CC BY
75
УДК 631 .:631.582:631.445.24
ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И РОСТСИМУЛИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ЭКСТРАКТОВ ИЗ ГУМИФИЦИРОВАННОЙ ЛЬНЯНОЙ КОСТРЫ
С.Л. Белопухов, Е.А. Гришина
Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, Российская Федерация, 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49.
Проведено исследование химического состава экстрактов из гумифицированной льняной костры, полученных в различных технологических условиях. Установлены оптимальный состав, концентрация экстрагентов и температурный режим. В опытах по проращиванию семян пшеницы и белого люпина определены эффективные ростстимулирующие концентрации физиологически активных веществ экстрактов. Ил. 4. Табл. 3. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: лен, костра, физиологически активные вещества, гуминовые кислоты, ИК-спектроскопия, термогравиметрический анализ.
CHEMICAL COMPOSITION AND GROWTH STIMULANT EFFECT OF EXTRACTS FROM HUMIFIED LINEN FIRES
S.L. Belopukhov ,E.A. Grishina
Russian State Agrarian University
49, Timiryazevskaya St., Moscow, 127550, Russia
The chemical composition of humified flax extracts obtained under various technological conditions was studied. The optimal composition and concentration of extractant as well as the temperature conditions were found. Effective concentrations of physiologically active substances for seeds germination of Triticum aes-tivum L. and Lupinus albus L. were determined. 4 figures. 3 table. 7 sources.
Keywords: flax, flax waste, physiologically active substances, humic acid, IR spectroscopy, thermogravimet-ric analysis (TGA).
ВВЕДЕНИЕ
Выращивание сельскохозяйственных культур с высокими показателями урожайности и качеством получаемой продукции является приоритетной задачей развития агропромышленного комплекса страны. В этих условиях особую актуальность приобретает разработка и внедрение новых, перспективных агротехнологий с использованием биологически активных веществ, для применения на стадиях предпосевной обработки семян и некорневой обработки растений в различные фазы развития [2-7]. Одним из источников получения таких препаратов является переработка натуральных растительных остатков.
При выращивании растениеводческой продукции остаются значительные количества отходов в виде соломы, а в льноводстве - льняной костры. Костра длительной время хранится на льнозаводах в отвалах, и постепенно под воздействием света, температуры и микроорганизмов гумифицируется. В перегнившей льняной костре может содержаться достаточно высокая концентрация гумусовых веществ, в том числе смесь гуминовых и фульвокислот [6].
Гуминовые вещества - одни из важнейших материальных и энергетических источников формирования почвенного плодородия. Известно, что гуминовые вещества оказывают стимулирующее действие на рост и развитие растений, способствуют эффективному поступлению и усвоению растениями макро- и микроэлементов из почвы и удобрений, повышают численность микроорганизмов в ризосфере растений (акти-номицетов, бактерий). Они являются высоко реакционно-способными и активными ионообменными веществами, которые образуют прочные связи со многими ионами и молекулами химических веществ, находящимися в растворе, а также включенных в кристаллическую структуру минералов. Под влиянием гуминовых препаратов и микроудобрений улучшается белковый и углеводный обмен в растениях, формируется более высокий урожай сельскохозяйственных культур.
В последние годы широкое применение в сельскохозяйственной практике при обработке семян и растений зерновых и зернобобовых культур имеет препарат Лигногумат [2].
До настоящего времени в промышленности практически не использовали глубокую перера-
ботку костры льна, некондиционных семян и низкономерного короткого волокна, объем которых может достигать до 20-30 ц/га [6].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В наших экспериментах использована льняная костра различной степени гумификации (3-5 лет), полученная с Ржевской льночесальной фабрики в 2009 г. На рис. 1 представлена фотография образца исходной негумифицированной костры, произведенной при переработке льна-долгунца урожая 2009 г. На рис. 2 представлена костра, которая находилась в отвалах льнозавода на открытом воздухе в течение 3 лет.
Исследование химического состава льняной костры проведено с использованием химического (ГОСТ 6840), хроматографического (Руководство по методам анализа качества и безопасности пищевых продуктов Р 4.1.1672-03), термогравиметрического методов анализа [4], ИК -спектроскопии на ИК-Фурье спектрометре Perkin Elmer Spectrum 400.
Одним из способов глубокой переработки растительного сырья является экстракция из него различных компонентов органическими или неорганическими растворителями. Используемый нами способ извлечения экстрактивных веществ состоял из следующих стадий:
1. Измельчение (способствует проникновению водно-щелочного раствора и ускорению процесса экстрагирования).
2. Обработка измельченного сырья водным раствором гидроксида калия или натрия.
3. Набухание смеси, интенсивное перемешивание.
4. Фильтрация, отделение твердой фазы.
Схема способов обработки гумифицирован-
ной костры и получения экстрактов представлена на рис. 2. Извлечение физиологически активных веществ из гумифицированной костры проводили методом щелочной экстракции, растворами КОН и NaOH. Для установления оптимальных условий получения вытяжек была проведена серия экспериментов при различных температурах (18-20 °С и 80-85 °С) и продолжительности экстракции (1-3 час.). В проведенных опытах использовался гидромодуль (отношение массы сырья к массе раствора) 1/10.
а) б)
Рис. 1 Образцы костры исходной (а) и гумифицированной (б)
Для оценки величины стимулирующего эффекта проведены лабораторные исследования по проращиванию семян по ГОСТ 12038. Для сравнения полученных данных в опыт был включен вариант с использованием препарата Лигно-гумат марки А, включенный в Список пестицидов и агрохимикатов в 1999 году. Лигногумат содержал 80-85% гуминовых кислот и 15-20% фуль-вокислот. В качестве контроля использовали проращивание семян на дистиллированной воде.
Исходные экстракты разбавляли в 10, 100 и 1000 раз, чтобы определить эффективную кон-
центрацию для роста и развития растений. Нейтрализацию исходных щелочных экстрактов проводили фосфорной кислотой. Раствор Лигно-гумата готовили согласно инструкции по применению препарата. Энергию прорастания и всхожесть семян определяли по ГОСТ 12038.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Костра представляет собой богатый по минеральному и органическому составу сырьевой комплекс. Химический состав исходной костры приведен в табл. 1.
с N
Экстракция при
80-85 °С
ч
Экстрагент 0,1 M KOH 3% KOH
с \
Экстракция при
18-20 °С
Ч У
Экстрагент 0,1 N1 ЮЗЫ
Экстрагент 0,1 М ЫаОН
У V.
Рис. 2. Способы получения экстрактов
Таблица 1
Состав костры
Наименование Показатель
Влажность 6,7
Водорастворимые экстрактивные вещества, % 8,2
Вещества, экстрагированные органическими растворителями, % 5,4
Содержание лигнина, % 35
Степень полимеризации 850
Трудногидролизуемые полисахариды,% 24,1
Холоцелюлоза, % 34,9
а-целлюлоза, % 20,1
Результаты экспериментов показали, что наибольший выход экстрактивных веществ достигается при использовании костры большей степени гумификации, а в качестве экстрагента необходимо применять 3% водный раствор гид-роксида натрия. При этом максимальный выход веществ (до 9%) наблюдается при температуре 80-85 °С и времени экстракции 1 ч. На выход экстрактивных веществ влияет степень размола сырья (лучшие результаты достигаются при степени размола 0,1-1 мм), природа щелочного агента (NaOH), его концентрация в растворе (3%), гидромодуль (1/10), температура (8085 °С), время обработки (1 ч).
Для изучения состава вытяжек на ИК-Фурье спектрометре Perkin Elmer Spectrum 400, были получены спектрограммы концентрата вытяжек после их выпаривания, а также проведен дифференциальный термический и термогравиметрический анализ с использованием термоаналитического комплекса на базе модифицированного дериватографа Q-1500 D.
Данные инфракрасной спектроскопии показали наличие в вытяжках водородносвязанных гидроскильных и фенольных групп (3400-3430 см-); слабые полосы поглощения СН, СН2, СН3 групп (валентные колебания в алифатических цепях при 2870 см-1), наличие ароматических компонентов (1530-1610 см-1), валентные колебания карбонильных групп, связанных с ароматическим кольцом (1650-1620 см-1). Деформационные колебания ЫИ гумусовых веществ (1420-1400 см-1), деформационные колебания метиленовых групп остова органических молекул (1330-1400 см-). Полученные данные свидетельствуют о близости выделенных веществ к гуматам. Также в спектрах присутствуют новые
полосы поглощения 1115-1130см- , 830-865 см-1, -1 -1 700-780 см , 535-550 см , которые могут свидетельствовать о дополнительных низкомолекулярных физиологически активных компонентах в экстрактах. На рис. 3 представлена характерная спектрограмма концентрата вытяжки, полученной упариванием (КОИ 0,1 М, температура 18-20 °С).
%T
2500 2000
cm-1
Рис. 3. Спектрограмма концентрата вытяжки из льняной костры
t!SC TG. о/а
1000- 0
950 -Е Е
900 т -10 т
650^ -15 Е
еоот -20 Е
750т -25 Е
700-Е -30 т
650 -Е -35 т
600 -Е -40-Е
550-Е -45 Е
500- -50 -Е
450т -55
40 0 т Г» О
В 5 0 "Е -65-Е
300 т -70 -Е
250 т -75 Е
200-Е -so -Е
150 -Е -S5 -Е
100т -90 -Е
50т -95 -Е
о- -100 -
у
х
/(\
\
_г
РТА DTG
ЮО- 50-
9D-E 40-
вОт 30т
70i 20 "Е
боЕ Ют
SOE От
4D-E -1 От
ЗОт 20-Е
го-Е -зо-Е
ю-Е -40-
оЕ -50 т
-ю-Е -60 т
-20 т - 7 От
-зо-Е -еоЕ
-40 т -90Е
-SOE юо-Е
-бО-Е -1Ю-Е
-70-Е -120т
-во^ -130^
- 90 т -140т
100- -15D-
□0:00:00,0 00:10:00,0 00:20:00,0 00:30:00,0 00:40:00,0 00:50:00,0 01:00:00,0
Время, час:мин:сек
01:11:30,0
Рис. 4. Термограмма вытяжки из льняной костры
При расшифровке данных термических спектров учитывали потери различных форм воды, органических и минеральных компонентов, интегральную и дифференциальную потери массы. Основой для идентификации компонентов служили физико-химические реакции, протекающие в образцах в процессе их нагревания. Из образца выделялись различные формы воды, происходило окисление органических веществ, плавление и разложение минеральных солей. Содержание молекулярной воды в определяемых образцах составило 9,5-11% (максимумы пиков 122-145 °С), органического вещества 9-16% (максимумы пиков 278-486 °С), минеральных компонентов 18-23% (максимумы пиков 538-840 °С), зола 50-63,5%. Варьирование температурных максимумов пиков (табл. 2)
обусловлено различным содержанием и качественным составом органических и минеральных веществ вытяжек, полученных при разных условиях экстракции.
Характерная термограмма вытяжки (КОИ 0,1 М, Т = 18-20 °С) приведена на рис. 4.
Для изучения влияния физиологически активных веществ вытяжек на сельскохозяйственные растения, были проведены испытания по определению всхожести и энергии прорастания семян, массы и длины проростков. Энергия прорастания характеризует дружность и скорость прорастания семян, а всхожесть - способность образовывать нормально развитые проростки.
Результаты опыта по исследованию влияния препаратов на рост и развитие растений представлены в табл. 3.
Максимумы термоэффектов
Таблица 2
Вариант Термоэффект, Т °С
Вытяжка 1 KOH 0,1 М, Т= 18-20 °С 150 278 775
Вытяжка 2 NaOH 0,1М, Т=80-85 °С, нейтрализация HCl 170 320 538
Вытяжка 3 NaOH 3%, Т=80-85 °С, нейтрализация HCl, костра с большей степенью гумификации (5 лет) 122 486 846
Вытяжка 4 NaOH 3%, Т= 80-85 °С 145 339 841
Таблица 3
Результаты лабораторных опытов по проращиванию семян
Вариант Энергия прорастания, % Всхожесть, % Длина проростков, мм Масса проростков, г
Стебли Корни Стебли Корни
Озимая пшеница, сорт Московская 38
Контроль 88 79 51,3 ± 5,9 41,4 ± 3,7 0,039 ± 0,001 0,023 ± 0,002
Лигногумат 96 95 70,0 ± 4,5 78,8 ± 3,4 0,064 ± 0,001 0,035 ± 0,001
Разбавление вытяжки 1/10 90 86 74,1 ± 5,2 79,4 ± 3,5 0,067 ± 0,002 0,043 ± 0,002
Разбавление вытяжки 1/100 92 90 75,3 ± 5,5 71,6 ± 4,2 0,063 ± 0,003 0,041 ± 0,003
Разбавление вытяжки 1/1000 93 93 59,4 ± 4,8 67,0 ± 3,7 0,049 ± 0,003 0,032 ± 0,002
Белый люпин, сорт Дега
Контроль 93 93 48,7 ± 3,6 0,24 ± 0,02
Лигногумат 93 93 34,5 ± 3,1 0,17 ± 0,01
Разбавление вытяжки 1/10 91 87 26,7 ± 2,1 0,11 ± 0,01
Разбавление вытяжки 1/100 91 91 37,0 ± 4,3 0,16 ± 0,01
Разбавление вытяжки 1/1000 93 98 40,9 ± 3,6 0,18 ± 0,01
ВЫВОДЫ
1. Установлено, что для максимального извлечения экстрактивных веществ из гумифици-рованной костры льна в качестве экстрагента необходимо использовать 3% раствор гидрок-сида натрия, экстракцию проводить при температуре 80-85 °С в течение 1 ч.
2. Результаты инфракрасной спектроскопии и термического анализа свидетельствуют о том, что выделенные в результате экстракции вещ е-ства по структуре и содержанию функциональ-
ных групп близки к гуминовым веществам почвы. Содержание органического вещества составляет 9-16%.
3. Экстракты обладают физиологической активностью. Установлен стимулирующий эффект, выражающийся в увеличении длины корней и массы проростков, всхожести и энергии прорастания по сравнению с контролем. Стимулирующее действие вытяжек по эффективности аналогично действию препарата Лигногумат марки А.
1. ГОСТ 12038.84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести.
2. Лигногумат. Общая информация, методика и результаты применения. Рекомендации для агрономов. Санкт-Петербург, 2010.
3. Балакина А.А, Терентьев АА, Калашникова Е.А Влияние регуляторов роста на изоферментный состав супероксиддисмутазы в растениях люпина узколистного (Lupinus angustifolius L.) in vitro // Бутлеров-ские сообщения. 2012. Т. 29. № 1. С. 55-61.
СКИЙ СПИСОК
4. Калабашкина Е.В., Белопухов С.Л. Термохимический анализ льняного волокна // Бутлеровские сообщения. 2011. Т. 28. № 20. С. 11-14.
5. Белопухов С.Л., Сафонов АФ., Дмитревская И.И. Влияние биостимуляторов на химический состав продукции льноводства // Известия ТСХА 2010. Вып. 1. С. 128-131.
6. Захаренко АВ., Белопухов С.Л., Дмитревская И.И. Влияние защитно-стимулирующих комплексов на урожай льна и качество волокна // Достижения науки и техники АПК. 2009. № 9. С. 34-37.
7. Белопухов С.Л., Сафонов АФ., Дмитревская И.И. Влияние биостимуляторов на морфологические
показатели и урожайность льна -долгунца // Достижения науки и техники АПК. 2010. № 3. С. 28-30.
Поступило в редакцию 24 апреля 2012 г
