Биохимические процессы при хранении и переработке масличных семян в производстве растительных масел

При хранении и переработке масличных семян в производстве растительных масел наиболее важными с точки зрения их влияния на качество получаемых продуктов являются гидролитические и окислительно-восстановительные ферменты.

Гидролиз триацилглицеролов происходит под действием липаз Так как триацилглицеролы нерастворимы в воде,липазы действуют на границе раздела фаз: вода-липиды. и являются липопротеинами с гидрофильно-гидрофобными группами.

Полный гидролиз триацилглицеролов катализируется тремя липазами, первая из которых гидролизует 1,3-связи, глицероллипаза. Затем вступает в действие диацилглицероллипаза и , наконец, моноацилглицероллипаза, катализирующая гидролиз сложноэфирной связи в моноацилглицеролах.

Локализация указанных липаз в органоидах клетки различна. Триацилглицероллипаза локализована в мембране липидных сферосом. Липаза,гидролизующая моноацилглицеролы, локализована в мембранах глиоксисом прорастающих семян.. Установлено, что указанные липазы отличаются не только по характеру субстрата, но и по оптимуму рН и температуре максимальной активности.

Активность и характер действия липаз имеют важное значение в процессе подготовки к хранению и хранения масличных семян. При повышении влажности семян и повышенной температуре их хранения липазы быстро расщепляют триацилглицеролы, что приводит к повышению кислотного числа масла в семенах и ухудшению его качества.

Исследование гидролитических ферментов растительного сырья и поиски путей регулирования их активности становятся все более актуальной задачей с точки зрения сохранения запасных веществ семян и, следовательно, увеличения выхода пищевых продуктов

Потеря масличности семян при неблагоприятных условиях хранения снижает выход масла. Повышенная влажность, наличие недозрелых семян и условия теплоотдачи при их самосогревании способствуют увеличению активности ферментов, гидролизующих запасные вещества семян, в том числе и липиды. В этом случае гидролиз липидов может быть одной из причин снижения выхода масла.

М.М. Рахимов и сотрудники установили, что одним из критических условий при хранении семян с точки зрения активности липазы является избыточная влажность. Семена с влажностью до 12% могут храниться с незначительной активацией липаз. Более высокие значения влажности приводят к заметному увеличению активности липазы

Для большинства изученных сортов хлопчатника активность липазы при хранении в условиях комнатной температуры существенно не менялась. Исключение составляли опушенные сорта с влажностью 8,5 и 10 %, активность липазы которых на девятый месяц хранения повышалась соответственно на 43 и 64% и в конце хранения снизилась до первоначального уровня. При этом, как установили авторы ,повышенная влажность семян приводит при их хранении к снижению масличности.

Семена влажностью 7,5%, хранившиеся при 5 градусах по Цельсию, при комнатной температуре и 37 градусах, через 3 месяца увеличили активность липазы соответственно в 2,1, 1,9 и 1,5 раза, а влажностью 11% при тех же условиях – соответственно в 2,6, 2,8 и 4,3 раза. При доведении влажности до 16% активность при указанных температурах через 3 месяца хранения возрастает соответственно в 4,3 3,7 и 4,5 раза

На активность липазы в семенах хлопчатника влияет и такой показатель, как степень их зрелости. Наивысшая активность – у семян мелких, среди которых большое число незрелых семян. Наименьшая активность – у крупных семян хлопчатника.

Технологические процессы переработки хлопковых семян по-разному влияют на активность липаз. Обрушивание семян снижает каталитическую активность семян хлопчатника ,в результате темперирования активность фермента увеличивается .

. Липазы - однокомпонентные ферменты. По растворимости различают липазу растворимую и нерастворимую в воде. Нерастворимая липаза содержится в семенах клещевины. Оптимум ее рН 3,6. Растворимая липаза содержится в семенах большинства масличных культур. Оптимум ее рН 8.

Большинство исследований в области липаз растений относится к липазам семян. Семена обычно богаты триацилглицеролами, которые служат концентрированным источником энергии для появляющихся проростков. Во время прорастания семени запасы триацилглицеролов исчезают. Поскольку жирные кислоты не могут окисляться с образованием энергии до тех пор, пока находятся в составе триацилглицеролов, то липолитические ферменты, как предполагается, регулируют скорость прорастания. А так как прорастание обычно протекает быстро, то липолитическая активность относительно высокая.

Неактивные липазы семян в процессе дробления семян или хранения обычно активируются. Происходящее при этом накопление свободных жирных кислот может привести к тому, что используемые в промышленности масла станут непригодными или потребуется дополнительная обработка, необходимая для удаления этих кислот.

Наибольшее число работ по липазе растений, в том числе масличных, касается кислой липазы из клещевины обыкновенной.

Липаза из клещевины обыкновенной быстро гидролизует весь свой эндогенный эмульгированный субстрат, т.е. касторовое масло, которое содержит, как известно, большие количества рицинолевой кислоты. Препарат частично очищенной липазы, содержавший около 55% белка и 5% жира, полностью гидролизовал эмульгированные триацилглицеролы при рН 4,2. Аналогично многим другим липазам триацилглицеролы, содержащие только кислоты с короткой цепью, гидролизовались быстрее, чем триацилглицеролы жирных кислот с длинной цепью.

Липаза клещевины гидролизует триацилглицеролы независимо от положения эфирной связи, т.е. не обладает позиционной специфичностью.

Оптимум рН действия липаз значительно меняется в зависимости от физиологического состояния семян: у семян сои в состоянии покоя он равен 5, у прорастающих -7.Это положение верно и для семян конопли, хлопчатника, льна.

Липаза сухих масличных семян устойчива к температуре, влажный фермент быстро инактивируется. На активность влияет также и жирнокислотный состав триацилглицеролов. В частности, липаза клещевины быстрее расщепляет триацилглицеролы, содержащие остатки ненасыщенных жирных кислот, чем насыщенных.

Газовая среда заметно влияет на активность липаз. При понижении содержания кислорода в газовой среде, окружающей семена, до 1-2 % каталитическая активность липаз снижается аналогично снижению в этих условиях активности других семян

Влияние обезжиривания семян на активность фермента зависит от полярности применяемого растворителя, особенно от степени его обезвоживания

Гидролиз фосфолипидов происходит под действием ферментов фосфолипаз. Фосфолипазы в молекуле фосфолипидов гидролизуют три типа связей: сложноэфирные связи остатков жирных кислот,;эфирные связи между диацилглицеролом и замещенной фосфорной кислотой и эфирные связи между фосфорной группой и азотистым основанием.. Эти реакции катализируют различные фосфолипазы. Специфическим субстратом для всех фосфолипаз является фосфатидилхолин.

Фосфолипаза А1 гидролизует сложноэфирную связь между остатком жирной кислоты и глицеролом. Фосфолипаза А2 гидролизует сложноэфирную связь остатка жирной кислоты в другом положении. Фосфолипаза С (фосфатидилхолин-холинфосфогидролаза) гидролизует эфирную связь Между диацилглицеролом и замещенной фосфорной кислотой и относится к гидролазам фосфодиэфиров. В зависимости от замещающей группы, с которой фосфорная кислота образует вторую эфирную связь, фосфолипаза С гидролизует фосфатидилхолин, фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин и фосфатидилинозитол.

Фосфолипаза Д (фосфатидилхолин-фосфатгидролаза) также гидролизует фосфодиэфиры по эфирной связи между остатком фосфорной кислоты и азотистым основанием. Она действует на большинство фосфолипидов, кроме фосфатидилинозитолов. В растительных клетках фосфолипаза Д локализована в лизосомах. Для масличных семян наиболее велико значение фосфолипазы Д, под действием которой легкогидратируемые фосфолипиды, превращаются в трудногидратируемые фосфатидные кислоты ( точнее сказать, она единственная и присутствует в семенах). Активная фосфолипаза Д обнаружена в семенах хлопчатника и подсолнечника. Максимальная активность фосфолипазы Д в семенах подсолнечника обнаруживается при влажности семян 14-15% и температуре 50 градусов по Цельсию.

Из окислительно-восстановительных ферментов наибольшее значение для масличных семян и жиров имеет липоксигеназа. Липоксигеназа входит в 13 подкласс первого класса по Международной классификации ферментов. В этот подкласс входят ферменты, окисляющие линолевую и линоленовую кислоты с использованием кислорода. Липоксигеназа – это, как известно, тривиальное название фермента. Систематическое название : линолеат-кислород-оксидоредуктаза. В состав фермента в качестве кофактора входит железо. На одну молекулу фермента приходится одна молекула трехвалентного железа в ионной форме. Способ присоединения железа к белку неизвестен, однако известно, что атом железа не входит в состав гема. Фермент окисляет и другие полиненасыщенные кислоты, катализируя реакции окисления полиненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха с образованием перекиси ненасыщенной жирной кислоты. Специфичность этого фермента состоит в том, что действию фермента подвергаются лишь те полиненасыщенные жирные кислоты, которые содержат цис-цис1,4 – пентадиеновую группу

Процесс катализа липоксигеназой окисления линолевой кислоты начинается с отщепления атома водорода у 11 атома углерода. Образовавшийся свободный радикал перемещается к 13 атому углерода, где при дальнейшем взаимодействии с кислородом образуется гидроперекись. Образованию гидроперекиси предшествует перемещение двойной связи в сопряженное положение, что резко повышает реакционную способность жирной кислоты, которая при этом из цис-цис-формы переходит в цис-транс-изомер. К числу жирных кислот,содержащих цис-цис-1,4- пентадиеновую группу, помимо линолевой, относятся линоленовая и арахидоновая кислоты. Жирные кислоты с цис-транс- или транс-транс-конфигурациями двойных связей ферментом не окисляются.

Липоксигеназа широко распространена в растениях. Она содержится в пшенице и других злаках, в семенах масличных и бобовых растений. Соевые бобы относятся к богатейшим источникам этого фермента.

Липоксигеназа выделена в кристаллической форме и является глобулином. Оптимальные значения действия фермента находятся по активной реакции среды в пределах от 6 до 7, температурный оптимум от 20 до 30 градусов по Цельсию.

Образующиеся гидроперекиси жирных кислот имеют высокую окислительную способность благодаря наличию перекисного кислорода и могут далее окислять ненасыщенные жирные кислоты, каротин, витамин А, аминокислоты и аскорбиновую кислоту. Липоксигеназа играет существенную роль в прогоркании жиров и жиросодержащих продуктов. в том числе получаемых из растительного сырья

В растениях ферментативное окисление высших ненасыщенных жирных кислот часто сопряжено с разрушением каротина, что приводит к его потере и обесцвечиванию продукта.

Образование свободных радикалов под действием ферментов приводит к разрушению соединений, определяющих аромат пищевых продуктов. Поэтому при переработке пищевого сырья и выработке из него продуктов важны ингибиторы липоксигеназы, которые взаимодействуют с образующимися свободными радикалами. Эти ингибиторы прекращают процесс окисления, обрывая цепь превращений радикалов. В их числе – токоферолы. Липоксигеназу можно также инактивировать высокими температурами

Липолитические и окислительно-восстановительные ферменты масличных семян изучены рядом исследователей – А.М. Голдовским и сотрудниками, В.В.Ключкиным и сотрудниками, В.Н.Красильниковым , Л.В.Романовой и сотрудниками и др. . Установлено , что в процессе прямой экстракции соевой мятки липоксигеназная активность шрота снижается в четыре раза. Липоксигеназа инактивируется также механическими воздействиями на шрот.

высокая липоксигеназная активность характерна сое и очень низкая - подсолнечнику. А.М.Голдовский и О.Н.Ананьева обнаружили наиболее значительные масштабы каталитического действия фермента липазы в производстве касторового масла и довольно высокую термоустойчивость липазы в производственных условиях. Наивысшей липолитической активностью из исследованных семян обладает клещевина, низшую ступень занимает рапс .Между ними в порядке убывания располагаются в следующем порядке: хлопчатник, горчица, арахис, подсолнечник, соя, лен.

В ходе переработки семян липолитическая активность их снижается вследствие инактивирования липазы в результате ее денатурации при производственных воздействиях. При переработке семян подсолнечника по схеме форпрессование- экстракция инактивирование липазы особенно велико при жарении перед форпрессованием. Последующие операции в сумме дают меньшее инактивирование, причем в ходе самого извлечения масла при форпрессовании и экстракции оно невелико, однако сильно возрастает при удалении растворителя из шрота.

Каталитическое действие сохраняющейся неинактивированной части молекул липазы при переработке семян подсолнечника по схеме форпрессование – экстракция заметно не обнаруживается.

Часть липазы переходит в прессовые и экстракционные масла с той частью перерабатываемого материала, которая вымывается с маслом при извлечении масла. Поэтому рекомендуется быстрая и интенсивная очистка масла от этих частиц.

Относительно локализации липазы в различных анатомических частях семян установлено следующее.

На примере семян подсолнечника, хлопчатника, клещевины и сои показано отсутствие липаз в оболочках семян. Установлено также отсутствие липолитической активности масляной части семян Таким образом, липолитическая активность (фермент липаза) локализована в гелевой части.

З.М.Казанджан и В.В.Ключкин изучали изменения липолитических и окислительно-восстановительных ферментов при влаготепловой обработке сои и рекомендовали инактивировать липазу и липоксигеназу в целях сокращения гидролитической и окислительной порчи масла.

Каталаза инактивируется полностью уже при жарениии перед форпрессованием, тогда как пероксидаза полностью инактивируется при переработке семян подсолнечника только при удалении растворителя, а при переработке семян сои сохраняется и после этой операции.

По содержанию липоксигеназы (липоксигеназной активности) семена сои превосходят не только масличные, но и семена растений вообще.

Если при переработке семян подсолнечника по схеме форпрессование-экстракция липоксигеназная активность в шротах становится очень близкой или равной нулю, то при той же схеме переработки сои шрот сохраняет значительную активность фермента липоксигеназы. Исследование локализации окислительно-восстановительных ферментов показало схожие с липолитическими и протеолитическими ферментами результаты. Все исследуемые энзимы-оксидазы локализованы в гелевой части семени ( бобов), в масляной части их нет, отсутствуют они и в фильтрованных прессовых и экстракционных маслах

При хранении шротов в неблагоприятных условиях могут действовать те ферменты и микроорганизмы, которые остаются неинактивированными или неразрушенными в производстве растительных масел.

Рекомендуется инактивировать липоксигеназу в начале переработки семян сои с учетом их высокой липоксигеназной активности и наличия в триацилглицеролах масла заметного количества остатков легко окисляющейся линоленовой кислоты.

А.М. Голдовский и А.М.Мирзоев изучали протеолитическую активность семян ряда сортов восьми масличных культур: арахиса, горчицы, клещевины, льна, подсолнечника, рапса, сои и хлопчатника (перечислены в порядке алфавита).

Этими авторами оптимум рН протеаз для семян подсолнечника определен равной 5,0, а для сои - 5,2. Сравнение вышеприведенных оптимумов рН для липазы и для протеаз масличных семян показывает, что их значения очень близки.

Каталитическая активность протеаз семян подсолнечника резко возрастает при увеличении температуры от 20 до 30°С и продолжает возрастать при дальнейшем увеличении до 40°С, а при 55° она ниже, чем при 40°С, но выше, чем при 30°С.

Протеолитческие ферменты масличных семян. Локализация протеолитических ферментов в масличном семени аналогична для вышеописанных ферментов.

В общем, для недефектных семян даже теоретически вероятность локализации протеаз в масляной части исключена, так как объект их действия – белки – входит в гелевую часть.

Таким образом, чем больше удельный вес и выше масличность, тем ,при прочих равных условиях, ниже протеолитическая активность масличных семян, вычисленная на единицу их необезжиренной массы.

Наибольшей протеолитической активностью обладают семена подсолнечника, затем следуют семена льна. На приблизительно одинаковом уровне находится протеолитическая активность хлопчатника, горчицы и арахиса. Несколько меньшей активностью обладают семена клещевины и рапса. Особенно низка протеолитическая активность семян сои.

Сортовые особенности семян одной и той же культуры также оказывают некоторое влияние на протеолитическую активность.

При сопоставлении протеолитической активности и содержания белков в исследуемых объектах оказывается, что прямой связи между этими показателями не существует.

По возрастанию протеолитической активности семена разных культур располагаются в следующем порядке: соя, клещевина, рапс, хлопчатник, горчица, арахис, лен, подсолнечник.

М.И.Рязанцева и Е.П.Алешин исследуя влияние условий хранения на качество семян высокомасличного подсолнечника, обнаружили, что уже при влажности 7,5-8% изменяется набор свободных аминокислот - в семенах: уменьшается количество аспарагина и возрастает содержание отдельных аминокислот.

При самосогревании семян одновременно с полным или частичным инактивированием ферментной системы происходит разрушение этих семян. Это происходит, как известно, под действием ферментов тканевых клеток самого семени, с одной стороны, и ферментной системы микрофлоры, с другой.

Определяемый уровень протеолиза при хранении обусловливается совокупностью ферментативных и неферментативных процессов.

При возникновении и возрастании дефектности ядер масличных семян количество небелкового азота увеличивается.

Таким образом, возникновение и возрастание дефектности масличных семян в ходе их хранения при неблагоприятных условиях сопровождается различным уровнем разрушительных процессов. Наблюдаются значительные потери всех основных пищевых веществ семян. Наиболее высокими темпами идут гидролиз олигосахаридов и общие потери растворимых сахаров. Чем выше дефектность, тем белее выражены эти деструктивные процессы .

В условиях интенсивной влаготепловой обработки при переработке семян в производстве растительных масел происходят глубокие биохимические, химические и физико-химические изменения состава перерабатываемого материала. Одной из существенных сторон этих явлений, как известно, являются процессы денатурации белков. Ферментативный аппарат, являющий собой простые или сложные белки, инактивируется вследствие денатурации, однако степень этой инактивации может быть большей или меньшей, что при прочих равных условиях объясняется особенностями данного ферментного белка (или ферментных белков), а в производственных условиях различных предприятий - и особенностями технологической схемы переработки семян той или иной культуры, влаготемпературными и временными режимами, наличием или отсутствием специальных инактиваторов и т.д. Кроме того, отметим, что на степень инактивации того или иного фермента в производстве растительных масел влияет также качество перерабатываемых семян, т.е. исходная ферментативная активность этих семян.

Отметим значение исходной влажности и масличности, а также изменения этих показателей в процессе переработки семян. Тепловая денатурация белков происходит тем быстрее, чем выше влажность материала .

В ходе измельчения ядра на вальцовых станках наблюдается некоторое снижение протеолитической активности. . Уменьшение протеолитической активности продолжается и в последующих операциях. Наиболее велико оно при жарении мятки перед форпрессованием.

Последующие операции в совокупности дают меньшее инактивирование. При форпрессовании на ферментативную активность, помимо действующих при жарении, влияют дополнительные факторы: механические воздействия, приращение температуры вследствие трения, высокое давление. Все они вызывают денатурационные изменения белков и потому снижают активность ферментов.

В процессе кондиционирования перерабатываемого материала влаготепловые воздействия незначительные как по своей величине, так и продолжительности..

Наиболее высок уровень инактивации протеазного комплекса в операциях удаления растворителя из шрота. Протеолитическая активность шротов после удаления остатков растворителя составляет 4-5% от исходной активности ядра.

Активность протеолитических ферментов сои резко снижается в операциях жарения и прессования мезги, а в лепестке достигает уже нуля.

Таким образом, в процессе переработки масличных семян в производстве растительных масел имеет место инактивирование комплекса протеолитических ферментов, главной причиной которого является, по-видимому, денатурация вследствие производственных воздействий.

В.Г. Щербаков отмечает возможность расщепления белков перерабатываемого материала в производстве растительных масел. Он подчеркивает, что при температурах ,близких к 100 градусам и выше начинается разрушение макромолекул белка. Результатом процесса деструкции белков является отщепление функциональных групп с образованием таких продуктов, как аммиак, углекислый газ, и расщепление пептидных связей, сопровождающееся образованием водорастворимых азотистых веществ небелкового характера. В ряде случаев разрушение внутримолекулярных связей в белках происходит при участии ферментных систем, в частности протеолитических ферментов семян, частично сохраняющих свою активность после предшествующих технологических операций.

Многочисленными работами показана более легкая атакуемость денатурированного белка по сравнению с нативным. Это значит, что ,помимо температуры и влажности, расщеплению макромолекул белка перерабатываемого материала способствует и их денатурация.. Явление лучшего расщепления ( атакуемости) денатурированного белка по сравнению с нативным было впервые установлено Мирским и Ансоном на примере переваривания гемоглобина трипсином , причем гемоглобин переваривается этим ферментом только после денатурации и в 100 раз быстрее нативного

Содержание свободных аминокислот – конечных продуктов ферментативного и неферментативного гидролитического расщепления белковых молекул на всех этапах, начиная с операции жарения мятки, снижается, что,по-видимому, является результатом меланоидиновых реакций в условиях,весьма для этого благоприятных: высокая температура, обилие веществ, содержащих аминогруппу и достаточно высокое содержание веществ, имеющих в составе карбонильную группу.

В производстве растительных масел имеются не только все основные условия для интенсивного протекания реакций меланоидинообразования, но и превращения первичных продуктов ( водорастворимых) во вторичные ( нерастворимые) Иначе говоря, может иметь место более высокая скорость вступления свободных аминокислот в сахароаминные реакции по сравнению с их новообразованием вследствие расщепления белков.