Пищевая Биохимия / Рогожин В.В., Рогожина Т.В. Биохимия сельскохозяйственной продукции

17.1. Зерновые культуры

17.1.10. Показатели кислотности зерна

Кислотность является проявлением свойств различных соединений, способных донировать или акцептировать ионы водорода и выражается концентрацией водородных ионов, или водородным показателем (рН).

АН ←→ А– + Н+

При этом рН определяется как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода, находящихся в водном растворе.

pH = –lg[H+]

Наличие в зерновках соединений, способных связывать Н+-ионы, сохраняя при этом постоянство рН, объясняется буферностью среды. Причем, чем больше в зерновках содержится таких веществ, тем больше будет требоваться кислоты или щелочи для изменения их рН. При этом количество кислоты или щелочи, способное изменить рН на единицу, называется буферной емкостью. Буферность живых организмов относится к защитным механизмам, обеспечивающим их выживание в неблагоприятных условиях среды.

К соединениям, определяющим кислотность зерен, могут относиться неорганические и органические кислоты, аминокислоты, белки, азотистые основания, индолил-3-уксусная, гибберелловая кислоты и др.

Неорганические кислоты живых организмов: фосфорная, соляная

иугольная. Основными органическими кислотами зерен являются пировиноградная, молочная, лимонная, уксусная, яблочная, янтарная и др. Одни из них образуются в реакциях окисления глюкозы, которые катализируются ферментами гликолиза, а другие в цикле трикарбоновых кислот. Конечными продуктами гликолиза являются пировиноградная

имолочная кислоты, декарбоксилирование которых приводит к образованию соответственно ацетальдегида и этилового спирта (см. также п. 10.4, 10.15):

СН3—С(О)–СООН → СН3—СНО + СО2;

СН3—СН(ОН)–СООН → СН3—СН2—ОН + СО2

В дальнейшем при участии алкоголь- и альдегиддегидрогеназ происходит последовательное окисление спирта и ацетальдегида до уксусной кислоты:

СН3—СН2—ОН СН3—СНО СН3—СООН

НАД+ НАДН+Н+ НАД++H2O НАДН+Н+

293

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

Высокая активность в зерновках пшеницы этих двух ферментов, находящихся в состоянии вынужденного покоя, свидетельствует об участии АДГ и АльДГ в поддержании жизнеспособности зерен во время их длительного хранения.

В зернах, находящихся в состоянии покоя, сохраняется дыхательная активность митохондрий, которая может возрастать при наличии высокой влажности. Так, дыхание зерен сохраняется при влажности менее 10 %, однако при этом расход органических веществ минимален. Возрастание влажности зерен сопровождается возрастанием дыхательной активности зерен и увеличением содержания в них СО2. При участии карбогидразы, катализирующей реакции гидратации, СО2 соединяется с молекулой воды, превращаясь в угольную кислоту, которая присутствует в среде в виде ионов Н+ и НСО3–. При этом происходит закисление среды.

Кроме того, на дыхание зерен оказывает влияние температура среды, возрастание которой способствует накоплению в зернах СО2 и обусловливает повышение кислотности.

При высокой влажности зерен возрастает активность протеаз, которые гидролизуют белки до аминокислот. Высокое содержание аминокислот, содержащих две карбоксильные группы (аспарагиновая и глутаминовая кислоты), может приводить к повышению кислотности среды.

Метаболические превращения аминокислот при участии ферментов, катализирующих реакции дезаминирования, в результате приводят к образованию аммиака и соответствующих кетокислот. Накопление в зернах кетокислот также способствует возрастанию кислотности среды.

Прорастание зерен активизируется при участии фитогормонов (ауксины и гиббереллины), основными представителями которых являются индолил-3-уксусная (ИУК) и гибберелловая кислоты; больше всего они накапливаются в формирующихся семенах. Действие этих фитогормонов обусловливает процессы деления клеток.

Кроме того, в растениях синтезируются абсцизины, которые оказывают ингибирующее действие на их рост. Накопление абсцизинов, в частности абсцизовой кислоты, в зернах ингибирует их прорастание, углубляя состояние покоя.

На кислотность зерен могут повлиять высшие жирные кислоты, содержащиеся в зародыше и эндосперме. Окисление жирных кислот до аце- тил-КоА и дальнейшее его превращение в цикле трикарбоновых кислот обусловливает образование различных органических кислот, избыточное накопление которых может изменять кислотность зерен.

294

17.1. Зерновые культуры

17.1.11. Изменение содержания углеводов, липидов, витаминов, азотистых веществ и качества клейковины при созревании зерна

С момента оплодотворения инициируются процессы, обусловливающие формирование зерновок. При этом в колосе и во всем растении протекают процессы, обеспечивающие поступление в зерновки необходимых биогенных соединений. Эти процессы связаны с функционированием эмбриональной и эндоспермальными тканями, ростом зерновки, увеличением их массы и потерей части биогенных соединений вегетативными органами растений. В этот период происходит накопление, превращение различных биогенных молекул и проявление их функциональной деятельности по формированию полноценных зерен.

Сразу после оплодотворения начинает делиться центральное ядро и происходит образование зародыша и эндосперма зерновок. Последний накапливает крахмал и биологически активные вещества (витамины, кофакторы, АТФ, аминокислоты, азотистые основания и др.). Происходит синтез веществ, стимулирующих приток к клеткам зародыша ассимилятов. Через 8…10 дней после оплодотворения на периферии эндосперма образуется алейроновый слой клеток, содержащий комплекс пластических

ифункциональных веществ (ауксины, кофакторы, аминокислоты, белки, ферменты, липиды, нуклеиновые кислоты и др.). Происходит накопление в эндосперме крахмала. Липиды преимущественно участвуют в формировании мембран клеток и их энергетических процессах.

На десятые сутки после оплодотворения в периферийных слоях эндосперма прекращается деление клеток и во всех клетках эндосперма начинается активный синтез белков. При этом запасные белки откладываются в полостях эндоплазматического ретикулума. Эти процессы протекают в эндосперме ячменя, пшеницы, кукурузы и овса.

Впроцессе созревания зерен происходят изменения как в количественном, так и качественном составе их белков. В эндосперме злаковых культур содержатся следующие белки: альбумины, глобулины, проламины, глютенины и глиадины. Два последних белка обусловливают хлебопекарные свойства зерен пшеницы, так как входят в состав белков клейковины.

Образование крахмала в центральной клетке пшеницы обнаруживается еще до оплодотворения и сохраняется в течение всего периода развития эндосперма. При этом вначале крахмал расходуется на первых этапах развития зародыша, а затем на третьи-четвертые сутки начинают появляться мелкие крахмальные зерна в амилопластах. Таким образом, только в амилопластах зерновок происходит синтез мелкозернистого

изернистого крахмала.

295

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

С 10…12 суток происходит накопление крахмала и белков в клетках эндосперма, от соотношения которых зависит тип эндосперма (крахмальный или стекловидный). Полностью формирование эндосперма заканчивается через 3…4 недели после оплодотворения.

Вэтот же период образуется и зародыш, представленный зачатками конуса нарастания побега и зародышевого корня. Закладывается листовой валик колеоптиля и часть зародыша, примыкающая к эндосперму, которая дифференцируется в щиток. Формирование зародыша заканчивается в течение 16…25 суток. Если созревание зерен протекает при низкой температуре, то образование зерновок и биохимические процессы могут замедляться. Такие зерновки после уборки не прорастают и имеют низкую всхожесть, так как находятся в состоянии покоя и для их созревания требуется длительный период послеуборочного дозревания. При высоких температурах в период налива прирост массы зерновок идет интенсивно

ибыстро завершается. При этом прирост массы зерновок заканчивается при понижении их влажности до 38…40 %.

Впроцессе созревания зерна пшеницы очень сильно теряют влагу с 80 до 20 % (рис. 17.2). К концу периода молочной спелости содержание воды в зерновках снижается до 50…70% и при этом большинство биогенных соединений откладываются в запас. В это же время зародыши ржи

ипшеницы становятся способными к прорастанию. Затем происходит замедление процесса налива зерна и наступает период восковой спелости. В этот период содержание воды в зерновках понижается до 20…30 %. При этом размер зерна еще не уменьшается, но оно затвердевает. Однако образование крахмала и белков прекращается. В этот период при неблагоприятных условиях зерно способно прорасти на растении. В период

Рис. 17.2. Динамика влажности зерновок яровой пшеницы Саратовская 29 в период их созревания

296

17.1. Зерновые культуры

полной спелости наблюдается сокращение размеров зерна и дальнейшее снижение содержания воды в нем до 15…20 %.

17.1.12.Влияние условий выращивания и режима питания растений на формирование качества зерна

Содержание биогенных соединений в зерновках может значительно изменяться в зависимости от условий их выращивания. Так, исследование химического состава зерновых культур, произрастающих в различных климатических зонах России, позволило установить влияние факторов среды на качественный и количественный состав биогенных соединений зерна. Было установлено, что количество белка в зерновках пшеницы может колебаться от 9,8 до 24,1%. Причем, как правило, содержание белков в зерновках повышается при продвижении с севера на юг и с запада на восток. При выращивании зерновых культур одного сорта примерно на одной и той же долготе при продвижении с севера на юг на каждые 10° среднее содержание белка в зерновках повышается на 4,5%, тогда как при одной и той же широте при продвижении с запада на восток количество белка в зерновках повышается в среднем на 6,6%. Таким образом, при выращивании зерновых культур в районах с резко-континентальным климатом в зерновках всегда больше белка, чем в районах с благоприятным климатом.

На химический состав зерновок оказывает влияние и влажность почвы. Так, при влажности почвы в 30% азота в зерновках содержалось 2,8%, при 40 — 3,0, при 50 — 2,7, 60 — 2,6, при 70 % — 1,8 %.

Таким образом, повышение влажности почвы вызывает снижение содержания белка в зерновках. Аналогичная закономерность была выявлена при проведении исследований на орошаемых участках, где также было установлено понижение содержания белка в зерновках, выращиваемых в условиях полива по сравнению с его содержанием в зерновках на делянках без полива.

Кроме того, установлено, что в жаркое лето при минимальном выпадении осадков в зерновках происходит большее накопление белков. Это обусловлено тем, что при орошении растения приобретают большую вегетативную массу и для их роста и развития требуется большее количество питательных веществ. Избыток влаги в почве приводит к вымыванию азота в более глубокие горизонты почвы. Кроме того, при орошении увеличивается продолжительность вегетационного периода и сроков формирования и созревания зерновок, что способствует замедлению процессов синтеза полисахаридов и белков.

Температура среды оказывает влияние на химический состав биогенных соединений зерновок. Так, возрастание температуры в течение всего вегетационного периода коррелирует с возрастанием содержания белков

297

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

взерновках. Установлено, что при возрастании температуры на 5 °С количество белков возрастает на 3,4 %, а содержание небелковых форм азота при этом несколько снижается.

Меньшее влияние оказывают факторы среды на содержание в зерновках крахмала. При этом наблюдается обратная зависимость между количеством белков и крахмала в зерновках злаковых культур. Повышение содержания белков в зерновках всегда сопровождается снижением в них крахмала, и наоборот.

Для улучшения качества зерна используются органические и минеральные удобрения. Причем наибольшее влияние на накопление белков

взерновках оказывают азотные удобрения, добавление которых может увеличить содержание белка почти в 2 раза. Использование фосфорнокалийных удобрений способствовало значительному возрастанию урожайности зерновых культур, и содержание белков в зерновках практически не изменялось. Под действием удобрений повышается не только урожайность зерновых культур и количество белка в зерновках, но также и содержание клейковины, возрастает стекловидность зерна и хлебопекарные качества зерен пшеницы.

При внесении в почву небольших доз азота (20…30 кг/га) урожайность зерновых культур возрастает на 3…5 центнеров, но содержание белка практически не изменяется, тогда как при внесении доз азота до 60…90 кг/га повышения урожайности практически не наблюдается, а количество белков может увеличиться на 2…3%. То есть при использовании высоких доз удобрений достигается предельное возрастание вегетативной массы зерновых культур. Возрастание количества белков в зерновках отмечается при внесении азотных удобрений в период колошения и цветения зерновых культур. В эти периоды азот поступает преимущественно в репродуктивные органы растений, в результате происходит возрастание скорости ферментативных реакций, обусловливающих синтез белков в зерновках. Особенно значительные результаты достигаются при внесении азотных удобрений

впериод налива зерна. При этом содержание белков может увеличиваться на 2,8%, а клейковины — на 10%. Однако это может наблюдаться только

втом случае, если растения не испытывают дефицита влаги. Накопление азота растениями в процессе вегетации имеет свои осо-

бенности. Так, к началу молочной спелости в зерновках накапливается до 40…50 % азота, а к восковой спелости — 70…80 %. Остальные 20…30 % азота поступают в зерновки в фазе полной спелости.

Наиболее перспективными для поздней некорневой подкормки растений являются азотные удобрения, содержащие смесь мочевины с аммиачной селитрой в соотношении 2 : 1. Такая смесь используется в период колошения и до начала молочной спелости зерновок. При этом доза удобрения должна быть равна 30…50 кг/га.

298

17.1. Зерновые культуры

Таким образом, внесение удобрений может оказывать влияние как на количество белков в зерновках, так и на содержание в них крахмала и других биогенных соединений. Кроме того, удобрения могут повлиять на количественный состав белков и содержание аминокислот, а также на качественный состав полисахаридов в растениях.

17.1.13.Биохимические процессы при послеуборочном дозревании и хранении зерна

На конечных этапах созревания зерна начинают быстро терять влагу до очень низких значений, что сопровождается структурными перестройками в тканях зерен, а также уменьшением дыхательной активности митохондрий, угнетением процесса синтеза АТФ. При этом понижается как активность метаболических процессов, так и угнетение биосинтеза белков. Потеря воды является препятствием для нормального функционирования ферментов и мембран.

При изучении ультраструктуры зерен было установлено, что в период накопления запасных веществ ядра клеток, митохондрии, пластиды, эндоплазматическая сеть и диктиосомы переходят в состояние высокой активности, которая по мере обезвоживания постепенно затухает. Эти изменения в первую очередь затрагивают мембранные структуры органелл

иклеток, что сопровождается понижением активности транспортных систем, накоплением липидов. В этот период угнетается активность ферментативных систем, в частности гидролитических ферментов.

Вцелом понижается метаболическая активность зерен, угнетается дыхание митохондрий. В матриксе митохондрий увеличивается концентрация ненасыщенных жирных кислот, которые обусловливают разобщение процессов окисления и фосфорилирования. В результате окислительная активность митохондрий понижается на 30…40 %, ингибируется активность ферментов цикла трикарбоновых кислот и цитохромной системы. Практически приостанавливается синтез АТФ. Происходит переключение метаболических процессов с аэробного типа на анаэробный. При этом снижается еще активность ферментов гликолиза и пентозофосфатного пути.

По мере утраты воды зернами при послеуборочном дозревании в них снижается активность полисом, которые распадаются до мономерных образований. В конце дозревания зерен прекращается синтез новых мРНК

ив биосинтезе белка участвуют только уже синтезированные РНК. Поэтому биосинтез белков протекает очень медленно.

Таким образом, при снижении содержания воды в период дозревания в зернах наблюдаются изменения как в физиологическом состоянии, так

ив биохимической активности зерен. Это является приспособительной

299

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

реакцией, благодаря которой клетки зерен приобретают устойчивость к высыханию. В зернах накапливаются различные антиоксиданты (токоферолы, аскорбиновая кислота, каротиноиды и др.), предотвращающие протекание свободнорадикальных реакций, способные разрушить структуры мембран, белков и нуклеиновых кислот. Антиоксиданты ингибируют образование активных форм кислорода. В состав антиоксидантной системы зерен входят кроме низкомолекулярных антиоксидантов

ивысокомолекулярные соединения, представленные в основном белками

иферментами (СОД, пероксидаза, каталаза и др.).

Обезвоживание оказывает влияние и на функционирование ядерного аппарата клеток, воздействуя на объем ядер и на осмотическую и ионную среду, окружающую ДНК. Эти изменения могут вызывать упорядоченное включение и выключение определенных участков генома. То есть при обезвоживании включается регуляторный механизм, обусловливающий активность только определенных генов, необходимых для поддержания жизнеспособности зерен в состоянии покоя. В этих условиях обеспечивается сохранность и рациональное использование как пластических, так

иэнергетических ресурсов зерен, поддерживается высокая активность антиоксидантной системы.

Развитие алейроновых зерен в период дозревания было изучено с помощью электронной микроскопии. Установлено, что клетки незрелых зародышей являются меристематическими и не содержат вакуолей. Вакуолизация, являющаяся показателем прекращения меристематической активности и начала созревания клеток, сопровождается появлением отложений белков, связанных с развивающимся тонопластом. Вакуоли разрастаются в результате увеличения их объема и/или путем слияния мелких вакуолей. В итоге сформировавшаяся вакуоль может занять большую часть клетки.

Запасные белки со временем заполняют вакуоль, которая сохраняет свою мембрану. Алейроновые зерна могут содержать ферменты и включения, не относящиеся к запасным белкам. При этом часть запасных белков синтезируется в развивающихся вакуолях независимо от цитоплазматической системы, а часть синтезируется в цитоплазматических полисомах

ипереносится в развивающиеся вакуоли.

Вэндосперме зерен начало синтеза запасных белков сопровождается снижением общего содержания нуклеиновых кислот. При этом в эндосперме возрастает активность рибонуклеазы, которая регулирует уровень РНК в зернах.

Ассоциация рибосом с мембранами в период дозревания зерен может оказывать регулирующее действие на синтез запасных белков, что обусловлено механизмом переключения работы генов, инициирующих синтез одних РНК и ингибирующих синтез других.

300

17.1.Зерновые культуры

Всуховоздушных зернах обнаруживаются две фракции внутриклеточной воды: мобильная, участвующая в реакциях гидролиза крахмала и белков; прочносвязанная, входящая в структуру белков и прочно удерживаемая ими.

По мере утраты влаги эндоспермом на поверхности полимерных цепочек крахмала начинают адсорбироваться фитогормоны и другие биогенные соединения. При этом их доступ к зародышу становится ограниченным. Диффузионные процессы в различных структурах зерен замедляются, понижая скорость перемещения веществ в зернах.

На сохранение высокой жизнеспособности зерен оказывают влияние не только содержание влаги, но и температура и влажность среды, в которой они хранятся. Так, охлаждение зерен приводит к понижению содержания в них гиббереллинов, что обусловлено низкой активностью ферментов, участвующих в их синтезе. Кроме того, в покоящихся зернах накапливается АБК, которая является ингибитором их прорастания. Гиббереллины и АБК имеют общие ферментативные системы до уровня синтеза мевалоновой кислоты. Поэтому на смещение равновесия в метаболических процессах синтеза гиббереллинов и АБК оказывает влияние температура, а синтезированная АБК угнетает процессы синтеза ферментов, участвующих в биосинтезе гиббереллинов.

Сухие зерна во время хранения расходуют на дыхание очень малое количество органических веществ, что обусловлено низкой активностью митохондрий и метаболизма клеток. Так, при влажности 11…12 % зерна теряют 0,2% биогенных соединений за 5…6 лет, а при влажности 20% эти потери составляют 0,8 % за месяц хранения. При повышении влажности зерен у них возрастает дыхательная активность митохондрий и в результате этого увеличивается расход пластических веществ. Влияние температуры на дыхание зерен было изучено при 0…30 °С. Показано, что при 0 °С

зерна пшеницы с влажностью 18 % выделяют 10 мг СО2 на 100 г сухого вещества за 6 ч, при 20° — 20, при 30° — 43 мг. Поэтому для понижения дыхания митохондрий зерна необходимо хранить при как можно низкой температуре и в условиях активного вентилирования.

При интенсивном дыхании зерен может выделиться значительное количество влаги, что в совокупности с высокой температурой и наличием микрофлоры может привести к их самосогреванию. Последнее способствует развитию в зернах процессов разложения биогенных молекул, создания условий для развития плесневых грибов. Кроме того, высокая влажность среды и зерен оказывает влияние на его посевные качества. Так, при изменении влажности зерен ржи с 12,9 до 17% после года хранения их всхожесть снижается на 13%, а при более высокой влажности зерна практически полностью теряют жизнеспособность.

301

Глава 17. Биохимия растительных продуктов

Производственные опыты по хранению зерен пшеницы, овса, кукурузы в герметичных башнях показывают, что зерно влажностью не более 20 % в течение 6,5…7,5 месяцев сохраняет светлый цвет и приятный запах, а при влажности не выше 17 % не отличается по своим свойствам от сухого зерна.

Пищевые и фуражные достоинства, а также нормальный цвет, запах, сыпучесть сохраняются при герметичном хранении лишь у зерна влажностью 16…17 %. Однако высоковлажное зерно быстро приобретает солодовый запах, а иногда и горький вкус. На зерне с влажностью 22…25 % во время хранения наблюдается развитие дрожжей рода Condida и молочнокислых бактерий.

В период хранения влажность зерен коррелирует с активностью гидролаз, которые расщепляют белки, углеводы и нуклеиновые кислоты. В результате этих действий зерна становятся привлекательными для микроорганизмов. Особенно большой ущерб качеству зерен наносят плесневые грибы. При развитии на зернах плесеней хранения у них отмечается возрастание содержания общего и белкового азота и увеличение количества аммиака и небелкового азота. При этом аммиак может служить показателем деградации белков, так как является конечным продуктом их распада. В зернах происходит разложение крахмала, а моносахариды используются как пластический и энергетический материалы микроорганизмами. В результате развития плесеней хранения общая масса зерен снижается, они теряют сыпучесть и слеживаются. Изменяются органолептические показатели зерен — цвет, запах, вкус и др. В поврежденных плесенью хранения зернах меняется состав биогенных молекул и снижается их питательная ценность.

17.1.14.Биохимические изменения в морозобойном

исуховейном зерне, при стекании зерна

иего повреждении клопом-черепашкой, при прорастании зерна

Вследствие неблагоприятных погодных условий, нарушений режимов обработки, смещения сроков уборки, наличия вредителей и других причин происходит образование в хозяйствах значительных количеств дефектного зерна (морозобойного, промороженного, суховейного и т. д.).

Морозобойным называется зерно, которое повреждается на корню ранними заморозками в период созревания. Действие отрицательных температур способствует разрушению клеточных структур, нарушению функционирования мембран клеток и их органелл; в этом случае из лизосом высвобождаются гидролазы, расщепляющие полисахариды, бел-

302