CC BY
163
664.685:664.71-1.002.35.069.85
ГИДРАТАЦИОННАЯСПОСОБНОСТЬ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛКОВ ПШЕНИЧНОЙ КЛЕЙКОВИНЫ
В.В. КОЛПАКОВА, О.Ю. СТУДЕННИКОВА
Московский государственный университет пищевых производств,
125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, 11; тел.: (499) 158-71-23, электронная почта: Уа1-ко1ракоуа@гашЫгг.ги
Представлены сведения о гидратационной способности как одном из главных техно-функциональных свойств пше -ничной клейковины. Обобщены особенности структуры, физико-химических свойств белков и факторы, обусловли -вающие гидратационную способность клейковины. Приведены современные сведения по вопросу формирования вяз -ко-упруго-эластичных свойств клейковины и теста.
Ключевые слова: клейковина, структурные особенности, техно-функциональные свойства, гидратационная способность.
Белки, обеспечивая организм человека незаменимыми аминокислотами, выполняют в составе пищевых продуктов и другие значительные функции. Способность белков придавать необходимую структуру и определять реологические свойства характеризуется комплексом показателей, объединяемых термином «техно-функциональные свойства». Последние выражают -ся как численными значениями, так и профилями их зависимостей от различных технологических факторов, учитывающих особенности процессов производства, хранения и реализации пищевых продуктов.
Несмотря на возрастающий интерес к сухой пшеничной клейковине, потенциальные возможности ее применения в пищевой промышленности, за исключением мукомольной и хлебопекарной отраслей, используются не полностью. Одной из причин является не-до статок данных по взаимосвязи физико - химических и биохимических свойств белков с техно-функциональ-ными показателями: растворимостью, способностью к пенообразованию, жироэмульгированию и др. Для обоснования возможности использования пшеничной клейковины в производстве пищевых продуктов необходим анализ сведений о свойствах ее белков в различных условиях ее поведения и переработки, о механизмах и природе взаимодействий.
Взаимодействия белков клейковины как между собой, так и с растворителями, а следовательно, поведение их в различных системах, зависят от последовательности аминокислотных остатков, соотношения гидрофильных и гидрофобных групп, наличия участков с разными структурными особенностями.
Одним из информативных техно-функциональных свойств белковых препаратов является гидратацион-ная способность, которая включает в себя водосвязывающую способность (ВСС) и растворимость [1]. Водосвязывающая способность пшеничной клейковины выражается в мономерном удерживании воды на поверхности гидрофильными группами остатков аминокислот (адсорбция) и дальнейшем последовательном связывании различного количества ее слоев при участии водородных связей (абсорбция). Общее количест-
во связанной воды на поверхности белков пшеничной клейковины может изменяться от 0,2 до 2,5 г/г и зависит от особенностей состава, структуры, способа обработки, рН, температуры, присутствия углеводов, липидов и т. д. Высокая способность белков удерживать воду в пищевых продуктах (хлебобулочные, мясные и др.) повышает их выход, удлиняет срок хранения и улучшает текстуру. При этом в пшеничном тесте, например, при добавлении сухой клейковины ВСС положительно коррелирует с количеством ее нерастворимой фракции и отрицательно - с содержанием растворимых белков.
Растворимые белки, как правило, мало изменяют вязкость, но хорошо стабилизируют суспензии и эмульсии. Сухая пшеничная клейковина не попадает под эти закономерности. Несмотря на более низкую, по сравнению с другими препаратами, растворимость в воде (2-3% против, к примеру, 72-78% у препаратов из сои), она образует стабильные эмульсии, пены [2] и даже структурированные коллоидные гели, выдерживающие нагревание, замораживание и сушку [3].
Природа растворителя и прежде всего присутствие воды и ее количество обеспечивают реологические свойства - эластичность, упругость, растяжимость, вязкость, имеющие первостепенное значение для формирования качества пшеничного хлеба [4-6]. Несмотря на то, что только взаимодействие глиадина и глюте-нина и их индивидуальные различия формируют уникальную структуру клейковины [7, 8], для ее эластичности и силы теста, по современным представлениям, большое значение имеют высокомолекулярные субъединицы глютенина (ВМСГ) [9, 10]. Показано, что ВМСГ, содержащие 35% глутамина, 20% глицина и 10% пролина от их общей массы, состоят из центральной повторяющейся зоны и расположенных по бокам неповторяющихся N и С-концевых зон [11], более богатых заряженными остатками аминокислот и содержащими большинство или все остатки цистеина [12]. Компьютерное моделирование [13], а также данные методов спектрального анализа и вискозиметрии показали, что повторяющиеся зоны имеют вторичную
структуру в виде свободной спирали с регулярными Р -витками и Р-пластинами в соотношении, зависящем от содержания воды, тогда как концевые зоны являют -ся по большей части а-спиралью, если они находятся в растворе трифлуороэтанола, и случайными кольцами -в растворе разбавленной уксусной кислоты или водном 50%-м растворе 1-пропанола [12].
Помимо свойств и взаимодействия повторяющихся зон в ВМСГ, для эластичности клейковины значимым является количество и межмолекулярное распределение -8-8-связей. Анализ последовательностей дисуль-фид-связанных пептидов, выполненный с помощью ферментного гидролиза глютенина и других фракций клейковины, показал множество меж- и внутрицепо-чечных -8-8-связей в ВМСГ [14]. В тоже время, роль дисульфидной структуры глютенина до конца не выяснена и не позволяет лишь распределением -8-8-связей обосновать реологические свойства клейковины.
Несмотря на широко утвердившееся мнение, что дисульфидно связанные цепи глютенина обеспечивают «эластичный каркас» клейковины, данные спектрального анализа свидетельствуют, что нековалентные связи, в частности водородные, также очень важны для структуры субъединиц глютенина и всего полимерного комплекса белков [15, 16].
Была предложена модель [13], объясняющая эластичные свойства ВМСГ исключительно ролью Р-витков глютенина по аналогии с эластином соединительной ткани млекопитающих. Однако позднее было показано [15], что при взаимодействии с водой поведение ВМСГ отличается от эластина. В результате была предложена модель «петель и цепей» [12], по которой при низком уровне гидратации с участием водородных связей остатков глутамина образуется значительное количество протеин-протеин взаимодействий в форме Р -спирали. С увеличением степени гидратации система пластифицируется и часть межцепочечных водородных связей разрывается с образованием большего количества водородных связей остаток глутамина-во-да, а в дальнейшем образуются области «петель». По данной теории, эластичность глютенина определяется равновесным соотношением между гидратированными «петлями» и водородно-связанными зонами «цепей», зависящим от степени гидратации, а растяжимость теста будет заключаться в растягивании «петель» и «расхождении» «цепей».
В результате образование водородно-связанных цепочек, вероятно, является механизмом, посредством которого в тесте сохраняется эластичная энергия, дающая объяснение увеличению сопротивляемости теста растяжению при замесе. Участие остатков глутамина в образовании межмолекулярных водородных связей подтверждается тем, что этерификация остатков глутамина приводила к снижению сопротивляемости растяжению, а в присутствии оксида дейтерия (Б20) сопротивляемость увеличивалась больше, чем в присутствии воды [17, 18].
Существуют также гипотезы, которые иначе объясняют реологические свойства теста при участии гидратированных белков клейковины, прежде всего гипотезы, основанные на способности последних к гелеобра-
зованию [19]. Принято считать, что в тесте клейковина находится в состоянии непрерывной белковой пространственной структуры (сети), а следовательно, в ней должно быть количество поперечных связей, превышающих некое критическое значение, обусловливающее переход золя в гель [20]. Поскольку концентрация клейковины в хлебном тесте составляет около 5%, то возникает сомнение, действительно ли в тесте присутствует полимерная сеть. Тогда было высказано предположение о наличии у клейковинных белков свойств синтетических ассоциативных полимеров [19], межмолекулярные взаимодействия которых за счет наличия нековалентных функциональных групп выражаются в высокой вязкости даже при низких концентрациях. При увеличении концентрации ассоциативные полимеры агрегируют и спонтанно образуют обратимый гель [21]. Механизм термообратимого геле-образования не требует нагревания, присутствия коагулянтов или связывающих агентов, а поперечные связи в обратимой сети ассоциативных полимеров, в отличие от физического гелеобразования, постоянно разрушаются и восстанавливаются. Термообратимое геле-образование характеризуется внутренней текучестью [22], т. е. каждая из полимерных цепей может диффундировать внутри сети благодаря постоянному распаду и восстановлению связей, несмотря на соединение с общей макроструктурой сети. В случае же физического гелеобразования, например желатина, при нагревании происходит «таяние», а при охлаждении - восстановление связей, которые становятся постоянными при температуре ниже точки плавления.
Поскольку в тесте присутствуют подвижные свободные тиолы, то, как минимум, часть дисульфидных связей клейковины, подвергаясь реакции обмена, проявляют свойства обратимых связей, а следовательно, пептиды глютенина являются природными ассоциативными полимерами [19]. Данная гипотеза подтверждена добавлением к клейковине цистеина, которое приводило к практически полному исчезновению полимерной сети за счет снижения взаимодействия между полимерами. Исследования вязкости также показали, что в тесте клейковина существует в форме обратимого геля вблизи гель-точки и содержит как фракцию геля, так и золя [19].
Выделенные сухие препараты клейковины обладают невысокой гелеобразующей способностью. Критическая концентрация гелеобразования составляет более 20%, гели мутные, невысокой прочности, склонные к синерезису [23]. Механизм гелеобразования требует термической обработки [24], изменяющей физико -химические свойства клейковины. По изменению растворимости клейковины при нагревании было доказано, что нарастание структуры и образование агрегатов белков осуществляется главным образом за счет усиления влияния дисульфидных связей [25]. При этом завершение формирования агрегатов происходит при температуре 120 и 135°С для глиадина и глютенина соответственно, а дальнейшее увеличение температуры ведет к термодеструкции белков.
При производстве сухой пшеничной клейковины препарат белка подвергается сушке, что может привес-
ти к его термической денатурации. Известно, что денатурированная сухая пшеничная клейковина имеет пониженную ВСС, поэтому ее применение часто неэффективно в технологических процессах. Установлено, что степень термической денатурации может быть определена по способности сухой клейковины образовывать осадок в растворе додецилсульфата натрия (8Б8) с молочной кислотой. Данная методика позволяет предсказать эффективность применения сухой пшеничной клейковины в хлебопечении [26].
Способность белков клейковины нацело переходить в раствор, также как и ВСС, в значительной степени зависит от особенностей строения белка и присутствия как ковалентных (дисульфидные), так и нековалентных (электростатические, водородные, гидрофобные) связей. Под влиянием различных факторов (рН, ионная сила, вид растворителя, добавки, температура) последние, как правило, разрушаются, что приводит к ослаблению способности белков взаимодействовать друг с другом и, наоборот, усилению взаимодействий с молекулами растворителя, а следовательно, и к переходу их в раствор.
Основной причиной низкой растворимости пшеничной клейковины являются высокая молекулярная масса - до 3 млн Да [27] - и значительные межмолеку-лярные взаимодействия, прежде всего гидрофобные. Поэтому растворимость как свойство, иногда ограничивающее применение пшеничной клейковины как белкового препарата, может быть повышена за счет уменьшения размеров молекул белков и ослабления межмолекулярных связей.
Межмолекулярные связи в пшеничной клейковине ослабляются или разрываются под действием определенных видов растворителей или при изменении рН. Доказано, что дисульфидные связи разрушаются под влиянием восстановителей (гидросульфит натрия, цистеин, глютатион, меркаптоэтанол, дитиоэритри-тол), водородные - под действием мочевины, ионные -при обработке уксусной, молочной кислотами или их солями или солями других кислот (салицилат натрия, лактат алюминия), а гидрофобные - спиртами, 8Б8 и цетилтриметиламмоний бромидом. Детальный анализ растворимости показал, что с помощью химических агентов, воздействующих на нековалентные связи, можно перевести в раствор не более 36-45% глютени-новой фракции клейковины [27]. Только воздействие едкого натра позволяет перевести в раствор более 90% глютенина, однако ведет к значительной денатурации белка, что исключает возможность применения этого растворителя.
Одним из эффективных способов улучшения растворимости и расширения области применения пшеничной клейковины является ферментная гидролитическая модификация [28, 29]. Получаемые пептиды имеют меньшую молекулярную массу и более низкую степень вторичной структуры, по сравнению с первоначальными протеинами, и, как правило, при определенной степени гидролиза обладают улучшенными пенообразующей и жироэмульгирующей способностями [30, 31]. При этом гидролизаты белка могут использоваться как функциональные ингредиенты и как усили-
тели вкуса и аромата в кондитерской промышленности, производстве безалкогольных напитков и соков и т п.
Исследование продуктов гидролиза клейковины па-паином [32] показало, что только глиадин и растворимый глютенин в значительной степени подвергались действию фермента, тогда как количество нерастворимого глютенина практически не сокращалось. Следовательно, нерастворимая фракция клейковины образована за счет взаимодействий, устойчивых не только к химическим агентам, но и к ферментам.
Введение определенных ингредиентов, например, гидроколлоидов полисахаридной природы, также является одним из приемов изменения растворимости пшеничной клейковины. Для очищенного белка клейковины наблюдалось ассоциативное взаимодействие с микробными полисахаридами (каррагинаны и альгинаты) [33]. Позднее было обнаружено [34], что взаимодействие клейковины с каррагинаном осуществляется за счет аминогрупп глутамина ее низкомолекулярной гидрофобной фракции и сульфатных групп гидроколлоида, в результате чего образуются гидрофильные комплексы гидроколлоид-протеин, изменяющие физико - химические свойства белка.
Более детальные исследования [35] показали, что количество растворенного протеина увеличивается в присутствии гидроколлоида с анионоактивными группами (-СОО- высокометоксилированного (ВМ) пектина, низкомолекулярного альгината натрия, ксантана и -OSO3- каррагинана), а добавление нейтрального гидроколлоида ( гуара и камеди рожкового дерева) не изменяет растворимости клейковины. Наибольший эффект в увеличении растворимости клейковины за счет взаимодействия полимеров и образования гидрофильных комплексов обеспечивали ВМ пектин и 1-каррагинан. Установлена избирательность взаимодействия гидроколлоидов с отдельными фракциями клейковины. Так, каррагинаны и ВМ пектин образовывали ассоциаты с фракцией средней молекулярной массы (30-42 кДа), в меньшей степени ВМ пектин взаимодействовал с высокомолекулярной (78-105 кДа) и низкомолекулярной (16-26 кДа) фракциями, а для альгината натрия и ксантана не обнаружено никакого избирательного действия.
Таким образом, приведенные сведения о зависимости гидратационной способности как одного из важнейших показателей качества пшеничной клейковины от особенностей физико-химических свойств белкового комплекса расширяют знания, однако не позволяют до конца предсказать закономерности ее поведения при гелеобразовании и формировании реологических свойств теста. Необходимы дальнейшие исследования в области изучения механизмов изменения данного свойства под влиянием различных технологических факторов, позволяющих регулировать гидратацион-ную способность с целью обеспечения надлежащего качества различных видов пищевых изделий с использованием пшеничной клейковины.
ЛИТЕРАТУРА
1. Растительный белок / Пер. с фр. В.Г. Долгополова; Под ред. Т.П. Микулович. - М.: Агропромиздат, 1991. - 684 с.
2. Ванин С.В., Колпакова В.В. Функциональные свойства сухой пшеничной клейковины разного качества // Изв. вузов. Пи -щевая технология. - 2007. - № 1. - С. 21-24.
3. Дубцова Г.Н., Колпакова В.В., Нечаев А.П. Использо -вание белковых продуктов из пшеницы в пищевых производствах // Обзорн. информ. Сер. Мукомольно-крупяная пром-сть. - М.: ЦНИИТЭИхлебопродуктов. - 1992. - 40 с.
4. FTIR and NMR studies on the hydration of a high-M subunit of glutenin / P.S. Belton, I.J. Colquhoun, A. Grant et all. // Int. J. Biol. Macromol. - 1995. - 17. - P. 74-80.
5. Hickman D.R. Biochemical studies of the high molecular weight glutenin subunits of bread wheat // Ph. D. Thesis, University of Bristol, U. K. - 1995.
6. Popineau Y., Bonenfant S., Cornec M., Pe’zolet M. A study by infrared spectroscopy of the conformations of gluten proteins differing in their gliadin and glutenin compositions // J. Cereal Sci. -1994. - 20. - P. 15-22.
7. Вакар А.Б. Растительные белки и их биосинтез. - М.: Наука, 1975. - С. 38-58.
8. Колпакова В.В. Молекулярные аспекты реологических свойств клейковины, теста и качества хлеба // Прикл. биохим. и мик-робиол. - 1994. - 30. - Вып. 4-5. - С. 535-549.
9. Boggini G., Pogna N.E. The bread-making quality and storage protein composition of Italian durum wheat // J. Cereal Sci. -1989. - 9. - P. 131-138.
10. Belton P.S. On the elasticity of wheat gluten // J. Cereal Sci.
- 1999. - 29. - P. 103-107.
11. Gianibelli M.C. New proteins for improving wheat quality // Ph. D. Thesis, University Of Western Sydney, Sydney, Australia. -1998.
12. Field J.M., Tatham A.S., Shewry P.R. The structure of high-M subunit of durum-wheat gluten (Triticum durum) // J. Biochem. -1987. - 247. - P. 215-221.
13. Tatham A.S., Miflin B.J., Shewry P.R. The beta-turn conformation in wheat gluten proteins: relationship to gluten elasticity // Cereal Chem. - 1985. - 62. - P. 405^42.
14. Kohler P., Keck B., Muller S., Wieser H. Disulphide bonds in wheat gluten // Wheat kernel proteins, molecular and functional aspects. - Viterbo, Italy: University of Tuscia, 1994. - P. 45-54.
15. 1 H and 2 H NMR relaxation studies of high Mr subunit of wheat glutenin and comparison with elastin / P.S. Belton, I.J. Colquhoun, J.M. Field et all. // J. Cereal Sci. - 1994. -19. - P. 115-121.
16. Expression and characterization of a highly repetitive peptide derived from a wheat seed storage protein / S.M. Gilbert, N. Wellner, P.S. Belton et all. // Biochim. Biophys. Acta. - 2000. -1479.
- P. 135-146.
17. Wellner N., Belton P.S., Tatham A.S. Fourier transform IR spectroscopic study of hydration induced structure changes in the solid state of w-gliadins // J. Biochem. - 1996. -319. - P. 741-747.
18. Bushuk W. Interactions in wheat dough // Interactions, the keys to cereal quality. - St Paul, Minn.: American Assn. of Cereal Chemists, 1998. - P. 1-14.
19. Mita T., Matsumoto H. Flow properties of aqueous gluten and gluten methyl ester dispersions // Cereal Chem. - 1981. -58. -P. 57-61.
20. Ьее C.C., Mulvaney S.J. Dynamic viscoelastic and tensile properties of gluten and glutenin gels of common wheats of different strength // J. Agric. Food Chem. - 2003. -51. - P. 2317-2327.
21. Nijenhuis K.T. Calculation of network parameters in thermoreversible gels // Polym. Gels Networks. - 1996. -4. - P. 415—433.
22. Rubinstein M., Dobrynin A.V. Associations leading to formation of reversible networks and gels // Curr. Opin. Colloid Interface Sci. - 1999. - 4. - P. 83-87.
23. Gelation behavior of wheat gluten by heat treatment followed by transglutaminase cross-linking reaction / J.-S. Wang, M.-M. Zhao, X.-Q. Yang et all. // Food Hydrocolloids. - 2007. -21. - Iss. 2. -P. 174-179.
24. Hansen L.P., Johnston P.H., Ferrel R.E. Heat-moisture effects on wheat flour. I.Physical chemical changes of flour proteins resulting from thermal processing // Cereal Chem. - 1975. -52. -P. 459-472.
25. Cuq B., Boutrot F., Redl A., Lullien-Pellerin V. Study of the temperature effect on the formation of wheat gluten network: Influence on mechanical properties and protein solubility // J. Agric. Food Chem. - 2000. - 48. - P. 2954-2959.
26. Weegles P.L., Hamer R.J. Predicting the baking quality of gluten // CFW. - 1989. - 34. - No 2. - Р. 42^5.
27. Вакар А.Б., Колпакова В .В. Растворимость глютенино-вой фракции клейковины // Вестн. с.-х. науки. - 1976. - № 7. -С. 45-50.
28. Kuehler C.A., Stine C.M. Effect of enzymatic hydrolysis on some functional properties of whey protein // J. Food Sci. - 1974. 39.
- P. 379-382.
29. Panyam D., Kilara A. Enhancing the functionality of food proteins by enzymatic modification // Trends Food Sci. Technol. - 1996.
- 7. - P. 120-125.
30. Kato A., Shimokawa K., Kobayashi K . Improvement of the functional properties of insoluble gluten by pronase digestion followed by dextran conjugation // J. Agric. Food Chem. - 1991. -39. -P. 1053-1056.
31. Linares E., Larre C., Le M.M., Popineau Y. Emulsifying and foaming properties of gluten hydrolysates with an increasing degree of hydrolysis: role of soluble and insoluble fractions // Cereal Chem. -2000. - 77. - P. 414-420.
32. Characterization of hydrolysates derived from enzymatic hydrolysis of wheat gluten / S. Wang, M.-M. Zhao, Q.-Z. Zhao et all. // J. Food Science. - 2007. - 72. - № 2. - P. 103-107.
33. Huebner F.R., Wall J.S. Polysaccharide interactions with wheat proteins and flour dough // Cereal Chem. - 1979. -56. - P. 68-73.
34. Interactions of different carrageenan isoforms and flour components in breadmaking / A.E. Leon, P.D. Ribotta, S.F. Ausar et all. // J. Agric. Food Chem. - 2000. -48. - P. 2634-2638.
35. Ribotta P.D., Asuar S.F., Beltramo D.M., Leon A.E. Interactions of hydrocolloids and sonicated-gluten proteins // Food Hydrocolloids. - 2005. - 19. - Iss. 1. - P. 93-99.
Поступила 02.06.08 г.
HYDRATION CAPACITY AND PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES OF WHEAT GLUTEN PROTEINS
V.V. KOLPAKOVA, O.YU. STUDENNIKOVA
Moskow State University of Food Production,
11, Volokolamskoe highway, Moskow, 125080; ph.: (499) 158-71-23, e-mail: [email protected]
Is talking about hydration capacity as one of the most important techno-functional properties of wheat gluten. Major structure features, pfysico-chemical properties and factors affect to hydration capacity are summarized. Modern data are presented about formation viscous-elastic properties of wheat gluten and dough.
Key words: wheat gluten, structure features, techno-functional properties, hydration capacity.
