Модульная единица 12. Биохимические основы формирования качества растительной продукции.

Цели и задачи изучения модульной единицы. Изучить особенности химического состава сельскохозяйственных растений и влияние условий выращивания и режимов питания растений на накопление полезных веществ в растительной продукции. Научить студентов использовать сведения о химическом составе растений для прогнозирования качества и безопасности растительной продукции при обосновании технологий выращивания сельскохозяйственных культур и систем применения удобрений.

12.1. Биохимические основы формирования качества растительной продукции.

Способность растений к синтезу и накоплению в их органах и тканях определённых химических веществ обусловлена у них специфическим типом обмена веществ, который зависит от особенностей генотипа. Однако в природе постоянно действуют факторы генетической изменчивости (мутации, гибридизации, перенос генов), которые приводят к возникновению высокопродуктивных генотипов с улучшенным химическим составом вегетативных и репродуктивных органов.

Эти факторы используются селекционерами для создания новых генотипов с направленным изменением их метаболизма в сторону большего накопления в запасающих органах или вегетативной массе ценных химических веществ, повышающих качество урожая. И поэтому основной путь улучшения химического состава растений – это создание высокоурожайных сортов и гибридов с наследственно закреплёнными интенсивными системами синтеза запасных и других веществ, определяющих качество данной растительной продукции.

Но вместе с тем известно, что для реализации потенциальных возможностей растительного организма, заложенных в генотипе, необходим подбор оптимальных сочетаний и последовательности действия факторов внешней среды, обеспечивающих его рост и развитие в соответствии с характерной для данного вида растений генетической программой. К таким факторам относятся интенсивность и качество света, температура, обеспеченность влагой и питательными веществами, режим аэрации, состав фитоценоза и почвенной микрофлоры, предшествующая культура, различные агротехнические приёмы и др.

Выяснение действия факторов внешней среды на количественную и качественную изменчивость химического состава растений, а также изучение закономерностей синтеза и накопления в них различных химических веществ позволяет установить оптимальное сочетание внешних условий для получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур с наибольшим выходом ценных химических веществ.

Зерновые злаковые культуры

Основные процессы, происходящие при созревании зерновок злаковых культур, - синтез запасных белков и углеводов, структурных и запасных липидов, витаминов. Исходя из того, что зерновые культуры являются важными источниками пищевого и кормового белка, при их выращивании первостепенное значение уделяется созданию необходимых условий для накопления белков, содержание и состав которых в первую очередь и будет определять качество зерна.

Накопление белков. Наиболее высокобелковой культурой является пшеница, в её зерновках содержание белков колеблется в пределах 9-18%, в зерне других злаковых культур – 8-15 %. В зерне ржи количество белка составляет 9-15% , в ячмене –10-14 %, овсе – 8-13 %, просе- 9-13 %, кукурузе – 8-11 %, рисе – 6-9 %, сорго – 9-14 %. Однако очень часто в полевых условиях содержание белков в зерновках злаковых растений находится на низком уровне (8-12%) и для того, чтобы повысить их накопление хотя бы на 1-2%, применяют специальные приёмы и технологии выращивания зерновых культур.

Использование для кормления сельскохозяйственных животных низкобелкового зерна влечёт за собой повышенный расход кормов на создание единицы животноводческой продукции: по нормам кормления нужно, чтобы на каждую кормовую единицу приходилось не менее 100г переваримого белка, или 8-15 г полноценного белка в расчёте на 1 МДж обменной энергии. Учитывая, что переваримость белков зерна в среднем составляет 70-90%, для устранения дефицита кормового белка в зерне должно содержаться 14-15% белковых веществ.

Ценность продовольственного зерна также зависит от содержания в нём белков. У мягкой и твердой пшеницы запасные белки образуют клейковину, количество и качество которой тесно коррелирует с хлебопекарными и макаронными свойствами зерна. Клейковина представляет собой сильно гидратированный белковый сгусток (студень), который выделяют из цельносмолотого зерна при замешивании и отмывании водой получаемого из него теста. Такой белковый сгусток называют сырой клейковиной, в ней содержится в среднем около 35 % сухого вещества. При высушивании сырой клейковины получают сухую клейковину. Отношение количества воды в сырой клейковине к количеству сухого вещества, выраженного в процентах, называют показателем гидротации клейковины, который у пшеницы изменяется в пределах 170-250 %.

Сухая пшеничная клейковина на 80-90 % представлена запасными белками –глиадинами (40-50 %) и глютенинами (35-40 %). Кроме запасных белков, в клейковине содержатся в небольшом количестве белки альбумино-глобулинового типа (3-6 %), крахмал (6-9 %), липиды (2-8 %), сахара (1-2 %), клетчатка (1-2 %), зольные вещества (0,5-2 %). Все химические компоненты клейковины объединяются в единый комплекс в результате возникновения водородных и дисульфидных связей, электростатических и гидрофобных взаимодействий между группировками полипептидов, образующих молекулы клейковинных белков.

Наличие большого количества нековалентных связей в структуре клейковины предопределяет её характерные физические свойства – упругость, эластичность, связность, растяжимость, способность к упругой деформации. Фракции клейковинных белков глиадины и глютенины каждая в отдельности не формируют реологические свойства клейковины, они действуют совместно. Глиадины, образующие компактную пространственную структуру молекул, имеют внутримолекулярные дисульфидные связи (-S-S-). Глютенины же характеризуются более рыхлой конформацией молекул, способных образовывать межмолекулярные дисульфидные связи.

Реологические свойства клейковины зависят от соотношения в ней дисульфидных связей и восстановленных сульфидных групп (-SН). При увеличении количества дисульфидных связей повышается упругость и связность клейковины, в результате чего она становится более крепкой. А если дисульфидные связи восстанавливаются с образованием НS-групп, упругость и связность клейковины понижается и она утрачивает способность к упругой деформации. Восстановление дисульфидных связей в клейковинных белках катализирует фермент протеиндисульфидредук-таза.

Для характеристики качества зерна пшеницы обычно определяют сырую клейковину. Наряду с количеством проводится также оценка качества клейковины, главным образом по её эластичности и упругости, зависящих от состава и свойств запасных белков, образующих клейковину. Измерение упругости и эластичности клейковины выполняется с помощью специальных приборов, регистрирующих усилие, затрачиваемое на деформацию клейковины. Результаты измерения выражают в виде показателя, называемого индексом деформации клейковины (ИДК). По этому показателю клейковину подразделяют на 3 группы качества: I- хорошая, II- удовлетворительная, III- неудовлетворительная. Первая имеет ИДК в пределах 45-75, вторая - 80-100 и 40-20 , третья –105-120 и 15-0.

По хлебопекарным качествам зерна мягкую пшеницу делят на три категории: сильная пшеница, средняя (или ценная) и слабая. В зерне сильной пшеницы должно содержаться не менее 28% сырой клейковины первой группы качества, в зерне ценной пшеницы не менее 25 % сырой клейковины первой или второй группы качества. К слабой относится пшеница, в зерне которой содержится менее 25% сырой клейковины или у которой клейковина очень низкого качества (третья группа).

Белковый комплекс зерна злаковых растений включает разные по растворимости фракции белков – альбумины, глобулины, проламины и глютелины. Образующие клейковину белки - проламины (спирторастворимые) и глютелины (щелочерастворимые) - откладываются в эндосперме в виде белковых гранул или белковых тел, имеющих форму глобул разного диаметра - 1-15мкм. В мучнистом эндосперме белковые гранулы обычно мельче, чем в субалейроновом слое. В зрелом зерне пшеницы белковые гранулы образуют сплошной слой запасного белка, заполняющего пространство между крахмальными зернами.

Основная часть белков альбумино-глобулинового типа, содержащихся в зерне, локализована в зародыше, щитке зародыша и алейроновом слое. Ткани зародыша и щитка зародыша богаты альбуминами (до 40 % сухой массы), которые в этих тканях не образуют упорядоченных структур. В клетках алейронового слоя преимущественно откладываются белки глобулинового типа в виде алейроновых зерен размерами 0.1-25мкм, представляющих собой структуры, окружённые липопротеиновой мембраной. Кроме белков, в них также содержится небольшое количество углеводов и липидов, которые образуют комплексы с белками. Из белков алейроновых зерен в процессе прорастания зерна образуются ферменты, участвующие в гидролизе запасных веществ эндосперма.

Содержание белковых фракций в зерновках злаковых культур заметно изменяется в зависимости от вида растений, а также условий их выращивания. Средние показатели фракционного состава белков зерна важнейших злаковых культур представлены в таблице 15.

Концентрация альбуминов у большинства злаковых культур обычно составляет 5-15 % от общего количества белков, а у ржи может достигать 30 %. У пшеницы, кукурузы, ячменя, риса и проса зерновках содержится 7-15 % глобулинов, а в зерне ржи и овса – 15-25 %. Значительную долю составляют проламины: у ржи – 15-25 %, овса – 20-30 %, пшеницы – 25-35 %, ячменя – 30-40 %, кукурузы и проса – 35-55 %. Однако в зерновках риса этих белков накапливается значительно меньше – 5-10 %, тогда как на долю глютелинов (называемых оризенинами) приходится 60-70 %. В зерне пшеницы, ячменя и овса накапливается 30-40 % глютелинов, в зерновках риса и овса – 20-30 %, проса – 10-15 %. Количество неэкстрагируемых белков обычно изменяется в пределах 8-12 %.