Н.А. Шмалько (к.т.н., докторант) г. Краснодар, ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет»

Н.А. Шмалько (к.т.н., докторант)
БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПРОРАЩИВАНИИ ЗЕРНА
АМАРАНТА
г. Краснодар, ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический
университет»
Основным биохимическим процессом в прорастающей зерновке
является гидролиз высокомолекулярных соединений эндосперма, перевод их в растворимое состояние, доступное для транспортирования в
развивающийся росток. Одновременно с этим, интенсифицируется дыхательный газообмен зерна. Наиболее характерной особенностью прорастающего зерна является повышение активности всех гидролаз и оксидоредуктаз, которое часто обнаруживается еще до проявления внешних признаков прорастания.
При изучении ферментов покоящегося и прорастающего зерна
особое внимание уделяется активности амилолитических ферментов (αи β-амилазы), определяющих технологические свойства зерна. Главную
роль в механизме активации α-амилаз в прорастающих зерновках играют гибберлиновые кислоты, которые при замачивании зерна поступают
из зародыша и распределяются по зерновке, стимулируя появление αамилазы. При этом, не только эндосперм, но и алейроновый слой способен образовывать активную α-амилазу как реакция на поступление в
него гибберлинов из зародыша. При погружении алейронового слоя,
отделенного от других частей зерновки и в частности от зародыша, в
раствор гибберлиновой кислоты в нем начинает накапливаться активная α-амилаза, которая затем выделяется во внешнюю среду. Аналогичный процесс наблюдается также и в отделенном от зародыша эндосперме при инкубации его в растворе гибберлиновой кислоты.
Повышение активности α-амилазы в эндосперме зерна, лишенного зародыша, происходит как за счет биосинтеза ферментного белка
под влиянием гибберлина, так и перехода его из связанной формы в активную. И, напротив, добавление в гомогенизат эндосперма препаратов
ДНК-азы и РНК-азы (выделенных из зародыша) подавляет образование
α-амилазы вследствие разрушения полинуклеотидных цепочек соответствующих нуклеиновых кислот эндосперма, вызывая, тем самым, торможение синтеза белка α-амилазы. При этом α-амилаза непроросшего
зерна значительно более термолабильна, чем фермент из проросшего
зерна, поэтому инактирование амилазы проросшего зерна требует более
высокой температуры и продолжительного прогрева.
В процессе прорастания зерна значительно повышается как активность β-амилазы, так изменяется и ее состав. β-амилаза содержится
в зерновке как высокомолекулярный полимер, диссоциирующий при
прорастании с образованием молекул различной молекулярной массы и
разного заряда. Если в покоящемся зерне находится два типа зимогена
β-амилазы, растворимого и не растворимого в солевых растворах, а
также два типа зимогена, переходящего в раствор после обработки папаином и нерастворимого под действием этого фермента, то количество
этих четырех зимогенов по мере прорастания уменьшается, содержание
растворимой активной β-амилазы, напротив, увеличивается. Обработка
зерна гибберлиновой кислотой при прорастании ускоряет переход зимогена в активную форму, но не влияет на общее количество βамилазы.
Наряду с другими гидролазами активируется при прорастании
зерна и липаза. В прорастающих в темноте зерновках активность фермента повышается непрерывно по мере прорастания, а в прорастающих
на свету зерновках активность липазы увеличивается на ранних этапах,
а затем стабилизируется на более низком уровне, чем у зерен первой
группы. Зерно, прорастающее на свету, использует солнечную энергию
для процессов синтеза веществ в ростке, тогда как при прорастании в
темноте используется энергия, получаемая при окислении продуктов
гидролиза жира. Наибольшая концентрация липазы локализуется в
ростке, наименьшая – в корешках.
В ходе процесса увлажнения и проращивания зерна изменяются
и его физические свойства: с ростом влажности и длительности замачивания увеличивается пластичность, что приводит к снижению величины усилия, необходимого для деформации зерновки. При достижении высокой влажности (около 40%) реологические свойства зерна разных культур становятся примерно одинаковыми, что учитывается при
производстве диспергированного зерна [1].
Анализ процесса водопоглощения зерна амаранта, проводимого
при стандартных условиях (рис. 1), показал, что в первую фазу отволаживания происходит резкое повышение его влажности, что объясняется
первоначальным захватом воды плодовыми оболочками, имеющими
большое количество пор, капилляров, пустот, служащих резервуарами
для первичного накопления влаги.
Рис. 1. Водопоглощение зерна амаранта
(Шмалько Н.А., Цымбал И.М., 2008)
Вода, поглощенная плодовыми оболочками, связана непрочно и
легко может испариться. Зародыш, богатый углеводами, белками и липидами, по своей особой биологической роли и физической структуре
обладает способностью интенсивного поглощения влаги. Эндосперм,
состоящий главным образом из крахмала и белков, также способен поглощать значительное количество воды, но ее поглощение сдерживается оболочками.
При прорастании зерна амаранта происходит гидролиз высокомолекулярных соединений с образованием низкомолекулярных в две
стадии. Для первой стадии характерно некоторое снижение содержания
низкомолекулярных соединений, на второй же происходит активный
гидролиз запасных веществ. Так, на начальном этапе прорастания происходит незначительное увеличение содержания восстанавливающих
сахаров (рис. 2), что объясняется активацией процесса дыхания при
увлажнении зерна и потреблением низкомолекулярных веществ растущим зародышем.
Рис. 2. Изменение содержания восстанавливающих сахаров при
прорастании зерна амаранта
(Шмалько Н.А., Цымбал И.М., 2008)
Начиная с третьих суток проращивания, в зерновке происходит
резкий скачок содержания восстанавливающих сахаров за счет протекания активного гидролиза крахмала и полисахаридов оболочек зерна
(таблица 1). Содержание крахмала в зерновке амаранта при недельном
проращивании уменьшается на 7,3% по сравнению с его содержанием в
покоящемся зерне.
Таблица 1. Изменение состава сахаров при проращивании зерна
амаранта (в % в пересчете на сухое веществ) [2]
Продолжительность проращивания, час
Редуцирующие сахара
Общие усвояемые сахара
Раффиноза
Стахиоза
0
24
48
72
0,0 ± 0,0
0,23 ± 0,04
0,74 ± 0,02
1,22 ±0,06
3,6 ±0,4
3,2 ± 0,3
6,3 ±0,5
8,7 ± 0,7
0,67 ± 0,07
0,08 ± 0,03
-
0,26 ± 0,05
-
Исследование изменения фракционного состава крахмала при
прорастании зерна амаранта (рис. 3) показало тенденцию в сторону
увеличения содержания низкомолекулярных продуктов разложения и
снижения массовой доли амилопектина и амилозы. Начиная с четвертых суток проращивания зерна амаранта, происходит накопление более
высокомолекулярных продуктов гидролиза амилопектина, что можно
объяснить снижением активности фермента α-амилазы, который гидролизует
крахмал
с
образованием
большого
количества
низко-
молекулярных декстринов и нарастанием активности β-амилазы, гидролизующей амилопектин с образованием мальтозы и высокомолекулярных декстринов [3].
Кроме того, при проращивании зерна амаранта, уже начиная с
первых суток, происходит увеличение содержания водорастворимого
белка (рис. 4), что объясняется деполимеризацией высокомолекулярных
белковых комплексов, что выражается в повышении их растворимости,
увеличении количества свободных аминокислот и небелковых азотистых соединений. Такое протекание процесса гидролиза белков вполне
естественно, так как при прорастании должны быть мобилизированы
запасные белки зерна для использования их ростком, что приводит к
увеличению содержания альбуминов на 15% по сравнению с нативным
зерном (таблица 2) [2].
Рис. 3. Изменение фракционного состава крахмала зерна
амаранта при его проращивании
(Шмалько Н.А., Цымбал И.М., 2008)
При проращивании зерна амаранта изменяется его и витаминный
состав (таблица 3) за счет снижения массовой доли водорастворимых
витаминов (тиамина, рибофлавина, аскорбиновой кислоты, ниацина,
биотина, фолиевой кислоты), участвующих в дыхательных и метаболических процессах.
Рис. 4. Изменение содержания водорастворимого белка в зерне
амаранта при проращивании
(Шмалько Н.А., Цымбал И.М., 2008)
Таблица 3. Изменение фракционного состава белка в зерне амаранта
при проращивании (в % к общей массе белка)
Продолжительность
проращивания, час
Альбу-мины Глобу-лины
Проламины
Глютелины
Нерастворимый
осадок
0
24
48
13,9 (19,9)
5,9 (24,5)
5,5 (33,2)
15,9 (22,8)
4,2 (17,6)
1,8 (11,0)
3,0 (4,3)
1,4 (5,9)
0,4 (2,4)
20,3 (29,2)
6,2 (26,0)
4,5 (27,4)
23,1(23,3)
8,7 (25,5)
5,8 (25,5)
72
3,2 (35,1)
0,8 (7,3)
0,7 (6,2)
3,3 (26,8)
3,6 (24,4)
Высокая ферментативная активность зерна амаранта при проращивании обусловлена действием амилолитических, липолитических и
протеолитических ферментов. Суммарная активность амилаз (таблица
5) возрастает на протяжении всего процесса проращивания зерна амаранта, достигая максимума через недельный промежуток. Суммарная
активность амилолитических ферментов при проращивании зерна амаранта в 13,63 раза выше, по сравнению с покоящимся зерном, и в 1,94
раза, по сравнению с пшеничной мукой. Суммарная активность зерна
амаранта при проращивании обусловлена преимущественно активностью β-амилазы.
Таблица 4. Изменение витаминного состава зерна амаранта при его
проращивании (в % в пересчете на СВ) [2]
Продолжительность проращива-ния,
час
0
24
48
72
Тиамин
Рибофлавин
Аскорбиновая кислота
Ниацин
Биотин
Фолиевая кислота
0,093 ±
0,02
0,102 ±
0,008
0,033 ±
0,002
0,022 ±
0,004
0,18 ±
0,03
0,11 ±
0,02
0,102 ±
0,002
0,096 ±
0,003
6,5 ±
0,3
4,19 ±
0,04
2,86 ±
0,04
2,75 ±
0,02
0,93 ±
0,24
0,52 ±
0,12
0,29 ±
0,06
2,75 ±
0,02
47,5 ±
1,5
21,7 ±
0,6
12,7 ±
0,4
8,3 ±
0,2
38,9 ±
1,2
20,0 ±
0,1
11,3 ±
0,3
7,2 ±
0,2
В покоящемся зерне амаранта активность щелочной липазы
практически не отличается от активности кислой (рh=4,7), а при прорастании зерна амаранта преобладает активность щелочной липазы
(рh=8,5) (рис. 5). При проращивании зерна амаранта вплоть до вторых
суток происходит незначительное увеличение активности щелочной и
кислой липазы, далее наблюдается повышение активности щелочной
липазы. В недельный период активность щелочной липазы повышается
в 4,6 раза, кислой липазы – в 2,3 раза [4].
Таблица 5. Изменение активности амилаз зерна амаранта при его проращивании [4]
Продолжительность
проращивания зерна,
сут
0
1
2
3
4
5
6
7
Активность амилолитических ферментов, мг гидролизованного крахмала за 60 мин
1 г продукта
суммарная
α-амилазы
β-амилазы
315
181
134
375
201
174
636
303
332
820
485
334
881
434
447
1163
381
781
1368
299
1069
1797
185
1611
Рисунок 5. Изменение активности липазы зерна амаранта при его
проращивании
(Шмалько Н.А., Цымбал И.М., 2008)
При проращивании в зерне амаранта проявляют активность
нейтральные протеиназы, оптимум действия которых достигается через
24 час при температуре 40 ºС. Протеолиз осуществляют эндогенные
ферменты, состоящие из трех фрагментов с молекулярной массой 32, 42
и 64 кДа, с активностью 996 млмоль/мин г белка или 45 млмоль тирозина/ мин*г. При температуре 60 ºС протеолитические ферменты зерна
амаранта теряют активность [5].
Для интенсификации процесса проращивания зерна рекомендуется использовать активаторы, способствующие стимули-рованию процессов накопления в нем ферментов и ускорению растворения эндосперма. В качестве таковых применяют фитогормоны (ауксины, гиббереллины, цитокинины), молочную кислоту с диаммонийфосфатом,
ферментные препараты, азотсодержащие соединения и другие препараты. Для покоящегося зерна амаранта характерен промежуточный физиологический покой, поэтому наиболее стимулирующее действие при
проращивании оказывает сочетание холодной стратификации с обработкой активаторами. Например, стимулирующее действие гидроксиламина на прорастание зерна объясняется его угнетающим действием
на дыхание, что связано с образованием производных гидроксиламина,
блокирующих перенос электронов к кислороду по цитохромной цепи
дыхания [6].
Кроме того, для активации процесса прорастания зерна амаранта установлена возможность использования растворов янтарной кислоты. Известно, что янтарная кислота – это универсальный промежуточный метаболит цикла трикарбоновых и дикарбоновых кислот (цикла
Г.А. Кребса), образующийся путем окислительного декарбоксилирования из α-кетоглютаровой (щавелевоуксусной) кислоты, а под действием
фермента сукцинат-дегидрогеназы превращается в фумаровую кислоту,
участвующую в образовании аспарагиновой и глютаминовой кислот
[7].
Влияние концентрации раствора янтарной кислоты на всхожесть
зерна амаранта (сорт Харьковский) приведены на рис. 6. Очевидно, что
обработка зерна амаранта растворами янтарной кислоты, подвергнутого
предварительно холодной стратификации (хранении в течение 30 сут
при температуре 0-4 ºС), оказывает положительное влияние на всхожесть. Оптимальные условия обработки: концентрация раствора янт арной кислоты – 0,004 М, продолжительность проращивания – 5 сут.
Рис. 6. Изменение всхожести зерна амаранта при обработке янтарной кислотой (Шмалько Н.А., Цымбал И.М., 2007)
Таким образом, выявляемые при проращивании зерна амаранта
специфические биохимические особенности обуславливают его применение в пищевых технологиях в качестве полноценного сырьевого источника с высокой ферментативной активностью.
Список литературы.
1.
Бастриков Д., Панкратов Г. Изменение биохимических
свойств зерна при замачивании // Хлебопродукты, 2005. ‒ № 1. – С. 4041.
2.
Colmenares De Ruiz A.S., Bressani R. Effect of germination on
the chemical composition and nutritive value of amaranth grain // Cereal
Chemistry, 1990. ‒ Vol. 67, No. 6. ‒ P. 519-522.
3.
Изменение состояния углеводно-амилазного комплекса се-
мян амаранта при прорастании / Н.А. Шмалько, И.М. Цымбал, Ю.А.
Токарева, А.В. Жуланов, Н.А. Дроздовская // Современные проблемы
науки и образования, 2009. – № 6. – с. 15.
4.
Цымбал И.М., Шмалько Н.А., Росляков Ю.Ф. О возможно-
сти использования биоактивированных семян амаранта в хлебопечении
// Инновационные технологии в пищевой промышленности: Тез. докл. I
межд. науч.-практ. конф., 1-2.07.2008 г., Пятигорск: изд-во «РИАКМВ», 2008. – С. 34-39.
5.
Olvera-Del Villar A.E., Mora-Escobedo R., Hernández Unzón
Aislamiento y caracterización de proteasas de amaranth germinado //
Monogr/ NIA/ Inst. Nac. De investigacion y tecnologia agraria y
alimentaria. – Madrid, 1998. – N.104. – P.285-290.
6. Физиология и биохимия покоя и прорастания семян /Пер. с
англ. Н.А. Аскоченской, Н.А. Гумилевской, Е.П. Зверткиной, Э.Е. Хавкина; Под. ред. М.Г. Николаевой, Н.В. Обручевой, с предисл. М.Г. Николаевой. – М.: Колос, 1982. – 495 с.
7.
Кретович В.Л. Биохимия растений. ‒ М.: Высшая школа,
1986. ‒ 448 с.