Определение критической влажности семян методом ядерного магнитного резонанса

УДК 577.7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ВЛАЖНОСТИ СЕМЯН МЕТОДОМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

© 2008 Муртазадиева М.К, Муртазалиев М.А.

Дагестанский государственный педагогический университет

Работа посвящена изучению состояния водной фракции и определению критической влажности семян с использованием релаксационного метода.

The article is dedicated to the study of the state of water fraction and to the definition of the critical seed humidity with the use of relaxational method.

Ключевые слова: критическая влажность, метод ЯМР, семена рапса, время релаксации, подвижность молекул воды.

Keywords: critical humidity, NMR method, rape seeds, relaxational time, water molecules’ mobility.

В современных экономических условиях в нашей стране уделяется большое внимание научным разработкам в области производства. В связи с этим огромное значение

приобретают исследования

биохимических процессов,

происходящих в ходе хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. Совместные усилия

биологов, химиков и технологов должны быть направлены на изучение условий, способствующих наиболее

полному сохранению биологически активных веществ в

продовольственных источниках.

Изучение биохимических

процессов, происходящих в семенах растений при изменении условий -сложная и многогранная задача, которой посвящено немало исследований. Одним из

основополагающих факторов,

лежащих в основе изменения биохимических процессов в семенах растений, является их влажность. Повышение ее величины выше определенного уровня вызывает резкое увеличение скорости протекания биохимических

процессов, что можно наблюдать по усилению дыхания. Величина влажности семян, приводящая к усилению процессов метаболизма, называется критической

влажностью.

Существует множество методов определения критической влажности, однако не все они дают развернутую характеристику состояния воды в таких слабообводненных объектах, как семена. Нами использовалась установка ядерного магнитного резонанса Московского университета пищевых производств. Для проведения исследования

применялся релаксометр-анализатор протонного магнитного резонанса, программный блок которого формирует универсальную

аналитическую импульсную серию, представляющую собой серию Кара-Марселла-Мейбаума-Гилла, с

регистрацией не только эхо-сигналов, но и спада свободной индукции. Это обеспечивает получение информации как о жидких и вязких, так и о твердых компонентах.

Релаксометр-анализатор позволяет одновременно определять содержание влаги, липидов и углеводно-белковой нелипидной части в исследуемой пробе, не требует взвешивания, разрушения пробы, применения эталонных образцов. При выполнении анализов величина используемого магнитного поля составляла 4400 гаусс, рабочая частота - 18, 7 мГц. Интервал между высокочастотными импульсами - 60 или 136 мкс, число точек изменения цифрового сигнала 1024.

В качестве объекта исследования использовали семена рапса влажностью 4; 5; 8; 10; 11; 12,5; 14%, помещенные в ампулы диаметром 10 мм. Высота заполнения ампул 20-23 мм. При проведении эксперимента пробы герметически закрывали. Исследования проводили согласно методике [3].

Расчет времени релаксации был произведен по формулам:

1 = (п-2), т = 59,5 мкс;

(;п - 2) • 59,5

Т =

ІіД

/„

(мкс),

где Т2 - время релаксации (мкс), п - номер канала:

10 - сигнал экспоненты во 2 канале

(мкс);

1П - сигнал экспоненты в п канале (мкс).

Схема разделения экспонент:

тф

+ С5 + І0иис + І09 - сигнал ПМР от

\Л/ с

твердой фазы,

+ |№ + |од _ сигнал ПМР ОТ свободной влаги;

10'л/с + |0э _ сигнал ПМР от связанной влаги;

109 - сигнал ПМР от липидов.

Результаты, полученные на установке протонного магнитного резонанса и обработанные по представленным выше формулам, приведены в таблице, где А -амплитуда сигнала; 109, 1о'Л/с, 1о'л/3 -аппроксимированные по второму каналу сигналы сигналы от липидов, «свободной» влаги, связанной влаги с углеводно-белковой частью; Т29, Т2 ш, Т2 ш - соответственно времена спин-спиновой релаксации (мкс).

Таблица

Результаты исследований проб рапса различной влажности

Влажность,% (Щ 1о9 |0Шс |0Ш5 Ьэ J2 Шэ J2 Шс

4 1380 100 400 88745,7 426,7 285,5

5 1560 130 360 88497,7 433 220

8 1380 450 380 52888,8 451,3 150,6

9 5150 1650 900 67738 650 136

10 1325 510 430 70318 782 190,29

11 5580 1975 1300 58310 1137 110

12,5 5100 2350 1000 75208 1687 123,9

14 1510 690 520 61065 2130 95,35

Исследования проб рапса различной влажности

релаксационным методом показали, что зависимость Т2 = f (\Л/) нелинейно зависит от влажности семян (рис. 1).

В первом приближении кривую можно интерпретировать как две линейные зависимости в интервале от

1,0 до 8% и от 10 до 14% с различной

крутизной. Первая прямая относится к релаксации молекул воды, закрепленных на активных центрах биополимеров семян, что приводит к резкому уменьшению молекулярной подвижности воды. Аппроксимация на нулевую влажность дает величину Т2 порядка 400 мкс, что характеризует наиболее прочно связанные молекулы воды с биополимерами семян. По

мере увеличения влажности семян до 8% (полимолекулярная адсорбция) наблюдается незначительное

увеличение времени релаксации

молекул воды, величина Т™0 находится в пределах 451,3 мкс, что говорит об отсутствии в семенах подвижной влаги.

т2 * пса

Влажность, % Рис. 1 Зависимость времени релаксации Тг от влажности семян рапса

Дальнейшее увеличение влажности семян приводит к появлению перегиба на графике Т2Ш = f (\А/). Точка перегиба находится в области \Л/= 7,8 -8%, соответствующей переходу от полимолекулярной адсорбции к капиллярной конденсации. Отсюда можно сделать вывод, что изменение энергии связи воды биополимерами семян вызывает изменение зависимости Т2 ш =f (\Л/). С термодинамической точки зрения этот факт можно объяснить тем, что уменьшение энергии связи приводит к увеличению степеней свободы молекул воды, следовательно, к увеличению времени релаксации Т2Ш. При увеличении влажности семян с 10 до 14% наблюдается непрерывный рост времени релаксации. Это

свидетельствует об увеличении количества свободной воды.

Таким образом, согласно нашим данным, критическая влажность семян рапса лежит в области от 7,8 до 8,0% и даже незначительное увеличение влажности семян выше этого предела ведет к резкому усилению метаболических процессов. Эти данные вполне согласуются с данными, полученными при изучении дыхания семян (рис. 2).

Влажность, % Рис. 2. Зависимость интенсивности дыхания семян рапса от влажности

Определение критической

влажности релаксационным методом выгодно отличается от других методов простотой и точностью и может быть использовано для исследования других малообводненных объектов.

Примечания

1. Гавриченко В.Ф., Ладыгина М.Е., Хандобина М.М. Большой практикум по физиологии растений. М. : Высшая школа, 1987. 352 с. 2. Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений. М. : Мир, 1990. Т.1. 387 с. 3. Дранкуразов Б.О. Исследование физических и физиологических свойств зерна тритикале. Авюреф.... канд. биол. наук. М., 1998. 4. Методы практической биохимии/Под ред. Б. Уильямса. М.: Мир, 1998.310с. 5. Физиология и биохимия покоя и прорастания семян/Пер. с англ. Под ред. М. Г. Николаевой. М.: Колос, 1998.495 с.

Статья поступила в редакцию 19.12.2008 г.

Пол и стад. зр. Весна Осень Весна Осень Весна Осень

Juv 02 0,12-0,35 0.25 0,17-0,33 0.28 0.15-0.4 0J5 0.2-0.38 0J5 0,19-0,41 0.31 0,2-0,37

9 (Ml) Ojj 0,51-0,72 0.64 0,28-1,0 0.58 0,35-0,7 0.68 0,4-0,8 0.64 0,5-0,9 0.75 0,6-0,85

с? (О 0,5 0,28-0,72 0.52 0,26-0,74 0.52 0,2-0,8 0.54 0,29-0,86 0.55 0,3-0,85 Ojj 0,4-0,91

Примечание: над чертой - среднее значение ГСИ, под чертой - пределы колебаний

У самок аналогичными показателями имели вид

молоди севрюг с размерно-весовыми половые железы уплощенных тяжей

беловато-розового цвета шириной 9-16 мм и длиной 10-15 см. По середине их проходила продольная борозда (отличительный признак принадлежности к самкам). ГСИ их по мере продвижения с севера на юг менялся от 0,6% до 0,75% (табл. 1).

Во внешнем строении гонад различий в зависимости от мест отлова не отмечалось. В микроструктуре «северных» рыб поздняя генерация половых клеток (ооциты протоплазматического

роста) были представлены в очень небольшом количестве - не более 3-5 штук в 1 капсуле, остальная часть занята ооцитами синаптического ряда - 7-12 штук - и огониями, размер которых не превышал 9-12 мкм (их ядра имели в диаметре 5-6 мкм). У «южных» рыб в капсулах

ооцитов протоплазматического роста было по 8-9 шт. Их размеры (28-42 мкм) не зависят от места лова рыб. У ранневесенних (апрель) севрюжат из северных районов среди ооцитов протоплазматического роста на препаратах оказались клетки, чья цитоплазма сильно закрашена гематоксилином. Подобная картина повторилась и в следующем году также у рыб ранневесенних уловов. Видимо, это связано с температурным режимом воды, ни у летних, ни у осенних севрюг, так же как и у южных рыб, этого явления не наблюдалось.

Среди половозрелых самок с длиной тела 90-137 см и весом 5,8-

8,0 кг были особи, находящиеся на Ш-\/ стадиях развития (табл. 2). У рыб с гонадами более поздних стадий развития ГСИ выше, чем более ранних стадий развитий на 2-3%.

Таблица 2

Некоторые морфометрические показатели севрюг из различных районов дагестанского побережья Каспия

Место отлова Каспийско-Крайновский район Каспийско-Караманский район Каспийско-Дербентский район

стад. зр. Масса тела, кг Масса гонад, кг ГСИ N экз. Масса тела, кг Масса гонад, кг ГСИ N экз. Масса тела, кг Масса гонад, кг ГСИ N экз.

Самцы

Ill 6,3 0,46 7,3 5 7,4 0,81 10,9 6 7,2 0,85 11,8 7

IV 8,3 0,55 6,62 7 8,5 0,65 7,64 5 8,0 1,05 13,0 6

V 6,7 0,45 6,7 1 8,0 0,6 7,5 2 8,5 0,65 7,64 3

Самки

III 5,8 0,25 4,3 4 6,0 0,4 6,66 3 6,2 0,65 10,4 6

IV 6,2 0,68 12,0 7 7,1 0,53 7,46 5 8,0 1,0 12,5 4

V 7,0 12 12,1 2 6,8 0,75 11,0 1 7,5 0,9 12,0 2

У самок севрюг (III стадия) из северных. Генеративная часть

южных районов накопление жира яичников у первых полностью

проходило более интенсивно, чем у обросла жиром, а у вторых - только

его незначительная часть. Кроме того, на желтом фоне половой железы у крайновских севрюг просматривалось небольшое

количество белых или слабожелтых икринок диаметром 0,5-0,9 мм, тогда как у рыб дербентского побережья обнаруживалось довольно большое количество темных икринок с диаметром 0,8-1,1 мм. На гистологических препаратах из гонад ооциты отличались по степени их поляризации желтка и жира. У рыб с караманских участков ядра ооцитов полностью смещены к оболочке и погружены в мелкозернистый желток, тогда как у рыб из других районов желток только начинает смещаться к полюсу. Таким образом, скорость созревания яичников зависит от конкретных условий,

складывающихся в данном регионе. Такие рассуждения оказались справедливыми и относительно половозрелых самцов. В районе караманского участка у севрюг на III-IV стадиях развития наблюдается формирование сперматозоидов, тогда как у рыб Северного Каспия проходит митотическое размножение гониальных клеток. Подобная разнокачественность в развитии семенников, видимо, связана с интенсивностью питания, составом пищи и особенностями обмена веществ в данных конкретных условиях.

Сравнительное изучение

состояния гонад и качества икры в зависимости от района их обитания проводили путем определения

количества сперматозоидов в

эякулятах и продолжительности

времени активного движения

живчиков в экспериментальных

условиях. Нужно отметить, что

видовое различие по количеству вырабатываемой спермы весьма значительно (к примеру, у белого амура в 1 мл эякулята содержится до 30-40 млн сперматозоидов) [5]. У

осетровых рыб концентрация

спермиев невысокая. Наши подсчеты показали, что у севрюги в условиях Каспия эта величина может колебаться от 1,2 до 1,95 млн экз. в 1 мл эякулята.

Результаты наших подсчетов приведены в таблице 3. Концентрация спермиев зависит не только от места и условий обитания рыбы, но и от того, из какого участка семенника взята проба. По нашим подсчетам наиболее продуктивным оказался средний отдел гонады. Наибольшая продолжительность активного состояния живчиков отмечена при температуре воды 9-

12 С.

Понижение

температуры привело к снижению активности, а повышение до 16-18°С - к резкому, но кратковременному всплеску и столь же резкому спаду активности и полному их обездвиженью.

Таблица 3

Концентрация сперматозоидов и продолжительность времени активного их движения у севрюг из различных районов Каспийского моря

Концентрация сперматозоидов, млн/мм3 Время активного движения спермиев, мин.

Район отлова Передний отдел семенников Средний отдел Задний отдел Передний отдел Средний отдел Задний отдел

Крайновское 1,26 1,51 1.2 6,52 7,5 5,5

побережье

Караманский участок Каспийско- 1,41 1,5 1,35 10,7 8,5 10,0 8,6

Дербентский р-н 1,55 1,95 1,43 14,2 10,7

Приведенные в статье различия в

развитии гонад у рыб можно

рассматривать в качестве результата воздействия на них неблагоприятных условий среды обитаний, как

правило, до пороговых значений. Однако нам приходилось

констатировать глубокие и подчас необратимые изменения

репродуктивной системы осетровых, вызванные тяжелым отравлением химическими реагентами. В мае 2003 г. в устьевой зоне Терека в сети попались две севрюги и один осетр, в семенниках которых обнаружены плотные образования из

соединительных тканей, вокруг которых наблюдались очаги воспалительных процессов с небольшим количеством

некротизированной ткани. Неясно, что бы произошло с этим новообразованием, но, несомненно, оно оказало бы на генеративную часть самое негативное воздействие.

В яичнике севрюги, пойманной у выхода из Сулакской бухты в июне 2003 г., обнаружен участок с

поперечно-полосатой мышечной тканью, которая не выполняла сократительной функции. Ооциты, окружающие эту ткань, имели зернистость, что, по-видимому, является признаком дегенерации. У 5% исследованных половозрелых самок на V стадии развития наблюдались морфозы: истончение оболочки ооцита, разрушение

Примечания

оболочки яйцеклетки в виде разрывов.

Объяснение подобных отклонений в развитии гонад осетровых мы находим в монографии Н.-К. К. Алиева и др. [1]: в северный Каспий с волжскими водами ежегодно поступают 110 тыс. тонн фенолов, 3,8 т ДЦТ, с терскими водами - 16,3 млн тонн наносов, половина которых - токсиканты; с сулакскими - 1,6 млн тонн и т.д. Все эти речные наносы и загрязнения от нефтяных разработок в шельфе моря создают условия, которые, как в зеркале, отражаются на «благополучии» гидробионтов, и особенно в северных его районах.

Таким образом, у молоди севрюги в разных районах дагестанского побережья Каспия наблюдаются: 1) разнокачественность прохождения гаметогенеза, проявляющаяся в

развитии и накоплении более

поздних генераций половых клеток; 1) у половозрелых рыб опережающее развитие скорости

накопления жира и желтка, поляризация ооцитов, а также формирование сперматозоидов у

самцов; 3) различные аномалии развития: инородные образования в виде опухолей, очаги с воспалительными процессами,

приводящие к дегенерации обширных участков желез, и различные морфозы, поражающие всю генерацию яйцеклеток.

1. Алиев Н.К., Абдурахманов Г.М., Мунгиев А.А., Гаджиев АА. Экологические проблемы бассейна Каспия. Махачкала: Изд-во «Дагпресс», 1997. 159 с. 2. Баранникова И.А. Биологическая дифференциация стада Волго-Каспийского осетра//Ученые записки ЛГУ. № 228. Вып. 44. 1957. С. 57-72. 3. Белова Н.В. Эколого-физиологические особенности спермы прудовых карповых рыб.

Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М. : МГУ, 1978. 24 с. 4. Гербильский Н.Л. Эколого-гистологическое направление в ихтиологических исследованиях//Всесоюзное совещание по биол. основам рыбного хозяйства. Томск, 1959. С. 31-36. 5. Гинзбург А.С., Детлаф Т.А. Развитие осетровых рыб: созревание яиц, оплодотворение и эмбриогенез. М., 1969. 134 с. 6. Крыхтин М.Л., Горбач Э.И. Экология размножения белого амура (С^епогПпагуп дос1оп тоНШх (\/а1) и белого толстолобика МуррИНпа^ИНпуэ тоНШх (\/а1.) в бассейне Амура//Вопросы ихтиологии. Т.21. Вып. 2. 1981. С. 317-329. 7. Кошелев Б.В. Экология размножения рыб. М. : Издательство «Наука», 1984. 308 с. 8. Мейен ВА. К вопросу о

годовом цикле изменения яичников костистых рыб. Изв. АН СССР. Вып. 3. 1939. С. 69-76. 9. Никольский Г.В. О некоторых закономерностях динамики плодовитости рыб. Очерки по общим вопросам ихтиологии. М.-Л.; Изд. АН СССР. 1963. С. 199-206. 10. Персов Г.М. Ранний период гаметогенеза у осетровых. Вопросы зоологии (Материалы III совещания зоологов Сибири). Томск, 1966. С. 27-28. 11. Персов Г.М. Сроки дифференцировки пола и темп полового созревания у осетровых. Труды центр, научно-исслед. инст-та осетрового хозяйства (ЦНИОРХ). T.III. М., 1971. С. 222-234. 12. Трусов В.З. Созревание половых желез самцов севрюги Acipenser stellatys Pallas в морской период жизни//Вопросы ихтиологии. Т.11. Вып.2 (07), 1971. С. 271-279. 13. Роскин Г.И., Левинсон Л.Б. Микроскопическая техника. М. : Высшая школа, 1957. 467 с. 14. Ромейс Б. Микроскопическая техника. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1953. 717 с.

Статья поступила в редакцию 19.11.2008 г.