Ферментативная активность ячменя

В нормально вызревшем зерне активность не всех ферментов ясно выражена. В более или менее активном состоянии находятся ферментные системы, связанные с процессом дыхания, без которого зерно как живой организм существовать не может.

При созревании зерна активность ферментов сначала сильно возрастает, а затем начинает снижаться и достигает какой-то определенной небольшой величины, характерной для уже созревшего зерна.

По мнению А. Н. Баха и А. П. Опарина, во время созревания зерна протекают одновременно два процесса - образование ферментов и переход их в неактивную форму - зимоген. Аналитическим путем с применением обычных методов определения активность зимогенов установить не удается. Гидролитические процессы, необходимые в начале созревания, постепенно затухают и заменяются синтетическими процессами. А. П. Опарин высказал предположение, что превращение в зимогены связано с адсорбцией ферментов на структурных образованиях клеток, имеющих в основном коллоидную природу. В результате этого гидролизующая способность их понижается, а начинает усиливаться синтезирующее действие, поэтому-то одни и те же ферменты в растворенном состоянии обладают одним действием, а в адсорбированном - другим.

Непроросший ячмень, так же как и другие злаки: рожь, пшеница, рис, содержит только β-амилазу, однако в период молочной спелости - и α-амилазу; в период же полной спелости α-амилаза не обнаруживается; часть β-амилазы тоже не проявляет своей активности, и после длительного хранения ячменя могут быть установлены только следы активности α-амилазы.

И. Я. Веселов и В. А. Зенченко определяли содержание α-амилазы отдельно в зародыше и эндосперме ряда сортов ячменя и установили следующие величины: в зародыше от 0 до 6,1 единиц, а в эндосперме от 0 до 0,82 единиц, тогда как в готовом солоде активность α-амилазы выражается в десятках единиц.

Большое значение в процессе хранения ячменя и в начальной стадии замочки имеют оксиредуктазы, и в частности ферменты дыхания (каталаза и пероксидаза), роль которых заключается в обезвреживании ядовитых для зародыша веществ. Активность этих ферментов значительно колеблется в зависимости от их качества, и чем выше она, тем лучшими пивоваренными свойствами обладает ячмень. Ячмени с низким содержанием белка обладают более высокой активностью указанных ферментов. П. И. Буковский установил, что активность каталазы пивоваренных ячменей в 4 раза выше, чем ячменей трудноразрыхляемых высокобелковистых. По пероксидазной активности они тоже выше.

И. Я. Веселов и В. А. Зенченко установили, что пероксидаза в больших количествах находится в зародыше. В исследованных ими сортах ячменя активность пероксидазы в целых зернах составляла 1,057-2,516 единиц, в зародышах- 10,08-27,01, а в эндосперме 0,496-2,222 ед.

Активность протеолитических ферментов в ячмене незначительна; в нормальных условиях хранения действие этих ферментов не обнаруживается, лишь при соложении, когда создаются благоприятные условия влажности и температуры, начинается нарастание их под действием гормоноподобных веществ (гиббереллинов).

В ячмене содержатся ферменты, гидролизующие β-глюкан, правда, в небольшом количестве, примерно в 10 раз меньше, чем в солоде.

По современным представлениям активность гидролитических ферментов в ячмене не проявляется. Гибберелловая кислота, вырабатываемая зародышем, движется к алейроновому слою и там синтезирует ферменты, используя для этого те аминокислоты, которые имеются в слое алейроновых клеток; количеством аминокислот определяется ферментативная активность ячменя в дальнейшем при соложении.

Из сахаридов участвует в этом процессе глюкоза, но в определенном соотношении с аминокислотами.

Витамины ячменя

Витамины можно рассматривать как органические вещества, необходимые для нормального роста и поддержания жизни животных и человека; они обеспечивают нормальное протекание в организме жизненных процессов, в том числе процессов расщепления и синтеза белков, жиров и углеводов.

Витамины требуются в небольшом количестве, они не используются организмом как строительный материал и не увеличивают имеющуюся в организме энергию, но основная задача их состоит в налаживании правильного обмена веществ.

В животный организм витамины поступают извне, синтезируясь в большинстве случаев в растительных клетках. В отдельных случаях растения синтезируют не готовые витамины, а полупродукты, которые в организме животных превращаются в витамины; эти полупродукты носят название провитаминов. В последнее время установлена необходимость витаминов не только для животных организмов, но и для жизнедеятельности высших растений и микроорганизмов.

Витамины были открыты впервые русским ученым Н. И. Луниным в 1880 г.

В ячмене, так же как и во всех других растительных организмах, содержится ряд витаминов и провитамин А.

Ваносси в исследованных им ячменях установил наличие следующих витаминов (табл. 11).

Провитамины А. К провитаминам А обычно относят каротиноиды, встречающиеся в большинстве растений и превращающиеся в животном организме в витамин А. Обычно термин провитамин А связывают со смесью трех изомеров α,- β- и γ-каротина; β-каротины в этой смеси занимают 80% общего состава. Формула β-каротина показывает, что он при гидролизе образует две молекулы витамина А:

Таблица 11

Витамины	Содержание витаминов в ячмене, мг/100 г	Примечание
Провитамин А	0,0012	-
Витамин E	+	В солодовых ростках 8- 12 мг/100 г
Витамин B1	+	-
Витамин В2	0,2-0,4	18-20% теряется в процессе приготовления сусла
Витамин B6	1,0	-
Витамин PP	90-130*	В солоде 90-120 γ/г
Пантотеновая кислота	+	-
Биотин	4-6	-
Мезоинозит	1250*	-
Пара-аминобензойная кислота	0,05	Во всех зернах злаков, в том числе в ячмене
Фолиевая кислота	0,08	-
Витамин С		Полностью разрушается при сушке

*Содержание γ/г. γ = 1 • 10^-9 кг.

Этот процесс протекает под действием фермента каротиназы.

По своей структуре витамин А является не насыщенным спиртом состава С₂₀ Н₂₉ОН с пятью двойными связями и представляет собой твердое вещество соломенно-желтого цвета с температурой плавления 62-64° С, нерастворимое в воде, но растворяющееся в спирте, эфире, ацетоне и хлороформе. Он быстро окисляется кислородом воздуха, в особенности под влиянием нагревания и света. Растворы витамина А в масле могут быть стабилизированы по отношению к окислению при помощи антиокислителей, например α-токоферола.

Витамин E (токоферол). Этот витамин содержится в хлебных злаках (в масле зародышей).

Выделены и идентифицированы четыре встречающихся в натуральном виде вещества, обладающих активными свойствами витамина Е: α-, β-, γ- и δ-токоферолы. Наиболее активным является α-токоферол, который представляет собой продукт конденсации триметилгидрохинона и спирта фитола:

Токоферол является прозрачным, слегка желтоватым, вязким маслом, не обладающим запахом, показывает оптическую активность; нерастворим в воде, но хорошо растворяется в жирах и жирорастворителях (спирте, хлороформе и ацетоне). На свету α-токоферол окисляется, и его разложению способствует наличие свободных жирных кислот, металлов и щелочей.

В растительных тканях токоферол обычно находится вместе с каротином, осуществляя присущие ему свойства антиокислителя

Витамины группы В, хотя они имеют различное химическое строение и оказывают на живой организм свое особое биологическое действие, принято объединять в одну группу, исходя из того, что все они содержатся в отрубях и дрожжах. В ячмене содержание витаминного комплекса В составляет 14-20 γ/г. К этой группе причисляются следующие витамины: B₁-тиамин, B₂- рибофлавин, PP - никотиновая кислота, B₆ - пиридоксин, пантотеновая кислота, H - биотин, пара-аминобензойная кислота, инозит, B_c - фолиевая кислота и витамин B₁₂.

Витамин B₁ (тиамин) находится в зародыше и в оболочке злаков. Впервые обнаружил его К. Функ в рисовых отрубях и в дрожжах, которые богаче им, чем все другие источники. Химическое строение этого витамина было установлено лишь через 36 лет после открытия, когда ему было присвоено название «тиамин». Молекула тиамина содержит пиримидиновое кольцо, связанное с гетероциклическим тиазоловым кольцом, в состав которого входит сера и азот:

В хлористоводородном соединении витамина B₁ производные этих двух веществ соединены при помощи метиленового мостика (-CH₂-):

Тиамин - это желтовато-белое кристаллическое вещество, имеющее запах дрожжей. Он растворяется в воде, плохо - в спирте. Тиамин обладает стойкостью в отношении окисления в кислой среде; менее стоек в нейтральной и совершенно нестоек в щелочной среде, превращаясь в неактивное голубовато-желтое флюоресцирующее вещество. Тиамин чувствителен к тяжелым металлам. Термостабилен, мало разрушается даже при длительном кипячении в водных растворах, особенно при pH 3-4; при обычных методах сушки не разрушается. Осуществлен синтез этого витамина.

Витамин B₂ - рибофлавин. В 1933 г. из молока было выделено вещество, окрашенное в желтый цвет, водный раствор которого обладал желто-зеленой флюоресценцией. Это вещество, а затем и другие подобные вещества, широко распространенные в животном и растительном мире, оказались пигментами - флавинами (от слова flavus - желтый), непосредственно воздействующими на процессы роста организма. Так как в состав его входит остаток спирта рибитола, он получил название рибофлавина.

Изучение строения флавинов, и в частности лактофлавина, выделенного впервые из молока, показало, что последний легко разрушается в щелочной среде под действием ультрафиолетовых лучей, распадаясь на два соединения: многоатомный спирт - рибитол, представляющий продукт восстановления сахара рибозы, и вещество, не обладающее витаминными свойствами, но сохраняющее желтую окраску, которому было присвоено название «люмифлавин». Это соединение представляет собой метилированное производное изоаллоксазина:

Таким образом, лактофлавин, или витамин B2, представляет собой флавин, в котором полициклическое ядро изоаллоксазина находится в соединении с пятиуглеродным спиртом рибитолом:

Витамин B₂ (рибофлавин) представляет собой оранжево-желтый кристаллический порошок слегка горьковатого вкуса. В воде он сравнительно плохо растворим. В кислой среде термоустойчив, в щелочной среде термоустойчивость резко снижается.

Рибофлавин обнаружен во всех клетках растительного и животного происхождения, но образуется только в растениях, откуда, например, переходит в молоко. Богаты им дрожжи как пивные, так и пекарские.

Витамин B₆ (пиридоксин). Выделен из дрожжей и отрубей, что является причиной отнесения его к группе витаминов В.

Витамин B₆ является производным пиридина и имеет формулу.

Пиридоксин представляет собой белый кристаллический порошок, без запаха, слабосоленого вкуса. Растворим в воде, плохо- в спирте и нерастворим в других органических растворителях. Термоустойчив, но легко разрушается на свету в слабокислой и нейтральной среде; обнаруживает значительную устойчивость к действию кислот и щелочей.

В тканях организма находятся два производных пиридоксина - альдегидное производное пиридоксаль и аминосоединение пиридоксамин, которые в клетках подвергаются фосфорилированию:

В основном в растениях витамин B₆ накапливается в зародышах и оболочках зерен злаков. Очень много его в дрожжевых клетках.

Витамин PP - никотиновая кислота имеет формулу

Впервые никотиновая кислота была выделена из рисовых отрубей. Она может быть получена из никотина путем его окисления. Никотин табака, попадая в организм человека, окислению не подвергается и поэтому в никотиновую кислоту не превращается. Она образует бесцветные игольчатые кристаллы слегка кислого вкуса, обладает умеренной растворимостью в воде. В водных растворах достаточно термостабильна, во всяком случае переносит нагревание в течение 1 ч при температуре 135° С, причем слабо окисляется.

Пантотеновая кислота содержится во всех клетках животных и растительных организмов, с чем связано данное этому витамину название: пантотен по-гречески означает вездесущий.

Химическое строение пантотеновой кислоты показывает, что молекула ее состоит из β-аланина и производного масляной кислоты (α-γ-диокси-β-диметилмасляная кислота):

Она представляет собой маслянистое, вязкое вещество, обладающее кислой реакцией и растворимое в воде и спирте; стойкое к действию света и кислорода, но при кипячении частично разлагается. В кислых и щелочных растворах теряет свою активность как витамина.

Пантотеновая кислота синтезируется растениями, в очень больших количествах она накапливается в оболочках зерен злаков, в том числе и в ячменном зерне.

Витамин H - биотин (биос II) -имеет широкое распространение в природе и необходим для нормального развития живых организмов; отсюда и его название (по-гречески bios - жизнь). Этот витамин является важным фактором роста дрожжей и других микроорганизмов.

Исследования химического строения биотина показывают, что он представляет собой соединение гидрированного тиофена с мочевиной и валериановой кислотой:

Биотин образует игольчатые кристаллы, хорошо растворимые в воде и спирте; при кипячении не теряет своей активности, но чувствителен к ультрафиолетовому облучению.

Биотин образует прочное, нерастворимое соединение с белками.

Инозит (биос I) также широко распространен в животном и растительном мире и играет большую роль в процессах жизнедеятельности.

Инозит представляет собой шестиатомный циклический спирт. В растительном мире чаще всего инозит содержится в виде фитина, образуя основные части всех семян, а его фосфор составляет 65-90% всего органического фосфора.

Фитин (Ca, Mg-инозитгексафосфат) представляет собой белый порошок без вкуса и запаха. В слабокислой среде он нерастворим.

В среднем 0,5-5% на 100 г сухого вещества растений составляет фитин.

Пара-аминобензойная кислота. Это один из наиболее активных витаминов: он стимулирует рост микроорганизмов при разбавлении даже в 100 биллионов раз. Имеет формулу

и представляет собой белый кристаллический порошок, растворимый в спирте, воде и эфире.

Большое значение этого витамина заключается еще и в том, что он входит в состав другого важного для организма витамина - фолиевой кислоты.

Очень богаты этим витамином дрожжи. В злаках он находится главным образом в связанном с белковыми веществами состоянии.

Фолиевая кислота (витамин B_с). Этот витамин был выделен из листьев (по латыни folium - лист), откуда и произошло его наименование. Широко распространен в природе, особенно богаты им дрожжи. В основном фолиевая кислота является фактором роста.

Изучение химического состава фолиевой кислоты показывает, что в состав ее входят птериновая группировка, пара-аминобензойная кислота и глютаминовая кислота.

Птерины являются оксипроизводными птеридина; последний же представляет собой соединение пиримидина и пиразина:

Фолиевая кислота с трудом растворяется в воде и кристаллизуется из водных растворов в слоистых интенсивно-желтых кристаллах с одной молекулой воды.

Витамин С (аскорбиновая кислота) широко распространен в растениях и животных. Основное значение имеет участие его в окислительно-восстановительных процессах, происходящих в живой клетке.

Аскорбиновая кислота существует в двух формах: аскорбиновая кислота и образующаяся из нее при окислении дегидроаскорбиновая кислота. Наличие в молекуле аскорбиновой кислоты лактоновой группировки обусловливает ее восстанавливающие свойства:

Обе формы аскорбиновой кислоты физиологически активны. Аскорбиновая кислота представляет собой белое кристаллическое вещество кисловатого вкуса, хорошо растворимое в воде, но плохо - в спирте; аскорбиновая кислота очень чувствительна к нагреванию и легко окисляется в растворах, особенно в присутствии воздуха, света и следов меди и железа.

Синтезируется аскорбиновая кислота в основном в тканях растений.

Витамины - составная часть ферментов. Многие витамины входят в состав активных групп различных ферментов; таким образом, нарушения, вызываемые недостатком того или другого витамина, могут быть следствием нарушения ферментативной активности.

Тиамин имеет большое значение в процессах использования углеводов. В результате превращений глюкозы в тканях организма образуется промежуточный продукт - пировиноградная кислота, которая в дальнейшем подвергается декарбоксилированию, которое заключается в отщеплении углекислого газа от карбоксильной группы COOH и образовании уксусного альдегида:

Этот процесс осуществляется при помощи фермента пируватдекарбоксилазы, являющейся важным ферментом углеводного обмена. Витамин Bj является существенной частью этого фермента, куда он входит в виде своего фосфорнокислого эфира. При отсутствии тиамина в тканях организма пируватдекарбоксилаза не образуется и расщепление глюкозы прекращается на стадии образования пировиноградной кислоты, которая накапливается в тканях, что ведет к отравлению организма.

Рибофлавин в соединении с фосфорной кислотой является флавинмононуклеотидом (ФМН), относящимся к группе флавиновых ферментов, обеспечивающих нормальное клеточное дыхание. Эта важная роль его связана с наличием в ядре изоаллоксазина двух двойных связей (в положении 1 и 10), по месту которых могут присоединяться два атома водорода. При присоединении водорода рибофлавин восстанавливается и может вновь окисляться, отдавая присоединенный водород другому веществу. Таким образом, рибофлавин принимает участие в окислительновосстановительных реакциях, чем в основном определяется его роль в обмене веществ организма. Восстановленный фермент теряет свою желтую окраску, при отдаче водорода он снова приобретает первоначальный желтый цвет.

Пиридоксальфосфат (производное витамина B₆) является коферментом двухкомпонентных ферментов - аминотрансфераз, катализирующих декарбоксилирование аминокислот и реакцию переаминирования.

Амид никотиновой кислоты входит в состав анаэробных дегидрогеназ, коферментом (активной группой) которых является дифосфопиридиннуклеотид (НАД). Способность этих ферментов принимать водород и электроны определяется наличием в их молекуле амида никотиновой кислоты.

Пантотеновая кислота входит в состав кофермента А, при участии которого происходит активирование уксусной кислоты, образующейся в организме, и синтез лимонной кислоты. Добавление пантотеновой кислоты к среде, в которой культивируются дрожжи, приводит к интенсивному образованию кофермента А.

Фолиевая кислота в восстановленной форме является составной частью (коферментом) ферментов, катализирующих обмен соединений, содержащих один углеродный атом в молекуле (формальдегида - HCOH и муравьиной кислоты - НСООН). В этом заключается ее участие в обмене веществ.