Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Хлебопекарные качества зерна озимой ржи и зависимость их от технологических приемов возделывания (обзор литературы) 8
1.1 .Основные показатели хлебопекарных качеств зерна озимой ржи 8
1.2. Пентозаны как показатель хлебопекарных качеств зерна озимой ржи и факторы, влияющие на их содержание 14
1.2.1. Строение, состав и свойства пентозанов 16
1.2.2. Пентозаны и хлебопекарные качества зерна 21
1.2.3. Активность пентозаназ 23
1.2.4. Содержание пентозанов в зерне различных сортов и устойчивость их к прорастанию 25
1.2.5. Содержание пентозанов в зависимости от выхода муки 27
1.2.6. Содержание пентозанов и вязкость водного экстракта зерна ржи 30
1.2.7. Зависимость вязкости водного экстракта от размера зерен 32
1.3. Влияние азотных подкормок на основные показатели качества зерна озимой ржи 35
1.4. Влияние срока уборки на основные показатели качества зерна озимой ржи 40
ГЛАВА 2. Условия и методика исследований 44
2.1. Почвенно-климатические условия места проведения полевых опытов 44
2.2. Агрометеорологические условия в годы проведения опытов 46
2.3. Объект исследования 51
2.4. Методика полевых и лабораторных опытов 52
2.5. Методика полевых наблюдений и лабораторных анализов 54
ГЛАВА 3. Результаты исследований 61
3.1. Рост и развитие растений, формирование урожая зерна озимой ржи 61
3.2. Вязкость водного экстракта как показатель хлебопекарных качеств зерна ржи 65
3.2.1. Совершенствование методики определения вязкости водного экстракта зерна 65
3.2.2. Взаимосвязь вязкости водного экстракта и хлебопекарных качеств зерна 69
3.3. Качество зерна озимой ржи в зависимости от гидротермических условий 72
3.4. Влияние азотной подкормки на урожайность и качество зерна озимой ржи 75
3.4.1. Изменение содержания пентозанов в зерне озимой ржи при разном уровне азотного питания 90
3.5. Влияние срока уборки на хлебопекарные качества зерна озимой ржи 101
3.6. Хлебопекарные качества при прорастании зерна 112
3.7. Экономическая эффективность азотной подкормки озимой ржи 116
Выводы 118
Рекомендации производству 119
Библиография 120
Приложения 137
- Пентозаны как показатель хлебопекарных качеств зерна озимой ржи и факторы, влияющие на их содержание
- Влияние азотных подкормок на основные показатели качества зерна озимой ржи
- Взаимосвязь вязкости водного экстракта и хлебопекарных качеств зерна
- Изменение содержания пентозанов в зерне озимой ржи при разном уровне азотного питания
Введение к работе
Актуальность исследований. В Российской Федерации рожь, после пшеницы, является второй зерновой культурой, используемой для хлебопечения. По медицинским нормам потребность человека в хлебе и хлебобулочных изделиях составляет 110 кг в год, в том числе 20-30% - из зерна ржи. В целом, исходя из данных требований, в России необходимо ежегодно производить 2,5-3 млн. тонн хлебопекарного зерна ржи.
Хлебопекарные свойства ржи обусловливаются, в отличие от пшеницы, не количеством и качеством клейковины, а состоянием углеводно-амилазного комплекса. В настоящее время основным показателем товарного продовольственного зерна ржи является число падения. Однако данный показатель не полностью характеризует хлебопекарные свойства зерна ржи. Зерно ржи отличается большим содержанием пентозанов, которые обладают высокой водосвязывающей способностью. Пентозаны ржи изучены зарубежными авторами (Karlsson R., 1988; Bedford M.R., Glassen H.L., Campbell G.L., 1991; Weipert D., 1993; Fengler A.I., Marguard R.R., 1998) с точки зрения повышения кормовых достоинств и качества хлеба. В нашей стране пентозаны изучены в основном как компоненты слизей (Петрова И.С., 1953; Голенков В.Ф., 1966; Траубенберг Г.Д., 1972) и с целью оценки селекционного материала (Кобылянский В.Д., 1982; Беркутова Н.С., 1991; Гончаренко А.А., 1998, 2000, 2005).
Хлебопекарные качества зерна ржи в значительной мере зависят от условий возделывания (Исмагилов P.P., 2001). В то же время в условиях Российской Федерации недостаточно изучено влияние условий произрастания культуры на содержание пентозанов в зерне ржи. В связи с этим, исследования пентозанов, а также влияния технологических приемов на их содержание и хлебопекарные качества зерна являются актуальными.
Исследования проводились в рамках ГНТП АН Республики Башкортостан «Экологически пластичные сорта и технология производства про-
5 довольственного зерна ржи» и в 2004 г. Межотраслевой программы РАСХН «Рожь».
Цель и задачи исследования. Цель исследования состояла в выявлении характера и степени влияния азотной подкормки и срока уборки на содержание пентозанов и хлебопекарные качества зерна озимой ржи.
Исходя из цели исследования, были поставлены следующие задачи:
изучить содержание в зерне озимой ржи водорастворимых и нерастворимых пентозанов;
установить взаимосвязи между содержанием пентозанов и показателями хлебопекарных качеств зерна ржи;
обосновать и усовершенствовать наиболее простой косвенный метод оценки содержания в зерне ржи водорастворимых пентозанов;
выявить характер влияния гидротермических условий на формирование хлебопекарных качеств зерна озимой ржи;
изучить влияние уровня азотного питания на содержание пентозанов в зерне и другие показатели хлебопекарных качеств зерна озимой ржи;
изучить динамику содержания пентозанов в процессе созревания зерна и выявить влияние срока уборки на хлебопекарные качества зерна ржи;
провести оценку экономической эффективности азотной подкормки озимой ржи.
Научная новизна. Получены данные о содержании пентозанов в зерне озимой ржи сорта Чулпан. Установлено, что водорастворимые пенто-заны, в основном, определяют расплываемость хлеба. Установлено наличие существенной связи (г= 0,745) между количеством в зерне водорастворимых пентозанов и вязкостью водного экстракта. Усовершенствован косвенный метод оценки содержания в зерне ржи водорастворимых пентозанов по вязкости водного экстракта. Выявлено повышение активности амилолитических ферментов и содержания общих пентозанов в зерне ржи при азотной подкормке. В процессе созревания зерна снижаются активность амилазы и содержание пентозанов. При прорастании зерна воз-
растают активность амилолитических ферментов и содержание водорастворимых пентозанов, снижаются вязкость водного экстракта и хлебопекарные качества зерна (формоустойчивость хлеба).
Практическая значимость работы. Метод определения вязкости
водного экстракта, не требующий большого количества анализируемого
зерна, позволяет провести быструю оценку селекционного материала. Дан
ный метод и определение пентозанов применяются при оценке качества
зерна сортов в селекционных учреждениях (Красноуфимская селекционная
станция, НИИСХ Северо-Востока, НИИСХ ЦРНЗ). Рекомендации по при
менению азотной подкормки и сроку уборки используются в технологии
производства хлебопекарного зерна ржи в Республике Башкортостан на
площади 200 тыс. га.
Положения выносимые на защиту.
1. Содержание пентозанов в зерне сорта Чулпан и его взаимосвязь с
хлебопекарными свойствами.
-I 2. Вязкость водного экстракта, как показатель содержания водораство-
римых пентозанов. Уточненная методика определения вязкости вод
ного экстракта зерна.
3. Характер изменения содержания водорастворимых и нерастворимых
пентозанов в зерне при ранневесенней азотной подкормке.
- 4. Особенности изменения содержания пентозанов при разном сроке
уборки. 5. Характер и степень изменения хлебопекарных качеств зерна ржи при его прорастании.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на
Международной научно - практической конференции «Озимая рожь: се
лекция, семеноводство, технологии и переработка» (Киров, 2003 г.), на
Всероссийской научно - практической конференции «Проблемы и пер-
спективы обеспечения продовольственной безопасности регионов России»
(Уфа, 2003 г.), на 110-ой научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников Башкирского ГАУ
7 «Достижения аграрной науки - производству» (Уфа, 2004 г.), на Всероссийской научно - практической конференции «Повышение эффективности и устойчивости развития агропромышленного комплекса» (Уфа, 2005 г.).
Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена
на 136 страницах машинописного текста и состоит из введения, 3 глав, вы
водов и рекомендаций производству, библиографии из 186 литературных
источников, в том числе 61 зарубежных авторов. Работа включает 27 таб
лиц и 16 рисунков.
Ф' Автор выражает признательность за неоценимую помощь в выпол-
нении научных исследований академику РАСХН А.А. Гончаренко, к.с.-х.н. Т.Н. Ванюшиной, д.б.н. P.M. Хайруллину, Л.И. Махмутовой, Э.Д. Будако-вой и сотрудникам кафедры растениеводства Башкирского ГАУ.
Пентозаны как показатель хлебопекарных качеств зерна озимой ржи и факторы, влияющие на их содержание
Первыми исследователями химического состава зерновых культур Вибра и Риттенхаузеном были обнаружены в зерне злаков растворимые уг-леводы - слизи (Козьмина Н.П., Кретович В.Л., 1944). Дальнейшее изучение их состава показало, что они в основном состоят из полисахаридов - полимеров пентоз, которые получили название пентозаны. Но кроме слизей, пенто-зы были обнаружены еще и в других соединениях, в частности, в гемицеллю-лозах - гетерополисахаридах, которые наряду с целлюлозой входят в состав клеточных стенок растений и могут частично использоваться как запасные вещества.
Номенклатура гемицеллюлоз и пентозанов довольно сложная вследствие большого разнообразия и сложности содержащихся в этой молекуле Сахаров. G.O. Aspinall (1959) показал, что классификация, основанная на различиях растворимости, неточна в отношении химического строения и биологической функции этих соединений. Однако для описательных целей, а также вследствие множественности наименований, применяемых при описании не которых пентозаносодержащих полисахаридов, термин «гемицеллюлоза» использовался для обозначения водонерастворимых, некрахмалистых полисахаридов, а термин «пентозан» - для обозначения водорастворимых полисахаридов. Согласно этим определениям, к гемицеллюлозам относятся ксиланы (Aspinall G.O.,1959), очищенные отрубянистые сходы, получаемые при выра ботке пшеничной муки (Yamazari W.T., 1955), и другие водонерастворимые некрахмалистые полисахариды. К пентозанам относятся пшеничные гумми (Gilles К.A., Smith F., 1956), водорастворимые пентозаны (Montgomerry R., Smith F., 1955), и пентозаны, растворимые в разбавленной кислоте (Пшеница и оценка ..., 1968). В более поздних работах P. Karlsson (1988) дает определение «пентозаны - углеводы, представляющие собой гликопротеиды и обнаруженные в зерне и соломе, где они вместе с лигнинами, протеинами и другим полисахаридами формируют структуру клеточной стенки». По растворимости их в воде они делятся на водорастворимые и нерастворимые. Ржаное зерно содержит 7-10% пентозанов, из которых 1,5-2,5% - растворимые, а зерно пшеницы - 5-7% пентозанов, и 0,5-1,0% из них растворимые. Водорастворимые и нерастворимые пентозаны имеют очень похожую структуру (Kulp К., 1967). При гидролизе гемицеллюлозы и пентозаны дают производные пентоз и гексоз. Мономерными единицами, чаще всего встречающимися в пентозанах и гемицеллюлозах злаков, являются пентозосахара D-ксилоза и L-арабиноза. Кроме того, имеются данные о наличии некоторых гексозосахаров и их производных. К ним относятся D-галактоза, D-глюкоза, D-глюкуроновая кислота и 4-0-метил-0-глюкуроновая кислота. В общем, гемицеллюлозы и пентозаны, выделяемые из хлебных злаков и трав (Aspinall G.O.,1959; Waite R., Corrod A.R.N., 1959), характеризуются присутствием остатков L-арабофуранозы, соединенных в виде боковой цепи из единственного остатка с основной цепью из D-ксилопиранозных остатков так, как это показано на рисунке 1.1. Пентозы (арабинозы и ксилозы) и молекулярная структура пентозанов содержит линейный (1— 4)-р-ксилановый хребет, к которому заместители присоединены через Ог и Оз атомы использованного остатка (Perlin, 1951). Основным заместителем является одинарный арабинозный фрагмент, хотя во многих случаях гексозы и глюкуроновые кислоты присутствуют в качестве минорных составляющих (Fincher, 1975). Фенольные и протеиновые заместители присутствуют в боковых цепях (Geissmann Т., Neukom Н., 1973а; Neu-kom Н., 1976). Важная структурная особенность большинства зерновых ара-биноксиланов в том, что значительная часть заместителей расположена у обоих атомов кислорода 02 и 03, хотя одинарные арабинозные фрагменты предположительно в основном присоединены к Оз атомам (Mares and Stone, 1973а). Молекулярная масса арабиноксиланов из злаковых зерен может существенно зависеть от источника и метода экстракции (Mares D.J., Stone В.A., 1973b; Annison G., Chost M., Cheetham N.W., 1992). Большинство арабиноксиланов в зернах злаковых нерастворимы в воде, т.к. они прикреплены в клетке (клеточной мембране) разрушимыми щелочью эфироподобными перекрестными связями, а не простым физическим притяжением (Mares D.J., Stone В.А., 1973b). Но арабиноксиланы, не связанные с клеточной мембраной, могут образовывать высоковязкие растворы, и они могут абсорбировать приблизительно в десять раз больше своей массы воды. В присутствии опыляющих агентов, таких как Н202 - пероксидаза, арабиноксиланы могут быстро развить гелевую сеть (решетку) как результат реорганизации перекрестных связей (Geissmann Т., Neukom Н., 1973а; Ь). Образование геля совпадает с исчезновением ферунальных групп и полностью, перекрестносвязанные арабиноксиланы, удерживают до 100 г воды на 1 г полимера (Izydorczyk M.S., Biliaderis C.G., Bushuk W., 1990). Арабиноксиланы могут образовывать не только ковалентные перекрестные связи, они могут также образовывать "узловые зоны" межмолекулярными водородными связями между незамещенными отрезками ксилановой цепи (хребта) (Frincher СВ., Stone В.А.,1986). Эти нековалентные взаимодействия арабиноксиланов могут иметь грандиозную важность в определении их конформационных изменений и свойств растворимости, и следовательно их антипитательной активности. Вероятная структура пентозана представлена на рисунке 1.2. R. Karlsson (1988) изучал свойства и моносахаридный состав пентозанов ржи в сравнении с пентозанами пшеницы и тритикале. Выяснил, что относительное содержание растворимых пентозанов в зерне различных сортов ржи было нерегулярно по годам и колебание по годам превысило колебание по сортам. Содержания нерастворимых пентозанов между сортами ржи были более неизменными, а также подобными за 3 года изучения. Содержание пентозанов в пшенице было ниже, чем во ржи. При этом тритикале находилось между ними, так по содержанию растворимых пентозанов оно было ближе к пшенице, нерастворимых - ко ржи. Моносахаридный состав, а также отношение арабинозы к ксилозе в гидролизованных фракциях (растворимые и нерастворимые) пентозанов были похожими во всех трех злаках. Однако содержание галактозы в пшенице и тритикале было выше, чем во ржи. Это указывает на то, что арабиногалактан, который находится в пшенице и тритикале, отсутствует во ржи. Манноза была найдена только в растворимых пентозанах, и ее содержание было выше в пентозанах ржи и тритикале, чем пшеницы. Растворимые пентозаны ржи содержали немного фруктозы, которая вероятно возникла из фруктина (другого растворимого пентозана ржи). Количество пентозанов в пределах протеинов было меньшим в растворимой фракции ржи, чем пшеницы и тритикале. Нерастворимые пентозаны имели более низкое отношение арабинозы к ксилозе, чем растворимые. Это соотношение было самым низким в пшенице и самым высоким во ржи, а у тритикале - промежуточное значение. Высокое содержания глюкозы указывает на то, что в нерастворимой фракции имелись молекулы крахмала.
Влияние азотных подкормок на основные показатели качества зерна озимой ржи
Эффективность удобрений связана с такими агрометеорологическими показателями, как уровень светового питания растений, температура и влажность воздуха и почвы (Федосеев А.П., 1976; Федосеев А.П., 1983; Байер И., 1984).
Агрометеорологические условия являются причиной отклонения фактически кривых эффективности удобрений от теоретических. Условий погоды влияют как на количество доступных питательных элементов в почве, так и на действие удобрений на растения. Известно, что продуктивность культур определяется в основном соответствием уровней светового и минерального питания. Чем выше уровень светового питания, тем больше при нормальной обеспеченности влагой синтезируется углеводов у растений и тем самым больше азота они способны усвоить. Свет влияет на азотное питание не только через фотосинтез, но и через транспирацию. В свою очередь транспирация зависит от влажности и температуры воздуха и почвы (Федосеев А.П., 1983).
Температура влияет на эффективность удобрений, воздействуя на скорость движения воды, подвижность солей в почве, и их темп поступления в растения. При невысоких температурах (от 8 до 10 С) снижается поступление в корни и передвижение из корней в надземные органы азота, ослабляется его расход на образование органических азотистых соединений. При более низких температурах (от 5 до 6 С) поглощение корнями азота и фосфора резко уменьшается (Федосеев А.П., 1976; Федосеев А.П., 1983; Байер И., 1984). Воздействуя на скорость движения воды и растворимых солей, температура влияет на темпы поступления питательных элементов в растения из почвы и внесенных удобрений (Федосеев А.П., 1983).
Для поступления питательных веществ в растения из метеорологических факторов наиболыые значение имеет сумма осадков, которая первично воздействует на водный режим почвы и растений. Вода как основная составная часть почвенного раствора и среда для передвижения питательных веществ оказывает на их поступление, доминирующее влияние (Погода и урожай, 1990).
Известно, внесение азота повышает устойчивость растений к неблаго приятным условиям среды, приводит к увеличению массы 1000 зерен, что в конечном итоге увеличивает урожайность (Мединец В.А., 1969). В ли тературе имеются множество сведений о влиянии удобрений на урожайность и качество зерна озимой ржи, которая свидетельствуют об исключительно высокой отзывчивости этой культуры на улучшение условий питания (Иванов А.П., 1961; Ахметшин Х.С., 1970; Тиунов А.Н., Глухих К.А., Харькова О.А. и др., 1972; Зиганшин А.А., Шарифуллин Л.Р., 1974; Бахтизин Н.Р., Исмагилов P.P., 1991). Наиболее заметное влияние на рост развития растений оказывают азотные подкормки в начале весеннего отрастания.
Недостаточное питание растений, особенно в ранние периоды вегетации, отрицательно сказывается на формировании урожая и не может быть компенсировано последующей хорошей обеспеченностью элементами питания. В вегетационных опытах острый недостаток азота на первых трех этапах органогенеза привел к резкому снижению интенсивности образования вегетативных органов и продуктивности озимой ржи. Усиление азотного питания на последующих этапах органогенеза не дает возможности исправить нарушения в ходе органообразовательных процессов. В то же время недостаток или даже исключение азота из состава питательной смеси с девятого этапа органогенеза до конца вегетации не привели к снижению продуктивности (Печаткин В.А., 1971; Бахтизин Н.Р., Печаткин В.А., 1973).
В исследованиях М.К. Муратова (1975), анализ структуры урожая ржи со сроками внесения и формами азотных удобрений показал, что повышение продуктивности растений при внесении азота в подкормки происходит за счет увеличения количества зерна и плодоносных стеблей, и массы зерна. Увеличение дозы азотного удобрения от 60 до 120 кг д.в. способствовала повышению содержания белков. При подзимных и ранневесенних азотных подкормках наибольший эффект дал применение мочевины.
Действие минеральных удобрений на состав белкового комплекса при созревании зерна озимой ржи изучен достаточно глубоко и отмечено, что внесение азотных удобрений может способствовать повышению белковости зерна на 5,5% (Толстоусов В.П., 1987). Так, установлено, что содержание общего азота под влиянием ранних азотных подкормок повышается от фазы молочной спелости зерна до восковой и снижается к полной. Соотношение белковых фракций в процессе созревания зерна изменяется в сторону уменьшения доли низкомолекулярных и увеличения клейковинных белков.
При внесении удобрений также меняется аминокислотный состав белков. Накопление аминокислот зависит, прежде всего, от уровня азотного питания. Между протеиногенными аминокислотами и уровнем азотного питания имеется устойчивая положительная связь. Заметно изменяется в зерне накопление пролина, аспарагиновой и глютаминовой кислот. Содержание первичного синтеза - аланина, глицина и серина остается стабильным. Устойчивого достоверного влияния фосфорных и калийных удобрений на содержание тех или иных аминокислот не обнаружено (Крищенко В.П., Ушакова Т.Ф., 1986).
У ржи, как у пшеницы и у других злаков установлена обратная зависимость между величиной урожая и белковитости зерна, которая чаще всего встречается при низком уровне азотного питания. При внесении достаточно высокой нормы азота повышение урожайности ржи, как правило, не сопровождается снижением белковости. Вместе с тем чрезмерное увеличение нормы азота вызывает полегание ржи, в результате снижается урожайность и ухудшаются качественные показатели зерна (Павлов А.Н., 1984).
В литературе есть также данные, показывающие зависимость хлебопекарных свойств муки от соотношения отдельных белковых фракций, изменяющихся под влиянием удобрений, в частности соотношения глиадинов и глютелинов, т.е. от качества клейковины (Козьмина Н.П., Кретович В.Л., 1950; Солдатенков СВ., Турганаева Н.Х., Зонов Д.И., 1955). Считается, что хлеб хорошего качества выпекается в том случае, если это соотношение равно или близкое к 1.
Таким образом, азотные удобрения оказывают различное влияние на показатели качества зерна - содержание белка и изменение его фракций, аминокислотный состав суммарных белков, определяющие, в конечном счете, технологические и хлебопекарные качества муки.
В изученной литературе имеются сведения о действии минеральных удобрений на углеводно - амилазный комплекс зерна ржи, определяемое активностью амилотических ферментов (Волкова Н.М., 1971). При внесении азотных удобрений содержание крахмала снижается, т.к. азотные удобрения способствуют большему накоплению белка в зерне. При этом минеральные удобрения, повышая белковость зерна (Козьмина Н.П., 1969; Аистова Л.В., Плешков Б.П., 1972; Коданев И.М. Соболева М.А., Савина B.C., 1977; Крето-вич В.Л., 1981), способствует возрастанию активности амилотических ферментов (Панкратьева И.А., 1971;Титова Е.Н., 1972). В тоже время в работе D.Weipert (1970) более позднее внесение высоких норм азотных удобрений способствовало повышению содержания в зерне белков, а уровень альфа-амилазной активности не возрастал. Из данного опыта видно, что уровень амилазной активности в зерне пшеницы увеличивается под влиянием фактора, повышающего урожайность пшеницы (высокие стартовые дозы азота), а не содержание в зерне белков.
Взаимосвязь вязкости водного экстракта и хлебопекарных качеств зерна
Качество зерна озимой ржи определяются погодными условиями в период созревания (Беркутова Н.С., 1991, Исмагилов P.P., Бахтизин Н.Р., Хамитов У.Н., Ванюшина Т.Н., 1998).
В наших опытах масса 1000 зерен значительно различалась по годам и колебалась в пределах от 24,78 до 34,99 г. В 2001 г., достаточная влагообес-печенность и оптимальный температурный режим в период от весенней вегетации до начала налива зерна способствовало формированию наибольшей массы 1000 зерен. Невысокие значения ее в 2002 г., при дождливой и прохладной погоде в мае и июне, были связаны с тем, что остальные элементы структуры урожая в данный год были относительно высокими. При загущенном стеблестое и большом количестве зерен наблюдается меньшая масса зерновок.
Достаточно достоверно установлено о влиянии метеорологических условий на белковость зерна озимой ржи. Исследованиями Н.М. Волковой (1971), было установлено большое влияние на белковости зерна метеорологических условий в период от начала весенней вегетации до цветения. М.К. Муратов (1975) описал зависимость содержания сырого протеина от гидротермического коэффициента в период колошения - восковой спелости. Наши исследования подтвердили наличие данной зависимости. В 2001 и 2003 гг. белковость составила соответственно 11,84 и 10,85 % и была несколько выше по сравнению с 2002 и 2004 гг. Повышенный термический режим и низкая влагообеспеченность растений в период созревания способствовали формированию зерна с высоким содержанием белка. Механизм влияния гидротермических условий на относительное содержание белка в зерне объясняют по-разному. Считается, что в условиях высокой температуры и недостатка влаги, когда идет ускоренное созревание зерна, рано прекращается отложение углеводов и соответственно повышается белковость (Шарапов Н.И., 1973). Кроме того, при повышении температуры происходит более интенсивное дыхание растений, а следовательно, и большой расход растворимых углеводов. При умеренно влажной и прохладной погоде создаются благоприятные условия, способствующие усиленному синтезу крахмала в зерне при созревании. Так, в 2002 и 2003 гг. относительное содержание крахмала в зерне составила, соответственно 64,03 и 62,99 %.
Наличие избыточной влаги является главным и определяющим фактором, которая играет решающую роль в активизации ферментов и усилении дыхания. Наши исследования показали, что количество осадков в июле месяце в наибольшей степени влияет на активность амилолитических ферментов. Так, в 2004 г., который характеризовался высокой влагообеспеченно-стью, наблюдалось повышение суммарной активности амилазы (97,39 мг/мл час) и, соответственно, снижение числа падения (166 с). Отрицательное влияние осадков в июле на число падения, вероятно связан изменением химического состав зерна. Зерно ржи, выращенное во влажном климате, содержит меньше белка, больше крахмала и растворимых пентозанов, чем в районах с сухим климатом (Исмагилов P.P., Нурлыгаянов Р.Б., Ванюшина Т.Н., 2001). В 2004 году наблюдалось повышение содержания водорастворимых пентозанов в зерне и вязкости водного экстракта. Однако в 2001-2003 гг. закономерного влияния гидротермических условий на содержание пентозанов не выявили (таблица 3.7). Это вероятно связано с тем, что осадки в июле месяце практически отсутствовали или были крайне малыми (3-10 мм).
Таким образом, хлебопекарные качества зерна в значительной степени определяются гидротермическими условиями в период созревания зерна. Особенно сильное влияние на число падения оказывает количество осадков в июле месяце. При увеличении осадков происходит снижение данного показателя, вследствие повышения активности амилолитических ферментов.
Удобрения улучшают питательный режим растений и практически во всех случаях способствует повышению урожайности зерна. Особенно заметное влияние на урожайность оказывает азотная подкормка (Коданев И.М., 1970; Киньонес Алигар М.М., Голенков В.Ф., Новиков Н.Н. и др., 1985; Тол-стоусов В.П., 1987; Костылева О.Ф., Мартьянова A.M., Жуков Ю.П. и др., 1992; Демин В.А., Демин Н.И., Васильев А.Н., 1994).
Ранневесенняя азотная подкормка в наших опытах повысила уровень минерального азота в почве. По годам и вариантам опытов содержание N-NH/ + N-NO3 в пахотном слое почвы колебалось от 5,4 до 7,1 мг/100 г (таблица 3.8) через 10 дней после внесения удобрений.
Анализ почвы с опытного поля показал, что в среднем за 3 года по химическому составу значительных различий не наблюдалось. Содержание гумуса в пахотном слое до внесения азотной подкормки составило 7,17%, подвижного фосфора -120,9 мг/кг обменного калия - 128,9 мг/кг почвы. Реакция почвенной среды опытного участка была слабокислой - рН(сол) = 5,54.
В наших опытах азотная подкормка, способствовала повышению урожайности во все годы, и это происходило в основном за счет увеличения количества продуктивных стеблей на единицу площади и количества зерен в колосе. Дополнительное внесение азота в начале весенней вегетации стимулировало кущение растений ржи, благодаря чему увеличилось количество побегов растений. Ранневесенняя азотная подкормка способствовала дифференциации зачаточного колоса и, соответственно, увеличению количества зерен в колосе. Масса 1000 зерен в вариантах с внесением азота в основном была несколько ниже (таблица 3.9). Это было связано с тем, что с увеличением количества продуктивных побегов и зерен в колосе количество питательных веществ синтезируемых растением на одну зерновку приходится меньше.
Изменение содержания пентозанов в зерне озимой ржи при разном уровне азотного питания
Неблагоприятные погодные условия, складывающиеся в период формирования и созревания зерна ржи, часто приводят к прорастанию зерна на корню. Это является причиной снижения хлебопекарных и семенных качеств зерна ржи. Снижение качества зерна происходит еще до появления видимых признаков прорастания и объясняется увеличением активности амилолитиче-ских ферментов, расщепляющих крахмал. Прорастание зерен сопровождается также глубоким гидролитическим расщеплением гемицеллюлоз, превращающихся под действием соответствующих ферментов (гемицеллюлаз) в моносахариды (Кретович В.Л., 1981).
В связи с этим, для изучения изменений, происходящих с арабинокси-ланами в процессе прорастания, нами был поставлен опыт с прорастанием зерна ржи в лабораторных условиях.
Процесс прорастания зерна начинается поглощением воды клетками, частично обезвоженного семени после его физиологического покоя. Позже происходит активизация многих дыхательных ферментов (гликолитического, пентозофосфатного и азотистого обмена или метаболизма) (Овчаров К.Е., 1976; Кретович В.Л., 1974), и далее расщепление сложных запасных веществ на более простые, легче растворимые, служащие питанием для развивающегося зародыша (Кретович В.Л., 1958; Казаков Е.Д., Кретович В.Л., 1980; Физиология и биохимия...., 1982).
Результаты лабораторного опыта показали, что уже через 12 часов проращивания в зерне были отмечены изменения в химическом составе, характерные для прорастающего зерна, которые усиливались с увеличением продолжительности проращивания (таблица 3.24). С прорастанием зерна закономерно снизилась масса 1000 зерен, содержание крахмала. Снижение содержания белка началось через 24 часа. Как известно, распад белковых веществ в зерне начинается чуть позднее, чем углеводов, поэтому на начальных этапах прорастания наблюдается повышение белковости и чуть позднее его снижение. С прорастанием зерна увеличилась активность амилолитических ферментов. При чем, если активность суммарной амилазы возрастала более чем в 2 раза за 36 часов, а-амилаза — почти в 8 раз за этот же период. Закономерно с ними снизилось число падения и за 36 часов дошла с 274 сек. до минимального значения — 61 сек.
Наиболее любопытные изменения произошли с пентозанами зерна и показателем вязкости водного экстракта. За 36 часов прорастания зерна значительно снизилась вязкость водного экстракта с 70 до 28 cCt. Но при этом наблюдалось повышение содержания как водорастворимых (с 2,09 до 2,56 %), так и нерастворимых (с 10,47 до 13,57 %) пентозанов. Объяснение этому вероятно нужно искать в методике, использованной нами для определения содержания пентозанов (орцинол-хлоридный метод (Albaum H.G., Umbreit W.W., 1947) модифицированный Hashimoto S., (1987) и уточненный для зерна ржи (Delcour J.A., Vanhamel S., De Geest С, 1989)). Данная методика подразумевает определения в зерне общего количества пентоз, дающих характерное окрашивание с орцинолом, не разделяя моно- и полимеры. При прорастании происходит расщепление полисахаридов пентозанов до их мономеров - пентоз. Водопоглотительная способность характерная для пентозанов, отсутствует у пентоз. Поэтому при прорастании зерна снижение вязкости может указывать на расщепление пентозанов, несмотря на увеличение количество пентоз.
Содержание нерастворимых пентозанов также возрастала за 36 часов прорастания зерна. Возможно, это связано с повышением активности всех ферментных систем зерна в процессе прорастания. Набухшее зерно содержит только ограниченное число ключевых ферментов; эти ферменты активируется, когда зерно всасывает воду, затем продукты реакций, которые катализируют, индуцируют развитие активности других ферментов. Так, гемицеллю-лазы (цитазы) гидролизуют в процессе прорастания стенки клеток, состоящие из гемицеллюлоз и пентозанов, и освобождают, таким образом, другим энзимам возможность для проникновения во внутрь зерновки (Братерский Ф.Д., 1994). Эндопентозаназа гидролизует пентозаны, которые исполняют роль запасных веществ в зерне. Расщепленные арабиноза и ксилоза, в дальнейшим предположительно транспортируется в щиток, и используются зародышем прорастающей зерновки. Кроме этого, возможно, происходит синтез пентозанов вследствие гидролиза крахмальных зерен амилолитическими ферментами.
Две фракции пентозанов (растворимые и нерастворимые в воде) необходимо рассматривать во взаимосвязи. Так, еще в работах В.Ф. Голенкова (1973) указывалась, что при определенных условиях водорастворимые пентозаны частично переходят в нерастворимую форму и наоборот.
Очевидно, что эти биохимические изменения определенным образом сказываются на хлебопекарных качествах ржаной муки. Качество хлеба пробных выпечек при прорастании ухудшается (рисунок 3.14). Особенно это касается формоустойчивости, она снижается с 0,4 до 0,15. Ухудшается и консистенция мякиша - он приобретает липкость и сыропеклость. Установлено, что чрезмерно высокий уровень амилазнои активности, характерный для проросшего зерна, ухудшает качество выпекаемого из такого зерна хлеба (Кретович В.Л., Петрова И.С., 1952; Ауэрман Л.Я., Яковлева Л.В. 1971; Лы-зенко В.И, 1973). Интенсивный амилолиз крахмала при выпечке может вызывает и другие дефекты (темную окраску корки, трещины и подрывы на ее поверхности, отставание корки от мякиша) ржаного хлеба (Зверева Л.Ф., Черняков Б.И., 1974).
Таким образом, лабораторный опыт показал, что для зерна ржи достаточно непродолжительного периода (до 24 часа) с оптимальными условиями для прорастания. Прорастание уже в течение 36 часов приводит к полной потере хлебопекарных качеств зерна.
