غلات میوه­های علفی زراعی از خانواده تک لپه ای گرامینه[2] هستند. غلات عمده شامل گندم، جو، یولاف، چاودار، برنج، ذرت، سورگوم و ارزن می باشند. بطورکلی به رنگ های قهوه­ای، طلایی کهربایی و سفید مشاهده می­گردند]4[.

 

1-1-1- گندم

 

1-1-2-ترکیبات  گندم

 

 1-1-2-1-کربوهیدرات

 

      بیشترین ترکیب در گندم را نشاسته شامل می­شود که اکثراً در قسمت آندوسپرم قرار دارد. نشاسته گندم شامل پلیمرهای گلوکز، آمیلوز و آمیلوپکتین می­باشد. آمیلوز پلیمر خطی است و از واحدهای گلوکز که توسط پیوند (4-1) α به هم متصل شده­اند، تشکیل شده است. در مقابل آمیلوپکتین منشعب تر است و علاوه بر پیوند (4-1) α در ناحیه شاخه پیوند (6-1) α نیز داراست. آمیلوز و آمیلوپکتین به ترتیب 28 تا 25 درصد و 75 تا 72 درصد نشاسته گندم را شامل می­شوند]2و3[.

 

1-1-2-2- پروتئین

 

از نظر ساختمانی پروتئین­ها، پلیمرهای طبیعی هستند که در تمام موجودات زنده یافت می­شوند و از اسیدهای آمینه که با پیوندهای پپتیدی به یکدیگر متصل شده اند، بوجود می­آیند. تمامی اسیدهای آمینه دارای گروه­های اسیدی و آمینی هستند که تفاوتشان در گروه جانبی می­باشد. ساختمان تمامی پروتئین­ها از جهتی به یکدیگر شبیه است. نخستین عامل تفاوت بین پروتئین­ها نحوه قرار گرفتن اسیدهای آمینه یا ساختمان اول آنها می­باشد. برای مشخص شدن تفاوت­های بیشتر باید به ساختمان های دوم و سوم پروتئین مراجعه نمود. اسکلت یک پروتئین تا حدودی قابل انعطاف است و می­تواند به صورت پیچ خورده در آید. گروه­های سولفیدریل در اسید آمینه سیستئین[6] از جمله گروه­های فعال می­باشند و می­توانند با دیگر گروه­های سولفیدی موجود بر روی اسید آمینه سیستئین واکنش داده و تشکیل باند دی سولفیدی دهند. در ارتباط با ساختمان چهارم پروتئین­ها انواع پیوندها را می­توان مشاهده کرد که برخی ضعیف و برخی قوی می­باشند. از جمله این پیوندها، پیوند یونی و پیوند هیدروژنی را می­توان نام برد. از دیگر انواع پیوند، پیوند هیدروفوبیک را باید نام برد که با این پیوند دوزنجیره جانبی هیدروفوب بواسطه نیروی واندروالس به یکدیگر متصل می­شوند]2،9و13[.

 

 پروتئین غلات به چهار دسته تقسیم می شوند:

 

آلبومین[7]: که در آب محلول هستند و تحت تأثیر حرارت منعقد می­شوند. سفیده تخم مرغ یک نمونه بارز آن است.

 

گلوبولین[8]: در آب خالص نامحلول اما در محلول رقیق نمکی محلول می­باشد. در صورتی که غلظت نمک در محلول بسیار زیاد باشد، گلوبولین در محلول نمکی نامحلول خواهد بود.

 

پرولامین[9]: در الکل اتیلیک 70 درصد محلول می­باشد.

 

گلوتنین[10]: این دسته در اسید و باز دقیق محلول­اند.

 

اکثر پروتئین­هایی که از نظر فیزیولوژیک فعال محسوب می­شوند از دسته آلبومین­ها و گلوبولین­ها به شمار می­آیند. در غلات این دو دسته از نظر تغذیه ای توازن مناسب­تری از نظر اسیدهای آمینه دارا‌هستند. آن­ها حاوی میزان بالایی لیزین[11]، تریپتوفان[12] و متیونین[13] می­باشند که در غلات نسبتاً کم مقدار هستند. پرولامین [14] و گلوتلین پروتئین­های ذخیره­ای غلات هستند که در هنگام جوانه زنی مورد استفاده قرار می­گیرند.

 

در صورتی که مقدار پروتئین گندم کم باشد، آلبومین و گلوبولین درصد قابل توجهی از کل پروتئین را تشکیل می­دهند و اگر مقدار پروتئین گندم درصد بالایی باشد، این دو جزء درصد کمی از کل پروتئین را به خود اختصاص خواهند داد. در واقع گندم کم پروتئین در مقایسه با انواع با پروتئین بالا، دارای گلیادین و گلوتنین کمتری هستند. مقدار پروتئین گندم متغیر است و تحت تأثیر عواملی هم چون عوامل ژنتیکی، عوامل محیطی از قبیل ازت موجود در خاک، خشکسالی یا سرمازدگی قرار می­گیرد.

 

در میان انواع آرد حاصل از غلات تنها آرد گندم است که توانایی تشکیل خمیر چسبنده و قوی که گاز را در خود نگه می دارد و تولید محصولات سبک و متخلخل می نماید را داراست. خاصیت نانوائی آرد گندم بدلیل پروتئین آن و بصورت دقیق‌تر گلوتن[15] آن می باشد. این پروتئین­ها از دسته پروتئین­های ذخیره­ای بوده و بدلیل عدم حلالیت در آب براحتی می توان آن را از سایر اجزا جدا نمود. گلوتن از دو گروه عمده گلیادین[16] و گلوتنین (که به ترتیب از نوع پرولامین و گلوتلین هستند) تشکیل شده است. این دو گروه را می توان براحتی با حل نمودن گلوتن در اسید رقیق و افزودن الکل اتیلیک به منظور تهیه محلول 70 درصد الکل و درنهایت خنثی سازی اسید با باز از یکدیگر جدا نمود. بعد از گذشت مدت زمان مناسب در دمای 4 درجه سانتیگراد گلوتنین رسوب نموده و گلیادین در محلول باقی می­ماند. گلیادین دارای وزن ملکولی بالائی بوده و عامل قوام و چسبندگی خمیر است که به هنگام مرطوب شدن شدیداً سفت و چسبناک می شود. این در حالی است که گلوتنین از دسته پروتئین­های هتروژن است، از نظر خصوصیات فیزیکی چسبنده نبوده ولی دارای خاصیت ارتجاعی می­باشد و به خمیر خاصیت مقاومت در مقابل کشش  و انبساط را می­دهد. گلوتن حاوی 35 درصد گلوتامیک اسید به فرم آمیدی یعنی گلوتامین و 14 درصد پرولین می باشد] 4،2و39[.

 

1-1-2-3- لیپید

 

لیپیدآرد گندم به دو دسته­ی لیپید آزاد و لیپید باند شده تقسیم می شود که هر دو دسته شامل ترکیبات قطبی و غیرقطبی می باشند. ترکیبات قطبی شامل گلیکولیپید و فسفولیپید هستند و تری گلیسریدها ترکیبات اصلی لیپیدهای غیرقطبی را شامل می شود]11و34[.

 

1-2-گلوتن

 

گلوتن دسته بزرگی از پروتئین­های ذخیره­ای گندم را تشکیل می دهد که از لحاظ تولید و مصرف در جهان پس از پروتئین سویا، دومین پروتئین گیاهی مهم به شمار می­رود. جهت کیفیت مناسب نان باید بین ویسکوزیته و الاستیسیته گلوتن تعادل مناسب برقرار باشد. گلوتنی که به میزان مناسب الاستیک نیست، موجب کم شدن حجم قرص نان می­شود. از طرفی وقتی الاستیسیته زیاد باشد از انبساط سلول های گازی خمیر جلوگیری کرده و حجم قرص پایین خواهد بود. خواص الاستیسیته خمیر به پلیمرهای گلوتنین نسبت داده شده است در صورتی که گلیادین عامل ویسکوز کردن خمیر می باشد]31و 51[.

 

بدلیل خصوصیات منحصر به فرد گلوتن در آرد گندم، از خمیر آرد گندم در تهیه محصولات غذایی به خصوص محصولات نانوایی استفاده فراوان می­شود. گلوتن گندم خاصیت تشکیل یک توده ویسکوالاستیک را دارد که تعادلی بین قابلیت کشش پذیری[17] و ارتجاع پذیری[18]  می­باشد.

 

در حین مخلوط کردن آب و آرد، گلوتن تشکیل یک شبکه ویسکوالاستیک و چسبنده را می­دهد که توانایی نگه داری گاز تولید شده در حین تخمیر را داراست و ساختار حجیم نان بعد از پخت را باعث می­شود. بنابراین کیفیت محصول تولید شده تحت تأثیر مقدار و کیفیت پروتئین آرد می­باشد به طوری که خمیر با خصوصیت الاستیک بالا برای تهیه نان و خمیر با خصوصیات ارتجاع پذیری بالا برای تهیه کیک و شیرینی بکار می­رود ]45 و51[.

 

1-2-1- ساختمان گلوتن

 

محققین معتقدند که گلوتن از اجزای زیادی تشکیل شده است. بین گلوتن و جذب آب آرد رابطه مستقیمی برقرار است به صورتی که هر چه میزان گلوتن بالاتر باشد جذب آب آرد نیز بالاتر خواهد بود. گلوتن 2 تا 3 برابر وزن خود آب جذب می کند و نقش مهمی در جذب آب آرد ایفا می کند]10[.

 

محققین معتقدند که گلوتن از اجزای زیادی تشکیل شده است بصورتی که طیف وزن ملکولی آن بین 000/30 تا 10 میلیون دالتون می باشد. گلوتن حاوی گلوتامین و پرولین فراوان است و در ساختار خود 2% سیستئین دارد که نقش مهمی در تشکیل شبکه و خصوصیات عملکردی ایفا می­کند] 44و58[.

 

1-2-1-1-گلیادین

 

گلیادین پروتئین تک زنجیر، دارای بار مثبت، pH حدود 5/6، محلول در الکل 60% و حاوی مقدار زیادی اسید گلوتامیک، پرولین و آسپارژین می­باشد]3و58[. گلیادین در واقع حلال گلوتنین است و گلوتنین در گلیادین پراکنده می­باشد. گلیادین براساس تحرک اجزاء در ژل الکتروفورز[19] و در pH اسیدی به 4 دسته α ، β، δ و ω تقسیم می شود که α بیشترین تحرک و ω کمترین تحرک را بین اجزاء داراست. هم چنین توسط RP-HPLC گلیادین به بیش از صد جزء تقسیم بندی می شود. اجزای گلیادین براساس وزن ملکولی و آمینواسید به 4 دسته α/β ، δ ، ω102 وω5  تقسیم بندی می شوند که تفاوت این گروه ها در نوع آمینواسید می باشد. ωگلیادین دارای مقدار  بالای گلوتامین، پرولین و فنیل آلانین است و فاقد سیستئین می­باشد. زیر واحد‌های β/α و δ گلیادین از نظر وزنی ملکولی تقریباً یکسان هستند و مقدار گلوتامین و پرولین آن­ها خیلی کمتر از ωگلیادین می‌باشد. در قسمت انتهایی کربوکسیل ساختار β/α گلیادین شش آمینواسید سیستئین وجود دارد که می­توانند سه پیوند دی سولفید تشکیل دهند و در قسمت انتهایی کربوکسیل δ گلیادین هشت اسید‌آمینه سیستئین وجود دارد که توانایی تشکیل چهار پیوند دی سولفید را دارند. هم چنین با توجه به کم بودن آمینواسید تیروزین[20] در ساختارگلیادین، این پروتئین به تنهایی تأثیری در قوام خمیر ندارد و در صورت تنش، کش می آید. در برخی از زیرواحدهای گلیادین تعداد آمینواسیدهای گوگردی فرد است. علت این امر جهش نقطه ای می­باشد. این آمینو اسیدها با یکدیگر و یا با آمینواسید سیستئین گلوتنین اتصال می یابند]18و 58[.

 

1-2-1-2-گلوتنین

 

 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

 

این جزء از گلوتن دارای وزن ملکولی 000/500 تا 10 میلیون دالتون و مقادیر بالای اسید آمینه آرژنین، پرولین و اسید گلوتامیک است. نوع غالب در این جز گلوتنین با وزن ملکولی پایین[21] می باشد که از نظر وزنی و ترکیب آمینواسید به زیرواحدهای β/α و δ گلیادین شبیه است. این جزء شامل دو قسمت مختلف است. قسمت انتهایی آمین که غنی از اسید آمینه­های گلوتامین و پرولین است و قسمت انتهایی کربوکسیل که دارای هشت اسید آمینه سیستئین می باشد و توانایی ایجاد پیوند دی­سولفید با اسید آمینه های گوگردی β/α و δ گلیادین را داراست و در تشکیل پیوند ترکیب حاصل گلیادین با وزن ملکولی بالا [22] نام گذاری می­شود. زیر واحد گلوتنین با وزن ملکولی بالا به دو دسته کلی نوع X و نوع Y  تقسیم بندی می­شود. این دسته حاوی اسید آمینه­های گوگردی فراوان که عمده ی آن در قسمت های انتهایی کربوکسیل و آمید قرار دارد. در صورت احیا شدن پیوندهای دی­سولفید گلوتنین، این جزء هم چون گلیادین در الکل محلول می­شود]12و30[. ساختار پروتئین به گونه ای است که درصدی از اسید آمینه های هیدروفیل در سطح گلوتن می­باشد و سبب هیدراته شدن گلوتن می­شود و قسمت عمده در عمق شبکه قرار دارند و با  توجه به حضور تعداد زیاد اسید آ مینه­های هیدروفوب در سطح گلوتن ساختار گلوتن نامحلول بوده و تمایل به تجمع یافتن در محیط آبی دارند. جهت تشکیل ساختار گلوتن ذرات گلوتن به دو شکل تجمع می­یابند، ابتدا ذرات تحت تأثیر نیروی کلوئیدی به طرف یکدیگر حرکت می کنند. در این وضعیت فاصله­ی بین ذرات 10 تا 100 نانومتر است. زمانی که فاصله­ی ذرات کمتر از 10 نانومتر شد واکنشی از نوع هیدروفیل و کووالانس بین ذرات رخ می­دهد. در واقع نیروی کلوئیدی سبب می­شود که ذرات به هم نزدیک شده و این امکان فراهم شود که اتصالات و پیوندهای دیگر برقرار شود. باید توجه شود که این دو مرحله بصورت هم­زمان رخ می­دهد و تفکیکی بین مراحل وجود ندارد]4و34[.

 

1-2-2- انواع پیوندهای شیمیایی مؤثر در تشکیل گلوتن و خمیر

 

1-2-2-1-پیوند کووالانس[23]:

 

 جهت شکستن این پیوند انرژی زیادی مورد نیاز است. پیوند موجود در سیستئین از نوع پیوند دی­سولفیدی است که موجب اتصال بخشی از زنجیره­های پلی پپتیدی همسان و غیرهمسان شده و در نتیجه قوام خمیر افزایش می­یابد]29[. پیوند دی­سولفید تحت تاثیر حضور آمینو اسیدهایی از قبیل سیستئین و میتونین می­باشد. اما نوع دیگری از پیوند کووالانس وجود داردکه پیوند بین دو اسید آمینه تیروزین از دو رشته پلی پپتید و یا دو اسید آمینه تیروزین از یک رشته پلی پپتید تشکیل می­شود. هم چنین اتصال کووالانس بین اسید آمینه تیروزین و گروه فرولیک اسید پنتوزان­ها  دسته­ای دیگر از اتصالات کووالانسی است]49[. انجام واکنش­های هیدروفوب اولین قدم جهت تشکیل پیوند دی­سولفید می­باشد به این ترتیب که بخش­های هیدروفوب گلوتنین و گلیادین واکنش داده سبب نزدیک شدن اجزاء به هم می­شود و امکان تشکیل پیوند دی­سولفید مهیا می­شود. انرژی لازم برای تجزیه این دسته پیوندها بسیار بالاست که جهت این عمل و تضعیف خمیرهای بسیار قوی می توان از ترکیبات احیا کننده یا هم زدن شدید خمیر همراه با حرارت دهی استفاده کرد]4و31[.

 

1-2-2-2-پیوند یونی[24] : با افزودن مقدار مناسب نمک سدیم کلرید (محلول 02/0) قوام خمیر افزایش و کشش آن کاهش می­یابد]50[. در اطراف هر ذره یک لایه الکترونی وجود دارد که از نزدیک شدن ذرات به هم ممانعت می­کند و نقش نمک قرارگیری بین ذرات هم نام و کاهش نیروی دافعه ی الکترواستاتیک با کوچک کردن لایه الکترونی می­باشد که نتیجه آن افزایش در تجمع گلوتن است. هم­چنین با کاهش اندازه ذرات آرد نیروی دافعه الکترو استاتیک بیشتر می­شود و تجمع گلوتن کاهش می­یابد.

 

نمک بر گلوتن آرد حاوی پروتئین کم مؤثرتر می­باشد و سبب تشکیل پیوندهای غیرکووالانسی در شبکه و ساختار ورقه­یβ [25] می­شود. البته استفاده از نمک سبب خوردگی در تجهیزات استیل کارخانجات خواهد شد]14و50[.

 

1-2-2-3-پیوند هیدروژنی : پیوند هیدروژنی بین اتم هیدروژن یک ملکول با اتم ازت یا اکسیژن ملکول دیگر ایجاد می­گردد و نقش مهمی را در خواص گلوتن به عهده دارد، در واقع پیوندی هیدروژنی بدلیل نزدیک شدن هیدروژن گروه های کربوکسیل، آمید و هیدروکسیل بوجود می­آیند. افزودن آب سنگین به خمیر سبب افزایش پیوند هیدروژنی در شبکه گلوتن شده و قوام خمیر را افزایش می­دهد. از طرف دیگر  هم زدن بیش از حد خمیر و یا افزودن اوره به آن در جهت تضعیف شبکه عمل کرده و سبب شکسته شدن پیوند هیدروژنی و کاهش قوام خمیر می­شود. لیزین اسید آمینه محدود کننده در گندم است که حضورش در ساختار گلوتن تأثیر منفی بر ایجاد پیوند هیدروژنی و در نتیجه تشکیل شبکه خواهد شد]3و 59[.

 

1-2-2-4- پیوند هیدروفوب[26]: این پیوند سبب جذب شاخه­های غیرقطبی در آمینواسیدهایی مثل لوسین و فنیل آلانین به یکدیگر شده و می­تواند در فرم پذیری، پلاستیسیته و نیز مقاومت به کشش خمیر نقش مهمی ایفا کند. در واقع این پیوند یک پدیده ترمودینامیکی است و ناشی از جذب پروتون نمی باشد. هم چنین افزایش دما (تا حدی که موجب شکستن پیوندهای دیگر نشود) سبب افزایش قوام خمیر شده که علت آن تقویت پیوندهای هیدروفوب است]2و 10[.

 

1-2-3-انواع گلوتن

 

بسته به عوامل هم چون نوع گندم، نحوه آسیاب آن و درجه استخراج آرد از گندم، گلوتن می­تواند به رنگ­های زرد، زرد متمایل به قهوه­ای، خاکستری تیره و تیره وجود داشته باشد که از روی رنگ آن نمی­توان به خواص آن پی برد.

 

گلوتن را می توان به صورت زیر تقسیم بندی کرد:

 

1-2-3-1-گلوتن خیلی سخت: نیروی بین زنجیره­ی پروتئین در این گلوتن بسیار زیاد است. هم چنین این گلوتن قدرت جذب آب بسیار بالایی نیز داراست که عوامل ذکر شده سبب می­شود این گلوتن کشش کم داشته باشد و خیلی زود پاره شود.

 

1-2-3-2-گلوتن سخت: گلوتنی است که نیروی بین زنجیره ی پروتئین آن نسبتاً زیاد و قدرت جذب آب بالایی داراست.

 

1-2-3-3-گلوتن طبیعی: این دسته گلوتن مطلوب جهت نانوایی می­باشد که کشش آن به اندازه کافی و نیروی بین گلیادین و گلوتنین آن مناسب است. در این دسته جذب آب پایدار بوده و خمیر مطلوبی تشکیل می­شود.

 

1-2-3-4-گلوتن سیال : این گلوتن بیشتر در آرد گندم فاسد حضور دارد، کشش آن بسیار کم است یا بصورت مایع در می­آید.

 

1-2-3-5- گلوتن ضعیف : کشش در این دسته پایدار نیست و قدرت جذب آب در سطح پایینی قرار دارد]2و 7و 34[.

 

1-3-جداسازی گلوتن مرطوب

 

در دوران باستان روش­هایی جهت جداسازی نشاسته وجود داشته است که طی آن گندم را با دو برابر حجمش آب، به مدت 10 روز مرطوب می­کردند. گندم مرطوب را له کرده در پارچه ای می ریختند و آنرا می­فشارند. طی این فرآیند شیرابه نشاسته خارج می­شود و باقی مانده که شامل گلوتن نیز می­باشد جهت تغذیه دام استفاده می­شده است]20[. امروزه جهت   تولید صنعتی گلوتن چندین روش وجود دارد که شامل: مارتین[27]، باتر[28] (خمیرابه)، فارمارکو[29]، پیلزبری[30]، هیدرومیلنیگ[31]، هیدروسیلکون[32]، فسکلای اصلاح شده[33] و قلیایی[34] می­باشد. این روش­ها در مواردی مانند تجهیزات جهت جداسازی نشاسته و گلوتن، روش تجزیه، قوام خمیر و البته نوع مواد خام با یکدیگر اختلاف دارندکه از بین روش­های ذکر شده جهت جداسازی گلوتن طبیعی با قابلیت جذب آب و تشکیل شبکه­ی قابل اشباع و کش سان روش مارتین، باتر و هیدروسیلیکون مورد توجه قرار دارد]43[.

 

1-3-1-روش مارتین