Влияние Pн и температуры на активность и устойчивость каталазы жмыха зародышей пшеницы

Алексеева Татьяна Васильевна; Родионов Александр Анатольевич; Калгина Юлия Олеговна; Веснина Анна Александровна; Зяблов Максим Михайлович

сельскохозяйственные науки agricultural sciences

DOI: 10.12731/wsd-2016-2-10 УДК 547.455.647

ВЛИЯНИЕ PН И ТЕМПЕРАТУРЫ НА АКТИВНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ КАТАЛАЗЫ ЖМЫХА ЗАРОДЫШЕЙ ПШЕНИЦЫ

Алексеева Т.В., Родионов А.А., Калгина Ю. О., Веснина А.А., Зяблов М.М.

Представлены результаты исследований касательно роли каталазы как определяющего фактора при хранении жмыха зародышей пшеницы. Рассмотрено и проанализировано влияние рН среды и температуры на активность каталазы жмыха зародышей пшеницы.

Ключевые слова: каталаза; жмых зародышей пшеницы.

EFFECT OF PН AND TEMPERATURE ON ACTIVITY OF CATALASE IN WHEAT GERMS CA^

Alekseeva T.V., RodionovА.А., Kalgina Y.O., Vesnina A.A., Zyablov М.М.

The results of investigation on role of catalase as the governing factor at storage of wheat germs are provided. The рН and temperature on activity of catalase in wheat germs oilcake is examined and discussed. Keywords: catalase; wheat germs cake.

Введение

Комплексная программа развития биотехнологий в РФ, государственная политика РФ в области здорового питания населения на период до

2020 года, государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия направлены на развитие производства пищевых продуктов, обогащенных незаменимыми компонентами, продуктов функционального назначения, распространение технологий глубокой переработки сельскохозяйственного сырья на принципах безотходного производства, рациональное использование вторичных продуктов, снижение отходов пищевой промышленности.

С этой точки зрения представляет интерес продукт глубокой переработки зерна пшеницы - жмых зародышей пшеницы (ЖЗП), который является нативным растительным компонентом, обладающим высокой пищевой и биологической ценностью. В его состав входят витамины А и Е, витамины группы В, более 20 макро- и микроэлементов. Благодаря ценному биохимическому составу и высоким функционально-технологическим свойствам ЖЗП имеет значительные перспективы при применении в пищевой, кондитерской, парфюмерной промышленности и медицине. Однако, ЖЗП вследствие высокого содержания липидов (8-10%), в состав которых входит до 80% полиненасыщенных жирных кислот (включая ю-3 и ю-6 жирные кислоты) обладает низкой стабильностью при хранении [1, 2].

Каталаза (КФ 1.11.1.6) - фермент из группы оксидоредуктаз, катализирующий окислительно-восстановительную реакцию, в ходе которой из двух молекул перекиси водорода образуются вода и кислород. При хранении и переработке ЖЗП каталаза выполняет отрицательную функцию. Инициатором процесса прогоркания жиров ЖЗП является липаза (КФ 3.1.1.3), под действием которой происходит гидролиз липидов с образованием свободных жирных кислот и дальнейшее интенсивное окисление последних. При участии липоксигеназы (КФ 1.13.11.12) параллельно идет глубокий распад гидроперекисей жирных кислот на продукты кислой природы. Действие каталазы приводит к выделению кислорода, интенсифицирующего окислительные процессы в продукте. В результате данной цепной реакции, приводящей к образованию гидроперекисей в

ЖЗП и других более глубоких продуктов окисления и распада липидов, возникает неприятный запах и резкий прогорклый вкус в продукте [3, 5].

Целью работы является исследование влияния рН и температуры на активность и устойчивость каталазы ЖЗП как существенных факторов, влияющих на параметры хранения продукта.

Материалы и методы исследования

В работе использовали зародыши пшеницы (ЗП), вырабатываемые промышленным способом (ТУ 9295-010-00932732-08 «Хлопья зародышевые пшеничные пищевые»). В исследованиях применяли партии ЗП, полученных при переработке зерна пшеницы различных сортов и типов, доставленных из Белгородской, Липецкой и Воронежской областей (ОАО «Комбинат хлебопродуктов «Старооскольский», ОАО «Бутурлиновский мелькомбинат», ООО «Тонекс», ОАО «Липецкий комбинат хлебопродуктов»). Переработку партий ЗП осуществляли методом холодного прессования в условиях производства ООО «Тонекс» (Белгородская обл.). Продукт комплексной переработки ЗП - ЖЗП соответствовал требованиям соответствующих ТУ (ТУ 9295-014-18062042-06 «Мука зародышей пшеницы пищевого назначения «ВИТАЗАР»).

Препарат каталазы ЖЗП получали путем механического измельчения на лабораторной мельнице и гомогенизации объекта фосфатно-цитрат-ным буфером (рН 7,4). Первая стадия очистки - осаждение ферментного препарата 96,5 %-ным этиловым спиртом при температуре 2-4 °С. Осадок отделяли на рефрижераторной центрифуге при 5000 g и высушивали под вакуумом. Фермент освобождали от балластных белков фракциони-рованим сульфатом аммония. Осадок выпадал при насыщении сульфатом аммония 60-80%. Его растворяли в минимальном количестве буфера. Из раствора фермента низкомолекулярные примеси удаляли с помощью гель-фильтрации на сефадексе G-25. Заключительным этапом очистки была гель-фильтрация на сефадексе G-100 («Pharmacia», Швеция). Был получен ферментный препарат с 80-кратной степенью очистки и удельной активностью 545,2 ед. на 1 мг белка.

За единицу активности принимали количество мМ пероксида водорода, разложившегося за время инкубации на 1 мл ферментного препарата, при 37оС и рН=7,4 [3, 4].

Результаты исследования и их обсуждение

Температура и рН - это два важнейших фактора, которые необходимо учитывать как при инактивации каталазы с целью длительного сохранения ЖЗП, так и при получении ее препаратов (рис. 1 и 2). Активность фермента определяли в интервале рН 4-9 при оптимальной температуре и выражали в процентах от максимальной (рис. 1). Оптимум рН для каталазы сосредоточен в области 7,3-7,8.

100 -80 -60 -40 -20 -0 -

4 5 6 7 8 9 10 11 12 Рис. 1. Зависимость активности каталазы пшеничных зародышей от рН среды

при температуре 37°С

При оптимальном значении рН было определено влияние температуры на активность фермента, температурный оптимум составил 37 ±2оС.

Изучение термо- и рН-стабильности фермента представляет существенный интерес, так как эти показатели могут являться важными критериями при выборе условий хранения ЖЗП и режимов технологической

обработки пищевых изделий с включением ЖЗП. При исследовании кинетики инактивации каталазы ЖЗП, по истечении определенных промежутков времени отбирали пробы из инкубационной среды и определяли остаточную активность фермента.

100 -

80 -60 -40 -20 -0 -

0 10 20 30 40 50 60 70 Рис. 2. Зависимость активности каталазы пшеничных зародышей от температуры при рН среды 7,4

Воспользовавшись данными по динамике инактивации, мы рассчитали константы скорости инактивации. Наибольшую стабильность фермент проявлял при рН 8,0 и температуре 20оС (табл. 1).

Повышение температуры приводило к значительному увеличению Кср, которые более резко возрастали при высоких концентрациях ионов водорода и повышении температуры 40 оС и выше. Мы рассчитали изменение энтропии ДЗ^ переходного состояния фермента из активной формы в инактивированную.

Из полученных данных следует, что высокая концентрация ионов Н+ ведет к интенсивному переходу белковой глобулы фермента в хаотический клубок при низких температурах, видимо, это связано с активным разрушением электростатических связей (табл. 2).

Таблица 1.

Константы скорости инактивации каталазы жмыха зародышей пшеницы

Температура, оС К ■ 102, ч-1

рН 4 рН 5 рН 6 рН 7 рН 8

20 4,1 3,3 2,4 1,9 1,4

40 95,9 41,8 27,1 19,6 12,9

60 630,9 524,8 409,3 344,4 289,1

Таблица 2.

Влияние температуры и рН на величину энтропии переходного состояния каталазы жмыха зародышей пшеницы

Интервал температур, оС рН Дж ■ град ■ моль-1

20-40 170,079

40-60 40,943

20-40 33,965

40-60 190,717

Обратная ситуация отмечается при рН 8,0. При высоких температурах идет интенсивное разрушение белковой глобулы, что объясняется разрушением гидрофобных взаимодействий неполярных участков молекул.

Заключение

На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что при инактивации каталазы ЖЗП при низких температурах основную роль выполняют Н+ ионы, а при высоких - тепловая энергия. Фермент имеет низкую кислотную и термическую устойчивость, что дает возможность использовать эти характеристики для подавления действия фермента при хранении ЖЗП и подборе технологических параметров обработки пищевых продуктов с применением ЖЗП.

Список литературы

1. Алексеева Т.В. Биотехнологический потенциал фракций глубокой переработки низкомасличного сырья: балансирование ПНЖК - состава, прогнозирование качества, новые технологии: Диссертация доктора технических наук. 2015. Т. 1. 332 с.

2. Алексеева Т.В. Управление качеством пищевых систем с прогнозируемым биопотенциалом на основе продуктов переработки отечественного низкомасличного сырья / Т.В. Алексеева, А.А. Родионов, А.А. Веснина // Вестник ВГУИТ. 2015. № 3 (65). С. 127-131.

3. Becker D.J., Lowe J.B. Fucose: biosynthesis and biological function in mammals by Catalase // Glycobiology. 2003. V. 13(7). P. 41-53.

4. Жеребцов Н.А. Лабораторный практикум по биохимии: учебное пособие / Н.А. Жеребцов, В.С. Григоров, О.С. Корнеева, Л.В. Спивакова. Воронеж, 2000. 138 с.

5. Родионова Н.С., Алексеева Т.В. Теоретические аспекты разработки технологий и компонентного состава растительной комплексной пищевой системы на основе продуктов глубокой переработки низкомасличного сырья: монография. Воронеж: Изд-во «ВГУИТ», 2014. 224 с.

References

1. Alekseeva T. V. Biotekhnologicheskiy potentsialfraktsiy glubokoy pererabotki nizkomaslichnogo syr 'ya: balansirovanie PNZhK - sostava, prognozirovanie kachestva, novye tekhnologii [Biotechnological potential fractions of deep processing of low oilseeds: balancing PUFA - structure, forecasting quality, new technologies]. 2015. V. 1. 332 p.

2. Alekseeva T.V., Rodionov A.A., Vesmna A.A. Vestnik VGUIT. 2015. № 3 (65). Р?. 127-131.

3. Becker D.J., Lowe J.B. Glycobiology. 2003. V. 13(7). P. 41-53.

4. Zherebtsov N.A., Grigorov V. S., Korneeva O.S., Spivakova L.V. Laboratornyy praktikum po biokhimii [Laboratory workshop on Biochemistry]. Voronezh, 2000. 138 p.

5. Rodionova N.S., Alekseeva T. V. Teoreticheskie aspekty razrabotki tekhnologiy i komponentnogo sostava rastitel'noy kompleksnoy pishchevoy sistemy na os-nove produktov glubokoy pererabotki nizkomaslichnogo syr 'ya [Theoretical aspects of technology development and component composition of plant food complex systems based on deep-processing products nizkomaslichnogo raw materials]. Voronezh: VGUIT, 2014. 224 p.

ДАННЫЕ ОБ АВТОРАХ Алексеева Татьяна Васильевна, д.т.н., профессор кафедры сервиса и ресторанного бизнеса

Воронежский государственный университет инженерных технологий