Исканда р анварович исследование белкового и ферментативного комплекса бобовых культур таджикистана
На правах рукописи
Асатуллоев Искандар Анварович
ИССЛЕДОВАНИЕ БЕЛКОВОГО И ФЕРМЕНТАТИВНОГО КОМПЛЕКСА БОБОВЫХ КУЛЬТУР ТАДЖИКИСТАНА
Специальность 05.18.01 – Технология обработки, хранения и
переработки злаковых, бобовых культур,
крупяных продуктов, плодоовощной
продукции и виноградарства
Специальность 03.00.04 – Биохимия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2008
Работа выполнена на кафедре «Биохимия и зерноведение» ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Карпиленко Геннадий Петрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Мельников Евгений Михайлович
ГОУ ВПО «Московский государственный
университет пищевых производств»
доктор биологических наук, профессор
Голенков Виктор Федорович
Российский государственный торгово-
экономический университет
Ведущая организация: Российский государственный аграрный
университет – МСХА им. К.А. Тимирязева
Защита состоится «28» февраля 2008 г. в ____ часов
на заседании диссертационного совета Д 212.148.03 по защите докторских и кандидатских диссертаций при ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 11, ауд. 229, корпус А.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП
Автореферат разослан «___» января 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
к.т.н. доцент Белявская И.Г.
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
- Актуальность темы. Нут (Cicer arietinum) – ценнейшая бобовая культура, известная с древнейших времен. Она широко используется в питании населения различных стран, особенно, странах Азии, в том числе и странах Среднеазиатского региона. Пищевая ценность семян нута обусловлена благоприятным сочетанием в семенах белков, жиров и углеводов, макро- и микроэлементов, витаминов и других биологически активных веществ. Зерно в зрелом виде содержит 18 – 31% белка, 6% жира, 46 – 48% крахмала, 84 – 86% сухих веществ, 19,9% азотистых веществ, 3,8% золы.
В настоящее время рост производства зернобобовых культур в сочетании с улучшением их биохимических показателей и технологических достоинств – одна из сложных и ответственных задач растениеводства. В то же время изучение сложных физиологических процессов, протекающих в семени на разных этапах его развития позволят найти подходы к направленному формированию биохимических показателей качества семян. Одним из таких важнейших процессов является протеолиз запасных белков при прорастании. В нем могут принимать участие как ферменты, содержащиеся в созревших семенах, так и ферменты, синтезирующиеся de novo при прорастании.
Семена нута богаты белком, однако их протеолитические ферменты практически не изучены. В семенах нута показано наличие белковых ингибиторов протеаз, но все они являются ингибиторами экзогенных протеолитических ферментов. Вопрос о взаимодействии белковых ингибиторов протеаз семян нута с собственными протеолитическим ферментами, а следовательно, и об их роли в регуляции процесса протеолиза запасных белков при прорастании семян нута остается открытым.
1.2. Цель и задачи исследования. Целью работы является изучение белкового и протеолитического комплекса семян нута, выращенного в Таджикистане, а также выяснение возможных механизмов регуляции их активности в покое и при прорастании.
В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:
- провести оценку технологических показателей качества семян нута сортов «Таджикский» и «Джалалабадский», выращенных в условиях Таджикистана;
- охарактеризовать белковый комплекс семян нута исследуемых сортов;
- выделить и охарактеризовать нейтральные и щелочные протеазы семян нута;
- изучить взаимодействие протеолитических ферментов семян нута с белковыми ингибиторами протеаз;
- исследовать изменение активности протеаз семян нута и их белковых ингибиторов при прорастании.
- Научная новизна. Показано наличие в созревших семенах нута протеолитических ферментов разного типа, действующих в нейтральной и щелочной областях рН. Проведена очистка нейтральной тиоловой протеиназы с оптимумом рН действия 7,0. Выделен и охарактеризован ранее не описанный в литературе фермент с оптимумом рН действия 10,0. Показано, что щелочная протеиназа относится к ферментам серинового типа.
Установлено, что нейтральные и щелочные протеиназы семян нута активно гидролизуют запасные белки покоящихся семян.
Впервые показано, что белковые ингибиторы в семенах нута взаимодействуют с эндогенными протеолитическими ферментами участвуют в регуляции их активности в покоящихся и прорастающих семенах.
- Практическая значимость работы. Семена нута имеют многоцелевое использование, и в разных технологических операциях состояние белково-протеиназного комплекса играет весьма существенную роль. Так, нутовая мука используется в хлебопечении и при производстве кондитерских изделий, как компонент, повышающий пищевую ценность и вкусовые качества готового продукта. Выявленная способность нейтральных протеиназ семян нута гидролизовать белки пшеницы позволит наметить подходы к управлению процессом протеолиза в условиях тестоведения.
Разработана схема выделения нейтральных и щелочных протеиназ и их белковых ингибиторов из семян нута. Получены препараты нейтральной и
щелочной протеаз со степенью очистки 1132 и 547 раз соответственно.
Полученные данные могут быть использованы в селекции нута для получения семян с заданными особенностями белково-протеиназного комплекса.
Показана возможность замены пшеничной муки на нутовую в количестве 10% при выпечке хлеба, при этом происходит увеличение удельного объема формового хлеба, улучшается окраска и структура корок, сохраняются другие органолептические показатели качества.
- Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на III Юбилейной международной выставке-конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2005); V Ежегодной международной молодежной конференции ИБХФ РАН – ВУЗы «Биохимическая физика» (Москва, 2005); IV Международной конференции-выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2006).
1.6. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.
1.7. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов и библиографии. Работа изложена на 128 страницах текста, содержит 22 таблицы и 25 рисунков. Список литературы включает 151 источник.
2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
В обзоре литературы обобщены литературные данные о распространении и значении культуры нута, пищевой ценности семян нута. Проанализированы особенности белково-протеиназного комплекса бобовых культур, в том числе и семян нута. Рассмотрены вопросы, связанные с ролью белковых ингибиторов протеолитических ферментов в регуляции активности протеаз в покое и прорастании.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
3.1. Материалы и методы исследования
При проведении исследований были использованы образцы семян нута
(Cicer arietinum) сортов «Таджикский» и «Джалалабадский», урожая 2005 года, выращенных в условиях Таджикистана.
В исследуемых образцах ячменя физические, химические, физиологические показатели качества определяли в соответствии с действующими ГОСТами. Содержание водорастворимого белка определяли по методу Лоури (Lowry et al., 1951). Активность протеаз определяли модифицированным методом Ансона (Anson, 1938) по начальной скорости реакции. Ингибирующую активность определяли по остаточной активности протеаз (Витол, 1986). Для выделения протеаз и их белковых ингибиторов, а также для определения их молекулярной массы использовали метод гель-хроматографии на колонке с TSK-gel Toyoperl HW-55F. Проращивание семян нута проводили согласно методике, предложенной А.Д. Шутовым и И.А. Вайнтраубом (1972).
3.2. Характеристика объекта исследования
В таблицах 1 и 2 представлены данные, характеризующие физические и химические показатели качества исследуемых образцов семян нута, которые имеют важное значение для оценки их технологических достоинств.
Таблица 1
Физические показатели семян нута
| № | Показатели | сорт «Таджикский» | сорт «Джалалабадский» |
| 1 | Натура, г/л | 799 | 794 |
| 2 | Масса 1000 зерен, г | 340 | 330 |
| 3 | Крупность | мелкосемянной | мелкосемянной |
| 4 | Содержание сорной примеси, % | 0,5 | 0,5 |
| 5 | Содержание зерновой примеси, % | отсутствует | отсутствует |
По физическим показателям исследуемые образцы семян нута могут быть отнесены к I типу в соответствии с ГОСТом 8758 – 76, который распространяется на нут, заготовляемый и поставляемый для продовольственных и кормовых целей.
Таблица 2
Химические показатели семян нута
| № | Показатели | сорт «Таджикский» | сорт «Джалалабадский» |
| 1 | Массовая доля влаги, % | 13,4 | 13,6 |
| 2 | Массовая доля крахмала, % | 43,8 | 46,4 |
| в т. ч.: Массовая доля амилозы, % Массовая доля амилопектина, % | 45,5 53,5 | 34,8 65,2 | |
| 3 | Общий белок по Къельдалю (N х 6,25), % | 27,8 | 28,4 |
| 4 | Зольность, % | 4,3 | 3,9 |
Показатели содержание крахмала, белка и зольность исследуемых образцов зерна находятся на уровне средних показателей для этой культуры. Однако фракционный состав крахмала существенно отличается от средних значений для бобовых культур (20 – 30% амилозы и 70 – 80% амилопектина). Так, содержание амилозы в семенах нута сорта «Таджикский» составляет 45,5%, что превышает средний уровень содержания амилозы в семенах бобовых культур и соответствует уровню содержания амилозы в мозговых сортов гороха.
3.2.1. Характеристика белкового комплекса семян нута
Содержание белка в семенах нута зависит как от сортовых особенностей, так и от условий произрастания. Проведенные исследования показали, что исследуемые образцы отличаются содержанием общего белка, определяемого методом Къельдаля (сорт «Таджикский» – 43,8%; сорт «Джалалабадский» – 46,4%) и водорастворимого белка, определяемого методом Лоури (сорт «Таджикский» – 14,2 мг/мл; сорт «Джалалабадский» – 15,8 мг/мл). Однако названные факторы могут оказывать влияние и на соотношение отдельных белковых фракций.
- Фракционирование белков семян нута по растворимости
Изучение количественного соотношения и свойств различных фракций белковых веществ зерна представляет наряду с теоретическим интересом и большой практический интерес для технологий, использующий зерно в качестве сырья. Однако, несмотря на многочисленные исследования, многие вопросы остаются до сих пор до конца невыясненными. Это объясняется, с одной стороны, чрезвычайно сложной структурой белковых веществ, и различием в методическом подходе разных исследователей с другой стороны.
Таблица 3
Фракционный состав белков семян нута, (% от общего содержания белка)
| Образец | Белковая фракция | |||
| Альбумины | Глобулины | Глютелины | Проламины | |
| сорт «Таджикский» | 12,0 | 68,7 | 14,2 | 5,0 |
| сорт «Джалалабадский» | 12,6 | 77,4 | 7,8 | 2,2 |
Приведенные в табл. 3 данные показывают существенные различия в содержании отдельных белковых фракций, различающихся своей растворимостью. Белки семян нута сорта «Джалалабадский» отличаются более высоким содержанием глобулиновой фракции (примерно на 12,5%) и более низкими значениями фракций глютелинов и проламинов (на 55% и 56% соответственно) по сравнению белками семян нута сорта «Таджикский». При этом альбуминовая фракция белков исследуемых образцов находится на одинаковом уровне и составляет 12 – 12, 6%.
- Фракционирование белков семян нута методом гель- хроматографии на колонке с TSK – gel Toyopearl HW – 55F
Фракционирование белков семян нута проводили на колонке с TSK – gel Toyopearl HW – 55F. Для оценки молекулярной массы полученных белковых фракций колонка была предварительно откалибована стандартными метчиками с известной молекулярной массой. На колонку, заполненную гелем Toyopearl HW – 55F, наносили 5 мл водного экстракта, полученного при соотношении размолотое зерно – вода 1:10. Элюцию проводили дистиллированной водой. Фракционирование проб осуществляли на коллекторе фракций «ULTRARAC» фирмы LKB (Швеция), при 40С в холодильной камере «Colora». Объем собираемых фракций – 4 мл. Регистрацию оптической плотности элюата во всех фракциях осуществляли при длине волны 280 нм на спектрофотометре. Профиль элюции представлен на рис. 1.
Рис. 1. Фракционирование водорастворимых белков семян нута сорта «Джалалабадский» на колонке с TSK – gel Toyopearl HW – 55F
Полученные результаты показывают, что водорастворимые белки семян нута характеризуются большим разнообразием фракций различной молекулярной массы, варьируемой от 700000 до 1000 Дальтон. Выявлены семь основных хроматографических пиков, которые характерны для белков определенной молекулярной массы. Определение молекулярной массы этих белков проводили графическим методом с использованием калибровочной кривой. Белки, выходящие со свободным объемом колонки (I пик), вероятнее всего представляют собой агломераты. Значительную часть анализируемых белков составляют белки с молекулярной массой 20000015000 Дальтон (I – IV пики). Обнаружены три минорные фракции низкомолекулярных белков и пептидов с молекулярной массой 8500 (V пик); 2000 (VI пик) и 15001000 (VII пик) Дальтон, что соответствует в среднем 7568 и 168 аминокислотным остаткам.
3.3. Характеристика протеолитических ферментов семян нута
Изучение протеолитических ферментов семян нута проводили на образцах семян нута сорта «Джалалабадский», урожая 2005 г.
Экспериментально было установлено, что наиболее полное извлечение нейтральных и щелочных протеаз семян нута достигается при концентрации соды 0,03 – 0,05%, а также, что нейтральные и щелочные протеазы извлекаются практически полностью в первые 2 – 3 мин интенсивного перемешивания. Увеличение длительности экстракции приводит к увеличению в растворе содержания балластных белков.
3.3.1. Определение оптимума рН и температуры протеаз семян нута
Проведенные исследования показали, что в покоящихся семенах нута содержатся протеазы, различающиеся по оптимуму своего действия при гидролизе бычьего сывороточного альбумина (рис. 2).
Одни из них имеют оптимум при рН 7,0 (нейтральные протеазы), другие – при рН 10,0. Кривые рН зависимости имеют четко выраженные оптимумы, и даже небольшое изменение рН приводит к резкому снижению активности. Проведенные исследования показали, что исследуемые нейтральные и щелочные протеазы семян нута имеют одинаковый температурный оптимум 40 0С (рис. 3).
Рис. 2. Влияние рН реакциионной смеси на активность протеаз семян нута
Рис. 3. Влияние температуры на активность протеаз семян нута
Для частичного разделения ферментов использовали способ ступенчатого осаждения с изменением рН от 9,0 до 4,0 (рис. 4).
При подкислении до 6,0 осаждались преимущественно нейтральные протеазы, при дальнейшем подкислении до 5,0 – щелочные. При этом удельная активность протеаз, действующих в нейтральной зоне рН, возросла (по сравнению с исходным экстрактом) в 14,8 раз, а щелочных в 3,0 раза Белки семян нута максимально осаждались в интервале 6,0 – 5,0.
Рис. 4. Ступенчатое осаждение протеаз семян нута при подкислении содового экстракта
3.4. Очистка протеаз семян нута и характеристика очищенных препаратов
На основании проведенных исследований была разработана схема выделения и очистки протеаз семян нута.
По приведенной на рис. 5 схеме, были получены препараты нейтральных и щелочных протеаз, очищенных соответственно в 1132 и 547 раз (табл. 4 и 5).
ИЗМЕЛЬЧЕННЫЙ МАТЕРИАЛ
экстракция
0,35% раствором соды (1)
ЭКСТРАКТ
подкисление до рН 6,0 (2)
ОСАДОК НАДОСАДОЧНАЯ ЖИДКОСТЬ
(нейтральные протеазы)
подкисление до рН 5,0 (3)
перерастворение
в буфере рН 7,5 ОСАДОК
(щелочные протеазы)
РАСТВОР перерастворение
НЕЙТРАЛЬНЫХ в буфере рН 7,5 (4)
ПРОТЕАЗ
гель-хроматография на
на колонке с TSK–gel
Toyopearl HW – 55F
РАСТВОР
ЩЕЛОЧНЫХ ПРОТЕАЗ
НЕЙТРАЛЬНЫЕ
ПРОТЕАЗЫ гель-хроматография на
на колонке с TSK–gel
Toyopearl HW – 55F (5)
ЩЕЛОЧНЫЕ
ПРОТЕАЗЫ
Рис. 5. Схема выделения протеаз из семян нута
Таблица 4
Очистка нейтральных протеаз семян нута
| Этап | Содержание белка, мг/мл | Активность протеаз, А280 | Удельная активность, А280 / мг белка | Степень очистки |
| 1. Экстракция 0,35% Na2CO3 | 20,6 | 0,110 | 0,0053 | 1 |
| 2. Подкисление до рН 6,0 | 14,8 | 0,180 | 0,0120 | 14,8 |
| 3. Гель-хроматография | 0,010 | 0,060 | 6,0 | 1132 |
Таблица 5
Очистка щелочных протеаз семян нута
| Этап | Содержание белка, мг/мл | Активность протеаз, А280 | Удельная активность, А280 / мг белка | Степень очистки |
| 1. Экстракция 0,35% Na2CO3 | 20,6 | 0,150 | 0,0073 | 1 |
| 2. Подкисление до рН 6,0 | 14,8 | 0,200 | 0,0135 | 1,84 |
| 3. Подкисление до рН 5,0 | 10,0 | 0,220 | 0,0220 | 3,01 |
| 4. Гель-хроматография | 0,020 | 0,080 | 4,0 | 547 |
3.4.1. Характеристика нейтральных протеаз нута
Полученный препарат нейтральных протеаз был охарактеризован по ряду показателей: оптимуму рН, влиянию активаторов и ингибиторов, молекулярной массе (табл. 6).
Таблица 6
Характеристика нейтральных протеаз
| Показатель | Частично очищенный препарат нейтральных протеаз (степень очистки 14) | Нейтральные протеазы (степень очистки 1100) |
| Оптимум рН | 7,0 | 7,0 |
| Влияние цистеина: 1,0 мг/мл 2,0 мг/мл | активирует на 50 % на 100 % | активирует на 50 % на 100 % |
| Влияние п-ХМБ: 0,5 мг/мл 1,0 мг/мл | ингибирует на 30 % на 65 % | ингибирует на 100 % на 100 % |
| Влияние ДПФФ 0,54 мМ | не ингибирует | не ингибирует |
| Влияние ФМСФ 1,82 мМ | не ингибирует | не ингибирует |
| Молекулярная масса | – | 70000 |
Нейтральные протеазы могут быть классифицированы как тиоловые ферменты, с молекулярной массой 70000 Да и оптимумом рН действия 7,0.
3.4.2. Характеристика щелочных протеаз нута
Полученный препарат щелочных протеаз был охарактеризован по ряду аналогичных показателей (табл. 7).
Таблица 7
Характеристика щелочных протеаз
| Показатель | Частично очищенный препарат щелочных протеаз (степень очистки 3) | Щелочные протеазы (степень очистки 547) |
| Оптимум рН | 10,0 | 10,0 |
| Влияние цистеина: 1,0 мг/мл 2,0 мг/мл | активирует на 20 % на 30 % | активирует на 40 % на 40 % |
| Влияние п-ХМБ: 0,5 мг/мл 1,0 мг/мл | ингибирует на 5 % на 10 % | ингибирует на 10 % на 10 % |
| Влияние ДПФФ 0,54 мМ | ингибирует на 80 % | ингибирует на 100 % |
| Влияние ФМСФ 1,82 мМ | ингибирует на 60 % | ингибирует на 100 % |
| Молекулярная масса, Да | – | 35000 |
Щелочные протеазы следует отнести к сериновым ферментам, с молекулярной массой 35000 Да и оптимумом рН действия 10,0.
3.5. Белковые ингибиторы протеаз из семян нута
Известно, что в семенах бобовых культур, в том числе и в семенах нута, содержится большое количество различных ингибиторов протеаз. Для большинства из них показана способность подавлять активность пищеварительных протеиназ – трипсина, химотрипсина, а также протеиназ микробного происхождения Изучению взаимодействия белковых ингибиторов с эндогенными протеолитическими ферментами посвящено лишь небольшое количество работ. В литературе отсутствуют данные по изучению взаимодействия белковых ингибиторов из семян нута с собственными протеолитическими ферментами.
3.5.1. Выделение белковых ингибиторов
Выделение фракции белковых ингибиторов проводили из семян нута сорта «Джалалабадский» при экстракции водой в соотношении 1 : 10 и подкислении водного экстракта до рН 5,0 с целью удаления протеаз и дальнейшего подкисления до рН 3,0. Ингибирующую активность оценивали по подавлению активности частично очищенных препаратов протеаз нута и трипсина. Из графиков, представленных на рис. 6, видно, что белковая фракция, выделенная при подкислении в интервале 5,0 – 3,0 обладает ингибирующей активностью к собственным нейтральным и щелочным протеазам, так и к трипсину.
Рис. 6. Влияние ингибиторов, выделенных из семян нута
на активность собственных протеаз и трипсин
- Гель-хроматография ингибиторов протеаз на колонке c TSK – gel Toyopearl HW – 55F
Метод гель-хроматографии использовали для фракционирования белковых ингибиторов, полученных путем подкисления водного экстракта в интервале рН от 5,0 до 3,0. На колонку, заполненную Toyopearl gel HW-55F, наносили 5 мл образца. Элюцию проводили дистиллированной водой. Объем собираемых фракций 4 мл. В полученных фракциях регистрировали содержание белка при 280 нм и проверяли на ингибирующую активность по отношению к нейтральным и щелочным протеазам, а также к трипсину. Профиль элюции белков представлен на рис. 7.
Были выявлены шесть основных хроматографических пиков, причем большая часть белка была сосредоточена во фракциях 17 (объем элюции – 68 мл) и 18 (объем элюции – 72 мл).
Однако вся ингибирующая активность по отношению к трипсину была сосредоточена в 23 фракции, а ингибирующая активность по отношению к нейтральным и щелочным протеазам семян нута в 27 фракции. При этом произошло разделение белкового ингибитора трипсина и ингибиторов собственных протеолитических ферментов. Для определения молекулярной массы ингибиторов использовали калибровочный график.
Рис. 7. Фракционирование ингибиторов из семян нута методом
гель-хроматографии на колонке с TSK – gel Toyopearl HW – 55F
Полученные данные свидетельствуют о том, что белковая фракция, проявляющая активность по отношению к трипсину выходит с объемом элюции 92 мл и имеет молекулярную массу 25000 Дальтон, а белковые ингибиторы собственных протеаз семян нута элюируются с объемом 108 мл, их молекулярная масса около 8000 Дальтон.
3.5.3. Схема выделения белковых ингибиторов протеаз из семян нута
На основании проведенных экспериментов была разработана схема выделения белковых ингибиторов из семян нута, которая включает следующие этапы (рис. 8).
В результате выделения и очистки по предложенной схеме, удельная активность нейтральных протеаз нута возросла в 1800 раз, а щелочных протеаз – в 1400 раз.
ИЗМЕЛЬЧЕННЫЙ МАТЕРИАЛ
экстракция водой (1)
ВОДНЫЙ ЭКСТРАКТ
подкисление до рН 5,0 (2)
ОСАДОК НАДОСАДОЧНАЯ ЖИДКОСТЬ
(протеазы) (ингибиторы)
подкисление до рН 3,0 (3)
ОСАДОК
перерастворение
в буфере рН 7,5 (4)
РАСТВОР ИНГИБИТОРОВ
гель-хроматография на
на колонке с TSK–gel (5)
Toyopearl HW – 55F
ИНГИБИТОР ИНГИБИТОРЫ
ТРИПСИНА ПРОТЕАЗ НУТА
Рис. 8. Схема выделения белковых ингибиторов протеаз из семян нута
- Действие протеолитических ферментов семян нута
на белки нута и пшеницы
Способность протеолитических ферментов семян растений гидролизовать собственные белки, является чрезвычайно важной и позволяет понять физиологическую роль этих ферментов, их участие в метаболизме семени.
На рис. 9 представлены кривые хода реакции протеолиза белков нута нейтральными протеазами.
В течение первых 60 мин реакции протеолиза содержание водорастворимых белков увеличивается пропорционально количеству внесенного фермента. Аналогичная картина наблюдается при действии щелочных протеаз семян нута. При этом скорость накопления водорастворимых белков под действием щелочных протеаз примерно в 2 раза выше, чем при действии нейтральных протеаз.
Рис. 9. Действие нейтральных протеаз на белки семян нута
Полученные данные свидетельствуют о том, что нейтральные и щелочные протеазы, выделенные из покоящихся семян нута, способны гидролизовать собственные (немодифицированные) белки, а эндогенные белковые ингибиторы протеаз выполняют в этом процессе регуляторную функцию. Изучение действия частично очищенного препарата нейтральных протеаз на белки пшеницы проводилось без предварительного удаления ингибиторов из пшеничной муки.
Рис. 10. Действие нейтральных протеаз на белки пшеничной муки
Представленные на рис.10 кривые хода реакции протеолиза белков пшеницы нейтральными протеазами семян нута показывают, что за 60 мин реакции протеолиза количество водорастворимых белков увеличивается пропорционально количеству внесенного фермента.
Полученные данные косвенно свидетельствуют о том, что нейтральные протеазы семян нута не взаимодействуют с белковыми ингибиторами протеаз пшеницы, поскольку активно гидролизуют белки пшеницы без предварительного удаления ингибиторов. Проведенные исследования показали, что нейтральные и щелочные протеазы семян нута способны осуществлять протеолиз собственных белков при удалении ингибиторов протеаз, а нейтральные протеазы семян нута активно гидролизовать белки пшеницы даже в присутствии ингибиторов.
3.7. Изменение активности протеолитических ферментов и их
белковых ингибиторов при прорастании семян нута
В отношении участия белковых ингибиторов нет единства взглядов исследователей. Одни считают, что обнаруживаемые в семенах растений белковые ингибиторы протеаз не связаны с регуляцией протеолиза запасных белков, другие напротив считают эту функцию ингибиторов основной.
Работы, проведенные на кафедре «Биохимия и зерноведения» показали наличие в семенах растений различных форм белковых ингибиторов, способных подавлять активность эндогенных протеолитических ферментов, относящихся к разным типам. Эти данные указывают на участие ингибиторов в регуляции активности протеаз в метаболизме семени (Попов, Шаненко, 1980; Типисева, 1984; Витол,1986; Колеснов,1987).
Опыты по изучению изменения протеолитической и ингибирующей активности проводили на семядолях прорастающих семян нута с 1-х по 9-е сутки проращивания. Протеазы выделяли путем ступенчатого осаждения при подкислении содового экстракта.
Ингибиторы протеаз выделяли из водного экстракта после осаждения протеаз при подкислении в интервале рН 5,0 – 3,0. Полученные данные представлены в табл. 8.
Из данных табл. 8 следует, что при прорастании активность нейтральных и щелочных протеаз изменяется неодинаково.
Нейтральные протеазы увеличивают свою активность, причем наибольший прирост активности наблюдается на стадии набухания семян нута (1,5 суток проращивания) – 44,7 % и на стадии появления проростка длиной от 1 до 5 мм (3 суток прорастания) – 75,6 %.
Для щелочных протеаз картина изменения активности при прорастании – противоположная. На стадии набухания и на ранних стадиях прорастания активность щелочных протеаз уменьшается незначительно. На 9-е сутки прорастания при длине проростка 8 – 10 мм активность щелочных протеаз падает и составляет 49,7% от исходной активности покоящихся семян нута.
Взаимосвязь автолитических процессов и активности ингибиторов при прорастании для бобовых культур была показана только для чины, сои, и фасоли (Бенкен и др., 1977; Типисева, 1984; Витол,1986).
Ингибирующую активность определяли по остаточной активности протеаз. При этом протеазы выделяли из покоящихся семян нута, а их белковые ингибиторы из семян на разных стадиях прорастания.
Данные, представленные в табл. 8 демонстрируют, что при прорастании семян нута активность ингибиторов нейтральных и щелочных протеаз резко падает, причем темпы падения активности ингибиторов щелочных протеаз
Таблица 8
Изменение активности протеаз и их белковых ингибиторов при прорастании семян нута
| Время прорастания, сутки | Физиологическая стадия | Средняя масса семени, г | Активность протеаз | Активность ингибиторов, % | ||||
| нейтральных | щелочных | нейтральных протеаз | щелочных протеаз | |||||
| А 280 на одно семя | % от исходной | А 280 на одно семя | % от исходной | |||||
| 0 | Покой | 0,34 | 0,324 | 100 | 0,441 | 100 | 100 | 100 |
| 1,5 | Набухание | 0,32 | 0,469 | 144,7 | 0,437 | 99,0 | 89 | 65 |
| 3,0 | Проявление проростка (длина 1 – 5 мм) | 0,28 | 0,714 | 220,3 | 0,428 | 97,0 | 30 | 40 |
| 7,0 | Развитие проростка (длина 5 – 8 мм) | 0,26 | 0,846 | 261,1 | 0,423 | 95,9 | 0 | 0 |
| 9,0 | Развитие проростка (длина 8 – 10мм) | 0,18 | 0,972 | 300 | 0,222 | 50,3 | 0 | 0 |
значительно превышают темпы снижения активности ингибиторов нейтральных протеаз.
Исходя из изложенного, можно заключить, что вероятно процесс деградации запасных белков семян нута, осуществляемый нейтральными и щелочными протеазами, при прорастании семян связан как с повышением протеолитической активности (нейтральные протеазы), которое, скорее всего, обусловлено синтезом ферментов, действующих в нейтральной зоне рН de novo, так и с разрушением белковых ингибиторов, что способствует высвобождению активных протеолитических ферментов, содержащихся в созревших семенах нута.
- Влияние нутовой муки на качество хлеба
Анализ литературных данных по состоянию вопроса о производстве и применению белков растительного происхождения позволяет выделить нут как наиболее перспективную зернобобовую культуру, массовая доля белков в котором составляет 30 – 32%, а аминокислотный скор идентичен сое. Нут, как отмечалось выше, традиционная культура для Среднеазиатского региона, она имеет хорошие перспективы возделывания и в России (посевные площади составляют 50 тыс. га и имеет тенденцию к дальнейшему росту). При этом себестоимость 1 тонны зерна нута в 2 – 3 раза ниже за счет неприхотливости при возделывании (Аникеева Н.В., 2004; Балашов В.В. др., 2002).
С целью изучения возможности замены части пшеничной муки на нутовую (10, 15, 20, 25% от массы пшеничной муки), проводили оценку выхода и качества клейковины, а также оценивали качественные и органолептические показатели хлеба. Оценку качества исходного сырья проводили стандартными методами, принятыми в хлебопечении. Полученные данные свидетельствуют о том, что добавление нутовой муки более 10% от массы пшеничной муки приводит к уменьшению массовой доли клейковины и ее ослаблению.
На следующем этапе проводили выпечку хлеба с заменой части пшеничной муки на нутовую (10, 15, 20, 25% от массы пшеничной муки). Контрольным вариантом служила проба муки без добавления нута. Брожение теста проводили при температуре 28 – 300С в воздушном термостате; продолжительность брожения теста – 150 минут с двумя обминками через каждые 60 минут после начала брожения. После брожения тесто взвешивали. Куску массой 400 г придавали овальную форму и сразу же после формования помещали в предварительно смазанную форму. Форму помещали для расстойки в термостат, в котором поддерживали температуру 350С и относительную влажность воздуха 75 – 80 %. Окончание расстойки определяли органолептически. Выпечку хлеба проводили в лабораторной условиях в электропечи при температуре 220–230 0С с увлажнением пекарной камеры в течение 25 мин. Качество хлеба оценивали через 16 часов хранения по следующим показателям: пористость, удельный объем, органолептическая оценка. Как видно из представленных на рис. 11 фотографиях, образец 2,
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
Рис.11. Образцы хлеба с добавлением нутовой муки
1 – контроль; 2 – 10% нутовой муки; 3 – 15% нутовой муки; 4 – 20% нутовой муки; 5 – 25% нутовой муки
с добавлением нутовой муки в количестве 10 % от массы пшеничной муки, по объему, правильности формы, цвету корки не уступает контрольному варианту, а даже превосходит его. Суммарная оценка качества хлеба исследуемых образцов была проведена с использованием балльной оценки по методике, разработанной кафедрой технологии хлебопекарного производства МТИПП (в настоящее время МГУПП). Она комплексно отражает (в баллах) наиболее важные показатели качества пшеничного хлеба, определяемые органолептическими и объективными методами анализа. На основании проведенных исследований, можно сделать вывод о том, что наиболее оптимальной является замена пшеничной муки на нутовую в количестве 10% к массе муки (82 балла против 80 баллов в контроле).
Выводы
- Проведено сравнительное изучение белкового комплекса семян нута сортов «Таджикский» и «Джалалабадский», выращенного в условиях Таждикистана, урожая 2005г.
- Показано, что в созревших семенах нута содержатся протеолитические ферменты, различающиеся оптимумом рН действия: нейтральные (рН 7,0) и щелочные (рН 10,0).
- Разработана схема выделения и очистки нейтральной и щелочной протеаз с применением гель-хроматографии на колонке с колонке с TSK – gel Toyopearl HW – 55F.
- Проведена очистка нейтральной протеазы с увеличением удельной активности в 1130 раз. Установлено, что нейтральная протеаза является тиоловым ферментом с молекулярной массой 70000 Дальтон.
- Проведена очистка щелочной протеазы с увеличением удельной активности в 540 раз. Установлено, что щелочной протеаза является сериновой протеазой с молекулярной массой 35000 Дальтон.
- Разработана схема выделения белковых ингибиторов протеаз из семян нута, специфичных по отношению к собственным протеолитическим ферментам и к трипсину.
- Показана способность нейтральной и щелочной протеаз семян нута гидролизовать собственные белки.
- Установлено, что белковые ингибиторы протеаз участвуют в регуляции активности протеаз нута в покое и при прорастании. Устойчивость белкового комплекса семян нута в покое обусловлена тем, что активность протеаз подавляется белковыми ингибиторами. При прорастании семян наблюдается разрушение ингибиторов и высвобождение активных протеолитических ферментов, осуществляющих активный протеолиз белков.
- Показана возможность замены пшеничной муки на нутовую в количестве 10% при выпечке хлеба, при этом происходит увеличение удельного объема формового хлеба, улучшается окраска и структура корок, сохраняются другие органолептические показатели качества.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
- Асатуллоев, И.А. Зернобобовые культуры и их значение [Текст] / И.А. Асатуллоев // сб. докладов III Юбилейной международной выставки -конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», Ч. II. – М.: ИК МГУПП, 2005.- С. 29 – 32.
- Асатуллоев, И.А. Характеристика нута как основной бобовой культуры Таджикистана [Текст] / И.А. Асатуллоев, Г.П. Карпиленко //сб. докладов V ежегодной международной молодежной конференции ИБХФ РАН–ВУЗы «Биохимическая физика». – М., 2005.- С. 362 – 366.
- Асатуллоев, И.А. Белки семян бобовых культур [Текст] / И.А. Асатуллоев, Г.П. Карпиленко // сб. докладов IV международной конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», Ч. II. – М.: ИК МГУПП, 2006.- С. 19 – 20.
- Асатуллоев, И.А. Белково-протеиназный комплекс семян нута [Текст] / И.А. Асатуллоев, Г.П. Карпиленко, И.С. Витол // Хлебопродукты.- 2007.- № 7.- С. 50 – 51.
- Асатуллоев, И.А. Белковые ингибиторы протеаз из семян нута [Текст] / И.А. Асатуллоев, Г.П. Карпиленко, И.С. Витол // Хлебопродукты.- 2008.- № 1.- С. 58 – 59.
