Особенности химических и физико-химических свойств трудноперерабатываемых ячменей
Обычно трудноперерабатываемые в солод ячмени являются одновременно и высокобелковистыми: содержат меньше крахмала и, следовательно, применение их менее экономично, чем полноценных низкобелковистых ячменей.
Общее количество белка в ячмене повышается за счет увеличения в нем гордеина и глютелина, которые больше всего подвержены действию протеолитических ферментов во время прорастания.
Количество альбумина и глобулина у высокобелковистых ячменей остается на том же уровне, что и у нормальных пивоваренных ячменей. Зерна этих ячменей отличаются высокой белковистостью эндосперма.
Важно, чтобы ячмень, предназначенный для пивоварения, обладал достаточным уровнем активности ферментов дыхания, так как самая ранняя стадия этого процесса - замачивание - связана с действием этих ферментов (каталазы и пероксидазы), роль которых заключается в обезвреживании накапливающихся в зародыше ядовитых для него перекисных соединений и перекиси водорода. По данным П. И. Буковского, каталазная активность ряда трудноразрыхляемых ячменей в четыре раза слабее, чем у пивоваренных ячменей; правда, в меньшей степени, но все- таки явно заметна в них и более слабая активность пероксидазы.
Своевременного и нормального прорастания таких ячменей достичь не удается, общая интенсивность дыхания, по данным И. Я. Веселова, Де-Клерка и других исследователей, влияет и на активность протеолитических ферментов.
Трудноперерабатываемые ячмени при соложении общепринятыми методами не достигают должной степени растворения, и уже давно подмечено, что в этом явлении основное значение имеют два фактора - трудное расщепление белковых веществ и недостаточный гидролиз клеточных стенок эндосперма.
Кречмер считает, что для высокобелковистых ячменей характерны следующие свойства: слабая капиллярность тканей и связанная с этим недостаточная их набухаемость, что вызывает замедление процесса прорастания.
Он считает, что между содержанием экстракта и белковистостью в ячменях, пригодных для пивоварения, должно быть определенное соотношение, и следующим образом оценивает способность их к соложению:
| Отношение экстрактивности к белковистости | Способность к соложению |
| Свыше 8,2 : 1 | Очень хорошая |
| 7,8-8,1 : 1 | Хорошая |
| 7,2-7,7 : 1 | Удовлетворительная |
| Ниже 7,2 : 1 | Плохая |
Н. В. Леонович и П. И. Буковский установили, что трудноразрыхляемые высокобелковистые отечественные ячмени по ряду (большинству) свойств не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к пивоваренному ячменю. По сравнению с чистосортным пивоваренным ячменем Вальтицким в трудноразрыхляемых ячменях содержалось больше оболочки (и клетчатки), белка к меньше крахмала. Естественно, содержание экстракта в этих ячменях тоже было ниже.
В эндосперме зерна различают два вида белка: прикрепленный, расположенный на поверхности крахмальных зерен и при смешивании с водой не дающий клейковины, и промежуточный, заполняющий пространство между крахмальными зернами и легко при смешивании с водой образующий клейковину.
Характер этих белков и их химический состав различны. Н. П. Козьмина, работая с пшеницей, установила, что в препарате прикрепленного белка содержится азота 0,84%, в препарате промежуточного белка-13,55%. В состав промежуточного белка (в количестве одной трети) входит гордеин, т. е. белок, растворимый в 70%-ном спирте.
В ячмене белковые вещества также существуют в двух формах: одна часть их прочно соединена со стенками клеток эндосперма, другая же не имеет прочных связей. Как показал П. И. Буковский, у трудноразрыхляемых ячменей белков первой формы значительно больше, чем у пивоваренных сортов (в среднем в 1,5 раза). Эти белки и являются препятствием для нормального растворения стенок клеток крахмальных зерен ферментами дитолитического комплекса. У трудноразрыхляемых ячменей промежуточного белка тоже больше, а этот белок способен формировать клейковину, которая, как правило, у нормальных пивоваренных ячменей не отмывается.
Качество крахмала у трудноразрыхляемых (высокобелковистых) и нормальных пивоваренных ячменей тоже различное. Соотношение количеств крупных и мелких зерен крахмала в этих сортах ячменя подтверждено данными, полученными П. И. Буковским. Он показал, что у трудноразрыхляемых ячменей количество крупных зерен крахмала (30 мкм) в 3-10 раз меньше, чем у пивоваренных.
На качество пива, в частности на его коллоидную стойкость, большое влияние оказывает β-глобулиновая фракция белка, которая трудно подвергается распаду при соложении. Аналитические данные показали следующее содержание β-глобулина в трех сортах ячменя (в %): в Вальтицком 1,02, в Ташкентском 1,36, в Донецком 650 1,28.
С этой позиции предпочтения заслуживает низкобелковистый пивоваренный ячмень (Вальтицкий).
Таким образом, высокобелковистые трудноразрыхляемые ячмени характеризуются высоким содержанием гемицеллюлоз и белка, прочно связанного со стенками клеток эндосперма. Содержание β-глобулиновой фракции тоже выше, чем в нормальных пивоваренных ячменях.
Структура эндосперма большинства высокобелковистых ячменей также значительно отличается от строения эндосперма Вальтицкого ячменя. Если у последнего клетки крупные и имеют правильную форму, а клеточные стенки равномерной толщины, то у исследуемых образцов трудноразрыхляемых ячменей клетки эндосперма разной величины и формы, а их стенки имеют утолщения.
Ферменты ячменя
Общее понятие о ферментах
Ферменты регулируют основные жизненные явления, обусловливающие обмен веществ.
Все ферменты дают характерные белковые реакции, в том числе реакция осаждения (спиртом, ацетоном, сернокислым аммонием и др.), имеют высокую молекулярную массу и обладают амфотерными свойствами, что выражается в том, что при изменении реакции среды они соответствующим образом меняют свой электрический заряд. Так же как белки, ферменты обладают свойствами коллоидов, в частности они не способны к диализу.
Ряд ферментов получен в кристаллическом виде (рис. 9).
Ферменты можно разделить на две группы: ферменты, являющиеся простыми белками и называемые однокомпонентными ферментами, и ферменты, в состав которых кроме белка входят небелковые соединения, называемые простетическими (активными) группами. Этим ферментам дано название двухкомпонентных. Однако и однокомпонентные ферменты имеют свою простетическую (активную) группу, представляющую собой сочетание аминокислот или какую-нибудь отдельную аминокислоту, или даже отдельную группу, входящую в состав аминокислот; например, в пепсине простетической группой является фенольная группа тирозина.
Таким образом, ферменты (однокомпонентные и двухкомпонентные) состоят из двух частей: неактивного носителя, которому присвоено название ферон, и активной каталитической группы, которая называется агон (от латинских слов: «феро» - несу и «аго» - действую).
В двухкомпонентных ферментах активная группа - агон - термостабильна, тогда как ферон, наоборот, термолабилен, так как обладает белковыми свойствами. Простетическая и белковая группы двухкомпонентных ферментов не во всех ферментах связаны одинаково: у одних чрезвычайно прочно, у других легко отделимы. При отделении простетической группы от белка ферменты теряют свои каталитические свойства. Легкоотделяемая активная простетическая группа фермента носит название кофермента, в этом случае белковую часть называют апоферментом.
В качестве простетической группы двухкомпонентных ферментов часто являются витамины, о чем еще в 1922 г. сделал предположение Н. Д. Зелинский, или нуклеотиды.
Большую роль в деятельности ферментов играют металлы, ионы которых часто выполняют функции кофермента. Их не называют коферментами, но они все же являются связующим звеном между ферментом и субстратом. Основное действие их заключается в сближении молекул вещества и фермента, что облегчает их взаимодействие, часто путем переноса электронов.
Ферменты могут быть в виде растворов и давать с жидким субстратом гомогенные системы, но они могут быть и в виде коллоидных частиц, создавая вместе с растворенным субстратом гетерогенные системы. Ферменты могут действовать ускоряющим образом на течение как прямой, так и обратной реакции в зависимости от концентрации исходных и конечных продуктов превращения. Другими словами, они способны катализировать как процессы гидролиза, так и процессы синтеза.
Обычно количество фермента устанавливают по скорости производимой им реакции, которая при определенных условиях пропорциональна ему; однако количество фермента в большинстве случаев не может быть измерено в абсолютных величинах (например, в миллиграммах, молях), поэтому пользуются условными единицами; понятие количества является тоже условным, так как не все ферменты получены в чистом виде.
В связи с работами комиссии по ферментам Международного биохимического союза в настоящее время в понятие единицы фермента вкладывается количество субстрата, превращенного ферментом, и за единицу любого фермента, обозначая ее буквой Е, принимают то количество его, которое катализирует превращение одного микромоля субстрата в минуту при заданных условиях.
Особенно вредно повышение температуры для ферментов, находящихся в растворе или даже во влажном состоянии. Инактивирование ферментов, так же как и денатурирование белков, в сухом состоянии протекает гораздо медленнее. Примером этого может служить поведение ферментов при сушке солода. Чем больше действует на фермент повышенная температура, тем скорее и полнее он теряет свою активность.
Еще в начале текущего столетия датским биохимиком Co-рензеном было установлено исключительное значение для активности ферментов реакции среды.
Для всех ферментов существует определенная область концентрации водородных ионов, в которой данный фермент действует наиболее активно. И в этом отношении существует минимум, оптимум и максимум концентрации водородных ионов (pH) для действия ферментов. Например, солодовая амилаза в чистом растворе проявляет оптимальное действие при pH 4,7-5,2; минимум pH ее равняется 2,3, а максимум 9,7.
На активность ферментов большое влияние оказывают вещества, находящиеся в растворах. Вещества, оказывающие благоприятное действие на активность ферментов, называются активаторами; наоборот, парализаторами (или ингибиторами) называются вещества, прерывающие или тормозящие ферментативную реакцию.
Ингибиторами являются все вещества, действующие разрушающим образом на белковую молекулу: все белковые осадители, т. е. вещества, дающие с белками нерастворимые осадки. К ним относятся соли тяжелых металлов (свинца, ртути, вольфрама), трихлоруксусная кислота, танин. Специфичности в этом действии нет - все ферменты подвергаются инактивированию. Ho имеются и специфические ингибиторы, действие их основано на связывании определенных химических группировок, входящих в состав простетических групп ферментов; такова синильная кислота, которая, соединяясь химически с железом или медью содержащимися в окислительных ферментах, блокирует активную группу и этим инактивирует всю молекулу фермента.
К веществам, тормозящим активность ферментов, могут относиться и продукты ферментативных превращений в том случае, когда они легче, чем субстрат, образуют с ферментами комплексное соединение.
Примером активирования может быть влияние незначительных количеств сульфгидрильных соединений, содержащих группу -SH. К ним относятся цистеин и широко распространенный в природе пептид глютатион; особенно следует отметить, действие восстановленной формы глютатиона на активность растительных протеиназ.
Часто ферменты находятся в клетках полностью или частично в связанном состоянии, поэтому они слабо проявляют свою активность, а иногда совсем ее не проявляют. Им даже присваивают в этом случае название проферментов (зимогенов).
Веществами, которые связывают ферменты и этим парализуют их активность, могут быть структурные элементы клеток, обычно белкового характера. Под действием других ферментов активность связанных ферментов восстанавливается.
Классификация ферментов
В настоящее время известно свыше 1000 ферментов. Классификация ферментов на пять классов, существовавшая до 1961 г., не имела единого принципа построения и не позволяла правильно систематизировать все ферменты. Комиссия по ферментам Международного биохимического союза предложила правила общей системы номенклатуры и классификации ферментов и коферментов.
В основу ее положена суммарная реакция, катализируемая ферментом. Ферменты делятся на шесть классов, из которых каждый в свою очередь делится на ряд подклассов. В зависимости от природы катализируемых реакций каждому ферменту присваивается свой номер, состоящий из четырех цифр, разделенных точками. Первая цифра указывает главный класс; вторая и третья обозначают подклассы, что определяет тип катализируемой реакции; четвертая указывает порядковый номер фермента в пределах данного подкласса. Для каждого фермента имеется два названия - систематическое и тривиальное (рабочее); систематическое идентифицирует фермент, определяя его каталитическое действие; тривиальное название во многих случаях совпадает с названием, принятым для фермента в прежнее время.
Ферменты распределены на следующие классы: оксиредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы.
Оксиредуктазы (1). Эти ферменты катализируют окислительно-восстановительные реакции, являющиеся основой биологического окисления, и связаны с процессами дыхания и брожения. Роль их заключается в переносе водорода и электронов. К ним относятся дегидрогеназы, оксидазы, цитохромоксидазы и пероксидазы. Они обладают специфическими коферментами и простетическими группами.
Дегидрогеназы катализируют отщепление водорода от молекул субстрата, т. е. процесс дегидрирования. Различают анаэробные и аэробные дегидрогеназы. Все они являются двухкомпонентными ферментами. Коферментом анаэробных дегидрогеназ является никотинамидадениндинуклеотид (НАД) или никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). НАД состоит из двух нуклеотидов, один из которых является соединением нико- тинамида с рибозой и фосфорной кислотой, а другой нуклеотид представляет собой аденозинмонофосфорную кислоту. НАДФ имеет такое же строение, но содержит третью молекулу фосфорной кислоты, присоединяемой к рибозе у второго атома углерода. В качестве каталитически активной группы в НАД и НАДФ входит амид никотиновой кислоты (витамин PP).
Коферментами аэробных дегидрогеназ (иначе называемых флавиновыми ферментами) являются флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД), которые в своем составе содержат рибофлавин (витамин B2). Главной функцией флавиновых ферментов является перенос электронов и водорода от восстановленных никотинамидных коферментов (НАДН2 и НАДФН2) к цитохромной системе. Это дало право заменить старое название этого фермента «желтый дыхательный фермент» названием «дегидрогеназа восстановленного НАДФ».
Аэробные дегидрогеназы, для которых акцептором водорода служит исключительно кислород воздуха, называются оксидазами. Их действие сопровождается образованием воды или перекиси водорода.
Цитохромная система состоит из нескольких цитохромов и фермента цитохромоксидазы. Система активирует кислород и переносит электроны на молекулярный кислород. Цитохромоксидаза служит промежуточным акцептором электронов. Цитохромы содержат железо, входящее в простетическую группу, которая способна быстро окисляться и восстанавливаться.
Пероксидаза и каталаза являются двухкомпонентными ферментами, активная группа которых содержит трехвалентное железо, соединенное с остатками четырех пиррольных колец в виде гематина. Пероксидаза переносит водород субстрата на перекись водорода или разлагает ее с выделением активного атомного кислорода. Каталаза катализирует распад перекиси водорода на воду и молекулярный кислород.
Трансферазы (2). Ферменты, катализирующие реакции переноса целых атомных группировок (остаток фосфорной кислоты, остатки моносахаридов и аминокислот и т. д.) от одного соединения к другому, относятся к классу трансфераз. Например, фосфотрансфераза, получившая название гексокиназы, переносит остатки фосфорной кислоты от АТФ на глюкозу или фруктозу. Аминотрансферазы осуществляют межмолекулярный перенос аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту - реакция переаминирования. Сюда нужно отнести и ферменты, катализирующие перенос глюкозильного остатка крахмала на фосфорную кислоту (глюкозилтрансферазы), участвующие в процессе фосфоролиза. Ранее эти ферменты назывались фосфорилазами.
Гидролазы (3). Гидролазы катализируют как процессы расщепления, так и синтеза; в первом случае процесс сопровождается присоединением молекулы воды, во втором - ее выделением. К классу гидролаз относятся ферменты, рассмотренные ниже.
Эстеразы. К подгруппе эстераз, расщепляющих сложные эфиры с органическими кислотами, принадлежат липазы, расщепляющие жиры, фитаза, отщепляющая фосфорную кислоту от инозитфосфорной кислоты, нуклеотидазы (дезоксирибонуклеазы и нуклеотидазы) и др.
Карбогидразы катализируют гидролиз и синтез гликозидов, ди-, три- и полисахаридов и делятся на две группы - олигазы и полиазы. К полиазам относятся, например, α-глюкозидаза и β-глюкозидаза, расщепляющие соответствующие связи в дисахаридах и глюкозидах, и β-фруктофуранозидаза (сахараза или инвертаза). К полиазам относятся амилазы (α-амилаза и β-амилаза), целлюлаза, пектиназа.
Протеазы катализируют гидролитическое расщепление белков и пептидов. В эту подгруппу ферментов входят амидазы (аспарагиназа и глютаминаза), аминопептидазы и протеиназы (пепсин, трипсин, папаин). Иногда протеазы делят на протеиназы, катализирующие распад белков, и пептидазы, катализирующие расщепление пептидов.
Лиазы (4). Лиазы катализируют отщепление от субстрата определенной группы без участия воды или фосфорной кислоты с образованием двойной связи. Одни из них катализируют отщепление воды, другие - отщепление углекислого газа или аммиака. Альдолаза катализирует расщепление фруктозо-дифосфата на две молекулы фосфотриоз.
Изомеразы (5). Изомеразы катализируют взаимное превращение органических соединений в их изомеры. Например, фермент триозофосфатизомераза катализирует превращение 3-фосфоглицеринового альдегида в фосфодиоксиацетон; фермент глюкозофосфатизомераза катализирует взаимное превращение глюкопиранозо-6-фосфата и фруктофуранозо-6-фосфата.
Лигазы (синтетазы) (6). Лигазы катализируют соединение двух молекул, сопровождающееся расщеплением пирофосфатной связи в АМФ или другом нуклеозидтрифосфате. Необходимая для синтеза энергия поставляется за счет энергии, заключенной в макроэргических связях.
Синтетазы играют очень важную роль в процессе синтеза белка.