Содержание к диссертации
Введение
1 Влияние удобрений и мелиорантов на урожайность и качество корнеплодов сахарной свеклы 17
1.1. Значение сахарной свеклы в развитии аграрного сектора России 17
1.2. Ботаническая характеристика свеклы и ее биологические особенности 19
1.3 Зависимость технологических характеристик сахарной свеклы от агротехнических приемов 27
1.3.1 Влияние почвенно-климатических условий на продуктивность сахарной свеклы 28
1.3.2. Влияние доз минеральных удобрений и мелиорантов на урожайность и качество корнеплодов сахарной свеклы 30
1.3.3. Зависимость продуктивности сахарной свеклы от густоты стояния и сроков уборки 42
1.3.4. Зависимость продуктивности сахарной свеклы от ее происхождения 43
1.4. Пектиновые вещества сахарной свеклы 44
1.4.1 Состояние производства пектина в России и за рубежом 44
1.4.2. Накопление корнеплодами сахарной свеклы пектиновых веществ 48
1.4.3. Структура пектина 54
1.4.4. Физико-химические свойства низкометоксилированных пектинов 65
1.4.4.1. Особенности строения и свойства свекловичного пектина 70
1.5. Методология исследования пектина 76
1.5.1. Определение аналитических характеристик пектина 77
1.5.2. Влияние способа очистки на физико-химические свойства пектина 83
1.5.3. Использование компьютерного моделирования процессов экстракции и очистки пектиновых веществ 87
1.6. Значение пектина как пищевой добавки 89
1.7. Пектин как биологически активный компонент 90
1.7.1. Использование пектина при стимуляции роста семян 91
2. Агрометеорологические условия. методика проведения исследований . 95
2.1. Метеорологические условия 95
2.2. Методика проведения исследований 110
2.2.1 Место и схема проведения полевых опытов 110
2.2.2. Используемые сорта. гибриды и линии сахарной свеклы 112
2.2.3. Используемые виды учетов и анализов 114
2.2.4. Определение аналитических характеристик пектина совместным кондукто- и потенциометрическим титрованием 115
2.2.4.1. Определение содержания свободных и нейтрализованных карбоксильных групп в пектине 116
2.2.4.2. Определение содержания этерифицированных карбоксильных групп в пектине 118
2.2.4.3. Определение содержания ацетильных групп в пектине 120
2.2.5. Кондиционирование ионообменных смол и пектина 120
2.2.6. Термический анализ 121
2.2.7. ИК-спектроскопия препаратов галактуроновых кислот 122
2.2.8. Определение аминокислотного состава белков 124
2.2.9. Атомно-абсорбционная спектрофотометрия 125
2.2.10. Определение содержания сахара (ГОСТ 5672-68) 127
2.2.11. Методика очистки пектина Na-ЭДТА 129
2.2.12. Статистическая обработка полученных данных 129
3. Влияние удобрений и агротехники возделывания на агрохимические свойства почвы. урожайность и качество сахарной свеклы 131
3.1. Оценка урожайности сахарной свеклы в зависимости от агроэкологических условий 131
3.2. Влияние удобрений и мелиорантов на динамику питательных элементов в почве и сахарной свекле 140
3.2.1. Баланс основных элементов питания в почве и корнеплодах в процессе вегетации сахарной свеклы 140
3.2.2. Влияние различных фонов питания на содержание азота. фосфора и калия в корнеплодах сахарной свеклы 143
3.2-3. Использование питательных веществ корнеплодами из удобрений 148
3-3. Зависимость урожайности сахарной свеклы от густоты стояния и сроков уборки 150
3.4. Влияние минеральных удобрений на урожайность и сахаристость корнеплодов 153
3.5. Влияние мелиорантов на урожайность и сахаристость корнеплодов сахарной свеклы 162
3.6. Влияние сортовых особенностей на урожайность и сахаристость корнеплодов сахарной свеклы. 165
3.7- Пектиновые вещества корнеплодов сахарной свеклы в зависимости от почвенно-климатических условий. мелиорантов. удобрений и сортовых особенностей 169
3.7.1. Изменение содержания пектиновых веществ под действием климатических условий 169
3.7.2. Зависимость содержания пектиновых веществ от густоты стояния и сроков уборки сахарной свеклы 171
3.7.3. Зависимость содержания пектиновых веществ от доз удобрений и мелиорантов 174
3.7.4. Влияние сортовых особенностей на содержание пектина в корнеплодах свеклы 183
3.8. Биохимический анализ пектиновых веществ сахарной свеклы 191
4. Совершенствование аналитических методов исследования состава и физико-химических свойств пектина 212
4.1. Использование методов кондукто- и потенциометрии для определения основных аналитических характеристик свекловичного пектина 212
4.1.1. Применение электрохимических методов анализа для оценки содержания ацетильных групп и солевых форм свекловичного пектина 227
5. Влияние способов выделения и очистки на состав и физико-химические свойства свекловичного пектина 236
5.1. Состав и свойства пектина. выделенного с использованием Na-ЭДТА 236
5.2. Сорбционная очистка свекловичного пектина 246
Выводы 283
Рекомендации производству 287
Список использованной литературы 288
Приложения 338
- Зависимость технологических характеристик сахарной свеклы от агротехнических приемов
- Определение аналитических характеристик пектина совместным кондукто- и потенциометрическим титрованием
- Влияние удобрений и мелиорантов на динамику питательных элементов в почве и сахарной свекле
- Применение электрохимических методов анализа для оценки содержания ацетильных групп и солевых форм свекловичного пектина
Введение к работе
Актуальность исследований. Диссертационная работа посвящена поиску пути комплексного решения проблемы оптимизации условий выращивания сортов и гибридов сахарной свеклы и совершенствованию технологии оценки качества продуктов глубокой переработки корнеплодов в условиях Центрально-Черноземного региона.
Ухудшение экологической обстановки в мире, и в России в том числе, в
результате антропогенной деятельности обострило проблему получения
высокоэкологичных продуктов. В настоящее время остаются актуальными
вопросы поиска оптимальных агрономических показателей
сельскохозяйственных культур, а также ценности биохимических свойств продуктов, получаемых из них. Проблема еще более остро выглядит на фоне того, что экономический кризис в России, нарушивший как межреспубликанские, так и внутренние экономические связи, привел к упадку свекловодческой отрасли.
Развитие этой отрасли сельского хозяйства наряду с интенсификацией сталкивается с проблемами, вызванными дисбалансом внесения органических и минеральных удобрений, чрезмерным выносом одних элементов из почвы и фиксацией в ней других. С одной стороны, в эксплуатацию вводятся новые интенсивные сорта и гибриды, а с другой, нехватка удобрений зачастую приводит к сдвигу балансов элементов питания в почве. В результате возникает подкисление почв и связанное с ним снижение урожайности.
По данным агрохимической службы (ГЦАС), на 1 января 2004 года площадь подкисленных почв в Воронежской области составляла 770 тыс. га, или 25 % всей пашни. В составе общей пахотной площади под сахарной свеклой находится 8 % подкисленных почв.
В планах экономического и социального развития страны до 2005 года было предусмотрено довести валовой сбор корнеплодов сахарной свеклы
до 26 млн. тонн, а производство сахара песка - до 5,3 млн. тонн- Являясь передовым свеклосеющим регионом, ЦЧР производит более 60% сахара в России.
Решение проблемы обеспечения страны сахаром должно идти по двум направлениям. Во-первых, это обоснование и внедрение новых сортов и гибридов, отзывчивых на интенсивное ведение хозяйства, а во-вторых, создание максимально благоприятных почвенных условий для их выращивания, в том числе через стабилизацию кислотных свойств почв путем внесения мелиорантов с доведением до их естественного уровня,. Эффективное применение удобрений и мелиорантов должно обеспечивать максимальные прибавки урожая корнеплодов и сбора сахара-
Комплексное рассмотрение процесса возделывания сахарной свеклы и производства сахара включает также вопросы глубокой переработки жома, как ценного сырьевого ресурса, а с другой, уменьшение количества отходов свеклосахарного производства служит решению проблемы загрязнения окружающей среды.
Очевидно, что чем больше конечных продуктов переработки образуется в производстве, в том числе - сахарном, тем более эффективным будет такое производство. Свекловичный жом представляет существенную проблему с точки зрения экологического загрязнения окружающей среды. В ЦЧР, где в год его образуется более 377 тыс. тонн, он используется лишь на корм. Концепцией государственной политики в области здорового питания населения России на период до 2005 года, принятой правительством РФ (постановление № 917 от 10 августа 1998 года), предусматривалось получение новых продуктов функционального назначения. В этой связи актуальным является вопрос изучения пектиновых веществ сахарной свеклы для использования в качестве природных детоксикантов. Получение безопасных и биологически активных продуктов связано с разработкой не только оптимальных технологий переработки сырья, но и методов и приемов
его выращивания в условиях минимизации воздействия факторов, способных вызвать токсикацию тканей уже на этом этапе [383],
Для соблюдения перечисленных требований при выращивании и переработке растений с целью получения пектина высокого качества большое значение имеют методы контроля конечного продукта. Совершенствование этих методов позволяет контролировать его качество на этапах выращивания, промежуточной переработки и при получении конечных оценочных характеристик [380, 390, 391, 424,440].
Основные требования к свекловичному пектину изложены в ОСТ-18-62-72, его суточная норма потребления составляет от 2 до 16 граммов, в зависимости от экологической обстановки региона. При минимальной профилактической норме потребления пектинов (2 грамма в сутки) количество его для страны с населением 143 млн. составляет свыше 286 тыс. тонн в год. Возможность создания цепи (почва - растение - продукт -человек) позволяет целенаправленно избирать такие технологии выращивания и переработки растений, которые в конечном итоге будут способствовать улучшению здоровья населения.
Изучение пектина начато достаточно давно, и со времени классических работ в области свойств и классификации пектина [7, 8, 57, 58, 59, 85, 86, 88, 92, 302, 350, 351] выделились два основных направления его изучения и использования- Первое связано с применением пектина в качестве желирующей добавки в пищевой промышленности. Классификации сырья, технологии получения и использования пектинов в этой области посвящены работы Шелухиной Н.ПМ Аймухамедовой Г\Б., Карповича Н.С., Донченко Л.В. и др. [9, 10, 11, 18, 19, 67, 68, 87, 89, 90, 91, 93, 349, 352, 385, 410,411,431,432,433].
Несколько позже распространение получило новое направление, основанное на протекторных свойствах пектина, связанных с функциональной активностью молекул галактоуроновой кислоты [101, 102, 114, 122, 438, 439, 452, 471]. Обострение экологических проблем определило
использование детоксицирующих свойств пектина в ряде задач по обеспечению статуса пищевой безопасности населения [89, 103, 104, 131, 315, 316]- Кроме того, пектиновые вещества используются в промышленном и аграрном секторе в качестве добавок в кремы [454] и микробиологические среды [470], как консерванты почвы и в других целях [404, 507]-
Ыаучные разработки по этим направлениям, подтверждаемые практическими результатами» должны закономерно привести к организации производства пектина и пектинопродуктов на территориях, где в них высока потребность и существует достаточная сырьевая база. По экспертным оценкам потребность рынка в России [140, 160] может доходить до 7000 тонн в год. Половина из этого количества может приходиться на пектин медицинского назначения, особенно в экологически неблагоприятных зонах.
Доминирующим источником пектиносодержащего сырья в России, особенно в ЦЧР, является свекловичный жом, полная переработка которого на пектин могла бы обеспечить 2/3 потребности России в низкометоксилированных пектинах. При этом актуальным является решение вопроса получения высокоочищенных пектинов, в том числе и низкометоксилированных. Ранее существовавшие мощности СССР по получению пектинов, в силу нарушения межреспубликанских связей, были ликвидированы и не восстановлены до сих пор- Частично это связано с тем, что высокая конкуренция на рынке пектинов, созданная мировыми лидерами в этой области (Геркулес, США и H&F, Австрия) за счет низкой себестоимости и высокого качества, продолжают контролировать рынок пектина в России, Ситуация может измениться в том случае, если будут созданы эффективные высокотехнологичные производства, позволяющие получать высококачественный пектин из местного сырья.
Существовавшие ранее в СССР технологии [127, 128, 129, 130], особенно на стадии очистки пектина, не позволяли эффективно получать целевой продукт высокого качества. Поэтому поиск методов очистки
пектиновых концентратов в наши дни продолжает привлекать интересы ученых.
Производство пектина может базироваться только на критериях комплексного подхода к решению научных и производственных вопросов, а также организации рынка сбыта пектина и пектинопродуктов [83, 96]. Для решения этой проблемы актуальной является дальнейшая разработка новых видов пектиносодержащих продуктов [105, 479, 493, 511] и расширение области его агропромышленного использования.
В настоящее время остается открытым вопрос определения влияния биологических особенностей сахарной свеклы и условий ее выращивания на количество и свойства образующегося в ней пектина. Сведения о содержании и аналитических характеристиках пектиновых веществ сортов и гибридов сахарной свеклы, возделываемых в ЦЧР, отсутствуют в литературе, что и определило необходимость проведения специальных исследований. Цель н задачи работы. Целью работы является оптимизация урожайности сахарной свеклы и содержания в ней пектина при совместном использовании удобрений и мелиорантов, а также получение высокоочищенных препаратов пектина, обладающих улучшенными технологическими свойствами, на основе совершенствования методов его выделения, очистки и анализа.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- Исследовать влияние доз удобрений, мелиорантов, почвенно-
климатических условий на урожайность сахарной свеклы, количество и
качество пектина.
Изучить динамику основных элементов питания в зависимости от доз удобрений и мелиорантов и определить их вынос корнеплодами сахарной свеклы.
Определить технологические свойства корнеплодов и аналитические характеристики пектина в зависимости от фона питания,
Выявить влияние густоты стояния сахарной свеклы и сроков уборки на урожайность и технологические свойства корнеплодов, содержание и
свойства пектиновых веществ.
Выявить зависимость между сортовыми особенностями сахарной свеклы и аналитическими показателями пектина.
Усовершенствовать методы определения функционального состава молекул пектина.
Повысить степень чистоты пектина с применением комплексообразующих веществ.
Выявить изменения состава пектина при его обработке ионообменными смолами.
Выявить особенности гидратации пектина, полученного с использованием различных методов очистки.
Разработать компьютерные модели, отражающие изменение гидратации и межмолекулярных взаимодействий на различных стадиях выделения и очистки пектина,
Использовать полученные пектины для разработки технических условий рецептур хлеба,
Разработать способ обработки семян озимых культур препаратом пектина с целью повышения их посевных качеств.
Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что в
условиях ЦЧР разработаны приемы комплексной оценки корнеплодов сахарной свеклы, позволившие повысить почвенное плодородие, увеличить содержание сахара в корнеплодах, исследовать биохимические особенности пектиновых веществ и их влияние на качество пищевых продуктов,
В результате проведенных исследований уточнены данные по выносу корнеплодами сахарной свеклы основных элементов питания из удобрений и мелиорантов. Установлено влияние густоты стояния и сроков уборки на урожайность и качественные показатели корнеплодов.
Обосновано влияние сортовых особенностей сахарной свеклы на основные аналитические характеристики пектина.
Разработан способ повышения комплексообразующей способности пектина сахарной свеклы. Установлено влияние метода выделения пектина из раствора на его состав и гидратационные характеристики. Выявлено, что выделенный с применением хлорида кальция ("кальциевый") пектин менее гидратирован, чем полученный спиртовой обработкой раствора
("спиртовой"). Показано, что различия в гидратации молекул пектина связаны с образованием надмолекулярных структур, образующихся под действием связывающего цепи полигалактоуроновои кислоты иона кальция.
Выявлено, что обработка раствора пектина динатриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты (Na-ЭДТА) приводит к снижению в 2...3 раза содержания в продукте балластных веществ, повышает степень ионизации карбоксильных групп и общую гидратацию его молекул. Показано увеличение содержания фрагментов полигалактоуроновои кислоты в очищенном Na-ЭДТА пектине.
Установлено преимущество применения неионогенного сорбента "Стиросорб МХДЭ-100" перед анионитами различной природы при сорбционной очистке препаратов пектина- Выявлено, что минимальные потери целевого продукта имеют место при очистке раствора пектина последовательной обработкой катионитом КУ-2-8 и исследованным неионогенным сорбентом.
Показано, что для объяснения явлений, протекающих при выделении и очистке пектина, и прогнозирования его свойств могут быть использованы методы компьютерного моделирования.
Подтверждены экспериментальные данные о гидратации молекул галактоуроновой кислоты и известные данные о комплексообразовании молекул пектина с ионами кальция с участием как карбоксильных групп, так и спиртовых гидроксилов. Практическая значимость работы:
Полученные результаты достоверно подтверждены сохранением почвенного плодородия и повышением урожайности корнеплодов сахарной свеклы.
С учетом технологических особенностей возделывания сахарной свеклы и физико-химических свойств пектиновых веществ можно корректировать сбор и качество в условиях производства.
Разработан способ повышения комплексообразующеи способности пектина. Патент на изобретение №2219188 Ru С 08 В 37/06, А 23 L 1/0524 Способ повышения комплексообразующеи способности свекловичного пектина / Когов В.В., Лукин А,Л., Васютин А.А., Гвоздев Н.В. (РФ).-4с.
Усовершенствована методика оценки физико-химических показателей пектина с использованием приема совместного кондукто- и потенциометрического титрования.
Разработанные методы очистки пектина положены в основу создания технических условий рецептуры хлеба с использованием пектина как пищевой добавки.
С использованием очищенного свекловичного пектина разработан и прошел испытания в хозяйстве ЗАО "Коттонинвест Нижнебайгоровский" препарат по стимулированию энергии прорастания и полевой всхожести яровых зерновых культур.
Положения выносимые на защиту:
Дозы удобрений и мелиорантов и урожайность корнеплодов сахарной свеклы.
Содержание и качество свекловичного пектина в зависимости от сорта и условий выращивания сахарной свеклы.
Новый способ очистки пектиновых веществ.
Повышение комплексообразующеи способности пектина.
Усовершенствованная методика определения аналитических характеристик пектина.
Экспериментальные данные по влиянию способа очистки пектина на его состав и гидратационньте характеристики.
Результаты компьютерного моделирования состава, процесса выделения, очистки пектина и прогнозирования его свойств.
Результаты использования очищенного пектина как пищевой добавки при выпечке хлеба и в качестве стимулятора роста яровых зерновых культур-
Апробация работы: Работа выполнена в соответствии с координационным планом научного совета РАН по адсорбции и хроматографии на 2000-2004 (раздел 2.15.6.2: "Исследование межмолекулярных и гидратационных взаимодействий, кинетики и механизма массопереноса в ионитах и ионообменных мембранах в системах с органическими электролитами и полиэлектролитами") и плану НИР ВГАУ на 2001-2005 (тема № 6: "Разработка научных основ формирования устойчивых агроэкосистем ЦЧР" № 01,200,1003985), Исследования выполнены в лабораториях кафедры химии ВГАУ, кафедры аналитической химии Воронежского государственного университета, лаборатории массовых анализов ВГАУ, зональной агрохимической лаборатории и лабораторией диагностики и ветеринарной медицины.
Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на:
- 5 международной научно-производственной конференции "Проблемы
сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их
решения" (г, Белгород БГСХА, 2001г.);
- Международном научном семинаре "100 лет хроматографии" (г, Воронеж,
ВГУ 1-3 октября 2003г.);
Международной конференции "Функциональные продукты питания: гигиенические аспекты и безопасность" (г. Краснодар, КубГАУ 26-30 мая 2003г.);
Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию ВГАУ им. К.Д. Глинки и 10-летию технологического факультета ВГАУ "Актуальные направления развития экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции" (г. Воронеж, ВГАУ 15-18 апреля 2003 г.);
- Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и
специалистов, посвященной 90-летию ВГАУ им. К.Д. Глинки "Вклад
молодых ученых в развитие аграрной науки в начале XXI века" (г. Воронеж, ВГАУ2Ь23мая2003г.);
- Международной научно-практической конференции "Актуальные пробле
мы и перспективы развития агропромышленного комплекса" (Ростовская
обл., Октябрьский р-н, пос. Персиановский, ДонГАУ 1-4 февраля 2005 г.);
- X международной конференции "Физико-химические основы ионо
обменных процессов" (Воронеж, 14-17 сентября 2004 года);
Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса" (Донской государственный аграрный университет, 1-2 февраля 2005 г);
- заседании секции растениеводства научно-технического Совета главного
управления АПК администрации области по теме: "Пути повышения
эффективности производства продукции растениеводства" главное
управление АПК, Воронеж 2005.
Научных и учебно-методических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Воронежского государственного аграрного университета имени К. Д- Глинки (Воронеж 2003-2005).
- 52-й студенческой научной конференции "Актуальные направления
стабилизации и развития АПК в XXI веке" (г, Воронеж, ВГАУ 2001г,);
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 научных работ, в том числе 1 монография, 17 научных статей, получено 2 патента РФ на изобретение и 1 положительное решение на выдачу патента- Разработано 2 пакета нормативной документации на новые продукты питания и стимулятор роста семян зерновых культур.
Под руководством диссертанта проведены совместные исследования и защищены кандидатские диссертации А. А- Васютина (2001), Н,В. Гвоздева (2005), подготовлена и представлена к защите диссертация СВ. Славгородского (2005).
Зависимость технологических характеристик сахарной свеклы от агротехнических приемов
Научно обоснованная технология производства и уборки сахарной свеклы предусматривает своевременное и последовательное выполнение всех операций, связанных с ее возделыванием, и осуществляется с учетом местных природно-климатических и организационно-технических условий [34,99,109,144, 267,324,325].
В севообороте сахарная свекла размещается обычно после озимых культур, идущих по черному или занятому пару [212,265,274],
Посев производится семенами сортов и гибридов со всхожестью не ниже 85 % двух посевных фракций - 4,5-5,5 и 3,5-4,5 мм сеялками точного высева. Формирование густоты стояния и уход за посевами осуществляется с помощью соответствующего набора машин [56,254,266,277,278].
Основным лимитирующим фактором в большинстве районов свеклосеяния является обеспеченность растений влагой. Сахарная свекла является засухоустойчивым растением, экономно расходующим воду. Транспирационный коэффициент сахарной свеклы первого года жизни составляет в среднем 397 единиц, а в благоприятных условиях снижается до 130 единиц [199,208,212, 247]. Сахарная свекла устойчива к недостатку влаги и легко теряет воду при усилении транспирации, но быстро восстанавливает тургорное состояние тканей при доступе к ним влаги [195 198 213, 243].
Мощно развитая корневая система способствует сохранению урожайности в годы с недостаточным количеством атмосферных осадков и дает возможность свекле использовать поздние летние осадки. Сахарная свекла имеет высокий расход воды на единицу урожая и на образование единицы сырой массы корнеплода и ботвы (70-90 единиц) [214, 250, 267, 271],
В отдельных случаях максимальная масса корнеплода может быть получена как при пониженной (до 40 %), так и при повышенной (до 80 %) НВ. Это зависит от типа почвы, удобрений, концентрации почвенного раствора, других факторов. Сахаристость же с уменьшением влажности до 40% от наименьшей влагоемкости (НВ) несколько повышается [44, 47, 54, 126]. Критический период в отношении обеспеченности свеклы первого года жизни водой приходится на июнь-август, т.е. на период, когда сахарная свекла имеет максимальную листовую поверхность и когда она усиленно потребляет питательные вещества.
За период вегетации, в зависимости от географической широты, сумма среднесуточных температур для сахарной свеклы составляет: в основных районах свеклосеяния - 2400-2800 С, а в северных, нечерноземных районах -1900-2100 С, в условиях юга и юго-востока - 3000-3500 С [259, 269, 275, 326].
Отношение к почвам. Лучшие почвенно-климатические условия для возделывания сахарной свеклы имеются в лесостепной и степной зонах. Лесостепная зона расположена южнее нечерноземной, а лугово-степная (черноземная) - южнее лесостепной, В лесостепной зоне широко распространены черноземы и оподзоленные почвы, а в лугово-степнои в основном черноземные почвы с различной степенью естественного плодородия.
Наибольшие урожаи корнеплодов и семян свекла дает на высокоплодородных почвах с глубоким пахотным слоем, хорошими физическими свойствами, с нейтральной или слабощелочной реакцией почвенного раствора и с высоким содержанием растворимых питательных веществ [16, 35, 40, 41, 64], Этим требованиям лучше всего отвечают черноземные почвы суглинистого гранулометрического состава, обладающие высоким естественным плодородием и имеющие мощный (от 40 до 180 см и более) темно-окрашенный, перегнойный слой с большим содержанием гумуса (от 8 до 8,5 %), который обладает высоким естественным плодородием и зернистой структурой. По мощности гумусового слоя их подразделяют на маломощные (менее 40 см), среднемощные (40-80 см), мощные (80-120 см) и сверхмощные (более 120 см); по содержанию гумуса в верхнем горизонте - на малогумусные (менее 6 %), среднегумусные (6-9 %) и высокогумусные - типичные (более 9 %) [245, 266,279,312].
Корнеплоды оптимальной формы формируются на черноземных почвах при плотности их сложения 1,0-1,2 г/см3 [45,214, 250, 267, 271].
В ЦЧР применяются общепринятые подходы к подготовке почвы и размещению и выращиванию свеклы в севооборотах. Обработанная после зерновых культур или содержащаяся под паром почва должна хорошо аэрироваться, иметь высокую влагоемкость, нейтральную реакцию почвенного раствора, на фоне высокой биологической активности содержать сбалансированное количество минеральных элементов питания. Важнейшим агротехническим средством повышения урожая сахарной свеклы и его качества является система удобрений, разработанная применительно к конкретным почвенно-климатическим условиям с учетом биологических особенностей растений свеклы [25, 37, 70, 71, 77,216].
Имеющиеся данные [16, 35, 40, 41, 64] свидетельствуют, что внесение 1ц полного минерального удобрения при оптимальном соотношении азота, фосфора и калия повышает урожайность сахарной свеклы в районах неустойчивого увлажнения Центрально-Черноземной зоны на 8-9 ц/га. Обобщенные результаты географических полевых опытов показывают, что прирост урожая корнеплодов сахарной свеклы при внесении 1 кг азота составляет 35,7 кг, 1 кг фосфора- 37,5 кг и 1 кг калия - 18,8 кг [6, 13, 34, 99, 109,144,267]. Эффективность удобрений резко возрастает при оптимальном сочетании их с другими агротехническими приемами: севооборотом, обработкой почвы, орошением, борьбой с вредителями и болезнями сахарной свеклы и др. [42,47,107, 108,113].
Способ внесения удобрений под сахарную свеклу зависит от времени и глубины заделки их в почву. Основное удобрение вносят до посева сахарной свеклы под глубокую зяблевую вспашку. Исследованиями ВНИИСС [143, 145, 146, 179, 180] установлено, что при внесении основного удобрения (N45 Рбо К45) весной урожайность корнеплодов сахарной свеклы на мощном черноземе снижается на 36 ц, сбор сахара - на 7,5 ц с 1 га, на выщелоченном черноземе, соответственно, на 23 и 3,5 ц, а на обыкновенном черноземе - на 46 и 9,1 ц. Это обусловлено тем, что удобрения заделываются в верхний слой почвы, который быстро иссушается, и из-за недостатка влаги не могут быть полностью использованы растениями [ 178, 184], На различных почвах ВНИИСС им А, Л. Мазлумова рекомендует следующие оптимальные дозы минеральных удобрений для сахарной свеклы (таблица 2).
Определение аналитических характеристик пектина совместным кондукто- и потенциометрическим титрованием
В основу данного метода положена методика кондуктометрического анализа пектина, разработанная в институте органической химии АН Республики Кыргызстан- Методика усовершенствована нами проведением одновременного потенциометрического титрования той же пробы раствора пектина.
Кондуктомстрические измерения проводили на приборе марки "5721" с чернеными платиновыми электродами, а потенциометрическое титрование на приборе "Иономер универсальный ЭВ-74" с использованием индикаторного стеклянного электрода ЭСЛ-43-07 и хлорсеребряного электрода сравнения.
В работе использовался свекловичный пектин. Экстракция пектина из жома осуществлялась при 75ПС и рН=155 в течение двух часов- Гидромодуль экстракционной смеси составил 1:15. К пектиновому экстракту, отделенному от клетчатки гидролизованного жома, добавляли избыток 25 % -го NH4OH до рН=12,В течение 12 часов происходил процесс полной деэтерификации молекул пектина. По истечении этого времени кислотность экстракта снижали раствором соляной кислоты до значения рН=9 и осаждали пектин 11,1 % раствором СаС12, Отжатый пектиновый коагулят подвергали четырехкратной очистке с использованием спиртово-кислотных растворов. На первом этапе к одной объемной части пектинового коагулята добавляли 2,5 объема спиртово-кислотной смеси. На втором этапе осуществляли очистку 96 % спиртом в соотношении коагулят-спирт 1:4. Третий этап включал промывку коагулята 2,5 объема 70 % спирта. Последний этап промывки заключался в добавлении к коагуляту 3,5 объемов чистого спирта. Очищенный и промытый пектиновый коагулянт отжимали и высушивали при комнатной температуре. Высохший пектин измельчали в диспергаторе.
Взвешивали на аналитических весах 0,1...0,2 г исследуемого порошка пектина, навеску количественно переносили в стакан объемом 100 мл и добавляли 80,,,90 мл дистиллированной воды» Затем стакан с содержимым помещали на магнитную мешалку и перемешивали в течение 30 минут, В анализируемый раствор пектина помещали платиновые электроды кондуктометра и иономера и проводили титрование 0,02 н,„0,1 н раствором гидроксида натрия, снимая показание сопротивления (R ,Ом) и рН после добавления каждой порции титранта объемом 0,1 мл. Строили график зависимости электропроводности 1/R (Ом") и рН от объема добавленного титранта. Содержание свободных карбоксильных групп (Кс), в расчете на высушенную до постоянной массы пробу пектина, определяли по первой точке эквивалентности на кондуктометрической и потенциометрической кривой где Vi - объем раствора NaOH, израсходованный на нейтрализацию свободных карбоксильных групп, мл; с - концентрация раствора NaOH, г-экв/мл; 45 - грамм-эквивалент карбоксильной группы; Р - масса пектина, г.
Содержание нейтрализованных аммиаком карбоксильных групп (Кн) пектина рассчитывали по второй точке эквивалентности на кондуктометрической кривой где V2 - объем раствора NaOH, израсходованный на титрование суммы свободных и нейтрализованных карбоксильных групп, мл.
Далее к содержимому колбы приливали 10 мл 0,1н раствора гидроксида натрия и оставляли на 30...40 минут при комнатной температуре для омыления сложноэфирных групп в пектине. Затем в стакан объемом 100...150 мл отбирали с помощью пипетки аликвотную часть (объем Ai) омыленного раствора пектина для определения этерифицированных карбоксильных групп.
К аликвотной части (50.,.100 мл) /А/омыленного раствора пектина добавляли 4,..6 г катионита КУ-2-8 в Н-форме (рН раствора должен измениться от значения —10 до 4), Содержимое стакана перемешивали и затем катионит отделяли от раствора фильтрованием через бумажный фильтр на воронке Бгохнера (или фильтре Шотта № 3) под разрежением.
К отфильтрованному раствору пектина добавляли 2..,4 г анионита АВ-17-8 в ОН-форме, содержимое колбы перемешивали в течение 2,,.5 минут и отфильтровывали, В отфильтрованный раствор пектина погружали электроды и проводили второе титрование 0,1 н...0,02 н раствором NaOH, добавляя по 0,5 мл перед каждым отсчетом сопротивления раствора.
По результатам титрования строили график зависимости удельной электропроводности анализируемого раствора пектина от объема добавленного раствора NaOH,
Точка эквивалентности соответствовала нейтрализации всех (свободных, нейтрализованных, этерифицированных) карбоксильных групп в пектине. Содержание этерифицированных карбоксильных групп (Кэ) рассчитывали по результатам первого и второго титрования по формуле для пектина, содержащего наряду со свободными и нейтрализованные карбоксильные группы; и по формуле для пектина, не содержащего нейтрализованных карбоксильных групп, где Уз - объем раствора гидроксида натрия, израсходованный на титрование всех карбоксильных групп в пектине, мл; п - число, равное отношению общего объема (А) омыленного раствора пектина к аликвоте (Ат), взятой для второго титрования. По данным первого и второго титрования рассчитывали и другие аналитические характеристики пектина Уронидную составляющую содержания полигалактуронида в анализируемом образце Пч рассчитывали по уравнению структурной единицы пектина со свободными карбоксильными группами, г; 193 - г-экв структурной единицы пектина с нейтрализованными аммиаком карбоксильными группами, г; 190 - г-экв
Влияние удобрений и мелиорантов на динамику питательных элементов в почве и сахарной свекле
Сахарная свекла, являясь культурой интенсивного земледелия, чувствительна к вносимым в почву удобрениям и хорошо развивается на высокоплодородных почвах [16, 35,40, 41, 64, 327].
Для свеклосеющего региона с учетом его агробиологических особенностей разработаны рекомендации по наиболее оптимальным нормам минеральных удобрений. Для сахарной свеклы в ЦЧР дозы внесения полного минерального удобрения составляют N90-120P90-130K90-120- В наших экспериментах в период 2003-2004 годов по влиянию доз на урожайность и качество корнеплодов был выбран вариант N]2oPi2oKi2o- Внесенные в таком соотношении минеральные удобрения в слое 0-30 см в весенний период обеспечили содержание нитратного азота в количестве от 171,1 до 182,8 мг на 1 кг почвы. К моменту смыкания листьев свеклы в рядках содержание доступного для растений азота снижалось до 146,5 - 156,9 мг/кг, а в фазу смыкания листьев в междурядьях содержание азота составляло 141,8 - 158,4 мг/кг. Наименьшее содержание нигратного азота (120,0 - 130?5 мг/кг) отмечалось к моменту уборки корнеплодов (табл. 21).
Содержание и динамика азота в свекле в 2003 году отличалась от показателей более засушливого 2004 года, К моменту появления всходов в благоприятный год содержание нитратного азота в контроле незначительно превышало их количество в 2004 году, что свидетельствует об интенсификации микробиологической активности и минерализации гумуса.
Во всех вариантах исследуемых образцов почвы в 2003 году содержание доступного азота превышало аналогичные показатели 2004 года.
Как известно, существует тесная связь между поступлением в растение азота и фосфора. Нарушение пропорционального баланса этих элементов приводит к накоплению нитратных форм азота, затормаживая белковый синтез и обмен внутри клеток.
Такая тенденция имеет место на фоне высоких доз азота. Сбалансированное фосфорное питание играет важную роль в формировании корневой системы и соответственно улучшает доступ влаги к корням, в конечном итоге отражаясь на урожайности. Недостаток фосфора затормаживает развитие листьев, что служит признаком фосфорного голодания- В годы исследований не отмечалось заметного дисбаланса в азотно-фосфорном питании растений сахарной свеклы. Количество доступного для растений фосфора в почве колебалось от 102,8 до 168,4 мг на 1 кг почвы.
В течение вегетации наблюдалось постепенное снижение запасов доступного фосфора в почве, причем к стадии смыкания листьев в рядках отмечался больший вынос фосфора, чем к стадии смыкания листьев в междурядьях.
Двойная доза минеральных удобрений на 40-45 % увеличивала содержание доступного фосфора в почве, позволяя соответственно растению максимально сбалансированно использовать запасы азота. К моменту уборки остаточные запасы фосфора в почве составили от 88 до 91% от его содержания перед посевом. Однако в целом отмечено понижение содержания фосфора в почве в годы исследований- В опытах не наблюдалось существенных признаков фосфорного голодания.
Многолетние исследования показывают, что наибольшее количество калия содержится в молодых тканях растения. Именно этим объясняется поддержание тургора и эластичности растительных тканей, устойчивость растений к засухе. Недостаток калия в период накопления сахара может на 5-6 % понизить сахаристость от общего его количества. Большую роль в миграции калия внутри растения играет его соотношение с другими элементами, особенно с кальцием, в зависимости от содержания которого изменяется как водный режим растения, так и состояние форм калия внутри растительной ткани, В период 2003-2004 годов наблюдались определенные тенденции в балансе обменного калия. Содержание обменного калия в почве перед посевом сахарной свеклы колебалось от 158,0 до 209,2 мг/кг. Наибольший расход калия, до 22 %, приходился на период смыкания листьев в рядках, К стадии смыкания листьев в междурядьях расходовалось 8-15 % обменного калия в зависимости от фона питания. Наибольшее количество калия в почве отмечалось на фоне двойной дозы минеральных удобрений. В условиях 2003 года в вегетационный период исходные запасы калия были несколько выше, чем в период более засушливого 2004 года. Возможно, это связано с тем, что в предшествующий год внесения удобрений в почву прошла мобилизация калия почвенными микроорганизмами. Запасы остаточного калия в почве перед уборкой свидетельствуют о среднем уровне его потребления в период вегетации. Таким образом, в течение 2003-2004 годов сохранялась тенденция максимального использования растениями азота в качестве основного элемента питания. Запасы фосфора и калия, в сравнении с ним, можно оценить как достаточные, но в целом режим обеспеченности элементами питания находился на уровне ниже среднего для данного типа почв. Потребление основных элементов питания зависит от комплекса агробиологических условий, в которых находится растение. Выпадение одного из звеньев в балансе элементов питания приведет к тому, что растение будет формировать уролсай, с учетом закона минимума, по тому фактору, который находится в наименьшем количестве. Создание благоприятного пищевого режима с учетом среднемноголетних показателей погодных условий и является главной задачей, цель которой, с одной стороны, поддержание высокого уровня плодородия, а с другой стороны, получение максимальных урожаев выращиваемых культур [16, 35, 40, 41, 64, 327,304,310,317,320]. Изменять существующий баланс питательных веществ в почве можно путем внесения различных доз органических и минеральных удобрений. Наибольшее значение при этом придается азоту как ключевому элементу обмена веществ растительных клеток. Как известно, в атмосфере над каждым гектаром почвы находится примерно 800 т молекулярного азота, но при этом в почвах, которые считаются плодородными, запасы минеральных форм азота оцениваются в среднем до 80 кг/га [35,40,41, 64, 327], В зависимости от водно-температурного режима этот азот может мобилизоваться в почве, улетучиваться, переходя в аммиачные формы и в лучшем случае лишь 70 % минеральных форм, претерпевая микробиологические преобразования, включаются в биохимические циклы растительных клеток, превращаясь в белковые компоненты и участвуя в энергетическом обмене [30,45, 55,97] Фосфор является другим элементом формирования пищевого режима растения. Подвижный фосфор, являясь составной частью удобрений, в виде фосфат-ионов РО4" диффундирует внутрь клеток, включаясь в белково-липидный и углеводный обмен. Как и в случае с азотом, определяющими факторами при этом являются влажность и температура, но регулирование фосфорного обмена происходит также под действием внесенных его минеральных форм. Запасы фосфора в черноземных типах почв считаются достаточными для формирования высоких урожаев сахарной свеклы при наличии 170 мг/кг почвы [6,13,34, 99,109,144,267].
Применение электрохимических методов анализа для оценки содержания ацетильных групп и солевых форм свекловичного пектина
Известно, что физико-химические свойства пектина определяются строением его молекулы, основными фрагментами которой являются пиранозные циклы D-галактуроновой кислоты, содержащие свободные или метоксилированные карбоксильные группы, а также ацетилированные гидроксогруппы [7, 86, 131]- Наличие свободных карбоксильных групп в молекуле пектина определяет его способность к участию в реакциях ионного обмена.
Выделение пектина из растительного сырья в основном осуществляется кислотно-спиртовой обработкой, которая на последней стадии включает использование гидроксида аммония [86], Поэтому конечный продукт частично содержится в солевой аммонийной форме. Однако технологические свойства пектина (желирование, комплексообразование и т.д.) определяются наличием не только свободных или диссоциированных карбоксильных групп, но и фрагментов, содержащих сложноэфирные связи. Поэтому, при разработке технологических процессов с применением пектина необходимы знания о его качественном и количественном составе.
Для определения содержания функциональных групп в пектине в основном используется метод кондуктометрического титрования [152]- Однако недостатком этого метода является невысокая точность нахождения точек эквивалентности, особенно при определении содержания свободных карбоксильных групп и их общего количества. Как показано в разделе 4,1, для повышения достоверности аналитических определений содержания свободных карбоксильных групп в пектине может быть использован способ одновременного титрования навески пектина методами кондукто- и потенциометрии.
Необходимым является также определение содержания в пектине ацетилированных гидроксогрупп и солевых его форм, так как технологические свойства пектина в значительной степени зависят от этих показателей. С этой целью нами использован разработанный выше метод. Определение содержания исследуемых групп пектина осуществлялось одновременным копдуктометрическим и потеициометрическим титрованием по методике, изложенной в разделе 4,1. По объему титранта в точках эквивалентности определяли общее содержание в пектине свободных и деэтерифицированных карбоксильных групп (СсеХ а содержание этерифицированных рассчитывали по формуле (27);
Содержание общего количества функциональных групп Сф определялось ацидимитрическим титрованием раствором 0,1 н НС1 гидролизованного раствора пектина, полученного при определении карбоксильных групп. Количество ацетилированных гидроксогрупп (Сац) рассчитывалось по формуле
Известно, что фактором, влияющим на кислотно-основное равновесие в растворе пектина, является содержание нейтрализованных карбоксильных групп, образующихся в процессе обработки пектина аммиаком. Традиционная схема обработки пектина гидроксидом аммония предполагает десятикратный его избыток по отношению к содержанию свободных карбоксильных групп. Поэтому получаемый таким образом пектин должен частично находиться в солевой аммонийной форме. Представляет интерес выявить сходство и различие между процессами титрования аммонийной и кислотной форм пектина На рисунке 34 показаны кривые кондуктометрического титрования аммонийной и кислотной форм пектина.
Данные показывают, что на начальной стадии титрования ход кривых имеет значительные различия. При титровании солевой формы при этом имеет место некоторое увеличение электропроводности (рис- 34 а). Причиной этого является то, что в водном растворе пектат аммония, как соль, образованная слабым основанием и слабой кислотой [176], полностью гидролизуется R - сооа где R — полимерная цепь молекулы пектина.
При титровании щелочью происходит нейтрализация карбоксильных групп фиксированные на матрице карбоксилат-ионы практически не вносят вклада в электропроводность, а относительное ее постоянство обусловлено присутствием в растворе продукта гидролиза - гидроксида аммония. Кривая титрования кислотной формы пектина (рис. 34 б) соответствует аналогичным кривым титрования слабых низкомолекулярных кислот [7, 176]. Некоторое снижение электропроводности связано с накоплением в растворе менее подвижных, чем протон, ионов натрия, а дальнейшая стабилизация электропроводности и ее увеличение определяется процессом гидролиза образующихся при титровании карбоксилат-ионов пектина. После полной нейтрализации карбоксильных групп электропроводность резко увеличивается за счет избытка титранта с аномально подвижным гидроксид-ионом.
Обработка экспериментальных данных рис. 34 путем построения линий тренда с максимальным уровнем аппроксимации линейного участка левой части кривых титрования показала для солевой формы пектина у = 1,9281х - 2,5693 при R2 = 0,998, а для кислотной у = 2,0584х - 3,2665 при R2 = 0,998. При этом объемы в точках эквивалентности соответствуют данным потенциометрического титрования (рис, 35),
Таким образом, предложенный метод определения точки эквивалентности может быть использован при титровании солевых форм пектина. Особый интерес представляет определение содержания функциональных групп пектина, содержащих сложиоэфирные связи.
На рисунке 36 показаны результаты кондуктометрического, а на рис. 37 -потенциометрического титрования общего содержания карбоксильных групп.
