БИОМЕХАНИКА ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ С АКЦЕНТОМ НА РОЛЬ КРАХМАЛЬНЫХ ГРАНУЛ В ПРОЦЕССАХ ПРОРАСТАНИЯ

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 633.11:631.52

БИОМЕХАНИКА ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ С АКЦЕНТОМ НА РОЛЬ КРАХМАЛЬНЫХ ГРАНУЛ В ПРОЦЕССАХ ПРОРАСТАНИЯ

Анохина В.М., Сметанникова А.А., Янушкевич А.В., Шелыганов В.А.,

бакалавры 2 курса направления подготовки 19.03.01 «Биотехнология». Научный руководитель: д.т.н., доцент Горькова И.В. ФГБОУ ВО Орловский ГАУ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены биомеханические свойства зерна пшеницы в процессе прорастания и под влиянием биопрепаратов. Алейроновый слой представляет собой единый слой живых клеток, который отделяет крахмалистый эндосперм и зародыш от внешних слоев. Основными компонентами эндосперма пшеницы являются гранулы крахмала и белковая матрица. Микроскопирование проросших семян выявило, биопрепараты ускоряют расщепление крахмального зерна эндосперма злаков, а применение ультразвука разрушает монолитность матрикса.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Зерно, биопрепарат, зародыш, крахмалистый эндосперм, микроскоп, оболочка, крахмал-белок, прорастание, зародыш.

ABSTRACT

The article discusses the biomechanical properties of wheat grain in the process of germination and under the influence of biological products. The aleurone layer is a single layer of living cells that separates the starchy endosperm and embryo from the outer layers. The main components of the wheat endosperm are starch granules and a protein matrix. Microscopy of sprouted seeds revealed that biological preparations accelerate the splitting of the starch grain of the endosperm of cereals, and the use of ultrasound destroys the solidity of the matrix.

KEYWORDS

Grain, biological product, embryo, starchy endosperm, microscope, shell, starch-protein, germination, embryo.

Введение. Зерно пшеницы - природный композиционный материал мирового значения. Большую часть зерна составляет крахмалистый эндосперм. Для получения высокого урожая пшеницы с высокой натурой 780-840 г/л проводится предпосевная обработка семян. В рамках развития органического земледелия обработка зерна включает использование биопрепаратов, увеличивающих энергию прорастания и повышающих устойчивость к болезням и неблагоприятным факторам окружающей среды.

Чтобы понять поведение пшеницы при обработке препаратами, необходимо знать морфологию и гистологию отдельного зерна пшеницы (также называемого ядром). Зерно пшеницы состоит из трех основных тканей: крахмалистого эндосперма и зародыша, которые окружены внешними слоями (рис. 1).

Зародыш составляет всего 2-3 % веса ядра. Основными компонентами эндосперма пшеницы являются гранулы крахмала и белковая матрица. Структурный уровень крахмала, который в основном имеет отношение к механике эндосперма, является самым высоким уровнем организации крахмала - гранула крахмала.

Аналогично, для белков это сеть полипептидов. Механические свойства в этом микро-и нанометровом масштабе могут быть решены с помощью специальных подходов атомно-силовой микроскопии.

Рисунок 1 - Гистология зерна пшеницы

Ткань зародыша структурно отделена от остальной части ядра и поэтому может легко отделяться. Алейроновый слой представляет собой единый слой живых клеток, который отделяет крахмалистый эндосперм и зародыш от внешних слоев [1]. Он богат питательными веществами, такими как белок, а также минералами, витаминами группы B и др. Фракция отрубей составляет от 14 до 16 % массы ядра [2]. Важным структурным свойством зерна пшеницы является наличие складок, которые сгибают слои отрубей по направлению к внутреннему зерну [1]. Большую часть зерна (от 81 до 84 %) составляет крахмалистый эндосперм. Энергия запасается в виде белков и крахмала в клетках эндосперма, что приводит к характерной, очень плотной структуре. Наряду с крахмалом и белком эндосперм содержит липиды.

На рисунке 2 изображена матрица крахмал-белок [3]. На ней видны пустоты, от объемного количества которых и зависят биомеханические свойства зерна, например, твердость. Пористость матрицы определяет стекловидность зерна и прочность поверхности раздела частиц. От степени адгезии крахмал-белок зависит скорость проникновения воды внутрь. В результате меняется энергия прорастания. Крахмалистый эндосперм можно рассматривать как цементированный зернистый материал, в котором более твердые гранулы крахмала встроены в более мягкую белковую матрицу.

Рисунок 2 - Матрица крахмал-белок [4]

При замачивании зерна каркас крахмальные зерна-пептиды разрушается (рис. 3), начинаются процессы мобилизации запасных веществ, происходит гидролитическое расщепление сложных веществ на простые: полисахариды на моносахариды, жиры на жирные кислоты и глицерин, белки на аминокислоты и аммиак.

Рисунок 3 - Механический разрыв гранул крахмала и белковых глобул [5]

При прорастании под микроскопом можно наблюдать распад крахмальных зерен (рис. 4).

Рисунок 4 - Последовательное расщепление крахмального зерна эндосперма злаков ферментом амилазой: 1 - крахмальное зерно в начале прорастания семени;

2, 3 - крахмальное зерно в период образования колеоптиля; 4 - крахмальное зерно при полном прорастании семени (https://agromage.com/stat id.php?id=1311).

Материалы и методы. В нашем исследовании использовались биопрепараты на основе биофлавоноидов гречихи БП1 и БП2. Обработка семян проводилась при замачивании и с применением ультразвука. Биомеханические свойства крахмальных зерен изучались в фиксированных окрашенных препаратах при микрокопировании.

Результаты и обсуждение. Для хорошего роста и развития растений определяющим является энергия прорастания. Особенно это актуально при не стабильных климатических условиях. Ранее проведенными исследованиями Павловской Н.Е., Гагариной И.Н., Горьковым А.А. и др. [6, 7, 8] было установлено, что обработка биопрепаратами на основе биофлавоноидов гречихи повышает энергию прорастания на 15%. Рассмотрим, что происходит при этом в структуре зерна при обычном замачивании и с применением ультразвука.

На рисунке 5 представлен срез крахмалистого эндосперма пшеницы, показывающий плотную упаковку гранулы крахмала. Данная характерная плотная структура способна длительное время снабжать прорастающее растение энергией.

Рисунок 5 - Срез эндосперма пшеницы

Гранулы крахмала покрыты белковым слоем разной толщины, придающие монолитность слою.

На рисунке 6 представлены фото эндосперма зерна пшеницы спустя 0,5 часа замачивания с использованием ультразвука и без него.

Рисунок 6 - Микроскопирование эндосперма пшеницы через 0,5 часа замачивания в воде: 1) контроль; 2) контроль, ультразвук

Спустя 0,5 часа замачивания происходит отделение гранул крахмала от белкового слоя, наблюдается ослабление адгезии, что приводит к повышению поверхности соприкосновения с водой и запуском гидролитических реакций распада крахмала. Отмечено, что при обычном замачивании крахмальные зерна остаются

целыми, при обработке УЗ в течение 30 с. они практически разрушены, различимы отдельные фазы крахмала, белка и пустоты.

Анализ микроструктуры эндосперма при обработке биопрепаратами БП 1 и БП 2 не выявил явных различий на начальных этапах проникновения растворов внутрь (рис. 7).

БП 1 БП 2

Рисунок 7- Микроскопирование эндосперма пшеницы через 0,5 часа замачивания в биопрепаратах

Гранулы необработанного ультразвуком крахмала покрыты белковым слоем и также упакованы друг с другом, как при замачивании в воде, однако, при более детальном увеличении (на рисунке 7 указан стрелкой фрагмент увеличения) заметно, что в зерне крахмала начинаются гидролитические изменения (рис. 8, а), что не выражено при замачивании в воде (рис. 8, б).

а) б)

Рисунок 8 - Увеличенный фрагмент: а) рис. 7; б) рис. 6 (обозначено стрелками).

При прорастании зерна в течение 2 суток структура эндосперма претерпела изменения (рис. 9).

Рисунок 9 - Микросрез эндосперма зерна пшеницы на 3-е сутки прорастания:

1) контроль (вода); 2) биопрепарат

Выводы. Использование биопрепаратов на основе флавоноидов гречихи увеличивает скорость поступления воды внутрь зерна, раньше запускаются гидролитические реакции, тем самым обеспечивается высокая энергия прорастания. Применение ультразвука в процессах проращивания зерна изменяет биомеханические свойства зерна, обеспечивая биодоступность полисахаридов и белков, необходимых в процессах прорастания.

Библиография:

1. Campbell G.M. Roller Milling of Wheat // Handbook of Powder Technology. Elsevier. 2007. V. 12. Ch. 7. PP. 383-419.

2. Posner E.S., Hibbs A.N. Wheat Flour Milling // AACC International. 2009. https://www.researchgate.net/publication/319272270 Wheat Flour Milling (дата обращения 04.03.2022).

3. Галочкин В.А. Введение в нанотехнологии и наноэлектронику: конспект лекций для студентов телекоммуникационных специальностей. Самара: Изд-во ПГУТИ, 2013. 364 с.

4. Topin V., Radjai F., Delenne J.-Y., Sadoudi A., and Mabille F. Wheat endosperm as a cohesive granular material // Journal of Cereal Science. 2008. V. 47. № 2. PP. 347-356.

5. Karsta M. Heinze from Grain to Granule: The Biomechanics of Wheat Grain Fractionation with a Focus on the Role of Starch Granules, Universite de motpellier, 2017. 206 р.

6. Горьков А.А., Павловская Н.Е., Сидоренко В.С. Эффективность использования биопрепаратов в повышении устойчивости озимой пшеницы к стрессам // Вестник аграрной науки. 2021. № 2 (89). С. 33-39.

7. Горьков А.А. Агробиологическое обоснование применения биопрепаратов для озимой пшеницы // Вестник аграрной науки. 2019. № 5 (80). С. 133139.

8. Павловская Н.Е., Родимцев С.А., Бородин Д.Б., Вершинин С.В., Гагарина И.Н. Оценка состояния посевов озимой пшеницы и ярового ячменя по среднему значению NDVI, на основе космоснимков // Вестник аграрной науки. 2020. № 6 (87). С. 25-32.

УДК 631.811.98

ДЕЙСТВИЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА РОСТА НА РОСТОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ПРОДУКТИВНОСТЬ РАСТЕНИЯ SOLANUM TUBEROSUM

Верижникова А.А., аспирант 2 года обучения направления подготовки 06.06.01 «Биологические науки». Научный руководитель: к.с.-х.н., доцент Таракин А.В. ФГБОУ ВО Орловский ГАУ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены библиографические данные по влиянию соединения кремния на ростовые процессы и продуктивность растения Solanum tuberosum. Цель исследования заключалась в определении действия разных концентраций синтетического регулятора роста Энергия-М (10,50,80 мг/л) на ростовые показатели и продуктивность Solanum tuberosum сорта Жуковский, выращенного на серой лесной почве Орловского региона в условиях вегетационного домика на базе КФХ Стебаков В.И. в период 2020-2021 гг. Низкие концентрации регулятора роста на ростовые показатели Solanum tuberosum повлияли незначительно, эффект оказал Энергия-М в концентрации 80 мг/л. Анализ конечной продуктивности выявил, что общее количество клубней Solanum tuberosum в вариантах с разными концентрациями Энергия-М меняется незначительно. Масса клубней увеличивается в варианте с концентрацией 80мг/л по сравнению с контролем, низкие концентрации регулятора роста на данный показатель влияют незначительно.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Регулятор роста, Энергия-М, картофель, Solanum tuberosum, клубни, ботва, рост, ростовая активность, продуктивность.

ABSTRACT

The article discusses the bibliographic data on the effect of silicon compounds on the growth processes and productivity of the Solanumtuberosum plant. The aim of the study was to determine the effect of different concentrations of the synthetic growth regulator Energia-M (10,50,80 mg/l) on the growth and productivity of Solanumtuberosum of the Zhukovsky variety grown on gray forest soil of the Orel region in the conditions of a growing house on the basis of the V.I.Stebakov's farm in the period 2020-2021. Low concentrations of the growth regulator had little effect on the growth indicators of Solanumtuberosum, the effect of Energy-M was at a concentration of 80 mg/l. The analysis of the final productivity revealed that the total number of tubers of Solanumtuberosum in variants with different concentrations of Energy varies slightly. The mass of tubers increases in the variant with a concentration of 80 mg / l compared to the control one, low concentrations of the growth regulator affect this indicator insignificantly.