CC BY
204
ISSN 0202-5493.МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ И КАЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА СЛИЗЕЙ СЕМЯН МАСЛИЧНЫХ
сортов льна ьмим тттл тштмим ь.
культур. Вып. 2 (151-152), 2012
С.В. Зеленцов,
доктор сельскохозяйственных наук Е.В. Мошненко,
кандидат биологических наук
ГНУ ВНИИМК Россельхозакадемии
Россия, 350038, г. Краснодар, ул. Филатова, д. 17
тел.: (861) 275-78-45, e-mail: [email protected]
Ключевые слова: лён обыкновенный, слизи льна, слизеобразующие полисахариды, коллоиды слизей, седиментация слизей, сорт льна ВНИИМК 620, сорт льна ВНИИМК 630, сорт льна Ручеёк.
УДК 631.52:633.854.54
Введение. Некоторые виды цветковых растений в своих тканях содержат слизе-образующие компоненты. Среди них известны виды алтея {Althaea L.), фиалки (Viola L.), ятрышников {Orchis L.), опунции {Opuntia (Tourn.) Mill.), акации {Acacia L.), мать-и-мачеха {Tussilago farfaga L.) и некоторые другие [6; 14]. Однако такое высокое содержание слизей в семенах, как у льна обыкновенного Linum usitatissimum L., является довольно редкой особенностью среди цветковых растений. Помимо льна, ослизняющиеся при увлажнении семена известны у различных видов родов Базилик {Ocimum L.), Рыжик {Camelina L.), Айва {Cydonia Mill.), Подорожник {Plantago L.) и некоторых других [1; 4; 6; 12].
С технологической точки зрения стремительное ослизнение поверхности оболочек семян льна при малейшем увлажнении издавна считается крайне неудобным свойством. Из-за этого существенно сужаются рабочие диапазоны допустимых влажностей семян, позволяющие сохранять их сыпучесть при посеве, обмолоте и хранении [7; 8; 10; 11].
С другой стороны семена льна и сырьё из них из-за большого количества слизе-образующих компонентов активно используются в медицине в качестве обволакивающего и слабительного средства. Кроме этого считается, что слизи льна могут обладать умеренными радиопротекторными и иммунозащитными свойствами [6; 9]. Помимо медицинских целей, слизи льна иногда используются для получения пищевых стабилизаторов, гелеобразователей, пищевой клетчатки и как компонент жевательной резинки [13; 16; 18].
Особенностью углеводного состава семян льна является минимальное количество сахаров и крахмала, а большинство углеводов представлено в виде слизеобразующих полисахаридов (сли-зей). До недавнего времени считалось, что слизи льна представляют собой комплекс двух полисахаридов, отличающихся друг от друга по физико-химическим свойствам, таким, как состав, молекулярная масса, структурная конформация, свойства вязкости. Основной слизеобра-зующий полисахарид, составляющий до 80 % от общей доли, является смесью арабиноксилана (56 %) и галактоглюкана (44 %). Минорный компонент слизей (до 20 %) представляет собой гетерогенную группу галактуронанов [9; 18].
Однако в 2003 г. группа французских биохимиков под руководством Ж. Варра-на (Г. Warrand) обнаружила в слизях семян льна ещё один полисахаридный компонент. Таким образом, согласно современным представлениям слизи семян льна представляют собой смесь из трёх высокомолекулярных полисахаридов: наиболее вязкого нейтрального полисахарида с молярной массой 1,2 х 106 г/моль (75 % от общей доли), и двух кислых полисахаридов: ЛБ1 с молярной массой 6,5 х 105 г/моль (3,75 %) и ЛБ2 с молярной массой 1,7 х 104 г/моль (21,25 %) [20; 21].
Свойство семян льна к интенсивному ослизнению известно с древних времён, селекция льна также насчитывает дли-
тельную историю, однако слизеобразова-ние, как количественный селекционно-генетический признак, до настоящего времени так и не получило должного внимания. Литература, посвящённая внутривидовой и межсортовой вариабельности этого признака, довольно скудна и фрагментарна. По нашему мнению, одной из основных причин слабой изученности этого вопроса являлись технические и методические сложности определения ослизняющей способности семян, и особенно, количественной и качественной оценки фракционного состава слизей.
Ещё в 1954 г. Гладким П.П. был предложен метод определения общего содержания слизей в семенах льна путём их замачивания и эпизодического взвешивания до достижения максимальной массы [3]. Такая методика, в целом, позволяла выявить межсортовые различия у льна по количеству слизей, удерживающихся на оболочке семян. Однако значительная часть низкомолекулярной фракции слизе-образующих полисахаридов при такой методике переходила в водный раствор и не учитывалась при взвешивании [9]. К настоящему времени с использованием различных модификаций этого метода было установлено, что внутривидовое варьирование общего содержания слизей в семени льна составляет от 4 до 6-7 % [15; 16; 18; 19; 21].
Более совершенная методика определения общего количества слизей в семенах льна основана на определении вязкости водных растворов, полученных при замачивании. Использование капиллярных вискозиметров для количественного определения слизей по вязкости водных растворов, образующихся при замачивании семян льна, позволило организовать проведение массовых анализов коллекционного и селекционного материала. Так, например A. Diederichsen и Yong-Bi Fu при анализе 1689 сортообраз-цов льна из Канады и США установили, что вязкость водных растворов, обра-
зующихся при смыве слизей с поверхности оболочек замоченных семян льна, варьировала от 22,1 до 343,4 сантистоксов (sSt mL g-1). Это позволило разделить исследуемый коллекционный материал льна на группы сортообразцов с различной слизеобразующей способностью [17]. Однако такой метод не позволял разделять слизеобразующие полисахариды на фракции. Кроме этого, наиболее распространённые капиллярные типы вискозиметров для заполнения слизями всего объёма рабочих камер, как правило, требовали для замачивания большого количества семян каждого образца.
В 2007 г. Оленниковым Д.Н. и Танхае-вой Л.М. для семян льна была предложена количественная методика оценки слизеобразующих полисахаридов, основанная на их осаждении 1 %-ными водными растворами №С1 с последующей концентрацией, центрифугированием и высушиванием осадка. Такая методика позволяет извлекать и количественно оценивать до 95 % всех слизеобразующих полисахаридов семян льна [9].
Материал и методы. Исследования слизеобразующей способности и компонентного состава слизей проводили на семенах сортов масличного льна межеумочного типа - ВНИИМК 620, ВНИИМК 630 и Ручеёк из партий семян, выращенных на центральной экспериментальной базе ВНИИМК (г. Краснодар) в период 2010-2012 гг. Для оценки динамики изменения концентрации водных растворов при последовательной гидратации слизеобразующих компонентов семян брали по 10 г семян каждого сорта в 4-кратной повторности и заливали дистиллированной водой объёмом 50 мл. Затем в течение 9 ч, с интервалом 1 ч, на рефрактометре PR-101a определяли концентрацию образующихся над семенами водных растворов полисахаридов.
Седиментацию слизей семян льна выполняли с использованием водных растворов на основе методики Оленникова и Танхаевой [9]. Для этого по
10 г семян льна всех сортов и лет изучения замачивали в 50 мл растворов в концентрации 1, 2, 5, 7 и 10 %. Контроль - дистиллированная вода. Повторность 4-кратная. Динамику концентрации солевых растворов слизеобразующих полисахаридов также определяли рефрактометрически в течение 9 ч с интервалом 1 ч.
Результаты и обсуждение. Анатомо-морфологические исследования поперечных срезов семян льна показали, что блестящая, в сухом состоянии, поверхность оболочки определяется стекловидным слоем обезвоженных слизеобразующих полисахаридов (рис. 1).
л
а
Рисунок 1 - Локализация слизеобразующих полисахаридов в семени льна. а - поперечный разрез сухого семени льна, х10; б - увеличенный фрагмент поперечного разреза семени льна, ><200. Стрелками показан стекловидный слой обезвоженных слизеобразующих полисахаридов.
Однако стоит произойти контакту семян льна с водой, в течение нескольких секунд самые низкомолекулярные фракции полисахаридов на поверхности оболочки гидратируются с образованием более вязких, по сравнению с водой, растворов. Спустя несколько минут в гидратированное состояние начинают переходить более высокомолекулярные полисахариды (рис. 2).
Рисунок 2 - Особенности начальной динамики гидратации слизеобразующих полисахаридов в семени льна, х200. а - состояние семени льна через 5 сек после прилива воды; б - состояние поверхности семени льна через
5 мин после прилива воды. Стрелкой 1 показан объём, занятый образовавшимися низкомолекулярными слизями над поверхностью оболочки; стрелками 2 показаны светлые петлеобразные тяжи более высокомолекулярных слизей в растворе низкомолекулярных слизей; стрелкой 3 показаны сфероидные образования самых высокомолекулярных слизей.
На рисунке 2б эта фракция слизей представлена в виде полупрозрачных (на микроснимке - светлых) петлеобразных тяжей, которые постепенно увеличиваются в размерах и занимают всю первичную зону ослизнения, ранее сформированную вокруг оболочки семени льна фракцией быстро гидратирующихся полисахаридов. Полисахаридная природа образовавшихся слизей подтверждается качественной реакцией на прилив слабого водного раствора метиленовой сини, дающего в присутствии полисахаридов сине-фиолетовую окраску (на рис. 2 - тёмно-серые хлопьевидные образования в зоне ослизнения).
Последними гидратируются наиболее высокомолекулярные полисахариды, локализующиеся во внутренних слоях оболочки семени и в эндосперме. На начальном этапе эти слизи визуально идентифицируются как маленькие сфероидные полупрозрачные структуры (см. рис. 2б). При сдавливании оводнённой
оболочки семян, например, между предметным и покровным стёклами, такие высокомолекулярные слизи на начальном этапе гидратации приобретают вид прозрачных кольцевидных образований на фоне тёмных клеточных стенок (рис. 3).
Рисунок 3 - Внутренняя поверхность оболочки семени льна с полупрозрачными кольцевидными структурами высокомолекулярных слизей на фоне тёмных клеточных стенок, 20 мин после прилива воды, х400.
В целом, даже простые визуальные наблюдения за динамикой слизеобразова-ния при оводнении семян льна уже позволяют выделить несколько фракций слизеобразующих компонентов полиса-харидной природы с неодинаковыми физико-химическими свойствами, в частности, с разной скоростью гидратации. При этом вполне очевидно, что наибольшие технологические проблемы при различных производственных операциях с семенами льна создаёт самый низкомолекулярный слизеобразующий компонент, быстро гидратирующийся даже при незначительном повышении влажности семян.
Тот факт, что все слизеобразующие компоненты при увлажнении семян льна последовательно гидратируются и переходят в раствор, подразумевает постепенное повышение его концентрации. Для проверки этого предположения на трёх сортах масличного льна селекции ВНИИМК:
ВНИИМК 620, ВНИИМК 630 и Ручеёк было проведено исследование динамики изменения концентрации водных растворов полисахаридов, образующихся при замачивании семян (рис. 4).
Рисунок 4 - Динамика увеличения концентрации растворов слизеобразующих полисахаридов при замачивании в дистиллированной воде семян трёх сортов масличного льна, 2010-2012 гг.
Как следует из представленных на рис. 4 данных, у всех сортов льна при замачивании семян в дистиллированной воде обнаружена нелинейная динамика ослиз-нения. На начальном этапе увлажнения наблюдается стремительный прирост концентрации растворов, который в последующем замедляется. В течение пер-
вых 9 ч отмечаются 2-3 периода ускорения и замедления относительных темпов прироста концентрации растворов. Предположительно, обнаруженная ступенчатая динамика увеличения концентрации водных растворов над семенами льна может быть связана с неодновременным набуханием и переходом в раствор различных фракций слизеобразующих полисахаридов. Последующая экспозиция семян в воде уже не приводит к заметным изменениям концентрации растворов. Даже через 24 ч этот показатель увеличивался не более чем на 10 %.
В целом, проведённые эксперименты показали, что после 9 ч экспозиции в воде максимальной слизеобразующей способностью во все годы исследований отличались партии семян сорта ВНИИМК 620, а минимальной - семена сорта Ручеёк (рис. 4), что свидетельствует о наличии сортовых различий по этому признаку.
Также обнаружено влияние условий года на образование слизеобразующих полисахаридов в семенах льна. Наиболее устойчивым к влиянию условий выращивания, складывавшихся в течение трёх лет испытания, оказался сорт Ручеёк. Сорта ВНИИМК 620 и ВНИИМК 630 в условиях 2012 г. сформировали наибольшее за 3-летний период наблюдений количество слизей. В 2011 г. у сорта ВНИИМК 630 сформировалось минимальное количество слизей, а у сорта ВНИИМК 620 в условиях 2010 и 2011 гг. количество образовавшихся слизей было примерно одинаковым.
Высокомолекулярные полисахаридные компоненты, в гидратированном состоянии составляющие слизи семенных оболочек льна, обладают всеми физико-химическими свойствами лиофобных золей (коллоидных растворов), подробно описанными в специализированной литературе [2; 5]. Также как у модельных коллоидных растворов, при прохождении света через растворы высокомолекулярных полисахаридов льна отмечается рас-
сеяние лучей и опалесценция. На начальных этапах гидратации наблюдается фазовая граница между обычным (истинным) раствором и более вязкой коллоидной слизью (см. рис. 2а), а также между разными фракциями слизей (см. рис. 2б и 3).
Исходя из общих физико-химических представлений об устойчивости лиофоб-ных коллоидов, можно утверждать, что высокомолекулярные слизи льна, как полноценные коллоидные растворы, также должны терять равновесную устойчивость и коагулировать в присутствии электролитов [4; 5]. Возможность осаждения слизей льна растворами показана, например, в исследованиях Оленникова и Танхаевой [9]. При этом скорость и полнота последующей седиментации коллоидных частиц слизи будет определяться их молекулярной массой, структурой, а также величиной их поверхностного заряда. Следовательно, все три различающиеся по молекулярной массе фракции слизеобразующих полисахаридов льна также могут различаться по скорости коагуляции и динамике седиментации в присутствии электролитов.
Для исследования интенсивности коагуляции и седиментации коллоидов слизей, а также возможных сортовых различий по этому показателю, нами была определена динамика концентрации слизеобразующих полисахаридов в водных растворах №0. В этом эксперименте также использовали три сорта масличного льна селекции ВНИИМК, выращенных в период 2010-2012 гг. и растворы в
концентрации 1, 2, 5, 7 и 10 % (рис. 5).
Исследования показали, что водные растворы хлористого натрия действительно приводят к седиментации коллоидных компонентов слизей даже при комнатной температуре. Это становится заметно уже при использовании 1 %-ного раствора №0. Дальнейшее увеличение концентрации электролитов до 10 % усиливало седиментационный эффект, особенно при длительной экспозиции. В то же время выявлено, что на начальных этапах слизеобразования концентрация водных растворов над замоченными семенами льна всех исследуемых сортов
практически не зависела от концентрации электролита.
ВНИИМК 620 *
Рисунок 5 - Динамика коагуляции коллоидных слизей семенной оболочки трёх сортов масличного льна в водных растворах электролита N0, среднее за 2010-2012 гг.
Как следует из представленных на рис. 5 данных, интенсивность седиментации слизей увеличивалась по мере увеличения длительности экспозиции и концентрации растворов электролитов. При концентрациях NaCl более 7 % прирост концентрации полисахаридов в водном растворе практически прекращался. По всей вероятности концентрация ионов в растворе была настолько высока, что каждая вновь гидратированная коллоидная глобула сли-зей не успевала диффунгировать в раствор, быстро теряла поверхностный заряд, коагулировала с другими глобулами и выпадала в осадок.
Полученные в этом 3-летнем эксперименте результаты свидетельствуют о наличии сортовых различий по скорости и степени седиментации слизевых коллоидов у различных сортов льна при различных концентрациях электролита. Этот факт может указывать как на структурные отличия молекул слизеобразующих полисахаридов отдельных фракций у разных сортов льна, так и на определённые различия в их молекулярных массах.
Выводы. Анатомо-морфологический анализ локализации слизеобразующих полисахаридов в семени льна показал наличие нескольких, отличающихся по интенсивности гидратации фракций сли-зей.
Выявлены сортовые различия по динамике увеличения концентрации растворов слизеобразующих полисахаридов при замачивании семян в дистиллированной воде.
Наличие фазовых границ между водой и гидратированными слизеобразующими полисахаридами на начальных этапах оводнения семян, выпадение в осадок в присутствии электролитов и некоторые другие физико-химические признаки указывают на коллоидную природу слизей льна.
При замачивании семян льна в водных растворах электролита NaCl выявлены сортовые различия по динамике и интенсивности седиментации слизевых коллоидов.
В целом, результаты трёхлетних исследований показали, что сорта масличного льна селекции ВНИИМК отличаются различным уровнем и компонентным составом слизеобразующих полисахаридов, которые несложно выявить по динамике их гидратации и электролитической седиментации. Это открывает возможность селекционного изменения степени слизеобразования в семенах льна.
Список литературы
1. Вехов, В.Н. Культурные растения СССР / ВН. Вехов, И.А. Губанов, Г.Ф. Лебедева. - М.: Мысль, 1978. - С. 193.
2. Гельман, М.И. Коллоидная химия / М.И. Гельман, О.В. Ковалевич, В.П. Юс-тратов. - СПб.: Изд-во «Лань», 2004. -С. 80-159.
3. Гладкий, П.П. Об определении способности набухающих семян льна масличного поглощать и удерживать воду / П.П. Гладкий // Сборник работ по биологии развития и физиологии льна. - Саратов: Сельхозгиз, 1954. - С. 160-164.
4. Жуковский, П.М. Культурные растения и их сородичи. Систематика, география, цитогенетика, иммунитет, экология, происхождение, использование / П.М. Жуковский. - Л.: Колос, 1971. - С. 416, 462-464.
5. Захарченко, В.Н. Коллоидная химия / В.Н. Захарченко. - М.: Высшая школа, 1989. - С. 28-50, 104-118.
6. Лекарственное растительное сырье. Фармакогнозия / Под. ред. Г.П. Яковлева и К.Ф. Блиновой. - СПб., 2004. - 665 с.
7. Льноводство // Под общ. ред. А.Р. Рогаша. - М.: Колос, 1967. - 583 с.
8. Минкевич, И.А. Лён масличный / И.А. Минкевич. - М.: Сельхозгиз, 1957. -180 с.
9. Оленников, Д.Н. Исследование процесса экстракции полисахаридов семян льна (Linum usitatissimum L.) / Д.Н. Оленников, Л.М. Танхаева // Химия растительного сырья. - 2007. - № 4. - С. 79-83.
ISSN 0202-5493.МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. Вып. 2 (151-152), 2012
10. Объедков, М.Г. Лён-долгунец / М.Г. Объедков. - М.: Россельхозиздат, 1979. -223 с.
11. ГОСТ 10582-76. Семена льна масличного. Промышленное сырье. Технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 1977. - 2 с.
12. Флора СССР, том XIV. Льновые -Linaceae Dumort / Под ред. Б.К. Шишкина и Е.Г. Боброва. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1949. - С. 86-146.
13. Adugna, W. Linum usitatissimum L. // Ed. by van der H.A.M. Vossen & G.S. Mkamilo // PROTA (Plant Resources of Tropical Africa / Ressources végétales de l'Afrique tropicale), Wageningen, Netherlands. - 2007. - [Электронный ресурс]. -URL: http://database.prota.org/search.htm. -Дата обращения 19.12.2011.
14. Cárdenas, A. Rheology and Aggregation of Cactus (Opuntia ficus-indica) Mucilage in Solution / A. Cárdenas, I. Higuera-Ciapara, F M. Goycoolea // J. PACD. -1997. - P. 152-159.
15. Chauhan, M.P. Post Harvest Uses of Linseed / M.P. Chauhan, Singh Sadhna, Kumar Singh A. // Journal of Human Ecology. - 2009. - Vol. 28(3). - P. 217-219.
16. Cui S.W. Polysaccharide gums from agricultural products: Processing, structures & functionality. - Technomic Publishing, Lancaster, United States. - 2001. - 269 p.
17. Diederichsen, A., Yong-Bi Fu. Flax Genetic Diversity as the Raw Material for Future Success - International Conference on Flax and Other Bast Plants. - 2008. - P. 270-280.
18. Duguid, S.D. Flax / In: Oil Crops, Handbook of Plant Breeding 4 // Ed. by J. Vollmann and I. Rajcan. - London-New York, Springler. - 2009. - P. 233-255.
19. Fedeniuk, R.W. Composition and physicochemical properties of linseed (Li-
num usitatissimum L.) mucilage / R.W. Fed-eniuk, C.B. Biliaderis // Journal of Agricultural and Food Chemistry. - 1994. - Vol. 42. - P.240-247.
20. Warrand, J. Large-scale purification of water-soluble polysaccharides from flax-seed mucilage, and isolation of a new anion-ic polymer / J. Warrand, P. Michaud, G. Muller, D. Courtois, R. Ralainirina, J. Coir-tois // Chromatographic 2003. - Vol. 58. -№ 5-6. - P. 331-335.
21. Warrand, J. Structural investigation of the neutral polysaccharide of Linum usitatissi-mum L. seed mucilage / J. Warrand, P. Michaud, L. Picton, G. Muller, B. Courtois, R. Ralainirina, J. Courtois // International Journal of Biological Macromolecules. - 2005. -Vol. 35. - № 3-4. - P. 121-125.
