Азотистые вещества ячменя

Азотистые вещества зерна ячменя имеют сложный химический состав. Они подразделяются на белковые вещества и аминокислоты. Белковые вещества подразделяются, в свою очередь, на простые и сложные белки.

Белковые вещества ячменя играют важную роль в технологических процессах пивоварения и влияют на качество готового продукта. Они являются питанием для дрожжей, участвуют в пенообразовании и формировании вкуса пива, влияют на стойкость пива при хранении.

Каждый белок характеризуется в зависимости:

- от числа и вида аминокислот, входящих в его состав;

- от последовательности расположения аминокислот в их соединении;

- от объемных структур, в которые упорядочены аминокислоты в молекуле протеина.

К аминокислотам, составляющим основу белков, относятся следующие: аланин, валин, лейцин, изолейцин, глицин, фенилаланин, аргинин, лизин, гистидин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, серин, треонин, тирозин, триптофан, цистенин, цистин, метионин, пролин, оксипролин.

Белки представляют собой длинные цепи остатков аминокислот, соединенных между собой пептидными связями (-СО-NН-), которые образуются в результате взаимодействия α- аминогруппы одной из аминокислот с α-карбоксильной группой другой с отщеплением воды.

На боковых цепях аминокислот находятся обычно важнейшие функциональные группы белков: сульфгидрильная (^_SH); дисульфидная (^_S—S-); аминная (-NН₂); карбоксильная (-СООН); гидроксильная (-ОН) и т.д. Эти группы обусловливают реакционную способность белка и его отдельных участков. В ячмене белки, как правило, соединены с крахмалом, полисахаридами, полифенола­ми, ионами металлов и др.

Белки легко осаждаются минеральными кислотами: салицило­вой, пикриновой, фосфовольфрамовой и фосфомолибденовой, а также солями тяжелых металлов. С рядом соединений они дают ха­рактерные реакции: биуретовую, ксантопротеиновую и т. д. На этом основаны многие количественные и качественные методы опреде­ления белка.

Белки обладают способностью связывать значительные количества воды ^_ гидратироваться. Процесс гидратации со­стоит в связывании дипольных молекул воды с ионными группами в белках.

Форма белковой молекулы может быть весьма различной: от ша­рообразной до вытянутой. В первом случае ^_ это глобулярные бел­ки, во втором фибриллярные. Глобулярные белки (основная группа белков) имеют молекулярную массу 10⁴ - 10⁵, размер 1,5 - 6,0 нм. Белки молекулярной массой 10⁵ содержат 800 - 850 аминокислот­ных остатков, длина каждого остатка составляет приблизительно 0,35 нм. Пространственная конфигурация белков определяет их биологическую активность, лежит в основе ферментативных, гор­мональных и других свойств. Различают четыре уровня простран­ственной конфигурации белковой молекулы:

1) Первичная ^_соединение аминокислот в линейной цепи.

2) Вторичная ^_ пространственное расположение полипептидной цепи в виде ά-спирали, β-складчатого слоя.

3) Третичная ^_ специфическое укладывание ά-спирали в виде глобулы или фибрилл.

4) Четвертичная ^_ соединение нескольких частиц белка с тре­тичной структурой в одну укрупненную.

Наличие всех видов структур у белков необязательно. Часто отсутствует четвертичная, либо может быть нарушена спиралевидная кон­фигурация цепей либо третичная структура.

Поддержание характерной пространственной макроструктуры частиц белка осуществляется за счет взаимодействий участков це­пей и образования между ними поперечных связей: дисульфидных, гидрофобных, электростатических, водородных (рис. 5).

Рис.5 - Связи, стабилизирующие пространственную структуру белков: 1- ионная; 2- водородная; 3 и 4 – некоторые типы ван-дер-вальсовых взаимодействий; 5 – дисульфидный мостик (ковалентная связь)

Образование дисульфидных мостиков происходит следующим образом. В присут­ствии солей железа или других катализаторов тиоловая группа ^_SH цистеина в белках легко окисляется с образованием дисульфидной группы ^_S—S^_. В молекуле белка два остатка цистеина могут об­разовывать ковалентную связь в виде дисульфидной связи. Дисульфидные связи нестабильны и легко подвергаются перегруппиров­кам.

Электростатические взаимодействия происходят между кислот­ными и основными группами аминокислот, входящих в структуру белка: концевыми, ε-аминогруппами лизина, гуанидиновыми груп­пами аргинина, имидазольными группами гистидина.

Формирование структуры биологических макромолекул кроме водородных связей определяется гидрофобными связями. Именно от последних зависят те реальные формы, которые принимают мак­ромолекулы белков. В отличие от водородных гидрофобные связи неполярные и возникают между боковыми группами белков, имею­щих углеводородную природу, без участия воды. Молекулы воды как бы выталкиваются из той сферы, в которой возникает гидро­фобное взаимодействие. К таким взаимодействиям способны ос­татки валина, лейцина, изолейцина, фенилаланина. Гидрофобные связи, как и водородные, имеют низкую величину энергии, но если их число достаточно велико, то они способны придать большой мо­лекуле устойчивую структуру.При комнатной температуре другие молекулы не могут нарушить эту структуру, но по мере повышения температуры возрастающие силы молекулярных столкновений и энергия внутримолекулярных колебаний легко вызывают разрыв как водородных, так и гидрофобных связей.

Нарушение пространственной структуры белка называется дена­турацией. Она бывает физической ^_ под действием на белок нагре­вания, облучения (ультразвук, ультрафиолетовые лучи), сильного встряхивания, растирания; химической ^_ под действием кислот, ще­лочей, органических растворителей, минеральных солей и т. д).

Таким образом, денатурация белка ^_ это изменение простран­ственного расположения пептидных цепей в молекуле белка, кото­рое возникает вследствие разрыва слабых связей при действии дена­турирующих факторов. При этом в разной степени разрушаются вторичная, третичная и четвертичная структуры белка.

Все белки по особенностям первичной структуры разделяют на две группы: протеины, или простые белки, состоящие только из ос­татков аминокислот; протеиды, или сложные белки, ^_ соединения простого белка с веществом небелковой природы (простетической группой).

Протеиды в зависимости от химической природы простетической группы разделяют на липопротеиды, гликопротеиды, хромопротеиды и нуклеопротеиды. В качестве простетической группы липопротеиды содержат жироподобные вещества — липоиды, гли­копротеиды — углевод, хромопротеиды — пигменты, нуклеопроте­иды — нуклеиновую кислоту.

Липопротеиды в большом количестве содержатся в протоплазме клеток. Типичный хромопротеид — гемоглобин. Гликопротеидами являются многие оксидоредуктазы. Нуклеопротеиды — особенно важная группа сложных белков, играющих громадную роль в жиз­недеятельности организма. Они сосредоточены преимущественно в клеточных ядрах.

Образовавшиеся в ячмене белковые вещества откладываются преимущественно:

- в алейроновом слое в виде клейковины;

- на внешней стороне эндосперма в виде физиологического или резервного белка;

- в эндосперме в виде белка, идущего на построение тканей.

Клейковина алейронового слоя частично расходуется при проращивании, частично переходит в дробину.

Количество резервного белка непостоянно, что обусловливает различный белковый состав ячменей. При солодоращении большая часть резервного белка расщепляется.

Тканевой белок, как остаток протоплазмы, откладывается преимущественно в мембранах клеток эндосперма и вместе с гемицеллюлозой и гумми входит в состав этих клеток. Это в значительной степени затрудняет растворение. Весь запас тканевого белка переходит в дробину.

Простые белки – протеины составляют в ячмене основную часть азотистых веществ с высокой молекулярной массой. Обычно их классифицируют в зависимости от растворимости в различных растворителях на четыре большие группы: альбумины, глобулины, проламины и глютелины.

Альбумины (лейкозины) ячменя – высокомолекулярные нейтральные белки, которые содержат значительное количество серы (1,6 - 2,2%). Растворимы в воде и слабых солевых растворах. Они коагулируют из этих растворов при температуре около 52 ⁰С. При кипячении сусла с хмелем полифенольные вещества хмеля ускоряют их коагуляцию. Лейкозин ячменя состоит из 16 компонентов. Область изоэлектрических точек альбуминов находится в интервале значений рН 4,6 - 5,8. Молекулярная масса в среднем 70000. Их содержание в ячмене составляет около 11% от общего содержания белка. Подвергаются ферментативному гидролизу; при кипячении полностью осаждаются.

Глобулины (эдестины) не растворяются в чистой воде, но растворяются в разбавленных растворах солей и, значит, до определенной степени растворяются в первом сусле. Их содержание составляет около 15% белка ячменя. Тепловая коагуляция глобулинов наблюдается при температуре свыше 90⁰С. Изоэлектрическая точка фракций глобулина находится в пределах рН 4,9 - 5,7. Глобулин ячменя состоит из 4-х фракций:

a - глобулин с молекулярной массой 26 000;

b - глобулин – 100 000;

g- глобулин – 166 000;

d - глобулин – 300 000.

Причем различные фракции его локализуются в различных частях ячменя: γ – в зародыше, α- и β- в алейроновом слое. β-фракция самая большая среди глобулинов – 50 – 80%. Во время солодоращения количество β-фракции не изменяется, в то время как количество a- и g-глобулинов уменьшается, δ - фракции в солоде уже нет.

Количественное содержание фракций глобулина (в процентах от общего содержания глобулина) следующее: a - 3,5; b -3,5; g- 2,5; d - 1,5;

Особое внимание уделяется в пивоварении b-глобулину. Он более устойчив к нагреванию и труднее, чем альбумин, коагулирует из растворов. Он начинает коагулировать только при 90 ⁰С. Кроме того, b-глобулин образует с полифенольными веществами соединения, вызывающие помутнения в пиве. Это очень реакционноспособный белок, что ускоряет его выпадение в осадок в готовом пиве. Кроме того, глобулин содержит серу, в виде сульфгидрильных групп – SH -, что также способствует выпадению в осадок этого белка в готовом пиве.

Проламины (гордеины) являются исключительно растительными белками и составляют около 37% ячменного белка. Они не растворяются в чистой воде и растворах солей, но растворяются в 50 - 90% этиловом спирте. При гидролизе сильными кислотами (серная и соляная) дают сравнительно большие количества глютаминовой кислоты и пролина. Молекулярная масса 27500.

Гордеин состоит из 5 различных компонентов (a, b, g, d, e), из которых d- и e-гордеин наиболее неблагоприятно воздействуют на коллоидную стойкость пива. Гордеину ячменя сопутствуют полифенолы – антоцианогены, соединенные с ним адсорбционными и химическими связями. С увеличением содержания белка в ячмене особенно возрастает количество гордеинов. Гордеин в основном остается в пивной дробине, однако отмечено присутствие этого белка в помутнении готового пива.

Ячменный глютелин (примерно 30% от общего содержания белка) не- растворим в воде, в разбавленных солевых растворах и спирте; растворяется в разбавленных растворах щелочей (0,2% растворах NаОН и КОН). Содержится в основном в алейроновом слое, гидролизу не подвергается, переходя в дробину неизменным. При гидролизе сильными кислотами глютелин образует большое количество глютаминовой кислоты и лейцина.

Содержание вышеперечисленных простых белков в ячмене составляет: альбумины – 0,4-0,5%, глобулины - 3%, проламины – 3-4%, глютелины – 3-4%, аминокислоты – 0,5-0,6%.