CC BY
45
УДК 663.421
Набухание ячменей с различной всхожестью
Т. Н. Данильчук, канд. хим. наук
Московский государственный университет прикладной биотехнологии
Замачивание ячменя — одна из основных стадий производства солода, представляет собой процесс насыщения зерна водой до определенной степени влажности. Поглощение воды и набухание зерна происходят неравномерно из-за различий в структуре и в биологических особенностях составных частей зерновки [1]. Немаловажное значение имеют температура воды и ее состав. Кроме всего прочего на продолжительность набухания зерна при замачивании влияет состав зерна, а именно содержание в нем крахмала и белков, а также характер эндосперма (мучнистый или стекловидный) [2]. Известно, что скорость поглощения воды зерном зависит от его сорта, условий созревания, хранения и дефектности. Совокупность перечисленных факторов определяет также энергию прорастания и способность прорастания зерна. Сравнительный анализ набухания ячменей с различной всхожестью дает возможность выявить взаимовлияние динамики водопоглощения и качественных характеристик зерна, разработать практические рекомендации для его проращивания.
В процессе проращивания ячменя на солод пути проникновения воды
Ключевые слова: зерно, ячмень, набухание зерна, прорастание зерна
в зерновку в первые часы замачивания существенным образом влияют на последующий процесс метаболизма и в конечном счете на ферментативную активность зародыша. Количество влаги, поглощенной зерновками ячменя в течение первых 5-6 ч замачивания, составляет около 50 % от общего количества поступившей в семена воды за период проведения технологической операции замачивания. При этом влажность зерна увеличивается с 13-15 до 34-36 % [1]. Именно этот период был выбран для проведения экспериментов по набуханию.
Использовали ячмени сортов Рядовой, Скарлет, Одесский-115 и Биос с различной способностью прорастания Есп по трем вариантам: I — набухание ячменя с Есп = 88-92 %, II — набухание ячменя с Есп = 49-53 %, III — набухание ячменя, полностью потерявшего всхожесть. Замачивание осуществляли двумя способами: в воронке в соответствии с общепринятым лабораторным вариантом промышлен-
ной технологии солодоращения [3] и в чашках Петри с использованием влагопоглощающего материала [4]. Способность прорастания ячменя Есп оценивали по количеству проросших зерен на пятый день проращивания. Количество влаги, поглощенной зерновками, определяли весовым методом. Динамику водопоглощения оценивали по изменению массы проращиваемого зерна в зависимости от времени контакта его с водой (кривые набухания). Влажность зерна рассчитывали по формуле:
Г = 100 - (а/Ь)(100 - w), (1)
где ^ — влажность зерна после замачивания; а — масса зерна до замачивания; Ь — масса зерна после замачивания; да — исходная влажность зерна.
Результаты экспериментов представлены на рис. 1-4.
Потеря всхожести влияет как на динамику водопоглощения, так и на количество поглощенной зерновками воды в течение первых 6 ч при непрерывном нахождении зерновок под слоем воды. В статье [ 1 ] выделены и описаны три основных этапа водопо-глощения ячменя, каждый из которых состоит из быстрого проникновения воды в структуру зерновок и периода, в течение которого наблюдается минимальное увеличение сырой массы (лаг-период). Сравнение кривых набухания вариантов I и II, когда зерно имеет жизнеспособные зерновки в разном количестве (рис. 1), показывает, что изменение Есп, не влияя на общую длительность основных этапов водопо-глощения, приводит к изменению характера их прохождения во времени:
Время, мин Вариант I —■—Вариант II
Рис. 1. Кривые набухания ячменей Рядовой (вариант I) и Одесский 115 (вариант II) при замачивании в воронках
40-| 3530252015105 0
150 200 250 Время, мин
Рис. 2. Кривые набухания ячменя Одесский 115
(вариант II): 1 — замачивание в воронке под слоем воды; 2 — замачивание в чашке Петри с использованием влагопоглощающего материала
2010
0
50
100
300
350
400
1
2
9
Время, мин Вариант I —■— Вариант II
Рис. 3. Кривые набухания ячменей Рядовой (вариант I)
и Одесский 115 (вариант II) при замачивании в чашках Петри
Время, мин
—■— Вариант I —♦—Вариант III
Рис. 4. Кривые набухания ячменей Скарлетт (вариант I) и Биос (вариант III) при замачивании в воронках
при понижении Есп наблюдается ускорение начального интенсивного водо-поглощения и увеличение длительности следующего за ним лаг-периода. При этом зерно, имеющее меньшую Есп (вариант II), поглощает больше влаги, чем зерно с достаточно высокой Есп (вариант I). Это, скорее всего, связано с нарушением целостности клеточных и молекулярных структур семян в процессе хранения.
В сухих семенах с низкой скоростью происходят некоторые ферментативные процессы, в которых принимают участие нуклеазы и про-теазы, накапливаются результаты повреждений, вызванных такими случайными процессами, как химическое окисление липидов мембран или физическая денатурация белка. Число таких повреждений тем больше, чем дольше хранятся семена [5]. Когда в клетки вновь попадает вода, одни биохимические процессы возобновляются сразу, в то время как реактивация других (например, изменение, обновление и синтез составных элементов мембран в течение лаг-периода на первом этапе водопоглощения) проходит за более длительный промежуток времени. Этот временной интервал зависит от состояния семени: для ослабленных семян он больше, так как требуется время, чтобы исправить любое жизненно важное повреждение структуры клеток.
Вегетационная влага в зерне не только пробуждает его к жизнедеятельности, но и способствует перемещению биологически активных и питательных веществ между отдельными частями зерна. Однако поступление воды в набухающее семя является для него
стрессом, при котором возможно повреждение клеточных мембран. Семена, имеющие микротравмы, легче повреждаются при гидратации, что может привести к понижению их всхожести. Можно избежать в значительной степени повреждений клеточных структур, если позволить зерновкам постепенно поглощать влагу. Это достигается использованием «щадящего» режима замачивания, когда зерновки помещают на впитывающее воду полотно, например из синтетического полимера [4], и прикрывают другим полотном, выполненным из такого же материала и смоченным водой.
Результаты экспериментов показали, что для ячменя с достаточно высокой Есп (вариант I) характер кривой набухания и величина Есп. практически не зависят от режима замачивания. В варианте II наблюдали заметные изменения динамики водопоглощения в зависимости от способа проведения операции замачивания зерна (рис. 2). Замачивание ослабленного зерна (вариант II) в «щадящем» режиме позволило приблизить характер его водопо-глощения к варианту I (рис. 3) и увеличить Е на 10-12%.
сп. '
Сравнение кривых набухания вариантов I и III, т.е. жизнеспособного и полностью потерявшего всхожесть зерна (рис. 4), показывает, что изменение Есп. влияет как на общую длительность основных этапов водопоглоще-ния, так и на характер прохождения этих этапов во времени. При полной потере зерном способности к прорастанию наблюдаются резкое ускорение периодов интенсивного водопогло-щения и уменьшение длительности следующих за ними на каждом этапе
лаг-периодов. Зерно, имеющее Есп = 0 (вариант III), поглощает намного больше влаги, чем зерно с достаточно высокой Есп (вариант I), и значительно быстрее достигает влажности 43-45 %. В литературе ранее отмечалась способность мертвых семян быстрее поглощать воду и в большей степени выделять в окружающую среду разнообразные вещества, что объяснялось нарушением структуры покровов семени и клеточных оболочек
[6]. Методом ЯМР- и ЭПР-томогра-фии установлено (с использованием 2,2,6,6-тетраметил-4-оксипиперидин-1-оксиола в качестве спиновой метки), что в семенах злаков имеется два типа клеточных структур, заметно отличающихся по своей проницаемости для воды в воздушно-сухом состоянии
[7]. В одни вода проникает достаточно быстро, в другие — медленно.
Первый тип клеток находится в зародыше и частично в эндосперме. Вода проникает в эти клетки достаточно быстро за счет дестабилизации клеточных мембран после высушивания. В процессе замачивания в них формируется зона, содержащая воду в жидкой фазе. Второй тип клеток занимает основную часть объема эндосперма и содержит воду, связанную с крахмалом. Их нормальная проницаемость для семян с хорошей всхожестью восстанавливается при набухании лишь постепенно, возможно, после проникновения воды на внутреннюю сторону мембраны. Водорастворимая спиновая метка легко проникает в клетки через мембраны с нарушенной барьерной функцией. В семенах с высокой Есп повышенная концентрация метки установлена в области зародыша и вбли-
11-2010
10
зи центрального сосудистого пучка. В семенах, полностью потерявших всхожесть, та же метка занимает значительно больший объем, что служит доказательством нарушений структуры биомембран. При набухании мертвых семян проявляются в основном физико-химические свойства капиллярно-пористой структуры зерновок: смачивание, набухание биополимеров, выделение теплоты гидратации, изменение теплопроводности и т.п. Биохимические процессы, для прохождения которых необходимы лаг-периоды [1], при этом не проявляются.
Таким образом, динамика поглощения воды семенами зависит не только от химического состава, но и, при прочих равных условиях, от физиологического состояния семян. Замачивание зерна должно обеспечить не только пробуждение зародыша к жизни, но и дальнейшее его плавное развитие, когда физико-химические, биохимические и биологические процессы проходят комплексно. Между набуха-емостью зерновок и их способностью к прорастанию нет прямой зависимости, наоборот — семена ячменя, набухающие с большой интенсивностью, обладают меньшей всхожестью. Это связано, скорее всего, с накоплением деструктивных процессов в клетках при длительном или неправильном хранении зерна.
ЛИТЕРАТУРА
1. Данильчук Т. Н. Динамика водопоглощения ячменя при различных режимах замачива-ния//Пиво и напитки. 2009. № 4. С. 6-8.
2. Тихомиров В. Г. Технология пивоваренного и безалкогольного производства. — М.: Колос, 1998.
3. Косминский Г. И. Технология солода, пива и безалкогольных напитков. Лабораторный практикум по технохимконтролю производства. — Минск: Дизайн ПРО, 2001.
4. Патент RU 2187921 С2. 2002.
5. Осборн Д. Дж. Нуклеиновые кислоты и прорастание семян // Физиология и биохимия покоя и прорастания семян/Под. ред. М. Г. Николаевой и Н. В. Обручевой. — М.: Колос, 1982. С. 357-360.
6. Овчаров К. Е. Физиология формирования и прорастания семян. — М.: Колос, 1976. С. 153-156.
7. Аксенов С. И., Головина Е. А., Грунина Т. Ю. Методы ЯМР и ЭПР томографии в исследовании распределения и состояния воды в семенах злаков // Физиология семян, формирование, прорастание, прикладные аспекты / Под ред. Х. Х. Каримова. — Душанбе, 1990. С. 251-261. &
Российская академия сельскохозяйственных наук
Государственное учреждение ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПИВОВАРЕННОЙ, БЕЗАЛКОГОЛЬНОЙ И ВИНОДЕЛЬЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (ГУ ВНИИ ПБ и ВП)
Объявляет прием
в аспирантуру по специальности
05.18.07 «Биотехнология пищевых продуктов
(алкогольная и безалкогольная промышленность)»
Телефон для справок (495)246-87-82
