Стимуляция биохимических процессов в прорастающем зерне акустическими и электрофизическими методами воздействия

Стимуляция

биохимических процессов в прорастающем зерне

акустическими и электрофизическими методами воздействия

Т. Н. Данильчук, канд. хим. наук

Московский государственный университет прикладной биотехнологии Д. Н. Юрьев, канд. техн. наук; А. Ю. Ратников

Научно-исследовательский институт прикладной эврологии РАЕН, г. Москва

Физические факторы воздействия, такие, как, обработка звуком, током, магнитными и электромагнитными полями, способны существенно влиять на активность биологических объектов. Физические способы активации растений и семян в большинстве своем доступны, а их применение оправдано с экологической точки зрения.

Действие звука в широком диапазоне частот на семена многократно описано в литературе. Наиболее изучено воздействие ультразвука (УЗ), основные исследованные диапазоны которого составляют 20-66 кГц (УЗ низкой интенсивности) и 0,5-10 МГц (УЗ высокой интенсивности). Предпосевная обработка семян УЗ низкой интенсивности вызывает усиление воспроизводительных функций клеток, т.е. ускоренное развитие растения, сокращая сроки всхожести, увеличивая ее процент и скорость прорастания корней и побегов, уменьшая зависимость растений от погодных условий и их заболеваемость. Механизм воздействия УЗ на растения связывают главным образом с кавитационными эффектами, возникающими в жидкой среде, когда образуются микропотоки жидкости, вызывающие разрушение различных ассоциатов в клетках (ли-пид-липидных, липид-белковых и др.). УЗ низкой интенсивности не нарушает целостности объекта, например клетки, а влияет только на скорость физиологических процессов, в частности биохимических реакций, лежащих в их основе. В то же время интенсивный УЗ может приводить к изменению морфологии различных органов растений, изменению их электрофизических и других параметров. Под действием УЗ внутри клеток происходят самые разнообразные процессы, клеточное содержимое обычно перемешивается, органеллы меняют свое положение, разрушаются внутриклеточные мембраны, в результате УЗ-обработка клеток может вызвать как подавление, так и стимуляцию процессов их жизнедеятельности [1, 2].

Ультразвуковые волны применяют для интенсификации технологических процессов, эмульгирования и стерилизации. УЗ можно использовать в технологии пивоварения, например для предварительной обработки замочной воды воздействием кавитационных колебаний, для ускорения проникновения воды в процессе увлажнения солода воздействием УЗ на смесь солода с водой на начальной стадии затирания солода.

В последние годы в литературе все больше появляется сведений о влиянии звуковых волн слышимого диапазона на биологические объекты: поиск звуковых частот, управляющих процессами открытия и закрытия устьиц на поверхности листьев, способы формирования музыкальных последовательностей, соответствующих аминокислотным последовательностям белков и т.п. Однако влияние частот звукового диапазона на растения и семена изучено недостаточно и практически нет работ по использованию такого вида физического воздействия в пищевых технологиях. В связи с этим мы провели исследование влияния звука на семена в слышимом диапазоне частот от 50 Гц до ультразвука 20 кГц. Было показано, что в одних диапазонах частот наблюдается активация семян (ускорение их прорастания, увеличение скорости роста корней), а в других — ингибирование [3, 4]. Обнаружена корреляция степени набухания семян в воде с энергией их прорастания. Кроме того, в зависимости от частоты акустического воздействия изменяется скорость биохимических реакций в семени, вызывая увеличение или подавление ферментативной (протеолити-ческой, амилолитической, цитолитиче-ской) активности солода. Полученные экспериментальные результаты позволили разработать рекомендации по использованию акустической обработки в звуковом диапазоне частот в пищевых технологиях, в частности для процесса выращивания ячменя на солод.

В литературе хорошо описаны эффекты действия электромагнитных и магнитных полей (постоянных, переменных, комбинированных) на биологические системы растительного происхождения. Характер эффекта, его величина зависят от мощности и частоты приложенного поля. Электромагнитные и магнитные поля высокой (106-107 Гц) и очень высокой (107-108 Гц) частоты, а также ультравысокочастотные (108-109 Гц), сверхвысокочастотные (109-1010 Гц) и крайне высокочастотные (1010-1011 Гц), не являясь ионизирующим излучением и не вызывая необратимых химических изменений в живой системе, могут возбуждать когерентные колебательные и вращательные режимы и вызывать биологические эффекты, для реализации которых требуются энергии ниже уровня ионизационных потенциалов: нагревание ткани, диэлектрофорез, деполяризация ячеистых мембран, ускорение диффузионных процессов в клетке, процессы преобразования, передачи, кодирования и хранения информации о живых системах и др. Многие клетки и их мембраны могут напрямую использовать энергию внешних электромагнитных полей, превращая ее в энергию молекулярных и клеточных процессов. Здесь прослеживается прямая аналогия с действием света, о чем свидетельствует активация фотосинтетических процессов в клетке и растении в целом после пропускании электротока [5, 6].

Направление постоянного электромагнитного поля — один из основных параметров, влияющих на биохимические процессы в растениях. Например, если присоединить отрицательный электрод к основанию растения, а положительный — к верхушке стебля, можно наблюдать ускорение роста стебля благодаря усилению транспорта гиббереллинов, ауксина и других молекул. Если к кончику корня присоединить отрицательный электрод, то в зависимости от напряжения можно наблюдать как торможение его роста, так и активацию (до 20 % при напряжении 50-2000 мВ). Если же к его кончику присоединить положительный электрод, то происходит торможение роста корня вплоть до полного прекращения [7]. Этот эффект может быть связан с увеличением концентрации отрицательно заряженных ионов (ауксина, индолилуксусной кислоты и др.) в месте присоединения электрода.

Значительно меньше внимания в научной литературе уделяется микро- и субмикротокам и энергиям. Это связано с тем, что биологические объекты — это очень сложные системы, содержащие большое количество обратных связей, которые стремятся свести к нулю влияние внешних воздействий. Однако это

не означает, что такие воздействия не раздражают систему, именно они в соответствии с последними данными, наиболее перспективны как в плане вызываемых биологических эффектов, так и в смысле безопасности применения. Кроме того, они вполне технологичны по доступности и простоте оборудования. Электромагнитные и магнитные поля низкой (30-300 Гц) и крайне низкой (3-30 Гц) частоты могут быть эффективно использованы для обработки семян в целях повышения всхожести и скорости прорастания [8].

Воздействие электромагнитных полей вызывает появление токов внутри различных организмов, которые не имеют прямых контактов с внешними источниками напряжения. Как правило, поля внутри организмов намного меньше, чем внешние поля. При наличии прямого контакта с проводником ситуация в корне меняется. В этом случае ток не ограничивается большим последовательным сопротивлением воздушного зазора между организмом и источником электромагнитного излучения. Многочисленными опытами установлено, что пропускание постоянного либо выпрямленного переменного тока через зерновку может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на зерно, в частности увеличивая или снижая энергию прорастания [9]. Переменный ток, как правило, приводит к целому ряду положительных эффектов, ускоряя прорастание семян (например, ячменя до 2 дней), увеличивая их способность к прорастанию до 20 %, рост корней (до 20 %) и побегов, массу и урожайность, а также сопротивляемость к заболеваниям [10-12], а его биологический эффект существенно зависит от амплитуды и частоты тока. Кроме того, указанные эффекты зависят от вида растений, времени года и времени суток, погодных условий, характера почвы и массы других факторов.

Литературные данные по изменению свойств семян и растений после пропускания электрического тока через биологический объект носят разрозненный характер, а эффект воздействия в значительной степени зависит от силы тока или напряженности поля, поэтому возникает необходимость проведения систематизированных исследований хотя бы на одном биологическом объекте. В связи с этим мы провели исследования по влиянию электроконтактного способа обработки семян ячменя микроэлектротоком и сравнение в идентичных условиях воздействия на зерно способов и продолжительности обработки током, влияния силы тока, а также частоты тока на зерно в целях разработки рекомендаций для применения указанного способа в пищевых тех-

нологиях и в сельском хозяйстве. Была предусмотрена возможность обработки током при положительной и отрицательной поляризации зародыша зерновки (для постоянного и пульсирующего тока) и в широком диапазоне частот (от 10 до 10 000 Гц для переменного тока). Было показано, что процесс солодораще-ния ячменя можно интенсифицировать кратковременным (5-15 мин) пропусканием микроэлектротока через зерновую массу. Эффект сохраняется независимо от сорта используемого зерна и способа обработки микроэлектротоком. Сравнение действия разных режимов электроконтактной обработки показало, что лучшие результаты по увеличению способности прорастания зерна и активности ферментов солода достигаются положительной поляризацией зародыша зерновки при пропускании постоянного микроэлектротока через зерновую массу. Эффект изменения поляризации зародыша снижается при наложении пульсаций тока. Переход к переменному току обеспечивает рост

всех показателей по сравнению с контролем практически при любой продолжительности воздействия. Установлен оптимальный режим обработки ячменя переменным микроэлектротоком, предложенный для внедрения данного способа в промышленность [13-15].

При проведении систематизации научных исследований по влиянию акустического воздействия в слышимом диапазоне частот и электроконтактной обработки зерновок ячменя переменным электротоком (5 мкА на зерновку) в диапазоне частот 50-10 кГц авторы обнаружили аналогии биологического эффекта низкоинтенсивного звукового и микротокового воздействия в указанном диапазоне частот. Установлены частоты, благоприятные для усиления скорости роста зерна и активации его гидролитических ферментов (окна взаимодействия), причем эти окна взаимодействия совпадают для акустической и электроконтактной обработки. Абсолютные значения энергии Е и способ-^ пр

ности Е прорастания зерна, активно-

250 200 150 100 50 0

100 500 2000

Частота, Гц  Звук  Ток

400 : 300 | 200 : 100 0

100

500 2000 Частота, Гц  Звук  Ток

Рис. 1. Изменение активности амилолитических ферментов ячменного солода в зависимости от частоты физического воздействия на ячмень после первого замачивания

0

0

2 250

о 200 &

о 100

5 50

а

0

100 500 2000

Частота, Гц  Звук  Ток

10000 Звук

, 400 < 2

I I300

I О 200

I # 100 0

100

500 2000 Частота, Гц  Звук  Ток

10000 Звук

Рис. 2. Изменение активности протеолитических ферментов ячменного солода в зависимости от частоты физического воздействия на ячмень после первого замачивания

0

0

250 200 150 100  50 0

11111111П

100

500 2000 Частота, Гц  Звук  Ток

10000 Звук

^300 ; 200 I 100 0

100 500 2000 Частота, Гц  Звук  Ток

10000 Звук

Рис. 4. Изменение активности амилолитических ферментов ячменного солода в зависимости от частоты физического воздействия на ячмень после второго замачивания

200 150100500

Есп.

АС  Звук

ПА

Ток

СР

Рис. 7. Показатели солода, выращенного из некондиционного ячменя после обработки его физическими методами при частоте 50 Гц

_ 200 150 100 ПА, 50 0

100 500 2000 Частота, Гц  Звук  Ток

< 2

10000 Звук

400

й ° 300

^ 1 200

§ ^ 100 п=

0

0 100 500 2000

Частота, Гц  Звук  Ток

10000 Звук

Рис. 5. Изменение активности протеолитических ферментов ячменного солода в зависимости от частоты физического воздействия на ячмень после второго замачивания

250 200 150 100 50 С0

400

о." 2 Щ о 300

а)

100

500 2000 Частота, Гц  Звук  Ток

10000 Звук

ко200 £ 100 0

00 500 2000 Частота, Гц  Звук  Ток

10000 Звук

Рис. 6. Изменение степени растворения эндосперма зерна ячменного солода в зависимости от частоты физического воздействия на ячмень после второго замачивания

сти гидролитических ферментов солода и их показатели относительно контроля могут меняться довольно значительно с изменением условий воздействия, но характер этих изменений в зависимости от частоты воздействия одинаков для звука и тока.

Выращивание ячменя на солод проводили согласно принятой методике лабораторного способа солодоращения (первое замачивание — 4 ч в воде, воздушная пауза — 14-16 ч, второе замачивание — 4 ч в воде и далее проращивание, общая продолжительность проращивания — 5 сут). Для проведения экспериментов использовали ячмень первого класса, способность прорастания Есп которого составляла 95-99 %, и ячмень второго класса, способность прорастания которого составляла 90-92 %. Амилолитическую активность (АС) солода определяли по методу Винди-ша—Кольбаха, протеолитическую активность (ПА) — рефрактометрически по методу Петрова, степень растворения эндосперма зерна (СР) — по методу Проскурякова [17].

Обработку ячменя проводили на разных стадиях процесса: после первого замачивания, когда зерно прошло начальный период быстрого поглощения воды, лаг-фазу и остановилось на начальной стадии процесса растяжения клеток, достигнув влажности 38-40 %; после второго замачивания, когда влажность зерна составляет 44-48 %, появляется вода в свободном состоянии, что необходимо для функционирования комплекса ферментов и активации всех биохимических реакций.

Зависимости активностей основных групп гидролитических ферментов (ами-лолитических, протеолитических, степени растворения эндосперма зерна) от частоты кратковременного физического воздействия после первого замачивания приведены на рис. 1-3. Видно, что зависимости носят бимодальный характер с явно выраженными максимумами (100-500 Гц для АС, 100-200 Гц и 1000 Гц для ПА, 100-500 Гц и 2000 Гц для СР), и минимумами (2000-5000 Гц для АС, 500 Гц и 5000 Гц для ПА, 500-1000 Гц для СР). Экстремальные

значения показателей совпадают для акустической и электроконтактной обработки.

Зависимости активностей основных групп гидролитических ферментов (ами-лолитических, протеолитических, степени растворения эндосперма зерна) от частоты кратковременного физического воздействия после второго замачивания приведены на рис. 4-6. Эти зависимости также носят бимодальный характер с совпадающими для акустической и электроконтактной обработки экстремальными значениями величин. Максимумы значений наблюдаются для АС и для ПА при 100-200 и 2000 Гц, для СР при 200-500 и 2000 Гц; минимумы — при 500 и 5000 Гц для АС и ПА, при 1000 и 5000 Гц для СР.

При обработке частотами, близкими к УЗ-диапазону (10 тыс. Гц), активности гидролитических ферментов, как правило, возрастают.

Кратковременной акустической и электроконтактной обработке было подвергнуто также и некондиционное зерно, Есп которого составляла 56-72 %. Обработку проводили при частоте 50 Гц после первого замачивания в течение 5 мин. Из рис. 7 видно, что при одинаковых частоте и времени воздействия характер и степень изменения активности ферментов практически одинаковы для этих двух способов воздействия.

Аналогия в поведении ячменя в процессе его выращивания на солод при кратковременной акустической и электроконтактной обработке в диапазоне частот 50-10 000 Гц позволяет предположить механизм воздействия, который определяется не столько природой приложенного воздействия, сколько переменной составляющей этого воздействия, что может быть связано с изменением структуры, а следовательно, и проницаемости биомембран при воздействии частотного фактора и с физиологическими частотами самих семян. Это предположение подтверждается результатами работы [18], в которой авторы проводили периодическое облучение ячменя, предназначенного для проращивания на солод, монохроматическим импульсным светом в течение

6 • 2008

400

0

0

250

0

0

0

13

10 мин. Было показано, что ростовая активность семян мало зависит от длины волны света и что для прорастания важен низкочастотный спектр, связанный с физиологическими частотами самих семян. Авторы рекомендовали для фотоактивации ослабленного зерна частотно-модулированный зеленый свет с частотой импульсов 100-200 Гц, позволяющий существенно увеличить ферментативную активность образующегося солода.

Приведенные зависимости (рис. 1-6) показывают, что в области частот 100200 Гц наблюдается устойчивый рост всех показателей проросшего ячменя независимо от природы приложенного воздействия. Это позволило рекомендовать кратковременную обработку ячменя звуком частой 200 Гц на любой стадии солодоращения и кратковременную обработку ячменя микроэлектротоком после первого или после второго замачивания в качестве способов интенсификации процесса солодоращения и улучшения качества готового солода. Эти способы позволяют получить из нестандартного зерна солод, по своим показателям приближающийся к солоду второго класса согласно ГОСТ 29294-92, а из ячменя второго класса — к солоду первого класса. Экономический эффект

от внедрения таких способов составляет 350-3800 руб. на 1 т ячменя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Эльпинер И. Е. Биофизика ультразвука. — М.: Наука, 1973.

2. Акопян В. Б. Механизм биологического действия ультразвука. — М.: Колос, 1983.

3. Данько С. Ф., Данильчук Т. Н., Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Звуковая обработка ячменя на разных стадиях солодоращения//Пиво и напитки. 2000. № 5. С. 50-51.

4. Данько С. Ф., Данильчук Т. Н. Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Проращивание ячменя после воздействия звуком разной частоты//Пиво и напитки. 2000. № 3. С. 22-23.

5. Живописцев Е. Н. Электротехнология в сельскохозяйственном производстве. — М.: ВНИ-ИТЭИСХ, 1978.

6. Пилюгина В. В., Регуш А. В. Электромагнитная стимуляция в растениеводстве. — М.: ВНИИ-ТЭИСХ, 1978.

7. Неттевич Э. Д., Анинанова З. Ф., Романова Л. М. Выращивание пивоваренного ячменя. — М.: Колос, 1981.

8. Барышев М. Г. Влияние электромагнитного поля на биологические системы растительного происхождения. — Краснодар: Изд-во Куб ГУ, 2002, С. 48-55.

9. Беккинбант М. Б., Глаголева Е. Г. Электричество в живых организмах. — М.: Наука, 1988.

10. Гордеев А. М., Шершнев В. Б. Электричество в жизни растений. — М.: Наука, 1991.

11. Кондратьева С. М. Интенсификация процесса проращивания ячменя на солод методом электрической и аэрационной обработки. — М.: Автореферат, 1975.

12. Зацепина Г. Н. Электрическая система регуляции процессов жизнедеятельности. — М.: Изд-во МГУ, 1992.

13. Зарубина Е. П., Данько С. Ф., Данильчук Т. Н., Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Влияние микроэлектротока на солодоращение ячменя//Пиво и напитки. 2001. № 5. С. 20-21.

14. Зарубина Е. П., Данько С. Ф., Данильчук Т. Н., Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Влияние переменного микроэлектротока на солодоращение ячме-ня//Пиво и напитки. 2002. № 2. С. 24-25.

15. Зарубина Е. П., Данько С. Ф., Данильчук Т. Н., Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Влияние микроэлектротока на активность ферментов соло-да//Пиво и напитки. 2001. № 6. С. 20-22.

16. Зарубина Е. П., Данько С. Ф., Данильчук Т. Н., Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Влияние частоты переменного микроэлектротока на солодора-щение ячменя//Пиво и напитки. 2003. № 4. С. 14-15.

17. Мальцев П. М. Химико-технологический контроль производства солода и пива. — М.: Пищевая промышленность, 1976.

18. Петракова Л. Ф., Егоров В. В., Данько С. Ф. Фотоактивация солодоращения ячменя // Пиво и напитки. 2002. № 6. С. 16-17. &

vm

МОСКОВСКИЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ САХАРНЫЙ ФОРУМ

поддержка

SUPPORTED ВУ

СТРАТЕГИЧЕСКИЙ ПАРТНЕР

STRATEGICAL PARTNERSHIP 1

MOSCOW INTERNATIONAL SUGARFORUM

РОССИЯ, МОСКВА ВВЦ, ПАВИЛЬОН 57 RUSSIA, MOSCOW ALL-RUSSIA EXHIBITION CENTRE PAVILION 57

25-27 ФЕВРАЛЯ

2009

FEBRUARY 25-27

СОЮЗРОССАХАР RUSSEN UNION OF SUGAR PRODUCERS

САХАРНЫЙ БИЗНЕС

гсоКиАКт ¿b-¿¡ 8-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ

СП ЕЦИАЛИЗИ ЮВАННАЯ ВЫСТАВКА

♦♦ 25 февраля я VII Международная конференция february 25 по передовым технологиям производства сахара;

♦♦26 ФЕВРАЛЯ Ш VII Международная конференция february 26 по рынку сахара;

♦♦ 27 ФЕВРАЛЯ  ill Международная конференция February 27 по современным методам

возделывания сахарной свеклы.

SUGAR BUSINESS

STH INTERNATIONAL SPECIALIZED EXHIBITION

The Vll International Conference on advanced technologies in sugar industry,

M The VII International Conference on sugar market;

The HI International Conference o/i advanced sugar beet growing technologies.

E о u

TEUFAX: +7 (495) 545-39-09 - WWW.SUGARFORUM.COM  SUGARFORUM@EXPO-DESIGN.RU