Функциональные свойства сухой пшеничной клейковины и взаимосвязь их с показателями качества и аминокислотным составом

Введение.
Проблема обеспечения населения белком вызывает необходимость совершенствования процессов применения белковых продуктов из растительного сырья и улучшения их функциональных свойств для коррекции пищевой, билогической ценности изделий и улучшения технологических показателей качества. Белковые продукты используются благодаря широкому набору функциональных свойств, среди которых наиболее значимыми являются способность связывать воду, жир, образовывать, стабилизировать эмульсии и пены [1, 2].

В настоящее время интерес к сухой пшеничной клейковине (СПК) высокий, так она является натуральным и, практически, единственным белковым продуктом, выпускаемым в значительных количествах в промышленных масштабах из зерновых культур. Основными направлениями использования СПК является производство муки и хлеба [3-5], но для применения ее, например, в производстве кондитерских, колбасных и других изделий осуществляют модификацию функциональных свойств различными методами [6-8].

Для характеристики качества коммерческой СПК обычно используют только показатели химического состава [9], но СПК после взаимодействия с водой, как и сырая клейковина, обладает разными реологическими характеристиками, обусловленными особенностями сорта, условиями выращивания зерна [10] или технологическими факторами производства.

Реологические характеристики могут отражаться на функциональных свойствах СПК, поэтому зная значения этих характеристик можно определить области использования, не прибегая к более трудоемким методам анализа водосвязывающей (ВСС), пенообразующей (ПОС) или жироэмульгирующей способности (ЖЭС). Если учесть, что реологические показатели сырой клейковины обусловлены, например, генетическими факторами, то возникала задача изучения взаимосвязи функциональных свойств СПК с аминокислотным составом как одного из важнейших признаков, характеризующего принадлежность к сорту пшеницы.

Цель исследований – расширение сведений о физико-химических свойствах и особенностях белков СПК для научно обоснованного использования ее в промышленности или выбора вида и условий действия различных видов энзимов для модификации функциональных свойств.

Объекты и методы исследования.
Изучение взаимосвязи функциональных и реологических показателей осуществлялось с использованием 19 образцов производства СПК компании "БM" (Kaзахстан), качество и безопасность которых подтверждены Сертификатами соответствия. Для определения аминокислотного состава использовали три образца клейковины, плученные из типичного «сильного» сорта зерна Саратовская 29 (яровая), типично «слабого» – Акмолинка 1 (яровая) и типично среднего по качеству сорта Горьковская 52 (озимая).
 

Химический состав. Содержание белка в СПК и ее фракциях определяли по методу Кьельдаля на приборе Kjeltek фирмы «Теcаtоr» (Швеция), массовую долю влаги – по ГОСТ 9404-88. Массовая доля белка в продуктах составляла 87,7-98,8 % на сухое вещество.

 Приготовление регенерированной СПК и определение ее показателей качества.
Из муки с выходом 60% вручную отмывали сырую клейковину и высушивали ее на лиофильной установке KS (Чехия). СПК из сильного сорта зерна характеризовалась как малорастяжимая, «крепкая» с показателем прибора 55 ед., СПК из среднего по качеству сорта – растяжимая, «нормальная» с показателем 70 ед. приб., из слабого – как очень растяжимая и «слабая» с показателем 100 ед. приб. Регенерацию СПК осуществляли путем замешивания шарика теста из 4±0,01 г муки с водопроводной водой при температуре 19±1^оС, последующей отлежкой его в течение 20 минут и отмыванием от крахмала под струей воды. Время отмывания – 10-15 минут. Показатели качества регенерированной СПК оценивали по выходу (ГОСТ Р 54478-2011), деформации сжатия (упругости) (Н_деф.), измеряемой на приборе ИДК-1 (ГОСТ 27839 – 88) и гидратационной способности. Для определения гидратационной способности (ГС) навеску 4±0.01 г сырой регенерированной клейковины высушивали в течение 10 минут на приборе ПИВИ-1. Расчет ГС в процентах проводили по формуле: ГС Вх100/СВ, где В – масса влаги в навеске, СВ – содержание сухого вещества в навеске.

Фракционирование белков клейковины осуществляли методом последовательного их экстрагирования.  В пробирку помещали навеску СПК, приливали 70% -ный этанол при соотношении 1:30, встряхивали 1 ч и оставляли на ночь. На следующий день вновь встряхивали 1 час и центрифугировали 15 минут при 8000хq. Центрифугат сливали, к осадку добавляли вновь такое же количество этанола и операцию повторяли еще дважды. Этанол отгоняли на роторном испарителе, глиадин лиофильно высушивали. К остатку после удаления глиадина добавляли 0,1н раствор СН₃СОН при соотношении 1:30 и проводили операции выделения растворимого глютенина при 4^оС, аналогичные стадиям получения глиадина. На роторном испарителе удаляли уксусную кислоту, остаток промывали водой и лиофильно высушивали. Остаток представлял собой нерастворимый глютенин.

  Анализ аминокислотного состава СПК и ее фракций осуществляли на хроматографе фирмы “Hitachi” (Япония) в режиме с сульфированным сополимером стирола с дивинилбензолом и ступенчатым градиентом натрий-цитратных буферных растворов с возрастающим значением рН и молярности. Образец помещали в стеклянную ампулу, добавляли смесь концентрированной соляной и трифторуксусной кислот (2:1) с 0,1% 2-меркаптоэтанолом. Пробу замораживали в жидком азоте, вакуумировали и проводили гидролиз при 155ºС в течение 1 ч. Смесь упаривали на роторном испарителе. К остатку добавляли 0,1н НСl и центрифугировали 5 мин при 8000хq.

  Определение функциональных свойств СПК. Функциональные свойства образцов СПК разного качества определяли по методикам, описанным в работе [11].
Статистическая обработка. Анализы проводились в 3-5 повторностях. Для определения доверительного интервала среднего арифметического использовали критерий Стьюдента на уровне значимости р = 0,05. Математическую обработку результатов проводили с программами Statistica 6.0, Маthematica 5.2. и TableCurve 3D v4.0.01.

Результаты и обсуждение
Зависимость функциональных свойств СПК от показателей качества.
Взаимосвязь показателей качества и функциональных свойств СПК исследована на 19 образцах разного качества. Видно, что образцы СПК отличались по показателям качества (табл.1) и по функциональным свойствам (табл. 2). Выход регенерированной СПК находился в пределах 201¸247%, деформация сжатия (Н _деф.) – 42¸79 ед. приб., гидратационная способность - 140¸186%. ВСС изменялась в пределах 2,27¸2,70 г/г; ЖСС – 0,95¸2,35 г/г; ЖЭС – 49¸67 %; стабильность эмульсии (СЭ) – 88¸116 %, ПОС и стабильность пены (СП) - 170¸227 и 55¸70 %, соответственно. Закономерности зависимостей позволили получить уравнения регрессии, адекватно описывающие взаимосвязь между функциональными свойствами с и показателями качества СПК: выходом и деформацией сжатия, - с другой. Уравнения следующие:
Пенообразующая способность, %:
ПОС = -663554.86+11657.962*x-76.618*x²+0.22337499*x³-0.00024374999*x⁴- 6.564*y+
0.058*y²; (1)
Воосвязывающая способность, г/г:
ВСС = 6222.6-212.8x+3.4x²-0.3018x³-14.2y+0.03y²; (2)
 Жироэмульгирующая способность, %
ЖЭС = - 14319-19.31x+0.33x²-0.0017x³+195.6y-0.86y²+0.0013y³; (3)
 Жиросвязывающая способность, г/г
ЖСС= - 4537.06+210.88x-3.17x²+0.0157x³+2.18y-0.01y²+1.62y³;  (4)
  где х – Н деф., ед. приб.; у – выход сырой клейковины, %.

Таблица 1
Показатели качества СПК разного качества

 

№ п/п	Выход, %	Н деф., ед. приб.	Гидратационная способность, %
1	2	3	4
1	201±1.0	42±0.2	150±1.0
2	222±0.5	50±0.5	180±1.1
3	221±1.0	53±0.5	173±0.6
4	247±2.0	62±0.2	186±0.8
5	222±0.2	65±0.7	176±0.7
1	2	3	4
6	228±0.8	71±1.0	147±0.5
7	231±0.7	70±1.0	168±0.3
8	231±0.3	70±0.4	174±0.1
9	229±0.4	72±1.0	168±0,1
10	233±0.2	72±1.0	180±0.4
11	239±0.4	72±0.5	182±1.0
12	232±0.5	73±0.7	186±0.8
13	234±0.7	73±0.8	172±0,5
14	234±0.2	73±0.2	163±0,4
15	239±0.3	73±0.5	140±0.5
16	224±0.5	75±1.0	176±0.4
17	228±0.4	75±0.6	142±0.7
18	228±0.6	75±0.7	168±1.3
19	231±0.7	79±0.7	194±0.9

Таблица 2
Функциональные свойства СПК разного качества

 

№ п/п	ВСС, г/г	ЖСС, г/г	ПОС, %	СП,%	ЖЭС, %	СЭ, %
1	2.27±0.03	0.95±0.04	210±2.0	67±0.5	59±1.0	90±1.0
2	2.33±0.02	1.86±0.03	190±3.0	66±1.0	61±1.0	111±1.0
3	2.53±0.01	2.20±0.05	195±1.0	66±0.5	63±1.5	108±2.0
4	2.39±0.03	2.32±0.06	220±2.0	70±0.5	60±1.2	103±2.0
5	2.45±0.03	2.16±0.05	200±2.0	68±1.0	49±2.5	108±1.0
6	2.46±0.05	2.20±0.03	170±1.0	63±1.0	66±2.0	93±3.0
7	2.58±0.01	2.18±0.08	173±1.0	67±1.0	60±1.0	116±2.0
8	2,66±0.02	2.26±0.04	187±2.0	66±1.0	66±2.0	91±2.0
9	2.59±0.03	2.23±0.03	193±3.0	62±1.0	59±1.0	99±3.0
10	2.49±0.03	2.24±0.05	183±1.0	60±1.0	62±2.0	100±1.0
11	2.70±0.05	2.23±0.02	200±2.0	65±1.5	60±1.0	108±2.0
12	2.42±0.04	2.21±0.01	197±1.0	61±1.0	58±1.0	106±1.0
13	2.56±0.03	2.18±0.03	210±0.0	64±0.5	61±1.0	104±1.0
14	2.40±0.07	2.20±0.05	183±0.0	60±1.0	63±2.0	95±2.0
15	2.62±0.05	2,18±0.06	197±3.0	66±1.5	61±3.0	113±2.0
16	2.67±0.03	2.30±0.04	200±1.0	55±1.0	67±3.0	90±3.0
17	2.68±0.04	2.34±0.03	193±2.0	64±2.0	66±1.0	88±1.0
18	2.49±0.01	2.20±0.08	200±3.0	65±1.5	60±1.0	93±2.0
19	2.30±0.02	2.35±0.04	213±1.0	59±1.0	58±2.0	98±1.0

Из трехмерных картин изображения зависимостей (рис. 1), следует, что наибольшими значениями ПОС обладали образцы СПК с Н деф. 70-80 ед. приб., наименьшими – с Н деф., равной 50 ед. приб. Чем слабее была регенерированная клейковина, тем ее ПОС выше.


Рисунок 1 – Взаимосвязь ПОС с упругостью и выходом СПК

Показатель ВСС также взаимосвязан с упругостью (Н_деф.) клейковины: более высокие значения ВВС имели образцы со значениями Н_деф., равными 65-75 ед. приб. (рис. 2 А). Однозначной зависимости между выходом регенерированной клейковины и ВСС, как и для ПОС, не выявлено. Данные зависимости ЖЭС СПК от исследуемых факторов, приведенные на рис. 2, Б, показывают, что самой высокой ЖЭС обладали образцы СПК с Н_деф. 70-80 ед. приб. и выходом сырой клейковины 210-220 %. Чем слабее была регенерированная клейковина и чем выход ее меньше, тем ЖЭС СПК была выше. Из картины влияния выхода и показателя деформации сжатия СПК на ЖСС следовало, что самые низкие показатели ЖСС наблюдались у образцов с Н_деф. 50 ед. приб., самые высокие – у СПК со значениями 60-65 ед. приб. Следовательно, данное свойство также можно оценивать с помощью упругости белкового комплекса СПК. Влияние выхода СПК на ЖСС незначительное, поэтому использовать его для оценки данного свойства не целесообразно. Определение гидратационной способности СПК (рис. 3) показало, что с увеличением ее значения ПОС закономерно повышалась (рис. 3, А), а ЖЭС – уменьшалась (рис. 3, Б). Коэффициенты корреляции (r) равнялись 0,78 и - 0,72, соответственно. Показатели ВСС и ЖСС клейковины не зависели от значений ее гидратационной способности.

 

Рисунок 2 – Влияние выхода и деформации сжатия СПК на ее функциональные свойства: А – ВСС; Б – ЖЭС


 

Рисунок 3 – Влияние гидратационной способности СПК на ПОС и ЖЭС
 

Зависимость функциональных свойств от аминокислотного состава СПК и ее фракций
Взаимосвязь функциональных свойств СПК с особенностями аминокислотного состава белков изучена на примере 3-х образцов разного качества (крепкая, хорошая, слабая) и основных ее фракций (глиадин, растворимый, нерастворимый глютенин). От соотношения и вида аминокислот, как известно, зависят поверхностные свойства белков, следовательно, и их функциональные свойства. Поэтому рассчитана сумма полярных (лизин, аспарагиновая, глютаминовая кислоты, аргинин) и неполярных аминокислот (глицин, фенилаланин, аланин, лейцин, метионин, изолейцин, валин валин, пролин) в СПК и ее фракциях. Коэффициенты парной корреляции, отражающие взаимосвязь показателей аминокислотного состава СПК и ее фракций с функциональными свойствами, приведены в таблице 3.

Таблица 3
Коэффициенты корреляции между функциональными свойствами СПК и суммой различных аминокислот

 

Сумма аминокислот	Функциональные свойства СПК
	Растворимость, %	ВСС, г/г	ЖСС, г/г	ЖЭС, %	ПОС, %	СП, %
1	2	3	4	5	6	7
Пшеничная клейковина и ее фракции:
Пшеничная клейковина
Полярные	-0, 96	0,54	0,95	-0,78	-0,66	0,22
Неполярные	0,98	- 0,36	- 0,76	0,86	-0,11	- 0,36
Глиадин
Полярные	-0,97	- 0,20	0,78	- 0, 84	0,21	0,21
Неполярные	-0,21	- 0,42	- 0,30	0,70	0,79	0,99
Растворимый глютенин
Полярные	0,62	- 0,67	- 0,85	- 0,62	- 0,67	0,54
1	2	3	4	5	6	7
Неполярные	0,88	0,62	- 0,92	- 0,39	0,80	0,14
Нерастворимый глютенин
Полярные	0,24	- 0,98	- 0,86	- 0,61	0,97	- 0,49
Неполярные	0,10	0,57	- 0,52	- 0,74	0,95	0,90

Установлено, что у целого комплекса СПК разного качества высокая положительная корреляция между суммой полярных аминокислот и ЖСС, высокая отрицательная – между суммой этих же аминокислот и растворимостью. Высокая взаимосвязь обнаружена для ЖЭС и суммы неполярных аминокислот (r=0,86). Для глиадина закономерности взаимосвязи суммы полярных аминокислот с ЖСС и растворимостью аналогичные закономерностям для комплекса СПК, а для суммы неполярных аминокислот выявлена дополнительная взаимосвязь: чем выше их содержалось в глиадине, тем больше ПОС, СП и ЖЭС (r=0,70±0,99). Для суммы неполярных аминокислот в растворимой фракции была высокая отрицательная корреляция с ЖСС, высокая положительная – с растворимостью и ПОС. Чем больше сумма полярных аминокислот во фракции, тем меньше значения ЖСС, ЖЭС, ПОС, но выше растворимость СПК. Функциональные свойства СПК взаимосвязаны и с особенностями аминокислотного состава нерастворимого глютенина: чем больше содержалось неполярных аминокислот, тем выше значения ПОС, СП и ЖЭС. Количество полярных аминокислот также прямо пропорционально значениям ПОС, но обратно пропорционально значениям ВСС и ЖСС.

Заключение
Разработку способов регулирования функциональных свойств СПК целесообразно осуществлять с учетом зависимости их от показателей качества и аминокислотного состава. Для растворимости белков СПК установлена высокая положительная корреляция с суммой неполярных аминокислот целой клейковины и ее фракций: глиадина и растворимого глютенина. Для ВСС СПК характерна обратная зависимость от суммы полярных аминокислот обеих фракций глютенина, для ЖСС - прямая зависимость от суммы полярных аминокислот глиадина и целой клейковины и, обратная - от суммы неполярных аминокислот глиадина. ЖЭС положительно коррелировала с суммой неполярных аминокислот целого комплекса клейковины и глиадина и отрицательно с - суммой полярных аминокислот СПК и всех ее фракций. Функциональные свойства СПК возможно предсказывать исходя из показателей качества регенерированного комплекса: гидратации и деформации сжатия (упругости), Наибольшей ПОС обладала СПК с гидратационной способностью 190-200%, наибольшей ЖЭС – с значениями 140-150%. В целях обеспечения большей ПОС целесообразно использовать СПК с Н деф. 70-80 ед. приб., большей способности эмульгировать и связывать жир – с значениями 60-80 ед. приб., связывать воду – с показателем упругости СПК 50-70 ед. приб.


Литература

1. Majzoobi, M. Effects of pH changes оn functional properties of native and acetylated wheat gluten / M. Majzoobi, E. Abedi // Journal homepage. – 2014. – V.21. – №3. – Р.1219–1224.
2. Zhang, H. The еffect of ultrasound on the functional properties of wheat gluten / H. Zhang, I.P. Claver, K.-X. Zhu, H. Zhou  // Molecules. – 2011. – V.16. – Р.4231–4240. DOI:10.3390/molecules16054231.
3. Ma, F. Qualitative еffect of аdded gluten on dough properties and quality of chinese steamed bread / F. Ma, B.-K. Baik // Cereal Chemistry. – 2017. – V.94. – №5. – Р.827–833. DOI: 10.1094/cchem-11-16-0274-R.
 4. Noorfarahzilah, M. Applications of composite flour in development of food products / M. Noorfarahzilah, J.S. Lee, M.S. Sharifudin, F.A. Mohd, M. Hasmadi // International Food Research J. – 2014. – V.21. – №6. – Р.2061–2074.
 5. Batey, I.L. Gluten and modified gluten / I.L. Batey, W. Huang // Encyclopedia of Food Grains (Second Edition). – 2016. – V.3. – Р.408-413. DOI: 10.1016/B978-0-12-394437-5.00157-1.
6. Zhang, H. Structural modification of wheat gluten by dry heat-enhanced enzymatic hydrolysis / H. Zhang, I.P. Claver, Q. Li, K. Zhu, W. Peng, H. Zhou // Food Technol. Biotechnol. – 2012. – V. 50. – №1. – Р.53–58.
7. Kolpakova, V.V. Wheat gluten proteolysis by enzyme preparations of directional action / V.V. Kolpakova, L.V. Chumikina, A.V. Vasil’ev, L.I. Arabova, A.F.  Topunov // Int. J. Agronomy and Agri. Res. – 2014. – V.5. – №2. – Р.72–86.
8. Elli, L. Imunological effects of transglutaminase-treated gluten in celiac disease / L. Elli, L. Roncoroni, M. Hils, R. Pasternack, L. Barisani, C. Terrani, V. Vaira, S. Ferrero, M.T. Bardella // Human Immunology. – 2012. – V. 73. – Р. 992–997.
9. American Association of Cereal Chemists (AACCI) / Approved Methods of the American Association of Cereal Chemists, tenth ed. AACC International. Methods, 44–15A, 46–12, 08–01, 66–50, 76–13, 30–10. (2000).
10. Колпакова, В.В. Физико-химические свойства белков пшеницы, выращенной в резко-контрастных климатических условиях / В.В. Колпакова, Е.Н. Молчанова, А.В. Васильев, Л.В.  Чумикина // Прикладная биохимия и микробиология. – 2007. – Т.43, № 3. – С. 382–389.
11. Kolpakova, V.V. Functional technological properties and electrophoretic composition of modified wheat gluten / V.V. Kolpakova, L.V. Chumikina, L.I. Arabova, D.N. Lukin, A.F. Тopunov, E.I. Titov // Foods and Raw Materials. – 2016. – 48-57. DOI: 10.21179/2308-4057-20.

Колпакова В.В., д-р техн. наук, профессор
«ВНИИ крахмалопродуктов – филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр пищевых систем имени В.М. Горбатова» РАН»,
п. Красково, Московская область
 

 

---