпоїдами.

У зародках насіння і в ядерній речовині клітин міститься велика кількість нуклеопротеїдів. Вони мають високу специфічність, беруть участь у синтезі білка, у передачі спадковості та в ряді інших важливих життєвих функціях рослинних і тваринних організмів. У цих процесах велику роль відіграють нуклеїнові кислоти, яких не менше, ніж індивідуальних білків.

Дихання зерна

Зерно, як всякий живий організм, дихає, і це має дуже велике значення при його зберіганні.

У зерні залежно від того, в яких умовах воно знаходиться, можуть здійснюватися два види дихання: аеробне і анаеробне (бродіння). Якщо доступ повітря достатній, то в зерні відбувається процес аеробного дихання. Якщо зерно зберігається без доступу повітря, в ньому відбувається процес анаеробного дихання.

Як відомо, сумарне рівняння аеробного дихання зерна

C₆H₁₂О₆ + О₂ ® 6СО₂ + 6Н₂О + 674 ккал (2867 кДж)

Таким чином, в результаті аеробного дихання споживаються цукор (глюкоза) і кисень, а утворюються вуглекислий газ і вода. Окрім СО₂ і Н₂О при диханні виділяється ще тепло: 674 ккал (2867 кДж) на одну грам-молекулу (180 г) витраченої глюкози.

Сумарне рівняння анаеробного дихання (спиртового бродіння)

C₆H₁₂О₆ ® 2С₂Н₅ОН + 2С0₂ + 28 ккал (117 кДж)

При анаеробному диханні також виділяється деяка кількість 28 ккал (117 кДж) на одну грам-молекулу витраченої глюкози.

Інтенсивне дихання зерна викликає значне витрачання його органічних речовин (глюкози). Іншими словами, приводить до зменшення сухої маси зерна.

Крім того, як це видно з рівняння, склад повітря в міжзерновому просторі змінюватиметься - кисень споживатиметься, а СО₂ накопичуватимеся. Бувають випадки, коли в повітрі міжзернового простору накопичується до 12-15 % і більш (у нормальному повітрі міститься всього лише 0,03 %) СО₂. І, як це видно з рівняння, в результаті посиленого дихання зерна виділяється вода. Таким чином, в результаті посиленого дихання зерна накопичуватимуться водяні пари і, отже, вологість зерна підвищуватиметься і інтенсивність дихання ще збільшується. Надзвичайно важливий наслідок інтенсивного дихання - виділення тепла. Зернова маса, як відомо, має погану теплопровідністю. Тому тепло, що виділяється в результаті інтенсивного дихання зерна, як би акумулюватиметься в зерновій масі, що у свою чергу сприятиме ще більшому посиленню процесу дихання і виникненню такого процесу як самозігрівання.

Якщо зерно знаходиться в герметичних умовах і в зерновій масі відбувається процес анаеробного дихання, зародок зерна гине від етилового спирту, що утворюється при цьому, який отруює зародок, і зерно втрачає схожість. Саме тому насіннєве зерно повинне зберігатися в умовах як можна кращого доступу повітря. Іноді при анаеробному диханні зерна разом із спиртним бродінням частково відбувається також процес молочнокислого бродіння, при якому з глюкози утворюється молочна кислота:

C₆H₁₂О₆ ® 2СН₃-СНОН-СООН

Інтенсивність дихання зерна залежить від ряду чинників, з яких найважливішими є вологість зерна і температура. Чим вище вологість зерна, тим інтенсивніше воно дихає. Важливо відзначити, що посилене дихання зерна починається тільки тоді, коли його вологість досягає певної величини.

Поки вологість не перевищує 14-15 %, інтенсивність дихання дуже незначна. Як тільки вологість перевищує 15 %, починається різкий підйом інтенсивності дихання: воно різко посилюється.

Вологість зерна, вище за яку починається таке різке посилення процесу дихання, називається критичною. Зазвичай критична вологість для зерна злаків і для насіння бобових культур складає 14-15 %.

Рослина	Вміст ліпідів, %
Соняшник (насіння)	30-58
Хлопок (насіння)	20-29
Соя (насіння)	15-25
Льон (насіння)	30-48
Арахіс (ядро)	50-61
Маслини (м’якоть)	28-50
Конопля (насіння)	32-38
Тунг (ядро плоду)	48-66
Рапс (насіння)	45-48
Гірчиця (насіння)	25-49
Пшениця (зернівка)	2,7
Овес (зернівка)	7,2
Кукурудза (зернівка)	5,6
Рис (зернівка)	2,9
Просо (зернівка)	4,5
Гречка	3,8
Кавун (насіння)	14-45
Какао (боби)	49-57
Кедр (ядро горіха)	26-28

Для багатого жиром насіння олійних культур критична вологість набагато нижча: вона дорівнює 8-9 %.

    Як відомо, жир не зв'язує вологу. Якщо, як би, скинути з рахунку жир і перерахувати кількість вологи, що міститься в олійному насінні, на знежирену речовину, то вийде також величина критичної вологості 15 %.

 Сухе зерно з вологістю 12-14 %, як правило, має дихальний коефіцієнт декілька вище за одиницю (1,2-1,3), оскільки зародок зерна, навіть у присутності кисню, частково дихає за типом анаеробного дихання (бродіння).

Якщо дихальний коефіцієнт менше одиниці, це означає, що кисню споживається більше, ніж виділяється СО₂. Це спостерігається при диханні олійного насіння, в якому жир, для того, щоб перетворитися на необхідний для дихання цукор (глюкозу), повинен заздалегідь окислюватися. Цей процес перетворення жиру в цукор вимагає деякої додаткової кількості кисню. Саме тому дихальний коефіцієнт олійного насіння, особливо якщо воно проростає, менше одиниці.

Ліпіди

Ліпідами (від грецьк. lipos – жир) називається велика група природних сполук, які відіграють значну роль у життєдіяльності всіх живих організмів (тварин, рослин, бактерій тощо). Разом з білками та вуглеводами вони становлять основу структури клітинних і тканинних мембран таких організмів. Ліпіди сприяють утворенню енергетичного резерву (депо) в організмі, захищають тканини від дії механічного впливу, температури, води.

Класифікація ліпідів. За походженням ліпіди поділяються на тваринні та рослинні. У рослинах ліпіди накопичуються, в основному, зростання.

Вміст ліпідів у насінні та плодах рослин

   У тварин та риб ліпіди накопичуються у тканинах, що оточують важливі органи (серце, нірки), підшкірних, мозкової і нервової тканинах. Вміст ліпідів у туші риб може досягати 20 – 25 %, у наземних тварин кількість ліпідів сильно коливається: у свинині – 33 %, яловичині – 9,8 %, м'ясі поросят – 3 %. У молоці кози – 5 %, корови – 3,5–4 %. Вміст ліпідів у тварин залежить від виду, складу кормів, умов життя та інших факторів.

До складу ліпідів входять різні за хімічною будовою структурні компоненти – вищі карбонові кислоти (ВКК), вищі спирти (ВС), аміноспирти, гліцерин, діоли, неорганічні кислоти (фосфатна), які утворюють здебільшого відповідні естери, а також етери та інші похідні. Така структурна різноплановість ліпідних речовин значно ускладнює їхню хімічну класифікацію. Загальною рисою ліпідів є нерозчинність у воді та розчинність в органічних розчинниках (нижчих спиртах, хлороформі та інших галогеналканах, бензені, ацетоні, діалкілових етерах, оліях). На цій загальній властивості ґрунтується віднесення до ліпідів таких сполук, як ВКК та їх естери (жири), ВС та їх естери з ВКК (воски), інші естери ВКК з аміноспиртами тощо.

В основу сучасної хімічної класифікації ліпідів покладений принцип структурної подібності речовин, згідно з яким ліпіди поділяються на групи:

Прості ліпіди – це ліпіди, які не містять атомів Нітрогену, Фосфору, Сульфуру. Це естери ВКК і спиртів: жири, воски. Найбільше важливою і поширеною групою простих ліпідів є ацилгліцерини. Ацилгліцерини (або гліцериди) – це естери гліцерина та ВКК. Вони складають основну масу ліпідів (іноді до 95 %) та, по суті, саме їх називають жирами та оліями.

Складні ліпіди, молекули яких містять не тільки залишки високомолекулярних карбонових кислот, але і фосфатну або сульфатну кислоти. Це фосфоліпіди, гліколіпіди (цереброзиди).

Єдиної системи класифікації ліпідних сполук практично немає. Віднесення до ліпідів сполук ізопреноїдної будови (каротини, вітаміни А), стероїдів (стерини, жовчні кислоти, гормони), деяких жиророзчинних вітамінів тощо є дискусійним і остаточно ще не вирішеним питанням.

ХАРЧОВА ЦІННІСТЬ ЖИРІВ

Рослинні та тваринні жири – обов'язковий компонент їжі, джерело енергетичного і пластичного матеріалу для організму людини, постачальник життєвонеобхідних речовин (незамінних жирних кислот, фосфоліпідів, жиророзчинних вітамінів, стеринів та ін.). Рекомендована норма жиру в раціоні людини 90–107 г на добу, за їх рахунок забезпечується 30–33 % енергетичної цінності раціону.

Недостатнє надходження в організм жиру може призвести до ряду порушень функцій центральної нервової системи, послабленню імунобіологічних механізмів, патологічних змін шкіри, нирок, органів зору. При без жировій дієті у тварин припиняється ріст, зменшується маса тіла, порушуються статева функція та водний обмін, зменшується виділення стероїдних гормонів у надниркових залозах, послаблюється стійкість організму до впливу несприятливих факторів, скорочується тривалість життя.

У складі харчових продуктів розрізняють «видимі жири» (рослинні, тваринні, вершкове масло, маргарин, кулінарний жир) та «невидимі» (жир у м'ясі та м'ясних продуктах, рибі, молоці, крупах, хлібобулочних та кондитерських виробах). Поділ умовний, але широко вживається.

Найбільш важливі джерела жирів у харчуванні – рослинні олії (99,8 %), вершкове масло (61,5–82,5 %), молочні продукти (3,5–30 %), шоколад (35–40 %), печиво (10–11 %), крупи, сири, ковбасні вироби.

У харчуванні важливу роль відіграє не тільки кількість але і хімічний склад жирів. Біологічна активність кислот різна. Найбільшу активність має арахідонова кислота. Лінолева і ліноленова кислоти не синтезуються в організмі, тому відносяться до «незамінних кислот». При відсутності цих кислот уповільнюється зростання організму і виникають важкі захворювання.

Незаміниі кислоти відіграють важливу роль в організмі:

– підвищують опірність різним інфекціям;

– знижують чутливість до радіоактивного випромінювання;

– утворюють сполуки з холестерином і перешкоджають його відкладенню в стінках судин, попереджаючи при цьому хворобу судин - атеросклероз;

– підтримуючи розумову активність, сприяють функціонуванню головного мозку і нервів. З метою зменшення надходження в організм жирів слід використовувати в харчуванні продукти з невеликим його вмістом, насамперед нежирне м'ясо, рибу, знежирене молоко та продукти їх переробки. Добова потреба в холестерині складає 0,5-1 г. Джерело екзогенного холестерину, при багатому на жирі раціоні – 1,4 г, а при бідній на жири їжі – від 0,04 до 0,11 г.