close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

55.БИОХИМИЯ РАСТЕНИЕВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ДЕПАРТАМЕНТ КАДРОВОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ
РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. П.А. КОСТЫЧЕВА
О. В.САВИНА
Биохимия
растениеводческой продукции
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ДЕПАРТАМЕНТ КАДРОВОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ
РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. П.А. КОСТЫЧЕВА
О. В.САВИНА
БИОХИМИЯ РАСТЕНИЕВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ
(учебно-методическое пособие с лабораторным практикумом)
Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области товароведения и экспертизы товаров в качестве учебного пособия для
студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 100800.62 «Товароведение»
Р Я З А Н Ь, 2013
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 581.19 : 663/635
ББК 28.57 я 73
ISBN
978-5-98660-160-1
Автор:
С-13
О.В.Савина – доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Рецензенты:
Новиков Н.Н., доктор биологических наук, профессор кафедры
агрономической, биологической химии и радиологии Химии ФГБОУ ВПО
«РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева»
Габибов М.А., доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры биологии и методики её преподавания ФГБОУ ВПО «РГУ им. С.А. Есенина»
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов, изучающих
товароведение и экспертизу в сфере производства и обращения сельскохозяйственного сырья и продовольственных товаров.
Краткие теоретические основы курса «Биохимия растениеводческой продукции», приведенные в пособии, знакомят студентов со строением и функциями основных групп веществ, составляющих растениеводческую продукцию и
превращением их при переработке и хранении.
В лабораторном практикуме, приведенном во второй части пособия, рассмотрены важнейшие биохимические методы исследования растениеводческого сырья и продукции.
В конце пособия приведен краткий словарь биохимических терминов, а
также список литературы, рекомендованной для изучения дисциплины «Биохимия растениеводческой продукции». В приложении содержится справочный
материал по химическому составу основных видов растениеводческой продукции.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 100800.62 «Товароведение», а также может
быть широко использовано студентами других специальностей, магистрантами,
аспирантами, научными сотрудниками, изучающими товароведение растениеводческой продукции.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ………………………………………………………
1
2
3
4
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОХИМИИ
РАСТЕНИЕВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................... …….
Органические азотистые вещества растений…………………………..
1.1. Аминокислоты……………………………………………………
1.1.1. Общее строение …………………………………………….
1.1.2.Классификация ……………………………………………….
1.1.3. Свойства аминокислот……………………………………
1.1.4. Влияние аминокислот на качество растениеводческой
продукции при хранении и переработке...............................
1.2. Белки…………………………………………………………………
1.2.1. Значение и содержание белков в растении
1.2.2. Строение и пространственная организация белковой молекулы………………………………………………………………
1.2.3. Классификация белков растений............................................
1.2.4. Свойства белков....................................................................
1.2.5. Функции белков в растениях................................................
1.2.6. Биологическая ценность растительных белков…………..
1.3. Нуклеиновые кислоты.................................................................
1.4. Пептиды...........................................................................................
1.5. Амины……………………………………………………………….
1.6. Бетаины……………………………………………………………..
Углеводы…………………………………………………………………..
2.1. Моносахариды...................................................................................
2.2. Олигосахариды.................................................................................
2.3. Превращения сахаров при высокотемпературной переработке
растительного сырья……………………………………………….
2.4. Высшие полисахариды ( полиозы)...................................................
2.5. Превращение углеводов при созревании и хранении растениеводческой продукции……………………………………………
2.6. Дыхание растениеводческой продукции........................................
2.7. Брожение ……………………………………………………………
Органические кислоты ……………………………………………………
Липиды ……………………………………………………………………
4.1. Значение и распространение липидов в растениях………………..
4.2. Классификация липидов растений…………………………………
4.3. Функции липидов в растениях………………………………………
4.4. Простые липиды………………………………………………………
4.4.1. Нейтральные жиры………………………………………..
4.4.2. Прогоркание жиров………………………………………..
4.4.3. Воски ……………………………………………………..
4.5. Сложные липиды…………………………………………………….
6
6
8
10
10
10
11
16
17
19
19
20
22
25
27
29
33
33
34
35
36
37
41
42
43
50
52
55
58
62
62
64
65
66
66
70
71
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5
6
7
8
4.5.1. Фосфолипиды…………………………………………………
72
4.5.2. Гликолипиды ……………………………………………….
74
4.6.Стероидные липиды (стеролы)………………………………………
75
4.7. Терпены..............................................................................................
76
Метаболиты вторичного происхождения……………………………….
80
5.1. Алкалоиды
81
5.1.1. Общая характеристика алкалоидов…………………………
81
5.1.2. Отдельные представители алкалоидов……………………….
83
5.2. Гликозиды ………………………………………………………….
86
5.3. Фенольные соединения ……………………………………………..
90
5.3.1. Классификация и характеристика отдельных представителей
91
фенольных соединений…………………………………………
5.3.2. Полимерные фенольные соединения ………………………..
95
Ферменты ………………………………………………………………….
97
6.1. Механизм действия ферментов………………………………………
97
6.2. Строение ферментов………………………………………………….
99
6.3. Классификация и номенклатура ферментов………………………
100
6.4. Изменение активности ферментов в зависимости от условий сре104
ды………………………………………………………………………..
6.4.1.Влияние температуры………………………………………….
104
6.4.2. Влияние рН среды……………………………………………
105
6.4.3. Влияние концентрации фермента и субстрата………………
106
6.4.4. Активаторы и ингибиторы ферментов……………………….
107
6.5. Локализация ферментов в растениях………………………………
108
6.6. Изменение активности ферментов при хранении растениеводче109
ской продукции…………………………………………………….
6.7. Применение ферментов при переработке растениеводческой
110
продукции.......................................................................
Витамины………………………………………………………………….
111
7.1. Общая характеристика витаминов………………………………….. 111
7.2. Изменение содержания витаминов при хранении и переработке
119
растениеводческой продукции…………………………………….
Минеральный состав растительных тканей …………………………….. 122
8.1. Роль минеральных элементов в жизни растений…………………
123
8.2. Минеральные вещества семян растений……………………………. 126
8.3. Минеральные вещества картофеля, овощей и плодов……………..
128
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………
Основные требования техники безопасности при выполнении лабораторных работ по биохимии……………………………………………….
Первая помощь при несчастных случаях…………………………….
1 ОРГАНИЧЕСКИЕ АЗОТИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА РАСТЕНИЙ………
1.1. Аминокислоты……………………………………………………
1.1.1. Определение свободных аминокислот а растительном сырье
7
133
134
135
136
136
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2
3
4
5
6
7
методом формального титрования…………………………
1.2. Белки………………………………………………………………
1.2.1. Выделение отдельных белковых фракций из семян бобовых
и масличных культур…………………………………………
1.2.2. Выделение белков из зерна злаков и изучение их
свойств……………………………………………………………
УГЛЕВОДЫ……………………………………………………………….
2.1. Моносахариды…………………………………………………….
2.1.1. Определение глюкозы в картофеле йодометрическим методом
2.2. Полисахариды………………………………………………………
2.2.1. Определение происхождения растительного крахмала………..
2.2.2. Выделение и количественное определение растворимого
пектина……………………………………………………
ЛИПИДЫ…………………………………………………………………
3.1. Определение сырого жира в масличном сырье……………………..
3.2. Определение жировых чисел растительных масел……………
МЕТАБОЛИТЫ ВТОРИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ………………..
4.1.Определение содержания таннина в чае……………………………..
ФЕРМЕНТЫ………………………………………………………………
5.1.Определение активности каталазы в зерновом сырье……………...
5.2.Изучение влияния количества пероксидазы на её активность…….
5.3. Определение активности амилолитических ферментов
в различном сырье………………………………………………
5.4. Определение оптимальных условий действия амилолитических
ферментных препаратов …………………………………………
5.5. Определение активности липаз в семенах злаковых и масличных
культур…………………………………………………………
ВИТАМИНЫ……………………………………………………………
6.1. Жирорастворимые витамины…………………………………
6.1.1. Определение содержания каротина в растительном сырье
колориметрическим методом…………………………….
6.2. Водорастворимые витамины ……………………………………….
6.2.1. Определение аскорбиновой кислоты ( витамина С )
в растительном сырье…………………………………………….
6.2.2. Определение содержания витамина Р в растительном сырье
ДЫХАНИЕ…………………………………………………………………
7.1.Исследование зависимости интенсивности дыхания от температуры……………………………………………………………………
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА……………………………………
КРАТКИЙ СЛОВАРЬ БИОХИМИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ……………..
ПРИЛОЖЕНИЯ 1-7. Средний химический состав основных видов
растениеводческой продукции
8
140
140
143
148
148
148
152
152
154
157
157
160
165
165
168
168
171
174
178
182
185
185
185
188
188
192
194
193
198
199
204
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данное пособие предназначено для студентов, изучающих товароведение
и экспертизу в сфере производства и обращения сельскохозяйственного сырья
и продовольственных товаров.
Биохимия для товароведов должна составить научную основу оценки качества и пищевой ценности сырья и продуктов. В основе товароведной оценки
растениеводческой продукции лежат биохимические показатели и превращения. Знание природы биохимических веществ, составляющих продукцию, путей их превращения при получении и хранении сырья и продуктов, изучение
факторов, регулирующих ход биохимических превращений в сырье и продукции, даёт возможность установить те или иные особенности данной партии сырья или продукции, наметить наиболее рациональный путь её использования и
соответствующий режим хранения или технологического процесса. Всё это
позволит в конечном итоге свести до минимума количественные и качественные потери в продукции при хранении и переработке.
Первая часть предлагаемого учебного пособия содержит краткие теоретические основы курса «Биохимия растениеводческой продукции», которые
знакомят студентов со строением и функциями основных групп веществ, составляющих растениеводческую продукцию и превращением их при переработке и хранении. Работа над курсом биохимии предполагает знание студентами основ органической химии и анатомии пищевого сырья. В конце каждого
раздела приведены контрольные вопросы, которые могут помочь студентам
проконтролировать освоение отдельных разделов курса.
В лабораторном практикуме, приведенном во второй части пособия, рассмотрены важнейшие биохимические методы исследования растениеводческого сырья и продукции. Каждая работа содержит краткие теоретические положения по теме исследования, описание методики проведения анализов и обрабо тки их результатов. В методике каждой лабораторной работы изложен принцип
метода определения того или иного показателя, приведен перечень необходимых реактивов, показаны схемы записи и расчета результатов анализов. Для
более глубокого и полного понимания изучаемого материала указаны ко нтрольные вопросы, которые студент должен самостоятельно проработать для
защиты лабораторных работ.
В конце пособия приведен краткий словарь биохимических терминов, а
также список литературы, рекомендованной для изучения дисциплины «Биохимия растениеводческой продукции». В приложении содержится справочный
материал по химическому составу основных видов растениеводческой продукции.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению бакалавриата 080100 «Товароведение», а
также может быть широко использовано студентами других специальностей,
магистрантами, аспирантами, научными сотрудниками, изучающими товароведение растениеводческой продукции.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
БИОХИМИИ РАСТЕНИЕВОДЧЕСКОЙ
ПРОДУКЦИИ
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Биохимия или биологическая химия является частью общей биологии и
изучает химический состав живых организмов и химические превращения веществ и энергии, находящиеся в основе жизнедеятельности организмов. Современную биохимию в полной мере можно считать наукой, главная цель которой - познание химических основ жизненных явлений.
Биохимия подразделяется:
- на статическую – занимается анализом химического состава живых организмов;
- динамическую – изучает превращения веществ и энергии в организмах;
- функциональную – исследует процессы, лежащие в основе определенных
проявлений жизнедеятельности.
В зависимости от объекта исследования различают:
- биохимию растений;
- биохимию животных;
- биохимию микроорганизмов;
- биохимию человека (медицинская биохимия)
Объектом исследования биохимии растениеводческой продукции являются сельскохозяйственные растения или их органы, которые непосредственно
употребляются в пищу или служат сырьём для переработки. Растениеводческая
продукция с точки зрения биохимии представляет наибольший интерес, т.к. она
принципиально отличается от животного. Главная её особенность в том, что мы
имеем дело с живыми организмами, в которых и после отделения их от материнского растения, не прекращается течение биохимических процессов, пр одолжается обмен веществ, направленный на сохранение жизнедеятельности
клетки. Направление и скорость этих процессов оказывает непосредственное
влияние на формирование потребительских свойств растениеводческой продукции.
Выращиваемые сельскохозяйственные растения должны обеспечивать
потребности человека в определенных химических веществах, входящих в их
состав. Состав растительных клеток имеет много общего с составом всех живых организмов. Основными органическими соединениями, из которых построены ткани растений, являются: азотистые вещества (белки, аминокислоты, амиды, нуклеиновые кислоты), углеводы, липиды (жиры и жироподобные вещества), вода, минеральные соли. Кроме этого, в составе растительных тканей
присутствуют некоторые другие органические вещества: органические кислоты, углеводороды, спирты, альдегиды. Есть вещества, характерные только для
растительных тканей: эфирные масла, алкалоиды, гликозиды, дубильные вещества. И наконец, в тканях растений, как правило, небольших количествах присутствуют вещества, играющие первостепенную роль в регуляции всего обмена
веществ. Их объединяют в группу биологически активных соединений: ферменты, витамины, гормоны, антибиотики, фитонциды и др.
Сведения о химическом составе наиболее распространенных сельскохозяйственных культур приведены в приложениях 1-7. Следует иметь в виду, что
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
химический состав растений сильно варьирует в зависимости от сорта, климата,
почв и условий выращивания. Поэтому приведенные в таблицах средние данные дают только общее представление о содержании тех или иных веществ и
могут служит для ориентировочной оценки пищевой ценности растениеводческой продукции.
В последующих разделах кратко разбираются строение и функции основных групп веществ, составляющих ткани растений, и их превращения при
производстве и хранении растительных продуктов.
1.Органические азотистые вещества растений
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основную массу азотистых веществ растений и их органов составляют
белки. Кроме белков в растениях содержатся и другие азотистые вещества: свободные аминокислоты и их амиды, свободные нуклеиновые кислоты, некоторые пептиды (например, глутатион ) и ряд других соединений. Общее содержание небелкового азота значительно ниже, чем белков, и редко превышает 1%
сухой массы, но они оказывают определенное влияние на пищевую ценность, а
также на качество растениеводческой продукции при хранении и переработке.
Общая классификация азотистых веществ растениеводческой продукции приведена на рис. 1.
Азотсодержащие вещества растениеводческой продукции
Небелковые азотистые вещества
белки
запасные
каталитические
Ферменты, гормоны, токсичные
белки, ингибиторы
ферментов и др.
Нуклеиновые кислоты
(ДНК,РНК)
Нуклеотиды
(элементарные звенья
нуклеиновых
кислот)
Вторичные
азотсодержащие метаболиты (гликозиды, алкалоиды)
Свободные аминокислоты
Продукты гидролиза белков и нуклеотидов
пептиды
азотистые
основания
Рис. 1. Классификация азотсодержащих веществ растениеводческой
продукции
1.1. Аминокислоты
1.1.1. Общее строение
Аминокислоты являются основой молекулы белка. Кроме того, они самостоятельно выполняют ряд жизненно важных функций. В растительной
клетке всегда содержится некоторое количество аминокислот и их амидов в
свободном состоянии.
По химическому строению аминокислоты являются производными кислот жирного или ароматического рядов и содержат одновременно аминную NH2 и карбоксильную -СООН группы. У большинства природных аминокислот
аминогруппа расположена в -положении по отношению к карбоксильной
группе (в состав белков входят только -аминокислоты). Общее строение аминокислот следующее:
H
RC COOH
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
NH2
Все аминокислоты, кроме простейшей аминоуксусной кислоты - глицина
( у которой R = H ), имеют асимметричный -углеродный атом и могут существовать в виде двух стереоизомеров, называемых энантиомеры. Их различают
по пространственному расположению замещающих радикалов при углеродном атоме и в зависимости от строения относят к L- или D-ряду.
СООН
СООН
С
Н2N
С
Н
Н
R
L - ряд
NН2
R
D - ряд
Ферментные системы растений, человека и животных специфически приспособлены катализировать биохимические реакции, происходящие с участием
L-изомеров аминокислот, и не способны к превращению D-изомеров, которые
могут даже ингибировать биохимические процессы в организме. Поэтому подавляющее большинство природных аминокислот, как входящих в состав белков, так и находящихся в растениях в свободном состоянии, принадлежит к Lряду.
В настоящее время известно около 300 аминокислот. Среди них различают: а) аминокислоты, входящие в состав белков; б)аминокислоты, образующиеся из других аминокислот, но только после включения последних в процесс
синтеза белка; в)свободные аминокислоты. В составе большинства белков как
животных, так и растительных клеток постоянно встречаются только 18 аминокислот, две иминокислоты и 2 амида.
1.1.2. Классификация
В зависимости от строения радикала R аминокислоты можно подразделить на алифатические, ароматические и гетероциклические. По количеству
карбоксильных и аминогрупп различают моноаминомонокарбоновые аминокислоты (содержат по одной карбоксильной и аминогруппе); моноаминодикарбоновые аминокислоты (содержат две карбоксильные и одну аминогруппу); диаминомонокарбоновые аминокислоты (имеют две амино- и одну карбоксильную группу). Их классифицируют также по физико-химическим свойствам как
амфотерные (нейтральные), кислые и основные и, кроме того, по наличию дополнительных функциональных групп выделяют серосодержащие, оксиаминокислоты и т.д. С точки зрения питания отдельно выделяют эссенциальные (незаменимые) аминокислоты. Ниже приведена классификация аминокислот, входящих в состав белков.
Аминокислоты
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Алифатические
Ароматические
МоноаминомоноМоноаминоди- Диаминомокарбоновые
карбоновые
нокарбоновые
Глицин
Аспарагиновая
Лизин
Аланин
Глутаминовая
Аргинин ОксиСерин
Аспарагин
амиды
аминоГлутамин
кислоты Треонин
Серосо- Цистеин
держаЦистин
щие
Метионин
Валин
Лейцин
Изолейцин
-незаменимые аминокислоты
- частично заменимые аминокислоты
Гетероциклические
Фенилалнин Триптофан
Тирозин
Гистидин Кроме того, в составе белков найдены две иминокислоты, содержащие в
своем составе не аминную, а иминогруппу =NH - пролин и оксипролин.
Строение и биологическая роль аминокислот, входящих в состав белков,
приведены в таблице 1.
Приведенные в таблице 1 аминокислоты являются главными компонентами белков, резко преобладающими в большинстве белков. Все остальные достаточно разнообразные аминокислоты, которые, как правило, в незначительном количестве встречаются в тех или иных белках, образуются в результате
химических превращений каких-либо из этих аминокислотных остатков уже в
составе белковой молекулы.
Среди таких превращений в первую очередь следует отметить образование дисульфидных мостиков при окислении двух остатков цистеина в составе
уже сформированных пептидных цепей. В результате из двух остатков цистеина образуется остаток диаминодикарбоновой кислоты - цистина:
NHCHCO
CH 2 S
CH 2 S
NHCHCO
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1 - Аминокислоты, входящие в состав белков
Название и cсокращенное обозначение аминокислоты
1
Структура радикала R
Глицин
Gly
Н
Аланин
Ala
СН3
Валин
Val
СН
2
3
Моноаминомонокарбоновые кислоты
-аминоуксусная
-аминопропионовая
-аминоизовалериановая
СН3
СН3
Лейцин
СН2 СН
Серин
Met
Ser
-амино-метилтиомасляная
Незаменимая аминокислота, донор метильных групп
CH2 ОH
-амино-оксипропионовая
-амино--оксимасляная
Влияет на гидрофильность
белков, способность к
фосфорилированию
Незаменимая аминокислота, влияет на гидрофильность белков
Участвует в образовании
дисульфидных связей
СН2 СН3
CH2 CH2 SCH3
CHОHСН3
Цистеин
Cys
CH2 SH
-амино-тиопропионовая
Ароматические аминокислоты
-амино-фенилпропионовая
Фенилаланин Phe
CH2 Tyr
CH2 ОН
-амино--параокси фенилпропионовая
Гетероциклические аминокислоты
CH2 —С
N
-амино-имидазолпропионовая
НС
СН
NН
CH2
Триптофан
Trp
-амино-индолпропионовая
NH
Моноаминодикарбоновые аминокислоты
Аспарагиновая Asp
аминоянтарная
CH2 СООН
His
1
Участвует в формировании β-структуры белков.
Используется для синтеза
пуриновых нуклеотидов и
глутатиона
Продукт восстановительного аминирования пировиноградной кислоты
Незаменимая аминокислота, влияет на гидрофобность белков
То же
То же
Thr
Гистидин
4
СН3
СН3
Треонин
Тирозин
Биологическая роль аминокислоты
-амино-метилвалериановая
Ile
СН
Метионин
-аминоизокапроновая
СН3
Leu
Изолейцин
Химическое название
кислоты
2
3
16
Незаменимая аминокислота, влияет на гидрофобность белков
Образует при окислении
меланины
Участвует в формировании заряда белковой молекулы
Незаменимая аминокислота, предшественник в синтезе никотиновой кислоты
Участвует в формировании заряда белковой молекулы, предшественник в
синтезе многих аминокислот и нуклеотидов
продолжение таблицы 1
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глутаминовая
Glu
CH2 CH2 СООН
-аминоглутаровая
Диаминомонокарбоновые аминокислоты
(CH2 )4 NH2
,-диаминокапроновая
Лизин
Lys
Аргинин
Arg
Пролин
Pro
(CH2 )3 NHСNH2
-амино-гуанидилвалериановая
NH
Иминокислоты
пирролидин-2-карбоновая
СООН
NH
Оксипролин
HO
4-оксипирролидин-2карбоновая
СООН*
NH
Участвует в формировании заряда белковой молекулы, предшественник в
синтезе многих аминокислот, глутатиона, фолиевой
кислоты
Незаменимая аминокислота, участвует в формировании заряда белковой
молекулы
Участвует в формировании заряда белковой молекулы
Участвует в формировании β-структуры белков,
накапливается в клетках
растений при вододефицитном стрессе
Содержится в листьях некоторых растений, образуется в белковой молекуле
в результате модификации
пролина
- строение иминокислот приведено полностью.
При этом возникает сшивка либо внутри одной полипептидной цепи, либо между двумя различными цепями. Особо важную роль образование дисульфидных связей играет в белках пшеницы, так как они придают клейковине
пшеницы упругие и эластичные свойства.
Помимо представленных в таблице 1 аминокислот в растениях, как в составе белков, так и в свободном виде находится большое количество амидов
аспарагиновой и глутаминовой кислот - аспарагина и глутамина, соответственно.
NH2 OCCH2 CHCOOH
NH2 OCCH2 СН2 CHCOOH
NH2
NH2
Аспарагин
Глутамин
Физиологическая роль аспарагина и глутамина исключительно велика. Образование их в растении рассматривается как способ обезвреживания
избытка аммиака, являющегося ядом для растительных тканей. Избыточное
количество аммиака накапливается при прорастании растений в результате
гидролиза белков и последующего дезаминирования аминокислот, а также
при питании растений аммиачным азотом. В этих случаях в клетках повышается концентрация аммиака, который связывается в виде амидов.
Важная роль амидов в азотном обмене растений была выяснена благодаря классическим исследованиям Д.Н. Прянишникова. Он установил, что в
растении всегда присутствуют оба амида, но в разных количествах. Преимущественное накопление глутамина и его преобладание над аспарагином
происходит при лучшем обеспечении растений углеводами, а при недостат17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ке углеводов в растениях образуется в основном аспарагин.
В отличии от растений человек и животные синтезируют не все аминокислоты, необходимые для их жизни. Существует группа незаменимых
аминокислот, которые человек и животные должны получать с пищей. В
случае отсутствия или недостатка в пище этих аминокислот нарушается
нормальное функционирование организма. К незаменимым относится восемь аминокислот: треонин, метионин, валин, лейцин, изолейцин, лизин,
фенилаланин и триптофан. Кроме того, две аминокислоты - гистидин и аргинин относят к частично заменимым, так как скорость их синтеза в организме человека недостаточна для обеспечения всей потребности в этих аминокислотах, особенно у детей. Незаменимые аминокислоты входят в состав
всех белков, но могут также находиться в растении и в свободном виде. Распространение незаменимых аминокислот в растениях приведено в таблице
2.
Таблица 2 – Незаменимые аминокислоты
Название
Валин
Треонин
Лейцин
Изолейцин
Метионин
Лизин
Аргинин
Гистидин
Фенилаланин
Триптофан
Распространение
В свободном виде содержатся в семенах и в проростках
зерна и семян. Встречается, как правило, в меньшем количестве, чем другие аминокислоты
Встречается там же, в виде фосфорных эфиров
Встречается в больших количествах в белках некоторых
растений (зеин кукурузы). В свободном состоянии найден
в вике, люпине, тыкве, фасоли, семенах акации и вишни
В свободном виде обнаружен в ростках вике и мелассе
свеклосахарного производства
Источник -СН3-групп при синтезе пектиновых веществ,
лигнина, никотина, гордеина ячменя, холина
В растительных белках содержится в небольших количествах, особенно в белках семян злаковых культур
Широко распространен в свободном состоянии в люпине,
тыкве, капусте, люцерне, фасоли, горохе, пшенице и др.
растениях
Путь синтеза в растениях не известен
В небольшом количестве обнаружен в семядолях и стеблях
Встречается в составе белков в относительно малых количествах
1.1.3. Свойства аминокислот
Изоэлектрическая точка. Большинство аминокислот хорошо растворя18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ется в воде, за исключением кислот с гидрофобными радикалами. В водном
растворе аминокислоты представляют собой биполярные соединения (внутренние соли):
R-CH-COOH
R-CH-COO
+
NH2
NH3
В зависимости от рН среды молекула аминокислоты будет нести положительный либо отрицательный заряд. Значение рН среды, при которой
устанавливается равенство положительных и отрицательных зарядов, называется изоэлектрической точкой. В изоэлектрической точке аминокислоты
электронейтральны. Если рН ниже, чем в изоэлектрической точке, молекула
аминокислоты заряжена положительно за счет заряда аминогруппы и ведет
себя в водном растворе, как катион. При рН среды выше, чем в изоэлектр ической точке, молекула аминокислоты заряжена отрицательно за счет диссоциации карбоксильной группы и ведет себя в водном растворе как анаон.
Изоэлектрические точки моноаминомонокарбоновых кислот находятся в слабокислой среде (рН 5,0-6,5); у моноаминодикарбоновых кислот изоэлектрические точки находятся в кислой среде (рН 3,0-3,2), а у диаминомонокарбоновых кислот – в щелочной среде (рН 9,7-10,8).
Поскольку в молекулах аминокислот имеются как кислотные, так и
основные группировки, они проявляют амфотерные свойства и могут взаимодействовать и с кислотами, и с основаниями, образуя соответствующие
соли.
Взаимодействие с азотистой кислотой.
H
RCCOOH + HNO2 → R — CH—COOH + H2O + N2
NH2
OH
Аминокислота
Оксикислота
Эту реакцию используют для определения аминокислот по количеству
выделившегося газообразного азота (метод Ван-Скляйка).
Взаимодействие с формальдегидом. Реакция идет с щелочной среде:
R—CH—COO- +
HCOH → R—CH—COO- + H2O
NH2
N=CH2
Образующееся алкилдиеновое производное обладает кислотными
свойствами и легко оттитровывается щелочью. По количеству пошедшей на
тирование щелочи определяют количество аминокислоты (метод формольного тирования или метод Сёренсена).
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нингидриновая реакция. Нингидрин – специфический реактив на αаминокислоты. При нагревании раствора аминокислоты и нингидрина образуется окрашенный в синий цвет продукт конденсации двух молекул нингидрина и аминокислоты. Иминокислоты пролин и оксипролин при взаимодействии с нингидрином дают желтоокрашенные продукты. По интенсивности окрашивания определяют концентрацию аминокислоты в растворе.
Нингидриновую реакцию используют в автоматических анализаторах аминокислот.
Взаимодействие со спиртами с образованием сложных эфиров.
О
R—CH—COOН +
C2H5OH → R—CH—C —OС2Н5 + H2O
NH2
NH2
Эта реакция применяется для разделения и определения аминокислот
путем фракционной перегонки их эфиров в вакууме.
1.1.4. Влияние аминокислот на качество растениеводческой
продукции при хранении и переработке
Свободные аминокислоты и их амиды составляют основную массу
небелковых азотистых соединений растительной клетки. При хранении и
переработке растениеводческой продукции их содержание может увеличиваться в результате гидролиза белков. Накопление аминокислот может
явиться причиной образования ряда соединений, влияющих на вкус и аромат пищевых продуктов. Производными аминокислот являются такие соединения, как меланоидины, меланины, сивушные масла и др., которые в
значительной мере определяют качество получаемых пищевых продуктов.
Меланоидины - темно-окрашенные соединения со специфическим
ароматом. Образуются в результате неферментативного взаимодействия
аминокислот с редуцирующими сахарами в процессе термической обработки растениеводческого сырья. Наиболее сильно реагируют растворимые
аминокислоты ( глицин, аланин, аспарагин ), менее активно действуют слаборастворимые аминокислоты ( цистин, тирозин и др.). Реакция меланоидинообразования идёт наиболее энергично при молярном соотношении между
аминокислотами и сахарами 1:2.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Аминокислота реагирует с сахаром по следующей схеме:
О
СН2 ОН(СНОН)4 С
Н
+
NCH2 COOH CH2 OH(CHOH)4 CН NHCH2 COOH
Н Н
ОН
Реакция меланоидинообразования (реакция Майара) наблюдается,
например, при выпечке хлеба. Образующиеся при этом меланоидины и промежуточные продукты оказывают влияние на цвет и аромат корки хлеба. А вот
при сушке и переработке овощей реакция меланоидинообразования является
нежелательной, т. к. приводит к потемнению и ухудшению аромата продукта.
Причем, меланоидины могут образоваться не сразу после подогрева, а в процессе хранения полученного продукта. Именно по этой причине нельзя перерабатывать на чипсы и другие продукты питания картофель, содержащий повышенное количество простых сахаров.
Нежелательное изменение цвета растениеводческой продукции при хранении и переработке может произойти в результате образования других темноокрашенных соединений - меланинов. Меланины - продукты ферментативного
окисления аминокислот тирозина и фенилаланина под действием фермента тирозиназы. В результате этого происходит, например, интенсивное и весьма нежелательное потемнение макаронных изделий, особенно при сушке, а также
потемнение сырых очищенных клубней картофеля, нарезанных овощей и плодов. Образование меланинов является одной из причин почернения клубней
картофеля при хранении. Это заболевание проявляется через 2-3 месяца после
уборки и совпадает по времени с накоплением в клубнях тирозина за счет распада белков.
Аминокислоты являются причиной образования нежелательных побочных продуктов в бродильном производстве - сивушных масел. Сивушные масла
представляют собой маслянистую жидкость крайне неприятного запаха и очень
ядовитую. В значительных количествах накапливаются в спирте-сырце, вызывая его отравляющее действие. Содержание сивушных масел свыше 0.3% в
спиртных напитках считается недопустимым.
Важнейшей составной частью сивушных масел является изоамиловый,
изобутиловый и н-пропиловый спирты, которые составляют примерно 90-95%
сивушного масла. Источниками их образования являются аминокислоты треонин, валин, лейцин и изолейцин.
Аминокислоты при определённых условиях могут оказывать влияние на
ход технологического процесса. Например, в сахарном производстве они являются мелассообразователями и увеличивают потери сахара.
1.2. Белки
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2.1.Значение и содержание белков в растении
Наибольшую часть органических азотистых веществ растений составляют белки. В растениях белковые вещества содержатся в меньшем количестве,
чем углеводы, но в построении живой материи и в осуществлении процессов
жизнедеятельности они играют выдающуюся роль. В каждой растительной
клетке одновременно функционируют несколько тысяч различных белков. Почти все реакции в клетке протекают с участием белков. С ними связаны все
процессы роста и развития растений.
Количество белков, их аминокислотный состав имеют важнейшее значение для биологической и пищевой ценности любого продукта. В растительных
тканях белков, как правило, меньше, чем в животных. Наибольшее количество
белков отмечается в семенах растений. Например, в семенах бобовых культур
оно может достигать 25-35 % и более сухой массы (для сравнения, в теле животных белки составляют 40-50 % сухой массы). О содержании белков в семенах растений можно судить по данным многих авторов, приведенным в таблице
2. В вегетативных органах растений содержание белков значительно ниже и
обычно составляет 5-15 % сухой массы.
Таблица 2- Содержание белка в семенах различных культур (%)
Культура
Колебания
Среднее
содержание
Культура
Колебания
Среднее
содержание
Чечевица
Соя
21,3 - 36,0
27,0 - 50,0
26,4 - 31,2
30,4
39,0
29,2
23,1 - 34,7
18,5 - 29,7
22,3 - 37,8
28,7
24,5
33,7
Злаковые
Пшеница
Рожь
9,2 - 25,8
7,2 -19,4
13,5
11,8
Тритикале
Ячмень
Овес
Кукуруза
Просо
13,6 -16,3
7,0 -25,0
9,0 -19,5
4,9 -23,6
8,8 -19,3
14,8
12,0
12,0
11,7
13,7
Чина
Нут
Вика яр.
Подсолнечник
13,5 - 19,1
15,7
Рис
5,4 -10,4
7,2
Хлопчатник
19,3 - 21,3
20,5
Лен
Клещевина
Конопля
24,1 - 25,5
17,0 - 29,1
24,9
23,5
21,3 - 22,2
21,8
Бобовые
Горох
20,4 -35,7
27,8
Фасоль
17,0 -32,1
24,3
Кормовые
бобы
Масличные
1.2.2. Строение и пространственная организация белковой молекулы
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
По химическому строению белки - самые сложные из соединений, имеющихся в природе. Молекула белка состоит из остатков аминокислот, связанных
пептидными связями в полипептидные цепи. Пептидные связи возникают между -карбоксильной и -аминогруппой:
NH2 CHCOOH + HNHCHCOOH
R1
R2
NH2 CHCONHCHCOOH +
R1
R2
H2 O
Количество аминокислотных остатков в молекуле белка может достигать
нескольких десятков и даже сотен. Порядок их расположения индивидуален
для каждого белка. При наличии в молекуле белка двадцати аминокислот число
возможных их сочетаний достигает фантастической величины - 2 1018. Однако в природе реализуется только небольшая доля возможных комбинаций аминокислот.
Кроме пептидных связей в сложной молекуле белка возникают другие
взаимодействия, приводящие к образованию связей различной прочности. Дисульфидная связь ( SS ) образуется за счет сульфгидрильных групп
(SН ) остатков цистеина. Как указано выше, при этом происходит сшивка либо внутри одной полипептидной цепи, либо между двумя различными цепями.
Для фосфолипидов характерно образование эфиров фосфорной кислоты и серина.
Помимо химических в белках существуют многочисленные водородные
связи, возникающие между атомами водорода и атомами наиболее электроотрицательных элементов ( O, N, Fe и др.) Эти связи значительно слабее химических, но присутствуют в молекуле белка в очень большом количестве и поэтому играют важную роль в поддержании структуры белковой молекулы.
Между неполярными остатками аминокислот, входящих в состав белка (
СН3, СН2 и др.), в результате их взаимодействия в водной среде образуются гидрофобные связи, стабилизирующие конформацию белка. Энергия
каждого такого взаимодействия мала, но из-за большого числа таких взаимодействий они способны создавать устойчивые структуры. Способностью к гидрофобному взаимодействию обладают боковые цепи (R-группы) валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина, триптофана, метионина и цистеина.
В результате образования разнообразных связей макромолекула белка
приобретает определённую пространственную конфигурацию. По современным
представлениям, различают четыре последовательно возникающих уровня
структуры или организации белковой молекулы. Состав и последовательность
расположения аминокислот в молекуле белка образуют его первичную структуру. Первичная структура белка обоснована трудами Э. Фишера, Э. Абдергальдена, Бергмана, Виланда и других исследователей, разработавших методы
синтеза полипептидов.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Длинные полипептидные цепи изогнуты в виде спирали или образуют
складки. Наиболее распространена -спираль, в которой пептидная цепь закручена по ходу часовой стрелки. Один полный виток такой спирали включает 3,6
аминокислотных остатка, а «шаг» спирали, соответствующий одному аминокислотному остатку, имеет длину 0,15 нм. Спиралевидное закручивание полипептидной цепи характеризует вторичную структуру белка.
Упаковка в пространстве спиралевидной полипептидной цепи образует
третичную структуру белка. По форме белковой молекулы, сложившейся на
третьем уровне её пространственной организации, различают белки глобулярные и фибриллярные. Растительные белки относятся к глобулярным с компактной третичной структурой, приближающейся по форме к шару или эллипсоиду
вращения.
Рис.1. Этапы формирования нативной конформации белков. 1 - первичная
структура; 2 - вторичная структура; 3 - третичная структура; 4 - четвертичная
структура.
Многие белки образуют комплексы из нескольких молекул. Например,
молекула гемоглобина, имеющего молекулярный вес 68000, состоит из четырёх
скрученных в клубки полипептидных цепей, которые образуют строго упор ядоченную систему, функционирующую как единое целое. Такие комплексы,
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
или ассоциации, называют четвертичной структурой белка. На уровне четвертичной структуры происходит своеобразная гибридизация молекул разных типов ( В.А. Энгельгардт).
Более подробно организация пространственной структуры белковой молекулы рассматривается в курсах общей биохимии растений.
Каждому белку при нормальных физиологических условиях свойственна
определенная пространственная конфигурация (конформация), образованная в
результате вторичной, третичной и иногда четвертичной структуры и называемая нативной (рис.1). Изменение её ведет к изменению свойств самого белка и
к нарушению выполняемых им функций. Так, нарушение нативной конформации белка, лежащего в основе фермента, может привести к потере ферментативной активности соединения.
Белковая молекула очень лабильна, легко денатурирует, в результате чего
изменяются её биологические и химические свойства. Под действием ферментов, а также кислот белки расщепляются, образуя ряд промежуточных продуктов дезагрегации ( протеозы, пептоны, пептиды ) и конечные продукты гидр олиза - аминокислоты.
1.2.3. Классификация белков растений
Строго научной классификации белков до сих пор нет. Систематизации и
номенклатуры белков, за исключением ферментов, не существует. По степени
сложности белки подразделяют на две большие группы: протеины - простые
белки, построенные только из остатков аминокислот, и протеиды - сложные
белки, содержащие в своем составе кроме собственно молекулы белка связанную с ним группу небелковой природы, называемую простетической.
Протеины в зависимости от их растворимости в различных растворителях
делят на следующие группы (классификация Осборна):
1. Альбумины - растворимые в воде белки с относительно небольшой молекулярной массой. Встречаются во всех растительных тканях, но особенно их
много в эмбриональных тканях. К ним относятся многие белки-ферменты, белковые ингибиторы ферментов, многие регуляторные белки. В семенах растений составляют 4 - 27% от общего количества белков, а в клубнях картофеля,
плодах, овощах и вегетативной массе растений их содержание может достигать
20-30 % (табл.3). Названия белков обычно связано с ботаническим названием
растения, в котором они локализованы. Отдельными представителями альбуминов являются лейкозины пшеницы, ржи и ячменя, легумелины семян сои и
гороха, рицин семян клещевины (ядовит) и др.
Таблица 3 - Распределение белков семян различных растений по фракциям (%)
Культура
Альбумины
Глобулины
Проламины Глютелины
Злаковые
Пшеница
6,6
22,0
33,0
38,4
Рожь
27,2
29,9
30,4
18,5
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ячмень
Овес
Кукуруза
Просо
Рис
14,6
11,1
20,5
13,6
13,8
Горох
Чечевица
Фасоль
Соя
9,6
8,1
10,0
12,5
Подсолнечник
Арахис
Клещевина
Следы
Следы
10
14,6
21,0
14,8
9,0
10,0
Бобовые
85,7
85,9
90,0
87,5
Масличные
95
97
90
Кунжут
Хлопчатник
4
Следы
85
90
40,5
11,2
38,6
62,5
7,4
30,3
56,7
26,1
14,9
68,8
-
4,8
6,0
Следы
Следы
-
Следы
Следы
Следы
-
11
10
- таблица составлена по данным различных авторов: по злаковым и бобовым - Казакова Е.Д., Карпиленко Г.П. (2005); по масличным - Щербакова В.Г. (2003).
2. Глобулины - белки, нерастворимые в воде, но растворимые в слабых
растворах нейтральных солей (обычно используют 5-10 % растворы NaCl или
KCl). Очень широко распространены во всех клетках и тканях растений и выполняют жизненно важные функции. К глобулинам относятся многие ферментные и регуляторные белки, а также запасные белки растений. В семенах бобовых и масличных культур составляют основную массу белков, где на их долю
приходится 85 - 97 % от общего количества белков (табл.3). Хорошо изучены
следующие глобулины: эдестин семян конопли, фазеолин семян фасоли, глицинин семян сои, конглютин семян люпина, туберин клубней картофеля и др.
3. Проламины - белки, нерастворимые в воде, но растворимые в 60-80 %
этаноле. Являются характерной фракцией белков семян злаковых культур, где
они составляют 30-40 % общего количества белков (в зерне кукурузы около 40
%, проса - около 60 %). Практически отсутствуют в растениях других семейств.
В их составе большую часть (около 60 %) составляют две аминокислоты - пролин и глутаминовая кислота (отсюда их название). Незаменимых аминокислот
мало, особенно лизина. К проламинам относится глиадин из зерна пшеницы и
ржи (составная часть клейковины ); гордеин - ячменя; зеин - кукурузы; авенин овса и др.
4. Глютелины - белки, нерастворимые в воде, солевых растворах, этиловом спирте, но растворимые в слабых растворах щелочей (0,2 – 2,0 %). Наиболее хорошо изучены глютенин зерна пшеницы (вторая составляющая клейковины, на его долю приходится примерно 30 - 45 % всех белков в зерне пшеницы) и оризенин, на долю которого приходится большая часть белков семян риса
(около 70 %). Лизина в них больше, чем в проламинах, но это также неполно26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ценные белки по аминокислотному составу. В семенах растений эти белки выполняют роль запасных веществ.
Проламины и глютелины играют важную роль в технологии хлебопечения, особенно при выпечке пшеничного хлеба. При замесе теста комплекс
глиадина и глютенина пшеничной муки образует клейковину, которая формирует трехмерный каркас пшеничного теста и связывает все вещества муки. В
зависимости от условий пшеница накапливает 10-25% белков (в среднем 1316%), две третьих из которых приходится на долю клейковинных белков. Клейковинные белки находятся в эндосперме пшеницы, их нет в алейроновом слое и
зародыше.
Такое распределение протеинов на фракции носит весьма условный характер. Современными методами установлена гетерогенность отдельных фракций. Каждая из них состоит из нескольких, во многих случаях более 10 различных белков, хотя и имеющих некоторые общие свойства.
Помимо этих четырех групп простых белков в хромосомах клеточных
ядер растений содержатся водорастворимые белки гистоны, играющие важную
роль в образовании структуры хроматина, так как связаны с ДНК. Они имеют
высокую концентрацию основных аминокислот – лизина и аргинина (25-30 %),
поэтому относятся к щелочным белкам, у которых очень сильно выражены
свойства оснований.
Протеиды делят по химической природе простетической группы на следующие классы:
1. Липопротеиды - сложные белки, в которых простетическую группу составляют жироподобные вещества - липиды. В большом количестве входят в
состав пластид растительной клетки (в хлоропласты), содержатся в протоплазме, но особенно их много в мембранах, где они являются основными компонентами. Липидная часть липопротеида обычно представлена фосфатидилинозитом или диацилглицерином.
2. Хромопретеиды - соединение белка с пигментами, принадлежащим к
различным классам органических веществ, и содержащие в своём составе ион
металла. К ним относятся белки, обладающие каталитическими свойствами:
цитохромы, пероксидаза, каталаза, глобины (осуществляющие связывание и
перенос кислорода), в состав которых входит железо; аскорбинат оксидаза, фенолоксидазы, тирозиноксидаза, содержащие медь; нитратредуктаза, в состав
которой входит молибден; нитрогеназа, включающая молибден и железо и многие другие ферменты. Например, в состав окислительно-восстановительных
ферментов каталазы и пероксидазы входит порфириновое кольцо со связанным
с ним ионом железа. Типичным хромопротеидом является гемоглобин крови, в
котором белок глобин связан со сложным азотистым соединением, содержащим
ион железа - гемом. Близкий к нему по химической структуре пигмент зеленых
частей растений хлорофилл также входит в состав хромопротеидов.
3. Нуклеопротеиды - сложные белки, простетической группой которых
являются нуклеиновые кислоты. В большом количестве содержатся в зародышах семян и в ядерном веществе клеток. Они являются главным веществом
хромосом, рибосом и пластидных факторов наследственности. Участвуют в
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
синтезе белка, в передаче наследственности и в ряде других важных жизненных
функций растительных организмов.
4. Гликопротеиды - сложные белки, в состав которых входят моносахариды или их производные – манноза, галактоза, глюкозамин глюкуроновая кислота и др. Играют важную роль в построении протоплазмы. К гликопротеидам
относятся многие ферменты, мембранные белки, защитные белки (иммуноглобулины и лектины), некоторые запасные белки (вицилин семян фасоли), некоторые ядовитые белки (рицин клещевины). Белки некоторых растительных слизей также являются гликопротеидами.
5. Фосфопротеиды - сложные протеиды, в которых к остаткам серина,
треонина, тирозина, имеющим ОН-группы, сложноэфирной связью присоединяются остатки ортофосфорной кислоты. Фосфорилирование белков играет
важную роль в регулировании активности ряда ферментов: гликогенфосфорилаз (катализирующиз фосфоролиз гликогена), гликогенсинтетаз (катализирующих синтез гликогена), синтетаз жирных кислот, пируватдегидрогеназы, многих ферментов, образующих систему клеточного деления. Фосфорилированию
могут подвергаться также и другие белки - регуляторные, защитные, транспортные, запасные. Типичным фосфопротеидом является казеин молока.
1.2.4. Свойства белков
Белки - амфотерные электролиты. При определенном значении рН среды
(изоэлектрическая точка) число положительных и отрицательных зарядов в
молекуле белка одинаково. Это одна из основных констант белка. Белки в этой
точке электронейтральны, а их вязкость и растворимость наименьшая. Способность белков снижать растворимость при достижении электронейтральности их
молекул широко используется для выделения их из растворов, например в технологии получения белковых продуктов.
Гидратация. Белки связывают воду, т. е. проявляют гидрофильные свойства. При этом они набухают, увеличивается их масса и объём. Набухание белка сопровождается его частичным растворением. Гидрофильность отдельных
белков зависит от их строения. Имеющиеся в составе и расположенные на поверхности белковой макромолекулы гидрофильные полярные группы ( -СО- NН-, -NН2, -СООН ) притягивают к себе молекулы воды, строго ориентируя их
на поверхности молекулы.
Окружающая белковые глобулы гидратная (водная) оболочка препятствует агрегации, а следовательно, способствует устойчивости растворов белка и
препятствует его осаждению.
В изоэлектрической точке белки обладают наименьшей способностью
связывать воду, происходит разрушение гидратной оболочки вокруг белковых
молекул, поэтому они соединяются, образуя крупные агрегаты. Это приводит к
выпадению их в осадок. Агрегация белковых молекул происходит и при их
обезвоживании с помощью некоторых органических растворителей, например,
этилового спирта. При изменении рН среды макромолекула белка становится
заряженной, и его гидратационная способность меняется. При ограниченном
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
набухании концентрированные белковые растворы образуют сложные системы,
называемые студнями или гелями. Студни не обладают текучестью, они упруги, обладают пластичностью, определенной механической прочностью, способны сохранять свою форму. Глобулярные белки могут полностью гидратироваться, растворяясь в воде и образуя растворы с невысокой концентрацией
(альбумины).
Гидрофильные свойства белков, т. е. их способность набухать, образовывать гели имеет большое практическое значение. Очень подвижным гелем, построенным в основном из молекул белка является цитоплазма - полужидкое содержимое живой клетки. Сильно гидратированный гель - сырая клейковина,
выделенная из пшеничного теста, она содержит до 65% воды (200-250 % к массе сухих веществ).
Значение клейковины заключается в том, что она придает пшеничному
тесту характерную консистенцию. От содержания и качества клейковины зависит газоудерживающая способность теста, а, следовательно, объём и пор истость хлеба. Устойчивость макаронных изделий при варке также определяется
качеством клейковины. Содержание клейковины является очень важным показателем, характеризующим хлебопекарное и макаронное достоинство пшеничной муки, поэтому этот показатель нормируется стандартами, причем важно не
только количество, но и качество клейковины, т.е. комплекс её реологических
свойств, определяемых на приборе ИДК.
Выход и качество клейковины в свою очередь зависят от гидрофильных
свойств белков, составляющих клейковину. Различная гидрофильность клейковинных белков - один из важнейших признаков, характеризующих силу пшеничной муки.
Денатурация. Денатурация белков - сложный процесс, при котором под
влиянием внешних факторов (температуры, механического воздействия, действия химических агентов и др.) происходит изменение вторичной, третичной и
четвертичной структуры белковой макромолекулы, т. е её нативной конформации. Первичная структура, а следовательно, и химический состав белка не меняется. При денатурации изменяются физические свойства белка, снижается
растворимость, способность к гидратации, теряется его биологическая активность. Меняется форма белковой макромолекулы, происходит агрегирование. В
то же время, увеличивается активность некоторых химических групп, облегчается воздействие на белки протеолитических ферментов, а следовательно, он
легче гидролизуется.
В технологии переработки растениеводческой продукции особое практическое значение имеет тепловая денатурация белков. Степень тепловой денатурации белков зависит от температуры, продолжительности нагрева и влажности
сырья. Это необходимо помнить при разработке режимов термообработки растениеводческого сырья, полуфабрикатов, а иногда и готовых продуктов. Ос обую роль процессы тепловой денатурации играют при бланшировании плодоовощного сырья, сушке зерна, выпечке хлеба, получении макаронных изделий.
1.2.5. Функции белков в растениях
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Белки растений в зависимости от выполняемых ими функций подразделяются на протоплазменные, резервные и защитные.
Протоплазменные белки составляют основную массу протоплазмы живых
клеток. К ним относятся белки каталитические (ферментные) и структурные.
Ферментные белки играют исключительно важную роль в обмене веществ любого организма, поскольку подавляющее большинство химических превращений в клетке протекает с их участием. Структурные белки входят в состав цитоплазмы и различных органоидов клетки и вместе с липидами участвуют в построении клеточных мембран, регулирующих проницаемость клетки и её органоидов. Транспорт веществ через биологические мембраны - одна из важнейших функций структурных белков. Внутрь клетки должны поступать многочисленные вещества, обеспечивающие её строительным материалом и энергией. В то же время фосфолипидная мембрана непроницаема для таких важнейших компонентов, как аминокислоты, сахара, ионы щелочных металлов. Их
проникновение внутрь клетки происходит при участии специальных транспортных белков, вмонтированных в мембрану. Причем, транспорт через биомембрану может происходить в некоторых случаях и против градиента концентрации переносимых частиц. Важнейшим примером такого рода является перенос ионов натрия и калия.
Резервные или запасные белки откладываются в семенах растений. При
прорастании семян они гидролизуются до аминокислот, из которых вновь синтезируются белки проростка. Резервные белки составляют 80-94% от общего
количества белков в семенах. Местом их отложения являются внутриклеточные
образования - вакуоли, называемые алейроновыми зернами. Алейроновые зерна
присутствуют в клетках запасающих тканей семян - семядолей и эндосперма.
Основными компонентами их являются белок, составляющий от 70 до 80%
массы алейронового зерна, и фитин - вещество, в форме которого в семенах запасается фосфор, необходимый для прорастания семян и развития проростка.
Фитин представляет собой кальциево-магниевую соль инозитфосфорной (фитиновой) кислоты.
СНОРО(ОН)2
(ОН)2 ОРОНС
СНОРО(ОН)2
(ОН)2 ОРОНС
СНОРО(ОН)2
СНОРО(ОН)2
МgO3 POHС
MgO3 POHС
Инозитфосфорная (фитиновая) кислота
СНОРО3 Са
СHOPO3 Ca
СНОРО3 Са
СHOPO3 Mg
Фитин
Помимо запасных веществ - белка и фитина - в составе алейроновых зерен обнаружены гидролитические ферменты для их последующего использования развивающимся растением.
Запасные белки во многом определяют технологическое достоинство зерна при переработке. Так, хлебопекарное и макаронное достоинство зерна пшеницы в первую очередь зависит от количества и качества клейковины в ней.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Основную массу сырой клейковины составляют гидратированные запасные
белки, содержащиеся в алейроновых зернах эндосперма пшеницы - глиадин и
глютенин. От количества и качества этих белков зависит выход клейковины, её
гидратационная способность.
Помимо каталитических, структурных и запасных белков, многие растения синтезируют защитные белки - ингибиторы ферментов. Их отличительной
особенностью является способность образовывать с ферментами устойчивые
комплексы, в составе которых ферменты полностью теряют свои каталитические свойства. Биохимическая роль белков-ингибиторов заключается в защите
растений и их семян от бактериальных и грибных инфекций и от поражения
насекомыми-вредителями путем ингибирования ферментов пищеварительного
цикла насекомых.
Известны белки-ингибиторы протеолитических ферментов, в первую
очередь трипсина и химотрипсина, а также ферменты-ингибиторы гидролаз.
Наиболее широко ингибиторы трипсина и химотрипсина представлены в семенах семейства бобовых. В семенах сои, например, около 6 % общего содержания белка приходится на долю ингибитора трипсина.
Количество белков-ингибиторов может существенно возрастать при поражении растений болезнями или насекомыми. Так, при повреждении растений
картофеля колорадским жуком в качестве ответной реакции начинается синтез
в листьях белков-ингибиторов, образующих прочные неактивные комплексы с
протеолитическими ферментами жука.
Присутствие в некоторых растениях белков-ингибиторов существенно
снижает их усвояемость организмом животных и человека. Поэтому в ходе технологической переработки растений или их органов, содержащих белкиингибиторы, должны предусматриваться операции, обеспечивающие их надёжную инактивацию, например, тепловая денатурация.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.2.6. Биологическая ценность растительных белков
Растения осуществляют первичный синтез белка и являются основным
источником белкового питания животных, а через них и человека, поэтому
важно знать биологическую ценность растительных белков.
Белки пищи в желудочно-кишечном тракте человека под действием пищеварительных ферментов подвергаются гидролизу до аминокислот, которые
используются прежде всего для синтеза собственных белков организма:
переваривание
Белки пищи
свободные аминокислоты
СО2
выводимый
азот
белки тканей
энергия
Основная функция белка в питании - снабжение организма необходимым
количеством аминокислот. В белке пищи должен быть сбалансирован не только состав незаменимых аминокислот, но и должно быть определенное соотношение незаменимых и заменимых аминокислот, в противном случае часть незаменимых аминокислот будет использоваться не по назначению.
Биологическая ценность любого белка, в том числе и растительного,
определяется его аминокислотным составом, и прежде всего наличием всего
набора незаменимых аминокислот в молекуле белка, и его усвояемостью. Растительные белки усваиваются организмом человека значительно хуже, чем животные. Если белки молока, молочных продуктов, яиц усваиваются на 96%, мяса и рыбы - на 93-95%, то белки хлеба - на 62 - 86%, овощей - на 80, картофеля
и некоторых бобовых - на 70%.
Биологическая ценность белка по аминокислотному составу может быть
оценена при сравнении его с аминокислотным составом «идеального белка».
Для взрослого человека в качестве «идеального белка» применяют аминокислотную шкалу Комитета ФАО/ВОЗ (1985), приведенную в таблице 4 (ФАО Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН; ВОЗ - Всемирная организация здравоохранения).
Таблица 4 - Аминокислотная шкала для расчета аминокислотного скора
(ФАО/ВОЗ, 1985)
Аминокислота
Изолейцин
,Лейцин
Лизин
Метионин + цистеин
Предлагаемый уровень, мг на 1 г белка
28 (40)*
66 (70)
58 (55)
25 (35)
Аминокислота
Треонин
Триптофан
Валин
Фенилаланин + тирозин
Итого
Предлагаемый уровень,
мг на 1 г белка
34 (40)
11 (10)
35 (50)
63 (60)
320 (360)
*В скобках – ФАО/ВОЗ, 1973
Биологическую ценность любого белка устанавливают по аминокислотному скору, который рассчитывают следующим образом (метод Х. Митчела и
Р. Блока, 1946).
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Аминокислотный скор каждой незаменимой аминокислоты в идеальном
белке принимают за 100 %, а в исследуемом белке определяют процент соответствия:
Содержание аминокислоты (мг) в 1 г испытуемого белка
АК =
100,
Содержание данной аминокислоты (мг) в 1 г идеального белка
где АК - аминокислота.
Аминокислота, скор которой имеет самое низкое значение, называется
первой лимитирующей аминокислотой. Значение скора этой аминокислоты
определяет биологическую ценность белков.
Белок семян растений, как правило, не сбалансирован по ряду незаменимых
аминокислот. В белках зерна злаковых культур дефицитны все незаменимые
аминокислоты, особенно лизин; в белках бобовых - триптофан, валин, треонин
и особенно серосодержащая аминокислота метионин. По этой причине биологическая ценность белков зерновых культур относительно «идеального белка»
не превышает 50-70%, а у некоторых злаков и в продуктах переработки зерна
она снижается до 35%. Исключение составляет белки сои: биологическая ценность их значительно выше, чем у других зерновых и зернобобовых культур и
приближается к животным белкам. Высокое содержание белка в сое, богатых
незаменимыми аминокислотами, превращает эту культуру в один из важнейших источников растительного белка. Белковые изоляты сои с их ценным набором незаменимых аминокислот используют для обогащения хлебных изделий и
других пищевых продуктов.
Белки вегетативных органов растений обычно более полноценны по
аминокислотному составу и биологическая ценность их выше. Так, у картофеля
она составляет 76% по отношению к «идеальному белку».
Несбалансированность суммарного белка семян всегда связана с наличием фракций, крайне бедных по содержанию тех или иных аминокислот. В зерновке злаков такой фракцией являются проламины, дефицитные по лизину и
составляющие основную часть суммарного белка. В белках семян бобовых
культур преобладают глобулины, бедные серосодержащими аминокислотами и,
в частности, метионином. Причины такой несбалансированности аминокислотного состава белков семян кроются в различии биохимического состава отдельных частей и органов растений в зависимости от их функционального назначения. Как отмечено выше, белки растений делят
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 5 - Аминокислотный состав некоторых растительных белков ( в % к весу белка).*
Белки семян
Аминокислоты
Альбумин
пшеницы
Глиадин
пшеницы
Глютелин
пшеницы
Зеин
кукурузы
Белки вегетативных органов
Глобулин
гороха
31
Незаменимые
Лейцин и изолейцин
11,3
6,2
5,0
23,7
8,0
Лизин
6,1
0,8
1,9
0
5,9
Триптофан
1,5
1,0
2,1
0,1
1,3
Фенилаланин
3,8
2,3
1,7
6,4
3,8
Метионин
2,1
0
2,4
Треонин
2,7
2,5
2,4
Валин
3,3
1,2
2,4
Всего незаменимых
22,7
18,4
14,4
37,4
18,7
Остальные
Аргинин
10,8
2,7
4,7
1,6
11,7
Глицин
0,9
0,7
0,9
0
0,4
Аланин
4,4
2,4
5,2
9,9
2,1
Аспарагиновая
3,3
1,4
2,1
3,4
5,3
Глутаминовая
6,7
38,5
26,5
35,6
17,0
Тирозин
4,4
2,8
4,6
5,0
3,8
Цистин и цистеин
1,6
2,1
1,6
0,8
3,2
Пролин
3,2
12,5
4,8
10,5
1,7
Гистидин
2,1
2,1
1,8
0,9
Серин
0
0,1
0,7
0
* - Таблица составлена по данным Гребинского С.О. ( 1975 ).
34
Глобулин сои
Сахарная
свекла
Листья
капусты
Глобулин
клубней
картофеля
Корнеплоды
моркови
13,7
5,2
1,7
5,2
1,6
4,3
5,6
37,2
13,0
2,3
3,2
3,1
2,5
4,0
6,2
34,3
8,6
3,3
0,6
2,3
0,8
2,9
2,9
21,4
12,2
3,3
0
3,9
0
0
1,1
20,5
20,0
6,2
1,2
8,2
2,6
8,0
11,4
57,6
8,7
4,4
4,5
9,5
17,5
3,1
1,4
4,8
3,0
5,0
14,3
4,7
6,8
9,0
21,2
2,8
1,1
4,5
2,0
4,5
6,2
1,7
-
4,2
4,9
4,6
4,3
4,4
3,0
2,3
-
7,2
3,0
-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
на протоплазменные и резервные или запасные. Белки протоплазмы физио логически более активны (например, белки ферментов), и поэтому они отличаются широкой гетерогенностью и сбалансированностью своего состава. Наиболее
богаты белками протоплазмы вегетативные органы, и особенно эмбриональные
ткани растений, поэтому они наиболее полноценны по аминокислотному составу своих белков. К вегетативным органам растений, употребляемых в пищу человеком, относятся корнеплоды, клубни картофеля, разросшиеся стебли и почки, соцветия (различные виды капусты, листовые овощи и т.д.). Суммарные
белки этих органов по аминокислотному составу богаче, чем белки семян, в т.ч.
и зерна злаков, хотя общее количество белка в семенах, конечно, значительно
превосходит содержание белка в вегетативных органах. В семенах же растений
преобладают запасные белки, состоящие обычно из сравнительно небольшого
числа аминокислот и несбалансированные по незаменимым аминокислотам.
Такое различие аминокислотного состава протоплазменных и запасных
белков растений можно объяснить и морфогенетическими причинами. Белки
протоплазмы генетически консервативны и мало подвержены фенотипической
изменчивости. Синтез их находится под контролем очень устойчивых, строго
согласованных между собой генетических систем клетки. Запасные белки подвержены большей генетической и фенотипической изменчивости. В онтогенезе
они синтезируются последними (например, в семенах злаков в фазу налива и
созревания зерна). Поэтому на их синтезе сильно сказываются условия формирования зерна. Это является одной из главных причин фенотипической изменчивости зерна по содержанию суммарного белка.
Белки протоплазменные свойственны всем клеткам с ранних этапов морфогенеза, а запасные белки синтезируются только в определенных типах клеток организма. Например, проламины - запасные белки злаков синтезируются
только в эндосперме, их нет в зародыше и алейроновом слое. Запасные глобулины семян бобовых локализованы в семядолях.
Таким образом, белки семян растений отличаются более низкой биологической ценностью, чем белки вегетативных органов ввиду несбалансированности по ряду незаменимых аминокислот. Но суммарное количество белка в семенах значительно превосходит таковое в вегетативных органах. Например,
общее содержание белка в целом зерне пшеницы в среднем составляет 12-16%,
а в клубнях картофеля - 1.4 - 2.0% сырой массы.
Сведения об аминокислотном составе белков семян и вегетативных органов растений приведены в таблице 5.
Кроме белков, свободных аминокислот и их амидов в клетках растительных тканей содержатся свободные нуклеиновые кислоты, некоторые пептиды (
например, глутатион), холин и ряд других азотистых соединений.
1.3. Нуклеиновые кислоты
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание свободных нуклеиновых кислот в растительных тканях не
превышает 10% от общего количества азотистых веществ. Однако, им принадлежит решающая роль во внутриклеточном обмене веществ, поскольку нуклеиновые кислоты несут генетическую информацию и определяют тип и строение
белков в клетке, в том числе и ферментов. Они состоят из пуриновых и пир имидиновых оснований, фосфорной кислоты и сахара. Различают кислоты рибонуклеиновую (РНК), содержащую пятиуглеродный сахар рибозу, и дезоксирибонуклеиновую (ДНК), в состав которой входит дезоксирибоза. ДНК содержится в ядрах клеток, определяет структуру синтезируемых белков и в полной
мере наследственность. РНК находится как в ядрах, так и в протоплазме клеток
и принимает участие в биосинтезе белков.
Строение нуклеиновых кислот и их роль в биосинтезе белка в растительных клетках рассматриваются подробно в курсах общей биохимии растений.
1.4. Пептиды
Пептиды - низкомолекулярные вещества, представляющие собой соединения нескольких аминокислот через пептидную связь. Многие из них играют
важную физиологическую роль в растениях. К ним относится прежде всего
глутатион - пептид, образованный соединением трех аминокислот: глутаминовой, цистеина и глицина.
Глутатион
Физиологическая роль глутатиона в растениях заключается в переносе
водорода в окислительно-восстановительных процессах. Он может быть использован в окислительно-восстановительных реакциях как донор и акцептор
водорода и необходим для работы ряда ферментов. В довольно значительных
количествах глутатион содержится в зародышах злаков (в зародыше зерна пшеницы до 0,45 % сухого вещества). Глутатион представляет особый интерес как
фактор, от которого зависит качество клейковины и, следовательно, хлебопекарное достоинство пшеничной муки. Добавленный в ничтожном количестве к
муке и тесту, он резко ухудшает качество клейковины и теста, вызывая их расплывание и разжижение. Отрицательное влияние глутатиона на клейковину
объясняется наличием в нем свободных сульфгидрильных групп SH, изменяющих физические свойства белков клейковины.
1.5. Амины
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Нарушение условий хранения растениеводческой продукции может привести к развитию в ней неблагоприятных процессов, приводящих к порче пр одукции. В результате этих процессов может измениться химический состав
продукции и возникнуть вещества, обладающие токсическим действием. Примером таких веществ являются амины.
Амины образуются при разложении белков под действием микроорганизмов и часто обладают резким неприятным запахом. Так, селёдочный запах
при гниении зерна и муки обусловлен триметиламином.
Большинство аминов являются высокотоксичными веществами, вызывающими отравление растительных и животных тканей. Многие из них являются
действующим началом ряда лекарственных препаратов (гистамин и др.).
Амины возникают при декарбоксилировании монокарбоновых аминокислот:
- CO2
RCH2 NH2
RCHNH2 COOH
В таблице 6 приведены наиболее распространенные амины растений, и
указаны аминокислоты, из которых они образуются.
В незначительных количествах амины могут накапливаться и при выращивании растений в результате неблагоприятных условий развития. Обладая
высокой токсичностью, амины не откладываются в растениях, а подвергаются
дальнейшим превращениям. Основной путь превращения аминов - их окисление, при этом образуется соответствующий альдегид и аммиак:
O
RCH2 NH2 + H2 O + O2
RC
+ NH3 + H2 O2
H
Из аминов в растениях синтезируются также различные гетероциклические соединения и, в частности, алкалоиды, которые будут рассмотрены дальше. Этаноламин входит в состав кефалинов, содержащихся в зародышах семян.
При метилировании этаноламина образуется аминоспирт холин, широко распространенный в растениях:
Н3 С
Н3 СN + CH2 CH2 ОН
Н3 С
ОН-
Холин входит в состав лецитинов - фосфолипидов, содержащихся во всех
растительных клетках, но особенно их много в зародышах семян.
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 6 - Наиболее известные амины растений
Название амина
Метиламин
Этаноламин
Путресцин
Кадаверин
Химическая формула
CH3 NH2
ОНCH2 CH2 NH2
H2 NCH2 CH2 CH2 CH2 NH2
H2 NCH2 CH2 CH2 CH2 СН2 NH2
CH2 CH2 NH2
р-Фенилэтиламин
Тирамин
Гистамин
ОН—
HN
НС
Н3 С
Изопентиламин
—CH2 CH2 NH2
СН
С
N
Аминокислота, из которой образуется амин
Глицин
Серин
Орнитин
Лизин
Фениаланин
Тирозин
Гистидин
CH2 CH2 NH2
СНCH2 CH2 NH2
Лейцин
Н3 С
Н3 С
Изобутиламин
Н3 С
СНCH2 NH2
Валин
Триптамин
Триптофан
CH2 CH2 NH2
NH
Агматин
H2 NCH2 CH2 CH2 CH2 NHСNH2
Аргинин
NH
1.6. Бетаины
В растениях встречаются различные метилированные аминокислоты, получившие название бетаинов. Бетаины относятся к аминам, так как они являются продуктами замещения водорода в ионе аммония. Но под названием «бетаин» обычно имеют в виду метилированный глицин. Он содержится в корнеплодах сахарной свеклы ( Beta vulgaris ) в количествах до 0.6%, откуда и был впервые выделен и получил своё название.
Н3 С
Н3 С N+ CH2 COО -Н3 С
Бетаин
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При производстве сахара бетаин скапливается в больших количествах в
патоке.
Контрольные вопросы: 1. Какова роль и общее строение аминокислот. 2.
Классификация аминокислот, входящих в состав растительных белков. 3. Какие
аминокислоты относятся к незаменимым. 4. Какие соединения являются производными аминокислот. Как они влияют на качество продуктов переработки
растительного сырья. 5. Каково строение и пространственная организация белковой молекулы. 6. Какие функции выполняют белки в растениях. 7. Классификация белков растений. 8. Каковы свойства белков и какое практическое значение они имеют в технологии переработки и товароведении растительного сырья. 9. Какова биологическая ценность растительных белков. 10. Каковы пути
образования аминов в растениеводческой продукции.
2.Углеводы
Углеводы - наиболее распространенные вещества в растениях. Доля их в
отдельных частях растений может достигать 90% и более сухого вещества.
Углеводы являются главными продуктами фотосинтеза и основным дыхательным субстратом. Они в большом количестве накапливаются в корнях,
клубнях, семенах и используются затем в качестве запасных питательных веществ. Стенки клеток и растительные волокна состоят главным образом из углеводов; в плодах и ягодах также преобладают углеводы.
Велика роль углеводов в питании человека. Они представляют собой
наиболее доступный энергетический материал - основной источник калорий.
Сахара играют важную роль как основной субстрат брожения во многих
процессах переработки растениеводческого сырья: хлебопечении, пивоварении,
виноделии и др. Многие углеводы находят широкое техническое применение.
По физиологической роли в растении углеводы можно разделить на такие группы: а) метаболиты (сахара и олигосахариды); б) запасные вещества
(полисахариды, реже сахара); в) структурные (высшие полисахариды).
Важнейшие углеводы, встречающиеся в растениеводческой продукции,
представлены в виде следующей схемы:
УГЛЕВОДЫ
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
моносахариды
пентозы ( С5H10O5)
альдозы
кетозы
полисахариды
гексозы (С6H12O6)
альдозы
кетозы
олигосахариды
дисахариды
( С12 H 22 O 11 )
полиозы
трисахариды
крахмал
гликоген
клетчатка
(С18 H32 O16 )
арабиноза
ксилоза
рибоза
рибулоза
ксилулоза
глюкоза
манноза
галактоза
фруктоза
сахароза
мальтоза
рафиноза
пентозаны
гемицеллюлозы,
слизи, камеди,
пектины
Очень часто простые сахара вступают в соединение с другими веществами, образуя так называемые гликозиды. Моносахариды входят также в состав
нуклеиновых кислот.
2.1. Моносахариды
Моносахариды или простые сахара широко распространены в растениях.
Как правило, имеют сладкий вкус, хорошо растворимы в воде. По химической
природе являются производными многоатомных спитов и содерО
жат одновременно несколько групп ОН и альдегидную С
(альдозы)
Н
или кетонную СО ( кетозы ) группу. У всех биологически значимых альдоз
альдегидная группа находится при первом атоме углерода, у кетоз - кетонная
группа при втором углеродном атоме. Общая формула всех моносахаридов
(СН2О)n , т.е. они как бы построены из углерода и воды, откуда и происходит
название углеводы.
Все моносахариды содержат один или несколько ассиметричных атомов
углерода, т.е. таких, у которых все четыре валентности замещены различными
атомными группировками. Это приводит к существованию различных стереоизомеров, отличающихся по своим физическим и химическим свойствам. Простейший моносахарид - глицериновый альдегид представлен двумя изомерами
(энантиомерами) - D-изомером и L-изомером .
Н
О
Н
С
НСОН
СН2 ОН
D-глицериновый альдегид
О
С
НОСН
СН2 ОН
L-глицериновый альдегид
Все последующие альдозы и кетозы также могут существовать в форме
D- или L-изомера. Принадлежность того или иного моносахарида к D- или L40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ряду устанавливают, сравнивая расположение водорода и гидроксила у предпоследнего атома углерода с расположением их у D- или L-глицеринового альдегида.
R
R
С
Н
С
НO
OН
CH2 OH
D – ряд
Н
CH2 OH
L - ряд
В отличии от аминокислот в растениях содержатся, как правило, только
D-формы сахаров (правовращающие), за исключением арабинозы, встречающейся обычно в форме L-изомера.
В растениях чаще всего встречаются моносахариды, содержащие в молекуле пять (пентозы) или шесть атомов углерода (гексозы).
Пентозы широко распространены в растениях. В отличии от гексоз они
почти не встречаются в свободном виде, а входят в состав высших полисахаридов - пентозанов, находящихся в оболочках клеток растений. Пентозы входят
также в состав природных гликозидов, нуклеиновых кислот и некоторых коферментов.
Наиболее распространенные пентозы растений - L-арабиноза, D-ксилоза,
D-рибоза.
Н
-
О
С
НСОН
ОНСН
ОНСН
СН2 ОН
L-арабиноза
Н
О
С
НСОН
ОНСН
НСОН
СН2 ОН
D-ксилоза
Н
О
С
НСОН
НСОН
НСОН
СН2 ОН
D-рибоза
L-арабиноза широко распространена в растениях, но не в свободном виде, а в составе более сложных соединений: пентозанов, гемицеллюлоз, пектиновых веществ, камедей. Слабо используется организмом человека и живо тных, дрожжами не сбраживается.
D-ксилоза или древесный сахар входит в состав пентозанов - ксиланов,
которых много в древесине, соломе, отрубях, шелухе подсолнечника. Организмом животных и человека не усваивается, дрожжами не сбраживается.
D-рибоза входит в состав многих биологически активных соединений,
играющих важную роль в процессах обмена веществ - РНК, витаминов, коферментов, АТФ. Большое значение в жизни организмов имеет также производное рибозы - D-2-дезоксирибоза, которая входит в состав ДНК.
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К наиболее важным гексозам относятся D-глюкоза и D-фруктоза.
Н
О
С
НСОН
ОНСН
НСОН
НСОН
СН2 ОН
D-глюкоза
СН2 ОН
С=О
ОНСН
НСОН
НСОН
СН2 ОН
D-фруктоза
Карбонильные группы моносахаридов с длиной цепи n=5 и более могут
образовывать с соответствующими гидроксигруппами циклические полуацетали или полукетали, которые находятся в равновесии с линейными группами. В
водных растворах моносахариды находятся преимущественно в циклической
форме. В состав полисахаридов моносахариды входят только в циклической
форме.
Н
Н—С—ОН
НСОН
ОНСН
О
НСОН
НС
СН2 ОН
α-D-глюкоза
О
С
НСОН
ОНСН
НСОН
НСОН
СН2 ОН
D-глюкоза
НО С Н
НСОН
ОНСН
О
НСОН
НС
СН2 ОН
β -D-глюкоза
При этом могут возникать либо пятичленные циклы, содержащие кольцо
фурана, либо шестичленные, содержащие кольцо пирана.
О
О
НС
СН
НС
СН
НС
СН
НС
СН
Фуран
Пиран
Такие формы моносахаридов называют, соответственно, фуранозными и
пиранозными формами. Альдегидные формы гексоз в водном растворе существуют преимущественно в виде пираноз, фруктоза присутствует в растительных клетках в фуранозной форме. У пентоз образуются как пиранозные, так и
СН2
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
фуранозные формы. При этом атом углерода, принадлежащий в открытой форме карбонильной группе, становится ассиметричным, т.е. появляется допо лнительная возможность изомерии. Изомеры, отличающиеся расположением гидроксигруппы при полуацетальном атоме углерода (гликозидной гидроксигруппы) относительно плоскости кольца, называют аномерами: у -аномера эта
гидроксигруппа и CH2OH-группа находятся по разные стороны плоскости, у аномера они находятся по одну сторону плоскости кольца. В качестве иллюстрации ниже приведены - и -аномеры глюкозы:
В пространстве циклические формы моносахаридов могут существовать в
виде нескольких конформаций. Пиранозная структура чаще всего образует
конформации молекулы в форме «кресла» или «лодки». Более устойчивой является конформация в форме «кресла».
Глюкоза, или виноградный сахар - самая распространенная из моноз в
растительном мире. В свободном состоянии вместе с фруктозой глюкоза в
большом количестве содержится во многих плодах и ягодах, обусловливая их
сладкий вкус, но особенно велика её роль в образовании нерастворимых полисахаридов ( крахмал, клетчатка, гликоген), построенных из молекул D-глюкозы.
В связанном виде глюкоза входит в состав сахарозы и других ди- и трисахаридов, камедей, многочисленных гликозидов, танина и ряда других соединений.
В живых организмах глюкоза - важнейший источник энергии. Дрожжи легко
сбраживают глюкозу до спирта.
При восстановлении D-глюкозы получается спирт D-сорбит, найденный в
ягодах рябины (Sorbus aucuparia), соке вишен, слив, яблок, груш. При окислении первичной спиртовой группы в молекуле глюкозы образуется Dглюкуроновая кислота, часто присутствующая в растениях.
Фруктоза или фруктовый сахар - наиболее важный представитель кетоз.
Содержится в свободном виде во многих плодах, входит в состав сахарозы,
раффинозы и многих полисахаридов, например, инулина. Смесь равных количеств глюкозы и фруктозы составляют главную часть меда. Фруктоза значительно слаще глюкозы. Если относительную сладость сахарозы принять за
100%, то сладость глюкозы составит 74%, фруктозы-173%,мальтозы - 32%, лактозы ( молочный сахар ) - 16%.
Еще два представителя гексоз - манноза и галактоза встречаются в растении главным образом в виде высокомолекулярных полисахаридов - маннанов
и галактанов, в большом количестве содержащихся в растениях. Кроме того,
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
манноза в свободном состоянии найдена в кожуре апельсинов, галактоза входит
в состав раффинозы и ряда гликозидов. Манноза легко сбраживается дрожжами, галактоза - лишь специфическими расами дрожжей.
При восстановлении маннозы образуется спирт маннит, широко распространенный в растениях, особенно в южных, например, в маслинах. Много
маннита вводорослях Белого моря (Laminaria и Dumarystica - до 20 %).
2.2. Олигосахариды
Олигосахариды или полисахариды первого порядка построены из небольшого числа молекул моносахаридов, как правило, имеют сладкий вкус,
растворимы в воде, сбраживаются дрожжами. Наибольшее значение в растениях имеют дисахариды - сахароза и мальтоза и трисахарид раффиноза.
Сахароза (тростниковый или свекловичный сахар) широко распространена в растительном мире. Наряду с крахмалом она является запасным углеводом многих растений. Большие количества сахарозы содержатся в соке стеблей
сахарного тростника, корнеплодов сахарной свеклы ( 14 - 26 %), соке сахарного
сорго ( до 9%). Является важнейшим пищевым сахаром. Порог сладости ( минимальная концентрация в растворе, при которой ощущается сладкий вкус ) составляет для сахарозы 0.38% ( для глюкозы - 0.55%, для фруктозы - 0.25%).
Молекула сахарозы состоит из -D-глюкозы и -D-фруктозы, соединенных между собой за счет своих гликозидных гидроксилов.
Н
НО
СН2 ОН
О
Н
Н
ОН Н
Н
ОН
НО
С
Н
ОН
О
ОН
Н
Н
СН2 ОН
О
Сахароза
Под действием фермента -фруктофуранозидазы (инвертазы), сахароза
гидролизуется до составляющих ее простых сахаров. Этого фермента особенно
много в дрожжах и прорастающем зерне. Гидролиз сахарозы может происходит
также и при нагревании её растворов в присутствии кислот. Смесь глюкозы и
фруктозы, образующаяся при расщеплении сахарозы, называется инвертным
сахаром, а сам процесс гидролиза - инверсией.
Мальтоза или солодовый сахар состоит из двух молекул -D-глюкозы,
которые соединены между собой связью между первым и четвертым атомами
углерода (1,4-связь):
Н
ОН
СН2 ОН
О Н
Н
ОН
Н
О
Н
ОН
Н
44
СН2 ОН
О
Н
Н
ОН Н ОН
Н
ОН
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Мальтоза
Мальтоза образуется в больших количествах при гидролизе крахмала
амилазами. Этих ферментов много в солоде, поэтому мальтоза содержится в
большом количестве в солоде и в солодовых экстрактах. Играет большую роль
при замесе теста, т.к. расщепляясь содержащимся в дрожжах и муке ферментом
-глюкозидазой образует глюкозу, потребляемую дрожжами при брожении. В
свободном состоянии накапливается в прорастающем зерне.
Рафиноза содержится во многих растениях, например, в корнеплодах сахарной свеклы. При хранении корнеплодов её количество возрастает. При выработке сахара переходит в мелассу. В заметных количествах содержится в зародышах зерновых. Так, в сухом веществе пшеничных зародышей находится от
4 до 6.9 % рафинозы.
Молекула рафинозы состоит из трёх молекул моносахаридов: -Dгалактозы, -D-глюкозы и -D-фруктозы. Галактоза и глюкоза соединены 1,6связью, а глюкоза и фруктоза - 1,2-связью ( как и в молекуле сахарозы).
СН2 ОН
ОН О Н
Н
Н
ОН
Н
О
Н
ОН
СН2
Н
О
Н
ОН ОН
Н
Н
Н
НО
С
О
Н
ОН
ОН
Н
Н СН2 ОН
О
ОН
Раффиноза
Раффиноза не имеет сладкого вкуса.
2.3. Превращения сахаров при высокотемпературной переработке растительного сырья
Нередко при переработке сахаросодержащего растительного сырья, а
также при консервировании сахаром, под действием высоких температур монои дисахариды претерпевают различные превращения, которые приводят к образованию разнообразных соединений, оказывающих влияние на вкус и аромат
конечных пищевых продуктов.
Так, при нагревании выше температуры плавления происходит карамелизация (неполный распад)сахарозы. Продукты карамелизации носят название
«кулера». На первых стадиях распада сахарозы образуются вещества, которые
обусловливают приятный вкус пищевых продуктов (например, вкус обжаренных овощей). Однако при более высоких температурах богатые сахаром пр одукты темнеют и приобретают горький вкус.
Карамелизация сахарозы происходит следующим путём:
С12 Н22 О11
- Н2 О
Сахароза
С6 Н10 О5
С6 Н10 О5
Глюкозан
+ С6 Н10 О5 Глюкозан
2С12 Н20 О10 -
Левулезан
Н2 О
С12 Н20 О10
Изосахарозан
Изосахарозан
С24 Н36 О18
Карамелан
45
+ С6 Н10 О5
Левулезан
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С12 Н20 О10
Изосахарозан
+ С24 Н36 О18
- Н2 О Карамелан
С36 Н50 О25
Карамелен
При более высокой температуре нагревания среди продуктов распада сахарозы появляется карамелин - С24Н26О13.
Потемнение и ухудшение аромата продуктов, содержащих сахара, нередко вызывается происходящим при нагревании взаимодействии сахаров и аминокислот с образованием меланоидинов. Интенсивную меланоидиновую реакцию дают сахара, имеющие свободную карбонильную группу (фруктоза, глюкоза, мальтоза).
Меланоидиновая реакция сопровождается образованием целого ряда
промежуточных соединений, например, циклических альдегидов фурфурола и
оксиметилфурфурола. Эти соединения характеризуются характерным резким
запахом и участвуют в создании аромата готовых пищевых продуктов, например корки хлеба при выпечке.
Фурфурол имеет запах яблок, он образуется из пентоз, подвергающихся
дегидротации при высоких температурах в соответствии с уравнением:
С5 Н10 О5
- 3Н2 О С5 Н4 О2
Оксиметилфурфурол имеет приятный запах меда и образуется аналогичным образом путем дегидротации гексоз.
С6 Н12 О6
- 3Н2 О С6 Н6 О3
2.4. Высшие полисахариды ( полиозы)
Полиозы или полисахариды второго порядка - высокомолекулярные вещества, которые содержат от нескольких десятков до многих тысяч остатков
моносахаридов. В зависимости от строения их можно разделить на две группы:
гомополисахариды и гетерополисахариды. Гомополисахариды состоят из
остатков одного моносахарида. Например, крахмал, гликоген, целлюлоза состоят из глюкозы; инулин - из фруктозы; маннаны, галактаны, арабаны, ксиланы из остатков соответствующих гексоз или пентоз. Гетерополисахариды состоят
из остатков различных моносахаридов. К ним относятся гемицеллюлозы, камеди, слизи и другие вещества.
Кратко разберем наиболее важные полиозы растений.
Крахмал - главный полисахарид растений, играющий роль запасного вещества. Крахмал всегда содержится в зеленых листьях, где он образуется в
процессе фотосинтеза, но основными органами растений, в которых накапливается наибольшее количество крахмала, являются семена, клубни, луковицы и
др. особенно много крахмала в зерне злаковых культур - 60-80 %, в семенах бобовых (кроме сои) - 34-44 %, в клубнях картофеля - до 30%.
В растениях крахмал содержится в виде крахмальных зерен различного
размера (от 0,002 до 0,15 мм). Крахмальные зерна напоминают линзы сферической, овальной или неправильной формы с характерной слоистостью. Каждая
культура имеет свои характерные для неё форму и размеры крахмальных зерен. Наиболее крупными являются зёрна картофельного крахмала.
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Размер крахмальных зерен оказывает большое влияние на технологические свойства клубней картофеля. От этого также зависит консистенция картофельного клубня и рассыпчатость после варки, которая так высоко ценится потребителем. При нагревании зерна крахмала набухают, и поэтому клетки, содержащие зерна, округляются, начинают легче отделяться одна от другой, что и
создает рассыпчатую консистенцию. Слишком сильное набухание крахмальных
зерен вызывает разрыв клеток, и такой картофель при варке дает полужидкую
массу. Чем мельче зерна, тем чаще наблюдается разрыв клеток, особенно если
они меньше 0,02 мм.
Крахмал - это не однородный полисахарид, а смесь двух компонентов:
амилозы и амилопектина, которые различаются по своим физическим и химическим свойствам. Амилоза растворяется в воде без образования клейстера, даёт с йодом синее окрашивание. Амилопектин даёт с йодом фиолетовое окрашивание, с горячей водой образует клейстер.
По химическому строению амилоза представляет собой длинную неразветвленную цепь остатков -D-глюкозы, соединенных 1,4-связями.
СН2 ОН
Н О Н
Н
ОН Н
О
Н
ОН
Н
СН2 ОН
О Н
Н
ОН
Н
Н
ОН
Н
Амилоза
СН2 ОН
О Н
Н
ОН
Н
О
Н
ОН
Каждая молекула амилозы включает 200 - 500 остатков глюкозы и имеет
молекулярную массу 100-600 тыс. Длинная цепь молекулы амилозы закручена
в спираль, причем каждый виток спирали состоит из шести глюкозных остатков.
В отличии от амилозы молекула амилопектина имеет разветвлённую
структуру; в точках ветвления остатки -D-глюкозы соединены 1,6-связями.
Молекулярная масса амилопектина достигает 1 млн. Точки ветвления (связи 1,6
) встречаются в среднем через 20-25 глюкозных звеньев. По аналогии из ботаники молекула амилопектина напоминает срубленное дерево, ствол и ветви которого имеют одинаковую толщину и представляют собой спирально закрученную цепь глюкозных остатков.
Н
О
Н
О
СН2 ОН
О Н
Н
ОН Н
Н
ОН
СН2 ОН
О
Н
ОН Н
Н
ОН
Н
Н
Н
СН2 ОН
О Н
Н
ОН Н
О
Н
ОН
СН2 ОН
О
Н
Н
ОН Н
Н
ОН
Н
47
СН2
Н
ОН
Н
О
Н
ОН
Н
Н
СН2 ОН
О Н
Н
ОН
Н
Н
ОН
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Амилопектин
Соотношение амилозы и амилопектина в крахмале в различных растениях
разное. В картофельном крахмале содержится 19-22% амилозы и 78-81% амилопектина, в пшеничном и кукурузном, соответственно, 25% и 75%. В некоторых сортах восковидной кукурузы и риса - 100% амилопектина, а в крахмале
гороха - 80% амилозы. На рис. 2 показано пространственное строение картофельного крахмала.
Рис. 2. Пространственное строение крахмала
Родственным растительному крахмалу веществом является животный
крахмал - гликоген, который содержится в различных тканях и органах животных, а также в некоторых растениях: в зерне сахарной кукурузы, дрожжах и
грибах. По строению гликоген близок к амилопектину, но отличается от него
большей разветвленностью молекулы ( одно ответвление на каждые 10-18
остатков глюкозы ) и более высокой молекулярной массой (до 107-109).
Под действием ферментов амилаз крахмал расщепляется с образованием
декстринов и мальтозы. Декстрины - это высокомолекулярные вещества, являющиеся промежуточными продуктами расщепления крахмала. Декстрины
бывают различного состава и молекулярной массы. При действии амилаз на
крахмал сначала образуются декстрины с очень большой молекулярной массой
- амилодекстрины, которые окрашиваются йодом в синий цвет. Затем образуются декстрины с меньшей молекулярной массой - эритродекстрины, дающие с
йодом красно-бурую окраску. При дальнейшем действии амилаз образуются
ахродекстрины, имеющие ещё меньшую молекулярную массу и не окрашивающиеся йодом. Наконец, образуются мальтодекстрины - декстрины со сравнительно низкой молекулярной массой, близкие к мальтозе; йодом они также не
окрашиваются. В конечном итоге образуется мальтоза. Таковы этапы расщепления крахмала амилазами.
В растениях содержатся два вида амилаз, различающихся по характеру
действия на крахмал: -амилаза, называемая ещё декстриногенамилазой, и амилаза или сахарогенамилаза. Обе амилазы расщепляют в крахмале связь 1,4,
но -амилаза обладает более мощным действием. При действии на крахмал она
быстро дробит молекулы амилозы и амилопектина на крупные декстрины, которые затем расщепляет до мальтозы. -амилаза действует иначе: последова48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тельно отщепляет от конца цепи полисахарида одну за другой молекулы мальтозы. При этом действие -амилазы заканчивается у разветвления цепи амилопектина, а -амилаза расщепляет амилопектин не только до мест разветвления
цепи, но и между ними.
Наиболее важным источником амилаз является зерно злаковых культур,
причем - и -амилазы могут встречаться в зерне вместе и раздельно. В нормальном зерне пшеницы и ячменя содержится только -амилаза; -амилазы там
нет, но она образуется при прорастании. В нормальном зерне ржи и овса встречаются обе амилазы, а в непроросших семенах сорго находится главным обр азом -амилаза. Таким образом, зерно разных культур отличается по содержанию - и -амилазы. В различных частях зерновки злаков амилазы проявляют
разную активность: наиболее высока она в зародыше, а в эндосперме значительно ниже.
Амилазы имеют очень большое значение в оценки качества зерна и муки:
процесс накопления сахара во время брожения теста и сам процесс брожения
зависят от скорости накопления в тесте мальтозы, что в свою очередь зависит
от действия этого фермента. Амилазы также важны в спиртовой и пивоваренной промышленности, где применяется солод, представляющий собой проро сшее и осторожно высушенное зерно, которое является источником активной
амилазы.
- и -амилаза довольно существенно различаются по своим свойствам:
-амилаза интенсивнее действует в более кислой среде, чем -амилаза. Оптимум действия -амилазы ржи отмечается при рН 5,2-5,5, -амилазы - при рН
4,0-4,5. Это свойство используется в хлебопекарном производстве: -амилаза,
содержащаяся в нормальном зерне ржи и в проросшем зерне пшеницы, благодаря своей декстринирующей способности оказывает отрицательное влияние на
вкус и консистенцию мякиша. Этот дефект предотвращают использованием
жидких дрожжей или молочнокислых заквасок, содержащих молочнокислые
бактерии. Образующаяся молочная кислота в значительной мере угнетает амилазу.
- и -амилазы различаются также и по термостабильности: -амилаза
более устойчива к повышенной температуре. Температурный оптимум для амилазы пшеничного зерна находится около 640С, а -амилазы - 49-510С. Это
имеет большое значение в практике работы с зерном. Так, самосогревание зерна может вызвать глубокие изменения активности амилаз, что скажется на хлебопекарной способности муки из такого зерна. Гидротермическая обработка
зерна, особенно при повышенной температуре, также вызовет изменение активности амилаз и хлебопекарного достоинства муки.
При использовании крахмала в качестве дыхательного субстрата он претерпевает ферментативные превращения под действием другого фермента фосфорилазы. Этот фермент катализирует следующую реакцию:
фосфорилаза
(С6 Н10 О5 )n + nH3 PO4
49
nC6 H11 O6 H2 PO3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
глюкозо-1-фосфат
Такой процесс происходит при хранении растениеводческой продукции в
дышащей растительной клетке.
Целлюлоза или клетчатка - главная составная часть клеточных стенок
растений. Целлюлоза в растении всегда связана с другими веществами: лигнином, гемицеллюлозами, пектинами, смолами, липидами. Хлопковое вещество
содержит 95-98% целлюлозы, лён - 80-90%, древесина - 40-50%. Много целлюлозы содержится в цветочных пленках и оболочках зерна (50-60%), а также в
стенках клеток алейронового слоя ( 9 - 11 %).
Каждая молекула целлюлозы представляет собой длинную неразветвленную цепь остатков -D-глюкозы, связанных гликозидной связью между
первым и четвертым атомами углерода.
СН2 ОН
Н
О
О Н
ОН
Н
О
Н
Н
ОН
СН2 ОН
Н О
Н
ОН
Н
О
Н
Н
ОН
Целлюлоза
Н
СН2 ОН
О
Н
ОН Н
О
Н
Н
ОН
Нитевидные молекулы за счет водородных связей атомов гидроксильных групп клетчатки и адсорбированных молекул воды соединяются в пучки,
называемые мицеллами. В каждую мицеллу входит около 60 молекул клетчатки. Благодаря такой структуре клетчатка - очень прочное соединение, не растворимое в воде и в большинстве других растворителей. Под действием фермента целлюлазы клетчатка распадается на дисахарид целлобиозу. Этот фермент содержится в проросшем зерне, в некоторых бактериях и плесневых гр ибах. Особенно активная целлюлаза содержится в бактериях, живущих в желудке жвачных животных, которые гидролизуют клетчатку. Поэтому травоядные
животные хорошо усваивают это вещество. Человеком клетчатка не усваивается, но оказывает очень важное влияние на функции кишечника благодаря своей
массе, способности поглощать воду, адсорбционным свойствам и способности
смешиваться. Ценность большей части потребляемой растительной пищи можно объяснить именно этой функцией, а не только прямым участием в повышении уровня питания. Добавление к суточному рациону 10- 30 г отрубей решает
многие проблемы с заболеваниями желудочно-кишечного тракта.
Гемицеллюлозы - гетерополисахариды, которые наряду с целлюлозой
входят в состав клеточных стенок, а также могут частично использоваться, как
запасные питательные вещества. Они не растворимы в воде, но растворимы в
щелочах и легко гидролизуются под действием кислот. В состав гемицеллюлоз
помимо глюкозы входят галактоза, фруктоза, манноза, арабиноза и ксилоза. В
зависимости от вида и органа растений в составе гемицеллюлоз могут преобладать те или иные моносахариды. Молекулярная масса молекулы гемицеллюлоз
значительно ниже, чем у целлюлозы.
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К сложным углеводам относятся также гомополисахариды, построенные
из остатков одного моносахарида, но не глюкозы. Например, полимеризацией
гексоз галактозы и маннозы получают галактаны и маннаны, соответственно.
Полисахариды, построенные из остатков соответствующих пентоз ( их называют пентозаны ) - ксиланы и арабаны. Все эти полисахариды входят в состав
клеточных стенок, а также могут служить резервным питательным материалом.
Ксиланы в большом количестве содержатся в древесине (например, в древесине
лиственных пород они составляют до 25%).
К высшим полисахаридам относятся и пектиновые вещества - высокомолекулярные соединения, содержащиеся в плодах, корнеплодах, растительных
волокнах, а также входящие в состав клеточных стенок. В присутствии кислот
и сахара пектиновые вещества образуют желе и студни, на чём основано их
широкое применение в кондитерской промышленности.
В основе строения пектиновых веществ лежит цепь из остатков -Dгалактуроновой кислоты, соединенной 1,4 - связями. Эту цепь называют пектиновой или полигалактуроновой кислотой. Часть карбоксильных групп цепи
может быть связана с метиловым спиртом или ионами металлов. Все эти с оединения относятся в группу пектиновых веществ. Они хорошо растворимы в
воде. Фрагмент молекулы пектиновых веществ имеет вид:
СООR
O H
O OH H
H
O
H H
OH
- R = Н, СН3 или ион металла.
Молекулярная масса пектиновых веществ доходит до нескольких сотен
тысяч. Желирующие свойства пектина тем выше, чем длиннее цепочка полигалактуроновой кислоты и больше метильных групп она содержит.
Протопектины - нерастворимые в воде вещества, в которых пектиновая
кислота связана с другими веществами - крахмалом, целлюлозой, гемицеллюлозами и т.д. Протопектины как бы цементируют растительные волокна между
собой. От соотношения пектиновых веществ и протопектина в растительной
клетке зависит степень зрелости и консистенция плода. В недозрелых плодах
содержится преимущественно протопектин. По мере созревания плодов происходит распад части протопектина до растворимого в воде пектина. Этот пр оцесс идет под действием фермента протопектиназы, а также органических кислот, содержащихся в плодах.
Пектиновые вещества, обладающие хорошими коллоидными свойствами, имеют лечебное значение. Пища, богатая пектинами, связывает соли желчных кислот и снижает уровень холестерина в крови, а также обладает способностью адсорбировать из организма вредные токсины.
51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пектиновые вещества оказывают существенное влияние на консистенцию плодов и их развариваемость при консервировании, застудевание фруктовой продукции с сахаром, осветление плодовых соков, величину отходов при
протирании томатов и т.д. В сахарном производстве пектиновые вещества, входящие в состав корнеплодов сахарной свёклы, являются одним из наиболее
вредных «несахаров» из-за коллоидных свойств, создавая затруднения при
фильтровании и при кристаллизации сахара.
На брожении пектиновых веществ основана биологическая обработка
волокна льна. При мочке льна пектин разрушается ферментами, и тем освобождается волокно.
Камеди и слизи - вещества, способные набухать в воде и образовывать
вязкие растворы - также относятся к сложным углеводам. Эти вещества выделяются при повреждении некоторых растений, а также содержатся в семенах.
Особенно их много в семенах льна, ржи, клевера, люцерны и др. В зерне ржи,
например, их содержится от 2.5 до 7.4% сухого вещества.
По химическому строению камеди и слизи являются Ca-, Mg-, K-солями
полиуроновых кислот в комбинации с пентозанами, метилпентозанами и гексозанами. При гидролизе они дают галактозу, маннозу, глюкозу, арабинозу, кс илозу, и другие моносахариды. Соотношение между моносахаридами, которые
образуются при гидролизе разных камедей и слизей, существенно различаются.
В слизях ржи, например, большую часть составляют арабиноза и ксилоза.
2.5.
Превращение углеводов при созревании и хранении растениеводческой продукции
Во время созревания и последующего хранения растениеводческой продукции происходят постоянные изменения в их углеводном комплексе. Характер этих изменений резко отличается у зерновой и плодоовощной продукции.
Основная направленность углеводного обмена при созревании зерна заключается в превращении низкомолекулярных растворимых углеводов, поступающих в зерно из листьев, в высокомолекулярные запасные полисахариды. В
начале формирования зерна в нем почти нет крахмала, но имеются полифруктозиды в количестве 25 - 30% веса сухой массы и до 15 - 20% сахаров. При созревании зерна полифруктозиды, ди- и трисахариды легко расщепляются до
моносахаридов, из которых интенсивно синтезируется крахмал. К периоду во сковой и полной спелости количество растворимых углеводов в зерне резко понижается, и они почти полностью превращаются в крахмал. По количеству сахаров и полифруктозидов можно судить о степени зрелости зерна.
В первый период хранения при послеуборочном дозревании зерна в нем
заканчиваются процессы биосинтеза высокомолекулярных веществ, начатые в
колосе, поэтому первоначально количество крахмала может увеличиться. При
последующем хранении крахмал, являющийся основным запасным веществом
и дыхательным субстратом в семенах злаковых, расходуется на дыхание. Потери крахмала зависят от интенсивности дыхания зерна. Например, интенсивность дыхания различных видов зерна при стандартной влажности 14% эквива52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лентна следующей потере крахмала: 0.39 г/кг в год у овса; 0.98 г/кг - у пшеницы; 2.92 г/кг - у кукурузы. В процентном отношении потери крахмала на дыхание в год составят от 0.04% у овса до 0.3% у кукурузы. Потери крахмала на дыхание картофеля при температуре хранения 100С составят 0.7- 0.8% в месяц,
что почти в 100 раз больше, чем у пшеницы стандартной влажности при той же
температуре хранения.
По-иному происходит углеводный обмен в плодоовощной продукции. В
период созревания на материнском растении и при последующем хранении у
большинства плодов и овощей содержание крахмала уменьшается, а сахаров
возрастает. Достигнув определенного максимума, уровень сахаров также начинает снижаться. Повышение уровня сахаров в первый период хранения происходит преимущественно за счет моноз. Количество же сахарозы уменьшается:
часть её под действием содержащихся в плодах ферментов и кислот распадается до моноз, в результате чего количество моноз увеличивается.
Имеется обширная группа плодов и овощей, в которой отсутствует
крахмал. тем не менее и в их тканях нередко наблюдается увеличение содержания сахаров во время хранения. Изучение динамики различных фракций полисахаридов показало, что при послеуборочном дозревании плодов происходит
гидролиз не только крахмала, но также пектиновых веществ, гемицеллюлоз и
даже целлюлозы, которые могут служить источником накопления в плодах с ахаров.
Особую группу растений по характеру углеводного обмена составляют
овощной горох, овощная фасоль, сахарная кукуруза. Эти растения относятся к
семействам бобовых и злаковых, поэтому при их созревании и хранении пр оисходит не превращение крахмала в сахар, а наоборот, сахара в крахмал. Скорость этих процессов в отдельных сортах гороха неодинакова: гораздо меньшая
в так называемых мозговых сортах, чем в гладкозерных. Задержка с уборкой и
переработкой гладкозерного гороха на 1-2 дня вызывает уже заметное возрастание уровня крахмала, в результате чего он становится грубым и непригодным
для консервирования. Поэтому мозговые сорта гороха более пригодны для ко нсервной промышленности.
Изменение содержания крахмала и сахаров в клубнях картофеля происходит иначе. Если у большинства плодов и овощей в процессе созревания и
хранения крахмал превращается в сахар, а в зерне наоборот, сахар переходит в
крахмал, то при хранении клубней картофеля в них происходит и то и другое.
Интенсивность этих процессов зависит от сортовых особенностей картофеля и
в значительной мере от температуры хранения. При температуре, близкой к нулевой, клубни картофеля приобретают не свойственный им сладкий вкус. Это
особенно важно при использовании картофеля для переработки на продукты
питания. Качество сушеного картофеля и картофельной крупки, а ещё в большей мере хрустящего картофеля (чипсов), как правило, тем выше, чем ниже содержание сахаров в исходном сырье. Как было отмечено выше, причиной
ухудшения качества сушеного и особенно хрустящего картофеля является происходящий в этих продуктах процесс взаимодействия между редуцирующими
сахарами и аминокислотами с образованием меланоидов. С появлением мела53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ноидов в продукте из картофеля происходит не только его потемнение, но и
ухудшение всех его свойств (вкуса, развариваемости, набухаемости, хруста, витаминной активности).
Заметное ухудшение качества продуктов переработки картофеля наступает уже при содержании в нем 5-6% сахаров на сухое вещество, в то время как
сладкий вкус в картофеле начинает ощущаться, как только уровень сахаров
превысит 7-8% сухого вещества. Разные сорта картофеля отличаются по содержанию сахаров и интенсивности их накопления во время хранения. В одних
сортах уровень сахаров возрастает медленнее, в других быстрее. Сортовые различия особенно проявляются при хранении картофеля в условиях низких температур, способствующих быстрому накоплению в клубнях сахаров.
Накопление в картофеле сахаров при низких температурах, равно как и
их исчезновение при смене холодного хранения на теплое, обусловлено различной скоростью отдельных превращений крахмала и сахаров. При хранении
картофеля в нем одновременно происходят следующие реакции: крахмалсахар; сахаркрахмал; потребление сахара на дыхание. При снижении
температуры заметно уменьшается скорость всех трех реакций. Однако больше
всего ослабляется ресинтез крахмала, и в этом основная причина накопления
сахаров в клубнях при низкой температуре. С повышением температуры скорость этой реакции возрастает снова сильнее других, и поэтому именно она в
первую очередь ответственна за исчезновение сахаров в картофеле при выдерживании клубней в тепле после холодного хранения.
Следует иметь в виду ещё одно обстоятельство. При температуре, близкой к нулю, из-за сильного накопления в клубнях сахаров, т. е. дыхательного
субстрата, активность дыхания клубней может оказаться выше, чем при более
высокой температуре, хотя вообще со снижением температуры процессы дыхания ослабляются. Так, при 8-100С дыхание клубней более сильное, чем при 40С,
тогда как при температуре 10С клубни дышат интенсивнее, чем при 40С.
Итак, чтобы освободиться от сахаров, образующихся в клубнях при распаде крахмала в условиях низких температур, необходимо выдержать клубни
при повышенных температурах. Однако, на скорость превращения сахаров в
крахмал большое влияние оказывает не только температура, при которой картофель ранее хранился, но и как долго он находился при низкой температуре:
чем дольше картофель хранится при низкой температуре, тем больше времени
требуется для ресинтеза крахмала. Так, для снижения содержания сахаров в
картофеле, находившемся 7-8 месяцев при температуре около 00С, его надо выдержать при 200С в течении недели и более.
При распаде и повторном ресинтезе крахмала в картофеле существенно
меняется качество крахмала а именно, уменьшается средний размер крахмальных зерен за счет увеличения доли мелких зерен в ресинтезированном крахмале. Размер крахмальных зерен, как известно, влияет на технологические свойства клубней и на его развариваемость при варке.
2.6.
Дыхание растениеводческой продукции
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Главная особенность растениеводческой продукции, принципиально отличающая её от продукции животноводства, заключается в том, что мы имеем
дело с живыми органами растений, в которых и после уборки не прекращается
течение биологических процессов. После отделения органов от материнского
растения, в них продолжается обмен веществ, направленный на сохранение
жизнедеятельности клетки и растительного организма в целом. Источником
энергии для поддержания обмена веществ в растениеводческой продукции при
хранении является дыхание.
Дыхание - это процесс ферментативного окисления углеводов или других органических веществ, протекающий с выделением энергии. По современным представлениям процесс дыхания у растений состоит из трех стадий: гликолиза, цикла ди- и трикарбоновых кислот, а также окисления восстановленных
динуклеотидов, образующихся на первых двух стадиях дыхания, с участием
ферментных комплексов, локализованных во внутренних мембранах метохондрий. Подробно химизм процесса дыхания изложен в курсах общей биохимии
растений.
При хранении растениеводческой продукции диссимиляция органических веществ в процессе дыхания может осуществляться по-разному в зависимости от условий. На первом этапе в процессе гликолиза (анаэробная стадия
дыхания) из глюкозы образуется пировиноградная кислота. Далее в растении, в
зависимости от того, в каких условиях оно находится, могут осуществляться
два пути превращения пировиноградной кислоты. Если доступ воздуха достаточен (аэробные условия), то пировиноградная кислота в процессе аэробной
стадии дыхания подвергается окислению кислородом воздуха до углекислого
газа и воды.
Суммарное уравнение дыхания в этом случае имеет вид:
С6 Н12 О6 + 6О2 6СО2 + 6Н2 О + Q
Как следует из уравнения, кроме углекислого газа и воды в процессе
дыхания выделяется ещё и тепло: суммарное количество энергии при аэробном
дыхании составляет 2821,9 кДж (674 ккал) на 1 моль (180 г) израсходованной
глюкозы.
Приведенное суммарное уравнение показывает лишь баланс веществ
при дыхании, т. е. начальные и конечные вещества. Оно не даёт представления
о многочисленных промежуточных реакциях, происходящих в сложном пр оцессе дыхания, и о тех веществах, которые возникают и исчезают на различных
этапах этого процесса. Образующиеся при окислении углеводов в процессе дыхания многочисленные промежуточные продукты играют очень важную роль в
обмене веществ растения.
55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При отсутствии кислорода (анаэробные условия) пировиноградная кислота будет подвергаться последующим превращениям в процессе брожения.
Брожение - это процесс глубокого окислительного распада органических веществ, преимущественно сахаров, не сопровождающийся потреблением молекулярного кислорода. Брожение, как и дыхание, состоит из большого числа
промежуточных окислительно-восстановительных реакций, но в отличии от
дыхания никогда не приводит к полному окислению органического вещества.
Таким образом, если растениеводческая продукция хранится без доступа во здуха, окисление углеводов в ней происходит в соответствии с суммарным
уравнением спиртового брожения:
С6 Н12 О6
2СН3 СН2 ОН + 2СО2 + Q
Суммарное количество энергии, выделяющееся при неполном окислении углеводов, значительно ниже: так, при спиртовом брожении оно составляет
118 кДж (28,2 ккал) на 1 моль израсходованной глюкозы.
Дыхание вызывает большие изменения в растениеводческой продукции
при хранении. Прежде всего, в результате расхода органического вещества
происходит уменьшение сухой массы продукции. Потери массы на дыхание
растениеводческой продукции называются естественной убылью. Она относится к нормируемым потерям продукции при хранении.
Во-вторых, как это видно из приведенного выше уравнения, в результате
дыхания меняется состав окружающего воздуха - потребляется кислород и
накапливается углекислый газ. Это может привести к возникновению брожения
в продукции, что не всегда желательно. Например, если в таких условиях хранятся семена, то образующийся при спиртовом брожении этиловый спирт
отравляет зародыш, и семена теряют всхожесть.
Наконец, в результате усиленного дыхания выделяется вода. Это ос обенно важно при хранении зерновой продукции: выделяющиеся водяные пары
будут повышать влажность зерна. Чрезвычайно важное следствие дыхания тепловыделение. Как известно, все виды растениеводческой продукции обладают плохой теплопроводностью. Поэтому тепло, образующееся в результате
интенсивного дыхания, будет как бы аккумулироваться в продукции, что в
свою очередь будет способствовать усилению процесса дыхания и возникновению самосогревания.
Интенсивность дыхания зависит от многих факторов и прежде всего от
вида продукции, её качества, физиологического состояния, а также условий
хранения. Сочная продукция, к которой относятся картофель, плоды и овощи,
дышит значительно интенсивнее, чем зерновая. По этой причине естественная
убыль при хранении плодоовощной продукции значительно выше, чем зерновой. Так, при хранении картофеля в буртах в течении 9 месяцев убыль массы за
счет дыхания составит 7,4%, в то время как зерно пшеницы, хранящееся нас ыпью в стационарном хранилище, потеряет за аналогичный период всего лишь
0,11% своей массы. Кроме того, интенсивность дыхания плодоовощной пр одукции меняется в зависимости от периода хранения: плоды и овощи дышат
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
наиболее интенсивно сразу после уборки, затем в основной период хранения
(период покоя у двулетних овощей, и дозревания у плодов и плодовых овощей)
интенсивность дыхания устанавливается на минимальном уровне, в весенний
период снова отмечается резкий подъём дыхания. Поэтому нормы естественной
убыли плодоовощной продукции определяются ежемесячно.
Интенсивность дыхания зерновой продукции, в отличие от плодоовощной, не зависит от сроков хранения и после прохождения периода послеуб орочного дозревания устанавливается на одном уровне. Поэтому нормы естественной убыли зерна и семян определяются за весь период хранения.
В качестве дыхательного материала в растении, кроме углеводов, могут
использоваться и другие органические вещества: жиры (например, при дыхании
масличных семян), белки и аминокислоты (при прорастании семян бобовых
культур), органические кислоты (в плодах и овощах) и т.д. В зависимости от
преимущественного использования тех или иных веществ в процессе дыхания
будет изменяться отношение объёма выделяемого при дыхании углекислого газа к объёму поглощаемого кислорода, так называемый дыхательный коэффициент:
СО2
ДК = О2
В нормальном зерне злаковых и бобовых культур, в которых дыхательным субстратом являются преимущественно углеводы, при аэробном дыхании
величина дыхательного коэффициента равна единице:
6СО2
ДК = 6 О2
= 1
При дыхании семян масличных культур дыхательный коэффициент
меньше единицы (для нормальных семян ДК=0,7, для прорастающих ещё ниже). Это означает, что количество потребляемого кислорода превышает количество выделяемого при дыхании углекислого газа. Дополнительное колич ество кислорода требуется для предварительного окисления жира, являющегося
основным дыхательным субстратом у масличным семян.
При окислении органических кислот дыхательный коэффициент больше
единицы. У большинства плодов и овощей, содержащих большое количество
органических кислот, величина дыхательного коэффициента равна 1,2-1,3.
При переходе растениеводческой продукции к брожению, когда снижается количество потребляемого кислорода, и увеличивается количество выделяемой углекислоты, значение дыхательного коэффициента также больше единицы.
2.7.
Брожение
В практике работы с растениеводческой продукцией часто приходится
иметь дело с различными типами брожения. Наибольшее практическое значение из них имеют спиртовое, молочнокислое и маслянокислое брожение. При
переработке растениеводческого сырья брожение является прежде всего мик57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
робиологическим процессом, продуцируемым различными видами микроорганизмов.
Спиртовое брожение вызывают дрожжи - микроорганизмы из класса
сумчатых грибов. Основными продуктами спиртового брожения являются
спирт и углекислый газ. Как отмечено выше, суммарное уравнение его имеет
вид:
С6 Н12 О6
2С2 Н5 ОН + 2СО2
Кроме главных продуктов при этом виде брожения образуются в незначительных количествах и другие продукты, например, токсичные сивушные
масла, имеющие неприятный запах и вкус. А вот такие побочные продукты, как
янтарная кислота, ацетатальдегид глицерин и др. определяют специфический
аромат вина, пива и других спиртных напитков. Велика роль спиртового бр ожения в тестоведении и выпечке хлеба. Выделяющийся углекислый газ разрыхляет тесто, придавая ему пенистое строение, от чего зависит пористость хлеба,
а спирт и другие продукты брожения участвуют в образовании его аромата. В
присутствии кислорода спиртовое брожение прекращается, и дрожжи переходят к обычному аэробному дыханию (эффект Пастера).
Молочнокислое брожение вызывают молочнокислые бактерии. Основным продуктом при этом виде брожения является молочная кислота:
С6 Н12 О6
2СН3 СНСООН
ОН
Молочная кислота
Микроорганизмы, осуществляющие молочнокислое брожение, разделяют на две группы. Первая группа сбраживает гексозу с образованием преимущественно молочной кислоты и очень малого количества побочных продуктов,
их называют гомоферментативными молочнокислыми бактериями. Вторая
группа, называемая гетероферментативными молочнокислыми бактериями, вызывает более сложное брожение, при котором наряду с молочной кислотой образуются другие продукты: уксусная кислота, этиловый спирт, углекислый газ,
водород, метан, диацетил, эфиры и др. В зависимости от микроба, питательной
среды и внешних условий эти продукты накапливаются в разных количественных соотношениях.
Молочнокислое брожение играет большую роль при изготовлении хлебных заквасок и жидких дрожжей при выпечке ржаного хлеба. В ржаном тесте и
хлебе содержится заметное количество молочной и уксусной кислоты, что является следствием совместного присутствия дрожжей, вызывающих спиртовое
брожение, и молочнокислых бактерий, вызывающих молочнокислое брожение.
Молочнокислое брожение одновременно со спиртовым происходит при
квашении капусты, солении огурцов, при силосовании кормов.
Маслянокислое брожение вызывают маслянокислые бактерии, также являющиеся анаэробными микроорганизмами. Они превращают углеводы и др.
вещества в масляную кислоту по уравнению:
С6 Н12 О6
СН3 СН2 СН2 СООН + 2СО2
58
+ 2Н2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Масляная кислота
При маслянокислом брожении по сравнению с другими видами брожения образуется особенно много побочных продуктов: бутиловый и этиловый
спирты, ацетон, уксусная, молочная, капроновая и каприловая кислоты.
Маслянокислое брожение в природных условиях происходит в гигантских масштабах в илистых отложениях на дне озер, болот, прудов, в навозе и
т.д. и представляет собой очень важное звено в цепи превращений органич еских веществ при их минерализации. При квашении и солении овощей маслянокислое брожение является нежелательным процессом, приводящим к образованию побочных продуктов, которые значительно ухудшают вкусовые качества
засоленных, квашенных и моченых овощей и могут привести их в негодность.
Поэтому процессы засола и квашения должны проводиться в условиях, стимулирующих развитие молочнокислых бактерий и подавляющих деятельность посторонней микрофлоры.
Как показал ряд ученых, в частности академик П.А. Костычев, процесс
брожения у растительных организмов генетически связан с процессом дыхания.
Оба эти процесса имеют общий начальный этап - это этап анаэробного распада
глюкозы (гликолиз), в ходе которого глюкоза расщепляется до пировиноградной кислоты СН3СОСООН. В анаэробных условиях происходит процесс брожения, и в конечном счете пировиноградная кислота восстанавливается до этилового спирта (спиртовое брожение), молочной кислоты (молочнокислое брожение) или масляной кислоты. В присутствии кислорода (аэробные условия) происходит энергетически более выгодное окисление пировиноградной кислоты
до углекислого газа и воды, т.е. процесс дыхания. Схематически это можно
представить следующим образом:
Глюкоза
гликолиз
СН3 СОСООН
(Пировиноградная кислота)
- О2
+ О2
Брожение
Дыхание
Контрольные вопросы: 1. Какие функции выполняют углеводы в растениях. 2. Классификация углеводов растительной продукции. 3. Какова роль и
общее строение моносахаридов. 4. Назовите наиболее распространенные пентозы растений, каковы их функции. 5. Назовите наиболее распространенные гексозы растений, каковы их функции. 6. Назовите наиболее распространенные
олигосахариды растений, каковы их функции. 7. Каковы пути превращения
простых сахаров при высокотемпературной переработке растительного сырья.
8. Каково строение и функции крахмала в растениях. 9. Ферментативный гидролиз крахмала амилазами и роль этого процесса при переработке крахмалосодержащего сырья. 10. Каково строение и функции высших полисахаридов растений: целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых веществ. 11. Почему отмечается
накопление глюкозы в картофеле при низкой температуре хранения. Как это
отражается на продуктах переработки картофеля. 12. Каковы основные след59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ствия дыхания растениеводческой продукции при хранении. 13. Как меняется
дыхательный коэффициент в зависимости от вида хранимой продукции растениеводства и условий хранения. 14. Назовите основные виды брожения, наблюдаемые при переработке растительного сырья. Каковы основные и побочные
продукты при этих видах брожения.
3. Органические кислоты
Многие растения обладают способностью накапливать в своем составе
органические кислоты, играющие роль промежуточных соединений в метаболизме. Этим веществам принадлежит исключительно важная роль в обмене веществ растений. Образуясь при дыхании растений как продукты неполного
окисления углеводов, органические кислоты используются затем в синтезе
аминокислот, алкалоидов и многих других соединений. Таким образом, они являются связующим звеном между обменом углеводов, белков, жиров и т. д.
В растениях органические кислоты содержатся как в свободном виде,
так и в виде солей K, Na, Ca и эфиров. Главным местом их локализации в растительной клетке являются вакуоли. В клеточном соке многих плодов и овощей
органические кислоты составляют значительные количества. Так, в мякоти
плодов лимона количество лимонной кислоты доходит до 6-7% сырой массы. В
семенах по мере их созревания и обезвоживания вакуолей соли органических
кислот откладываются в клетке в виде аморфных или кристаллических образований. Например, одними из самых распространенных кристаллических отложений в клетках семян масличных культур являются оксалаты кальция.
Различают летучие и нелетучие органические кислоты. К летучим относятся одноосновные жирные кислоты: муравьиная, уксусная, пропионовая,
масляная, изомасляная, изовалериановая; все они обладают резким запахом.
Эти кислоты часто образуются при хранении растениеводческой продукции в
анаэробных условиях или при действии на растительное сырьё микроорганизмов.
НСООН
Муравьиная
СН3
СООН
Уксусная
СН3
СН2
СООН
Пропионовая
СН3
СН2
СН2
СООН
Масляная
Н3 С
Н3 С
СН3
СН
СООН
Изомасляная
СН3
СН
СН2
СООН
Изовалериановая
Во многих плодах присутствуют небольшие количества эфиров летучих
кислот, обусловливая их аромат. Так, метиловые эфиры муравьиной и масляной
кислот составляют существенную часть летучих веществ, определяющих аромат яблок.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К нелетучим относятся кислоты, содержащие гидроксильную или карбонильную группы. Нелетучие кислоты по числу карбоксильных групп делят
также на одноосновные, двух- и трехосновные.
К одноосновным оксикислотам относится молочная кислота, часто образующаяся при бродильных процессах в растениеводческой продукции:
СН3 СНСООН
ОН
Молочная кислота
Из двухосновных наиболее широко распространены в растениях Lяблочная и D-винная кислоты, реже встречаются щавелевая, янтарная и фумаровая кислоты; из трехосновных чаще всего встречается лимонная кислота.
СООН
СН2
СООН
НОСН
СООН
СООН
Щавелевая L-Яблочная
(оксалат)
(малат)
СООН
СН
СН
СООН
Фумаровая
(фумарат)
СООН
СН2
СН2
СООН
Янтарная
(сукцинат)
СООН
НО СН
НС ОН
СООН
D-Винная
(тартрат)
Н2 ССООН
НОССООН
Н2 ССООН
Лимонная
(цитрат)
Яблочная, лимонная и винная кислоты являются наиболее распространенными органическими кислотами большинства плодов и овощей. Яблочная
кислота преобладает в семечковых и косточковых плодах, в большинстве ягод
и овощей. Лимонной кислоты много в цитрусовых плодах, гранатах, клюкве,
которые других кислот не содержат. В некоторых ягодах, семечковых и косточковых плодах, а также в томатах лимонная кислота находится вместе с яблочной. Винная кислота и её кислая калиевая соль (винный камень) содержатся в
винограде. В листьях щавеля и ревеня много щавелевой кислоты.
Помимо алифатических органических кислот в некоторых видах фруктов и ягод содержатся циклические кислоты: салициловая, хинная, бензойная и
др., обладающие антисептическими свойствами. Так, в ягодах клюквы и брусники содержание бензойной кислоты составляет 0,02-0,2%, благодаря чему сок
этих ягод трудно сбраживать, а сами ягоды могут длительно храниться.
НО
НО
СООН
ОН
Хинная кислота
СООН
ОН
СООН
ОН
Салициловая кислота
61
Бензойная кислота
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из-за наличия кислот свежие плоды и овощи всегда имеют кислую реакцию (рН клеточного сока фруктов и ягод 2,5-4,5; овощей - 4,5-6,5). Средние
данные об общем содержании органических кислот в плодах о овощах , а также
об активной кислотности (рН) клеточного сока представлены в таблице 7.
Таблица 7- Среднее содержание кислот (в пересчете на преобладающую)
в плодах и овощах и величина рН их сока.
Вид плодов Кислота,%
рН
Вид овощей
Кислота,% рН
Яблоки
0,9
3,4
Картофель
0,2
6,1
Груши
0,3
4,4
Капуста белокочанная
0,2
6,2
Вишня
1,7
3,5
Морковь
0,1
6,4
Черешня
1,3
3,7
Свекла
0,1
6,3
Слива
1,9
3,5
Лук репчатый
0,1
5,9
Ткемали
2,8
2,4
Томаты
0,5
4,5
Абрикосы
1,4
3,8
Огурцы
0,1
6,9
Персики
0,6
4,0
Арбузы
0,2
Мандарины
0,45
Дыни
0,1
Апельсины
1,41
Ревень
1,2
3,8
Лимоны
5,6
3,1
Щавель
1,3
3,7
Виноград
0,9
3,9
Шпинат
0,1
6,9
Кислоты более, чем какие-либо другие соединения, характеризуют вкус,
присущий многим плодам и овощам, причем, вкусовая кислотность их зависит
не от общего содержания органических кислот, а от концентрации водорастворимых ионов в клеточном соке (активной кислотности). Следует учитывать
также, что сахара физиологически компенсируют кислый вкус, поэтому степень
сладости фруктов обычно выражают отношением сахара
кислоты
(так называемый сахарокислотный коэффициент). Момент компенсации,
когда кислый вкус не ощущается , находится при значении сахарокислотного
коэффициента 25-30 (груши, виноград). При значении 15-20 чувствуется слабокислый вкус (земляника, некоторые сорта яблок); 5-15 - умеренно кислый
(вишня, апельсин); менее 5 - сильно кислый вкус (лимон).
С момента уборки плодов уровень кислот непрерывно уменьшается,
причем чаще всего быстрее, чем сахаров. В результате сильно возрастает значение сахарокислотного коэффициента. По этой причине наблюдаемое при
хранении плодов повышение их сладости чаще объясняется не возрастанием
содержания сахаров, а снижением уровня кислот.
Несмотря на то, что общее содержание кислот в плодах и овощах при
хранении снижается, количество отдельных кислот может одновременно во зрастать. Накопление той или иной кислоты может быть обусловлено разными
причинами и, в частности, возможными нарушениями в согласованном прохождении отдельных превращений в цикле Кребса. Появление некоторых кислот при хранении плодов, например, кетокислот: -кетоглутаровой, щавелевоуксусной, пировиноградной, может явиться причиной возникновения функциональных заболеваний, внешне проявляющихся побурением тканей. Замечено,
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
что избыточное накопление этих кислот в отдельных сортах происходит при
низкой температуре хранения и является одной из причин так называемого низкотемпературного заболевания плодов.
Семена растений также содержат некоторое количество органических
кислот, благодаря чему их водные вытяжки имеют слабокислую реакцию (рН 6). Как правило, в семенах преобладает уксусная кислота, на долю которой
приходится до 85% общего количества органических кислот. При хранении
масличных семян, а также зерна злаковых культур и продуктов переработки
зерна - муки и крупы, в результате гидролитического расщепления жира, распада фосфороорганических соединений и гидролиза белков количество органических кислот может увеличиваться, что приводит к повышению кислотности
данных видов сырья и продуктов. Кислотность масличных семян, зерна, муки и
крупы является одним из важнейших показателей их качества, характеризующим степень свежести, поэтому она включена в соответствующие стандарты.
Органические кислоты оказывают значительное влияние на качество
пищевых продуктов при переработке растениеводческого сырья. Так, в хлебопечении при брожении теста появляются молочная, уксусная, янтарная, ябло чная, муравьиная, винная, лимонная и ряд других кислот, которые поступают в
хлеб и сообщают ему соответствующий приятный вкус и аромат. Специфический вкус и аромат плодово-ягодных и виноградных вин, хлебного кваса также
во многом обусловлены органическими кислотами, содержащимися в плодах,
ягодах и другом растительном сырье, и образующимися как продукты алкогольного брожения. При консервировании с сахаром фруктов и ягод кислоты
способствуют инверсии сахарозы и необходимы в известных пределах для хорошего желирования. Таким образом, органические кислоты являются весьма
ценными компонентами растениеводческого сырья и продуктов его перерабо тки. Присутствие их в пищевых продуктах оказывает положительное влияние на
обмен веществ. В организме человека органические кислоты растворяют некоторые нежелательные отложения, например, соли мочевой кислоты, которые
затем легко выводятся из организма. Исключение составляет щавелевая кислота, образующая в организме нерастворимые соли (оксалат кальция).
Контрольные вопросы: 1. Назовите наиболее распространенные органические кислоты, встречающиеся в растениеводческой продукции. Как они
влияют на качество сырья и продуктов его переработки.
4.Липиды
4.1. Значение и распространение липидов в растениях
Липидами называются неоднородные в химическом отношении вещества, общим свойством которых является гидрофобность, т.е. нерастворимость
в воде, но хорошая растворимость в неполярных органических растворителях:
эфире, ацетоне, хлороформе, бензине и т. д.
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Липиды являются обязательным компонентом живых клеток, хотя
большинство растений накапливает сравнительно немного липидов. Содержание сырого жира в тканях, где нет специальных отложений жиров, составляет
около 2 %. Наряду с этим в настоящее время известна большая группа растений
различных ботанических семейств, у которых в тканях отдельных органов плодов, семян, корневищ и т. д. - откладываются значительные количества липидов. Эта группа растений получила название масличной.
По мере развития техники и технологии извлечения масел из растительных тканей группа масличных растений непрерывно расширяется. С каждым
годом она все больше пополняется растениями со сравнительно невысоким с одержанием жира в их тканях и органах. Если сравнительно недавно была экономически оправдана промышленная переработка только масличных семян, содержание сырого жира в которых составляло не менее 1/4 их массы, то в настоящее время промышленность успешно перерабатывает растительное масличное
сырье, содержащее не более 1/10 -1/15 жира. В группу масличных включено в
настоящее время более 100 растений. Наиболее распространенные виды растительного масличного сырья, используемого для промышленной переработки,
приведены в таблице 8.
По содержанию липидов масличное сырье условно подразделяют на три
группы:
1) низкомасличное - содержание липидов (масличность) 15 - 35 % ; в сырье на
1г нелипидной части приходится 0,18 - 0,54 г масла – соя, хлопчатник;
2) среднемасличное - содержание липидов 36 - 56 % ; в сырье на 1 г нелипидной части приходится 0,55 - 0,82 г масла – подсолнечник, арахис, лен, конопля, рапс, маслины и др.;
3) высокомасличное - содержание липидов 56 - 75 % и выше; в сырье на 1 г
нелипидной части приходится 0,83 - 3 г масла и более – ядра орехов, семена
кунжута. Клещевина и др.
Таблица 8 - Растительное масличное сырье
Масличное
растение
Вид сырья
Содержание липидов,%
34 - 45
Арахис
Арбузы
Виноград
Вишня
Горчица
Ядро
косточки
Ядро
Семена
Косточки
Косточки
Семена
Какао
Бобы
49 - 57
Кешью
Ядро
38 - 48
Абрикос
54 - 61
12 - 45
10 - 15
20 - 30
25 - 49
Масличное
растение
Масличная
пальма
Маслина
Миндаль
Орех грецкий
Перилла
Персик
Подсолнечник
Пшеница
64
Вид сырья Содержание липидов,%
Мякоть
плода
Мякоть
Ядро
Ядро
Семена
Ядро косточки
Семянка
46 - 67
Зародыш
7-8
23 - 49
40 - 64
55 - 63
46 - 48
35 - 46
33 - 57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кедр(орех)
Клещевина
Кокосовая
пальма
Конопля
Кориандр
Ядро
Семена
Копра
26 - 28
35 - 59
65 - 72
Рапс
Рис
Рыжик
Семена
Отруби
Семена
38 - 45
8 - 18
28 – 44
Семена
Семена
30 - 38
17 - 25
Сафлор
Слива
25 - 37
30 – 60
Крамбе
Кукуруза
Кунжут
Лавр
Семена
Зародыш
Семена
Мякоть
34 - 38
18 - 50
52 - 65
25 - 55
Соя
Сурепка
Табак
Тунг
Семена
Ядро косточки
Семена
Семена
Семена
Ядро плода
Семена
Семена
14 – 25
29 – 48
34 – 46
48 – 66
Лен
Семена
27 - 47
Тыква
20 – 40
Ляллеман- Семена
29 - 33
Хлопчатник
19 – 29
ция
Мак
Семена
40 - 57
Чай
Семена
18 – 20
- таблица составлена по данным Щербакова В.Г. ( 2003)
Главное место в мире среди масличных культур занимает соя, на долю
которой приходится почти половина общего объёма производства масличного
сырья. Это обусловлено тем, что при переработке сои можно получить хорошее
пищевое масло и пищевые белки, преимущественно используемые для обогащения других пищевых продуктов. В нашей стране основной масличной культурой является подсолнечник. Благодаря успехам селекции выведены сорта
подсолнечника с содержанием сырого жира в семянках 52% и более, что позволяет получить с одного гектара посевных площадей 807 - 1263 кг высокоценного пищевого масла.
4.2. Классификация липидов растений
Липиды извлекают из растительных тканей в виде сложной смеси, состав которой очень сильно зависит от применяемого растворителя, а также подготовки растительного материала к обезжириванию и способа проведения процесса.
В зависимости от способов и приемов обезжиривания, вида растворителя, характера подготовки материала к обезжириванию различают следующие группы
липидов:
-свободные, извлекаемые неполярными безводными растворителями;
-связанные, извлекаемые гидрофильными полярными растворителями
или их смесями (хлороформ, этанол, ацетон), разрушающими непрочные белково-липидные и гликолипидные соединения и высвобождающие липиды;
-прочносвязанные, извлекаемые после обработки растительного материала спиртовым раствором щелочи при кипячении; при этом происходит гидр олиз и омыление липидов.
По способности к гидролизу липиды подразделяют на омыляемые и неомыляемые. Омыляемые липиды в результате гидролиза распадаются на не65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сколько (обычно не более четырех) структурных компонентов, а при взаимодействиии со щелочами образуют соли жирных кислот – мыла.
Неомыляемые липиды (или изопреноиды) представляют собой производные изопрена. К группе неомыляемых липидов относят стеролы, каротиноиды, хлорофиллы, жирорастворимые витамины, госсипол и многие другие из опреноидные соединения.
В соответствии с химическим составом липиды растений можно подразделить на следующие группы:
1. Простые: нейтральные жиры (ацилглицерины) и воски.
2. Сложные: фосфолипиды, гликолипиды.
3. Циклические: стероидные липиды (стеролы).
4. Терпены.
Классификация липидов растений приведена на рис. 3.
Липиды растений
омыляемые
неомыляемые
терпены
нейтральны
е
Ацилглицерины
воски
полярные
монотерпены
фосфоли
пиды
Гликолипиды
Гераниол,
Мерцен,
Лимонен
Дитерпены
Фитол
Канифоль
Витамины А, Е, К
Тритерпены
Стеролы
Сапонины
Сесквитерпены
Купарен
Госсипол
Тетратерпены
Каротиноиды
Ксантофилы
Полиизопрены
Каучук
Рис.3. Классификация липидов растений
4.3. Функции липидов в растениях
Функции этого класса соединений важны и разнообразны:
1. Энергетическая - являются запасными веществами и энергетическим
материалом организма. Эту функцию в растениях выполняют нейтральные жиры. Они легко извлекаются из тканей растений и являются свободными липидами. При окислении 1 г жира выделяется 39 кДж энергии, что в два раза
больше, чем при расщеплении 1 г углеводов.
Запасной жир откладывается в определенных органах растений, чаще
всего в семенах, и используется затем в качестве энергетического материала
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при прорастании семян. Содержание запасного жира в семенах зерновых культур составляет 2-3%, а в семенах масличных культур - 20-30% и более.
2. Структурная - эту функцию выполняют трудно извлекаемые связанные и прочносвязанные липиды. К ним относятся прежде всего фосфолипиды,
которые в комплексе с белками образуют липопротеидные мембраны, регулирующие поступление в клетку и её органоиды разнообразных веществ. Липопротеиды создают основу тела органоидов клетки (ядра, пластид, митохондрий
и рибосом). К структурным относятся также биологически активные липиды,
имеющие витаминную и провитаминную активность - каротиноиды, стеролы и
др. соединения.
Структурные липиды содержатся во всех органах и тканях растений в
постоянных, но значительно меньших количествах, чем запасные жиры.
Например, содержание фосфолипидов в клетках обычно составляет 0.1-0.5%
сырого веса.
Содержание структурных липидов в маслах, извлекаемых из масличных
семян, составляет 3-5%. Их присутствие обусловливает специфический цвет,
вкус и запах и повышает пищевое достоинство растительных масел.
3. Защитная - образуют химически инертные структуры покровных тканей семян и плодов, защищая их от избыточного испарения и проникновения
микроорганизмов. Эту функцию выполняют воски и их производные.
Разберём строение основных групп веществ, относящихся к липидам
4.4. Простые липиды
4.4.1.Нейтральные жиры
Нейтральные жиры - это смеси сложных эфиров глицерина и жирных
высокомолекулярных кислот (ацилглицерины). Они имеют следующую общую
формулу:
О
СН2 О С R1
О
СН О С R2
О
СН2 О С R3
где R1, R2, R3 - радикалы жирных кислот. Они могут быть одинаковыми, но чаще всего разными, насыщенными или ненасыщенными.
В состав жиров растений, животных и человека входят жирные кислоты
с четным числом атомов С (чаще всего с С 16 или С18 ). Растительные жиры
называются маслами. Наиболее часто в составе жиров растений средних и с еверных широт встречаются следующие жирные кислоты: насыщенные – пальмитиновая и стеариновая; ненасыщенные – олеиновая, линолевая, линоленовая.
( табл.9).
Таблица 9 - Наиболее распространенные жирные кислоты растительных
масел
Название кислоты
Общая химичеКол-во двой- Температура
ская формула
ных связей в
плавле67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Насыщенные (СnH2nO2)
Пальмитиновая
Стеариновая
Ненасыщенные
Олеиновая
Линолевая
Линоленовая
С16 Н32 О2
С18 Н38 О2
молекуле
ния,0С
0
0
+ 62.8
+69.3
С18 Н34 О2
1
+14.0
С18 Н32 О2
2
-6.5
С18 Н30 О2
3
-12.8
- в большинстве случаев двойная связь находится между 9-м и 10-м атомами углерода. Если двойных связей больше одной, они обычно располагаются через три углеродных атома,
начиная с С 9 .
Ненасыщенные жирные кислоты, содержащиеся в природных жирах,
имеют цис-конфигурацию и только в таком состоянии способны выполнять
свои биологические функции. Далее показано пространственное строение цис изомеров линолевой и линоленовой кислот.
СН = СН
СН3 (СН2 )4
СН = СН
СН3 СН2
СН = СН
СН2
Линолевая
(СН2 )7 СООН
СН = СН
СН = СН
СН2
СН2
Линоленовая
(СН2 )7 СООН
Ненасыщенные жирные кислоты различают также по положению двойных связей на ω-конце углеводородной цепи (противоположный карбоксильной
группе). Линолевая кислота, преобладающая в большинстве растительных масел, относится к семейству ω-6-жирных кислот, у которых двойные связи начинаются от шестого углеродного атома на ω-конке их молекул. Особенно много
линолевой кислоты в подсолнечном масле (около 70 % всех жирных кислот).
Линоленовая кислота, которой много в льняном масле (более 40 %), относится
в семейству ω-3-кислот (двойные связи начинаются от третьего атома углерода
на ω-конце цепи). В жире морских рыб содержатся высоконенасыщенные жирные кислоты – эйкозапентаеновая (С20Н10О2) и докозагексаеновая (С 22Н34О2),
содержащие пять и шесть двойных связей, соответственно. Они также относятся в семейству ω-3-кислот. В последнее время доказано благоприятное действие
на организм человека ω-3- жирных кислот.
Кроме представленных пяти жирных кислот в состав растительных масел могут входить особые жирные кислоты, специфические для определенных
растений. Так, например, в состав касторового масла (масла клещевины) входит
рицинолевая (рицинолеиновая) кислота С18Н34О3, имеющая одну двойную связь
и гидроксигруппу ОН. Масла из семян растений семейства крестоцветных
(рапс, рыжик, горчица, крамбе) содержат ненасыщенные эйкозеновую С 20Н38О2
и эруковую кислоты С 22Н42О2 , имеющие по одной двойной связи. Следует заметить, что присутствие данных высокомолекулярных кислот в пищевых мас68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лах является нежелательным, так как они плохо усваиваются организмом человека, и нарушают обмен веществ.
Из представленных в таблице 9 данных видно, что чем более ненасыщенной является кислота, тем ниже её температура плавления и, следовательно,
чем больше ненасыщенных кислот в жире, тем более жидким он будет при
обычной температуре.
Растительные масла не являются индивидуальными веществами, а представляют собой смеси триацилглицеринов (триглицеридов), которые могут
быть однокислотными или разнокислотными. Однокислотные триацилглицерины, т.е. такие, в состав которых входит одна кислота, встречаются сравнительно
редко, лишь в немногих растительных маслах. Так, например, в оливковом масле содержится до 80% олеиновой кислоты, в касторовом - до 86% рицинолевой
кислоты. Подавляющее большинство растительных масел состоит из смеси
разнокислотных триацилглицеринов, причем в их состав входят как насыщенные, так и ненасыщенные жирные кислоты при значительном преобладании
последних (при участии в построении жиров пяти различных жирных кислот
количество возможных триацилглицеринов составляет 75). В связи с тем, что в
составе растительных масел преобладают ненасыщенные жирные кислоты, доля которых составляет 70-85% от общего количества жирных кислот, большинство из них являются жидкими при обычных температурах, и только масла тропических растений имеют твердую конситенцию, так как в них преобладают
низкомолекулярные насыщенные жирные кислоты – лауриновая, миристиновая
и др. Средний состав большинства растительных масел, получаемых в нашей
стране, показан в таблице 10 ( по данным Щербакова В.Г., 2003).
Таблица 10 - Средний жирнокислотный состав растительных масел
(% от суммы).
Культура
Подсолнечник
Лен
Конопля
Горчица
Рапс яровой
Клещевина
Соя
Кукуруза
Кунжут
Хлопчатник
Насыщенные
кислоты
Паль Стеамити- ринотивая
новая
10
5
9
8
1
3,5
1,5
6
9,5
7,5
24
6
3
1
1,5
1,5
4
3,5
4,5
3
Ненасыщенные кислоты
Олеиновая
Линолевая
Линоленовая
Рицинолевая
Эйкозеновая
Эруковая
21
52
следы
-
-
-
26
15
30
40
4
22
39
45
20
17
55
30
17
6
49
48
42
52
42
18
10
9
1
10
следы
1
следы
86
-
8
13
-
20
17
-
Растительные масла являются чрезвычайно полезными и незаменимыми
продуктами питания. Дело в том, что линолевая и линоленовая кислоты, в
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
большом количестве содержащиеся в растительных маслах, в организме человека синтезироваться не могут, но крайне ему необходимы, т.к. являются предшественниками для синтеза простагландинов - группы гормонов местного действия. Поэтому их относят к числу незаменимых пищевых факторов и называют витамином F. Кроме того, полиненасыщенные жирные кислоты способствуют выведению из организма холестерина, повышают эластичность кровеносных сосудов. Современными нормами питания рекомендуется включать в
суточный рацион человека не менее 15 г растительного масла.
Животные жиры содержат преимущественно насыщенные жирные кислоты, что придает им твердую консистенцию при обычной температуре. Жидкие растительные жиры могут быть превращены в твердые путём гидрогениз ации - присоединения водорода по месту двойных связей непредельных жирных
кислот в присутствии специальных катализаторов. Гидрогенизированные растительные масла (саломасы) широко используются в пищевой промышленности для изготовления маргаринов и кулинарных жиров.
Чистые триацилглицерины являются бесцветными веществами, не имеющими вкуса и запаха. Растительные масла, получаемые из масличного сырья,
всегда содержат некоторое количество примесей, которые, впрочем, не снижают их пищевого достоинства, а напротив, повышают биологическую ценность
масла. В нерафинированном масле обычно содержится 95-98% триглицеридов,
1-2% свободных жирных кислот, 1-2% фосфолипидов, 0.3-0.5% стеринов, а
также каротиноиды, жирорастворимые витамины и другие важные органич еские соединения, растворимые в жирах. Состав жирных кислот, входящих в
масло, довольно постоянен для каждого вида растения, хотя на количество кислот в масле могут оказывать влияние условия выращивания.
Качество масла, его происхождение определяют путём исследования
физико-химических показателей, характеризуемых жировыми числами, главными из которых являются кислотное число, число омыления и йодное число.
Кислотное число - это количество мг едкого кали , необходимое для
нейтрализации свободных жирных кислот, содержащееся в 1 г жира. Кислотное
число указывает на количество свободных жирных кислот, оставшихся неиспользованными при биосинтезе масла во время созревания семян, или начавшуюся порчу масла, которая сопровождается увеличением содержания свободных жирных кислот. Кислотное число масла в семенах масличных культур
нормируется стандартами. Для семян подсолнечника 1-го класса кислотное
число не должно быть выше 1.8; 2-го класса - не выше 5.0.
Число омыления - это количество мг едкого кали, необходимое для
нейтрализации свободных и связанных с глицерином жирных кислот, содержащихся в 1 г жира. Характеризует среднюю величину молекулярного веса
триацилглицеринов, входящих в состав жира.
Йодное число - количество мг йода, связываемое 100 г жира. Характеризует степень непредельности жирных кислот, входящих в состав жира, т.к. присоединение йода идёт по месту двойных связей:
НС = СН + 2J СН СН
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
J
J
Чем выше йодное число, тем более жидким является жир, тем легче он
окисляется и скорее прогоркает, т.к. окисление идет по месту двойных связей.
По величине йодного числа растительные масла делят на высыхающие - с йодным числом 130 и выше (льняное, конопляное, тунговое, перилловое) и невысыхающие - с йодным числом меньше 85 (касторовое, арахисовое). Высыхающие и некоторые полувысыхающие масла, имеющие промежуточные йодные
числа (рапсовое, рыжиковое) используются в олифоварении, лакокрасочном
производстве, при изготовлении клеёнки и линолеума. Невысыхающие находят
применение в технике. Часть из них, как и полувысыхающие, идут в пищу и
применяются в пищевой промышленности. Следует заметить, что чем больше
йодное число масла, тем выше его биологическая ценность, но тем легче оно
окисляется при хранении и при использовании его в пищевых производствах,
связанных с термическими воздействиями на масло.
Наиболее подвержено колебаниям из трёх чисел кислотное число, связанное с условиями созревания и хранения семян. У свежего растительного
масла, полученного из полностью вызревших семян, оно находится на самом
низком уровне.
4.4.2. Прогоркание жиров
При длительном хранении масличные семена и растительные масла, а
также продукты переработки зерна, содержащие жиры (мука, крупа), под влиянием света и воздуха и при участии ферментов приобретают неприятный запах
и вкус - прогоркают. Это происходит вследствие гидролиза и окисления жиров,
и прежде всего ненасыщенных жирных кислот. Чаще всего окисление происходит в результате присоединения кислорода по месту двойных связей с образованием циклических перекисей:
R 1 CH2 CH = CHCH2 R2 + O2 R1 CH2 CH CHCH2 R2
O O
Кислород может присоединяться также и к углеродному атому, соседнему с двойной связью с образованием гидроперекисей:
R 1 CH2 CH = CHCH2 R2 + O2 R1 CH2 CH CHCHR 2
О ОН
Перекиси и гидроперекиси - очень неустойчивые активные соединения,
которые быстро распадаются с образованием кетонов, альдегидов и кислот с
короткими цепями, обладающих неприятным запахом.
Ферментативное прогоркание жиров происходит под действием двух
ферментов: триацилглицерол-липазы, участвующей в разложении триацилглицеринов на глицерин и свободные жирные кислоты и липоксигеназы, участвующей в последующем окислении ненасыщенных жирных кислот. Эти фермен71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ты содержатся во всех семенах зерновых и масличных культур, но особенно их
много в семенах клещевины.
Последовательность ферментативного прогоркания растительного жира
можно изобразить в виде следующей схемы:
Триацилглицерины
Триацилглицерол-липаза
Жирные кислоты и глицерин
Липоксигеназа
Перекиси и гидроперекиси жирных кислот
Различные альдегиды и кетоны
4.4.3. Воски
Воски - сложные эфиры, образованные жирными кислотами и высокомолекулярными одноатомными спиртами жирного (реже ароматического) ряда.
Общая формула восков имеет вид:
О
R СН2 О С R2
1
где R 1 - остаток алифатического спирта; R2 - остаток жирной кислоты.
Помимо таких эфиров воски содержат некоторое количество свободных
высших спиртов с чётным числом атомов С 22-С32, свободных высших жирных
кислот с очень длинной цепочкой от С 14 до С34, а также немного насыщенных
углеводородов С 21-С37, душистых и красящих веществ. Общее количество этих
примесей может достигать 50%. Обнаружены воски как у животных, так и у
растений. Выполняют в основном защитную функцию. В растениях встречаются преимущественно в виде налета на поверхности листьев, плодов и семян.
Восковой налет предохраняет ткани растений от переувлажнения и высыхания,
механических повреждений и поражений микроорганизмами. Защитная роль
восков обусловлена их стойкостью к химическим воздействиям.
Воски обнаружены в плодовых и семенных оболочках всех масличных
растений. Содержание восков относительно невелико, и почти все они находятся в покровных тканях плодов и семян. Например, в семянке подсолнечника
воски составляют 1,2 - 1,3 % сырой массы, и они распределяются следующим
образом: в плодовой оболочке содержится до 83 % от общего содержания восков, в семенной оболочке - до 16 %, в ядре семян - до 1 %. Присутствие восков
значительно осложняет получение высококачественных растительных масел.
Так, получение прозрачного подсолнечного масла требует трудоёмкой его обработки - «вымораживания». В связи с тем, что получение подсолнечного масла
осуществляется при температуре выше температуры плавления восков (около
800С), последующее охлаждение полученного масла до комнатной температуры
сопровождается образованием в масле так называемой «сетки» - взвешенных в
72
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
масле кристаллов твердого воска, практически не оседающих в осадок (из-за
близких значений относительной плотности масла и воска).
Из животных восков наибольшее значение имеет пчелиный воск, спермацет (из черепной коробки кашалота ), ланолин ( из овечьей шерсти ).
73
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4.5. Сложные липиды
4.5.1. Фосфолипиды
Фосфолипиды или фосфатиды относятся к сложным липидам. По химической природе являются производными ацилглицеринов, в которых одна из
жирных кислот замещена фосфорной кислотой с присоединенным к ней азотистым основанием или другим полярным соединением.
Общая формула фосфоглицеринов имеет вид:
О
СН2 О С R1
О
СН О С R2
ОН
СН2 О Р О
О Х
где R1 , R2 - остатки жирных кислот, одна из которых, как правило, насыщенная, другая н енасыщенная; Х - гидрофильный заместитель (азотистое или другое соединение).
Таким образом, молекулы фосфоглицеринов всегда содержат одну полярную часть («голову») в виде остатка глицерина, фосфорной кислоты и радикала Х и две неполярных («хвосты») в виде остатков жирных кислот. Углеводородные радикалы жирных кислот представляют гидрофобную часть молекулы, а остатки глицерина, фосфорной кислоты и азотистое соединение проявляют гидрофильные свойства, вследствие чего в водном растворе и на границе
двух фаз они приобретают определенную ориентацию.
Благодаря этим свойствам фосфолипиды играют важную роль в формировании структуры клеточных мембран. В составе мембран они находятся в
соединении с белками в виде липопротеидов и могут участвовать в регулято рных процессах.
Таблица 11 - Наиболее распространенные фосфолипиды растений
(гидроксильная группа, этерифицируемая фосфорной кислотой, подчеркнута)
Название фосфолипида
Фосфатидная кислота
Фосфатидилэтаноламин (кефалин)
Фосфатидилхолин (лецитин)
Фосфатидилсерин
Фосфатидилинозит
Гидрофильный заместитель Х
НО
НОСН2 СН2 NH2
НОСН2 СН2 N(СH3 )3
НОСН2 СНNH2 СООН
ОН
Н
Н Н
Н
НО ОН ОН Н
ОН
Н
ОН
74
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В зависимости от химической природы радикала Х фосфолипиды подразделяют на несколько групп. Наиболее распространенные фосфолипиды растений показаны в таблице 11.
Строение основных фосфолипидов растений показано на следующей
схеме:
Фосфолипиды очень широко распространены в живой природе. Они
присутствуют во всех клетках в составе клеточных мебран или запасных веществ, но особенно их много в репродуктивных органах. В значительных количествах присутствуют в семенах растений, грибах, дрожжах, яичном желтке. В
семенах растений фосфолипиды содержатся в количестве 0,25 - 2,0 % от массы
(наибольшее количество их обнаружено в семенах сои - 1,6 - 2,0 %; в зародыше
сои – свыше 3 %).
Большая часть фосфолипидов растений представлена лецитином, кефалином, фосфатидилинозитом. Фосфатидные кислоты содержатся в растенииях в
небольших количествах, так как они являются промежуточными продуктами
липидного обмена. В таблице 12 приведен состав фосфолипидов семян подсолнечника (по данным различных авторов).
Таблица 12 - Состав фосфолипидного комплекса семян подсолнечника
( в % от суммы фосфолипидов )
Фосфолипиды
ВНИИЖ Л.А. Шустанова Е.Д. Литвино(1972)
ва (1972)
Фосфатидилинозиты
20 - 26
20 - 22
13
Фосфатидилхолины
19 - 29
48 - 51
14
Фосфатидилэтаноламины
9 - 13
21 - 23
24
Фосфатидные кислоты
17 - 26
16
Фосфатидилсерины
4–6
16
Другие фосфолипиды
14 - 20
6 - 10
16
75
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фосфолипиды являются веществами, которые в значительной мере повышают питательную и кормовую ценность семян сельскохозяйственных растений. Как и другие структурные липиды, фосфолипиды при обезжиривании
семян в условиях производства переходят в масло. Содержание фосфолипидов
в растительных маслах колеблется в зависимости от способа получения масла
(табл. 13).
Таблица 13 - Содержание фосфолипидов в растительных маслах
( в пересчете на лецитин) (В. П. Ржехин, 1960).
Вид масла
Соевое Хлопковое Льняное Подсолнечное
Холодного прессования
0,050,05-0,07
0,05-0,07
0,05-0,07
0,07
Предварительного
1,1- 1,2
0,5- 1,56
0,19- 0,46
0,20- 0,80
прессования
Окончательного прес2,7- 3,4
1,4- 1,9
0,64- 0,87
0,60- 1,20
сования
Экстракционное
3,9- 4,5
2,0- 2,5
0,80- 1,62
0,80- 1,40
Рафинированное
0,0- 0,02 0,01- 0,02 0,01- 0,02
Следы
Фосфолипиды, особенно лецитин, обладая поверхностно-активными
свойствами, являются прекрасными эмульгаторами. Они широко применяются
в пищевой промышленности для изготовления шоколада, маргарина и в качестве антиоксидантов, предохраняющих жиры от прогоркания. Будучи повер хностно-активными веществами, зарекомендовали себя, как средство, улучшающее хлебопекарное достоинство пшеничной муки.
4.5.2. Гликолипиды
Гликолипиды также относятся к сложным липидам, но в отличии от фосфолипидов они не содержат остатков ортофосфорной кислоты. В их молекулах
к диацилглицерину гликозидной связью присоединяются остатки галактозы или
сульфоглюкозы. Наиболее важные представители гликолипидов в растениях –
моногалактозилдиацилглицерины и дигалактозилдиацилглицерины. Углеводным компонентом в этих гликолипидах выступает галактоза, жирные кислоты
представлены чаще всего полиненасыщенной линоленовой кислотой.
НО
Н
СН2 ОН
Н
ОН
Н
О
О
СН2
СНОСОR 2
СН2 ОСОРR1
Н Н
Н
ОН
76
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
НО
СН2 ОН
О
Н
ОН Н
Н
Н
ОН
Н
Моногалактозилдиацилглицерины
О
СН2
НО
О
О
СН2
Н
ОН Н
СНОСОR2
Н
Н
ОН
СН2 ОСОРR1
Дигалактозилдиацилглицерины
Такие липиды в большом количестве содержатся в мембранах хлоропластов растений и некоторых водорослей.
4.6.Стероидные липиды (стеролы)
Стеролы относятся к циклическим липидам. По химической природе являются производными циклопентанопергидрофенантрена
12
11
1
2
Пергидрофенантрен
8
5
4
16
9
10
3
Фенантрен
13
17
14
15
7
6
Циклопентанопергидрофенантрен
Все растительные стеролы содержат спиртовую гидроксильную группу
при С3, метильные радикалы в положении 10 и 13 и очень разветвленную алифатическую цепь из 8 и более атомов углерода при С17. Чаще всего они встречаются в виде эфиров жирных кислот. При этом гидроксильная группа при С 3
этерифицирована жирной кислотой, длина углеродной цепи которой и степень
ненасыщенности обычно совпадает с длиной углеродной цепи и степенью ненасыщенности жирных кислот, входящих в состав соответствующих триацилглицеринов растительной клетки.
Известно большое число растительных стеролов. Из них в наибольшем
количестве в растениях представлен -ситостерол. Он составляет у большинства растений свыше половины стерольной фракции семян. Но наибольшее
биологическое значение из растительных стеролов имеет эргостерол, который
содержится в относительно больших количествах в листьях и корнях различных растений, в плодах; много его в дрожжах. При облучении эргостерола ультрафиолетовыми лучами в организме человека из него получается витамин D2.
В растительных клетках стеролы присутствуют в свободном виде или в
составе гликозидов. Образуя с белками сложные комплексы, эти соединения
играют важную роль в составе протоплазмы. Они участвуют в построении биологических мембран, регулирующих обмен веществ в клетке.
Стеролы - составная часть сырого жира растений. Например, в составе
жира семян ячменя содержится 6% стеролов. При обезжиривании семян стеро77
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лы, как и другие структурные липиды, переходят в масло. Содержание стерольной фракции в растительных маслах различных культур составляет от 0.25 до
1.6% веса масла. При рафинировании масел не удаляются. При омылении жира
стеролы остаются в неомыляемой фракции, составляя наибольшую её часть.
К стероидам относятся и другие важные вещества, широко распрастраненные в природе и играющие большую физиологическую роль в жизни животных и растений, - многие животные гормоны, желчные кислоты, стероидные
гликозиды, алкалоиды и сапонины. Из животных стероидов следует назвать холестерин. При нарушении обмена веществ он откладывается на стенках кровеносных сосудов, приводя к распространенной тяжелой болезни - атеросклерозу.
4.7.Терпены
К липоподобным веществам, нерастворимым в воде, относятся и терпены, в основе строения которых лежит различное количество остатков изопрена
- пятиуглеродного соединения с молекулярной формулой С 5Н8. Производные
изопрена составляют обширную группу соединений растительного происхождения. Терпены, содержащие две изопреновые группировки, называются монотерпенами, содержащие три группировки - сесквитерпенами. Терпены, содержащие 4, 5 и 8 изопреновых группировок, называются, соответственно, ди-,
три- и тетратерпенами. В природе известно огромное число разнообразных
терпенов и их производных (табл.14). Молекулы терпенов могут иметь линейное или циклическое строение. Встречаются терпены, в молекулах которых
имеются как линейные, так и циклические компоненты.
Таблица 14- Производные изопрена, встречающиеся в растениях
Подклассы
Эмпирическая формула
Монотерпены
С10 Н16
Распространение в
растениях,
представители
Эфирные масла
Сесквитерпены
Дитерпены
С15 Н24
С20 Н32
То же
То же
Тритерпены
С30 Н48
Тетратерпены
С40 Н56
Сквален - распространен во всех организмах
Каротины - растительные пигменты
Окисленные производные, встречающиеся в растении
Терпеновые спирты,
альдегиды, кетоныэфирные масла
То же
Фитол-составная
часть хлорофилла,
витамина Е и К
Стеролы, сапонины
Ксантофиллы - растительные пигменты
Наряду со свободными терпенами в растениях содержатся продукты их
окисления и изомеризации. Так, все зеленые растения могут синтезировать
спирт фитол, представляющий собой окисленный дитерпен и входящий в с остав хлорофилла, витамина Е и К. Синтез стероидов в растениях осуществляется через образование тритерпена сквалена.
78
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В некоторых растениях образуются эфирные масла - летучие соединения, обладающие резким, обычно приятным запахом. В составе эфирных масел
растений преобладают моно- и сесквитерпены и продукты их окисления. Особенно разнообразны монотерпены алифатического и циклического строения и
их кислородные производные - альдегиды и спирты.
К алифатическим монотерпеновым спиртам относится, например, линалоол, содержащийся в эфирном масле семян кориандра, кожуре цитрусовых,
цветах ландыша. Линалоол обладает запахом ландыша.
ОН
СН3 ССНСН2 СН2 ССНСН2
СН3
СН3
Линалоол
Близок по строению к линалоолу гераниол - главная составная часть розового масла.
СН3 ССНСН2 СН2 ССНСН2 ОН
СН3
СН3
Гераниол
Из терпеновых альдегидов следует назвать цитраль - составная часть
эфирного масла лимона, и цитронеллаль, содержащийся в эфирном масле лимона и мандарина.
СН3
СН3
СН3 С СНСН2 СН2 ССНСН
О
Цитраль
СН3
СН3
СН2 ССН2 СН2 СН2 СНСН2 СН
О
Цитронеллаль
Циклические монотерпены подразделяют на моноциклические и бициклические. К моноциклическим монотерпеновым спиртам относится лимонен и
его кислородсодержащие производные - ментол, карвон, α-терпинеол.
Н3 С
С
СН2
Н3 С
СН3
СН
Н3 С
С
СН2
ОН
Н3 С С
СН3
ОН
О
СН3
Лимонен
СН3
СН3
Ментол
Карвон
СН3
α-Терпинол
Лимонен содержится в эфирных маслах апельсина, укропа и тмина, а также в
скипидаре. В ломонном и мандариновом масле на его долю приходится до 90
%. Ментол – основной компонент эфирного масла мяты перечной (до 70 %
масла). Он обладает свойством раздражать нервные окончания, оказывает легкое местное обезболивание и слабое антисептическое действие. Применяется в
составе сердечных средств, при насморке, мигрени (ментоловый карандаш). В
79
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
маслах укропа, тмина и мяты присутствует циклический кетон карвон. В можжевеловом масле α-терпенеол составляет 65 %.
Бициклические монотерпены имеют в шестичленной циклической
структуре дополнительные связи, разделяющие её на две смежные циклические
группировки. Среди бициклических окисленных монотерпенов можно отметить
камфору, входящую в состав камфорного лавра и в некоторые виды полыни,
откуда её и получают. Применяется в медицине для возбуждения центральной
нервной системы, стимуляции дыхания и кровообращения, оказывает раздр ажающее и антисептическое действие, в связи с чем употребляется в виде мазей
и втираний.
Н3 С-С-СН3
О
СН3
Камфора
Сесквитерпены, как и монотерпены, имеют алифатические и циклические формы. К циклическим сесквитерпенам относится абсцизовая кислота –
один из растительных гормонов, участвующий в ингибировании ростовых процессов. Фитоалексины картофеля. томатов и перцев также являются сесквитерпенами, определяющими устойчивость этих растений к действию фитопатогенов.
Н3 С
О
СН3
СН3
С
СН = СН
СН
ОН
СООН
СН3
Абсцизовая кислота
К производным дитерпенов (С20) относятся некоторые важные биологически активные соединения: растительные гомоны группы гибберелина; спирт
фитол, входящий в состав флорофилла; витамин А.
Важнейшим тритерпеном (С30) является сквален, который служит
предшественником синтеза других тритерпенов, а также стероидных липидов и
их производных.
Тетратерпены. (С40). Широко представлен в растениях синтез каротиноидов. Каротиноиды - природные растительные жирорастворимые пигменты,
имеющие цвет от светло-желтого до темно-красного. К ним относится около 80
близких по строению соединений алифатического характера, являющихся тетратерпенами или их кислородными производными. Характерной особенностью
каротиноидов является наличие в них большого числа сопряженных двойных
80
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
связей, от которых зависит их окраска. Большое количество в молекуле каротиноидов двойных связей и активных групп определяет их роль переносчиков активного кислорода в клетках. Каротиноиды присутствуют практически во всех
органах и тканях растений и выполняют важные биохимические функции. Они
имеют большое значение в процессах фотосинтеза, размножения растений и в
окислительно-восстановительных системах. В наибольшем количестве каротиноиды содержатся в зеленых частях растений (в хлоропластах в комплексе с
липопротеидами), где их основная роль – защита хлоропластов от окисления в
аэробных условиях на свету, а также улавливание света при фотосинтезе.
Окраска корнеплодов моркови, многих цветов и плодов, зерна кукурузы обусловлена каротиноидами.
Самым распространенным в природе каротиноидом является каротин
С40Н56, существующий в форме трех изомеров, называемых -, - и каротинами. Помимо красящих свойств эти вещества обладают провитаминной
активностью, так как, распадаясь в живом организме, легко превращаются в витамин А. Витаминозные свойства каротина обусловлены наличием иононового кольца:
Н3 С
СН3
С
H2 С
H2 С
ССН= ....
ССН3
СН2
-каротин содержит два таких кольца, а - и -каротины - по одному, поэтому биологическая активность -каротина в два раза выше, чем у - и каротинов, т.к. из одной молекулы -каротина может образоваться две молекулы витамина А, а из - и -каротинов - только по одной молекуле. В зеленых
растениях до 90% всех каротиноидов представлено -каротином.
Из других каротиноидов следует отметить ликопин - изомер каротина,
обусловливающий красную окраску плодов помидоров, шиповника и многих
других растений; из окисленных каротиноидов - ксантофилл - диоксипроизводное -каротина, наряду с каротином содержащийся в хлоропластах листьев; зеаксантин - диоксипроизводное -каротина - желтый пигмент, обусловливающий окраску зерновок кукурузы и ряда цветов и плодов. Эти пигменты в отличии от каротина не содержат -иононового кольца и провитаминной активностью не обладают.
Контрольные вопросы: 1. Какие вещества растительных тканей относятся к липидам. Что их объединяет. 2. Какие функции выполняют липиды в растениях. 3. Каково общее строение нейтральных жиров. Назовите жирные кислоты, наиболее часто встречающиеся в составе масел растений северных и
средних широт. 4. Что характеризует кислотное число растительных масел.
Как оно меняется при созревании и хранении масличных семян. 5. Что характеризует йодное число растительных масел. Как оно меняется при созревании и
хранении масличных семян. 6. Как происходит процесс прогоркания растительных масел. 7. Каково строение и функции растительных восков. 8. Каково
81
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
общее строение и функции фосфолипидов. Назовите наиболее распространенные фосфолипиды растений. 9. Каково общее строение и функции стероидов в
растениях. 10. Какие вещества растений относятся к терпенам. Что лежит в основе их строения. 11. Приведите примеры растительных веществ, относящихся
к терпенам.
5. Метаболиты вторичного происхождения
Метаболизм, или совокупность химических реакций в живом организме,
обеспечивающих его исходными веществами и энергией для жизнедеятельности, подразделяется на первичный и вторичный. В соответствии с этим делением различают первичные и вторичные метаболиты.
К первичным метаболитам относят вещества основного, или первичного,
синтеза - белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, а также все ферменты и часть витаминов, например, аскорбиновая кислота.
К вторичным метаболитам в растениях относят вещества вторичного
происхождения – алкалоиды, гликозиды, фенольные соединения и др. Термин
«вторичные» не связан со значением веществ этой группы в жизни растений.
Многие из этих соединений являются важнейшими биологически активными
веществами, принимающими активное участие в обмене веществ растительного организма. Например, убихиноны и пластохиноны, относящиеся к вторичным метаболитам, являются активными компонентами систем окислительного
и фотосинтетического фосфорилирования в растении. Известны вторичные метаболиты, которые активизируют ростовые процессы, обусловливают устойчивость растений к заболеваниям, выполняют защитные функции.
Присутствие некоторых из вторичных метаболитов в растительном сырье
в значительной мере определяет биологическую ценность, вкус и аромат получаемых пищевых продуктов. Некоторые из веществ этой группы могут влиять
на усвояемость растительных продуктов организмом человека и животных, часто являясь веществами, которые относят к группе антипитательных или даже
токсичных.
Рассмотрим важнейшие вторичные метаболиты растений.
82
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5.1. Алкалоиды
5.1.1. Общая характеристика алкалоидов
Алкалоиды - гетероциклические азотосодержащие соединения растительного происхождения, являющиеся органическими основаниями (термин
«алкалоиды» в переводе с арабского - щёлочь). Встречаются только в растениях, где они находятся в виде солей с органическими кислотами, хорошо растворимых в воде. Общим свойством для всех алкалоидов является способность
оказывать сильное физиологическое действие на организм человека и живо тных. Большинство алкалоидов в малых дозах оказывают возбуждающее действие на нервную систему, а в больших - угнетающее. Многие из них являются
сильными ядами (например кураре - яд для стрел, изготовляемый местными
жителями южной Америки). Алкалоиды широко применяются в медицине, ветеринарии, в сельском хозяйстве в качестве средств борьбы с вредителями.
Многие алкалоиды содержатся в пищевых продуктах и используются человеком в качестве тонизирующих и наркотических веществ. К таким продуктам
относятся чай, кофе, мак, табак и др. В ряде случаев наличие токсичных алкалоидов в растениях является их отрицательным свойством, делая их несъедобными для животных и человека (например, горький люпин, вика, полынь и др.).
К настоящему времени известно более 1000 различных алкалоидов, и
они найдены в 51 растительном семействе, причём почти половина из них являются растениями тропического пояса. На долю же умеренных широт приходится лишь 12% растений, содержащих алкалоиды.
Содержание алкалоидов в растениях обычно невелико - сотые и десятые
доли процента, и при содержание 1-2% растение считается хорошим алкалоидоносным сырьём. Однако некоторые растения способны накапливать до 10% и
выше алкалоидов - табак, барбарис, хинное дерево. Количество алкалоидов в
растении не является постоянным признаком. Большинство исследователей
указывают на исключительную лабильность признака алкалоидности у представителей различных семейств. Наряду с практически безалкалоидными формами имеются формы с очень высоким содержанием алкалоидов. В зависимости от цели использования данной культуры ведут селекцию в том или в противоположном направлении. Так, был выведен безалкалоидный люпин, как ценная кормовая культура, низконикотинные сорта табака для изготовления сигарет. А если растение используют как источник добывания алкалоидов для медицины или других целей, то селекцию ведут в сторону увеличения содержания
алкалоидов и получают высокоалкалоидные формы.
Алкалоиды могут накапливаться в различных частях растений : у одних
в листьях, у других - в семенах, у третьих в клубнях и т.д. Наибольшее количество алкалоидов содержится в молодых растениях. Содержание алкалоидов в
сильной степени изменяется в зависимости от условий выращивания растений.
Условия жаркого и сухого климата способствуют накоплению алкалоидов в
растении, в то время как влажный и холодный климат, напротив, снижает количество алкалоидов.
83
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Исследования показали, что каждый род растений синтезирует один характерный для данного алкалоид и группу сопровождающих его изомеров.
Главный алкалоид всегда находится в наибольшем качестве, определяя физиологические свойства всего комплекса.
К настоящему времени нет единого мнения на роль алкалоидов в растении, но полагают, что они являются определённой промежуточной формой в
ходе превращения азотистых соединений в растениях, в которой азотистые
продукты обмена веществ обезвреживаются и сохраняются. Установлена,
например, роль никотина табака как исходного материала для синтеза пиридиновых дегидрогеназ. Некоторые алкалоиды играют роль растительных гормонов или стимуляторов, вызывающих усиление процесса обмена веществ на тех
или иных фазах развития растений.
Предшественниками для синтеза алкалоидов в растениях являются различные аминокислоты – пролин, тирозин, триптофан, глутаминовая кислота и
др. В связи с использованием многих алкалоидов в качестве фармакологических средств разработаны промышленные способы их химического синтеза.
Таким путем получены многие химические аналоги природных алкалоидов, не
уступающие им по физиологическому действию. В большом количестве выпускаются синтетические препараты папаверина, кофеина, эфедрина, новокаина
(аналог кокаина) и др.
По своему строению алкалоиды весьма разнообразны. По химической
природе молекул их подразделяют на три группы:
- гетероциклические, составляющие большинство алкалоидов;
- стероидные, входящие в состав гликозидов (гликоалкалоиды картофеля
и других пасленовых);
- ароматические, имеющие в основе строения ароматическое ядро.
Наиболее многочисленная группа гетероциклических алкалоидов включает производные пиридина, хинолина и изохинолина, индола, пурина, пирролидина и некоторых других гетероциклических соединений.
5.1.2. Отдельные представители алкалоидов
Производные пиридина и пиперидина широко распространены в природе. Их предшественниками в растениях являются аминокислоты пролин и лизин.
К производным пиридина относится рицинин - алкалоид клещевины.
Содержится во всех частях растения, но больше в листьях, особенно в молодых
(до 1%). Его формула имеет вид:
84
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОСН3
CN
N
O
CH3
Рицинин
Рицинин - единственный и из алкалоидов, содержащий цианидную
группировку -СN, из-за чего он сильно токсичен. В связи с высоким содержанием рицинина в клещевинных жмыхах (до 0.2%), остающихся после удаления
касторового масла, жмыхи клещевины на корм скоту не используются.
Пиперин - алкалоид черного перца, также является производным пиридина. Содержание его в семенах чёрного перца достигает 5-9%. Общей токсичностью не обладает, а вызывает лишь ощущение местного жжения.
О
СН2
О
N
О =С СН = СН СН = СН
Пиперин
К алкалоидам, содержащим конденсированные пиперидиновые кольца,
относятся алкалоиды люпина - лупинин, спартенин, лупанин и др. Наиболее
ядовит лупанин.
СН2 ОН
N
N
Лупинин
N
N
CH2
N
Спартенин
O
CH2
Лупанин
Содержание алкалоидов в семенах люпина составляет в среднем 0,5-3%,
но у так называемых безалкалоидных сортов их практически нет.
К пиридиновым производным относятся алкалоиды табака, хотя некоторые из них включают как пиридиновую, так и пирролидиновую или пиперидиновую гетероциклические группировки, которые соединяются ковалентной связью между углеродными атомами, принадлежащими к разным циклическим
структурам. Пирролидиновые алкалоиды в качестве предшественника имеют
аминокислоту орнитин.
В табаке содержится более 10 видов алкалоидов. Важнейшими из них являются никотин и анабазин.
Молекула никотина построена из пиридинового и пирролидинового колец:
85
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
N
N
CH3
Никотин
Его содержание в листьях различных видов табака составляет от 1 до
10% сухого вещества. В зрелых семенах табака никотина нет.
Никотин - сильный яд, действующий на центральную и периферическую
нервную систему. Под действием никотина происходит сужение кровеносных
сосудов, из-за чего повышается кровяное давление. Токсическая доза при приеме внутрь составляет всего 0.01-0.04 г. смерть наступает от паралича дыхания.
Вследствие высокой токсичности в медицине не используется, а используется в
ветеринарии и в сельском хозяйстве как средство борьбы с вредителями.
Молекула анабазина построена из пиридинового и пиперидинового колец:
N
Н
N
Анабазин
Его действие на организм аналогично действию никотина, но значительно сильнее. Используется как инсектицид.
Производные тропана содержатся в некоторых растениях семейства
паслёновых (красавке, белене, дурмане). Эти алкалоиды представляют собой
ядовитые вещества, сильно действующие на нервную систему человека. Главный из них – атропин. Очень широко применяется в медицине, например, как
средство, расширяющее зрачок.
СН2 СН СН2
N - CH3 CHOCOCHC6 H5
CH2 CH
CH2
CH2 OH
Атропин
Близким по строению к атропину является алкалоид кокаин, находящийся в южноамериканском растении кока. Действует на центральную нервную систему. Токсическая доза для человека 0.2 г, а высшая лечебная доза 0.03 г.
СН2 СН N-CH3
CH2 CH СНСООСН3
CHOCO C6 H5
CH2
86
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кокаин
Изохинолиновые алкалоиды широко представлены в растениях. Их
предшественниками являются аминокислоты фенилаланин и тирозин. Много
алкалоидов, производных изохинолина, содержится в опии - млечном соке
недозрелых головок опийного мака - до 15-20% сухого вещества. Важнейшие
из них - морфин (до 10% с.в.), наркотин (5% с.в.), папаверин (0.8%), тебаин
(0.4%), кодеин (0.3%) и некоторые другие. Наибольшее значение имеет морфин.
Морфин - лучшее болеутоляющее и успокаивающее средство, но к нему быстро
развивается привыкание. Кодеин почти не обладает наркотическим действием,
применяется как средство от кашля.
НО
О
N
CH3
HO
Морфин
К производным индола относятся алкалоиды спорыньи. Спорынья – зимующая форма гриба Claviceps purpurea, поражающая зерно ржи и других злаков. Алкалоиды, синтезируемые в рожках спорыньи, объединяют в группу эргоалкалоидов, которых в настоящее время известно 12. Общее содержание алкалоидов в спорынье 0.001-0.5%. При переработке зерна, зараженного спорыньей, производится его очистка от рожков спорыньи, так как при попадании
их в муку возможны отравления людей. Эргоалкалоиды вызывают сокращение
кровеносных сосудов, поэтому применяются в медицине для лечения гипертонии и кровотечений. Их промышленного получения разработана технология
культивирования мицелия спорыньи на искусственных питательных средах.
В основе строения эргоалкалоидов лежит довольно сложная группировка, называемая лизергиновой кислотой:
НООС
СН3
N
N
H
Лизергиновая кислота
Пуриновые алкалоиды представлены небольшой группой соединений,
предшественником которых служит аминокислота гистидин. Наиболее известны из них алкалоиды кофе, чая и какао – кофеин, теобромин и теофиллин. Все
указанные алкалоиды возбуждают центральную нервную систему и сердечную
деятельность. Применяются при усталости, отравлении наркотиками, при некоторых сердечных заболеваниях и как мочегонное средство.
87
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
О
Н3 С
СН3
N
О
Н
N
О
Н3 С
N
N
CН3
Кофеин
N
О
Н
N
N
N
О
СН3
N
N
О
N
CН3
Теобромин
N
CН3
Теофиллин
5.2. Гликозиды
Гликозиды (глюкозиды) - ещё одна группа веществ вторичного синтеза,
встречающаяся только в растениях. Содержание их в растениях, также как и алкалоидов, невелико. Они представляют собой твердые, кристаллизующиеся
(иногда аморфные) вещества, растворимые в воде и спирте, чаще всего горького вкуса или обладающие ароматом. По химической природе гликозиды являются производными моносахаридов и олигосахаридов. В молекулах гликозидов
остатки моно- и олигосахаридов через полуацетальный гидроксил образуют
связь с различными веществами неуглеводной природы, называемыми агликонами. В природе чаще всего встречаются гликозиды на основе -глюкозы,
имеющие следующее общее строение:
СН2 ОН
Н
О
О
Н
ОН ОН
Н
Н
Н
ОН
где R - неуглеводная часть молекулы (агликон).
R
Помимо глюкозы в состав гликозидов могут входить и другие гексозы
и пентозы, а также дисахариды. В качестве агликона в построении молекулы
гликозида могут принимать участие органические соединения различных
групп. По характеру гликозидной связи эти вещества подразделяют на несколько групп: О-гликозиды, у которых углеводная часть соединяется с агликоном
через атом кислорода; S-гликозиды, у которых гликозидная связь осуществляется через атом серы; N-гликозиды, имеющие С-N – связь; С-гликозиды, у которых агликон присоединен к моносахаридным остаткам С-С-связью. В зависимости от состава неуглеводного компонента различают нитрилгликозиды,
гликоалкалоиды, сапонингликозиды, тиогликозиды антоциангликозиды, флавонгликозиды и т. п.
Гликозиды содержатся во всех частях растений. Больше всего их в молодых растениях. Содержание гликозидов в растении может довольно резко
меняться в зависимости от сорта и условий их выращивания, подчиняясь той же
88
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
закономерности, что и содержание алкалоидов: при выращивании в условиях
жаркого сухого климата растения обычно накапливают больше гликозидов, чем
в условиях холодного и влажного климата.
Гликозиды имеют большое практическое значение. Многие из них обладают лекарственными свойствами, некоторые используются в промышленности, например индикан - для получения красителя индиго. Имеются гликозиды,
обладающие токсичным действием на животных и человека. К ним относятся
цианогенные или нитрилгликозиды.
Нитрилгликозиды содержат в неуглеводном компоненте синильную
кислоту, которая может отщепляться при ферментативном или кислотном гидролизе.
Наиболее важным представителем нитрилгликозидов является линамарин С10Н17О6N, который содержится в семенах льна. Под действием фермента глюкозидазы или полном кислотном гидролизе линамарин распадается на глюкозу, ацетон и синильную кислоту:
СН2 ОН
Н
О
Н
НО ОН Н
О
CH3
С СN + H2 O
CH3
C6 H12 O6 + HCN + C3 H6 O
Н
Н
ОН
Линамарин имеет очень горький вкус, легко растворяется в воде и кристаллизуется в виде бесцветных игл. Его ядовитые свойства объясняются способностью давать при гидролизе синильную кислоту.
Линамарин откладывается во всех частях растения льна, но больше вс его накапливается в семенах. Нарушение нормального хода синтетических процессов в созревающих семенах может привести к значительному накоплению
линамарина и даже свободной синильной кислоты. В проросших семенах льна
содержание линамарина достигает 1.5 %.
В нормально развивающемся растении ферментный гидролиз линамарина - цианогенез - не происходит, так как гликозид и расщепляющий его фермент находятся в разобщенном состоянии. Контакт гликозида и фермента может наступить при пережевывании и переваривании растения животными, при
увядании растений, при слеживании семян. Процесс ферментативного расщепления гликозида происходит при оптимальной для действия фермента температуре 35-500С в присутствии воды. Количество синильной кислоты, выделяющейся при гидролизе линамарина составляет 0.005 - 0.031 % от массы семян.
Еще один цианогенный гликозид амигдалин содержится в семенах косточковых и семечковых культур. Особенно много его в косточках абрикоса (до
8.8 % сухого вещества) и миндаля ( до 3.5 % с. в). При гидролизе он распадается на две молекулы глюкозы, бензойный альдегид и синильную кислоту:
С20 Н27 О11 N
+ 2H2 O
2C6 H12 O6 + C6 H5 CHO + HCN
89
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Такой процесс может произойти при длительном хранении (в течении
нескольких лет) компотов из косточковых культур, и образовавшаяся синильная кислота может вызвать тяжёлые отравления.
В черемухе, наряду с амигдалином в большом количестве содержится
другой цианогенный гликозид – пруназин. При гидролизе он распадается на βглюкозу, бензойный альдегид и синильную кислоту. В семенах некоторых видов вики и фасоли и в зелёной массе ряда видов белого клевера содержатся
также цианогенные гликозиды вицин и вицианин. Они ядовиты для животных и
человека.
Если агликоном гликозидов являются алкалоиды, то такие вещества
называются гликоалкалоиды. К ним относятся соланины и чаконины - ядовитые
вещества горького вкуса, находящиеся в кожуре, ростках и ботве картофеля.
Агликоном этих соединений является алкалоид соланидин, относящийся к стероидной группе алкалоидов:
CH3
H3 C
Н3 С
N
CH3
R O
где R - остаток моносахарида
Соланидин
В зависимости от природы и числа моносахаридов различают -,- и соланины и -,- и -чаконины. В состав -соланина в качестве углеводного
компонента входят галактоза, глюкоза и рамноза, в состав -соланина - галактоза и глюкоза, в состав -соланина - галактоза. В молекуле -чаконина соланидин соединен с глюкозой и двумя молекулами рамнозы, в молекуле чаконина - с глюкозой и рамнозой, в молекуле -чаконина - с глюкозой. Гликоалкалоиды аналогичного строения находят и в других растениях семейства
пасленовых.
У некоторых растений содержатся сапонингликозиды или просто сапонины - ядовитые вещества и хорошие пенообразователи, используемые поэтому в огнетушителях. Агликоном сапонинов являются стероиды сапогенины.
При гидролизе сапонинов кроме агликона образуются глюкоза, галактоза, ар абиноза и метилпентозы.
Сапонины содержатся в семенах многих растений, а также в корнеплодах сахарной свеклы. В семенах сои обнаружена сложная смесь сапонинов, о бщее содержание которых составляет 0.1 % от массы семян. В семенах чая с одержится до 9.1 % сапонинов. Имеются указания на значительное содержание
сапонинов в семенах тунга, вследствие чего тунговые жмыхи и шроты ядовиты
для животных.
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Не все гликозиды являются токсичными веществами. В семенах горчицы и корнях хрена находится неядовитый гликозид синигрин, обусловливающий характерный жгучий вкус этих продуктов. Содержание его в горчице и
хрене достигает 3-3,5%, он находится там в виде калийной соли. Синиргин содержит серу и относится к группе тиогликозидов. Под действием ферментов
он распадается на глюкозу, аллиловое горчичное масло и серную кислоту:
N–O–SO3 K
CH2 = CH CH2 C S C6 H11 O5
+
H2 O
Синигрин
С6 Н12 О6 + КНSO4
Глюкоза
Бисульфат
калия
+ CH2 = CH CH2 N = C = S
Аллиловое горчичное масло
Горький и жгучий вкус, который характерен для горчицы, обусловлен
выделением эфирного аллилового горчичного масла. Горчичными маслами
называют эфиры изороданистоводородной кислоты, которая включает группировку атомов -N=C=S, соединенную с углеводородным радикалом. Из семян
горчицы различных сортов при ферментативном гидролизе выделяется от 0.31
до 1.67% эфирного горчичного масла.
Горчичные жмыхи применяют для медицинских целей (в виде горчичников) и в качестве приправ и вкусового вещества, что обусловлено содержанием в них эфирного горчичного масла. Содержание эфирного горчичного масла в жмыхах зависит от технологических условий переработки горчичных семян. Чем интенсивнее влаготепловая обработка семян, тем меньше «эфирность» горчичного жмыха – показатель содержания горчичного масла.
В семенах других культур семейства капустных тиогликозидов, дающих
при гидролизе эфирные масла, содержится значительно меньше.
Гликозиды, как правило, имеют горький вкус. Но некоторые растения
содержат гликозиды, которые, наоборот, обладают сладким вкусом. Так напр имер, парагвайское растение стевия (Stevia rebaudina) содержит стевиозид - неядовитое вещество, обусловливающее сладкий вкус листьев и стеблей этого
растения. Агликон этого гликозида имеет терпеноидную природу. Содержание
стевиозида в листьях стевии составляет в среднем 6%. В настоящее время стевиозид находит все большее применение во многих странах как природный заменитель сахара. Коэффициент сладости этого вещества по отношению к сахарозе составляет 200-300. В нашей стране во всероссийском институте сахара
им. Мазлумова (г.Рамонь Воронежской обл.) разработана технология выращивания стевии и применения её при производстве плодоовощных консервов.
Кроме перечисленных соединений к гликозидам относятся различные
жёлтые, оранжевые, пурпурно-фиолетовые пигменты растений, в большом количестве содержащиеся в цветках и плодах многих растений, объединенные в
группу флавоноидов. К ним относятся антоцианы, флавоны, флавонолы, флаваноны и ряд других соединений. Агликоном их являются разнообразные вещества полифенольной природы. В отличии от каротиноидов, также обладающих
желтой и красной окраской, гликозиды флавоноидов растворимы в воде. Крат91
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
кая характеристика наиболее распространенных флавоноидов приведена в следующем разделе.
5.3. Фенольные соединения
Фенольные соединения широко распространены в растениях (более 2000
различных соединений). Все они содержат в молекуле ароматическое ядро, в
котором один или больше атомов водорода замещены на гидроксильные группы.
Биологическая роль фенолов в растении многообразна. Некоторые фенольные соединения принимают активное участие в метаболизме растений
(например, упоминаемые ранее пластохиноны и убихиноны). Важными фенольными производными являются жирорастворимые витамины, токоферолы,
менахиноны и филлохиноны. Оксикоричные кислоты являются активаторами
ростовых процессов у растений.
Другие разновидности фенольных соединений обладают Р-витаминной
активностью (катехины, некоторые флавонолы) или окрашивают плоды. Листья, лепестки цветков (антоцианы, флавоны и флавонолы). Некоторые фитоалексины, защищающие растения от патогенов. Также относятся к производным фенолов. Полифенольные соединения служат антиоксидантами. Они
быстро вступают во взаимодействие с кислородом и таким образом защищают
от окисления другие вещества в тканях растений. Фенольные группировки способны также гасить свободнорадикальные реакции, происходящие в ходе окисления веществ. Полимерные фенольные соединения (лигнин, дубильные вещества) выполняют структурную и защитную функции.
Полифенольные соединения существенно влияют на качество и пищевую ценность фруктов, ягод и овощей. Изменения полифенолов в растительном сырье под влиянием технологических воздействий при консервировании –
одна из основных причин изменения или даже потери плодами и овощами цвета, аромата и вкуса, характерных для исходного свежего сырья.
Нарушение целостности клеток тканей плодов и овощей и вызываемое в
результате этого потемнение, развитие окислительных процессов при нагревании консервируемого сырья во многом являются результатом изменения химической структуры полифенольных соединений.
5.3.1. Классификация и характеристика отдельных представителей
фенольных соединений
Различают три группы фенольных соединений:
- оксибензойные кислоты;
- оксикоричные кислоты и кумарины;
- флавоноиды.
При взаимодействии простых фенольных соединений образуются их полимерные производные: лигнин, дубильные вещества, меланины.
Разберем отдельные представители фенольных соединений.
92
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
К важнейшим представителям оксибензойных кислот относятся поксибензойная, протокатеховая, галловая, ванилиновая и сиреневая кислоты.
Протокатеховая и галловая кислоты содержатся в растении как в свободном, так и в связанном состоянии, а п-оксибензойная, ванилиновая и сиреневая кислоты являются продуктами распада лигнина. Галловая кислота часто
встречается в виде полимера дигалловой кислоты – основного компонента растворимого танина. Ванилин (альдегид ванилиновой кислоты), который получают из стручков растения ванили, широко применяют в кондитерской промышленности в качестве ароматического вещества, в виноделии – в производстве
коньяков, в мыловарении – в качестве отдушки для туалетных мыл.
ОН
ОН
ОН
НО
СООН
п-оксибензойная кислота
НО
СООН
Протокатеховая кислота
ОН
Н3 СО
ОН
СООН
Галловая кислота
ОН
Н3 СО
СООН
Ванилиновая кислота
ОСН3
СООН
Сиреневая кислота
Оксикоричные кислоты (п-кумаровая, кофейная феруловая и синаповая)
широко распространены в растениях как в свободном, так и в связанном виде,
часть из них - в виде сложных эфиров оксикоричных кислот и гидроароматических кислот.
ОН
ОН
НО
СН=СН- СООН
п-оксикоричная
(п-кумаровая) кислота
СН=СН - СООH
Кофейная кислота
ОН
Н3 СО
ОН
Н3 СО
СООН
ОСН3
СООН
93
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Феруловая кислота
Синаповая кислота
Сложным эфиром кофейной и хинной кислот является хлорогеновая кислота, широко представленная в растениях, особенно в семенах подсолнечника
и кофе. Присутствие хлорогеновой кислоты в семенах подсолнечника обусловливает приобретение темной окраски белками, получаемыми из обезжиренных
семян и вводимыми в хлебобулочные изделия для повышения их биологич еской ценности.
Кумарин – душистое вещество с запахом сена. Он образуется при повреждении тканей листа. В результате повреждения клеток высвобождаются
ферменты, под влиянием которых глюкозилгидроксикоричная кислота отщепляет глюкозу и изомеризуется с замыканием кольца, в результате чего образ уется легко летучий кумарин:
О-глюкоза
О
О
С6 Н12 О6
СООН
Глюкозилгидроксикоричная
кислота
Кумарин
Флавоноиды являются производными флавана, молекула которых
включает два бензойных ядра, с одним из которых соединяется кислородс одержащая циклическая группировка:
О
Флаван
В зависимости от степени окисления кислородсодержащей циклической
группировки флавоноидные соединения подразделяют на шесть основных
групп: катехины, лейкоантоцианы, антоцианы, флаваноны, флавоны и флавонолы.
Катехины – наиболее изученная группа флавоноидов, присутствующая
в плодах и овощах как в свободном, так и в связанном виде. В растениях наиболее распространены катехин (правовращающий) и эпикатехин (левовращающий). Значительная часть катехинов связывается в виде эфиров с галловой кислотой.
Катехины легко окисляются и могут подвергаться полимеризации с образованием продуктов, обладающих характерной золотисто-красной окраской и
приятным слабовяжущим вкусом. Они также проявляют высокую Рвитаминную активность. Много катехинов содержится в различных плодах и
ягодах, но особенно ими богаты листья чая (до 30 % сухой массы).
94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Склонность катехинов к окислению и полимеризации используется в
производстве черного чая. Ферментация чайных листьев проводится таким о бразом, что в ходе взаимодействия катехинов образуются димерные продукты,
обладающие характерным для чая вкусом и цветом и в значительной степени
сохраняющие Р-витаминную активность.
Лейкоантоцианы – продукты дальнейшего окисления катехинов.
Встречаются в плодах и овощах вместе с катехинами, но их содержится больше
чем катехинов. Считают, что именно лейкоантоцианы ответственны за нежелательное изменение цвета плодов в процессе консервирования. Как и катехины,
лейкоантоцианы легко окисляются и образуют продукты полимеризации в виде конденсированных дубильных веществ.
Антоцианы – внепластидные пигменты, содержащиеся в вакуолях цветов, плодов и овощей и придающие им окраску от розовой до фиолетовой с
разными сочетаниями и переходами. Они содержатся в вишне, сливах, темноокрашенных ягодах винограда, черной смородине, малине, бруснике, свекле.
Эти соединения присутствуют в растениях в виде гликозидов. При гидролизе
антоцианы распадаются на сахар и окрашенный агликон, называемый антоцианидином, относящийся к пироксониевым основаниям.
Представители антоцианов - энин, керацианин, бетанин.
Энин содержится в соке красного винограда. При гидролизе он распадается на глюкозу и антоцианидин мальвидин.
Керацианин встречается в вишне. Он содержит глюкозу, рамнозу и цианидин, являющийся также агликоном антоцианов черной смородины, малины,
брусники, сливы.
Бетанин находится в корнеплодах столовой свеклы. Он состоит из глюкозы и азотсодержащего агликона бетацианина.
При хранении и переработке плодов и овощей окраска антоцианов может изменяться. При длительном нагревании они могут разрушаться и терять
свой цвет (земляника, плоды некоторых сортов сливы, черешни, корнеплоды
свеклы). В то же время нагревание заметно не влияет на антоцианы черной
смородины. Присутствие металлов также может менять цвет антоцианов. Так,
олово придает черной смородине синий, а вишне и черешне фиолетовый оттенок. Алюминий вызывает фиолетовое окрашивание вишни и черешни, но не
влияет на цвет красного винограда. Антоцианы винограда значительно меняют
окраску в присутствии железа, олова, меди. Окраска антоцианов зависит также
и от рН среды: в кислой среде антоцианы окрашены в красный цвет разных о ттенков; щелочные соли антоцианов имеют синюю окраску. Известно, что многие розовые цветы при завядании синеют, что указывает на изменение рН клеточного сока в щелочную сторону.
Флавоны, флавонолы и флаваноны - желтоокрашенные пигменты различных частей растений, широко распространены в растительном мире. К флавонолам относится, например, кверцетин, содержащийся в хмеле, чае, желтых
цветках мать-мачехи и т. д. Широко распространен гликозид кверцетина рутин,
у которого к молекуле флавонола присоединяется дисахарид, состоящий из
95
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
остатков β-D-глюкозы и α-L-рамнозы. Рутин обладает Р-витаминной активностью.
К флаванонам относятся гесперидин и нарингин - гликозиды цитрусовых
плодов, входящие в состав Р-витаминного комплекса. Они находятся в кожице,
в подкожном белом волокнистом слое (альбедо), а также в мякоти незрелых
цитрусовых плодов, придавая им горький привкус. По мере созревания плодов
гесперидин и нарингин под действием ферментов распадаются на сахара (рамнозу и глюкозу) и агликоны гесперитин и нарингенин, соответственно, не обладающие горьким вкусом.
5.3.2. Полимерные фенольные соединения
Очень распространенным полимерным фенольным соединением является лигнин, который в большом количестве содержится в одревесневших тканях
растений (25-35 %). В вегетативной массе растений его содержание обычно составляет 5-10 % сухой массы. Лигнин откладывается в клеточных стенках растений и инкрустирует целлюлозные микрофибриллы. Он представляет собой
устойчивое к действию к действию микроорганизмов вещество, и только лишь
некоторые виды микроорганизмов способны медленно его разрушать.
По химическому строению лигнин представляет собой сложное полимерное соединение фенольной природы с молекулярной массой более 10 тыс.,
образование путем окислительной конденсации молекул оксикоричных спиртов.
Лигнин не усваивается организмом человека и животных, поэтому его
присутствие снижает питательную ценность растительной продукции.
К полимерным фенольным соединениям относят также дубильные вещества. В эту группу объединяют ряд различных по химическому составу веществ, неядовитых для человека и хорошо растворимых в воде и спирте, обладающих общей специфической способностью - «дубить кожу», т.е. давать нерастворимые в воде осадки с коллагеном кожи. Под действием дубильных веществ кожа приобретает устойчивость к воде и гнилостным бактериям, а также
эластичность. Готовая выделанная кожа на 60-70% состоит из белковых веществ, называемых коллагеном, и на 30-40% из дубильных веществ.
Распространение дубильных веществ и их качественное разнообразие
чрезвычайно велико. Почти все семейства растительного мира содержат дубильные вещества. Много их содержится в коре и древесине дуба (3-6% ), ели,
сосны и других деревьев, откуда их в основном и получают, как из отходов.
Особенно много дубильных веществ содержится в галлах - наростах на листьях
дуба. В травянистых растениях, например, в некоторых папоротниках может
быть до 10% дубильных веществ.
Большое количество дубильных веществ содержится и в некоторых пищевых продуктах, в первую очередь в чае, достоинство и качество которого в
значительной мере связано с большим или меньшим содержанием дубильных
веществ. Молодые побеги чайных кустов, из которых приготовляют лучшие
сорта чая, содержат 10-25 % дубильных веществ. Дубильные вещества чайного
96
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
листа при изготовлении чая подвергаются глубоким и разнообразным превр ащениям, составляющим основу технологического процесса чайного произво дства.
По химической природе дубильные вещества растений представляют
собой весьма разнообразные соединения сложного строения, являющиеся пр оизводными многоатомных фенолов. Их подразделяют на две большие группы гидролизуемые и негидролизуемые (конденсированные).
Гидролизуемые дубильные вещества при кислотном гидролизе дают
мономерные вещества фенольной и нефенольной природы. В зависимости от
природы фенольного компонента различают галловые и эллаговые дубильные
вещества. Первые при кислотном гидролизе дают галловую кислоту, вторые –
эллаговую кислоту.
СООН
О
НО
О С
НО
НО
ОН
ОН
ОН
С
О
ОН
О
Эллаговая кислота
Галловая кислота
Наиболее важное значение среди гидролизуемых дубильных веществ
принадлежит таннинам. Природные таннины представляют собой смесь галловой и дигалловой кислот как в свободном виде, так и в соединении с глюкозой,
причем к молекуле глюкозы может присоединяться разное количество молекул
галловых кислот. К таннинам относятся соединения с молекулярным весом от
500 до 3000.
Конденсированные дубильные вещества – продукты поликонденсации
катехинов и лейкоантоцианов. Они содержатся в коре хвойных деревьев и ивы,
в древесине дуда, каштана, акации, а также во многих плодах и ягодах. Димерные продукты конденсации катехинов и лейкоантоцианов, как указано ранее,
определяют вкус и окраску черного чая.
В результате окислительной конденсации пирокатехина и диоксифенилаланина синтезируются полимерные продукты, называемые меланинами. Они
представляют собой вещества темно-коричневого цвета, которые вызывают потемнение растительных продуктов под действием кислорода воздуха. Появление темноокрашенных продуктов наблюдается на поверхности сырых очищенных клубней картофеля, нарезанных овощей, плодов и ягод. Источником обр азования меланинов являются аминокислоты тирозин и фенилаланин, которые
окисляются в диоксифенилаланин под действием фермента тирозиназы (см. с.
14).
Контрольные вопросы: 1. Какие вещества в растениях относятся к вторичным
метаболитам, приведите примеры. 2. Какие вещества относятся к алкалоидов. 3.
Практическое значение алкалоидов в растительном сырье, приведите примеры.
97
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Как влияет возраст и условия выращивания растений на содержание алкалоидов в них. 5. Каково общее строение гликозидов. 6. Какие известны разновидности гликозидов. 7. Приведите примеры цианогенных гликозидов, в каких
растениях они содержатся. 8. В каких растениях накапливаются гликоалкалоиды; сапонингликозиды; тиогликозиды. 9. Биологическая роль фенольных соединений в растениях. 10. Как влияют фенольные соединения на качество растениеводческой продукции. 11. Классификация фенольных соединений в растениях. 12. Какие соединения относятся к оксибензойным и оксикоричным
кислотам. 13. Какие вещества относятся к флавоноидам, приведите примеры.
14. Приведите примеры полимерных фенольных соединений в растениях, какую роль они играют.
6. Ферменты
Во всех случаях, связанных с хранением и переработкой растениеводческой продукции, приходится считаться не только с её химическим составом, но
и с изменением составляющих её веществ под влиянием соответствующих
ферментов. Большую роль ферменты играют в хлебопечении, пивоварении, виноделии и др. отраслях, связанных с переработкой растениеводческого сырья.
Управление ферментами при переработке плодов и овощей во многом определяет успех консервирования и в первую очередь основанного на брожении,
например, квашения капусты и других овощей.
Ферменты ( от латинского слова fermentum - закваска ) или энзимы ( от
греческого en zyme - в дрожжах ) - это биологические катализаторы, лежащие в
основе всех жизненных процессов. Они играют исключительно важную роль в
обмене веществ любого организма, т.к. регулируют практически все биохимические реакции в живой клетке.
98
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.1. Механизм действия ферментов
Сущность действия ферментов заключается в ускорении или создании
возможности прохождения реакций гидролиза, наращивания или расщепления
углеродного скелета, возникновения эфирной связи и т.д. При этом фермент
выступает либо как носитель частицы субстрата, либо как переносчик электр она и т.д. Некоторые ферменты обладают двойным действием: в зависимости от
условий они производят, например, синтез или гидролиз соответствующих веществ в реакции, имеющей обратимый характер, но гораздо чаще в растении
существуют системы ферментов противоположного действия, локализованные
на различных клеточных структурах и вступающие в действие в нужный момент.
В основе механизма действия ферментов лежит образование промежуточных комплексов реагирующих молекул с ферментом. При образовании таких активированных комплексов «фермент-субстрат» в молекуле субстрата
происходят деформации, которые облегчают вступление молекулы в реакцию.
После реакции фермент и химически измененный субстрат отталкиваются друг
от друга, и фермент может вступать во временное соединение с новой молекулой субстрата (рис.4).
Рис. 4. Этапы ферментативного катализа: I - этап сближения и ориентации субстрата относительно активного центра фермента; II - образование фермент-субстратного
комплекса (ES); III - деформация субстрата и образование нестабильного комплекса фермент-продукт (ЕР); IV- распад комплекса (ЕР) с высвобождением продуктов реакции из активного центра фермента и освобождением фермента.
Фермент понижает энергию активации Еа, т.е. снижает высоту энергетического барьера, в результате возрастает доля реакционно-способных молекул
субстрата. При этом энергетический уровень молекул субстрата значительно
возрастает, они становятся более активными и легче вступают в реакцию.
Энергия активации комплекса «фермент-субстрат» будет меньшей, чем энергия
чистого субстрата (рис.5)
99
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5. Энергия активации химической реакции, некатализируемой и катализируемой ферментами.
Примеры снижения энергии активации химической реакции в присутствии ферментов показаны в таблице 15.
Таблица 15 - Энергия активации (Е) катализируемых и некатализируемых реакций
Реакция
Катализатор
Е, кДж/моль
Без катализатора
75,4
2Н2 О 2 = 2Н2 О + О 2
Коллоидная платина
49,0
Каталаза
23,0
Сахароза = глюкоза + фруктоза
Ионы водорода
108,6
Дрожжевая инвертаза
48.2
Являясь ускорителями всех биохимических реакций, ферменты имеют
ряд отличий от неорганических катализаторов:
- Почти все ферменты работают в мягких условиях (при низких температурах,
нормальном атмосферном давлении);
- Имеют чрезвычайно высокую активность действия. Средняя скорость ферментативных реакций 100 молекул в секунду;
- Отличаются поразительной разборчивостью действия (могут действовать,
например, на определённую связь).
6.2. Строение ферментов
В основе строения молекулы фермента лежит белок. Различают однокомпонентные ферменты, состоящие исключительно из белка, и двухкомпонентные, состоящие из белка, называемого апоферментом, и небелковой части,
называемой простетической группой или коферментом. Простетическая груп100
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
па может быть представлена ионом металла с переменной валентностью
(например, железа, меди и т.д.) или органической молекулярной группировкой
небелковой природы (например, витаминами или их производными, нуклеотидами и др.). Они-то и выполняют роль активного центра двухкомпонентного
фермента. У однокомпонентных ферментов роль активных центров выполняют
определённые химические группировки, входящие в состав молекулы белка –
сульфгидрильные (-SH), карбоксильные (-СОО), аминогруппы (-NH2) и др.
Активный центр - это часть молекулы фермента, с помощью которой
фермент соединяется с субстратом и от которой зависят каталитические свойства фермента. Активный центр фермента не всегда находится на его поверхности, чаще он расположен в определенных «изгибах», «карманах», «желобах»
или «полости» ферментного белка. При этом происходит изменение конформации пептидной цепи ферментного белка так, что образуются дополнительные
связи между субстратом и реакционноспособными функциональными группами белка-фермента.
Уникальная избирательность и высокая эффективность действия ферментов объясняется исключительно их белковой природой. Именно белки, обладая сложной пространственной конфигурацией, способны опознавать опр еделённые субстраты и обеспечивать оптимальную ориентацию субстрата относительно активных центров фермента, осуществляющих химическое превращение. Кофермент также участвует в ферментативной реакции, но его роль менее
специфична, так как одинаковые коферменты могут входить в состав ферментов различных типов.
6.3. Классификация и номенклатура ферментов
К настоящему времени изучено свыше 2000 тысяч ферментов, и число
их непрерывно возрастает. Согласно классификации Международного биохимического союза их подразделяют на шесть классов по типу катализируемой
ими реакции:
1. Класс оксидорекдуктаз включает ферменты, катализирующие окислительновосстановительные реакции. Субстрат, подвергающийся окислению, рассматривается как донор водорода. Класс насчитывает 17 подклассов в зависимости от природы той группы в молекуле субстрата, которая подвергается
окислению (спиртовая, альдегидная, кетонная и т. д.).
2. Класс трансфераз объединяет ферменты, катализирующий реакции переноса
групп (метильных, гликозильных, аминных и др.) от одного соединения (донора) к другому (акцептору). Класс подразделяется на 8 подклассов в зависимости от природы переносимых групп.
3. К классу гидролаз принадлежат ферменты, катализирующие гидролитическое расщепление различных соединений; он разделяется на 11 подклассов в
зависимости от типа гидролизуемой связи - сложноэфирной, пептидной,
гликозидной и т. д.
4. Класс лиаз - ферменты, отщепляющие от субстрата ту или иную группу негидролитическим путем с образованием двойных связей, или наоборот, пр и101
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
соединяющие группы к двойным связям. Включает 6 подклассов в зависимости от типа подвергающейся разрыву связи (углерод-углерод, углеродкислород и т. п.)
5. К классу изомераз относят ферменты, катализирующие реакции изомеризации, т.е. структурные или геометрические изменения в пределах одной молекулы. Этот класс разделяется на 5 подклассов в зависимости от типа катализируемой реакции.
6. Класс лигаз (или синтетаз) объединяет ферменты, которые катализируют соединение двух молекул друг с другом, сопряженное с гидролизом пирофо сфатной связи в молекуле аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) или аналогичного трифосфата. Лигазы разделяются на 5 подклассов по типу образуемой связи.
102
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 16 –Некоторые ферменты растениеводческой продукции
Рабочее название фермента
1
Анаэробные дегидрогеназы
(большая группа ферментов)
Цитохромы
ферментов)
(свыше
Кодовый номер и систематическое название
2
1.1.1.1. - 1.1.1.49
20
1.1.2
1.2.2
Флавиновые
ферменты
(свыше 20 ферментов)
1.1.3
Аскорбатоксидаза
Процессы, в которых принимает участие
фермент
3
4
Катализируют реакции дегидрирова- Участвуют во многих биохимических реакциях
ния, т.е. отнятия водорода от органиче- растительного организма, в том числе при созреского соединения.
вании, прорастании и дыхании растениеводческой
продукции
Осуществляют промежуточный перенос электронов в окислительновосстановительных реакциях.
Катализируемая реакция
В
окислительно-восстановительных
реакциях переносят водород, отщепляемый от окисленного субстрата, на
кислород воздуха.
100
1.10.3.3
L-Аскорбат : О2 - оксидоредуктаза
Каталаза
1.11.1.6
Н2 О2 : Н2 О2 - оксидоредуктаза
Пероксидаза
1.11.1.7
Донор : Н2 О2 - оксидоредуктаза
103
2 L-Аскорбат + О2 =
= 2 Дегидроаскорбат + Н 2 О
Осуществляет взаимопревращения аскорбиновой
и дегидроаскорбиновой кислоты в плодах и овощах при созревании и хранении. Ответственна за
разрушение витамина С при переработке и хранении растениеводческой продукции
Н2 О2 + Н 2 О2 2 Н2 О + О 2
Участвует в аэробном дыхании растениеводческой продукции. Защищает живые клетки от
вредного влияния перекиси водорода
Донор + Н2 О2
+ 2Н2 О
Окисленный донор Участвует в аэробном дыхании растениеводческой продукции. При ферментации чая способствует образованию окрашенных и ароматизирующих компонентов
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
Липоксигеназа
(липоксидаза)
Тирозиназа
Фосфорилаза
2
1.13.11.12
Линолеат : кислород оксидоредуктаза
3
4
Окисляет ненасыщенные жирные кис- Способствует прогорканию растительных масел,
лоты,
образуя
их
перекиси
и муки, крупы. При слабом действаии ускоряет
гидроперекиси.
процесс созревания пшеничной муки.
1.14.18.1
Монофенол, дигидроксифенилаланин: кислород
оксидоредуктаза
При действии на аминокислоты тирозин
(монофенол) и фенилаланин образует
темноокрашенные соединения - меланины, от которых зависит цвет продуктов переработки растениеводческой
продукции.
2.4.1.1
-1,4-Глюкан : ортофосфат
- гликозилтрансфераза
101
3.1.1.3
Триацилглицерол - ацилгидролаза
Триацилглицероллипаза
(липаза)
3.2.1.1
1,4--D-Глюкан глюконогидролаза
-Амилаза
(декстриногенамилаза)
-Амилаза
(сахарогенамилаза)
3.2.1.2
1,4--D-Глюкан мальтогидролаза
Играет положительную роль при ферментации
чая, в хлебопечении, отрицательную – в производстве макарон. Участвует в потемнении клубней картофеля при хранении, разрезанных овощей и фруктов, грибов при сушке.
Крахмал + Н3 РО4 Глюкозо-1- фос- Играет большую роль в фосфоролизе крахмала
фат + остаток крахмала
при дыхании растениеводческой продукции.
Катализирует гидролиз триглицеридов с Играет большую роль при прорастании масличприсоединением воды и образованием ных семян. Участвует в процессах порчи просвободных жирных кислот.
дуктов переработки зерна при хранении и при
созревании муки.
Гидролизует крахмал, разрывая -1,4 глюкановые связи без определенного Участвует в гидролизе крахмала растительного
порядка. Из крахмала образуются глав- сырья. В большом количестве образуется в зерне
ным образом декстрины и немного при прорастании. Играет важную роль в пивовамальтозы.
рении и производстве спирта из крахмалистого
сырья.
Гидролизует крахмал, разрывая каждую вторую -1,4-глюкановую связь. Из крахмала образуется главным образом мальтоза и мало декстринов.
Участвует в гидролизе крахмала растительного сырья. Играет важную роль в хлебопечении.
104
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
-Глюкозидаза
(мальтаза)
2
3.2.1.20
-D-Глюкозид –
глюкогидролаза
-Фуранозидаза
(сахараза, инвертаза)
Пептидазы
ферментов
-
комплекс
102
Протеиназы (протеолитические ферменты) - комплекс ферментов
Пируватдекарбоксилаза
3
С12 Н22 О11 + Н2 О = 2С6 Н12 О6
мальтоза
глюкоза
3.2.1.26
-DФруктофуранозид фруктогидролаза
С12 Н22 О11 + Н2 О = С6 Н12 О6 + С6 Н12 О6 Имеет важное значение при консервировании
сахароза
глюкоза фруктоза плодов и овощей, а также в хлебопекарной и
кондитерской промышленности.
3.4.11. - 3.4.15
Катализируют отщепление отдельных Участвуют в процессах прорастания, на различаминокислот и дипептидных остатков от ных этапах переработки растениеводческой
концов пептидной цепи, а также гидро- продукции, при порче.
лиз дипептидов.
3.4.21 – 24; 3.4.99
Катализируют гидролиз белков по пептидным связям
4.1.1.1
Карбокси-лиаза 2оксокислот
О
+ СО2
СН3 СОСООН
пировиноградная
кислота
Глутаминсинтетаза
4
Участвует в процессах прорастания растениеводческой продукции. Играет большую роль в
хлебопечении, пивоварении.
6.3.1.2
L-Глутамат: аммиак
лигаза (образующая
АТФ)
105
СН 3 С
Играет большую роль в процессе дыхания и при
брожении растениеводческой продукции.
Н
уксусный
альдегид
Катализирует образование амида глута- Играет большую роль при созревании растениемина из глутаминовой кислоты
водческой продукции.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Комиссия по ферментам Международного биохимического союза разработала правила рациональной номенклатуры ферментов. Согласно этим правилам, в названии фермента указываются его субстраты и основ-ной класс, к которому принадлежит фермент. Каждый фермент обозначается специальным четырехзначным шифром, указывающим номер класса, подкласса, подподкласса
и номер фермента в подподклассе. Например: 3.2.1.2.- - 1,4 - Глюкан - глюкогидролаза; 4.1.1.1. - Карбокси - лиаза -2- оксокислоты.
Рациональное название без дополнительных объяснений позволяет
представить реакцию, катализируемую данным ферментом. Однако, часто оно
довольно длинно, поэтому наряду с рациональными используют и тривиальные
( рабочие ) названия ферментов. Обычно тривиальные названия ферментов
строятся по названию соответствующих субстратов с добавлением суффикса
«аза». Так, рабочие названия представленных выше ферментов, соответственно,
-амилаза и пируватдекарбоксилаза
При хранении и переработке растениеводческой продукции наиболее часто приходится иметь дело с ферментами, перечисленными в таблице 16.
6.4. Изменение активности ферментов в зависимости
от условий среды
На каталитические свойства ферментов влияют многие физические и
химические факторы, способные воздействовать на структуру активного центра, скорость образования и распада фермент-субстратного комплекса, состояние ионизации молекул субстрата и определенных группировок фермента (температура, рН среды, присутствие активаторов и ингибиторов, концентрация
субстрата и фермента и др.). действие этих факторов оказывается возможным
благодаря тому, что ферменты являются белками, которые довольно легко перестраивают пространственную структуру молекулы под влиянием условий
внешней среды и, следовательно, проявляют высокую лабильность в изменении
своих физико-химических свойств.
6.4.1.Влияние температуры
Ферментативные реакции в растительных клетках могут происходит в
интервале температур от 0 0С (точка замерзания воды) до 70-80 0С (тепловая
денатурация белков высших организмов). С повышением температуры ускоряется движение молекул, что приводит к ускорению реакции. Кроме того, температура может повышать энергию реагирующих молекул и увеличивать скорость образования фермент-субстратного комплекса, поэтому активность ферментов возрастает, вследствие чего происходит интенсификация процессов
жизнедеятельности растений.
В интервале температур 0-40 0С повышение температуры на 10 0С, согласно правилу Вант-Гоффа, увеличивает скорость ферментативных реакций в
1,4-2,0 раза. Однако скорость химической реакции, катализируемая ферментами, имеет свой температурный оптимум, превышение которого сопровождается
106
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
понижением ферментативной активности, возникающим из-за термической денатурации белковой молекулы. Наиболее высокая активность ферментов
наблюдается при температуре 40-50 0С (рис. 6). При температуре свыше 50 0С
начинается процесс тепловой денатурации ферментных белков, вызывающий
необратимое изменение четвертичной, третичной и вторичной структур белковых молекул. Полная денатурация растительтных белков происходит при температурах 70-80 0С.
-
Рис. 6. Зависимость скорости ферментативной реакции (V) от температуры
Однако, в негидратированном (сухом) состоянии растительные белки
способны сохранять нативные свойства и при более высокой температуре, что
используется в технологиях быстрого высушивания зерна и семян без снижения
их всхожести. Не происходит необратимой инактивации ферментов также и
при замораживании растительных тканей. При понижении температуры ниже
точки замерзания прекращается действие ферментов, однако при повышении
температуры их каталитическая активность восстанавливается.
6.4.2. Влияние рН среды
Активность ферментов зависит от рН раствора, в котором протекает ферментативная реакция. Для каждого фермента существует значение рН, при котором
наблюдается его максимальная активность. Отклонение от оптимального значения рН приводит к понижению ферментативной активности.
Влияние рН на активность ферментов связано с ионизацией функциональных групп аминокислотных остатков данного белка, обеспечивающих оптимальную конформацию активного центра фермента. Даже небольшой сдвиг
реакции среды изменяет заряд кислотных и основных групп фермента и субстрата и конформацию активного центра фермента, вследствие чего резко понижается каталитическая активность молекулы фермента. Зависимость активности фермента от рН среды показана на рис.7.
107
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7. Зависимость скорости ферментативной реакции (V) от рН среды
6.4.3. Влияние концентрации фермента и субстрата
Если в физиологической среде много субстрата и мало ферментного
белка, то скорость ферментативной реакции будет низкой, так как каждая молекула фермента способна катализировать превращение определенного количества субстрата в единицу времени. При увеличении концентрации фермента в
среде скорость ферментативной реакции будет возрастать до тех пор, пока достаточно субстрата для полной реализации молекулярной активности фермента.
При дальнейшем увеличении концентрации фермента скорость реакции уже не
возрастает.
Скорость ферментативной реакции зависит также от концентрации субстрата в физиологической среде при условии, что количество фермента остается неизменным. Если в среде находится определенное количество фермента и в
неё добавляется субстрат, то в начале скорость реакции будет возрастать пр опорционально увеличению концентрации субстрата. При дальнейшем увеличении концентрации субстрата темпы нарастания скорости реакции замедляются,
и при определенном количестве субстрата в среде скорость реакции достигает
максимального уровня, при котором полностью реализуется молекулярная активность фермента (рис.8).
Рис.8. Зависимость скорости реакции
от концентрации субстрата:
V – скорость ферментативной реакции;
[S] – концентрация субстрата;
Vmax - максимальная скорость реакции при
данной концентрации фермента в оптимальных условиях проведения реакции.
Кm - константа Михаэлиса.
108
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Зависимость скорости ферментативной реакции (V) от концентрации субстрата([S])
выражается следующим уравнением (уравнение МихаэлисаМентен):
V Vm ax
S ,
K m S где Vmax - максимальная скорость реакции при высокой концентрации субстрата; [S] – концентрация субстрата; К m – константа Михаэлиса.
Константа Михаэлиса выражает сродство фермента к субстрату и служит
важной характеристикой ферментного белка. Чем меньше константа Михаэлиса, тем выше молярная активность фермента и тем интенсивнее происходит
ферментативный катализ. В случае, когда скорость реакции равна половине
максимальной, Km = [S]. Таким образом, константа Михаэлиса численно равна
концентрации субстрата, при которой достигается половина максимальной скорости.
Уравнение Михаэлиса-Ментен - основное уравнение ферментативной кинетики, описывающее зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.
6.4.4. Активаторы и ингибиторы ферментов
Для поддержания молекулы фермента в активном состоянии необходимо наличие в среде определенных соединений, называемых активаторами
ферментов. Роль активаторов заключается в том, что они способны переводить
в активное состояние определенные группировки в каталитическом центре
фермента и таким образом участвовать в каталитическом действии ферментного белка.
Многие ферменты активируются в присутствии ионов металлов. Так, катионы кальция (Са2+) активируют растительные липазы, катализирующие гидролиз триглицеридов, и α-амилазы, ускоряющие гидролиз крахмала. Катионы
калия (К+) активируют многие ферменты углеводного обмена и т.д.
Известны ферменты, активность которых повышается в присутствии неорганических анионов: Cl-, Br-, I-, H2PO4- и др. Так, активаторами амилаз служат
ионы галогенов.
Ингибиторы ферментов – это вещества, которые подавляют действие
ферментов. Различают обратимое и необратимое ингибирование.
При обратимом ингибировании не происходит безвозвратной потери каталитической активности фермента, так как ингибитор не разрушает пространственной структуры ферментного белка и после отделения ингибитора от фермента активность последнего восстанавливается. Различают два вида ингибиторов, вызывающих обратимое ингибирование: конкурентные и неконкурентные ингибиторы.
Конкурентные ингибиторы – вещества, структурно родственные субстрату. Они связываются с активным центром фермента, но при этом не могут
подвергаться превращениям под действием фермента. Молекулы фермента,
109
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
связанные с ингибитором, не могут катализировать превращение субстрата, поэтому скорость ферментативной реакции замедляется.
Неконкурентные ингибиторы не имеют структурной аналогии с субстратами, и поэтому они взаимодействуют не с участком связывания субстрата в
активном центре фермента, а с другим участком ферментной молекулы, вызывая инактивацию каталитического центра. К ингибиторам неконкурентного типа относятся цианиды, которые подавляют активность ферментов, содержащих
атомы Fe или Си (цитохромоксидазы, фенолоксидазы и др.)
В процессе необратимого ингибирования молекула ингибитора образует
прочную ковалентную связь с одной из группировок в активном центре фермента, в результате чего становится невозможным его каталитическое действие.
Все ферменты необратимо ингибируются катионами тяжелых металлов (Hg2+,
Pb2+
, Ag+, Cu2+ и др.), а также галогенпроизводными уксусной кислоты (трихлоруксусная, йодоуксусная кислоты и др.), которые при соединении с SHгруппами ферментного белка образуют нерастворимое соединение. Следует
отметить, что все факторы, вызывающие денатурацию белков, неспецифически
подавляют действие любого фермента, так как основу его составляет молекула
белка.
6.5. Локализация ферментов в растениях
В живой клетке ферменты действуют не изолированно, а входят в состав
ферментных систем, обеспечивающих осуществление тех или иных реакций.
Различные пути обмена веществ в живом организме взаимосвязаны, и обмен в
целом осуществляется единой комплексной полиферментной системой. Продукт, образовавшийся под действием одного фермента, оказывается субстратом
для другого фермента, присутствующего в системе. Благодаря этому на молекулу субстрата могут в определенном порядке последовательно воздействовать
все ферменты, находящиеся в системе. Каждый из комплекса ферментов вызовет определенные изменения в молекуле данного вещества, прежде чем она
подвергнется действию следующего фермента, и так будет продолжаться до тех
пор, пока не закончится весь процесс.
Многие ферменты обнаруживаются практически во всех клетках растительных организмов. Это ферменты, которые участвуют в процессах жизнеобеспечения самой клетки, таких как синтез нуклеиновых кислот и белков, образование мембран и других основных клеточных органелл, энергетический
обмен. С другой стороны, дифференцированные клетки, выполняющие различные специализированные функции, различаются и по ферментному составу.
Поэтому в отдельных тканях и частях растений ферменты проявляют различную активность. Например, гидролитические ферменты зерна наиболее активны в зародыше и алейроновом слое. Если принять активность протеаз в зародыше пшеницы за 100%, то протеолитическая активность эндосперма составит
11.4%. Таким образом, выходы пшеничной муки и степень отделения зародыша
при размоле оказывают большое влияние на активность гидролитических ферментов в пшеничной муке при хлебопечении.
110
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Плоды и овощи также характеризуются неодинаковой активностью
ферментов в различных тканях. Так, в покровных тканях плодов и овощей, как
правило, более интенсивное дыхание, чем в мякоти, в связи с лучшей обеспеченностью их кислородом. Повышенная интенсивность дыхания покровных
тканей хорошо коррелирует с более высокой активностью в них окислительных ферментов, и в первую очередь, каталазы и пероксидазы.
6.6. Изменение активности ферментов при хранении растениеводческой продукции
Ферменты, как и другие биополимеры, синтезируются в клетке и подвержены распаду и круговороту. При хранении растений или их органов набор
ферментов в них может меняться: одни из них разрушаются, другие синтезируются в зависимости от различных факторов. Но в целом, весь сложный взаимосвязанный ферментативный аппарат вегетирующего растения или органа сохраняется и после уборки и до тех пор, пока клетка живая, ферменты и потенциальные субстраты в ней сохраняют способность образовывать между собой
комплексы и, следовательно, способность к функционированию.
Наблюдается определенное постоянство набора ферментов в каждой
растительной ткани. Однако на количество ферментов в живом организме оказывают влияние внешние условия. Интенсивность синтеза ферментов определяется наличием специфического субстрата в окружающей среде. Если нет
подходящего субстрата, то не образуется и воздействующий на него фермент.
Накопление какого-либо продукта в клетках растений ведет к образованию фермента, действующего на данное вещество. Продукт, полученный в результате действия этого фермента, будет накапливаться и в свою очередь может
стимулировать образование второго фермента, способного воздействовать на
этот продукт, и т. д. В результате образуется последовательная цепь реакций,
осуществляемая группой ферментов. Если такая цепь ферментов образовалась,
то она сохраняется до тех пор, пока в наличии будет исходный субстрат.
Изменение активности ферментов при хранении растениеводческой
продукции связано с их ролью биорегуляторов всех химических процессов,
возникающих в растительных клетках в ответ на изменение внутренних и
внешних факторов. Так, в ответ на поражение паразитическими микроорганизмами в растении начинается усиленный синтез специфических защитных
веществ - фитоалексинов. При этом не только возрастает активность уже существующих в здоровой ткани ферментов, но могут образовываться и их изоформы, более устойчивые к токсическим выделениям паразита и способные катализировать защитные реакции в тканях с нарушенным обменом.
При окончании покоя и в начале прорастания картофеля и двулетних
овощей наблюдается подъём дыхания и усиление интенсивности окислительных процессов, поскольку для процессов роста необходима энергия. Активность оксидоредуктаз в клетках в этот период значительно выше, чем в период
покоя.
111
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.7. Применение ферментов при переработке растениеводческой
продукции
Ферментативные препараты находят в настоящее время широкое применение в различных отраслях, в том числе и при переработке растениеводческой
продукции. В хлебопечении для ускорения гидролиза крахмала и улучшения
качества теста используют препараты активных амилаз. При приготовлении
детского питания с целью облегчения переваривания углеводов и белков исходные продукты обрабатывают амилазами и протеазами. Протеазы и пектиновые ферменты используют в виноделии и производстве соков. Добавление их к
мезге вызывает гидролиз белков и пектиновых веществ. Это ускоряет сокоо тдачу, способствует просветлению сока. При силосовании соломы используют
целлюлолитические ферменты.
Такое широкое применение ферментов в перерабатывающих отраслях
привело к их промышленному получению в больших количествах. Сырьём для
их выделения чаще всего служат микроорганизмы, выращиваемые на дешевых
питательных средах.
В бродильных производствах применяется зерновой солод, представляющий собой проросшее и осторожно высушенное зерно злаков, которое является источником активной -амилазы. Солод выполняет задачу гидролиза нативного крахмала зернового сырья до сахаров, сбраживаемых дрожжами. Однако,
эффективность солода как осахаривающего агента достаточно низка, по сравнению с амилолитическими препаратами микробного происхождения. По этой
причине в бродильных производствах, перерабатывающих крахмалосодержащее сырье, традиционный солод все чаще заменяют ферментными препаратами
микробного происхождения, обладающими высокой осахаривающей способностью. Высокая активность препаратов микробного происхождения объясняется
тем, что помимо -амилазы они содержат еще один вид амилолитических ферментов – глюкоамилазу (3.2.1.3), расщепляющую крахмал, декстрины и мальтозу до глюкозы.
Все ферментные препараты, применяемые в спиртовом и пивоваренном
производствах, представляют собой либо нативные неочищенные глубинные
или высушенные поверхностные культуры микроорганизмов, либо неочищенные концентрированные препараты, и как правило являются комплексными,
т.е. содержат больше одного фермента. Характеристика основных ферментных
препаратов, применяемых в спиртовой и пивоваренной промышленности приведена в таблице 17.
112
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 17 - Характеристика амилолитических ферментных препаратов
микробного происхождения
Наименование
Характеристика
Продуцент и спо- Присутствующие
препарата
соб культивироферменты
вания
Амилоризин Пх Сухая культура,
Aspergillus оryzae α-амилаза, проте90 % сухих ве476- И, поверхаза
ществ
ностный
Глюкаваморин
Сиропообразный Aspergillus
α-амилаза, глюкоГх
препарат, 45-50 % awamori, штамм амилаза, транссухих веществ
673, поверхност- глюкозилаза, геный
мицеллюлаза,
протеаза
Глюкобататин
Жидкая культура, Aspergillus bataα-амилаза, глюкоГх
3-4 % сухих веtae-61, глубинный амилаза
ществ
Амилодиастатин Жидкая культура, Bacсillus diasα-амилаза
Гх
2 % сухих веществ taticus, глубинный
Амилосубтилин Порошок, 90 %
Baccillus subtilis,
α-амилаза
Г3х
сухих веществ
глубинный
Контрольные вопросы: 1. Какова биологическая роль ферментов. Отличия их от неорганических катализаторов. 2. Что лежит в основе строения ферментов. 3. В чем заключается механизм действия ферментов. 4. Классификация
ферментов. 5. Приведите примеры ферментов, имеющих наибольшее практическое значение при хранении и переработке растениеводческой продукции. К
каким классам они относятся. 6. От каких факторов зависит активность ферментов. 7. Как меняется активность ферментов при хранении растениеводческой продукции. 8. Как используются ферменты при переработке растениеводческой продукции.
7. Витамины
7.1. Общая характеристика витаминов
В растениях содержится важная группа биологически активных веществ,
количество которых измеряется микродозами, но без которых невозможно
нормальное течение биохимических процессов. Эту группу веществ с относительно низкой молекулярной массой называют витаминами. Они тесно связаны
с ферментами и очень часто входят в активную группу двухкомпонентных
ферментов. Известно свыше 100 различных ферментов, в состав которых входят витамины или их производные. Вместе с тем, отдельные витамины выполняют свои функции самостоятельно, являясь промежуточными продуктами обмена веществ, переносчиками групп и т.д.
113
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Витамины - это не химическое, а физиологическое понятие, оно имеет
чисто физиологический смысл. Эти вещества относятся к незаменимым жизненным факторам, обеспечивающим нормальное функционирование любой
клетки. Открытие витаминов принадлежит российскому ученому Лунину в
1880 г. В 1912 г. Польский ученый К. Функ впервые выделил вещество этой
группы в кристаллическом виде – витамин В1. В составе его содержалась аминогруппа. Отсюда и пошло название «витамины» - амины жизни.
Растения способны к самостоятельному биосинтезу витаминов, поэтому
они не ощущают недостатка в них, тогда как многие животные и человек не
синтезируют для себя большинство витаминов и должны получать их с пищей.
Недостаток их в рационе или нарушение способности организма усваивать их
ведёт к нарушению обмена веществ и вызывает заболевания, называемые гипои авитаминозами. При этом в начале проявляются общие для всех форм авитаминозов признаки: потеря аппетита, утомляемость, похудение, у молодых организмов задержка роста и т.д., а затем возникают симптомы, специфические для
каждого авитаминоза. Предупредить или излечить авитаминозы можно только
введением в организм соответствующего витамина, дефицит которого ощущался в рационе.
В настоящее время известно свыше 40 различных витаминов. Химическая природа их весьма различна, поэтому нет строгой классификации витаминов. Чаще всего их классифицируют на основании растворимости в воде или в
жирах.
Содержание витаминов в различных продуктах определяют в мг% - количество мг витамина на 100 г сырой массы продукта.
Характеристика основных витаминов растительного сырья приведена в
таблице 18.
114
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 18 - Основные витамины и их функции
№
Название, химическая формула
Химические
свойства
Биохимическая роль, распространение в растении
Содержание в некоторых растениях,
мг%
Сут. потребность человека, функции и изменения в организме при
недостатке в пище
2
3
4
5
6
Провитамин А ( каротин ) сод
в зелёных частях раст. ( пигмент хлоропластов), а также в
моркови, абрикосах и т. д.
Участвует в фотосинтезе; является исходным материалом
для образования в раст. ряда
каротиноидов.
Морковь - 8 - 25;
зеленый лук, салат,
шпинат - 6-5, абрикосы - 11.
Провитамин Д ( эргостерин ) в
небольших количествах сод. во
всех частях высших растений
в составе структурных липидов, а также в лесных грибах и
дрожжах. Участвует в липидном обмене растений.
Основной источник
зимой - печень, животное масло, яйца.
Летом образуется в
организме эндогенно из раст и зоостеринов
1.5-2.5 мг
Влияет на рост, нормализует состояние кожи,
участвует в образовании
сетчатки глаза.
При недостатке - куриная
слепота; при полном отсутствии - ксерофтальмия.
0.4 мг
Стимулирует усвоение
кальция в тонком кишечнике
При недостатке - рахит и
остеомаляция.
Предотвращают окисление
ненасыщенных жирных кислот в липидах, влияют на биосинтез ферментов, регулируют
синтез и распад каротиноидов.
Салат - 13,
зародыши пшеницы
- 30,
масло растительное
- 100 - 300.
1
Ж ир о р а ст в о ри м ы е в ит а м ины
А ( ретинол, аксерофтол)
СН3
СН3
Н3 С СН3
СН
С
СН С
1
СН
СН СН СН2 ОН
.
СН3
Неуст. к действию света,
кислорода и
кислот, уст. к
высоким t0 C
без доступа
воздуха и к
щелочам
Д; в его группу входят несколько вита- Неуст. к свету
минов - Д2 , Д3 , Д4 .
при любых
условиях и к
2
СН2
кислотам. Уст.
.
к высоким
t0 C, к щелочам.
НО
Д 2 ( кальциферол)
Е ( токоферолы )
Оч. ТермостоСН3
ек, но чувствиНО
СН3
телен к свету и
СН3
кислороду .
3
СН2
СН
Уст. к кисло. Н3 С
О СН2
СН2
СН2 3 Н
там, неуст. к
СН3
щелочам.
-токоферол
2 - 6 мг
Нормализует функции
щитовидной железы.
При недостатке поражаются половые органы,
снижается способность к
размножению, наблюд.
атрофия мышц.
Продолжение таблицы 18
115
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
2
4 К : в его группу входят несколько витаминов.
. Наиболее активен из них витамин К 1 - филлохинон
О
СН3
СН СН2
СН2 СН2 Н
СН2
С
СН2 СН
СН3
Филлохинон
СН3
3
3
4
Уст. к действию
воздуха
и
нагреванию.
Разлагается под
действием света. Уст. к кислотам, неуст. к
щелочам.
Всегда содержится в
хлоропластах растений
в соотношении 1:200 к
хлорофиллу. Участвует
в процессе фотосинтеза.
5
6
Шпинат - 4-5
0.2-3 мг
зелёный горошек - Синтезируется кишечной
0.1-0.3
микрофлорой.
помидоры - 0.4
Способствует свертыванию
крови.
В о до р а ст в о рим ы е в ит а м ины
5
.
В 1 ( тиамин )
N
CH2
N
NH2 HCl
CH3
6
.
СlN+
S
В 2 ( рибофлавин )
СН2
Н3 С
Н3 С
N
Уст к свету и
воздуху, к высоким t0 C в
СН3
кисл. среде (
при выпечке
CH2 CH2 OH
хлеба). Неуст. в
щелочной среде
( при выпечке
кондитер. изд. )
Устойчив
в
кислой среде,
(СНОН)3 СН2 ОН быстро разрушается в щеN
О
лочной. Очень
светочувствителен.
NН
N
Кофермент пируватдекарбоксилазы. Играет
важную роль в углеводном обмене. Больше всего содержится во вне шних частях зерновок,
пивных дрожжах.
Входит в состав флавиновых
ферментов,
участвующих в окислении аминокислот, органических кислот др.
Тесно связан с белковым обменом. Встречается там же, где и тиамин.
Целое зерно пшеницы и ржи - 0.5,
отруби пшеничные
- 1.0-1.5,
батоны из муки
высшего сорта 0.1,
дрожжи пивные 5.0.
Целое зерно пшеницы - 0.2,
пшеничные отруби
- 0.5,
дрожжи пивные 4.0
1.5- 2.0 мг
При недостатке - поражение
нервных тканей, полиневрит.
2.0 - 2.5 мг
При недостатке - резь в глазах, воспаление слизистых
оболочек ( характерное проявление - болезненные
ощущения в слизистых оболочках рта), себорейный
дерматит.
О
Продолжение таблицы 18
1
2
3
116
4
5
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.
8.
9.
1
0.
В5, РР ( никотиновая к-та, никотина- Оч. Устойчив,
мид)
не разруш. под
СООН
СОNН2
дей-ствием света,
воздуха,
температуры и
щелочных
рN
N
ров.
Никотиновая
Никотинамид
кислота
В 6 ( пиридоксин )
Уст. к высоким
температурам,
СН2 ОН
щелочам, кисНО
СН2 ОН
лотам, но разрушается
на
свету
Н3 С
N
В 3 ( пантотеновая кислота )
Уст.
в
СН3 ОН
О
нейтральной
среде. Быстро
Н3 С С СН
С NН СН2 СН2 разрушается
при нагревании
СН2 ОН
СООН в кислой и щелочной среде.
Витамин Н ( биотин )
Уст. к высоким
О
температурам,
щелочам, кисНN
NН
лотам, кислороду воздуха.
НС
СН
Н2 С
СН
(СН2 )4
СООН
Входит в состав НАД и его
производных, уч. более чем
в 150 важн ферментных
реакциях превращения углеводов, жиров и др. соединений.
Целое зерно пшеницы 5-7; пшеничные отруби
- 15 - 30;
батоны из муки высшего сорта - 1;
дрожжи пивн.-20-100
15 - 25 мг
Частично синтезируется
кишечной микрофлорой.
При недост. возникает
пеллагра
(«шершавая
кожа»), стоматит, диарея.
Входит в состав ферментов,
катализирующих превращение аминокислот: переаминирование,
декарбоксилирование, дезаминирование и др.
Целое зерно пшеницы
- 0.4-0.5;
отруби пшеничные 1.5- 2.0;
дрожжи пивные - 2.5 5.5
2 - 3 мг
При недостатке наблюдается нарушение азотного
обмена, нервные расстройства, поражения кожи, припадки.
Входит в состав коферме нта А. Участвует в проце ссах дыхания, синтеза жирных кислот, стеринов и др.
Широко распространен в
природ
е.
Кофермент гексокиназы,
карбоксилазы и др. фе рментов, участвующих в углеводном, жировом и бе лковом обмене. Прим. как
стимулятор роста растений. Широко распространён в природе
Целое зерно пшеницы
-0.8 - 1.7;
отруби пшеничные 1.5-2.0;
арахис - 2.1 -2.4;
морковь - 1.5 -2.1;
дрожжи пивн.- 20.
Соя - 0.78-0.90 мкг/г,
зерно пшеницы - 0.08 0.11 мкг/г;
отруби пшеничные 0.15 -0.20 мкг/г;
помидоры - 0.4 - 1.0
мкг/г
5 - 10 мг
Синтезируется кишечной
микрофлорой. Гипоавитаминозы
возникают
лишь при общем нарушении питания или обмена
веществ.
0.15 -0.3 мг
Синтезируется кишечной
микрофлорой. Гипоавитаминозы
возникают
лишь при общем нарушении питания или обмена
веществ.
S
1
1
Продолжение таблицы 18
2
В 9 , В С ( фолиевая кислота )
3
Неустойчив,
117
4
Принимает участие
5
Шпинат
-
5.8
6
0.1 - 0.5 мг
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.
легко разрушается
при
нагревании,
H
СН2 NН
действии кислот, щелочей,
N
света.
ОН
В 12 ( цианкобаламин ) - сложное органическое соеди- Уст. к де йнение кобальта с цианидом.
ствию высоких температур и кислот.
Инактивируется на свету и
при нагревании в щелочных растворах.
С ( аскорбиновая кислота )
Нестоек, очень
О
О
чувствителен
С
С
к окислению и
нагреванию.
НОС
-- 2 Н
О=С
При хранении
О
О
растений поНОС
О=С
чти
полно
+ 2Н
НС
Н С
стью разруша
ется.
Н2 N
1
2.
1
3.
N
НОСН
СН2ОН
СООН
СН2
СН2
СОNНСН
СООН
N
аскорбиновая
кислота
НОСН
СН2ОН
дегидроаскорбиновая кислота
в биосинтезе тимина,
входящего в
РНК. В наибольшем
кол-ве сод. в зеленых листьях раст.,
пивных дрожжах
В высших растениях не синтезируется.
У человека участвует в образовании
красных кровяных
телец, в секреторной деятельности
желудка и в работе
нервной системы.
мкг/г;
петрушка, лист 1.17 мкг/г;
петрушка, корень 2.8 мкг/г;
пивн.дрожжи - 14.7
Источники - только продукты животного происхождения:
печень - 0.06 - 0.1;
почки - 0.05.
Синтезируется кише чной микрофлорой. При
недостатке развивается
анемия.
Важнейший компонент окислительновосстановительных
реакций,
служит
промежуточным
переносчиком водорода в процессе дыхания. В организмах
существует в окисленной и восстановленной форме.
Картофель - 10-20;
капуста цветная 50-150;
смородина черная
- 100-400;
лимон - 40-60;
шиповник ( сухие
плоды ) - 10004000.
70 - 100 мг
Влияет на обмен веществ в тканях, ускоряет заживление ран, повышает свертываемость
крови и сопротивляемость к инфекциям,
оказывает антитоксическое
действие
при
отравлении
многими
ядами и бактериальными токсинами.
При недостатке развивается цинга.
0.003-0.005 мг
Частично синтезируется
микрофлорой кишечника.
При недостатке развивается злокачественная
анемия.
Продолженте таблицы 18
118
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
2
3
1
4.
Р - цитрин, рутин и ряд других Относисоединений, относящихся к груп- тельно
пе флавоноидов.
устойчив.
1
5.
Инозит ( мезоинозит,
инозит).
ОН
ОН
Н
ОН
Н
Н
ОН
Н
НО
Н
Н
ОН
4
Содержится в тех же продуктах, которые богаты витамином С. У человека улучшает
усвоение витамина С. Р-витаминной активностью обладают некоторые катехины и
флавоны, встречающиеся во многих плодах и
чае.
мио- Устойчив к В наибольшем количестве содержится в плокислой,
дах и семенах растений главным образом в
щелочной
виде фитина - кальциево-магниевой соли
среде
и инозитфосфорной кислоты. Некоторое колинагревачество инозита в растениях находится в виде
нию.
инозитфосфатидов.
119
5
Смородина
черная - 1600;
клюква - 300;
вишня - 280.
6
25 мг
При недостатке повышается ломкость кровеносных сосудов и проницаемость кровеносных капиляров.
Содержание
1г
фитина в семе- Участвует в процессах,
нах
- 1-3% протекающих в нервной
сырого веса.
ткани, в регуляции двигательной деятельности желудка и кишечника.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 19 - Содержание витаминов в съедобной части растений. (в мкг на 100 г) Растение
В1
В2
В6
С,
мг%
Капуста
Салат
Шпинат
Томаты
Огурцы
Яблоки
Груши
Сливы
Абрикосы
Вишня
Апельсины
Черная
смородина
Виноград
Пшеница
Кукуруза
Горох
Редис
Морковь
Картофель
150
100
100
100
40
50
70
120
60
50
90
-
70
300
300
30
50
20
30
20
40
40
22
120
100
100
60
26
80
-
40
45
50
30
9
18
5
10
9
15
53
150
20
500
200
-
2
6
4
2
1
2
-
3
0,2
4
1
-
15
0,1
30
-
0,6
0,2
0,8
0,1
0,16
0,08
0,2
0,8
0,03
-
20
900
500
700
200
100
300
6000
400
100
1000
100
150
20
70
150
300
80
270
Пантотеновая кта
200
170
400
150
8
340
-
50
350
580
520
110
100
100
20
80
100
260
30
50
50
10
430
340
300
130
20
3
23
5
21
910
2200
3200
1200
-
5
6
9
3
0,6
0,05
0,05
2
0,1
75
-
6
3,5
2,5
0,3
0,8
1,0
70
20
12000
-
20
190
20
430
100
80
10
1380
500
380
350
400
Е
Н
К,
мг%
Р,
мг%
РР,
мг%
Каротин
Фолиевая
к-та
- таблица составлена по данным Гребинского С.О. (1975).
120
Инозит,
мг%
12
170
45
250
48
29
95
2,7
46
24
210
-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7.2. Изменение содержания витаминов при хранении и переработке ра стениеводческой продукции
Количество витаминов в различных растениях не является величиной
постоянной, а подвержено очень большой изменчивости. Все сведения о содержании витаминов в отдельных сортах носят весьма условный характер, т.к.
верны для данного года, для конкретной зоны выращивания и для определенного возраста растения. Для сравнения различных видов растениеводческой пр одукции пользуются средними данными о содержании витаминов в них, приведенными в таблице 19.
Особенно изменчивым признаком в зависимости от сортовых особенностей и условий выращивания растений является содержание витамина С.
Наличие в том или ином растении больших или меньших количеств аскорбиновой кислоты связывают с энергией протекающих в них окислительновосстановительных процессов: чем интенсивнее они протекают, тем большее
количество витамина С синтезируется в растении. Как известно, интенсивность
окислительно-восстановительных процессов в растении тем выше, чем более
суровые условия его существования. В связи с этим наблюдается такая закономерность: содержание витамина С в растении увеличивается пропорционально
ухудшению условий существования и замедлению роста. Поэтому в северных и
высокогорных районах растения накапливают больше аскорбиновой кислоты,
чем в южных и равнинных зонах.
В растениях витамин С может существовать в двух формах: восстановленной - в форме аскорбиновой кислоты, и окисленной - в форме дегидроаскорбиновой кислоты. В сбалансированном окислении и восстановлении витамина С заключена его биологическая роль в живой клетке как промежуточного переносчика водорода. Соотношение окисленной и восстановленной формы
в растении сильно варьирует в зависимости от возраста растения. Незрелые
плоды и овощи обычно больше содержат дегидроаскорбиновой ки- слоты, в то
время как в хорошо вызревших плодах о овощах равновесие значительно смещено в сторону восстановленной формы. Так, в картофеле после уборки во сстановленная форма составляет 85-100%.
Обратимое окисление аскорбиновой кислоты до дегидроаскорбиновой
происходит под действием фермента аскорбатоксидазы и само по себе не пр иводит к потере витамина С: и та и другая форма биологически
активна. Однако потеря витамина может происходить при дальнейшем необратимом превращении дегидроаскорбиновой кислоты в биологически неактивную
форму - 2,3-дикетогулоновую кислоту. Именно так происходит потеря витамина С при хранении и переработке растениеводческой продукции:
121
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
О
О
С
С
НОС
-- 2 Н ОС
О О
НОС
О С
+ 2Н
НС
Н С
НОСН
НОСН
СН2ОН
СН2ОН
аскорбиновая
кислота
дегидроаскорбиновая кислота
СООН
Н2О
О С
ОС
НСОН
НОСН
СН2ОН
2,3-дикетогулоновая
кислота
Скорость этой реакции в значительной степени зависит от рН среды: она
идет медленно в кислой среде и очень быстро в щелочной. Поэтому клеточная
среда более благоприятна для сохранения витамина С в плодах цитрусовых ( у
апельсинов рН=34, у лимонов рН=2 ), чем в картофеле ( рН=6 ). При обычных
условиях хранения картофеля за 6 месяцев теряется 5070% от исходного количества витамина С в клубнях. Потери возрастают с ростом температуры хранения.
Еще значительнее потери витамина С при переработке растениеводческой продукции, особенно связанной с длительным воздействием на сырье повышенных температур. В присутствии кислорода воздуха витамин С начинает
разрушаться уже при 500С. Без доступа воздуха, особенно в кислой среде, восстановленная форма аскорбиновой кислоты гораздо лучше переносит нагревание.
Кратковременная тепловая стерилизация, направленная на удаление
воздуха из продукта и разрушение ферментов, окисляющих витамины, способствует лучшему сохранению витамина С. Положительно сказывается на сохранении витамина С кратковременная обработка сырья токами высокой частоты,
под действием которой его потери в продукте в 2 раза ниже, чем при обычной
тепловой стерилизации.
Скорость потери витамина С в плодах и овощах при хранении и переработке зависит и от наличия в реакционной системе веществ, катализирующих
распад витаминов либо действующих на них как стабилизаторы. Так, присутствие ионов меди способствует распаду витамина С. Это связано с тем, что ионы меди ускоряют реакции, связанные с переносом водорода. Поэтому медь
уже в концентрации 3-5 мг на 1 кг продукта способствует быстрому разрушению витамина С. Особенно сильно действие меди сказывается в некислой среде. Стабилизаторами витамина С являются вещества, образующие с медью
комплексные соли, в которых медь мало ионизирована, - белки, аминокислоты.
Стабилизирующее действие оказывают также поваренная соль, сахара, крахмал, жиры. Тормозят переход аскорбиновой кислоты в дегидроформу каротиноиды.
Для стабилизации витамина С при высокотемпературной сушке плодов
и овощей применяют сульфитацию сырья перед сушкой. Сернистый ангидрид,
122
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
являясь сильным восстановителем, защищает аскорбиновую кислоту от окисления.
Разные растения при хранении теряют витамин С с разной скоростью. В
овощах, листья которых неплотно прижаты к друг другу, как например, в шпинате, содержание витамина С быстро снижается после уборки, в то время как в
плотном кочане капусты оно в течении длительного времени поддерживается
на исходном уровне. Следует отметить, что в свежей капусте витамин С сохр аняется лучше, чем в других овощах. Дело здесь не только в плотном расположении листьев в кочане и изоляции их от доступа воздуха, но ещё и в том, что
аскорбиновая кислота в капусте находится в связанной форме - в виде аскорбигена. Аскорбиген - индольное производное аскорбиновой кислоты довольно
сложного строения, сохраняющее витаминозную активность. Квашение капусты не затрагивает витамина С, напротив, образующаяся молочная кислота повышает его стабильность. Содержание витамина С в квашенной капусте зависит в основном от доступа воздуха к продукту.
Что же касается других витаминов, то заметной потери их при хранении
свежей растениеводческой продукции в оптимальных условиях не происходит.
Однако, в процессе переработки они могут в той или иной степени разрушаться. Различные витамины характеризуются неодинаковой устойчивостью к действию света, воздуха и высоких температур.
Из водорастворимых витаминов лучше всего сохраняются в продуктах
переработки ниацин (витамин РР) и биотин (витамин Н). Следует, однако, о тметить, что в зерне злаковых культур и продуктах их переработки ниацин
находится в связанной форме и практически не усваивается организмом. Хор ошо сохраняется в процессе высокотемпературной переработки витамин В6, однако он разрушается под действием солнечного света. Многие витамины группы В обладают высокой устойчивостью в кислой среде, но легко разрушаются в
нейтральной и особенно в щелочной среде. Так, витамин В1 ( тиамин) хорошо
сохраняется при выпечке хлеба, но быстро теряет свою активность при добавлении в тесто щелочных разрыхлителей: соды, карбоната аммония. При этом от
молекулы тиамина отщепляется соляная кислота, и образуется тиохром, который витаминозной активностью не обладает. Возможен также отрыв друг от
друга пиримидинового и тиазолового колец, образующих молекулу тиамина.
Несколько более устойчив к окислению и высоким температурам витамин В 2,
хотя при выпечке кондитерских изделий с использованием щелочных разрыхлителей он также частично разрушается. Кулинарная обработка не приводит к
существенному разрушению пантотеновой кислоты, но до 30% её может переходить в воду при варке овощей. Легко разрушается в овощах при их переработке фолиевая кислота (до 90%).
Из жирорастворимых витаминов наименее стойким при переработке
растениеводческой продукции является провитамин А - каротин. Обладая сильно ненасыщенной структурой, он легко окисляется под действием высоких
температур в присутствии кислорода воздуха. При этом в молекуле каротина
происходит разрыв полиеновой цепи с отщеплением -иононового кольца, и
123
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
витаминозные свойства теряются. Изменение -иононового кольца происходит
следующим образом:
Н3 С
Н2 С
Н2 С
С
СН3
Н3 С
С СН
С
СН2
-каротин
СН3
... Н2 С
Н2 С
СН 3
Н3 С
С СН ...
О
С СН 3
Н2 С
С
СН2
Н2 С
-каротиноксид
С
СН 3
ОН
С СН
ОН
С СН 3
СН2
-оксикаротин
Н3 С
... Н2 С
Н2 С
С
СН 3
СООН
СН2
СОСН 3
Героновая кислота
Витамины Е и К относительно устойчивы к нагреванию, но разрушаются под действием ультрафиолетовых лучей.
Витамин D почти не разрушается при кулинарной обработке.
Контрольные вопросы. 1. Какова биологическая роль витаминов в живых организмах. 2. Какие витамины относятся к жирорастворимым. В каких органах растений они наиболее распространены. Функции жирорастворимых витаминов в организме человека. 3. Какие витамины относятся к группе В. Их
распространение в растениеводческой продукции. Каковы функции витаминов
группы В в организме человека. 4. В каких органах растение содержится витамин С. Каковы его функции в организме человека. 5. Как изменяется содержание витаминов при хранении и переработке растениеводческой продукции.
8. Минеральный состав растительных тканей
В составе растительных тканей обнаружены почти все химические элементы периодической системы Д.И. Менделеева. Однако содержание отдельных элементов в тканях растений неодинаково: некоторые из них накапливаются в очень больших количествах - до нескольких сот и даже тысяч миллиграммов на 100 г, содержание же других не превышает тысячных и даже миллионных долей миллиграмма на 100 г.
Основную часть сухого вещества растений (98-99%) составляют десять
элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний,
железо и сера. Эти элементы получили название макроэлементов,
их содержание выражается величинами от десятков процентов до сотых долей
процента от массы растений.
Кроме десяти основных элементов для развития растений требуются
бор, медь, марганец, цинк, молибден, хлор, йод, мышьяк и др. Содержание этих
элементов измеряется тысячными и стотысячными долями процента от массы
растений. Вследствие этого они получили название микроэлементов.
Элементы, которые остаются в остатке (золе) растительного материала
после сжигания в присутствии кислорода, получили название минеральных или
зольных, а масса золы, выраженная в процентах к исходной массе растительного образца называется зольностью. Величина зольности и качественный состав
золы различных растений сильно варьирует в зависимости от вида, сорта и поч124
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
венно-климатических условий выращивания. Минеральные вещества в состав
золы входят в основном в виде окислов. Преобладающими элементами в составе золы растений являются фосфор, калий, кальций и магний, доля которых в
золе семян составляет 80-95%, вегетативных органов - 70-76%.
8.1. Роль минеральных элементов в жизни растений
Минеральные элементы растений, превращающиеся при сжигании в золу, входят в состав различных органических соединений и играют важную роль
в жизни растений. Недостаток того или иного минерального вещества нарушает
важнейшие физиологические функции растительных организмов.
Исключительно велика биохимическая роль соединений фосфора. Фосфор входит в состав белков, фосфолипидов, нуклеиновых кислот и других жизненно важных фосфорорганических соединений. Кроме пластической роли с оединения фосфора принимают участие в обмене энергии: аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), содержащая богатые энергией пирофосфатные связи, является источником энергии для различных процессов обмена веществ. Наиболее
богаты фосфором репродуктивные органы растений: в семенах его содержание
в 5 - 10 раз выше, чем в вегетативных частях растений. Однако, в результате того, что основная часть фосфора в семенах находится в трудноусвояемой форме
- в виде фитина, человек усваивает не более половины от общего количества
фосфора в продуктах переработки зерна.
Сера - элемент, значение которого в растении определяется в первую
очередь тем, что он входит в состав белков в виде метионина и цистеина. Содержат серу также витамины группы В, кофермент А (КоА), а также ферменты,
в состав которых входят эти соединения. Много серы содержат растения семейства капустных, в которых сера входит в состав гликозидов.
Калий повышает гидрофильность протоплазмы и увеличивает ей водоудерживающую способность. Повышенная оводненность коллоидов благоприятствует сохранению нормального состояния протоплазменных структур, но рмальной проницаемости мембран, обеспечивает благоприятные условия для
развертывания в клетке синтетических процессов. Особенно существенную
роль калий играет в превращении и образовании углеводов. Наибольшее с одержание калия обнаруживается в тех органах и тканях, где идет интенсивный
обмен веществ.
Важная и разносторонняя роль в обмене веществ растений принадлежит
кальцию. Кальций является необходимой составной частью протоплазменных
структур. Наряду с магнием он входит в состав различных субклеточных структур. Соединения кальция с пектиновыми веществами составляют основу так
называемых срединных пластинок, склеивающих стенки отдельных клеток.
Кальций входит в состав ряду ферментов. Так, он стабилизирует вторичную и
третичную структуру молекулы -амилазы, обеспечивая её каталитическую активность и одновременно предохраняя фермент от действия протеолитических
ферментов. В клетках семян масличных растений кальций широко представлен
в виде оксалатов - нерастворимых в воде солей щавелевой кислоты.
125
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Существенную роль в обмене веществ растений играет магний, поскольку он является кофактором многих ферментов. Кроме того, магний участвует в
построении молекулы хлорофилла. Структурная организация рибосом зависит
от концентрации в них магния. Рибосомы содержат значительное количество
магния.
Железо по своей роли в растениях может быть вполне отнесено к элементам - биокатализаторам. Оно входит в состав ферментов, необходимых для
образования хлорофилла. Меняя свою валентность, железо участвует в окислительно-восстановительных процессах, входя в состав простетических групп ряда оксидоредуктаз. Железо является кофактором дыхательных ферментов цитохромоксидазы, каталазы и пероксидазы, а также входит в состав так называемых негеминовых железопротеинов, участвующих в процессе дыхания фотосинтеза и фиксации молекулярного азота.
Особенно много железа содержится в бобовых культурах. Азотфикс ирующие бактерии, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений, не могут существовать без железа. Оно входит в состав особого белка, аналогичного
гемоглобину крови и называемого легоглобином. В клубеньках бобовых с одержится около 4% легоглобина, в составе которого железо составляет 0.34%.
Нормальная жизнедеятельность растительного организма невозможна
без обеспеченности его и микроэлементами. При недостатке в почве того или
иного микроэлемента у растения возникают серьёзные нарушения обмена веществ, и оно может в конце концов погибнуть. Таковы медь, марганец, цинк,
бор, молибден, кобальт и др. основная роль микроэлементов заключается в повышении активности различных ферментов, катализирующих биохимические
процессы в растительном организме. Резкой грани между макро- и микроэлементами по их роли в жизнедеятельности растительного организма провести
нельзя, так как, например, макроэлементы магний и железо по своему действию
на ферментативные процессы проявляют большое сходство с микроэлементами.
126
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 20 - Зольность и состав золы семян различных культур ( средние данные)
Культура
Зольность, %
P2O5
K2O
MgO
В % от общей массы
CaO
Na2O
SiO2
Пшеница
Рожь
Ячмень
Овес
Просо
Кукуруза
1,71
1,76
2,65
2,67
2,95
1,43
47,2
43,0
31,1
25,5
22,0
39,4
30,7
32,6
16,4
19,2
11,2
28,3
Фасоль
Горох
Чечевица
Вика
Соя
4,31
3,00
2,88
5,70
34,6
35,9
39,3
33,0
30,9
41,0
43,1
37,7
40,2
45,1
Подсолнечник
2,88
38,2
23,1
Злаковые
12,8
4,3
1,7
13,5
6,4
1,3
10,0
4,7
4,1
7,1
3,7
1,5
9,5
0,9
1,3
23,5
4,0
0,8
Б о б о в ы е 8,8
6,1
1,5
8,0
4,8
1,0
5,5
6,3
1,0
9,2
6,6
1,2
7,7
6,6
1,5
М а с л и ч н ы е 15,1
12,3
7,4
Хлопчатник
Рапс
Клещевина
3,40
28,0
42,3
31,9
31,9
24,5
23,7
15,3
11,8
19,8
3,00
9,9
14,2
4,0
8,7
1,6
6,0
SO3
Fe2O3
Остальные
мин. вва
1,6
1,8
29,0
39,3
52,9
2,4
1,4
1,1
3,0
1,9
0,3
0,8
0,2
0,2
0,8
0,8
1,0
0,7
1,0
0,9
1,0
1,1
1,3
3,0
3,4
3,2
6,0
3,0
0,5
0,8
2,0
1,2
1,3
0,1
0,1
0,1
1,0
0,9
0,1
2,7
2,7
4,0
1,5
2,6
Сведений
нет
2,3
1,6
-
««
««
««
2,2
2,4
-
1,9
1,6
-
-
- данные Казакова Е.Д., Карпиленко Г.П (2005); - данные Плешкова Б.П. (1987); - данные Щербакова В.Г. (2003)
127
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8.2. Минеральные вещества семян растений
Семена злаковых, бобовых и масличных культур и продукты их переработки являются одними из важных источников поступления минеральных элементов с пищей в организм человека, прежде всего фосфора, калия, магния,
кальция, серы и железа. Среднее содержание и состав золы семян различных
культур приведены в таблице 20.
Большую часть золи семян составляет фосфорный ангидрид. Зерно злаковых культур имеет зольность в среднем от 1.71 до 2.95%. В зерне кукурузы
сравнительно мало золы - от 0.9 до 2.1%, в зерне яровых пшениц - от 1.3 до
3.0%, озимых пшениц - от 1.3 до 2.8%, ржи от 1.7 до 2.1%.
В связи с наличием пленок у овса, ячменя, риса и проса зерно этих культур характеризуется повышенной зольностью. В зерне ячменя в зависимости
от сорта и условий выращивания содержание золы колеблется от 1.8 до 4.5%,
овса - от 2.2 до 5.9%, проса - от 2.3 до 5.0%, риса - от 3.6 до 8.1%. Зерно пленчатых злаков отличается от других не только по количеству золы, но и по содержанию отдельных элементов. Зола этих культур отличается высоким содержанием кремнезема, доля которого достигает 30-50% и более от общего веса золы.
В этих злаках почти весь кремний находится в цветковых пленках.
Минеральные вещества распределены по зерну неравномерно (табл.21).
Таблица 21 - Зольность анатомических частей зерна пшеницы, ржи
и кукурузы, % (Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П., 2005)
Части зерна
Эндосперм
Зародыш
Оболочки
Чехлики
Зерно
Соотношение
частей
81,6
3,24
15,48
100
Зольность
к мас- к обсе со- щей
ответ- массе
ствузолы
ющей в
части зерне
зерна
0,45
16,56
6,32
9,36
10,51 74,08
2,18
100
Соотношение
частей
77,69
3,71
18,60
100
Зольность
к мас- к обсе со- щей
ответ- массе
ствузолы
ющей в
части зерне
зерна
0,42
19,66
5,30
11,84
6,11
68,50
1,66
100
Соотношение
частей
80,2
13,0
5,2
1,6
100
Зольность
к мас- к обсе со- щей
ответ- массе
ствузолы
ющей в
части зерне
зерна
0,30
15,22
9,24
76,03
1,78
5,87
2,84
2,88
1,58
100
В зерне кукурузы свыше 2/3 минеральных веществ сосредоточено в зародыше, а в зерне пшеницы и ржи свыше 2/3 золообразующих элементов приходится на долю оболочек и алейронового слоя. Такое соотношение зольности
зерна этих трех культур является результатом того, что зародыш кукурузы
примерно в 1.5 раза больше зародыша пшеницы и ржи, и его до,ля в общей
массе зерновки в 4 раза больше, чем у пшеницы и ржи.
Сосредоточение большей части минеральных элементов зерна пшеницы
и ржи в оболочках и алейроновом слое имеет большое практическое значение
для контроля мукомольного производства. Конечно, наиболее правильно было
128
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
бы контролировать качество муки по содержанию в ней клетчатки и гемицеллюлоз, т. е. не усвояемых человеком составных частей муки.
Однако соответствующие анализы довольно длительны. Вместе с тем,
чем больше в муке отрубянистых частиц, тем выше содержание в ней клетчатки
и гемицеллюлоз и тем больше будет её зольность. Определение её сравнительно просто и быстро. Поэтому определяют не содержание клетчатки и гемицеллюлоз в муке, а её зольность и по зольности судят о качестве муки, о содержании в ней отрубянистых частиц. Стандартами установлены нормы зольности
для каждого сорта муки (табл. 22).
Таблица 22 - Стандартные нормы зольности сортовой муки из зерна
пшеницы и ржи
Сорта муки
Выход муки,
Зольность,
% от массы зерна
% от сухого вещества
Мука пшеничная
крупчатка
10
0,60
высший сорт
15
0,55
первый сорт
72
0,75
второй сорт
85
1,25
обойная
96
На 0,07% ниже зольности зерна до очистки
Мука ржаная
сеяная
63
0,75
обдирная
87
1,45
обойная
95
На 0,07% ниже зольности зерна до очистки
Среднее содержание золы в семенах большинства бобовых культур изменяется от 2 до 5 %, а в семенах сои от 4 до 7 %. Так же как и у злаков, зола
зерна бобовых на 75 % состоит из фосфора и калия; на долю других элементов
приходится 25 % веса золы. По сравнению со злаками в золе семян бобовых
меньше магния и больше калия, кальция и особенно серы.
Благодаря повышенному содержанию калия, кальция и серы в семенах
бобовые культуры по сравнению с зерном злаков являются более ценными источниками этих элементов в питании человека и животных.
Таблица 23 - Зольность семян бобовых и их частей, %
Культура
Горох
Фасоль
Чечевица
Целое семя
Части семени
Оболочки
Ростки
2,47
4,26
4,26
4,48
3,04
2,31
3,00
4,31
2,88
129
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Минеральные вещества в семенах бобовых распределены более равномерно, чем в семенах злаковых культур (табл.23).
Семена масличных содержат в среднем 3-5 % минеральных веществ с
неравномерным распределением их по частям семени (табл. 24). В отличии от
злаков в семенах масличных в большинстве случаев в ядре содержится больше
минеральных веществ, чем в оболочках.
Таблица 24 - Зольность семян масличных и их частей, %
(данные разных авторов).
Культура
Семена
Оболочки
Ядро
Подсолнечник
2,88
1,94
3,36
Клещевина
3,00
3,64
2,95
Соя
5,70
4,00
Хлопчатник
3,40
2,50
6,50
При анализах золы оболочек подсолнечника было найдено, что содержание калия в золе составляет 50-60 %, фосфора - 7-8 %, кальция - 12 -15 %,
магния - 7-10 %. Эти данные показывают, что зола подсолнечника является
ценнейшим калийным удобрением.
8.3. Минеральные вещества картофеля, овощей и плодов
Плодоовощная продукция - хороший поставщик многих минеральных
веществ, необходимых человеческому организму. Правда, по величине зольности картофель, овощи и плоды уступают зерну и продуктам его переработки.
Но, во-первых, общее количество всех потребляемых плодов и овощей (вместе
с картофелем) значительно больше, чем любого другого продукта, а во вторых,
что особенно важно, в плодах и овощах минеральные вещества находятся в
легко усвояемой для организма форме. Кроме того, в них содержится р яд микроэлементов, редко встречающихся в других продуктах. Наконец, в отличии от
зерна и продуктов его переработки большая часть минеральных веществ плодов
и овощей представлена солями основного характера, что очень важно для по ддержания щелочности в крови.
Общее содержание минеральных веществ в плодах и овощах обычно не
превышает 1,5% к сырому весу. Наиболее богаты ими шпинат, овощной горох,
капуста белокочанная и цветная ( табл.25, 26).
130
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 25 - Зольность и минеральный состав некоторых овощных культур ( средние данные) Капуста Картобелокач.
фель
Зольность,% сырого веса
0,7
1,0
Макроэлементы, мг/100 г
калий
185
568
кальций
48
10
магний
16
23
натрий
13
28
сера
37
32
фосфор
31
58
хлор
37
58
Микроэлементы, мг/100 г
алюминий
570
860
бор
200
115
железо
600
900
йод
3
5
кобальт
3
5
марганец
170
170
медь
75
140
рубидий
500
фтор
10
30
хром
5
10
цинк
400
360
Скурихин И.М., Нечаев А.П. (1991)
Показатели
131
Лук
репчат.
0,5
Морковь
1,0
Огурцы
Редис
0,4
1,0
Свекла
стол.
1,0
175
31
14
18
65
58
25
200
51
38
21
6
55
63
141
23
14
8
42
25
225
39
13
10
44
44
400
200
800
3
5
230
85
476
31
2
850
323
200
700
5
2
200
80
55
3
400
425
600
3
1
180
100
17
6
215
100
1000
8
3
150
150
30
11
200
Томаты
Дыня
0,57
0,6
288
37
22
86
7
43
43
290
14
20
40
12
26
57
118
16
13
32
10
12
50
280
1400
7
2
660
140
453
20
20
425
115
900
2
6
140
110
153
20
5
200
1000
2
2
35
47
20
90
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 26 - Зольность и минеральный состав фруктов и ягод ( средние данные) Показатели
Зольность,% сырого веса
Макроэлементы, мг/100 г
калий
кальций
магний
натрий
сера
фосфор
хлор
Микроэлементы, мг/100 г
алюминий
бор
железо
йод
кобальт
марганец
медь
рубидий
фтор
хром
цинк
0,54
Виноград
0,46
Земляника
0,77
Крыжовник
0,5
278
16
9
26
5
11
2
163
40
12
11
10
22
5
225
30
17
26
7
22
1
161
40
18
18
12
23
16
110
245
2200
2
1
47
110
63
8
4
150
175
600
40
240
10
125
380
365
600
8
2
90
80
100
12
3
91
185
1200
1
4
200
120
18
2
97
Вишня
Груша
Слива
Яблоки
Лимон
0,51
0,3
0,51
1,29
256
37
26
20
6
30
8
155
19
12
14
6
16
1
214
20
9
18
6
20
1
125
500
2
1
80
100
77
13
7
150
130
2300
1
10
65
120
44
10
190
500
4
1
110
87
2
4
100
- Скурихин И.М., Нечаев А.П. (1991).
132
0,58
Смородина чер
0,64
260
22
9
23
18
28
1
224
40
22
10
16
37
21
350
36
31
32
2
33
14
800
1
450
130
12
1
90
200
1200
2
210
170
3
200
55
1300
1
4
180
130
17
130
Малина
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Около половины всей золы, содержащейся в плодах и овощах, приходится на калий. В картофеле, например, при общем количестве золы около 1% на
долю калия приходится 0,57%, фосфора - 0,05%, кальция - 0,01%. Как правило,
содержание золы в покровных тканях выше, чем в паренхимных.
Минеральный состав плодов, и особенно овощей в значительной мере
зависит от содержания минеральных элементов в почве. По данным С.М. Прокошева, в клубнях картофеля он может колебаться от 0,5 до 1,8%.
По сравнению с другими веществами количество золы в картофеле,
овощах и плодах при созревании, хранении и переработке мало изменяется, за
исключением тех случаев, когда они уходят с отходами. Так, при зачистке овощей и картофеля теряется от 10 до 30% минеральных веществ.
Контрольные вопросы: 1. Что называется зольностью. 2. Какие элементы преобладают в составе золы растений. 3. Какова роль минеральных элементов в жизни растений. 4. Как распределены минеральные элементы в семенах
растений. 5. Почему качество муки контролируют по содержанию золы. 6. В
чем особенности минерального состава плодоовощной продукции.
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ВВЕДЕНИЕ
132
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Наряду с усвоением теоретических положений, курс «Биохимии растениеводческой продукции» призван привить студентам навыки проведения биохимических анализов растительного сырья и продукции. В связи с этим курс
состоит из двух частей: лекционной и лабораторного практикума.
Цель лабораторного практикума– ознакомление студентов с основными
группами соединений, входящими в состав растениеводческой продукции и
овладение современными методами, применяемыми в биохимических исследованиях сырья и продукции.
На лабораторных занятиях по «Биохимии растениеводческой продукции» студенты определяют активность важнейших ферментов, от которых зависит качество растениеводческой продукции, количество биологически активных веществ и запасных соединений растительного сырья и продуктов, формирующих их потребительские свойства и пищевую ценность, изучают основные
биохимические процессы, протекающие в продукции при хранении и переработке.
В практикуме приведен перечень необходимых реактивов, показаны
схемы записи и расчета результатов анализов.
Для более глубокого и полного изучения каждой темы указаны контрольные вопросы, которые студент должен проработать для защиты лабор аторных работ.
Основные требования техники безопасности при выполнении
133
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
лабораторных работ по биохимии
К выполнению лабораторных работ по биохимии студенты допускаются
только после прохождения инструктажа по технике безопасности и противопожарным правилам и соответствующего оформления допуска к работе в специальном журнале.
Студенты несут личную ответственность за несоблюдение правил и требований по технике безопасности и правил противопожарной безопасности.
Особое внимание при выполнении лабораторных работ по биохимии студенты должны обращать на выполнение следующих требований и рекомендаций:
1. Никаких веществ в лаборатории не пробовать на вкус. Нюхать какие
бы то ни было вещества в лаборатории осторожно, не вдыхая полной грудью,
направляя движением руки к себе пары или газ. Категорически запрещается
пользоваться лабораторной посудой для еды или питья.
2. не проводить никаких опытов в грязной посуде. Посуду мыть тотчас же
после опыта.
3. Не оставлять никаких веществ в посуде без этикеток и надписей. Не
брать вещества из посуды без этикеток и надписей. Беря вещество, внимательно читать этикетку и при малейшем сомнении наводить справку у преподавателя.
4. Нельзя набирать концентрированные кислоты, щелочи и другие вредные реактивы в пипетку ртом. Отмерять концентрированные растворы щелочи
или кислоты только цилиндрами.
5. При разбавлении серной кислоты вливать осторожно кислоту в воду, а
не наоборот, во избежание разбрызгивания или даже взрыва.
6. Нельзя выливать в раковину крепкие растворы кислот, щелочей; использовать для этой цели специальные стаканы для слива.
7. Пробирку с жидкостью для нагревания нужно держать наклонно в сторону от себя и соседа.
8. При работе с эфиром, ацетоном и другими легко воспламеняющимися
веществами соблюдать крайнюю осторожность.
9. Все опыты с воспламеняющимися органическими веществами производить под тягой. Категорически воспрещается в это время пользоваться огнем
в лаборатории.
10. Категорически воспрещается отгонять эфир и другие воспламеняющиеся вещества на открытом огне. Пользоваться для этой цели либо колбонагревателями с закрытой спиралью, либо водяными банями.
11. При работе на центрифуге не открывать крышку до полной остановки
ротора.
12. К выполнению лабораторных работ студенты допускаются только при
наличии защитной одежды – халата.
Первая помощь при несчастных случаях
134
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Первую помощь пострадавшему при несчастном случае до прибытия врача должны оказать коллеги по работе. Здоровье и жизнь пострадавшего очень
часто зависит от того, насколько быстро и правильно была оказана ему первая
помощь. Поэтому каждый работающий в лаборатории обязан знать практические приемы первой помощи.
Наиболее частыми при выполнении лабораторных работ по биохимии являются термические и химические ожоги рук и порезы.
1.
При попадании на кожу крепкой щелочи пораженное место нужно обмыть большим количеством воды, а затем ополоснуть слабым раствором уксусной кислоты.
2.
При попадании крепкой кислоты на кожу её нужно смыть водой,
а затем слабым раствором соды или аммиака.
3.
При ранениях стеклом нужно удалить его осколки тз ранки и,
убедившись, что там их больше нет, смазать рану йодом и перевязать пораженное место.
4.
При термических ожогах первой степени обожженное место
можно присыпать питьевой содой, рисовым или картофельным
крахмалом или тальком либо сделать примочки из свежеприготовленных растворов 2%-го питьевой соды или 5%-го перманганата калия. Лучшее средство для примочки – 96%-й этиловый
спирт, который оказывает одновременно и обеззараживающее и
обезболивающее действие.
5.
В случае пореза рану следует обработать раствором йода или перекиси водорода.
1. ОРГАНИЧЕСКИЕ АЗОТИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА РАСТЕНИЙ
1.1. Аминокислоты
1.1.1. Определение свободных аминокислот а растительном сырье
методом формального титрования
135
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Цель работы: Ознакомление с химическими методами определения аминокислот в растительном сырье. Изучение влияния сроков хранения растениеводческой продукции на содержание в ней свободных аминокислот
Основные теоретические положения
Общее содержание свободных аминокислот и их амидов значительно ниже, чем белков, и редко превышает 1% сухой массы, но они оказывают определенное влияние на пищевую ценность, а также на качество продукции при хранении и переработке. Кроме того, при хранении и переработке с/х сырья их содержание может увеличиваться в результате гидролиза белков. Накопление
аминокислот может явиться причиной образования ряда соединений, влияющих на вкус и аромат пищевых продуктов. Производными аминокислот являются такие соединения, как меланоидины, меланины, сивушные масла и др.,
которые в значительной мере определяют качество получаемых пищевых продуктов (табл.1.1.1).
Таблица 1.1.1 – Производные аминокислот
НаименоМеланоидины
Меланины
Сивушные
вание со(реакция Майара)
масла
единений
Характе- Темноокрашенные со- Темноокрашенные Маслянистая
ристика
единения со специфи- горькие соедине- ядовитая
жидсоединеческим вкусом и аро- ния
кость с резким
ний
матом
запахом
ХимичеРазнообразные высо- Конденсированные Изоамиловый,
ская при- комолекулярные про- полимерные про- изобутиловый и
рода со- дукты полимеризации дукты на основе н-пропиловый
единений
углеводов и аминокис- индольных соеди- спирты
лот
нений
Из каких Редуцирующие сахара Тирозин, фенил- Треонин, валин,
веществ
(глюкоза,
фруктоза, аланин
лейцин и изолейобразуют- мальтоза) + растворицин
ся соеди- мые
аминокислоты
нения
(глицин, аланин, аспарагин и др.)
Условия
Температура
120-150 Наличие фермента Гетероферменто0
протекаС, присутствие воды
тирозоназы
тивное спиртовое
ния реакброжение
ции
Продолжение таблицы 1.1.1
Пищевые Хлебопечение, сушка
технолоили обжарка овощей
гии, в которых образуются
Хранение клубней Бродильные прокартофеля; сушка изводства
плодов, овощей,
грибов, макаронных изделий
136
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
соединения
Следствия*
Потемнение корки и
появление специфического аромата хлеба
(+), ухудшение цвета,
вкуса и аромата чипсов
(-)
Почернение серд- Отравляющее
цевины
клубней действие спиртакартофеля
при сырца (-)
хранении (-), потемнение
разрезанных
плодов,
овощей, макарон
при сушке (-)
* ”+” - положительное следствие; “-“ - нежелательное следствие
Аминокислоты при определенных условиях могут оказывать влияние на
ход технологического процесса. Например, в сахарном производстве они являются мелассообразователями и увеличивают потери сахара.
По этой причине определение свободных аминокислот в пищевом сырье
представляет большой практический интерес.
Методика проведения анализов
Принцип метода
Сущность реакции формольного титрования заключается в том, что
аминные группы аминокислот взаимодействуют с формальдегидом (также. как
и с другими альдегидами) и образуют метиленовые производные. При этом
аминогруппы теряют свои основные свойства, свободная же карбоксильная
группа оттитровывается едкой щелочью. Реакция с формальдегидом идет по
следующей схеме:
RH
R
|
О
|
Н—С—NН2 +
Н—С
Н —С —N=СН2
|
Н
|
СООН
СООН
Метиленаминокислота
Полученную метиленаминокислоту оттитровывают щелочью:
R
R
|
|
Н—С—N=СН2 + NаОН
Н —С —N=СН2 + Н2О
|
|
СООН
СООNа
При этом условно считают, что количество титруемых карбоксильных
трупп эквивалентно количеству связанных формальдегидом аминных групп
(верно в основном для моноаминомонокарбоновых кислот). Чтобы ввести по правку для дикарбоновых аминокислот (глютаминовой, аспарагиновой), раствор предварительно нейтрализуют до рН 7,0.
Подготовка проб для анализа
137
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.Приготовление водной вытяжки: 5-10 г размолотого высушенного растительного материала помещают в колбу на 100-200 мл, приливают 50-100 мл
дистиллированной воды, плотно закрывают пробкой и взбалтывают в шуттельаппарате. Осадок отфильтровывают через складчатый бумажный фильтр или
центрифугируют.
2. Клубни, корнеплоды и другие виды растительного сырья, содержащего
много воды, предварительно тщательно измельчают и извлекают сок отжатием
и фильтрацией.
В водных вытяжках не должно содержаться взвешенных веществ. Это же
требование предъявляют и к жидким продуктам. Если цвет растворов очень
темный, то их разбавляют водой.
Реактивы
1. Титрованный 0,05 н.раствор NаОН: 2 г NаОН растворить в дистиллированной воде в мерной колбе на 1 дм3. Титр раствора проверить титрованием стандартным раствором янтарной кислоты.
2. 0,05 н. раствор НС1 (для приготовления 1 дм3 раствора нужно 4,1 см3
концентрированной НС1 удельным весом 1,19).
3. 0,5%-ный раствор фенолфталеина.
4. 0,04%-ный раствор бромтимола синего: 0,1г бромтимола синего растирают в ступке с 3,2 см3 0,05 н NаОН. Смесь переносят количественно дистиллированной водой в мерную колбу ёмкостью 250 см3 и доводят водой
до метки.
5. Формольная смесь: смешивают 50 см3 40 %-ного формалина с 2 см3
0,5%-ного фенолфталеина, полученную смесь титруют 0,2 н NаОН до
слабо-розового окрашивания (обычно достаточно 3-5 капель). Формалин
с повышенной кислотностью использовать для анализа не рекомендуется.
Его следует предварительно обработать мелом в течение суток. Формольную смесь готовят каждые 2-3 дня , после приготовления её фильтруют. В случае исчезновения розовой окраски перед использованием
смеси добавляют 1-2 капли 0,2 н. NаОН до появления слабо-розовой
окраски.
6. Буферный раствор с рН 9,2: 50 см3 смеси 0,2 М Н3ВОз·КС1. (т.е. 12,4048 г
Н3ВОз и 14,912 г КС1 в одном литре воды) и 26,70 см3 0,2 М Nа0Н доводят водой до объёма 200 см3.
7. Буферный раствор с рН 7: 50 см3 0,2 М КН2РО4 и 29,63 см3 0,2 М Nа0Н
доводят водой до объёма 200 см3.
Приборы и оборудование: 1)химические стаканы на 100 см3; 2)цилиндры
мерные на 25 см3, на 10 см3; 3)микробюретка
Ход анализа
Берут 2 стаканчика каждый ёмкостью 100 см3 (№ 1 и №2) одинакового
диаметра. В первый стаканчик наливают 20 см3 буферного раствора с рН 9,2, во
138
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
второй - 20 см3 раствора с рН 7,0. В оба стаканчика прибавляют но 5 капель
бромтимола синего. В первый стаканчик добавляют 3 капли 0,5% -ного фенолфталеина. При этом в первом стаканчике жидкость окрасится в синефиолетовый цвет, во втором - в слабо-зеленый. Если эталоны герметически закрыть, то они могут храниться, не изменяя цвета, до 15 дней.
Формольное титрование проводят следующим образом: 2 см3 исследуемой вытяжки аминокислот смешивают с 18 см3 воды и 5 каплями бромтимола
синего. Смесь нейтрализуют: если она синяя, осторожно по каплям добавляют
О 05 н НС1, если желтая - 0,05 н Nа0Н до образования желто-зеленой окраски (
рН 7.0). Титруемый раствор сравнивают с эталоном (стаканчик №2). Окраски
растворов сравнивают при титровании их на белом листе бумаги. Цвет, толщина стекла и диаметр сравниваемых стаканчиков должны быть одинаковыми.
После доведения опытного раствора до рН 7,0 добавляют из мерного цилиндра ( но не пипеткой) 2 см3 формольной смеси и титруют (из микробюретки
от нуля ) 0,05 н NаОН, сравнивая с эталоном ( стаканчик №1 с рН 9,2), до хорошо выраженной сине-фиолетовой окраски. Желаемый цвет раствора обычно
появляется от прибавления одной избыточной капли щелочи. Для введения поправки в таких же условиях титруют дистиллированную воду (контрольный
опыт).
Если раствор аминокислот прозрачный и бесцветный, то для повышения
точности определения берут не 2 см3 вытяжки, как указано выше, а значительно
больше.
При выработке навыка можно пренебречь сравнением титруемых растворов с эталонами (стаканчики № 1 и 2), так как желаемое изменение цвета титруемого раствора наступает от одной капли раствора щелочи.
Обработка и обсуждение результатов
Разность между количеством 0,05 н. NаОН, пошедшего на титрование
опытного и контрольного раствора, умноженная на 0,7, соответствует количеству миллиграммов азота аминокислот в 2 см3 исследуемой жидкости. При
определении содержания азота аминокислот в 100 см3 вытяжки или гидролизата
полученный результат умножают на 50. При необходимости определения азота
в мг% полученный результат пересчитывают на 100 г исследуемого продукта.
Для исследования берутся несколько видов растительного сырья, различающихся сроками и способами хранения. Каждая бригада анализирует один
образец и результаты исследований вносит в сводную таблицу (табл. 1.1.1). После обсуждения результатов делаются выводы о влиянии вида сырья и способов
хранения растениеводческой продукции на содержание свободных аминокислот в ней.
Таблица 1.1.1 - Содержание свободных аминокислот в растениеводческой
продукции
№ п/п
Образец
Срок и способ
Количество аминокислот
139
Примечание
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
хранения
Мг а 100 г вытяжки
Мг%
1.
2 и т.д.
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные вопросы
Роль аминокислот в растениях.
Строение и классификация аминокислот.
Незаменимые аминокислоты.
Изменение содержания аминокислот при хранении и переработке растениеводческой продукции.
Влияние свободных аминокислот на качество растениеводческой продукции при хранении и переработке.
1.2.
Белки
1.2.1. Выделение отдельных белковых фракций из семян бобовых
и масличных культур
Цель работы: Освоение методов фракционирования белков из растений.
Определение фракционного состава белков семян бобовых и масличных культур
Основные теоретические положения
Белки - это сложные высокомолекулярные соединения, находящиеся в
организме в коллоидном состоянии. По химическому строению белки - самые
сложные из соединений, имеющихся в природе. Молекула белка состоит из
остатков аминокислот, связанных пептидными связями в полипептидные звенья, которые могут быть соединены между собой дисульфидными, эфирными,
водородными и другими связями.
Каждому белку при нормальных физиологических условиях свойственна
определенная пространственная конформация, образованная в результате вторичной, третичной и иногда четвертичной структуры и называемая нативной.
Изменение её ведет к изменению свойств самого белка и к нарушению выполняемых им функций. Так, нарушение нативной конформации белка, лежащего в
основе фермента, может привести к потере ферментативной активности соединения.
По степени сложности белки подразделяют на две большие группы: протеины - простые белки, построенные только из остатков аминокислот, и протеиды - сложные белки, содержащие в своем составе кроме собственно молекулы белка связанную с ним группу небелковой природы, называемую простетической.
Классификация и характеристика протеинов растений представлена в
таблице 1.2.1.
Таблица 1.2.1 - Классификация и характеристика протеинов
140
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Название
группы
Растворитель
Альбумины
Вода
Глобулины
2-10 % рр NaCl
(KCl )
Проламины
60-80 %ный этанол
Глютелины
0.2 - 2.0
%
р-р
NaOH
Гистоны Вода
Некоторые
свойства
Распространение в Биолорастениях
гические
функции
М.М.-15-70 тыс; Во всех клетках, КатаИЭТ – 4,7 (кис- особенно много в литичелые);
эмбриональных
ские
Гетерогенный
тканях
аминокислотный
состав
М.В.-30-100 тыс.; Основная фракция ЗапасИЭТ -6,0-7,3 (сла- белков семян бо- ные,
бокислые). Гете- бовых и маслич- реже
рогенный амино- ных культур (85 - каталикислотный состав 97 % от общего тичеколичества
бел- ские
ков)
М.М. – более Характерная
Запас100тыс;
узкий фракция
белков ные
аминокислотный
зерна злаков (30состав (преобла- 60 % общего кодают пролин и личества белков)
глутаминовая
кислота, мало лизина)
М.М. – более Распространенные Запас100тыс; достаточ- белки,
больше ные
но узкий амино- всего в зерне злакислотный состав ков
М.М.11-24
тыс,
ИЭТ – 8,5-11,0.
Осаждаются
из
раствора аммиаком. Гетерогенны
по аминокислотному составу
Содержатся в ядре
соматических клеток, рибосомах и
митохондриях.
Связаны
с
передачей
генной
информации
Отдельные
представители в
растениях
Лейкозин пшеницы; легумелин
сои
Фазеолин фасоли,
глицинин
сои, легумин гороха
глиадин пшеницы и ржи (составная
часть
клейковины);
гордеин ячменя;
зеин кукурузы;
авенин - овса
глютенин ржи и
пшеницы
(составная
часть
клейковины);
оризенин риса
-
Семена бобовых отличаются самым высоким среди растениеводческой
продукции содержанием белка – 20-40 %. Наиболее высокобелковой культурой
семейства бобовых является соя, в семенах которой содержится до 40 % белка.
Содержание белковых веществ в семенах масличных культур также достаточно
высоко – от 16 до 28 %. Белки семян бобовых и масличных культур состоят в
основном из глобулинов, на долю которых приходится 85 -97%. Остальную
часть белков составляют альбумины ( 6-12%). Глютелинов содержится незначительное количество, а фракция проламинов практически отсутствует.
Методика проведения анализов
Принцип метода
141
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для суммарного выделения белков из семян бобовых и масличных культур их как можно тоньше размалывают, так как от этого в значительной степени зависит полнота извлечения белков. Если семена содержат повышенное количество жира или много пигментов, то для удаления этих веществ муку предварительно экстрагируют бензином или ацетоном и высушивают в вакуум- эксикаторе или под тягой при комнатной температуре.
Экстракцию белков из муки проводят слабым раствором NaCl ( 1М).
Полученный экстракт содержит альбумины и глобулины. Глобулины осаждаются из экстракта насыщенным раствором NaCl и отфильтровываются или
центрифугируются. При добавлении к фильтрату нескольких капель 1%-ного
раствора трихлоруксусной кислоты выпадают в осадок альбумины.
Реактивы
1. 1М раствор NaCl ( 58,5 г NaCl растворяют в дистиллированной воде и
доводят до 1 л);
2. Тонко измельченный в ступке NaCl;
3. 1%-ный раствор трихлоруксусной кислоты.
Ход работы
1. Выделение суммарных белков из семян.
5 г подготовленной тонко размолотой муки насыпают в коническую
колбу, заливают 25 см3 1М раствора NaCl, взбалтывают в течение 1ч и ставят в
холодильник при температуре 00С на 15-18 часов.
После выдерживания в холодильнике надосадочную жидкость аккуратно сливают в большой стакан. К осадку добавляют 25 см3 1М NaCl и взбалтывают в течение 30 мин. после этого содержимое колбы центрифугируют и раствор белков сливают в тот же стакан. Такую экстракцию с последующим центрифугированием повторяют ещё 2 раза. При правильно проведенном анализе в
раствор переходит 95-97 % всех белков семян бобовых и масличных культур.
2. Фракционирование белков хлористым натрием.
В полученный раствор белков добавляют порошок NaCl до полного
насыщения раствора, т.е. до прекращения его растворения ( на 200 см3 экстракта белков при 200С требуется около 60 г NaCl). В стакане появляется осадок
глобулинов, который отфильтровывают через предварительно взвешенный бумажный фильтр. В оставшийся фильтрат, содержащий альбумины, добавляют
несколько капель 1%-ного раствора трихлоруксусной кислоты. При этом выпадает осадок альбуминов, который также отфильтровывают через взвешенный
бумажный фильтр.
Фильтры высушивают, взвешивают и определяют вес выделенных белков. Результат выражают в процентах к массе взятой навески муки и вычисляют фракционный состав белков.
Обсуждение результатов
142
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На основании проведенных исследований, выполненных каждой бригадой, составляется сводная таблица (табл.1.2), в которую вносятся результаты
анализов для разных видов семян. После обсуждения результатов делаются выводы о фракционном составе белков семян бобовых и масличных культур.
Таблица 1.2.2 -Фракционный состав белков семян бобовых и масличных культур
Альбумины
Глобулины
№ п/п Семена г % % от суммы белков г
%
% от суммы белков
1и
т.д.
Контрольные вопросы
1. Функции белков в растениях.
2. Строение белковой молекулы.
3. Свойства белков.
4. Классификация протеинов.
5. Биологическая ценность белков семян бобовых и масличных культур.
1.2.2. Выделение белков из зерна злаков и изучение их свойств
Цель работы: Изучение фракционного состава белков злаков. Фракционирование белков из зерна злаков и изучение их свойств
Основные теоретические положения
Количество белка в зерне злаковых культур составляет от 7 до 16 %.
Больше всего белков в зерне пшеницы – в среднем около 13,5 %; наиболее низким их количеством отличаются семена риса –около 7 %. Содержание белков в
зерне злаков подвержено сильной изменчивости в зависимости от сортовых
особенностей, климатических факторов, условий выращивания и пр. Так, в
зерне пшеницы количество белков может колебаться в широких пределах – от
9 до 26 % (табл. 1.2.3).
Таблица 1.2.3 - Содержание белка в зерне злаковых культур (%)*.
Культура
Колебания
Среднее содержание
Пшеница
9,2 - 25,8
13,5
Рожь
7,2 -19,4
11,8
Тритикале
13,6 -16,3
14,8
Ячмень
7,0 -25,0
12,0
Овес
9,0 -19,5
12,0
Кукуруза
4,9 -23,6
11,7
Просо
8,8 -19,3
13,7
143
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис
5,4 -10,4
7,2
* - по данным Плешкова Б.П. (1984).
В зерне злаков представлены все фракции белков, но в разном количестве
- альбумины, глобулины, проламины и глютелины. Распределение белков различных злаковых культур по фракциям приведено в таблице 1.2.4.
Таблица 1.2.4 - Распределение белков зерна злаков по фракциям, %.
Культура
Альбумины
Глобулины
Проламины Глютелины
Пшеница
6,6
22,0
33,0
38,4
Рожь
27,2
29,9
30,4
18,5
Ячмень
14,6
14,6
40,5
30,3
Овес
11,1
21,0
11,2
56,7
Кукуруза
20,5
14,8
38,6
26,1
Просо
13,6
9,0
62,5
14,9
Рис
13,8
10,0
7,4
68,8
* - по данным Казакова Е.Д., Кретовича В.Л. (1980)
Основная масса белков злаков – запасные белки, представляющие собой
смесь проламинов и глютелинов, содержащихся в эндосперме. Они характеризуются узким аминокислотным составом, несбалансированным по незаменимым аминокислотам (особенно по лизину) и потому имеют пониженную биологическую ценность. Глобулины и альбумины находятся в основном в алейроновом слое и зародыше зерновки. Эти белки более полноценны по аминокислотному составу, однако при производстве муки большая часть из них удаляется вместе с отрубями.
При переработке зерна пшеницы особо важную роль играет комплекс
двух белков, содержащихся в эндосперме, – глиадина (проламина) и глютенина
(глютелина), известный под названием «клейковина». Отмытая из кусочка теста
под струей воды сырая клейковина представляет собой сильно набухший белковый гель, содержащий 200-250 % воды к массе сухого вещества. В зависимости от условий пшеница накапливает от 16 до 52 % клейковины (в среднем –
20-28 %). Количество и качество сырой клейковины в зерне пшеницы является
одним из основных показателей, характеризующих её технологическое достоинство (нормируется стандартами).
Методика проведения анализов
Принцип метода
Выделение и разделение белков из зерна злаков основано на их избирательной растворимости в различных растворителях.
В размолотом шроте последовательно проводят экстракцию различных
фракций белков с помощью соответствующих растворителей: дистиллированной воды, слабого раствора нейтральной соли (NaCl), 70 %-ного этилового
спирта, 0,1 н раствора щелочи. С выделенными экстрактами белков проводят
144
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
качественные реакции: биуретовую реакцию, высаливание насыщенным раствором NaCl, осаждение трихлоруксусной кислотой и др.
Биуретовая реакция является специфической качественной реакцией на
белок, т.к. её дают полипептидные связи. Она получила свое название от производной мочевины – биурета, который образует в щелочном растворе медного
купороса комплексное соединение фиолетового цвета. Биуретовую реакцию
дают все белки, пептоны и полипептиды, начиная с тетрапептидов, независимо
от характера аминокислот и природы их связи между собой в молекуле белка.
Интенсивность окрашивания пропорциональна содержанию пептидных связей,
а следовательно, и концентрации белка в растворе.
Высаливание – это процесс выделения белка из раствора под влиянием
солей щелочных или щелочноземельных металлов. Поскольку молекулы солей
более гидрофильны, чем белковые глобулы, они снимают с белка водную оболочку, в результате чего молекулы белка агрегатируются и выпадают в осадок.
При этом денатурации белка не происходит.
Осаждение белка из раствора с помощью трихлоруксусной кислоты основано на денатурации белковых глобул. Денатурация белка – это внутримолекулярная перегруппировка его молекулы, сопровождающаяся частичной или
полной потерей вторичной и третичной структуры белка. При этом не происходит расщепление пептидных связей и изменения последовательности аминокислот в молекуле белка.
Реактивы
1. 10%-й раствор NaCl;
2. Насыщенный раствор хлорида натрия (растворить NаСl в горячей дистиллированной воде до полного насыщения раствора. После охлаждения
и выпадения избытка соли раствор процедить);
3. 70%-й раствор этилового спирта;
4. 0,1 н. раствор гидроксида натрия;
5. 1 %-й раствор сульфата меди;
6. 10 %-й раствор гидроксида натрия;
7. 6%-й раствор трихлоруксусной кислоты;
8. Дистиллированная вода.
Приборы и оборудование: 1)колбы конические на 100 см3; 2)цилиндры
мерные на 50 см3, 25 см3и 10 см3; 3)стаканы химические на 100 см3 ; 4)воронки;
5)пробирки; 6)весы лабораторные.
Ход определения
Для суммарного выделения белков из семян злаковых культур их как
можно тоньше размалывают, так как от этого в значительной степени зависит
полнота извлечения белков. Из размолотого шрота отвешивают навеску массой
3 г в химический стакан.
Для выделения альбуминовой фракции навеску залить 30 см3 дистиллированной воды, стакан поместить на водяную баню температурой 35 0С и экс145
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
трагировать белки, периодически взбалтывая, в течение 30 мин. По окончанию
экстрагирования надосадочную жидкость осторожно отфильтровать в коническую колбу, а оставшуюся кашицу сохранить для последующей солевой экстракции. С экстрактом альбуминов провести следующие качественные реакции.
В три пробирки налить по 2 см3 полученного экстракта. В первой пробирке провести биуретовую реакцию. Для этого в пробирку с экстрактом белка добавить 3 см310 %-ного раствора гидроксида натрия. Затем по каплям прилить 1
%-ный раствор сульфата меди, встряхивая смесь после каждой капли. Раствор
окрашивается сначала в розовый, затем в фиолетовый цвет. Следует избегать
избытка сульфата меди, т. к. в этом случае фиолетовая окраска маскируется синей.
Во вторую пробирку добавить равный объем насыщенного раствора хлорида натрия, при этом раствор мутнеет, т.к. альбумины в присутствии солей теряют растворимость. В третью пробирку прибавить несколько капель раствора
трихлоруксусной кислоты. Пробирку встряхнуть и наблюдать осаждение белка.
Для выделения глобулиновой фракции в стакан с осадком растительной
ткани после экстракции водой налить 30 см 3 10%-ного раствора хлорида натрия
и экстрагировать при встряхивании в течение 30 мин, поместив стакан на водяную баню при температуре 350С. Солевой экстракт осторожно отфильтровать в
коническую колбу. Провести с ними следующие реакции.
В три пробирки налить по 2 см 3 полученного солевого экстракта. В первой пробирке установить наличие белка с помощью биуретовой реакции. Во
вторую пробирку добавить 2 см 3 насыщенного раствора хлорида натрия и
наблюдать выпадение осадка белков. К экстракту в третьей пробирке добавить
дистиллированную воду до появления осадка нерастворимых в воде глобулинов.
Для выделения проламинов остаток растительного материала залить 30
3
см 70%-ного этилового спирта. Провести экстракцию белков в течение 30 мин
при 350С при периодическом помешивании. Надосадочную жидкость отфильтровать в коническую колбу, из которой в две пробирки налить по 2 см 3 полученного экстракта.
В первой пробирке обнаруживают белок по биуретовой реакции. Во вторую пробирку прибавляют 2 см3 воды. При этом концентрация спирта резко падает и проламины теряют растворимость. Раствор мутнеет.
Для выделения глютелинов остаток растительного материала от предыдущего опыта залить 30 см3 0,1 н. раствора гидроксида натрия. экстракцию ведут аналогично предыдущим опытам. Через 30 мин надосадочную жидкос ть
отфильтровать. Проверить наличие белка в фильтрате по битуретовой реакции.
Обсуждение результатов
Каждая бригада анализирует образец из одного вида злаков. Результаты
анализов занести в таблицу 1.2.5. После обсуждения результатов сделать вывод
о преобладающих фракциях белков в зерне злаковых культур.
Таблица 1.2.5 - Фракционирование белков злаков
146
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фракционирование
Водная
экстракция
Солевая
Экстракция
Спиртовая
экстракция
Щелочная
экстракция
Выделенные фракции белков
Проведенные реакции и их результаты
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные вопросы
Содержание и фракционный состав белков злаковых культур.
Биологическая ценность белков злаков – суммарных и по отдельным
фракциям.
Какие качественные реакции на белки вы знаете.
Что такое высаливание, осаждение белков.
Что такое денатурация белка и какие факторы её вызывают.
2. УГЛЕВОДЫ
2.1.
Моносахариды
2.1.1. Определение глюкозы в картофеле йодометрическим методом
Цель работы: Освоение йодометрического метода определения альдоз в
растительном сырье (по Вильштеттеру и Шудлю). Изучение влияния сорта и
условий хранения картофеля на количество глюкозы в клубнях
Основные теоретические положения
Содержание свободных сахаров в свежеубранных клубнях картофеля
невелико и не превышает 0,5 % на сырой вес. Основные сахара в клубнях – сахароза, глюкоза и фруктоза. В период хранения клубней при низких положительных температурах (2-40С и ниже), в них может происходить значительное
накопление сахаров, в основном в виде фосфорных эфиров глюкозы (глюкозо6-фосфат), и клубни приобретают не свойственный им сладкий вкус. Это ос обенно важно при использовании картофеля для переработки на сухие и обжа147
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ренные картофелепродукты. Качество сушеного картофеля и картофельной
крупки, а ещё в большей мере хрустящего картофеля (чипсов), как правило, тем
выше, чем ниже содержание сахаров в исходном сырье. Причиной ухудшения
качества сушеного и особенно хрустящего картофеля является происходящий
при изготовлении этих продуктов процесс взаимодействия между редуцирующими сахарами и аминокислотами с образованием меланоидинов. С появлением меланоидинов в продукте из картофеля происходит не только его потемнение, но и ухудшение всех его свойств (вкуса, развариваемости, набухаемости,
хруста, витаминной активности).
Заметное ухудшение качества продуктов переработки картофеля наступает уже при содержании в нем 5-6% сахаров на сухое вещество, в то время как
сладкий вкус в картофеле начинает ощущаться, как только уровень сахаров
превысит 7-8% сухого вещества. Разные сорта картофеля отличаются по содержанию сахаров и интенсивности их накопления во время хранения. В одних
сортах уровень сахаров возрастает медленнее, в других быстрее. Сортовые различия особенно проявляются при хранении картофеля в условиях низких температур, способствующих быстрому накоплению в клубнях сахаров.
Накопление в картофеле сахаров при низких температурах, равно как и
их исчезновение при смене холодного хранения на теплое, обусловлено различной скоростью отдельных превращений крахмала и сахаров. При хранении
картофеля в нем одновременно происходят следующие реакции: крахмалсахар; сахаркрахмал; потребление сахара на дыхание. При снижении
температуры заметно уменьшается скорость всех трех реакций. Однако больше
всего ослабляется ресинтез крахмала, и в этом основная причина накопления
сахаров в клубнях при низкой температуре. С повышением температуры скорость этой реакции возрастает снова сильнее других, и поэтому именно она в
первую очередь ответственна за исчезновение сахаров в картофеле при выдерживании клубней в тепле после холодного хранения.
Для того, чтобы освободиться от сахаров, образующихся в клубнях при
распаде крахмала в условиях низких температур, необходимо выдержать клубни при повышенных температурах. Однако, на скорость превращения сахаров в
крахмал большое влияние оказывает не только температура, при которой картофель ранее хранился, но и как долго он находился при низкой температуре:
чем дольше картофель хранится при низкой температуре, тем больше времени
требуется для ресинтеза крахмала. Так, для снижения содержания сахаров в
картофеле, находившемся 7-8 месяцев при температуре около 00С, его надо выдержать при 200С в течении недели и более, но при этих условиях картофель
может испортиться еще до снижения сахаристости.
Методика проведения анализов
Принцип метода
В основу метода положен процесс окисления альдегидной группы глюкозы йодом до глюконовой кислоты. Реакция протекает по следующему уравнению:
148
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СН2OH(СНОН)4С
О
+ J2 + 2NaOH
Н
+ 2NaJ
+ H2O
СН2OH(СНОН)4СOONa
В этих условиях кетозы не окисляются .
Реактивы
1. 0,1 н раствор йода : 12,7 г йода и 30 г КJ растворяют в малом объёме дистиллированной воды и разбавляют до 1 дм3 ;
2. 0,1 н раствор гипосульфита: 25 г Na2S2O3 5H2O растворяют в 1 дм3
свежепрокипяченной и охлажденной дистиллированной воды, добавляют 0,1 г Na2СO3, выдерживают 1-2 дня; хранят в темном сосуде.
Концентрация не меняется 2-3 месяца;
3. 0,1 н раствор NaOН: 4 г NaOН растворить в дистиллированной воде,
охладить и разбавить до 1 дм3;
4. 1 н раствор Н2SO4: 28 см3 концентрированной Н2SO4 влить в 0,5 дм3
воды, разбавить до 1 дм3.
5. 0,5%-ный раствор крахмала.
6. Вода дистиллированная.
Приборы и оборудование: 1)колбы мерные на 100 см3; 2)воронки; 3)
колбы конические на 250 см3 с резиновыми пробками; 5)цилиндры мерные на 10 см3, 25 см3, 50 см3; 6)бюретка; 7)весы лабораторные
Ход определения
Клубни картофеля измельчают на мелкой терке, берут навеску 1 г и помещают в мерную колбу емкостью на 100 см3. Экстрагируют водой и доводят
до метки. Содержимое колбы фильтруют и из прозрачного раствора отбирают
10 см3, соответствующие 0,1 г картофеля, в коническую колбу на 250 см3 для
исследования.
В колбу добавляют 25 см30,1 н. раствора йода и через 2-3 мин при энергичном помешивании медленно наливают 35 см3 0,1 н. раствора NaOН до исчезновения окраски йода. Колбу закрывают хорошо пригнанной резиновой
пробкой и ставят на 20 мин в темное место. После этого в колбу добавляют 5
см3 1 н. раствора Н2SO4 и оттитровывают выделившийся йод 0,1 н. раствором
гипосульфита, добавляя к концу титрования раствор крахмала в качестве индикатора. Одновременно ставят контрольный опыт с 10 см3 дистиллированной воды.
Обработка и обсуждение результатов
Количество глюкозы (в %) вычисляют по формуле:
(а - в) 0,009V1 100
X =
n V2
149
, где
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(а - в ) - количество гипосульфита, пошедшего на титрование контрольного и рабочего опыта;
0,009 - титр глюкозы по йоду ( молекулярная масса глюкозы 180, эквивалент 90, титр 0,1 н. раствора 0,009);
n - навеска ;
V1 - объём растворения навески;
V2 - объём, взятый для титрования.
Для анализа отбираются клубни различных сортов картофеля, хранившиеся при разных температурах . Каждая бригада анализирует один образец и
результаты вносит в сводную таблицу (табл.2.1.1).
Таблица 2.1.1 - Содержание глюкозы в клубнях картофеля.
№ п/п
Сорт,
условия
хранения
Масса
навески, г
(n)
Кол-во Na2 S2 O3
на
титрование
контрольного
раствора, мл (а)
Кол-во Na2 S2 O 3 Содержание
на
титрование глюкозы, %
опытного
раствора, мл (в)
После обсуждения делаются выводы о влиянии сорта и условий хранения картофеля на содержание глюкозы в клубнях картофеля.
Контрольные вопросы
1. Функции углеводов растении.
2. Общее строение моносахаридов.
3. Превращение простых сахаров в процессе переработки растениеводческой
продукции.
4. Особенности углеводного обмена в клубнях картофеля при хранении.
5. Влияние простых сахаров на качество продуктов переработки клубней картофеля.
2.2.
Полисахариды
2.2.1. Определение происхождения растительного крахмала
Цель работы: Изучить под микроскопом строение крахмальных зерен
различных злаковых культур и картофеля. По форме и размеру крахмальных
зерен научиться определять происхождение растительного крахмала
Основные теоретические положения
Крахмал - главный полисахарид растений, играющий роль запасного вещества. Крахмал всегда содержится в зеленых листьях, где он образуется в
процессе фотосинтеза, но основными органами растений, в которых накаплива150
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ется наибольшее количество крахмала, являются семена, клубни, луковицы и
др. особенно много крахмала в зерне злаковых культур - 60-80 %, в семенах бобовых (кроме сои) - 34-44 %, в клубнях картофеля - до 30%.
В растениях крахмал содержится в виде крахмальных зерен различного
размера (от 0,002 до 0,15 мм). Наиболее крупными являются зёрна картофельного крахмала. Крахмальные зерна напоминают линзы сферической, овальной
или неправильной формы с характерной слоистостью.
Каждая культура имеет свои характерные для неё форму и размеры
крахмальных зерен. Крахмальные зерна пшеницы, ржи и ячменя простые, в то
время как у кукурузы, овса и риса сложные, состоящие из отдельных, как бы
склеенных между собой крахмальных зернышек. У картофеля крахмальные
зерна крупные, неправильной овальной формы со смещенным центром слоистости.
Размер крахмальных зерен оказывает большое влияние на технологические свойства клубней картофеля. От этого также зависит консистенция картофельного клубня и рассыпчатость после варки, которая так высоко ценится потребителем. При нагревании зерна крахмала набухают, и поэтому клетки, содержащие зерна, округляются, начинают легче отделяться одна от другой, что и
создает рассыпчатую консистенцию. Слишком сильное набухание крахмальных
зерен вызывает разрыв клеток, и такой картофель при варке дает полужидкую
массу. Чем мельче зерна, тем чаще наблюдается разрыв клеток, особенно если
они меньше 0,02 мм.
Принцип метода
Этот метод пригоден для исследования муки зерна различных злаковых
культур. Опытный специалист легко может определить примесь ржаной муки в
пшеничной, изучив под микроскопом форму и размер крахмальных зерен.
Происхождение растительного крахмала сравнительно легко можно
установить при сравнении с известными образцами, рисунками или микрофотографиями.
Реактивы и оборудование.
1. Образцы крахмала различных злаковых культур и картофеля.
2. Предметные и покровные стекла.
3. Микроскоп.
Ход анализа
Полученный образец муки или крахмала детально изучают под микроскопом при разных увеличениях, зарисовывают и сравнивают с известными
образцами (рис.2.1). По известным образцам определяют происхождение растительного крахмала.
Контрольные вопросы
151
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Какие вещества относятся к полисахаридам. Какие функции они выполняют.
2. Роль крахмала в растениях.
3. Строение крахмала.
4. Влияние размера крахмальных зерен на технологические свойства картофеля.
152
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А
Б
В
Г
Д
Рисунок 2.1. Крахмальные зерна:
А – картофеля; Б – кукурузы; В – пшеницы; Г – ячменя; Д - овс
153
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.2.2. Выделение и количественное определение растворимого пектина
Цель работы: Освоение метода определения количества пектина по пектату кальция. Изучение его желеобразующей способности
Основные теоретические положения
Одним из важнейших направлений повышения эффективности современного производства является создание малоотходных и безотходных технологий, использование вторичных сырьевых ресурсов. В наибольшей степени
этим требованиям отвечает производство пектина и пектинопродуктов из вторичных сырьевых ресурсов.
Пектиновые вещества, как один из самых распространенных полисахаридов растительного пищевого сырья, в достаточном количестве содержатся в
плодах, ягодах, корнеплодах, растительных волокнах, а также входят в состав
клеточных стенок. В присутствии кислот и сахара пектиновые вещества образуют желе и студни, на чём основано их широкое применение в кондитерской
промышленности.
Протопектины - нерастворимые в воде вещества, в которых пектиновая
кислота связана с другими веществами - крахмалом, целлюлозой, гемицеллюлозами и т.д. Протопектины как бы цементируют растительные волокна между
собой. От соотношения пектиновых веществ и протопектина в растительной
клетке зависит степень зрелости и консистенция плода. В недозрелых плодах
содержится преимущественно протопектин. По мере созревания плодов происходит распад части протопектина до растворимого в воде пектина. Этот пр оцесс идет под действием фермента протопектиназы, а также органических кислот, содержащихся в плодах.
Пектиновые вещества, обладающие хорошими коллоидными свойствами,
имеют лечебное значение. Пища, богатая пектинами, связывает соли желчных
кислот и снижает уровень холестерина в крови, а также обладает способностью
адсорбировать из организма вредные токсины.
Пектиновые вещества оказывают существенное влияние на консистенцию плодов и их развариваемость при консервировании, застудевание фруктовой продукции с сахаром, осветление плодовых соков, величину отходов при
протирании томатов и т.д. В сахарном производстве пектиновые вещества, входящие в состав корнеплодов сахарной свёклы, являются одним из наиболее
вредных «несахаров» из-за коллоидных свойств, создавая затруднения при
фильтровании и при кристаллизации сахара.
На брожении пектиновых веществ основана биологическая обработка
волокна льна. При мочке льна пектин разрушается ферментами, и тем освобождается волокно.
В пищевой промышленности пектин получают из яблочных и цитрусовых
выжимок, свекловичного жома, соцветий подсолнечника, створок плодов
154
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
хлопчатника. В зависимости от вида сырья пектин имеет различные органолептические и физико-химические свойства.
Высокоэтерифицированные пектины применяют в качестве студнеобразователей при производстве кондитерских и консервных изделий, в качестве
стабилизаторов при производстве молочных напитков, майонеза, маргарина,
соусов, мороженого, рыбных консервов и в качестве загустителей при производстве фруктовых соков и киселей.
Низкоэтерифицированные пектины применяют при приготовлении овощных желе, паштетов, студней, сыров и пищевых продуктов детского, лечебного
и профилактического питания.
Методика проведения анализов
Принцип метода
Растворимый пектин выделяют из растертой навески растительного материала с помощью горячей воды. Пектин, перешедший в раствор, переводят в
свободную полигалактуроновую кислоту последовательным взаимодействием с
гидроксидом натрия и уксусной кислотой. Полигалактуроновую (пектиновую)
кислоту осаждают из раствора в виде пектата кальция, по количеству которого
рассчитывают содержание растворимого пектина в исходном материале.
Реактивы
1. 0,1 н. раствор гидроксида натрия: 4,0 г NаОН растворяют в мерной
колбе на 1 дм3 в 400-500 см3 дистиллированной воды и доводят водой
до метки;
2. 1 н. раствор уксусной кислоты (для приготовления 1 дм3 раствора
нужно 57 см3 ледяной уксусной кислоты);
3. 2 н. раствор хлорида кальция (111 г СаСl2 довести до метки дистиллированного водой в мерной колбе на 1 дм3);
4. Вода дистиллированная;
5. 0,1 н. раствор нитрата серебра (1,7 г АgNO3 довести до метки дистиллированной водой в мерной колбе на 100 см3);
6. 0,4 н. раствор винной кислоты.
Приборы и оборудование: 1)ступки фарфоровые с пестиком; 2) колбы
конические на 200 см3 с резиновыми пробками, на 500 см3; 3) воронки;
4)цилиндры мерные на 100 см3, 50 см3; 5)пипетки Мора на 25 см3; 6)сушильный
шкаф; 7)шуттель-аппарат; 8)центрифуга; 9)баня водяная; 10) весы лабораторные.
Ход определения
25 г свежего растительного материала (яблок, жома сахарной свеклы)
растирают в ступке до однородной массы и переносят в коническую колбу на
200 см3, заливают 100 см3дистиллированной воды, нагретой до 45 0С (не выше),
выдерживают на водяной бане такой же температуры 30 мин при периодиче155
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ском взбалтывании. Затем колбу закрывают пробкой и энергично взбалтывают
15 мин в шуттель-аппарате. После этого содержимое колбы центрифугируют и
собирают прозрачный раствор пектина.
В коническую колбу вместимостью 500 см3отмеряют пипеткой Мора 25
см3фильтрата и приливают 100 см30,1 н. раствора гидроксида натрия, оставляют на 30 мин. За это время происходит омыление пектина, который переходит в
натриевую соль пектиновой кислоты. Затем добавляют 5 см3 1 н. раствора уксусной кислоты и получают свободную пектиновую (полигалактуроновую)
кислоту.
Через 5 мин в опытную колбу добавляют 50 см3 2 н. раствора хлорида
кальция и оставляют на 1 час. За это время выпадает осадок пектата кальция,
который промывают водой (60 0С) на взвешенном фильтре до тех пор, пока не
исчезнет реакция на ион хлора с каплей нитрата серебра. Осадок вместе с фильтром помещают в бюкс и доводят по постоянной массы в сушильном шкафу
при 105 0С.
Изучение желеобразующей способности пектина
20 см полученного выше раствора пектина нагревают на водяной бане
до 70-80 0С. Отдельно в небольшом стакане готовят сахарный сироп, для чего
смешивают 30 г сахарозы с 100 см3 воды, 10 см3 0,4 н. винной кислоты и нагревают на кипящей водяной бане до полного растворения сахара и получения о днородной массы. В горячий пектиновый препарат прибавляют горячий свежеприготовленный сироп, тщательно размешивают и оставляют стоять на 3 часа.
Если содержится достаточное количество пектина, то образуется плотный студень, напоминающий мармелад. По плотности желе судят о желеобразующей
способности препарата.
3
Обработка и обсуждение результатов
Содержание пектиновой кислоты (х) в исследуемом образце вычисляют
по формуле:
х
а V 92
n V1
, где
а – количество определенного пектата кальция, г;
92 – коэффициент прересчета, % (с поправкой на содержание кальция в
пектате);
V – объем водного фильтрата пектина (начальный объем водной вытяжки), мл (V=100 мл);
n – навеска исследуемого материала, г;
V1 – объем фильтрата, отобранный для анализа (V1=25 мл)
Результаты определений для всех образцов внести в таблицу 2.2.1.
Таблица 2.2.1 - Определение содержания пектина
№ п/п Вид сырья Масса навески, г Кол-во пектата Содержание
156
пек-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
(n)
кальция, г (а)
тина, %
Сделать вывод о сравнительном содержании пектина и его желеобразующей способности в различных растительных образцах.
1.
2.
3.
4.
Контрольные вопросы
Функции пектиновых веществ в растительной клетке.
Строение пектиновых веществ.
Получение и применение пектина в пищевой промышленности.
Принцип метода выделения и количественного определения растворимого пектина в растительном сырье.
3. ЛИПИДЫ
3.1. Определение сырого жира в масличном сырье
Цель работы: Ознакомление с методами определения жира. Определение содержания жира в масличном сырье рефрактометрическим методом.
Общие теоретические положения
Простейшей задачей анализа растительных масел является определение
их общего содержания в семенах или других органах растений и установление
характерных констант данного масла.
Методы определения содержания жира чаще всего основаны на способности его растворяться в различных органических веществах. При количественных определениях проводят полную экстракцию жира из растительного
материала каким-либо растворителем и учитывают количество экстрагированного жира. Так как под действием органического растворителя обычно извлекаются не только нейтральные жиры, но и свободные жирные кислоты, эфирные масла, а также другие липиды (лецитины, стеролы и т.д.), то полученный
препарат называют сырым жиром.
Существует несколько методов определения содержания жира, различающиеся длительностью, аппаратурным обеспечением, применяемыми растворителями и т.д. Наиболее точным классическим методом среди существующих
является метод Сокслета, в котором жир извлекают из предварительно обезвоженного растительного материала в специальном аппарате с помощью этилового или петролейного эфира. Экстракцию продолжают в течение нескольких часов, после чего извлеченный сырой жир освобождают от растворителя и взвешивают. Полученный препарат сырого жира можно использовать для последующего фракционирования и детального изучения химических свойств отдельных компонентов.
В тех случаях, когда достаточно знать лишь общее содержание жира в
изучаемом материале, используют метод определения жира по массе обезжи157
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ренного остатка, предложенный С.В. Рушковским. При этом из обезвоженной
растительной навески жир извлекают эфиром и по массе оставшегося растительного материала вычисляют количество сырого жира.
Описанные методы довольно трудоемки, сложны в технике исполнения и
длительны. Этих недостатков лишен ускоренный рефрактометрический метод.
Методика проведения анализов
Принцип метода
Метод основан на извлечении жира из навески изделия нелетучим растворителем, показатель преломления которого значительно выше, чем у извлекаемого жира. Как правило в этом методе используют следующие растворители: α-бромнафталин с коэффициентом преломления 1,66 и α-хлорнафталин с
коэффициентом преломления 1,63. При растворении жира в растворителе коэффициент преломления смеси понижается пропорционально количеству извлеченного жира. Массовую долю жира в изделии определяют по разности
между показателями преломления чистого растворителя и смеси масла с растворителем. Поскольку в этом методе содержание жира рассчитывается по разности показателей преломления, то калибровка рефрактометра на ноль по дистиллированной воде и введение температурной поправки необязательны.
Реактивы и оборудование: 1)растворитель α-бромнафталин; 2)ступки с
пестиком; 3)фильтры бумажные диаметром 8 см; 4)воронки стеклянные диаметром 6 см; 5)весы технические; 6)рефрактометр лабораторный ИРФ-22.
Ход определения
1. Перед началом работы проверить правильность установки рефрактометра на
нуль по дистиллированной воде и рассчитать температурную поправку. Для
этого определить показатель преломления дистиллированной воды и вычесть из полученного результата 1.3330.
2. Определить коэффициент преломления растворителя α-бромнафталина,
нанося 2-3 капли растворителя на призму рефрактометра.
3. Определить коэффициент преломления исследуемого жира аналогичным
способом. Если нет возможности непосредственно определить данный показатель, то можно воспользоваться следующими справочными данными: n
D
20 для подсолнечного масла 1,4736; для горчичного масла 1,4730; для соевого
масла 1,4722. Данные значения коэффициентов преломления соответствуют
температуре 20 0С. Для пересчета коэффициента преломления жира на условия определения необходимо к данному справочному значению добавить
температурную поправку, определенную в пункте 1.
4. Отвесить навеску измельченного растительного материала (семена подсолнечника, горчицы и т.д.) массой около 2 г с точностью до 0,01 г, поместить в
маленькую ступку и прилить 4 см3 растворителя α-бромнафлалина с помощью пипетки с грушей или микробюретки.
158
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Содержимое ступки энергично растереть в течение 3 мин, затем перенести на
маленький складчатый фильтр. Первые 2-3 капли фильтрата отбросить, а последующие 2-3 капли поместить на призму рефрактометра и определить коэффициент преломления.
6. Определения проводить не менее трех раз, принимая за окончательный р езультат среднее арифметическое значение из трех определений. После каждого определения промыть дистиллированной водой или растворителем поверхность измерительной и осветительной призм, удалить следы жидкости
фильтровальной бумагой.
Обработка и обсуждение результатов
Содержание жира в растительном материале при фактической влажности
вычисляют по формуле:
Х
Vp
m
Пр Прж 100 ,
Прж Пж где Х – содержание жира, %; Vp – объём растворителя, взятый для извлечения
жира см3; - относительная плотность жира при 200С, г/см3 (относительная
плотность подсолнечного масла 0,924 г/см 3); Пр – коэффициент преломления
растворителя; Прж – коэффициент преломления раствора жира в растворителе;
Пж – коэффициент преломления жира; m – масса навески анализируемого материала, г.
Для исследований берутся несколько видов масличных семян, различающихся исходным качеством, условиями и сроками созревания и пр. Каждая
бригада анализирует один образец. Результаты всех определений заносятся в
сводную таблицу 3.1.1.
Таблица 3.1.1 - Определение содержания жира в масличном сырье
Образец
Масса
навески,г
Плотность
жира, г/см3
Коэффициент
преломления
растворителя
Коэффициент
преломления
чистого жира
Коэффициент преломления раствора жира
Массовая
доля жира, %
После обсуждения сделать вывод о влиянии вида и качества масличного
сырья на содержание жира.
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные вопросы
Какие вещества относят к липидам, их классификация.
Роль и функции липидов в живых организмах.
На чем основаны методы определения липидов.
Принцип рефрактометрического метода определения содержания липидов.
От каких факторов зависит накопление липидов в масличных семенах.
159
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3.2. Определение жировых чисел растительных масел
Цель работы: Освоение методов определения жировых чисел растительных масел. Исследование влияние вида и качества масла на физикохимические показатели.
Основные теоретические положения
Качество масла, его происхождение определяют путём исследования физико-химических показателей, характеризуемых жировыми числами, главными из которых являются кислотное число, число омыления и йодное число.
Кислотное число - это количество мг едкого кали, необходимое для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащееся в 1 г жира. Кислотное
число указывает на количество свободных жирных кислот, оставшихся неиспользованными при биосинтезе масла во время созревания семян, или начавшуюся порчу масла, которая сопровождается увеличением содержания свободных жирных кислот.
В жирах почти всегда имеются свободные жирные кислоты, причем в
растительных жирах их обычно больше, чем в животных. Особенно много свободных жирных кислот в масле их недозрелых семян. При созревании их количество уменьшается и соответственно понижается кислотное число. Содержание свободных жирных кислот может увеличиваться при длительном хранении
семян масличных культур или полученного из них масла и резко повышается
при прорастании семян в результате гидролиза жира. Таким образом, величина
кислотного числа непостоянна.
Число омыления - это количество мг едкого кали, необходимое для нейтрализации свободных и связанных с глицерином жирных кислот, содержащихся в 1 г жира. Характеризует среднюю величину молекулярного веса триацилглицеринов, входящих в состав жира. В зависимости от условий выращивания масличного сырья число омыления может заметно изменяться.
Йодное число - количество мг йода, связываемое 100 г жира. Характеризует степень непредельности жирных кислот, входящих в состав жира, т.к. присоединение йода идёт по месту двойных связей:
НС = СН + 2J СН СН
J
J
Йодное число – важная константа жира, так как от него зависят физические и химические свойства жира и его биологическая ценность. Чем выше
йодное число, тем более жидким является жир, тем легче он окисляется и скорее прогоркает, т.к. окисление идет по месту двойных связей. По величине йо дного числа растительные масла делят на высыхающие - с йодным числом 130 и
выше (льняное, конопляное, тунговое, перилловое), невысыхающие - с йодным
числом меньше 85 (касторовое, арахисовое) и полувысыхающие (подсолнечное,
соевое, рапсовое др.). Следует заметить, что чем больше йодное число масла,
тем выше его биологическая ценность, но тем легче оно окисляется при хра160
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
нении и при использовании его в пищевых производствах, связанных с термическими воздействиями на масло.
Наиболее подвержено колебаниям из трёх чисел кислотное число, связанное с условиями созревания и хранения семян. У свежего растительного масла,
полученного из полностью вызревших семян, оно находится на самом низком
уровне.
Методика проведения анализов
Кислотное число
Принцип метода. Масло нейтрализуют титрованным раствором КОН, в
результате чего между едким кали и находящимися в масле свободными жирными кислотами происходит следующая реакция:
RCOOK + KOH
→ RCOOK + H2O
По количеству раствора КОН, затраченного на нейтрализацию кислот, судят о
величине кислотного числа.
Реактивы
1. Образцы различных растительных масел.
2. Насыщенный раствор NаС1 (растворить NаСl в горячей дистиллированной воде до полного насыщения раствора. После охлаждения и выпадения избытка соли раствор процедить).
3. 0,1н водный раствор КОН (5,7 г КОН развести дистиллированной водой
до 1 л).
4. 0,5%-ный раствор фенолфталеина.
5. Дистиллированная вода.
Оборудование: 1)конические колбы на 100 см3; 2)пипетки Мора на 5 см3;
3)мерный цилиндр на 50 см3; 4)бюретка для титрования.
Ход определения
В коническую колбу емкостью 100 см3пипеткой Мора наливают 5 см3 растительного масла (предварительно определив его вес), приливают 50 см3 насыщенного раствора NаС1 и 10 капель раствора фенолфталеина. Колбу закрывают
крышкой и хорошо встряхивают. Полученную смесь титруют 0,1 н раствором
КОН до появления устойчивого розового окрашивания. Для его достижения после прибавления каждой порции раствора щелочи (4-5 капель) колбу закрывают
пробкой и сильно встряхивают. Окраска не должна исчезать в течении 0,5-1
мин.
161
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обработка результатов
Кислотное число (X) вычисляют по формуле:
Х
5,61
V , где
с
с – навеска масла, г;
V–количество 0,1 н раствора КОН, израсходованное на титрование масла, мл;
5,61 - коэффициент пересчета объема 0,1н раствора КОН в миллиграммы, т.е. в
1 мл 0,1 н раствора КОН содержится 5,61 мг КОН;
Содержание свободных жирных кислот в масле можно выражать также не
кислотным числом, а процентом свободных жирных кислот от веса масла. Условный расчет ведут на свободную олеиновую кислоту, широко распространенную в большинстве растительных масел. Для этого кислотное число умножают
на коэффициент 0,503, который получают из следующего расчета:
% свободных кислот =
к.ч. 282 ,3 100
0,503 к.ч
56 ,11 1000
где к.ч. - кислотное число; 282,3 - молекулярный вес олеиновой кислоты; 56.11
- молекулярный вес КОН; 100 - пересчет на процентное содержание; 1000 - пересчет мг в г.
Число омыления
Принцип метода. Масло кипятят с избытком титрованного раствора едкого кали, в результате чего происходит гидролиз триглицеридов:
СН2 О СОR1
СН О СОR2 + 3 Н2 О →
СН2 О СОR3
СН2 ОН
СН ОН +
СН2 ОН
3 RСООН
Освободившиеся кислоты реагируют с едким кали:
RСООН
+ КОН → RСООК + Н2 О
По этой же схеме реагируют и свободные жирные кислоты, содержащиеся в масле. Избыток щелочи, которая не прореагировала с жирными кислотами,
оттитровывают соляной кислотой:
КОН + НCl →
КCl
+ Н2 О
Число омыления рассчитывают по количеству щелочи, затраченной на
связывание всех кислот масла.
162
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Реактивы
1.
0,5 н спиртовой раствор КОН (30 г химически чистого КОН растворяют в
3
1 дм очищенного спирта при нагревании с обратным холодильником. Раствор
отстаивают сутки, фильтруют и сохраняют в склянке темного стекла, в хорошо
закупоренном виде);
2. 0,5 н. раствор НС1 (на 1 дм3 раствора нужно 41 см3 концентрированной соляной кислоты удельным весом 1,19);
3. 1 %-ный раствор фенолфталеина.
Оборудование: 1)конические колбы на 250 см3с обратным холодильником; 2)пипетке Мора или цилиндры на 25 см3; 3)водяная баня
Ход определения
В коническую колбу на 250 см3помещают навеску около 2г масла и прибавляют пипеткой Мора 25 см3 0,5н спиртового раствора КОН. Колбу соединяют с обратным холодильником, охлаждаемым водой и нагревают на слабо кипящей водяной бане. Омыление считается законченным, когда жидкость и колбе станет прозрачной. Затем смесь титруют в теплом виде 0,5 н раствором НС1
с прибавлением 10-15 капель 1%-ного раствора фенолфталеина. Параллельно
проводят контрольное определение с таким же количеством КОН, но без масла
(кипятят на бане, затем оттитровывают соляной кислотой).
Обработка результатов
Число омыления вычисляют по формуле:
К .О. (а в) 28,055
,
с
где (а - в) - разность результатов титрования контрольного и опытного
образцов, мл 0,5 н раствора НС1;
28,055 - коэффициент пересчета результатов титрования в мг КОН, ч .с. 1
мл 0,5 н. раствора НС1 эквивалентен 28.055 мг КОН;
с - навеска исследуемого масла, г
Определение эфирного числа
Эфирным числом называют количество мг едкого кали, необходимое для
нейтрализации жирных кислот, находящихся в связанном состоянии в I г масла.
Это число определяют путем вычитания кислотного числа из числа омыления.
Определение количества глицерина в масле
По эфирному числу можно подсчитать примерное содержание глицерина
в масле, учитывая, что для отщепления одной молекулы глицерина необходимо
три молекулы едкого кали. Количество глицерина (%) вычисляют по формуле:
Х
92 ,06 а 100
, где
56 ,11 3 1000
92,06 - молекулярная масса глицерина;
56,11 - молекулярная масса едкого кали;
а - эфирное число.
163
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Йодное чис ло
Принцип метода. Определение основано на способности йода реагировать с водой в присутствии ненасыщенных соединений:
J2 + H2 O
→ HJ + HOJ
Йодноватистая кислота
Ненасыщенные соединения поглощают выделяющуюся йодиоватистую
кислоту, присоединяя ее но месту двойных связей:
RCH=CHRCOOH + HOJ → RCH – CHRCOOH
│
│
OH J
Избыток йода, который не прореагировал с жирными кислотами, оттитровывается раствором гипосульфита:
Na2 S2 O3 + J2 → 2NaJ + Na2 S4 O6
Реактивы
Спирт этиловый 96%;
0,2 спиртовой раствор йода (25 г кристаллического йода развести в 500
см3 96%-ного этилового спирта);
3.
0,1 н водный раствор гипосульфита (24 г Na2S2O3 развести в 1 дм3 дистиллированной воды);
4.
0,5%-ный раствор крахмала;
5.
Дистиллированная вода.
Оборудование: 1)колбы на 500 см3 с пробками; 2)пипетки Мора или цилиндры на 25 см3; 3)бюретки для титрования.
1.
2.
Ход определения
В коническую колбу емкостью 500 см3 с хорошо пришлифованной пробкой отвешивают 0,2-0,3 г масла и добавляют 30 см3 спирта для растворения навески. Затем отмеряют пипеткой Мора 25 см3 0,2 н. спиртового раствора йода,
смешивают, приливают 200 см3 дистиллированной воды и хорошо встряхивают,
закрыв пробкой. Параллельно проводят контрольный опыт без масла. Колбы с
исследуемым маслом и контрольную оставляют стоять в течении 15 мин, после
чего титруют 0,1 н раствором гипосульфита до слабо-желтого цвета. Затем добавляют 1 см3раствора крахмала и продолжают титрование при сильном взбалтывании до исчезновения голубой окраски. Обесцвечивание раствора наступает
обычно от одной последней капли раствора гипосульфита.
Обработка результатов
Йодное число вычисляют по формуле:
164
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Х
(а в) 0,01269 100
, где
с
(а - в ) - разность результатов титрования контрольного и опытного образцов в мл 0,1 н раствора гипосульфита;
0,01269 - коэффициент пересчета израсходованного раствора гипосульфита в йод в г , т. с. 1 мл 0,1 н раствора гипосульфита эквивалентен 0,01269 г
йода;
с - навеска масла, г.
Обсуждение результатов
Для исследования берутся несколько образцов растительных масел раз
различающиеся йодными числами - высыхающие, полувысыхающие и невысыхающие, а также сроками и способами хранения. Каждая бригада анализирует
один образец и результаты исследований вносит в сводную таблицу (табл.
3.2.1). После обсуждения результатов делаются выводы о влиянии вида и качества масла на жировые числа.
Таблица 3.2.1 - Жировые числа растительных масел
№
п/п
Вид
масла
Срок
и Кислотное число
Число
Эфирное число
Йодное
способ
Мг КОН % олеи- омыления, Мг
% глице- число,
хранения
мг КОН
мг J2
новой
КОН
рина
кислоты
1
2 и
т.д.
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные вопросы
Состав и строение растительных масел.
Жирные кислоты, наиболее часто встречающиеся в составе жиров растений средних и северных широт.
Кислотное число и его изменение при созревании масличных культур и
при хранении растительных масел.
Йодное число и его изменение при созревании масличных культур и при
хранении растительных масел.
Классификация растительных масел в зависимости от значения йодного
числа.
165
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. МЕТАБОЛИТЫ ВТОРИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
4.1. Определение содержания таннина в чае
Цель работы: Изучение и количественное определение дубильных веществ в различных сортах чая перманганатным методом.
Основные теоретические положения
Чай обладает лечебными и диетическими свойствами. Листья чайного куста содержат кофеин, дубильные вещества, флавоноиды, следы эфирного масла
и витамины С, В1, В2, В3, РР. Среди веществ, входящих в состав чайного листа
и готового чая, особое место занимает комплекс дубильных веществ, называемый чайным таннином.
Дубильные вещества или таннин – это сложная смесь органических соединений, которые являются производными многоатомных фенолов и представляют собой вещества очень разнообразной химической природы. Основная
масса их представлена катехинами и их производными. Общее содержание дубильных веществ в сырье из молодых двух- и трехлистных побегов в среднем
составляет 25-30 %. Отдельные элементы побега содержат различные количества дубильных веществ. Наиболее богаты танином почка и первый лист, затем
второй и третий листья. Меньше всего содержится таннина в стебле. Дубильные вещества чайного листа при изготовлении чая подвергаются глубоким и
разнообразным превращениям, составляющим основу технологического процесса чайного производства.
Почти все свойства готового чая – его цвет, вкус и аромат – прямо или
косвенно связаны с превращениями дубильных веществ. Они обусловливают
вяжущий вкус и золотисто-красную окраску напитка, поэтому чем больше танина в чае, тем выше его качество. Таннин, а также флавоноиды чая обладают
капиляроукрепляющим действием. Сочетание с ними витаминов и кофеина
обеспечивает чайному напитку свойства ценного лекарственного средства и
противоядия при отравлениях.
Дубильные вещества чая служат сырьем для производства лекарственных
препаратов типа теальбина (комплексное соединение с белком молока казеина),
применяемых в качестве вяжущего средства. Чайный танин обладает Рвитаминным действием, поэтому добавление в чай лимона, клюквы или черной
смородины, богатых витамином С, весьма оправдано, т.к. дубильные вещества
чая усиливают благоприятное действие витамина С.
Методика проведения анализов
Принцип метода
В основу перманганатного метода определения танина в чае положен
принцип окисления дубильных веществ перманганатом калия с использованием
в качестве индикатора индигокармина. Метод широко применяется в лабора166
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
торной практике как наиболее простой и не требующий большой затраты времени. Недостатком его является то, что одновременно с дубильными определяются и красящие вещества.
Реактивы
1. Раствор индигокармина: 1 г индигокармина растворяют в 50 см 3 концентрированной серной кислоты и доводят до 1 дм3, постепенно вливая раствор в
дистиллированную воду, а затем фильтруют через бумажный фильтр;
2. 0,1 н раствор перманганата калия (3,16 г KMnO4 довести в мерной колбе на 1
дм3дистиллированной водой до метки);
3. Вода дистиллированная.
Приборы и оборудование: 1)колбы конические на 100 см3; 2)цилиндры
мерные на 50 см3 и на 25 см3; 3)колбы мерные на 100 см3; 4)воронки; 5)пипетки
на 10 см3; 6)баня водяная; 7)плитка электрическая; 8)бюретка; 9)весы лабораторные; 10)фильтры; 11)стаканы стеклянные на 100 мл.
Ход определения
Образец чая массой 1 г поместить в коническую колбу вместимостью 100
3
см , залить 50 см3 кипящей дистиллированной воды и поставить на водяную баню на 45 мин.
Полученный экстракт слить через воронку в мерную колбу вместимостью
100 см3 вместе с чаем, смывая частицы чая, приставшие к колбе. Содержимое
колбы довести дистиллированной водой до метки, взболтать и фильтровать ч ерез бумажный фильтр в сухой стакан.
В коническую колбу на 100 см3 влить пипеткой или цилиндром 10 см 3 дистиллированной воды и 2 см3 раствора индигокармина. Затем в колбу добавить
10 см3 фильтрата чая.
Полученный раствор титровать 0,1 н раствором перманганата калия при
постоянном помешивании. При этом синяя окраска индикатора постепенно переходит через сине-зеленую, светло-зеленую в желтую золотистого оттенка.
Окончание титрования определяют по исчезновению зеленого оттенка и появлению чистого желтого цвета.
Аналогично провести контрольное титрование раствора воды и индигокармина (без фильтрата чая).
Обработка и обсуждение результатов.
Расчет количества таннина ведут по формуле:
Х = (а – а1) ×0,004157 × V × 100 / V1× n
где Х – количество таннина, % ; а – количество раствора KMnO4, пошедшее на титрование рабочего раствора, мл; а1 - количество раствора KMnO4, пошедшее на титрование контрольного раствора, мл; 0,004157 - количество тани167
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
на, окисляемое 1 мл 0,1 н раствора KMnO4, г; V – объем мерной колбы, взятой
для экстракции (100 мл); V1 – объем эстракта чая, отобранный для титрования
(10 мл); n – навеска сухого чая, г.
Полученные данные занести в таблицу 4.1.1.
Таблица 4.1.1 - Определение таннина в чае
Образец чая Расход KMnO4 на титРасход KMnO4 на
рование рабочего раститрование контвора (а)
трольного раствора
(а1)
Содержание
танина в чае,
%
В таблицу вносят данные анализов всех образцов чая, исследованных
подгруппой и делают вывод о содержании танина в исследуемых сортах чая.
Контрольные вопросы.
1. Что представляют из себя дубильные вещества и их содержание в
различных частях чайного растения.
2. Пищевое и технологическое значение таннина в чае.
3. Принцип перманганатного метода определения танина в чае.
5. ФЕРМЕНТЫ
5.1.
Определение активности каталазы в зерновом сырье
Цель работы: Освоение метода определения активности каталазы по Баху и Опарину. Изучение влияния степени прорастания зерна на активность каталазы в нем
Основные теоретические положения
Ферменты - это биологические катализаторы, лежащие в основе всех
жизненных процессов. Они играют исключительно важную роль в обмене веществ любого организма, так как регулируют практически все биохимические
реакции в живой клетке.
Об активности ферментов судят по силе их действия на определенные
вещества - субстраты. Количество продуктов распада или синтеза, образующихся при действии фермента на субстрат, служит критерием для определения
степени активности его.
При сравнительном определении степени активности тех или иных ферментов пользуются строго определенной методикой, так как незначительное
отклонение от нее сопровождается значительными расхождениями полученных результатов. Данные, определяющие степень активности фермента, выражают в относительных единицах, зависящих от принятого времени инкубации,
168
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
реакции среды, температуры, характера субстрата, на который действует фермент, и от ряда других факторов.
Таким образом, исследование активности ферментов является одной из
сложных задач.
Наибольшее практическое значение в товароведении растениеводческой
продукции имеют два класса ферментов – оксидоредуктазы и гидродлазы.
Каталаза (1.11.1.6) относится к классу оксидоредуктаз. Систематическое
название фермента - Н2О2 : Н2О2 – оксидоредуктаза. Она участвует в процессе
дыхания растениеводческой продукции. Это двухкомпонентный фермент, с остоящий из белка и простетической группы – гематина. В последний входит
трехвалентное железо. Предполагают, что одна белковая молекула связана с четырьмя молекулами гематина.
В процессе окисления ряда веществ при дыхании живой клетки образуется перекись водорода:
АН2 + О2
А + Н2О2
где АН2 – восстановленный субстрат; А – окисленный субстрат.
Перекись водорода в повышенных концентрациях оказывает токсическое
действие на цитоплазму клеток.
Роль каталазы заключается в том, что она защищает организм от вредного влияния пероксида водорода, образующегося при дыхании. Это происходит
в соответствии с уравнением:
каталаза
Н2О2 + Н2О2 О2 + 2Н2О
Таким образом, фермент окисляет одну молекулу пероксида водорода с
одновременным восстановлением второй молекулы пероксида водорода до волы. Вместо пероксида водорода фермент может использовать в качестве субстрата и органические перекиси.
Методика проведения анализов
Принцип метода
Метод определения активности каталазы в исследуемом материале основан на измерении количества оставшегося неразложенным пероксида водорода, оттитрованным 0,1 М раствором перманганата калия. Реакция протекает
следующим образом:
5Н2О2 + 2КМnО4 + 4Н2SО4 = 5О2 + 2КНSО4 + 8 Н2О + 2МnSО4
169
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Реактивы
1.
Водные экстракты фермента из зернового сырья. Для анализа используют сухие (размолотые) и проросшие семена злаковых растений. Навеску исследуемого образца массой 2 г растирают в фарфоровой ступке с 10 см3 дистиллированной воды, без потерь переносят в мерную колбу на 100 см3, ступку и пестик ополаскивают
20 см3 воды, которую переносят в эту же мерную колбу. Колбу хорошо перемешивают, добавляют 2-3 капли толуола, доводят водой
до метки и настаивают 2 часа при комнатной температуре. После
настаивания жидкость центрифугируют 15 мин при 4000 об/мин и
в центрифугате определяют активность каталазы.
2.
Свежеприготовленный 1%-ный раствор пероксида водорода
3.
10 %-й раствор серной кислоты (на 1 дм3раствора берется 61 см3
концентрированной серной кислоты удельным весом 1,84)
4.
0,1 М раствор КМnО4 (3,16 г KMnO4 довести в мерной колбе на 1
дм3 дистиллированной водой до метки);
5.
Дистиллированная вода.
Приборы и оборудование: 1)колбы конические термостойкие на 100 см3;
2)цилиндры мерные на 25 см3, на 10 см3; 3)бюретка; 4)электроплитка.
Ход определения
Из центрифугатов, полученных после настаивания навески, отбирают по
две пробы по 20 мл – опытная и контрольная. В контрольных колбах учитывают количество пероксида водорода, которое присутствует в инкубационной
смеси и не подвергается действию каталазы. Для ингибирования фермента контрольные колбы кипятят 5 мин на электроплитке.
К опытной и прокипяченной контрольной колбам прибавляют по 20 мл
дистиллированной воды, по 3 мл 1 %-ного раствора перекиси водорода и оставляют на 30 мин при комнатной температуре.
Через 30 мин к колбам прибавляют по 5 мл 10 %-ного раствора серной
кислоты для инкубации фермента и оттитровывают оставшийся пероксид водорода 0,1 М раствором перманганата калия.
Об активности каталазы судят по количеству миллиграммов пероксида
водорода, которое разрушилось в течение 30 мин ферментом, содержащимся в
1 г исследуемого материала.
Обработка и обсуждение результатов
Активность каталазы определяют по формуле:
А
1,7 (а в )V1
, где
V2 m
А – активность каталазы, мг Н2О2 на 1 г навески;
а - количество 0,1 М раствора КМnО 4, израсходованное на титрование
контрольной колбы, мл;
170
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в – количество 0,1 М раствора КМnО 4 , израсходованное на титрование
опытной колбы, мл (1 мл 0,1 М раствора КМnО 4 эквивалентен 1,7 мг Н2О2);
V1 – объем, в котором растворена взятая для анализа навеска, мл;
V2 – объем раствора, взятый для титрования;
m – масса исследуемого образца, г.
Каждая бригада анализирует один образец, в котором определяет активность каталазы в соответствии с вышеизложенной методикой. На основании
проведенных расчетов составляется сводная таблица (табл.5.1.1), в которую
вносятся результаты анализов, выполненных всеми бригадами для разных видов сырья.
Таблица 5.1.1 – Определение активности каталазы
№
п/п
Вид зернового сырья,
время прорастания
Масса
навески,
г (m)
V1 ,
мл
V2 ,
мл
Объем КМnО4 ,
на титрование
контрольного
раствора, мл (а)
Объем КМnО4 ,
на титрование
опытного раствора, мл (в)
Активность
каталазы, мг
Н2 О2 /г
Построить график зависимости активности каталазы от времени прорастания семян и сделать вывод.
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные вопросы
Классификация ферментов.
Строение и механизм действия ферментов.
Строение каталазы.
Механизм действия каталазы.
Зависимость активности каталазы от времени прорастания семян.
5.2.
Изучение влияния количества пероксидазы на её активность
Цель работы: Освоении фотоколориметрического метода определения активности пероксидазы. Сравнение активности пероксидазы в различном сырье.
Изучение влияния количества пероксидазы на её активность.
Основные теоретические положения
Пероксидаза широко распространена в живых организмах и играет важную роль в окислительно-восстановительных процессах.
Пероксидаза относится к классу оксидоредуктаз. Систематическое название фермента пероксидазы (1.11.1.7) – донор:Н2О2 –оксидоредуктаза. Она катализирует реакцию:
RООН + АН2 → Н2О + RОН + А,
где в качестве RООН может быть пероксид водорода НООН или органические
пероксиды, т.е. она высокоспецифична в отношении акцептора водорода и с овсем не специфична в отношении донора водорода. Подвергаться окислению
171
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
могут многочисленные полифенолы в свободном виде или в виде разнообразных производных – гликозидов, дубильных веществ, а также ароматические
амины и некоторые аминокислоты. Вышеуказанные соединения пероксидаза
окисляет с помощью пероксида водорода или любых органических пероксидов,
в том числе пероксидов ненасыщенных жирных кислот и каротина.
Пероксидаза – это двухкомпонентный фермент, простетическая группа
которого содержит гемм. Механизм действия пероксидазы может быть описан
следующим образом:
Пероксидаза-FеОН + Н2 О2 → Пероксидаза- FеООН + Н2 О
Пероксидаза- FеООН + АН2 → Пероксидаза- FеОН + Н2 О + А
где FеОН – железо (II), входящее в состав активной группы
пероксидазы;
АН2 – субстрат, окисляемый пероксидазой.
Пероксидаза играет важную роль в дыхании растениеводческой продукции. При ферментации чая и табака пероксидпаза наряду с полифенолоксидазой способствует образованию окрашенных и ароматизирующих компонентов.
Методика проведения анализов
Принцип метода
Метод определения активности пероксидазы основан на окислении пирогалолла в присутствии пероксида водорода до пурпурогаллина, интенсивность
окраски которого определяют на фотоэлектроколориметре.
Реактивы
1. Водные экстракты фермента из растительного сырья. Навеску исследуемого образца массой 2 г растирают в фарфоровой ступке с 5 см3
фосфатного буфера с рН 7,0, переносят в коническую колбу на 50 мл,
ступку и пестик ополаскивают 20 см3 того же раствора буфера, который переносят в эту же колбу. Колбу хорошо перемешивают, настаивают 30 мин при комнатной температуре. После настаивания жидкость
центрифугируют 15 мин при 4000 об/мин и в центрифугате определяют активность пероксидазы.
2. Буферный раствор с рН 7,0:
3. 1 %-ный раствор пирогаллола.
4. 10 %-ный раствор серной кислоты: (на 1 дм3 раствора берется 61 см3
концентрированной серной кислоты удельным весом 1,84)
5. Свежеприготовленный 1 %-ный раствор пероксида водорода.
Приборы и оборудование: 1)пробирки на 20 см3; 2)мерные цилиндры на
10 см3; 3)термостат; 4)фотоэлектроколориметр.
Ход определения
172
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для определения влияния количества пероксидазы на окисление пирогаллола берут три пробирки, в которые вносят по 5 мл пирогаллола и 1 мл 1 %ного раствора пероксида водорода. В первую пробирку прибавляют 3 мл дистиллированной воды, во вторую – 2 мл, в третью воду не приливают. Содержимое пробирок перемешивают и в каждую вносят вытяжку фермента: в
первую пробирку – 1 мл, во вторую – 2 мл, в третью – 4 мл центрифугата исследуемого образца.
Пробирки встряхивают и помещают в термостат с температурой 25 0С на
15 мин. Через указанное время прекращают действие фермента, добавив 5 мл
раствора серной кислоты.
Активность фермента определяют с учетом интенсивности окраски образовавшегося пурпурогаллина на фотоэлектроколориметре, используя зеленый
светофильтр, в кювете толщиной 5 мм.
Колориметрирование проводят против фона, который учитывает окраску
исходных реактивов и ту, которая может образоваться в результате неферментативной реакции. Приготовление фона проводят одновременно с опытными
образцами, для чего в отдельную пробирку приливают 5 мл пирогаллола, 1 мл 1
%-ного раствора пероксида водорода и 4 мл дистиллированной воды. Пробирку
встряхивают и выдерживают с опытными образцами в термостате при температуре 25 0С. После этого добавляют, как и в опытную пробирку, 5 мл раствора
серной кислоты.
Обработка и обсуждение результатов
Для сравнения активности пероксидазы берут экстракты из различных
видов растительного сырья. Каждая бригада изучает влияние количества фермента на его активность в индивидуальном образце. Полученные данные оптической плотности заносят в сводную таблицу (табл.5.2.1).
Таблица 5.2.1 – Активность пероксидазы в зависимости от количества фермента
Вид растиОптическая плотность в зависимости от количества фермента
тельного сырья
1 мл
2 мл
4 мл
По данным оптической плотности сделать вывод о сравнительной активности фермента в различных образцах. Для каждого образца нарисовать график
зависимости активности пероксидазы от её количества и сделать вывод
173
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1.
2.
3.
4.
Контрольные вопросы
Что такое апофермент, простетическая группа, ферментсубстратный комплекс, активный центр фермента, кофактор?
Какова роль белковой части фермента и его небелковой части
(простетической группы) в процессе катализа?
Строение и механизм действия пероксидазы. К какому классу
ферментов она относится?
Как влияет количество пероксидазы на её активность?
5.3. Определение
активности амилолитических ферментов
в различном сырье
Цель работы: Освоение фотоколориметрического метода определения
активности амилолитических ферментов. Сравнение активности амилаз в зерновом сырье и препаратах микробного происхождения
Основные теоретические положения
Амилазы относятся к классу гидролаз, подклассу карбогидролаз (3.2.1.).
Они катализируют гидролиз высокомолекулярных полисахаридов – крахмала и
гликогена. Установлено, что амилазы – это однокомпонентные ферменты, активным центром которых являются сульфгидрильные и аминные группы, входящие в состав белка.
Под действием ферментов амилаз крахмал расщепляется с образованием
декстринов и мальтозы. Декстрины - это высокомолекулярные вещества, являющиеся промежуточными продуктами расщепления крахмала. Декстрины
бывают различного состава и молекулярного веса. При действии амилаз на
крахмал сначала образуются декстрины с очень большим молекулярным весом
- амилодекстрины, которые окрашиваются йодом в синий цвет. Затем образуются декстрины с меньшим молекулярным весом - эритродекстрины, дающие с
йодом красно-бурую окраску. При дальнейшем действии амилаз образуются
ахродекстрины, имеющие ещё меньший молекулярный вес и не окрашивающиеся йодом. Наконец, образуются мальтодекстрины - декстрины со сравнительно
низким молекулярным весом, близкие к мальтозе; йодом они также не окрашиваются. В конечном итоге образуется мальтоза. Таковы этапы расщепления
крахмала амилазами.
В растениях содержатся два вида амилаз, различающихся по характеру
действия на крахмал: -амилаза (3.2..1.1), называемая ещё декстриногенамилазой, и -амилаза (3.2.1.2) или сахарогенамилаза. Обе амилазы расщепляют в
крахмале связь 1,4, но -амилаза обладает более мощным действием. При действии на крахмал она быстро дробит молекулы амилозы и амилопектина на
крупные декстрины, которые затем расщепляет до мальтозы. -амилаза действует иначе: последовательно отщепляет от конца цепи полисахарида одну за
другой молекулы мальтозы. При этом -амилаза способна действовать и на на174
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тивный крахмал, разрушая крахмальное зерно, а -амилаза на нативный крахмал не действует.
Наиболее важным источником амилаз является зерно злаковых культур,
причем - и -амилазы могут встречаться в зерне вместе и раздельно. В нормальном зерне пшеницы и ячменя содержится только -амилаза; -амилазы там
нет, но она образуется при прорастании. В нормальном зерне ржи и овса встречаются обе амилазы, а в непроросших семенах сорго находится главным обр азом -амилаза. Таким образом, зерно разных культур отличается по содержанию - и -амилазы. В различных частях зерновки злаков амилазы проявляют
разную активность: наиболее высока она в зародыше, а в эндосперме значительно ниже.
Амилазы имеют очень большое значение в оценки качества зерна и пшеничной муки: процесс накопления сахара во время брожения теста и сам пр оцесс брожения зависят от скорости накопления в тесте мальтозы, что в свою
очередь зависит от действия этого фермента. Амилазы также важны в спиртовой и пивоваренной промышленности, где применяется солод, представляющий
собой проросшее и осторожно высушенное зерно злаков, которое является источником активной -амилазы.
Применяемый в бродильных производствах зерновой солод выполняет
задачу гидролиза нативного крахмала зернового сырья до сахаров, сбраживаемых дрожжами. Однако, эффективность солода как осахаривающего агента достаточно низка, по сравнению с амилолитическими препаратами микробного
происхождения. Для бродильного производства, перерабатывающего крахмалосодержащее сырье, представляет интерес применение ферментов микробного
происхождения, обладающих высокой осахаривающей способностью. Высокая
активность препаратов микробного происхождения объясняется тем, что помимо -амилазы они содержат еще один вид амилолитических ферментов – глюкоамилазу (3.2.1.3), расщепляющую крахмал, декстрины и мальтозу до глюкозы.
В настоящее время разработаны достаточно точные методы оценки активности амилолитических ферментов, в частности колориметрический метод
определения декстриногенной активности (метод ВНИИПрБ).
За единицу декстриногенной активности (ДАк) принимают такое количество фермента, которое катализирует гидролиз 1 г крахмала до декстринов за 60
мин при температуре 300С и рН среды 4,8-4,9 (для зерновых и солодовых препаратов), 4,7 (для мицелиальных препаратов) и 6,0 (для бактериальных препаратов). Количество прогидролизованного крахмала устанавливают фотоколориметрически по иодной пробе.
Этот метод дает воспроизводимые результаты, позволяет определять активность амилолитических ферментов различного происхождения, полученных
с применением таких продуцентов, как микромицеты и бактерии, а также солод
и нормальное зерно различных злаковых культур.
Методика проведения анализов
175
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Принцип метода
Субстратом для определения активности амилаз служит раствор крахмала. В крахмал добавляют раствор фермента различного происхождения, выдерживают определенное время для проведения гидролиза крахмала, после чего
определяют декстриногенную активность амилаз фотоколориметрическим методом.
Реактивы
1. Солодовые экстракты различных злаковых культур.
5 г свежепроросшего солода растереть в ступке пестиком, перенести без
потерь в коническую колбу на 200 см3, добавить 90 см3 дистиллированной воды и 10 см3 фосфатного буфера с рН 4,8. Выдержать при температуре 30 0С не менее 1 час при периодическом помешивании стеклянной
палочкой. Хранить в холодильнике. В 5 см 3 такого раствора содержится
250 мг фермента.
2. Растворы ферментных препаратов микробного происхождения.
0,1 г ферментного препарата помещают в мерную колбу на 100 см 3 и доводят до метки дистиллированной водой. Раствор хранят до 24 час при
температуре от 2 до -4 0С. В связи с высокой активностью ферментных
препаратов, перед проведением анализа готовят рабочий раствор ФП,
разбавляя основной раствор в 10-20 раз. В 5 см3 рабочего раствора ФП
при этом будет содержаться, соответственно, 0,5 и 0,25 мг фермента.
3.
1 %-ный раствор крахмала.
К 10 г крахмала добавить 250 см3 холодной дистиллированной воды, перемешать, добавить еще 250 см3 горячей воды (t=50-60 0С) и поместить
на водяную баню на 20 мин, непрерывно помешивая. Охладить, перелить в мерную колбу на 1 дм3 через слой ваты, добавить 100 см3 фосфатного буфера (рН 4,8) и довести дистиллированной водой до метки.
4.
0,1 н. раствор НСl – 8,2 см3 концентрированной соляной кислоты развести в мерной колбе на 1 см3 дистиллированной водой до метки (кислоту
лить в воду!)
5. 0,25 %-ный раствор йода в КI – 0,25 г кристаллического иода и 2,5 г йодистого калия поместить в мерную колбу на 100 см 3, развести в небольшом количестве дистиллированной воды (около 40 см3) и довести водой
до метки. Хранить в темноте. Из него готовить рабочий раствор йода в
соляной кислоте – 10 см3 основного раствора в мерной колбе на 500 см 3
довести до метки 0,1 н. раствором соляной кислоты. При этом определяют оптическую плотность рабочего раствора на ФЭК-56 М при длине
волны 453 нм (фильтр №4) в кювете с длиной рабочей грани 1 см: она
должна быть 0,220±0,01
6.
Фосфатный буферный раствор с рН 4,7-4,9.
5,938 г Na2НРО4 развести дистиллированной водой мерной колбе на 500
см3 до метки (раствор 1). 4,540 г КН2РО4 аналогично развести в мерной
176
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
колбе на 500 см3 (раствор 2). Для получения буферного раствора с рН
4,85 перед анализом растворы 1 и 2 смешивают в соотношении 1:1.
Приборы и оборудование: 1)стаканы на 50 см3; 2)цилиндры мерные на
50 см3, на 100 см3; 3)пипетки на 5 см3; на 2 см3; 4)колбы конические на
100 см3; 5)таз пластмассовый с водой температурой 30 0С;
6)фотоэлектроколориметр ФЭК-56 М.
1)
2)
3)
4)
5)
Ход определения
В стеклянный стакан объемом 50 см 3 налить 10 см3 раствора крахмала и
поместить в водяную баню при t 30 0С на 10 мин.
Не вынимая стакана, добавить пипеткой 5 см3 рабочего раствора фермента. Одновременно выполняется контрольный опыт (один на всю подгруппу). В контрольную пробу добавить вместо фермента 5 см 3 дистиллированной воды. смеси быстро перемешать и выдержать при 30 0С в течение
10 мин.
В коническую колбу на 100 см3 добавить 25 см3 рабочего раствора йода,
приготовленного на соляной кислоте.
Спустя 10 мин стаканы вынуть из бани, отобрать пипеткой 0,25 мл прогидролизованного раствора и добавить в колбу с иодом. Быстро перемешать. Соляная кислота сразу прерывает действие ферментов. полученные
растворы приобретают различную окраску: контрольный имеет синий
цвет, а опытный – фиолетовый различной степени интенсивности в зависимости от степени прогидролизованного крахмала.
Определить оптическую плотность опытного и контрольного растворов
по отношению к дистиллированной воде. Для работы используют кюветы
с длиной рабочей грани 1 см и красный светофильтр (№8). значение оптической плотности контрольного раствора (D1) должно быть не менее
0,690.
Обработка и обсуждение результатов
Количество прогидролизованного крахмала С (в г) вычисляют по формуле
5.3.1:
С=0,1(D1-D2):D1, (5.3.1)
где 0,1 – количество крахмала, введенного в реакцию; D1 и D2, соответственно,
оптическая плотность контрольного и опытного растворов. С не должно быть
меньше 0,02 или больше 0,07 г.
Активность фермента (ед./г) вычисляют по формулам (5.3.2 – 5.3.4), в зависимости от происхождения ферментного препарата:
Для зерна и свежепроросшего солода: ДАк= (6,889С–0,029388)1000 : mф(5.3.2)
Для мицелиальных препаратов:
ДАк= (7,264С – 0,03766)1000 : mф (5.3.3)
Для бактериальных препаратов:
ДАк= (5,885С – 0,001671)1000 : mф (5.3.4)
где mф – масса ферментного препарата, введенного в реакцию; С - количество
прогидролизованного крахмала, г
177
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Полученные данные занести в таблицу 5.3.1 (для всех ферментных препаратов).
Сравните активность ферментных препаратов различного происхождения
и сделайте вывод.
Таблица 5.3.1 - Декстриногенная активность ферментов различного
происхождения
№
п/п
Ферментный
препарат
1.
2.
3.
4.
Масса фермента, участвующего в реакции, мг (mф)
Оптическая
плотность
опытного
раствора (D1 )
Оптическая
плотность
контрольного раствора (D1 )
Кол-во
прогидролизован.
крахмала
(С)
Декстриногенная активность
фермента
(ДАк), ед./г
Контрольные вопросы
Амилолитические ферменты; различия в характере их действия
на крахмал.
Значение амилаз в хлебопечении; в бродильных производствах.
Какие ферментные препараты применяются в бродильных производствах и что они из себя представляют.
Как оценивают активность амилолитических ферментов и в чем
ее выражают.
5.4. Определение оптимальных условий действия амилолитических ферментных препаратов
Цель работы: Исследование влияния температуры и активной кислотности среды на активность амилолитических ферментов
Основные теоретические положения
Исследования показали, что амилазы различных источников обладают аналогичными, но не идентичными свойствами. Все амилазы подвержены ингибированию тяжелыми металлами. Напротив, кальций обеспечивает максимальную
устойчивость амилаз к денатурации и разрушению протеолитическими ферментами.
Активность ферментов в сильной степени зависит от условий их действия.
Факторами, влияющими на работу ферментов, является температура, активная
кислотность среды, присутствие ионов металлов и т.д. Оптимальные условия
действия ферментов, полученных их различных источников, не всегда совпадают. Так, оптимумы действия -амилаз различного происхождения проявля178
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ются при разных величинах рН. Для действия грибной -амилазы оптимальная
величина рН составляет 4,5-4,8, для солодовой 5,3, а для бактериальной – 6,07,0. Таким образом, бактериальные амилазы, например -амилазы Bac. subtilis,
в отличии от амилаз плесневых грибов и солода, активны в нейтральной и щелочной среде.
Отличаются амилазы из различных источников и по рН-стабильности.
Полная инактивация солодовой -амилазы происходит при рН 3,6 при 00 С в
течение 15-30 мин. Полная инактивация -амилазы плесневых грибов наблюдается при рН 2,5 в течение часа.
Так как при осахаривании сырья в спиртовом производстве используется повышенная температура, очень важно знать отношение амилаз к действию высоких температур. Следует отметить, что оптимальный температурный предел активности бактериальных амилаз очень высок по сравнению с установленными
для грибных и солодовых амилаз. Так, -амилаза Bac. subtilis сохраняет активность длительное время при 85 0С и более высокой температуре. В то же время
амилазы плесневых грибов активнее действуют при температурах 55-60 0С.
Различия в свойствах амилаз разного происхождения по оптимуму температуры и рН раскрывают возможности целенаправленного их применения в
различных технологических процессах получения пищевых продуктов, таких
как производство спирта, хлебопечение и др.
Методика проведения анализов
Принцип метода
Определение активности амилолитических ферментов проводят фотоколориметрическим методом, описанным в работе № 4. Для изучения зависимости активности ферментов от величины рН среды, в стаканчик с крахмалом одновременно с ферментом добавляют 5 мл соответствующего буферного раствора. Определение зависимости работы ферментов от температуры проводят при
оптимальном для данного фермента значении рН (4,6 для грибного ферментного препарата, 5,6 - для солода; 6,6 – для бактериального препарата).
Реактивы.
1.
Солодовые экстракты различных злаковых культур.
5 г свежепроросшего солода растереть в ступке пестиком, перенести без
потерь в коническую колбу на 200 см3, добавить 100 см3 дистиллированной воды и выдержать при температуре 30 0С не менее 1 час при периодическом помешивании стеклянной палочкой. Хранить в холодильнике.
В 5 см3 такого раствора содержится 250 мг фермента.
2.
Растворы ферментных препаратов микробного происхождения.
0,1 г ферментного препарата помещают в мерную колбу на 100 см 3 и доводят до метки дистиллированной водой. Раствор хранят до 24 час при
температуре от 2 до -4 0С. В связи с высокой активностью ферментных
препаратов, перед проведением анализа готовят рабочий раствор ФП,
разбавляя основной раствор в 10-20 раз. В 5 см3 рабочего раствора ФП
при этом будет содержаться, соответственно, 0,5 и 0,25 мг фермента.
179
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 %-ный раствор крахмала.
К 10 г крахмала добавить 250 см3 холодной дистиллированной воды, перемешать, добавить еще 250 см3 горячей воды (t=50-60 0С) и поместить
на водяную баню на 20 мин, непрерывно помешивая. Охладить, перелить в мерную колбу на 1 дм3 через слой ваты и довести дистиллированной водой до метки.
4.
0,1 н. раствор НСl – 8,2 см3 концентрированной соляной кислоты развести в мерной колбе на 1 дм3 дистиллированной водой до метки (кислоту
лить в воду!)
5. 0,25 %-ный раствор йода в КI – 0,25 г кристаллического йода и 2,5 г йодистого калия поместить в мерную колбу на 100 см3, развести в небольшом количестве дистиллированной воды (около 40 мл) и довести водой
до метки. Хранить в темноте. Из него готовить рабочий раствор йода в
соляной кислоте – 10 см3 основного раствора в мерной колбе на 500 см 3
довести до метки 0,1 н. раствором соляной кислоты. При этом определяют оптическую плотность рабочего раствора на ФЭК-56 М при длине
волны 453 нм (фильтр №4) в кювете с длиной рабочей грани 1 см: она
должна быть 0,220±0,01
6.
Цитратно-фосфатные буферные растворы в интервале рН 2,2-8,0.
Для приготовления исходных растворов 10,5 г (0,1 М) лимонной кислоты развести дистиллированной водой в мерной колбе на 500 см 3 до метки (раствор А). Раствор В: 17,81 г (0,2 М) Na2НРО4 аналогично развести
в мерной колбе на 500 см3 (раствор В). Для получения буферных растворов с различным значением рН перед анализом растворы А и В смешивают в мерной колбе на 100 см3 в следующих соотношениях:
рН
2,6
3,6
4,6
5,6
6,
3
V р-ра А,см
10,9
32,2
48,2
58,0
72,7
3
V р-ра В,см
89,1
67,8
51,8
42,0
27,3
3.
Приборы и оборудование: 1)стаканы на 50 см3; 2)цилиндры мерные на
50 см3, на 100 см3; 3)пипетки на 5 см3; на 2 см3; 4)колбы конические на
100 см3; 5)таз пластмассовый с водой температурой 30 0С;
6)фотоэлектроколориметр ФЭК-56 М с кюветами с рабочей толщиной
10 мм.
Ход определения
1) В стеклянный стакан объемом 50 см 3 налить 10 см3 раствора крахмала и
поместить в водяную баню при t 30 0С ( или при 70 0С при изучении влияния температуры) на 10 мин.
2) Не вынимая стакана, добавить пипеткой 5 см 3 рабочего раствора фермента и 5 см3 соответствующего буферного раствора. Одновременно выполняется контрольный опыт (один на всю подгруппу). В контрольную пробу добавить вместо фермента 5 см 3 дистиллированной воды. Буферный
180
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
раствор не добавляют. Смеси быстро перемешать и выдержать при 30 0С
в течение 10 мин.
3) В коническую колбу на 100 см3 добавить 25 см3 рабочего раствора йода,
приготовленного на соляной кислоте.
4) Спустя 10 мин стаканы вынуть из бани, отобрать пипеткой 0,25 см 3 прогидролизованного раствора и добавить в колбу с иодом. Быстро перемешать. Соляная кислота сразу прерывает действие ферментов. полученные
растворы приобретают различную окраску: контрольный имеет синий
цвет, а опытный – фиолетовый различной степени интенсивности в зависимости от степени прогидролизованного крахмала.
5) Определить оптическую плотность опытного и контрольного растворов
по отношению к дистиллированной воде. Для работы используют кюветы
с длиной рабочей грани 1 см и красный светофильтр (№8). Значение оптической плотности контрольного раствора (D1) должно быть не менее
0,690.
Обработка и обсуждение результатов
Количество прогидролизованного крахмала С (в г) вычисляют по формуле
5.4.1:
С=0,1(D1-D2):D1, (5.4.1)
Где 0,1 – количество крахмала, введенного в реакцию; D1 и D2, соответственно,
оптическая плотность контрольного и опытного растворов. С не должно быть
меньше 0,02 или больше 0,07 г.
Активность фермента (ед./г) вычисляют по формулам 5.4.2 -.5.4.4, в зависимости от происхождения ферментного препарата:
Для свежепроросшего солода: ДАк= (6,889С – 0,029388)1000 : mф (5.4.2)
Для мицелиальных препаратов: ДАк= (7,264С – 0,03766)1000 : mф
(5.4.3)
Для бактериальных препаратов:
ДАк= (5,885С – 0,001671)1000 : mф (5.4.4)
Где mф – масса ферментного препарата, введенного в реакцию; С - количество
прогидролизованного крахмала, г.
Полученные данные занести в таблицу 5.4.1 (для всех вариантов).
Нарисуйте график зависимости активности фермента от рН и сделайте
вывод об оптимальной рН среды для данного ферментного препарата.
Таблица 5.4.1 - Изучение условий действия амилолитических ферментов
№ Ферментный
п/п
препарат,
вариант
опыта (рН и
t)
Масса фермента, участвующего в
реакции, мг
(mф)
Оптическая Оптическая
плотность плотность
опытного
контрольраствора
ного рас(D2 )
твора (D1 )
181
Кол-во
прогидролизован.
крахмала
(С)
Декстриногенная активность
фермента
(ДАк), ед./г
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сравните эффективность работы фермента при двух температурах и сделайте вывод.
Контрольные вопросы.
1. Факторы, влияющие на работу ферментов.
2. Активаторы и ингибиторы ферментов.
3. Роль амилолитических ферментов в производстве спирта. На каких
стадиях технологического процесса их применяют.
4. Оптимальные условия действия амилолитических ферментных препаратов разного происхождения: солодовых; мицелиальных; бактериальных.
5.5. Определение активности липаз в семенах злаковых
и масличных культур
Цель работы: Исследование активности липаз в нормальных и проросших семенах злаковых и масличных культур и в зависимости от сроков хранения
Основные теоретические положения
Липазы (3.1.1.3 -Триацилглицерол – ацилгидролаза) относятся к классу
гидролаз. Они являются весьма важными представителями эстераз, имеющими
большое практическое значение. Под действием липаз происходит гидролиз
жиров с образованием свободных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина по уравнению:
О
СН2 О С R1
+ 3Н2 О
О
СН О С R2
липаза
О
СН2 О С R3
- 3Н2 О
где R1 ,R2 R3 – остатки жирных кислот, входящих в жир.
СН2 О Н + R1 СООН
СН О Н + R2 СООН
СН2 ОН + R3 СООН
Липазы играют большую роль при прорастании масличных семян, а
также участвуют в процессах порчи масличных семян и продуктов переработки
зерна при хранении. Образующиеся при их участии свободные жирные кислоты, и прежде всего ненасыщенные подвергаются дальнейшему окислению под
действием ферментов липоксигеназ. Окисление происходит в результате присоединения кислорода по месту двойных связей с образованием циклических
перекисей:
R 1 CH2 CH = CHCH2 R 2 + O2 R1 CH2 CH CHCH2 R2
O O
182
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кислород может присоединяться также и к углеродному атому, соседнему с двойной связью с образованием гидроперекисей:
R 1 CH2 CH = CHCH2 R2 + O2 R1 CH2 CH = CHCHR 2
О ОН
Перекиси и гидроперекиси - очень неустойчивые активные соединения,
которые быстро распадаются с образованием кетонов, альдегидов и кислот с
короткими цепями, обладающих неприятным запахом.
Последовательность ферментативного прогоркания растительного жира
можно изобразить в виде следующей схемы:
Триацилглицерины
Триацилглицерол-липаза
Жирные кислоты и глицерин
Липоксигеназа
Перекиси и гидроперекиси жирных кислот
Различные альдегиды и кетоны
Липазы содержатся во всех семенах зерновых и масличных культур, но
особенно их много в семенах клещевины. При переработке растениеводческого
сырья они переходят в продукты переработки – муку, крупу, растительные масла, вызывая их порчу при длительном хранении.
Методика проведения анализов
Принцип метода
Субстратом для определения активности липаз в семенах масличных и
злаковых культур служит растительное масло. В масло добавляют навеску муки
из семян, выдерживают определенное время для проведения гидролиза жира,
после чего определяют жирорасщепляющую активность липаз методом титрования свободных жирных кислот, образующихся при гидролизе.
Реактивы
1. Подсолнечное или оливковое масло;
2. Фосфатный буфер рН 7,4: смешивают 800 см3 1/15 М раствора
Na2HPO4 c 200 см3 1/15 М раствора КН2РО4 . Для приготовления 1/15
М растворов Na2HPO4 и КН2РО4 необходимо взять, соответственно,
9,48 г Na2HPO4 и 9,07 г КН2РО4 и развести дистиллированной водой
до 1 л;
3. 0,05 н водный раствор КОН (2,8 г КОН развести дистиллированной
водой до 1 дм3);
4. Дистиллированная вода.
5. 0,5% раствор фенолфталеина.
183
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приборы и оборудование: 1)колбы конические на 100 см3 с пробками;
2)цилиндры мерные на 10 см3, 25 см3; 3)весы лабораторные; 4)бюретка.
Ход определения
В коническую колбу емкостью 100 см3 отвешивают 3,00 г (с точностью
до 0,01 г) масла, 2 см3 фосфатного буфера, сильно встряхивают, добавляют 1 г
размолотых семян и 3 см3 воды температурой 200С, закрывают плотно пробкой
и умеренно взбалтывают в течение 1 ч. По истечении этого времени смесь титруют 0,05 н раствором КОН с 2 -3 каплями фенолфталеина. Параллельно ставят контрольный опыт: в колбу насыпают 1 г муки из семян и наливают 3 см3
воды, смесь хорошо перемешивают и нагревают 5 мин на кипящей водяной
бане. Затем охлаждают, добавляют 3 см3 масла и далее поступают как и в рабочем опыте.
Обработка и обсуждение результатов.
Активность липазы выражают в мл 0,1 Н раствора щелочи, необходимой
для нейтрализации жирных кислот, образующихся при ферментативном гидролизе, в 1 г жира. Активность ( Х ) вычисляют по формуле:
(а - в)
Х=
, где
2н
(а - в) - разница между количеством 0,05 Н раствора КОН, израсходованного на титрование рабочего и контрольного опыта;
н - навеска жира, г.
2 – поправочный коэффициент для перевода 0,05 н раствора КОН в 0,1
н.
Для исследования берутся несколько образцов проросших и нормальных
семян злаковых и масличных культур с различными сроками хранения. Каждая
бригада анализирует один образец и результаты исследований вносит в сво дную таблицу 5.5.1.
Таблица 5.5.1. Активность липаз в семенах различного качества.
№ п/п Семена Кол-во КОН в
Кол-во КОН в
Активность Примечание
рабочем опы- контрольном опылипаз
те, мл (а)
те, мл (в)
После обсуждения результатов сравнивают активность липаз в семенах
различных культур и делают выводы о влиянии на неё качества семян и сроков
их хранения.
Контрольные вопросы
1. Какова роль гидролитических ферментов и как их классифицируют.
2. Ферментативный гидролиз растительных жиров под действием липаз.
3. Прогоркание растительных жиров.
4. Изменение активности липаз в семенах при прорастании и длительном хранении
184
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. ВИТАМИНЫ
6.1.
Жирорастворимые витамины
6.1.1. Определение содержания каротина в растительном сырье
колориметрическим методом
Цель работы: Освоение метода хроматографического выделения каротина из растительного сырья на адсорбционной колонке и колориметрического
определения его содержания
Основные теоретические положения
Каротин – широко распространенный в природе желто-оранжевый пигмент растений. Наиболее богаты им зеленые части растений, а также корнеплоды моркови, откуда каротин был впервые выделен и получил свое название (от
латинского carоta – морковь). В растениях каротин существует в форме трех
изомеров, называемых -, - и -каротинами, имеющих общую химическую
формулу С40Н56. Помимо красящих свойств эти вещества обладают провитаминной активностью, так как, распадаясь в живом организме, легко превращаются в витамин А. Витаминозные свойства каротина обусловлены наличием иононового кольца:
Н3С
С
СН3
H2С
ССН= ....
H2С
ССН3
СН2
-каротин содержит два таких кольца, а - и -каротины - по одному,
поэтому биологическая активность -каротина в два раза выше, чем у - и каротинов, т.к. из одной молекулы -каротина может образоваться две молекулы витамина А, а из - и -каротинов - только по одной молекуле. В зеленых
растениях до 90% всех каротиноидов представлено -каротином.
В живой клетке каротины находятся в комплексе с липопротеидами, поэтому достаточно устойчивы, несмотря на свою полиненасыщенную структуру.
Поэтому при хранении корнеплодов моркови в оптимальных условиях практически не происходит потери каротина. Но как только нарушается структура
клетки, каротины теряют свою устойчивость и быстро разрушаются под действием света и кислорода воздуха. Это происходит при обезвоживании растительной ткани. При варке овощей под слоем воды без доступа воздуха каротин
достаточно хорошо сохраняется.
Из других каротиноидов следует отметить ликопин - изомер каротина,
обусловливающий красную окраску плодов помидоров, шиповника и многих
185
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
других растений; из окисленных каротиноидов - ксантофилл - диоксипроизводное -каротина, наряду с каротином содержащийся в хлоропластах листьев; зеаксантин - диоксипроизводное -каротина - желтый пигмент, обусловливающий окраску семян кукурузы и ряда цветов и плодов. Эти пигменты в отличии
от каротина не содержат -иононового кольца и провитаминной активностью
не обладают.
Методика проведения анализов
Принцип метода
Каротин относится к липоподобным веществам, извлекаемым из растений с помощью неполярных растворителей.
Каротин экстрагируют из исследуемого материала бензином. Бензиновый
экстракт пропускают через адсорбционную колонку, содержащую адсорбент,
для поглощения других пигментов, растворившихся в бензине. Таким образом,
интенсивность окраски вытяжки зависит только от содержания в ней каротина.
Количество каротина в очищенном бензиновом экстракте определяют колоримерически по интенсивности желтой окраски путем сравнения опытного раствора с раствором бихромата калия, стандартизованного по каротину.
Реактивы
1. Растворитель: бензин. Важно, чтобы растворитель был прозрачным и
не имел оттенков желтого цвета. Этим требованиям удовлетворяет авиационный бензин марки Б-70 (температура кипения 70-80° С).
2. Адсорбенты: углекислый магний (МgСОз) или окись алюминия(А12О3).
Адсорбенты для хроматографии должны быть подготовлены. Продажный чис тый углекислый магний нагревают до 200° С в течении 1 часа, затем рассыпают
на стекле и оставляют на воздухе на 17 часов. Окись алюминия берут заводского приготовления в виде воздушно сухого порошка. Адсорбционную спосо бность проверяют путем пропускания через неё ( в адсорбционной колонке) раствора пигментов зеленых листьев или полученных из моркови. Хлорофилл и
ксантофилл задерживаются в адсорбционной колонке, а каротин легко проходит в приемник при промывании её бензином. Если необходимо, то адсорбционную способность окиси алюминия усиливают путем подсушивания при 90 100 0С. Испытанный адсорбент хранят в герметично закрытых банках.
3. Прокаленный сернокислый натрий (Nа2S04).
4. Стандартный раствор бихромата калия: 720 мг K2Cr2O7 растворяют в
мерной колбе на 100 см3 дистиллированной водой и доводят до метки.
Оптическая плотность раствора соответствует содержанию 0,00416 мг
каротина в 1 мл.
5. Стекло битое.
Приборы и оборудование: 1) адсорбционная колонка длиной 30 см и
внутренним диаметром 1 см; 2) ступки фарфоровые с пестиком; 3)цилиндр
мерный на 100 см3; 4)фотоколориметр электрический; 5)весы лабораторные.
186
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подготовка проб к анализу
Три грамма тщательно измельченного растительного материала растирают в фарфоровой ступке с большим количеством кварцевого песка или битого
стекла. Весь процесс измельчения и растирания ведут не более 30 мин. Если
используется влажное сырьё, то для обезвоживания в ступку насыпают прокаленный Nа2S04 (2 г на 1 г сырого растительного материала) .
Стекло добавляют постепенно небольшими порциями, тщательно растирая массу в ступке. К растертой массе приливают 3-5 мл бензина и продолжают
растирать до получения гомогенной кашицы.
Подготовка адсорбционной колонки
Нижний конец колонки плотно заполняют ватой, сверху засыпают окись
алюминия слоем 1,5-2 см. Слегка утрамбовывают чистой стеклянной палочкой.
Ход анализа
Растертую однородную массу осторожно переносят в колонку, утрамбовывая стеклянной палочкой, чтобы экстракт протекал через адсорбент медленно. Колонку вставляют в мерный цилиндр и обрабатывают растительный материал бензином порциями по 5-10 мл. Пестик и ступку тщательно промывают
бензином, вылив смыв в колонку.
Экстракцию бензином продолжают до тех пор, пока объём вытяжки в
мерном цилиндре будет равен 50 мл. Сначала вытекающий из колонки раствор
имеет интенсивную желтую окраску из-за значительно содержания каротина,
последние капли раствора должны быть бесцветными. Если цвет фильтрата в
мерном цилиндре зеленый, то его следует ещё раз пропустить через колонку.
Содержание каротина определяют на фотоэлектроколориметре при длине
волны 440 нм (синий светофильтр), сравнивая со стандартным раствором бихромата калия.
187
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обработка и обсуждение результатов
Количество каротина вычислят по следующей формуле:
Х
а Д 1 V 100
,
Д2 н
где Х содержание каротина, мг%;
а – количество мг каротина в 1 см3 стандартного раствора (для бихромата
калия 0,00416 мг);
Д1 – оптическая плотность исследуемого раствора;
Д2 - оптическая плотность стандарта;
V – объем раствора каротина, см 3 (в данном случае 50 см3);
н – навеска растительного материала, г
Каждая бригада анализирует один образец, в котором определяет содер жание каротина в соответствии с вышеизложенной методикой. На основании
проведенных исследований составляется сводная таблица (табл. 6.1.1.), в которую вносятся результаты анализов, выполненных всеми бригадами для разных
видов сырья.
Таблица 6.1.1 - Содержание каротина в растительном сырье
№ п/п
Вид
сырья
Масса
навески, г
(н)
Оптическая плотность опытного
раствора (Д1 )
Оптическая плотность контрольного раствора (Д2 )
Содержание
каротина,
мг%
После обсуждения результатов делаются выводы о зависимости содержания каротина от сорта, вида и возраста растений, способов и сроков хранения
растениеводческой продукции, способов переработки и т.д.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Контрольные вопросы
Содержание и биологическая роль каротина в растениях.
Физиологическая роль витамина А в организме человека.
Строение и химические свойства каротина.
Принцип колориметрического метода определения каротина.
Влияние возраста и условий выращивания на содержание каротина в растениях.
Изменение содержания каротина в растительном сырье в процессе хранения и переработки.
188
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6.2. Водорастворимые витамины
6.2.1. Определение аскорбиновой кислоты ( витамина С )
в растительном сырье
Цель занятия: Освоение метода определения витамина С в растительном сырье. Изучение влияния сорта и условий выращивания растений на с одержание аскорбиновой кислоты
Основные теоретические положения
Аскорбиновая кислота - антицинготный витамин. Количество аскорбиновой кислоты в растениях существенно зависит от сортовых особенностей и
условий выращивания растений. Обычно овощи, плоды и ягоды, выращенные
в северных и высокогорных районах, накапливают больше аскорбиновой кислоты, чем в южных и равнинных зонах.
В растениях витамин С может существовать в двух формах: восстановленной - в форме аскорбиновой кислоты, и окисленной - в форме дегидроаскорбиновой кислоты. В сбалансированном окислении и восстановлении витамина С заключена его биологическая роль в живой клетке как промежуточного переносчика водорода. Соотношение окисленной и восстановленной формы
в растении сильно варьирует в зависимости от возраста растения. Незрелые
плоды и овощи обычно больше содержат дегидроаскорбиновой кислоты, в то
время как в хорошо вызревших плодах о овощах равновесие значительно смещено в сторону восстановленной формы. Так, в картофеле после уборки во сстановленная форма составляет 85-100%.
О
О
С
С
НОС
-- 2 Н О = С
О О
НОС
О = С
+ 2Н
НС
Н С
НОСН
НОСН
СН2ОН
СН2ОН
аскорбиновая
кислота
Н2О
дегидроаскорбиновая кислота
СООН
О= С
О=С
НСОН
НОСН
СН2ОН
2,3-дикетогулоновая
кислота
Обратимое окисление аскорбиновой кислоты до дегидроаскорбиновой
происходит под действием фермента аскорбатоксидазы и само по себе не пр иводит к потере витамина С: и та и другая форма биологически активна. Однако
потеря витамина может происходить при дальнейшем необратимом превращении дегидроаскорбиновой кислоты в биологически неактивную форму - 2,3дикетогулоновую кислоту. Именно так происходит потеря витамина С при хранении и переработке растениеводческой продукции.
189
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Скорость этой реакции в значительной степени зависит от рН среды: она
идет медленно в кислой среде и очень быстро в щелочной. Поэтому клеточная
среда более благоприятна для сохранения витамина С в плодах цитрусовых (у
апельсинов рН=34, у лимонов рН=2 ), чем в картофеле ( рН=6 ). При обычных
условиях хранения картофеля за 6 месяцев теряется 5070% от исходного количества витамина С в клубнях. Потери возрастают с ростом температуры хранения.
Еще значительнее потери витамина С при переработке растениеводческой продукции, особенно связанной с длительным воздействием на сырье повышенных температур. В присутствии кислорода воздуха витамин С начинает
разрушаться уже при 500С. Без доступа воздуха, особенно в кислой среде, восстановленная форма аскорбиновой кислоты гораздо лучше переносит нагревание.
Кратковременная тепловая стерилизация, направленная на удаление
воздуха из продукта и разрушение ферментов, окисляющих витамины, способствует лучшему сохранению витамина С. Положительно сказывается на сохранении витамина С кратковременная обработка сырья токами высокой частоты,
под действием которой его потери в продукте в 2 раза ниже, чем при обычной
тепловой стерилизации.
Скорость потери витамина С в плодах и овощах при хранении и переработке зависит и от наличия в реакционной системе веществ, катализирующих
распад витаминов либо действующих на них как стабилизаторы. Так, присутствие ионов меди способствует распаду витамина С. Это связано с тем, что ионы меди ускоряют реакции, связанные с переносом водорода. Поэтому медь
уже в концентрации 3-5 мг на 1 кг продукта способствует быстрому разрушению витамина С. Особенно сильно действие меди сказывается в некислой среде. Стабилизаторами витамина С являются вещества, образующие с медью
комплексные соли, в которых медь мало ионизирована, - белки, аминокислоты.
Стабилизирующее действие оказывают также поваренная соль, сахара, крахмал, жиры. Тормозят переход аскорбиновой кислоты в дегидроформу каротиноиды.
Разные растения при хранении теряют витамин С с разной скоростью. В
овощах, листья которых неплотно прижаты к друг другу, как например, в шпинате, содержание витамина С быстро снижается после уборки, в то время как в
плотном кочане капусты оно в течении длительного времени поддерживается
на исходном уровне. Следует отметить, что в свежей капусте витамин С сохр аняется лучше, чем в других овощах. Дело здесь не только в плотном расположении листьев в кочане и изоляции их от доступа воздуха, но ещё и в том, что
аскорбиновая кислота в капусте находится в связанной форме - в виде аскорбигена. Аскорбиген - индольное производное аскорбиновой кислоты довольно
сложного строения, сохраняющее витаминозную активность. Квашение капусты не затрагивает витамина С, напротив, образующаяся молочная кислота повышает его стабильность. Содержание витамина С в квашенной капусте зависит в основном от доступа воздуха к продукту.
190
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Методика проведения анализов
Принцип метода
Метод определения аскорбиновой кислоты основан на её редуцирующих
свойствах, в частности, способности восстанавливать йодат калия до свободного йода, появление которого определяют по реакции с крахмалом.
Реактивы
1. 2%-ный раствор НCl (на 1 дм3 раствора берется 45,5 см3 НCl удельным весом 1,19);
2. 1%-ный раствор KJ (1 г йодистого калия в мерной колбе на 100 см 3
довести дистиллированной водой до метки);
3. 0,001 Н раствор KJО3 (0,3568 г KJО3 в мерной колбе на 1 дм3 довести
дистиллированной водой до метки. Полученный раствор развести в 10
раз);
4. 0,5%-ный раствор крахмала (0,5 г крахмала развести в 20 см 3 холодной воды, влить тонкой струйкой при помешивании в 80 см 3 кипящий
воды);
5. дистиллированная вода.
Приборы и оборудование: 1)ступки фарфоровые с пестиком;. 2)терка
пластмассовая; 3)колбы мерные на 100 см3; 4)воронки; 5)колбы конические на
100 см3; 6)цилиндры мерные на 25 см3; 7)пипетки на 1 см3, 2 см3, 5 см3;
8)стаканы стеклянные на 100 см3.
Ход определения
Растительный материал размельчают на пластмассовой терке и берут
для анализа 2-10 г . Навеску тщательно растирают в фарфоровой ступке, экстрагируют аскорбиновую кислоту водой и количественно переносят в мерную
колбу на 100 см3. Ступку несколько раз смывают водой, сливая в колбу, после
чего раствор доводят до метки. Затем раствор фильтруют через сухой фильтр в
сухой стаканчик или колбу.
Отбирают в конические колбочки емкостью 100 см 3 10 см3 фильтрата,
приливают 1 см3 2%-ной НCl, 0.5 см3 1%-ного раствора KJ и 2 см3 0,5%-ного
раствора крахмала. Смесь разбавляют водой примерно до 20 см3, перемешивают и титруют из микробюретки 0.001 Н раствором KJО3 до устойчивого синего
окрашивания. Все операции по определению аскорбиновой кислоты следует
проводит быстро (в течение 10 мин). параллельно ведут контрольное титрование смеси применявшихся реактивов (вместо 10 см 3 фильтрата берут 10 см3 воды).
191
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обработка и обсуждение результатов
Содержание аскорбиновой кислоты в мг% (Х) вычисляют по формуле,
исходя из положения, что 1 см 3 0,001 Н раствора йодата калия соответствует
0,08806 мг аскорбиновой кислоты.
(а - в ) К 0,08806 1000
Х =
с
(а - в) - разность между количеством см 3 0,001 Н йодата калия, пошедшего на титрование опытного и контрольного образца;
К - поправка к титру раствора йодата калия;
с - масса исследуемого материала, отобранного на анализ, г.
Каждая бригада анализирует один образец, в котором определяет содержание аскорбиновой кислоты в соответствии с вышеизложенной методикой. На
основании проведенных расчетов составляется сводная таблица (табл.6.2.1), в
которую вносятся результаты анализов, выполненных всеми бригадами для
разных видов сырья.
где
Таблица 6.2.1 - Содержание аскорбиновой кислоты в растительном сырье
№ п/п
Вид растительного сырья
Масса
Кол-во KJО3 на
навески, титрование опытг (с)
ного раствора, см3
(а)
Кол-во KJО3 на
титрование контрольного раствора, см3 (в)
Содержание витамина С,
мг%
После обсуждения результатов сделать выводы о зависимости содержания аскорбиновой кислоты от сорта, способов и сроков хранения растениево дческой продукции, способов переработки и т.д.
Контрольные вопросы
1. Функции витамина С в живых организмах.
2. Свойства витамина С.
3. Физиологическая роль витамина С в организме человека.
4. Влияние возраста и условий выращивания растений на содержание витамина
С.
5. Изменение содержания витамина С в растительном сырье при хранении и
переработке.
6.2.2. Определение содержания витамина Р в растительном сырье
Цель работы: Изучение биологической функции витамина Р в живых
клетках. Освоение метода определения витамина Р в растительном сырье.
Основные теоретические положения
192
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Витамин Р (рутин) объединяет группу биологически активных веществ
(биофлавоноидов), обладающих способностью нормализовывать проницаемость капилляров, способствовать снижению проницаемости сосудистой стенки, повышая её прочность. В группу веществ, обладающих свойствами витамина Р, входит около 150 биофлавоноидов: гесперидин, кумарины, антоцианы, катехины и др., широко представленных в растениях. В растениях биофлавоно иды всегда сопровождают витамин С, т.к. стабилизируют его работу.
В последнее время доказана необходимость регулярного поступления
биофлавоноидов с пищей. Клинически доказано, что регулярное потребление
этих соединений приводит к достоверному снижению риска развития сердечнососудистых заболеваний. Высокая биологическая активность флавоноидов обусловлена наличием антиоксидантных свойств. В биологическом действии витамина Р много общего с витамином С. Эти два витамина взаимно усиливают
свое биологическое действие в организме человека.
Рекомендуемое суточное потребление витамина Р для взрослого человека, согласно нормам рационального питания (2008 г.), составляет 250 мг, в том
числе катехинов – 100 мг.
Недостаточность поступления витамина Р в организм человека сочетается
с недостаточностью витамина С и характеризуется болями в мышцах плеч и
ног, усиливающимися при ходьбе, общей слабостью, вялостью, быстрой утомляемостью. К более специфическим проявлениям авитаминиза Р относятся
мелкие внутрикожные кровоизлияния (петехии), возникающие спонтанно, и
исчезающие после назначения биофлавоноидов.
Биофлавоноиды содержатся только в продуктах растительного происхождения, вместе с которыми поступают в организм человека. В животных
тканях они не накапливаются, а подвергаются окислительному распаду.
Методика проведения анализов
Принцип метода
Метод количественного определения витамина Р основан на способности рутина и других биофлавоноидов окисляться перманганатом калия. В качестве индикатора применяется индигокармин, который вступает в реакцию с
перманганатом после того, как окислится весь рутин.
Реактивы
1. 0,01 М раствор КМnО4 (0,32 г KMnO4 довести в мерной колбе на 1
дм3 дистиллированной водой до метки);
2. Раствор индигокармина: 1 г индигокармина растворяют в 50 см 3 концентрированной серной кислоты и доводят до 1 дм 3, постепенно вливая раствор в дистиллированную воду, а затем фильтруют через бумажный фильтр;
3. Дистиллированная вода.
Приборы и оборудование: 1)терка пластмассовая; 2) колбы конические
термостойкие на 100 см3; 3)воронки; 4)цилиндры мерные на 100 см 3, на 25 см3;
193
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5)стаканы стеклянные на 100 см3 6)бюретка; 7)весы лабораторные; 8)плитка
электрическая.
Ход определения
Растительный материал размельчают на пластмассовой терке и берут
для анализа 1 г . Навеску помещают в коническую термостойкую колбу, заливают 50 см3 горячей дистиллированной воды и кипятят в течение 5 мин.
Полученный экстракт охлаждают, фильтруют, отбирают 10 см 3 фильтрата в другую колбу, куда добавляют еще 10 см 3 дистиллированной воды и 5 капель индигокармина (появляется синее окрашивание).
Титруют при тщательном перемешивании раствором перманганата до
появления устойчивой желтой окраски.
Обработка и обсуждение результатов
Экспериментально установлено, что 1 см3 0,01 М раствора КМnО4 окисляет 6,4 мкг рутина. Для расчета содержания (мкг/г) витамина Р используют следующую формулу:
Х 6,4 А V1
; где
V2 m
Х – содержание витамина Р, мкг/г;
6,4 – пересчетный коэффициент титрования;
А – объем КМnО4, пошедший на титрование, см3;
V1 – объем, в котором растворена взятая для анализа навеска, см 3;
V2 – объем раствора, взятый для титрования, см 3;
m – масса навески, г
Каждая бригада анализирует один образец, в котором определяет содержание рутина в соответствии с вышеизложенной методикой. На основании
проведенных расчетов составляется сводная таблица (табл.6.2.1), в которую
вносятся результаты анализов, выполненных всеми бригадами для разных видов сырья.
Таблица 6.2.1- Содержание витамина Р в растительном сырье
№
п/п
Вид растительного сырья
Масса навески, г (m)
V1 ,
см3
V2 ,
см3
Объем КМnО 4 ,
пошедший на титрование, см3 (А)
Содержание
витамина Р,
мкг/г
После обсуждения результатов сделать выводы о наиболее богатых источниках рутина.
Контрольные вопросы
1. Что такое авитаминоз, гиповитаминоз, гипервитаминоз.
194
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Какие важнейшие водорастворимые витамины Вы знаете.
3. Что представляет собой витамин Р, его распространение в природе и
биологическая роль в живых клетках.
4. Суточная потребность и изменения в организме человека при недостатке в витамине Р.
7. ДЫХАНИЕ
7.1.
Исследование зависимости интенсивности дыхания растениеводческой продукции от температуры
Цель работы: Ознакомление с методом определения интенсивности дыхания по количеству выделяемой углекислоты. Изучение влияния температуры
на интенсивность дыхания растениеводческой продукции
Основные теоретические положения
Интенсивность дыхания зависит от многих факторов и прежде всего от
вида продукции, её качества, физиологического состояния, а также условий
хранения. Сочная продукция, к которой относятся картофель, плоды и овощи,
дышит значительно интенсивнее, чем зерновая. По этой причине естественная
убыль при хранении плодоовощной продукции значительно выше, чем зерновой. Так, при хранении картофеля в буртах в течении 9 месяцев убыль массы за
счет дыхания составит 7,4%, в то время как зерно пшеницы, хранящееся насыпью в стационарном хранилище, потеряет за аналогичный период всего лишь
0,11% своей массы. Кроме того, интенсивность дыхания плодоовощной пр одукции меняется в зависимости от периода хранения: плоды и овощи дышат
наиболее интенсивно сразу после уборки, затем в основной период хранения
(период покоя у двулетних овощей, и дозревания у плодов и плодовых овощей)
интенсивность дыхания устанавливается на минимальном уровне, в весенний
период снова отмечается резкий подъём дыхания. Поэтому нормы естественной
убыли плодоовощной продукции определяются ежемесячно.
Интенсивность дыхания зерновой продукции, в отличии от плодоово щной, не зависит от сроков хранения и после прохождения периода послеуб орочного дозревания устанавливается на одном уровне. Поэтому нормы естественной убыли зерна и семян определяются за весь период хранения.
На интенсивность дыхания растениеводческой продукции существенное
влияние оказывают факторы внешней среды и в первую очередь температура.
С повышением температуры до оптимального значения, которое находится в интервале от 40 дол 60 0С, интенсивность дыхания возрастает. В интервале температур от 00 до 40 0С зависимость между интенсивностью дыхания и
температурой подчиняется правилу Вант Гоффа, согласно которому при увеличении температуры на 10 0С скорость реакции возрастает в два раза.
При температуре выше оптимальной происходит денатурация белков ферментативных систем, в результате чего интенсивность дыхания снижается.
195
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Величина оптимальной температуры очень сильно зависит от влажности
хранящегося сырья. С повышением влажности оптимум температуры, соответствующей максимальной величине интенсивности дыхания, смещается в сторону более низких температур.
Методика проведения анализов
Принцип метода
В данном методе интенсивность дыхания учитывается по количеству выделившегося диоксида углерода, который поглощается гидроксидом бария в
соответствии со следующей реакцией:
Ва(ОН)2 + СО2 = ВаСО3↓ + Н2О
Раствор непрореагирующего гидроксида бария оттитровывается щавелевой кислотой.
1 мл щавелевой кислоты, пошедшей на титрование, соответствует 1 мг СО 2.
Реактивы
1. 0,1 н раствор гидроксида бария;
2.0,1 н раствор щавелевой кислоты;
3. Фенолфталеин.
Приборы и оборудование: 1)колбы конические на 250 см3 с хорошо притертыми резиновыми пробками; 2)цилиндры мерные на 10 см 3; 3)бюретка;
4)весы лабораторные.
Ход определения
Установкой для определения интенсивности дыхания служат конические
колбы с пробками вместимостью на 250 см 3 с пробками: одна контрольная и 4
опытных (по количеству вариантов опыта). На нижней стороне пробки находится проволочный крючок.
5 г хорошо проросшего зерна помещают в марлевый мешочек (неплотно)
и подвешивают к крюку на пробке. Во все колбы, включая контрольную, одновременно наливают по 10 см3 раствора гидроксида бария и быстро закрывают
их пробками с прикрепленными к ним марлевыми мешочками с навесками исследуемых образцов. Мешочек с образцом не должен касаться раствора. В контрольную колбу образец не помещают.
Опытные колбы термостатируют при температурах +70, 200, 400 и 800С в
течение 1 часа. Для этого одну колбу помещают на нижнюю полку холодильника (+7 0С), вторую оставляют на лабораторном столе при комнатной температуре, третью и четвертую колбы помещают в термостаты с температурой +40 0С
и +80 0С. Контрольную колбу без мешочка оставляют на лабораторном столе.
Во время опыта колбы с раствором Ва(ОН)2 необходимо через каждые 10
мин осторожно покачивать, чтобы нарушить образующуюся пленку с
ВаСО3, мешающую дальнейшему поглощению углекислого газа. Пробки на
колбах не открывать вплоть до момента титрования.
Через 1 час после начала опыта во всех колбах оттитровывают непрореагировавший гидроксид бария щавелевой кислотой. В контрольной колбе учи196
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
тывается количество углекислоты, находящееся в объеме колбы. Титрование
ведется в присутствии 2-3 капель фенолфталеина до обесцвечивания раствора.
Обработка и обсуждение результатов
Интенсивность дыхания 100 г растительного материала за 1 час вычисляют по формуле:
Х (У к У о ) 100
,
nt
где
Х – количество мг СО 2, выделившееся при дыхании 100 г вещества за 1 час (мг
СО2/100 г час);
Ук – количество щавелевой кислоты, затраченное на титрование контрольной
колбы, мл;
Уо – количество щавелевой кислоты, затраченное на титрование опытной колбы, мл;
n – масса навески, г;
t – время опыта, час.
Результаты определений интенсивности дыхания для всех температур занести в таблица 7.1.1
Таблица 7.1.1 – Зависимость интенсивности дыхания от температуры
Температура, 0 С
7
20
40
80
Интенсивность дыхания,
мг СО 2 /100 г час
По данным таблицы 7.1.1 построить график зависимости интенсивности
дыхания растительного материала от температуры и сделать вывод.
Контрольные вопросы
1. Что такое дыхание. Какие пути диссимиляции органических веществ
существуют в растительной клетке.
2. Как вы понимаете взаимосвязь процессов брожения и дыхания.
3. К каким изменениям в окружающей среде приводит дыхание растениеводческой продукции.
4. Какие факторы влияют на интенсивность дыхания растениеводческой продукции при хранении.
5. Как влияет температура на интенсивность дыхания растениеводческой продукции.
197
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Общая:
1. Гребинский С.О. Биохимия растений. – Львов: Вища школа, 1975.- 279 с.
2. Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений /Пер. с анг. В 2-х т.
А.О. Ганаго, Р.А. Звягильской, Ж.В. Успенской и др. – М.: Мир, 1986. – Т.1.
393 с.; Т.2. 312 с.
3. Досон Р., Эллиот Д., Эллиот У., Джонс К. Справочник биохимика. - М.: Мир,
1991.- 544 с.
4. Кретович В.Л. Биохимия растений. - М.:Высшая школа, 1986.- 503 с.
5. Ленинджер А. Основы биохимии /Пер. с англ. В 3-х т. В.В. Борисова, М.Д.
Гроздовой, С.Н. Преображенского – М.: Мир, 1985.- Т.1. 367 с.; Т.2. 368 с.; Т.
3. 320 с.
6. Новиков Н.Н. Биохимия растений. – М.: КолосС, 2012.- 680 с.
7. Плешков В.П. Биохимия сельскохозяйственных растений. - М.: КолосС,
1987.- 494 с.
8. Савина О.В. Биохимия растениеводческой продукции. – Рязань: Изд-во
РГСХА, 2001. - 110 с.
9. Скурихин И.М. Все о пище с точки зрения химика. – М.: Высшая школа,
1991. – 228 с.
10. Щербаков В.Г., Лобанов В.Г., Прудникова Т.Н и др. Биохимия. – СПб.:
ГИОРД, 2009.- 365 с.
11. Щербаков В.Г., Лобанов В.Г., Прудникова Т.Н и др. Биохимия растительного сырья. – М.: Колос, 1999. – 376 с.
Специальная:
1. Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П. Биохимия зерна и хлебопродуктов. – СПб.:
Гиорд, 2005. – 510 с.
2. Козьмина Н.П. Биохимия зерна и продуктов его переработки. - М.: Колос,
1976. – 310 с.
3. Кретович В.Л. и др. Техническая биохимия. - М.: Высшая школа, 1973. -456
с.
4. Метлицкий Л.В. Основы биохимия плодов и овощей. - М.: Экономика, 1976.
– 348 с.
5. Татарченко И.И., Мохначёв И.Г., Касьянов Г.И. Химия субтропических и
пищевкусовых продуктов. – М.: Академия, 2003. – 256 с.
6. Щербаков В.Г. Биохимия и товароведение масличного сырья. – М.: Колос,
2003. – 360 с.
198
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
КРАТКИЙ СЛОВАРЬ БИОХИМИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ
Автолиз. Распад содержащихся в растительном материале веществ под действием собственных ферментов после механического или какого-либо другого
воздей ствия на материал, разрушивший его клеточную структуру.
Автотроф. Организм, способный синтезировать органические вещества из неор
ганических путем фото- или хемосинтеза.
Активный транспорт. Энергозависимый транспорт растворенного вещества
через биомембрану в направлении его повышенной концентрации (против градиента концентрации).
Активный центр. Участок поверхности фермента, в котором молекула субстрата связывается и превращается в продукты реакции.
Акцептор электронов. Вещество, присоединяющее электроны в окислительновосстановительной реакции.
Алейроновые зерна. Цитоплазматические гранулы, окруженные мембраной и
содержащие запасные белки в клетках основных тканей семян. Другое название
— белковые тела:
Алкалоиды. Азотсодержащие циклические соединения, синтезируемые растениями и оказывающие физиологическое воздействие на человека и животных.
Примеры: никотин, кофеин, стрихнин.
Альдоза. Простой сахар, в котором карбонильная группа расположена на конце
углеродной цепи.
Аминокислоты. Алифатические, ароматические или гетероциклические карбоновые кислоты с аминогруппой в а-положении; мономеры белков.
Аномеры. Два стереоизомера одного сахара, отличающиеся только по расположению разных атомов и групп относительно карбонильного (аномерного) атома
углерода.
Антоцианы. Пигменты из группы флавоноидов красного, фиолетового и голубого цвета.
Ауксин. Вещество, регулирующее рост растений, контролирует удлинение клеток проростка.
Белок. Сложное органическое соединение, полимер, состоящий из одной или
нескольких полипептидных цепей, каждая из которых содержит 100 и более
аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями. Для каждого
белка характерны определенная последовательность аминокислотных остатков
в полипептидных цепях и молекулярная масса.
Брожение. Ферментативное разложение органических веществ на более простые соединения под влиянием микроорганизмов без участия кислорода, сопро вождающееся высвобождением энергии. По конечному продукту различают
брожение спиртовое, уксуснокислое, молочнокислое и др. Начальные фазы дыхательного метаболизма (гликолиза) в растениях совпадают с брожением.
Витамины. Органические вещества различной химической природы, присутствие которых в пищевых продуктах в следовых количествах обязательно:
большинство витаминов является составной частью коферментов.
199
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Водородный показатель (рН). Показатель относительной концентрации протонов в растворе; рН изменяется в диапазоне от 0 до 14: у нейтрального раствора рН равен 7, у кислого — менее 7, у щелочного — более 7.
Вторичная структура белка. Регулярная конформация остова полипептидной
цепи.
Ген. Единица наследственного вещества, которая представлена в виде участка
хромосомы, содержащей ДНК. Последняя кодирует первичную структуру белка, тРНК или рРНК и регулирует транскрипцию таких последовательностей,
обусловливая передачу генетической наследственной информации.
Гетеротроф. Организм, не способный синтезировать органические вещества из
неорганических, поэтому потребляет органику, образованную другими растениями и животными [см. Автотроф].
Гиббереллины. Растительные гормоны, стимулирующие удлинение стебля растения.
Гидролиз. Расщепление молекул сложных веществ на более простые под действием воды и присоединения ионов Н+ и ОН~.
Гидрофобные взаимодействия. Связывание (сближение) неполярных групп
друг с другом в водных системах, обусловленное стремлением молекул окружающей воды достичь наиболее стабильного состояния.
Гистоны. Группа из пяти основных белков, входящих в состав хромосом всех
эукариотических клеток. Гистоны образуют в комплексе с ДНК нуклеосомы —
структурные единицы хроматина клеточных ядер.
Гликолиз. Анаэробный распад глюкозы с образованием двух молекул пировиноградной кислоты и двух молекул АТР.
Глобулярный белок. Белок, полипептидная цепь которого свернута в пространстве с образованием глобулы.
Гормон. Химическое вещество, синтезируемое в небольших количествах в одной части организма, переносимое в другую его часть и оказывающее там специфическое действие.
Дегидрогеназы. Ферменты, катализирующие перенос (удаление) и присоединение к субстрату двух атомов водорода.
Дезоксирибоза. Пятиуглеродный сахар, имеющий на один атом кислорода
меньше, чем рибоза; входит в состав ДНК.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Носитель генетической информации в клетке; состоит из цепей молекул, включающих фосфат, сахар дезоксирибозу, пу-риновые и пиримидиновые основания. Способна самоудваиваться и
направлять синтез РНК.
Денатурированный белок. Белок, утративший свою природную конформацию
под воздействием какого-либо внешнего фактора, например при нагревании.
Дисахариды. Углеводы, состоящие из двух ковалентно связанных моносахаридов.
Дисульфидный мостик. Ковалентная поперечная связь между цистеиновыми
остатками двух полипептидных цепей или двух участков одной полипептидной
цепи.
200
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дыхание. Внутриклеточный процесс окисления молекул, в первую очередь пирувата в цикле лимонной кислоты с вьщелением энергии. Полный распад Сахаров и других органических молекул до диоксида углерода и воды называется
аэробным дыханием, хотя начальные этапы этого процесса (гликолиз) являются
анаэробными.
Жирная кислота. Органическая кислота с длинной углеродной цепью (число
атомов углерода более 6), как правило, неразветвленной.
Жиры. Обобщенное название веществ, являющихся сложными эфирами глицерола и трех молекул жирных кислот (ацилов). Жидкие жиры называют маслами.
Заменимые аминокислоты. Аминокислоты белков, которые могут синтезироваться организмом человека из более простых предшественников.
Изоэлектрическая точка. Значение рН, при котором растворенное вещество
не имеет суммарного электрического заряда.
Каротиноиды. Жирорастворимые пигменты — желтые, красные и оранжевые
каротины и желтые ксантофиллы, выполняющие функции вспомогательных
пигментов при фотосинтезе. Образуются из изопреновых остатков. Являются
провитаминами витамина А.
Ковалентная связь. Химическая связь между атомами, возникающая за счет
образования общей пары электронов.
Кофактор. Один или более небелковых компонентов, необходимых для течения ферментативной реакции; многие из кофакторов представляют ионы металлов, другие называются коферментами.
Кофермент. Органическая молекула небелковой природы, выполняющая вспомогательную функцию в ферментативных процессах; часто кофермент является
донором или акцептором электронов, например NAD+ и FAD, часто кофермент
в качестве составной части содержит витамин.
Кофермент А (СоА). Кофермент, содержащий пантотеновую кислоту, выполняющую роль переносчика ацильных групп в ряде ферментативных реакций.
Крахмал. Нерастворимый полисахарид, состоящий из амилозы и амилопектина, включает более тысячи мономеров глюкозы; запасной углевод растений.
Кребса цикл. Цепь реакций, в ходе которых пировиноградная кислота окисляется с образованием диоксида углерода, водородных атомов (протонов) и электронов; затем электроны проходят через систему электронпереносящих молекул, цепь ферментов окислительного фосфорилирования и заключительную
стадию окисления.
Лигнин. Компонент клеточной стенки растений; наиболее распространенный
(после целюлозы) полимер, образующий клеточную стенку.
Липиды. Обширная группа неполярных органических соединений, нерастворимых в воде и хорошо растворимых в неполярных органических растворителях
— гексане, диэтиловом эфире, бензине и др.
Макроэлементы. Неорганические химические элементы, необходимые в больших количествах для роста растений; к ним относят N, К, Р, Са, Mg, S.
201
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Металлофермент. Фермент, содержащий в качестве простетической группы
ион металла.
Микроэлементы. Неорганические химические элементы, необходимые растениям в малых количествах; к ним относятся Fe, Си, Mn, Zn, Mo, В, С1.
Моносахарид. Сахар, который не может быть гидролизован на более простые
сахара.
Незаменимые аминокислоты. Аминокислоты, которые не могут синтезироваться организмом человека и должны поступать только с пищей.
Незаменимые жирные кислоты. Группа полиненасыщенных жирных кислот
растительного происхождения, которые обязательно должны содержаться в
пище человека.
Никотинамидадениндинуклеотид (NAD+). Кофермент, служащий акцептором электронов во многих окислительных реакциях, чаще всего связанных с
дыханием.
Никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NADP+). Отличается от NAD+
только наличием фосфатной группы.
Нуклеиновая кислота. Органическая кислота, состоящая из соединенных
между собой нуклеотидных остатков; известно два типа нуклеиновых кислот —
ДНК и РНК.
Нуклеотид. Структурный блок нуклеиновой кислоты, состоящий из остатка
фосфорной кислоты, пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы), пури-новых или пиримидиновых оснований.
Окислительное фосфорилирование. Ферментативное образование АТР из
ADP и фосфата; осуществляется в митохондриях, сопряжено с переносом электронов от субстрата к молекулярному кислороду.
Олигомерный белок. Белок, состоящий из двух или нескольких полипептидных цепей.
Оптимум рН. Значение рН, при котором фермент проявляет максимальную активность.
Оптическая активность. Способность вещества вращать плоскость поляризованного луча света.
Пассивный транспорт. Перенос растворенных веществ через мембрану по
концентрационному или электрохимическому градиенту, не требующий затрат
энергии.
Пептид. Две или более аминокислоты, соединенные пептидными связями.
Пептидная связь. Связь, образующаяся между карбоксильной группой одной
аминокислоты и аминогруппой другой с выделением воды.
Переносчик электронов. Белок типа флавопротеинов или цитохромов, который способен приобретать или терять электроны, выполняя роль переносчика
электронов от органических субстратов к кислороду.
Полисахарид. Полимер, состоящий из множества моносахаридов, соединенных
гликозидными связями, например крахмал, целлюлоза.
202
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Простетическая группа. Ион металла или термостабильное неорганическое
соединение (группа), связанные с белком-ферментом и выполняющие функцию
его активного центра.
Простой белок. Белок, при гидролизе которого образуются только аминокислоты.
Сахароза. Дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и фруктозы, является
транспортной формой углеводов, образующихся при фотосинтезе.
Сложный белок. Белок, содержащий в качестве простетической группы металл, органическое соединение или и то и другое.
Стероиды. Класс липидов, содержащих циклопентанфенантреновую кольцевую структуру.
Суберин. Жироподобное вещество, откладывающееся в клеточных оболочках.
Субстрат. Вещество, на которое действует фермент.
Терпен. Углеводород, состоящий из повторяющихся остатков изопрена.
Токоферолы.Группа соединений,представляющих собой формы витамина Е.
Третичная структура белка. Пространственное расположение полипептидной
цепи глобулярного белка в нативной свернутой форме.
Триацилглицерол. Сложный эфир глицерола с тремя молекулами жирных
кислот.
Фермент. Биологический катализатор, обязательным структурным компонентом которого является белок.
Флавинмононуклеотид (FMN). Рибофлавинфосфат, кофермент ряда окислительно-восстановительных ферментов.
Флавиновые нуклеотиды. Коферменты FAD и FMN, содержащие рибофлавин.
Фосфорилирование. Образование фосфатного производного молекулы за счет
переноса фосфатной группы от АТР.
Хлорофилл. Зеленый пигмент растительных клеток.
Хромосома. Одна большая молекула ДНК, ядерная структура, содержащая гены.
Целлюлоза. Полисахарид, образованный микрофибриллами из линейно расположенных остатков глюкозы; является основным компонентом клеточной оболоч
ки растений.
Цитохром. Гемсодержащий белок, служащий переносчиком электронов при
дыхании и фотосинтезе.
Четвертичная структура белка. Пространственное расположение субъединиц
олигомерного белка.
203
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРИЛОЖЕНИЯ
Средний химический состав основных видов
растениеводческой продукции
204
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 1. Средний химический состав и энергетическая ценность зерновых и зернобобовых. Зерно
Вода
г
Белки, г
ЖиУглеводы,
ры, г моно крах
и ди- мал
хариды
г
клет
чатка
Зола
г
Минеральные вещества, мг
Na
K
Ca
Mg
P
Fe
Каротин
Витамины, мг
В1
В2
Пшеница
14,0 11,2
2,1
1,2
54,0
2,4
1,7
8
323
50
111 340 5,1 0,01 0,41
мягкая озимая
Пшеница
14,0 12,5
2,3
0,9
53,0
2,5
1,7
8
350
57
104 400 5,7 0,01 0,46
мягкая яровая
Пшеница
14,0 13,0
2,5
0,8
54,4
2,3
1,7
8
325
62
114 368 5,3 0,01 0,37
твердая
Рожь
14,0
9,9
2,2
1,5
54,0
2,6
1,7
4
424
59
120 366 5,4 0,02 0,44
Овес
13,5 10,0
6,2
1,1
36,5 10,7
3,2 37 421
117
135 361 5,5 0,02 0,48
Ячмень
14,0 10,3
2,4
1,3
48,1
4,3
2,4 32 453
93
150 353 7,4 сл.
0,33
Гречиха
14,0 10,8
3,2
1,5
52,9 10,8
2,0
4
325
70
258 334 8,3 0,01 0,30
Просо
13,4 11,2
3,9
1,9
54,7
7,9
2,9 28 328
51
130 320 3,5 0,01 0,32
Рис
14,0
7,5
2,6
0,9
55,2
9,0
3,9 30 314
40
116 328 2,1
0
0,34
Кукуруза (в 14,0 10,3
4,9
1,6
56,9
2,1
1,2 27 340
34
104 301 3,7 сл.
0,38
среднем)
Кукуруза са- 14,0 11,2
4,5
8,0
29,9
2,5
1,3
харная
Горох
14,0 20,5
2,0
4,6
44,0
5,7
2,8 33 873
115
107 329 6,8 0,01 0,81
Соя
12,0 34,9 17,3
5,7
3,5
4,3
5,0
6 1607 348
226 603 15 0,07 0,94
- данные приведены на 100 г съедобной части зерна, т. е. освобожденного от оболочек ( Скурихин И.М., Нечаев А.П. ,
205
0,17
5,04
Энер
гетическая
ценность,
ккал
290
0,13
5,60
291
0,10
4,94
301
0,20
0,12
0,13
0,14
0,07
0,08
0,14
1,30
1,50
4,48
3,87
2,85
3,82
2,10
287
250
264
295
311
283
325
-
-
318
0,15
0,22
1991).
2,20
2,20
298
332
РР
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 2. Средний химический состав анатомических частей зерна пшеницы, % сухого вещества ( Роменский )
.
Углеводы
Части зерна
СоотношеБелок
всего
в том числе
Липиды
Зола
ние частей
крахмал
сахар
клетчатка пентозаны
Целое зерно
100,0
16,06
78,25
63,07
4,32
2,76
8,10
2,24
2,18
Эндосперм
81,60
12,91
85,23
78,82
3,54
0,15
2,72
0,68
0,45
Зародыш
3,24
41,30
37,32
25,12
2,46
9,74
15,04
6,32
Оболочки с алей15,48
28,75
57,03
4,18
16,20
36,65
7,78
10,51
роновым слоем
Приложение 3. Средний химический состав зерна ржи и его частей , % сухого вещества ( Роменский ).
Белок
Части зерна
Целое зерно
Эндосперм
Зародыш
Оболочки с алейроновым слоем
Соотношение частей
100,0
74,8
3,1
22,1
всего
14,3
12,61
40,70
16,00
68,06
75,14
42,01
51,90
Углеводы
в том числе
клетчатка прочие углеводы
2,36
65,7
1,88
63,37
4,41
37,6
3,70
48,2
206
Липиды
Зольность
Прочие
вещества
1,74
1,14
10,70
2,40
2,02
0,42
6,43
7,36
14,13
10,69
0,16
22,34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение 4. Средний химический состав семян масличных культур
( в % на сухой вес ).
Культуры
Липиды
Белок Клетчатка
Другие
Зола
углеводы
Подсолнечник
целые семена
35
16
25
20
3,8
ядра
58
26
6
6
3,8
Лен
40
26
8
22
4,0
Хлопчатник
23
26
20
26
4,4
Конопля
34
22
19
20
4,0
Горчица белая
32
30
9
24
5,0
Рапс яровой
40
26
5
23
5,4
Клещевина
54
19
20
4
3,0
Щербаков В.Г.( 2003).
Приложение 5. Средний химический состав кормовых растений
( в % на сырой вес).
Растение
Вода
Про Жир КлетБЭВ Каротин, Зола
теин
чатка
мг %
Ежа
68,8
2,2
0,7
11,3
14,6
7
2,3
Костер безостый 71,3
3,3
0,8
9,0
13,2
7
2,4
Лисохвост
62,8
4,2
1,0
6,9
12,5
3
2,6
Суданская трава
76,4
2,9
0,6
7,0
10,9
2,2
2,2
Тимофеевка
68,3
2,7
0,9
10,1
16,3
5
1,7
Вика
78,2
5,0
0,8
5,2
9,3
5
1,8
Донник белый
77,0
3,9
0,7
6,8
9,7
4
1,9
Клевер
77,8
3,7
0,9
5,0
10,7
8
1,9
Кормовые бобы
76,4
4,3
0,4
7,0
10,5
1,4
Люпин
87,5
2,2
0,2
3,5
5,2
1,4
Люцерна
76,4
4,8
0,7
6,2
9,6
8
2,3
Подсолнечник
82,0
2,1
0,7
5,5
7,9
2
1,8
Рапс
78,8
4,9
0,8
3,9
8,3
3,3
Свекла кормовая
корни
87,3
1,3
0,1
1,2
8,2
0,7
листья
73,5
3,1
1,4
9,6
5,0
Брюква (корни)
88,6
1,2
0,1
1,2
8,2
0,6
Тыква (плоды)
90,4
1,3
0,4
1,2
6,1
0,6
Турнепс (корни)
90,6
1,0
0,1
0,9
9,5
0,9
- Гребинский С.О. (1975).
- безазотистые экстрактивные вещества (преимущественно сахара)
207
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Овощи
Приложение 6. Средний химический состав съедобной части овощей ( в % веса сырой массы)
Сухое
Сахара Клетчат- Другие угле- Азотистые Органичесвещество
ка
воды
вещеста
кие кислоты
Свекла столовая
12,4
Свекла сахарная
25
Морковь столовая
12,2
Капуста
белокочанная
10,6
краснокочанная
11,3
савойская
11,7
брюссельская
26,3
цветная
9,0
кольраби
10,1
Огурцы
4,2
Томаты
5,8
Салат
5,3
Перец сладкий
9,4
Баклажаны
7,1
Лук
14,9
Чеснок
34,7
Картофель
23,7
Грибы
8,9
- данные разных авторов.
7,8
19,5
7,0
0,9
1,2
1,1
2,0
3,2
2,8
0,2
0,2
0,2
0,47
0,3
0,1
1,0
0,6
1,0
Аскорбиновая кислота (в мг
%)
15
15
5
4,0
5,1
4,7
4,0
3,0
4,7
1,5
3,0
1,6
4,0
3,0
10,0
0,5
1,0
-
0,8
1,1
1,1
1,4
1,2
1,4
0,5
0,2
0,6
1,0
1,0
0,6
1,0
1,0
0,9
2,0
2,0
2,0
1,8
2,2
2,9
7,8
2,5
2,1
0,8
0,6
1,2
1,5
0,9
1,6
7,0
2,0
3,8
0,3
0,2
0,3
0,3
0,2
0,2
0,005
0,5
0,1
0,2
0,2
0,2
0,2
0,6
-
0,7
0,7
0,7
1,3
0,8
1,1
0,4
0,5
0,9
0,7
0,5
0,5
1,0
1,0
1,1
до 70
до 64
до 90
до 320
до 194
до 90
9
30
45
до 400
6
8
20
21
-
1,5
0,8
1,0
1,0
0,7
2,0
1,5
2,0
25,0
17,5
2,6
208
Зола
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Плоды и ягоды
Приложение 7. Средний химический состав съедобной части плодов и ягод ( в % веса сырой массы)
Вода
Сахара КлетчатПектиновые Азотистые ОрганичесЗола
ка
вещества
вещеста
кие кислоты
Яблоки
84,1
Груши
83,0
Сливы
85,7
Вишня
84,4
Абрикосы
85,4
Персики
86,9
Бананы
74,8
Смородина черная
85,3
Виноград
81,6
Апельсины
87,2
Лимоны
89,3
Ананасы
85,3
Арбузы
92,1
Дыни
92,7
Крыжовник
87,0
Земляника
- данные разных авторов.
11,1
9,7
8,3
9,5
10,4
8,8
19,2
6,1
14,9
8,8
2,2
11,3
6,0
5,4
7,0
18,0
1,0
2,2
0,5
0,2
0,6
0,6
0,6
4,1
0,5
0,6
0,9
0,4
0,03
0,5
2,3
1,2
1,0
1,0
2,1
0,3
1,9
1,7
0,4
0,6
1,1
1,0
209
0,3
0,3
0,7
1,3
1,0
0,5
1,2
1,2
0,8
0,9
0,9
0,4
0,5
0,6
0,14
0,24
0,7
0,2
1,6
1,4
1,2
0,6
0,4
0,9
0,5
0,7
5,1
0,7
2,0
1,4
0,4
0,4
0,5
0,5
0,6
0,5
0,8
0,6
0,5
0,5
0,5
0,4
0,3
0,6
0,5
0,5
Аскорбиновая кислота (в мг
%)
25
15
10
15
9
150
3
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать лазерная
Усл. печ. л.12,9 Тираж 500 экз. Заказ № 979
подписано в печать 17.07.2013
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Рязанский государственный агротехнологический университет
имени П. А. Костычева»
390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1
Отпечатано в издательстве учебной литературы и
учебно-методических пособий
ФГБОУ ВПО РГАТУ
390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1
210
Документ
Категория
Химические науки
Просмотров
2 816
Размер файла
2 198 Кб
Теги
биохимии, продукции, растениеводческой
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа