Сырая клейковина представляет собой гидратированное коллоидное образование (гель), в состав которого входит значительное количество воды. Содержание воды в сырой клейковине не является постоянным, но в зависимости от многих факторов может колебаться в довольно широких пределах. Количество воды в сырой клейковине выражают либо в процентах от ее сырого веса, либо в процентах от сухого вещества. Последнюю величину называют гидратационной способностью или гидратацией клейковины.
Приведенные данные показывают, что в большинстве случаев гидратация клейковины составляет 180—200% (что соответствует содержанию воды около 65%) со значительными отклонениями в большую и меньшую стороны (от 122 до 348%). Причины колебаний содержания воды в сырой клейковине могут быть весьма разнообразными. Гидратация клейковины очень сильно зависит от количества и состава электролитов — солей, кислот и оснований, присутствующих в зерне и в жидкости, применяемой для замешивания теста и отмывания клейковины. Еще в 1908 г. Вуд и Гарди (цит. по Козьминой н Кретовичу, 1938) показали, что сырая клейковина, будучи помещена в слабые растворы различных кислот—серной, соляной, азотной, фосфорной, щавелевой, молочной,— вначале сильно набухает, а затем постепенно растворяется, образуя мутный золь. Разбавленные щелочи действуют на клейковину аналогично кислотам. Нейтральные соли: NaCl, Na2S04, MgS04, Al2(SO4)3 и др. препятствуют растворяющему действию кислот и щелочей на клейковину. Несколько позднее Эпсон и Кельвин (1915; цит. по Козьминой и Кретовичу, 1938) исследовали набухание пластинок сырой клейковины в разбавленных кислотах, путем измерения привеса этих пластинок после выдерживания их в соответствующих растворах в течение определенного срока. Было найдено, что максимальное набухание наблюдается при следующих концентрациях кислот:
Повышение концентрации кислой снижает набухание клейковины.
Результаты работ Вуда и Гарди, Эпсона и Кельвина были затем подтверждены исследованиями Люэрса и Оствальда (Ltiers, Ostwald, 1920), Шарпа и Гортнера (Sharp, Gortner, 1922, 1923), Берлинера и Коопмана (Berliner, Kooprnann, 1929), Козьминой (1936), Криволапова (1952) и других авторов. Большее или меньшее набухание сухого вещества клейковины изменяет выход сырой клейковины из одной и той же муки, поэтому было обращено внимание на разработку метода отмывания клейковины и в частности на состав жидкости, применяемой для отмывания. Дилл и Алсберг (Dill, Alsberg, 1924.) сравнили выход клейковины, ее качество и содержание в ней белка при отмывании из одних и тех же образцов муки дистиллированной водой, водопроводной водой, 0,1%-ным раствором хлористого кальция и буферными растворами фосфата натрия различной концентрации и при различных рН. Оказалось, что дистиллированная вода при длительном отмывании заметно диспергирует клейковинные белки, тогда как водопроводная вода не оказывает подобного действия. Физические свойства клейковины, отмытой водопроводной водой, лучше, чем у клейковины, отмытой дистиллированной водой и 0,1%-ным раствором хлористого кальция. Сравнение трех способов отмывания клейковины: 0,1 %-ным фосфатом натрия, 0,1%- ным хлористым кальцием и водопроводной водой показало, что наименьшие потери белка наблюдаются при употреблении фосфатного буфера с нейтральной реакцией. На основании этих опытов Дилл и Алсберг предложили нейтральный фосфатный буфер в качестве стандартной жидкости для отмывания клейковины.
Мак-Кэй и Мак-Колла (McCaig, McCalla, 1941) показали, что при отмывании клейковины фосфатным буфером с величиной рН от 3,7 до 8,5 наибольшая гидратация ее наблюдается при кислой и щелочной реакции, а наименьшая — при рН около 6,0—6,5. Берлинер и Коопманн (Berliner, Koopmann, 1929) предложили отмывать клейковину с помощью 2%-ного раствора поваренной соли и этот метод принят в настоящее время в качестве стандартного в ряде стран Западной Европы. В Советском Союзе клейковину принято отмывать водопроводной водой. При этом исходят из того факта, что обычный солевой состав последней обеспечивает хорошее набухание клейковинных белков при незначительном их диспергировании. Если же повышать концентрацию солей в промывной жидкости, то набухание клейковины затрудняется, выход ее падает, а качество заметно ухудшается. Клейковина получается жесткой, малоэластичной, с низким содержанием воды.
На степень гидратации клейковинных белков влияют, помимо электролитов, и другие факторы. Например, прогревание зерна или муки при определенных сочетаниях температуры, влажности и времени воздействия уменьшает гидратацию клейковины (Кретович и Рязанцева, 1935; Соседов, Гержой, Дроздова, Доманская, 1949). Такое же влияние оказывает на клейковину прибавление к муке некоторых химических реагентов, например ненасыщенных жирных кислот, окислителей и т. д. Слабое, но достаточно длительное действие протеолитических ферментов, например при холодном кондиционировании зерна, увеличивает гидратацию клейковины. В последнее время показано, что ионизирующие излучения в определенных условиях могут либо увеличивать, либо уменьшать гидратацию клейковины, отмываемой из облученного зерна или муки (Соседов, Вакар, Дроздова, Архипова, Толчинская, Перцовский, 1959).
Приведенные примеры не исчерпывают всех факторов, под влиянием которых белковые вещества клейковины могут менять свою способность к набуханию. Полностью учесть совокупность этих факторов пока не представляется возможным. Достаточно сказать, что все те условия, которые влияют на активность протеолитических, окислительно-восстановительных и липолитических ферментов, а также на ферментативную резистентность соответствующих субстратов или на количество тех или иных активаторов, могут иметь значение для конечной величины гидратации клейковины, так как различные сочетания этих условий приводят к различной глубине ферментативного изменения как белков, так и других веществ, продукты гидролиза или окисления которых в свою очередь оказывают влияние на степень гидратации белков.
Таким образом, во всех случаях, когда клейковину отмывают из образцов зерна или муки, отличающихся по составу друг от друга, гидратация получаемых препаратов может быть неодинаковой. Так, например, многие авторы отмечали, что у пшениц разных сортов сырая клейковина имеет различную величину гидратации [Проскуряков и Тишина, 1934; Шолленберг и Колеман (цит. по Козьминой и Кретовичу, 1950); Проскуряков и Бундель, 1942]. В частности, Н. И. Проскуряков и А. А. Бундель показали, что гидратация клейковины из 13 образцов пшеницы разных сортов колебалась от 136,4 до 211,2%. В литературе имеются также данные о различиях в гидратации клейковины, отмываемой из неодинаковых сортов муки. По мере увеличения концентрации солей в растворе гидратация клейковины уменьшается, поэтому можно предполагать, что клейковина из продуктов помола зерна с более высокой зольностью должна быть менее гидратирована, чем клейковина из продуктов с меньшей зольностью. Кроме того, параллельно с увеличением зольности в продуктах помола возрастает, как правило, содержание жировых веществ и в том числе свободных ненасыщенных жирных кислот, которые, как и зольные элементы, снижают гидратацию клейковины. Сопоставлены значения зольности и содержания жира в различных сортах муки с величиной гидратации клейковины из той же муки.
На основании приведенных данных можно считать, что клейковина в общем тем менее гидратирована, чем выше зольность и содержание жира в исследуемой муке. Этот вывод является вполне правильным для продуктов помола одной и той же исходной пшеницы, тогда как при сравнении сортов муки, полученных из разных пшениц, указанная зависимость может нарушаться, что вполне понятно, поскольку гидратация клейковины определяется не только наличием в муке солей и жировых веществ, но и многими другими причинами. Однако и для товарных сортов муки сохраняется тенденция к большему содержанию воды в сырой клейковине из высших сортов по сравнению с низшими.
Большой интерес представляет вопрос о существовании связи между физическими свойствами сырой клейковины, определяющими ее качество, и содержанием в ней воды. Первые исследователи условий набухания клейковины Вуд и Гарди, Эпсон и Кельвин, Люэрс и Оствальд — считали на основании своих опытов, что качество клейковины определяется исключительно наличием электролитов, под влиянием которых клейковинные белки набухают и приобретают характерные физические свойства — связность, упругость, эластичность, растяжимость. Позднее Гортнер и его сотрудники (Gortner, Doherty, 1918; Sharp, Gortner, 1922, 1923a, б; Gortner, Sharp, 1923a; Sharp, Gortner, Johnson, 1923) в специальной серии работ исследовали более подробно условия набухания клейковины различного исходного качества в растворах кислот, оснований и солей. Измерялся привес дисков сырой клейковины, отмытой из «сильной» и «слабой» муки после выдерживания их в течение определенного срока в растворах соляной, ортофосфорной, молочной, щавелевой и уксусной кислот, а также оснований — КОН, NaOH, Са(ОН)2, Ba(OH)2, NH4OH.
Эти опыты отчетливо показали, что как в кислотах, так и в щелочных растворах (особенно в растворах молочной и соляной кислот, а также едкого калия и едкого натрия) клейковина из сильной муки набухает значительно больше, чем клейковина из слабой муки. Заметные различия между образцами муки неодинаковой силы наблюдаются также по вязкости водных мучных суспензий, подкисленных до определенного рН (около 3,0) молочной кислотой. Сильная мука при этих условиях показывает гораздо более высокую вязкость, чем слабая, благодаря повышенной способности клейковинных белков сильной муки к гидратации в кислой среде.
Описанные опыты привели Гортнера и его сотрудников к заключению, что качество клейковины зависит не только от наличия электролитов в окружающей среде, но оно определяется, прежде всего, коллоидными свойствами клейковинных белков, в частности размером их частиц. Особое значение упомянутые авторы придавали различиям между глютенинами муки разной силы.
Впоследствии Берлинер и Коопманы (Berliner, Koopmann, 1929) предложили оценивать качество клейковины по «удельному числу набухания». Этот показатель представляет собой увеличение объема, занимаемого одним граммом сырой клейковины в результате набухания ее в 0.02 п молочной кислоте в течение 2 час. 30 мин. при 30°. Клейковина хорошего качества, а также крепкая и короткорвущаяся набухают значительно сильнее, чем слабая клейковина, объем которой мало увеличивается при набухании или даже уменьшается вследствие постепенного растворения ее в молочной кислоте.
H. И. Проскуряков и Р. А. Бранопольская (1939) приводят следующие ориентировочные значения удельного числа набухания (мл/г), увеличенные для большей контрастности в 10 раз, для клейковины разного качества.
1. Крепкая, короткорвущаяся клейковина: 15—20
2. Клейковина нормального качества: 5—15
3. Слабая, сильно растяжимая клейковина: 0,5—5
4. Клейковина плохого качества — отрицательное значение удельного числа набухания.
О качестве клейковины можно судить не только по увеличению объема ее при набухании, но и по степени помутнения раствора молочной кислоты после набухания в нем клейковины. Чем слабее клейковина, тем больше ее растворимость в молочной кислоте и, следовательно, тем выше мутность получаемых растворов. Этот метод оценки качества клейковины был подробно разработан Н. И. Проскуряковым и В. М. Зезюлинским (1941).
Число набухания клейковины представляет собой показатель, принятый в ряде стран Западной Европы для оценки качества сырой клейковины. Следует, однако, отметить, что, по-видимому, не всегда величина набухания клейковины в молочной кислоте правильно отражает ее физические свойства. Так, в опытах Мак-Кэй и Мак-Колла (McCaig, McCalla, 1941) число набухания клейковины плохого качества было значительно выше, чем у клейковины с хорошими физическими свойствами. Кроме того, по величине числа набухания иногда бывает трудно различить слабую и крошащуюся малосвязную клейковину, так как и та и другая набухают в молочной кислоте в меньшей степени, чем клейковина хорошего качества. Все же в определенных границах число набухания правильно отражает качество клейковины и потому этот показатель наряду с другими представляет известный интерес.
Таким образом, на основании всех имеющихся в литературе данных можно считать, что если клейковина поставлена в условия оптимальные для набухания, то степень ее гидратации будет, как правило, соответствовать качеству клейковины. Исходя из этого, естественно предположить, что и при обычном отмывании сырая клейковина низкого качества должна иметь меньшую гидратацию, чем клейковина с лучшими физическими свойствами. Действительно, в литературе имеются многочисленные данные, показывающие, что если йод влиянием каких-либо воздействий на зерно или муку клейковина становится более крепкой, крошащейся или короткорвущейся, то одновременно содержание в ней воды заметно снижается. Так, например, прогревание муки при 105° в опытах В. Л. Кретовича и Е. Н. Рязанцевой (1935) привело к укреплению клейковины и снижению ее гидратации с 230,8 до 192,0%: В результате тепловой сушки зерна, по данным Н. И. Сосейова, А. П. Гержоя, 3. Б. Дроздовой и Ю. П. Доманской (1949), произошло резкое уменьшение удельной растяжимомсти клейковины (с 8,30 до 0,44 см/мин) при одновременном снижении гидратации с 228 до 201%.
Газация зерна дихлорэтаном, по Н. И. Соседову и И. Р. Фрейман (1948), повысила упругость клейковины, уменьшила ее растяжимость с 32 до 22 см и понизила гидратацию с 217,0 до 198.9%. Значительное уменьшение гидратации сырой клейковины при одновременном повышении ее упругости и снижении растяжимости отмечено также при горячем кондиционировании пшеницы (Демидов, 1938); при самосогревании зерна (Соседов, Швецова и Вакар, 1951); при (Сравнении нормальной и морозобойной пшеницы (Кретович и Токарева, 1939а, б; Чистов, 1939); после добавления к муке жира (Резниченко и Алякринская, 1933; Соколенко, 1933); в результате хранения зерна при низких температурах (Kpeтович, 1945); при действии на клейковину ненасыщенных жирных кислот и их солей (Козьмина, 1935, 1936, 1940); в ходе прорастания пшеницы (Козьмина и Романова, 1938). Подобный факт наблюдали также многие исследователи, изучавшие изменение качества муки в процессе хранения [Козьмина, 1940; Козьмина и Попцова, 1936; Акивис (цит. по Козьминой и Кретовичу, 1950), McCaig, McCalla. 1941; Sinclair, McCalla 1937; и др.]. "При «созревании» муки, согласно представлениям Н. П. Козьминой, происходит гидролиз жира и накопление свободных ненасыщенных жирных кислот, под влиянием которых клейковина становится более крепкой и одновременно менее гидратированной.
Таким образом, несомненно, что во многих случаях «укрепление» клейковины находит свое отражение в уменьшении ее гидратационной способности. Однако имеется ряд наблюдений, ограничивающих упомянутую зависимость между способностью сырой клейковины удерживать воду и ее физическими свойствами.
Прежде всего, необходимо отметить, что эта зависимость обнаруживается лишь при изучении изменений, происходящих с одним и тем же исходным материалом под влиянием определенного воздействия, например с зерном, до и после сушки. Если же взять различные образцы зерна или муки и сопоставить гидратацию отмытой клейковины с ее физическими свойствами, то никакой закономерности часто не обнаруживается и нельзя сказать, что клейковина с меньшим содержанием воды будет более «крепкой», чем клейковина с большей гидратационной способностью. В качестве примера можно указать на упоминавшуюся выше работу Н. И. Проскурякова и А. А. Бундель (1942), которые различными методами сравнили качество клейковины из 13 чистосортных пшениц. Авторы не сопоставили качества клейковины с величиной ее гидратации, но, вычислив эту последнюю, легко убедиться в отсутствии какой-либо закономерности. Так, образец наиболее крепкой клейковины пшеницы сорта Гарнет имел гидратацию 185,1% и почти та же величина (186.8%) найдена для весьма слабой клейковины (пшеница сорта Дюрабль), тогда как клейковина среднего качества (пшеница сорта Лютесценс 062) оказалась наиболее гидратированной (211,2%). Аналогичные результаты были получены и раньше (Проскуряков и Тишина, 1934).
В работе М. П. Демьяненко (1950), посвященной изучению качества зерна при многолетнем хранении, отмечена очень высокая гидратация (около 230%) весьма плохой крошащейся клейковины, чрезмерная упругость и малая связность которой явилась причиной неудовлетворительной хлебопекарной оценки зерна, содержащего эту клейковину. Таким образом, величина гидратации не может служить надежным критерием качества клейковины. Но даже при изучении изменений одной и той же клейковины под влиянием какого-либо фактора величина гидратации не всегда отражает ее физические свойства. Известно, например, что крайне слабая, легко растяжимая и неупругая клейковина отмывается из пшеницы, поврежденной клопом-черепашкой. Казалось бы, что такая клейковина должна обладать весьма высокой гидратационной способностью, но в действительности этого не наблюдается. Так, Н. П. Козьмина и В. Л. Кретович (1950) указывают, что в результате примешивания к нормальной пшенице 5% зерен, поврежденных клопом-черепашкой, произошло резкое ослабление клейковины, удельная растяжимость которой возросла с 0,4 до 150,0 см/мин, тогда как содержание воды в клейковине почти не изменилось. В опытах Е. Г. Онищенко (1941) прогревание муки из зерна, поврежденного клопом-черепашкой, привело к значительному укреплению первоначально очень слабой клейковины, однако гидратация ее в результате прогревания не только не уменьшилась, но в большинстве случаев даже несколько увеличилась.
Другим примером может служить работа М. П. Демьяненко (по Козьминой и Кретовичу, 1950), показавшая, что в результате заплесневения муки клейковина сделалась более крепкой, удельная растяжимость ее упала с 2,00 до 0,25 см/мин, а гидратация одновременно возросла с 117,2 до
166,3%.
На основании всего изложенного можно сделать вывод, что связь между гидратационной способностью клейковины и физическими свойствами, определяющими ее качество, является довольно сложной. Интенсивность набухания клейковины в условиях, наиболее благоприятных для этого процесса, соответствует, в известной мере, ее качеству, однако при обычном отмывании связь между физическими свойствами клейковины и содержанием в ней воды не проявляется с достаточной закономерностью. Это зависит, по-видимому, от того, что различные другие факторы, влияющие на физические свойства клейковины, мешают проявиться в полной мере ее способности к той или иной степени гидратации и только при создании оптимальных условий для этого процесса потенциальные возможности набухания белка данного качества могут быть выявлены с достаточной полнотой. При воздействии внешних факторов на зерно или муку в большинстве случаев с изменением качества клейковины изменяется и содержание в ней воды, причем «укрепление» клейковины большей частью сопровождается уменьшением ее гидратационной способности. Однако внутренние изменения клейковинного комплекса, приводящие к внешне одинаковому эффекту «укрепления» или в другом случае «ослабления» клейковины, могут быть, по-видимому, весьма различными в зависимости от природы действующих факторов, а также от исходного состояния самой клейковины, и потому указанные изменения не всегда находят отражение в гидратационной способности клейковинных белков. Наглядным примером этого может служить неодинаковое действие тепловой обработки на гидратацию клейковины из нормальной и поврежденной клопом-черепашкой пшеницы.
Что касается характера взаимодействия между частицами клейковинного белка и воды, то этот вопрос мало исследован. А. Г. Кульман (1940), изучая ход набухания сухой клейковины в воде при разных температурах, пришел к выводу, что этот процесс не имеет осмотического характера, но протекает за счет активности гидрофильных групп белковых мицелл. А. И. Гершзон (1937) считает, что частицы клейковины являются гидрофобными снаружи и гидрофильными с внутренней стороны. Ф. Г. Криволапое (1952), в результате исследования кинетики набухания воздушно-сухой клейковины в растворах органических и неорганических электролитов, пришел к заключению, что гидратация клейковинных белков является следствием двух процессов: а) химической сольватации, протекающей со значительной скоростью и с выделением тепла; б) процесса осмотического связывания воды, протекающего медленнее и без заметного теплового эффекта. Процесс набухания сухой клейковины не является вполне обратимым и при последующем постепенном обезвоживании наблюдается типичная картина гистерезиса (Гершзон, 1937а; Bushuk, Winkler, 1957). Теплота гидратации сухой клейковины составляет, по данным Шренка, Эндрьюса и Кинга (Schrenk, Andrews, King, 1949), около 20 калорий на грамм. Скорость набухания клейковины может быть увеличена при добавлении к ней некоторых веществ.