CC BY
40
УДК 663.421
Динамика
водопоглощения ячменя
при различных режимах замачивания
Т. Н. Данильчук, канд. хим. наук
Московский государственный университет прикладной биотехнологии
Как известно, качество ячменного солода во многом зависит от количества поглощенной зерном воды на стадии замачивания ячменя. Достижение конечной степени замачивания в пределах 45-50 % — одна из важнейших задач для обеспечения высокого качества солода при его производстве. Качество солода зависит также от динамики водо-поглощения, характер которой наряду с биологическими особенностями конкретного сорта ячменя формируется способом проведения технологических операций мойки и замачивания зерна.
Для анализа динамики водопогло-щения можно использовать кривые набухания, являющиеся функцией изменения массы проращиваемого зерна от времени контакта его с водой или с увлажненным воздухом. В технической литературе описание процессов набухания ячменя обычно начинают после проведения технологической стадии мойки зерна, т.е. по прошествии 1 -2 ч после соприкосновения зерновок с водой. В то же время именно в начальный период после погружения зерна в воду происходит интенсивное поступление воды в зерновки. В этой связи представляется важным рассмотреть динамику водопоглощения не только в первые часы, но и в первые минуты после контакта зерновок с водой.
Ключевые слова: зерно, ячмень, набухание зерна, прорастание зерна
В настоящей работе представлены кривые набухания ячменя для различных режимов его проращивания на солод во временно м интервале до 60 ч и их анализ в соответствии с изменением структуры различных частей зерновки и биохимическими процессами, проходящими параллельно с изменением динамики водопоглощения. Режимы проведения процесса набухания меняли путем варьирования длительности периодов нахождения зерна под водой и воздушных пауз, а также температуры проведения процесса. Проращивание проводили в воронках в соответствии с общепринятым лабораторным вариантом промышленной технологии солодоращения. Увеличение массы зерна определяли по разности массы определенного количества зерновок до и после их контакта с водой.
Влажность зерна рассчитывали по формуле
№= 100 - (а/ЬН100 - да); (1) степень набухания зерна — по формуле а = (Ь - а)/а, (2)
где W — влажность зерна после замачивания; w — исходная влажность зерна; a — масса зерна до замачивания; b — масса зерна после замачивания; а — степень набухания зерна.
Зерно не подвергали предварительной промывке в целях получения корректных результатов о динамике водопоглощения в течение первых минут. За изменением составляющих зерновку структур наблюдали визуально с использованием оптической системы увеличения, а также методом атомно-силовой микроскопии с применением зондового микроскопа Solver NEXT.
При непрерывном нахождении зерновок под водой в течение 12-13 ч (рис. 1) проявляется многофазность (неравномерность) поступления воды в зерновки, что характерно для многих сельскохозяйственных культур и связано как с физическими, так и с биохимическими явлениями, происходящими в зародыше в процессе метаболизма [1]. Можно выделить три основных этапа водопоглощения, каждый из которых состоит из быстрого проникновения воды в структуру зерновок и периода, в течение которого наблюдается минимальное увеличение сырой массы: первые 150 мин; период 2,5-6 ч; период 7-13 ч.
Быстрое поглощение воды на I этапе обусловлено ее свободным проникновением в пустоты, находящиеся под мякинной оболочкой, а также в капиллярное и межклеточное пространство в пределах зародыша и эндосперма. Методом спинового эха ядерного магнитного резонанса (ЯМР) от протонов выявлено наличие воды в жидкой фазе — свободной воды (СВ), которая появляется через 1 ч набухания как в зародыше, так и в эндосперме [2]. Из-за наличия относительно большого коли-
4•2009
6
W, %
Время, ч
Рис. 2. Динамика водопоглощения ячменя сорта Скарлет при 25 °С в режимах:
— 6 ч под водой, далее на воздухе
при периодическом увлажнении и ворошении;
— 4 ч под водой, далее на воздухе
при периодическом увлажнении и ворошении
чества белковых веществ, обладающих высокой способностью к набуханию, зародыш и щиток быстро поглощают воду. Эндосперм, содержащий значительное количество крахмала, набухает медленнее, тем не менее на его долю уже на начальных этапах приходится ~ 1/2 СВ, и в дальнейшем эта доля увеличивается. С появлением воды в жидкой фазе резко активируется метаболизм в семенах [3]. Визуальные наблюдения с использованием оптической системы увеличения показывают, что одновременно с увеличением содержания влаги в зерновке увеличивается объем зародыша. Эндосперм становится мягче на разрез, но визуальных изменений структуры эндосперма на I этапе не наблюдается.
Следующий на I этапе за интенсивным водопоглощением период минимального изменения массы зерна, так называемый «лаг-период», в научной литературе связывают с перераспределением влаги в объеме зерновки. Предполагается, что лаг-период необходим для осуществления осмотических процессов, образования проводящей ткани, новых митохондрий. Со временем поглощения воды и временем, следующим непосредственно за ним, совпадает раннее и быстрое формирование мембранных систем [3].
Возрастающая скорость увеличения сырой массы на этапе II может быть связана с дополнительным поступлением воды в эндосперм после того, как вся вода центрального сосудистого пучка эндосперма израсходуется на связывание с биополимерами [2]. Визуальные наблюдения показывают, что одновременно с резким увеличением содержания влаги на этом этапе также резко увеличивается объем зародыша (примерно в 3 раза по сравнению с сухим зерном). Заметным становится увеличение объема эндосперма. По мнению автора работы [4], в результате выделяемой на предыдущих этапах теплоты сорбции происходят процессы денатурации и раскручивания полипептидных цепей в зародыше и эндосперме, в результате чего возникают полости, в которые устремляется дополнительное количество осмотической воды. Однако остается неясным факт достаточно резкого увеличения влажности зерна на II этапе. Возможно, такой характер водопоглощения связан с изменениями в структуре воды, заполняющей макро- и микрокапилляры зерновки, что подтверждается расчетами влажности при проведении процесса зама-
чивания в другом режиме: нахождение зерна под водой в течение 4-6 ч и далее в атмосфере влажного воздуха (рис. 2). Из рис. 2 видно, что лаг-периоды проявляются только во время нахождения зерна под слоем воды. Дальнейшее проведение процесса набухания на воздухе при периодическом увлажнении и ворошении приводит к равномерному постепенному увеличению влажности до некоторой предельной величины. Такой характер кинетической зависимости аналогичен процессу ограниченного набухания органических коллоидов [5].
Лаг-период II этапа, длительность которого около 3 ч, — непременное условие последующего растяжения клеток. Происходит подготовка «строительных материалов» для начала роста клеток, а также выработка энергии для их роста [6]. Лаг-период можно рассматривать как время, в течение которого первичный стимул (фактор, запускающий прорастание — быстрое проникновение воды в зерновки) вызывает ответную метаболическую реакцию — активацию или синтез гормонов и дальнейшее действие этих гормонов на генетический аппарат [7]. При оптическом увеличении на срезе зерновок четко просматриваются набухшие первичные листочки и корешки, набухший эндосперм.
На III этапе после 6-7 ч от начала замачивания наблюдается скачок величины влажности. Дополнительное поступление воды в этот период может быть обусловлено формированием ва-куолярной системы, т.е. формированием компартамента, связанного с осмотическим потенциалом растительной клетки. Автор [4] считает, что третий максимум набухания связан с повторяющимися процессами разворачивания и сворачивания полипептидных цепей белков в окрестностях закрытых пор и капилляров (см. этап II), что приводит к дальнейшему формированию полостей, в которые устремляется дополнительное количество осмотической воды. Обращает на себя внимание факт прохождения величины влажности на II и III этапах через максимум при переходе от скачка влажности к лаг-периоду (см. рис. 1). Это можно объяснить проявлением сенерезиса при установлении нового равновесия в системе из-за распределения выделившейся теплоты гидратации путем теплопроводности по всему объему зерна, когда каркас разбухшей структуры постепенно сжимается с выделением растворителя (в данном случае воды) [4, 5]. К концу III
этапа происходит перераспределение влаги по всей капиллярно-пористой структуре зерновки, что приводит к дальнейшему этапу — остаточному равномерному набуханию зерна, сопровождающемуся клеточным делением и про-клевыванием корешка. При оптическом увеличении на срезе зерновок, находившихся под водой в течение 12,5 ч, четко просматриваются набухшие зародышевые листочки и корешки, набухший и удлинившийся щиток, сильно разрыхленный эндосперм в областях около щитка и центрального сосудистого пучка.
После 13 ч от начала замачивания процесс проводили в атмосфере влажного воздуха, заканчивая его достижением влажности 48-50 % в течение последующего времени. На этом этапе после достижения зародышем полной фазы физиологического роста замачивание переходит в стадию проращивания. Проклевывание корешка свидетельствует о завершении прорастания, т.е. о приведении осевой части зародыша в состояние непрерывного роста, приостановленного в период покоя. Дальнейшее увеличение влажности необходимо для прохождения биохимической фазы растворения эндосперма, когда происходит рост листка и корешков и в зерновках накапливается комплекс гидролитических ферментов. Частично проклюнувшиеся зерна ячменя наблюдаются уже через 16 ч от начала проращивания при 25 °С. К концу первых суток количество проклюнувшихся зерновок составляет около 70 %. На срезах эндосперма зерновок ячменя, исследованных методом атомно-силовой микроскопии до и после солодоращения, хорошо видны изменения структуры (рис. 3). У исходной зерновки просматриваются в основном крупные крахмальные зерна продолговатой формы с размерами 7-10 мкм по оси Х и около 20 мкм по оси У. У солода просматриваются как крупные ^ = 7-10 рт), так и мелкие (й < 5 рт) крахмальные зерна, хорошо видны изменения размеров и структуры микроканалов. Таким образом, крахмальные зерна ячменя, представляющие собой конгломераты из плотно слипшихся крупных и мелких зерен, при проращивании распадаются вследствие разнохарактерного набухания биополимеров эндосперма. При этом доля мелких зерен может составлять до 90 % от общего числа зерен. В общей массе крахмала мелкие зерна составляют около 10 % [8].
Проведение процесса замачивания при различных температурах показы-
4 • 2009
вает, что с увеличением температуры увеличиваются как скорость поступления воды в зерновки, так и ее уровень на определенном этапе проведения процесса (рис. 4). Как уже говорилось, характер кинетической зависимости процесса набухания зерна аналогичен процессу ограниченного набухания органических коллоидов, когда скорость набухания лимитируется скоростью диффузии воды в фазу полимера и может быть описана кинетическим уравнением первого порядка. При замачивании зерна в интервале температур 15...35 °С экспериментальные точки зависимости степени набухания а от времени t в координатах 1п а„ / (а„ - а) и t группируются вдоль прямой с тангенсом угла наклона, равным константе скорости реакции k. Константы скорости реакции процесса проникновения воды в структуру зерновки для различных температур приведены ниже.
Зависимость константы скорости проникновения воды k в зерновки ячменя от температуры проведения про-
цесса замачивания V. 15 °С — 1,99х х 10-5 с-1; 20 °С — 2,2510-5 с-1; 25 °С — 2,6710-5 с-1; 30 °С — 3,21х х10-5 с-1; 35 °С — 3,46 10-5 с-1.
Для расчета энергии активации процесса было использовано уравнение Аррениуса
k = Ае-Еа/ЯТ или (3)
1п k = 1п А - (Еа/ЯТ),
где k — константа скорости реакции при определенной температуре; А — предэкспоненциальный множитель; Еа — энергия активации процесса; Я — универсальная газовая постоянная; Т — температура, К.
Полученные данные удовлетворительно ложатся на прямую линию в координатах 1п k и 1/ Т. Это позволило оценить энергию активации процесса набухания ячменя, которая составила 5,3 ккал / моль, что согласуется с литературными данными [9] и соответствует тепловому эффекту перехода клубок-спираль для молекулы ДНК [10].
W, %
Время, ч
Рис. 4. Динамика водопоглощения ячменя сорта Скарлет для режима замачивания
6 ч под водой, далее на воздухе при периодическом увлажнении и ворошении: — при 25 °С, — при 15 °С
ПИ
НАПИТКИ
4•2009
8
Таким образом, приведенные в статье экспериментальные данные показывают, что 1/3 от общего количества поглощенной ячменем воды проникает в зародыш и эндосперм зерновок уже в течение первого часа их контакта с водой, что совпадает по времени с технологической стадией набора воды в чан и мойки зерна. Данный факт необходимо учитывать не только при выборе режима проведения мойки, но и при выборе антисептиков, применяемых для дезинфекции. На последующих этапах вода проникает в зерновки с меньшей скоростью, и ее количество за определенный период проведения замачивания определяется соотношением времени нахождения зерновок под водой и в атмосфере увлажненного воздуха. Меняя динамику водопогло-щения, можно существенным образом повлиять на характер процесса метаболизма и в конечном счете на ферментативную активность проросшего зерна.
ЛИТЕРАТУРА
1. Брукер Дж. Д., Ченг С. П., Маркус А. Синтез белка и прорастание семян // Физиология и биохимия покоя и прорастания семян // Под. ред. М. Г Николаевой и Н. В. Обручевой. — М.: Колос, 1982, с. 387-395.
2. Аксенов С. И., Головина Е.А. Особенности поступления и распределения воды в семенах пшеницы при набухании//Физиология растений. 1986. Т. 33. Вып. 1. С. 150-158.
3. Майер А. М. Метаболическая реакция прорастания // Физиология и биохимия покоя и прорастания семян // Под. ред. М. Г. Николаевой и Н. В. Обручевой. — М.: Колос, 1982. С. 402-410.
4. Выродов И. П. Физико-химическая природа процессов набухания зерна//Известия вузов. Пищевая технология. 2001. С. 9-11.
5. Конюхов В. Ю, Попов К И. Физическая и коллоидная химия. Ч. II. Коллоидная химия. — М.: ИПК МГУП, 2006. С. 296-302.
6. Обручева Н. В. Физиология прорастания семян // Физиология семян, формирование, прорастание, прикладные аспекты // Под ред. Х. Х. Каримова. — Душанбе, 1990. С. 107-118.
7. Дженк Р. К., Амен Р. Д. Что такое прорастание // Физиология и биохимия покоя и прорастания семян // Под. Ред. М. Г. Николаевой и Н. В. Обручевой. — М.: Колос, 1982. С. 24-44.
8. Нарцисс Л. Технология солодоращения. — СПб.: Профессия, 2007. С. 47-48.
9. Овчаров К. Е. Физиология формирования и прорастания семян. — М.: Колос, 1976.
10. Горшков В.И., Кузнецов И.А. Основы физической химии. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006. С. 64-66. &
