CC BY
20
Рентгеновская томография при исследовании изменений структуры зерновок
в процессе солодоращения
Т. Н. Данильчук
Московский государственный университет прикладной биотехнологии В. Е. Асадчиков, А. В. Бузмаков, Д. А. Золотов
Институт кристаллографии имени А. В. Шубникова РАН, г. Москва
Зерновка любого злака состоит из трех основных частей: зародыша, эндосперма и оболочек. Строение зерновок было исследовано с использованием оптической и электронной микроскопии на продольных и поперечных механических срезах различных частей зерновки. В ходе проведения научно-исследовательских работ, связанных с определением влияния различных факторов на процесс солодоращения ячменя, возникает необходимость проследить изменение структуры зерновки, не нарушая ее целостности. Авторы предлагают использовать для этой цели метод рентгеновской томографии.
В настоящее время созданы и выпускаются рентгеновские микротомографы, где применяется жесткое тормозное рентгеновское излучение с широким спектром длин волн. Особенность прибора, разработанного авторами в Институте кристаллографии РАН, состоит в том, что используется менее жесткое монохроматичное излучение. Такой подход позволяет получать
более подробную информацию о структуре органических объектов. Созданный нами микротомограф позволяет изучать объекты с линейными размерами до 1 см и разрешением порядка 13 мкм [1, 2]. Использовали характеристическое излучение СиКа (1.54 А) либо МоКа (0.7 А).
На разработанном приборе изучали внутреннюю структуру зерновок ячменя и ячменного солода. Для облегчения визуального восприятия на рисунках представлены продольные срезы различных частей зерновки (рис. 1), ее объемные изображения (рис. 2) и «виртуальные» поперечные и продольные разрезы (рис. 3-6).
С ботанической точки зрения зерно ячменя является зерновкой (см. рис. 1). Зародыш вместе с эндоспермом составляет собственно семя. Зародыш состоит из щитка и зародышевого листа (зачатков почки и первичного стебля), а также зародышевых корешков. Основная часть эндосперма, служащего хранилищем питательных веществ для развития зародыша и молодого растения, представляет собой крупные клетки, заполненные крахмальными зернами. Вблизи зародыша клетки эндосперма не содержат крахмала, так как он был израсходован зародышем при созревании и хранении зерна. Наружная часть эндосперма — алейроновый слой,
состоящий из слоев тонкостенных многогранных клеток, содержащих зерна белков и жиров. Зерновку защищают от повреждений и предохраняют зародыш от попадания вредных для него веществ оболочки: наружная — цветочные пленки, затем сросшиеся плодовая и семенная [3, 4].
Объемное изображение, полученное методом рентгеновской томографии (рис. 2, а), иллюстрирует структуру зерновки ячменя. Видно, что цветочные пленки не закрывают основание зерновки, семенная и плодовая оболочки полностью облегают зерновку. На спинной стороне основания зерновки просматриваются главные составные части зародыша: корешок, стебелек и почечка, дающие жизнь новому растению (эти части видны в виде красных уплотнений на более светлом фоне). Объемное изображение дает также общую картину изменений зерновки при проращивании ячменя на солод (рис. 2, б): увеличение объема зерновки, вздувшиеся оболочки (цветочные пленки, семенная и плодовая оболочки), рыхлая структура эндосперма, морфологические изменения зародыша.
«Виртуальные» срезы позволяют более детально изучить происходящие в зерновке процессы. Рис.3 иллюстрирует способ получения поперечных срезов. «Виртуальные» срезы можно получать для любой части зерновки в количестве, достаточном для описания изменений морфологии и структуры составных частей зерновки ячменя, происходящих в процессе проращивания ячменя на солод.
На рис. 4 и рис. 5 представлены проекции поперечных «виртуальных» срезов зерновок ячменя сорта «Скарлет» на горизонтальную плоскость: синий цвет соответствует пустотам, голубой — прозрачным частям зерновки, красный и желтый — плотным частям зерновки (при переходе от желтого к красному плотность увеличивается). В средней части зародыша исходной зерновки четко видны оболочки (тонкие линии голубого
Рис. 1. Продольный разрез зерновки ячменя:
1 — зародышевый корешок;
2 — осевая часть зародыша;
3 — зародышевый лист; 4 — область эндосперма вблизи зародыша;
5 — щиток; 6 — эндосперм; 7 — алейроновый слой; 8 — плодовая и семенная оболочки; _9 — цветочные пленки_
Рис. 2. Объемные изображения: а — зерновка ячменя сорта «Скарлет»; _б — вид зерновки после проращивания ее на солод (корешки удалены)
9
ПИ
НАПИТКИ
2•2008
20
Рис. 3. Плоскости «виртуальных» поперечных сечений различных частей зерновок ячменя сорта «Скарлет» до (а) и после (б) проращивания на солод
Рис. 4. «Виртуальные» поперечные срезы зерновки ячменя сорта «Скарлет»: а — сечение основания зерновки; б — сечение зерновки через среднюю часть зародыша; в — сечение зерновки в средней области эндосперма
Рис. 5. «Виртуальные» поперечные срезы зерновки солода сорта «Скарлет» после проращивания ее на солод: а — сечение основания зерновки; б — сечение зерновки через среднюю часть зародыша; в — сечение зерновки в средней области эндосперма
Рис. 6. Продольные виртуальные
срезы зерновки ячменя сорта «Скарлет» до (а) и после (б) проращивания ячменя на солод
цвета), примыкающий к ним слой алейроновых клеток (красный цвет), клетки эдосперма (желтые и красные точки), прилегающий к эндосперму щиток (красная линия внутри эндосперма) и плотные части зародыша (см. рис. 4, б). В области средней части эндосперма зерновки четко просматриваются оболочки, алейроновый слой и структура эндосперма — основной по массе части зерновки, являющейся мучнистым телом (см. рис. 4, в). В плоскости сечения, соответствующей средней части зародыша (см. рис. 4, б), структура менее плотная, чем в той части, которая удалена от зародыша (см. рис. 4, в). Это находится в соответствии с установленным фактом расходования крахмала зародышем при созревании и хранении зерна (см. рис. 1) [4].
Главная цель проращивания ячменя на солод — синтез и активация ферментов, что достигается растворением мучнистого тела зерна. На всех стадиях получения ячменного солода значительно изменяется структура зерновки, проис-
ходят важные биохимические изменения: одни ферменты переходят из неактивного состояния в активное, другие образуются в результате синтеза. Деятельность ферментов меняет структуру клеток эндосперма — стенки клеток размягчаются. Протекающие во времени изменения структуры зерновки определяют один из важнейших технологических факторов солодораще-ния — степень разрыхления эндосперма зерна. Этот фактор обусловлен действием комплекса цитолитических и протеолити-ческих ферментов, скорость накопления которых наряду с накоплением амилоли-тических ферментов определяет длительность процесса приготовления солода и его качественные показатели [5].
Все описанные выше изменения структуры зерновки можно проследить, используя метод рентгеновской томографии. Из сравнения рис. 4 и рис. 5 видно, что на месте рыхлой структуры оболочек в основании зерновки появляются уплотнения — остатки проросших корешков. Эндосперм становится менее плотным, а в части, прилегающей к щитку, — сильно разрыхленным. Зачатки зародышевых стебелька и почечки формируются в плотную структуру, отделенную пустотами от других частей зародыша.
Четкая картина изменений структуры зерновки в процессе солодоращения наблюдается также при сравнении продольных «виртуальных» срезов зерновок до и после проращивания (рис. 6). Под вздувшейся пленкой видны растущий зародыш, свернутый первый лист, образовавшийся из зародышевого узла, разрыхленный эндосперм. Особенно хорошо продольные срезы иллюстрируют изменения, происходящие в щитке. Щиток, прилегающий к эндосперму слоем вертикальных палисадных клеток, состоит из паренхимати-ческой ткани, служащей основой для буду-
щих пучков проводящих сосудов. При поступлении воды в зерновку всасывающие клетки щитка, внедряющиеся в эндосперм, увеличиваются. Так как щиток — это не только канал, по которому передвигаются вещества из эндосперма в зародыш и наоборот, но и место синтеза белка и других жизненно необходимых соединений, то по окончании процесса солодоращения щиток увеличивается в размере и деформируется, что хорошо видно из рис. 6, б.
Таким образом, данные о структуре зерновки ячменя, полученные методом рентгеновской томографии, не только полностью совпадают с результатами других методов исследования, но и позволяют иметь представление об изменениях в объеме зерновки на любой стадии проращивания ячменя на солод. Можно рекомендовать использовать метод рентгеновской томографии в пивоваренной промышленности, а также в различных отраслях сельского хозяйства для выявления процессов, происходящих в прорастающем зерне.
ЛИТЕРАТУРА
1. Асадчиков В. Е, Бабак В. Г., Бузмаков А. В. и др. Рентгеновский дифрактометр с подвижной системой излучатель-детектор//Приборы и техника эксперимента. 2005. № 3. С. 99-107.
2. Чукалина М. В., Бузмаков А. В., Николаев Д. П. и др. Рентгеновская микротомография на лабораторном источнике: техника измерений и сравнение алгоритмов реконструкции//Измерительная техника. 2008. № 2. С 19-24.
3. Складал В., Догнал Л., Горак Л. и др. Пивоваренный ячмень. — М.: Гос. изд-во сельскохозяйственной литературы и плакатов, 1961.
4. Технология солода, пиваё и безалкогольных напитков: Учеб. пособие для студентов высших учебных заведений. — М.: Колос, 1992.
5. Ермолаева Г. А. Технология и оборудование производства пива и безалкогольных напитков. — М., 2000. &
2 • 2008
21
