Сравнительная оценка сортов зерновых культур по вязкости водного экстракта и структуре водорастворимых пентозанов

УДК: 633.14:664.746

Сравнительная оценка сортов зерновых культур по вязкости водного экстракта и структуре водорастворимых пентозанов

A.A. Гончаренко, академик РАСХН

A.C. Тимощенко, к.т.н.

По вязкости водного экстракта озимая рожь превосходила яровую и озимую пшеницу в 2,7-2,9 раза, а озимую тритикале - в 2,4 раза. Важным отличием для ржи явилась более высокой реакция на изменение погодных условий года. Установлена линейная зависимость вязкости от содержания суммы водорастворимых пентозанов (r=0,95). Однако вклад отдельных моносахаридов в потенциал вязкости неоднозначен: для глюкозы r=0.93, для ксилозы r=0.96, для арабинозы r=0.61. В структуре пентозанов озимой ржи заметно преобладала ксилоза (42,7%), тогда как у озимой тритикале и пшеницы - глюкоза (40,9-55,5%). По содержанию арабинозы изучаемые культуры различались незначительно (20,3-25,6%). Отношение арабиноза: ксилоза существенно влияло на потенциал вязкости водного экстракта.

Более 50% произведенной в России ржи используется в кормовых целях. Однако в больших количествах вводить зерно ржи в кормовые рационы нельзя из-за наличия в нем антипитательных веществ, вызывающих расстройство пищеварения и снижающих переваримость кормов в желудке животных. Особенно важны эти ограничения для мо-ногастричных животных (птица, свиньи), у которых практически нет собственных ферментов, переваривающих эти вещества. В пищеварительном тракте животных они образуют вязкие растворы, обволакивающие гранулы крахмала и протеинов. Возникают два отрицательных последствия: жидкий и клейкий помет и снижение продуктивности животных [16]. Во избежание этого приходится применять специальные полиферментные добавки и премиксы, а это удорожает производство продукции [3].

Анализ накопившихся за последние годы научных данных привел многих исследователей к выводу, что главным фактором, снижающим общую переваримость белков и углеводов зерна ржи, являются некрахмалистые полисахариды (пентозаны), основными компонентами которых являются водорастворимые и водонерастворимые глюкоза, арабиноза и ксилоза (т.н. арабиноксиланы). Суммарно в зерне ржи содержится 7-13% арабиноксиланов [11], из них на долю водорастворимых приходится 20-38% от общего их содержания [15].

Установлено [1, 8, 18], что водорастворимые арабиноксиланы обладают высокой водопоглоти-тельной способностью и в сочетании с низкой ами-лазной активностью и клейкими свойствами крахмала существенно улучшают хлебопекарные качества зерна ржи. Их роль особенно возрастает в случаях, когда крахмал в силу ряда причин не способен связывать всю влагу теста и образует много липких декстринов. Своим присутствием арабиноксиланы фактически компенсируют отсутствие клейковин-ных белков у ржи, так как повышают вязкость теста, усиливают его формоустойчивость и улучшают структурно-механические свойства мякиша -уменьшают его липкость, заминаемость, влажность.

Однако высокое содержание некрахмалистых полисахаридов негативно влияет на кормовую ценность ржи [17]. Попадая в желудок животных, они образуют высоковязкие растворы, вызывающие расстройство процесса пищеварения и снижение привеса животных [6, 7].

Высокое содержание водорастворимых араби-ноксиланов нежелательно не только при кормлении животных, но и при промышленной переработке зерна ржи на крахмал, сахар, этиловый спирт. Для эффективного извлечения чистого крахмала зерно ржи должно иметь низкое содержание водорастворимых пентозанов, чтобы снизить водопоглощение в процессе его производства, а также иметь низкую активность фермента альфа-амилаза, чтобы избежать преждевременного повреждения крахмальных зерен [10]. При производстве спирта и сахара требуется крупнозернистая структура крахмала и высокая амилазная активность [9].

Для прогнозирования содержания водорастворимых пентозанов чаще всего используют не прямые, а косвенные методы оценки, основанные на измерении вязкости водного экстракта ржаной муки с помощью высокоточных вискозиметров. Принцип работы этих методов основан на том, что такие важнейшие компоненты зерна ржи как крахмал и белок при невысоких температурах не влияют на вязкость водного экстракта. Она практически полностью (г=0,97) зависит от содержания в нем водорастворимых арабиноксиланов [5]. Экспериментально показана возможность надежного прогнозирования хлебопекарных качеств сортов ржи по экстрагируемой вязкости [2;8], установлена сравнительно высокая наследуемость этого признака [13] и обоснована возможность целенаправленной селекции на высокое и низкое его выражение [12;13;14].

Целью наших исследований были сравнительная оценка сортов различных зерновых культур по вязкости водного экстракта и изучение зависимости этого признака от количественного содержания и качественного состава водорастворимых пентозанов.

Материал и методы

Исходным материалом для сравнения послужили 4 сорта озимой ржи, 4 сорта озимой тритикале, 4 сорта озимой пшеницы и 4 сорта яровой пшеницы, проходившие полевые испытания на полях института в 2003-2005 гг. Изучение зависимости вязкости от содержания и соотношения некрахмальных моносахаридов проводили на базе 24 инбредных линий ржи с контрастной вязкостью водного экстракта. Для выявления этих генотипов анализировали вязкость водного экстракта у 440 инбредных линий ржи.

Вязкость водного экстракта определяли по разработанной нами методике [4]. В этих целях использовали цифровой вискозиметр УТ5Ь фирмы Нааке (Германия) с набором специальных роторов (ТЬ5, ТЬ6, ТЬ7) и адаптера для малого объема. От каждого образца брали пробу зерна массой 5 г, размалывали ее на лабораторной мельнице ЭМ-3А в течение 1,5 мин. и определяли влажность шрота. Водно-мучную суспензию для экстрагирования получали путем смешивания 2,3 г шрота с дистиллированной воды из расчета 80 мг сухой массы на 1 мл воды. Соотношение 1:12,5 (шрота и воды) было найдено экспериментально с целью выбора оптимального диапазона вязкости и получения четких различий между сравниваемыми образцами. Экстрагирование пентозанов проводили при постоянном перемешивании в течение 60 мин. и температуре 30оС, после чего суспензию центрифугировали при 8000 об/мин. в течение 10 мин. Полученный экстракт вынимали и надосадочную жидкость заливали в измерительную камеру вискотестера УТ5Ь. Величину вязкости измеряли в сантипуазах (сПа-с) при температуре водяной бани 25оС.

Определение содержания водорастворимых моносахаридов (глюкоза, арабиноза, ксилоза) проводили методом ионообменной хроматографии.

Результаты и обсуждение

Сравнительная оценка сортов различных зерновых культур по экстрагируемой вязкости представлена в табл.1. Как видно, наибольшим потенциалом вязкости обладала озимая рожь (3,81 сПа-с), а наименьшим - озимая пшеница (1,32 сПа-с). По этому признаку рожь превосходила озимую пшеницу в 2,9 раза, яровую - в 2,7 раза, а озимую тритикале - в 2,4 раза. Наибольшие различия между сортами в абсолютном выражении наблюдались у озимой ржи (0,72 сПа-с) и тритикале (0,64 сПа-с), а наименьшие - у сортов яровой и озимой пшеницы (0,15-0,19 сПа-с). Однако в относительном измерении сильнее других различались сорта не озимой ржи (20,7%), а озимой тритикале (50%).

На уровень вязкости озимой ржи сильное влияние оказывали погодные условия года. Важнейшим из них является количество осадков в период налива и созревания зерна. Наиболее сильновязкое зерно ржи сформировалось в засушливом 2005 г (табл.2). Во влажные годы вязкость экстракта у ржи заметно

снижалась (более чем в 1,5 раза), чего не наблюдалось у других зерновых культур, у которых уровень вязкости оставался относительно стабильным во все годы изучения. Из этого можно заключить, что по признаку вязкости рожь отличается более высокой реакцией на изменение погодных условий года, чем пшеница и тритикале.

Таблица 1. - Сравнение динамической вязкости водного экстракта у сортов различных зерновых культур (среднее за 2003-2005, сПа-с).

озимая рожь озимая тритикале озимая пшеница яровая пшеница

сорта сПа-с сорта сПа-с сорта сПа-с сорта сПа-с

Восход 1 3,48 Антей 1,28 Память Феди-на 1,43 Родина 1,45

Восход 2 3,63 Виктор 1,81 Инна 1,28 Лада 1,52

Крона 4,20 Гермес 1,92 Мос-ков-39 1,30 Амир 1,33

Пурга 3,93 Нем-чин-56 1,42 Нем-чин-24 1,28 МИС 1,33

Среднее: 3,81 - 1,61 - 1,32 - 1,41

Хтах-Хш1п 0,72 - 0,64 - 0,15 - 0,19

Таблица 2. - Варьирование динамической вязкости у различных зерновых культур под влиянием погод_ных условий года (сПа-с)._

годы озимая рожь озимая тритикале озимая пшеница яровая пшеница

2003 3,13 1,65 1,36 1,51

2004 3,13 1,60 1,42 1,52

2005 5,16 1,54 1,25 1,19

Хтах-Хт1п 2,03 0,11 0,17 0,33

Ранее было показано [5], что вязкость водного экстракта находится в линейной (г > 0,97) зависимости от содержания водорастворимых пентозанов. Наши данные подтверждают эту функциональную связь. Отмеченное выше более чем двукратное превосходство озимой ржи по вязкости водного экстракта над пшеницей и тритикале подкрепляется почти таким же (в 1,6-2,2 раза) превосходством по содержанию суммы водорастворимых моносахаридов (табл.3). Характерно, однако, что достоверная корреляция между этими признаками наблюдалась только у ржи (г=0,64), тогда как у остальных культур она была несущественной (г=0,15...0,40). Возможной причиной тому явилось двойное превосходство ржи по содержанию ксилозы (2,68% против 0,88.1,04% у других культур). В этой связи обращают на себя внимание существенные различия в соотношении отдельных моносахаридов (арабиноза: ксилоза и арабиноза:глюкоза). Изучаемые культуры наиболее значимо различались по отношению ара-биноза:ксилоза.

Таблица 3. - Содержание водорастворимых моносахаридов в зерне различных зерновых культур _(в % на сухое вещество)._

Культуры Годы Моносахариды Отношение

глюкоза Г ксилоза арабиноза А сумма А:К А:Г

Озимая рожь 4 сорта 2003 2,15 3,08 1,17 6,40 0,38 0,54

2004 1,73 2,56 1,18 5,47 0,46 0,68

2005 3,09 2,39 1,46 6,94 0,61 0,47

Средн. 2,32 2,68 1,27 6,27 0,47 0,55

Озимая тритикале 4 сорта 2003 2,14 1,03 0,83 4,00 0,80 0,39

2004 2,20 1,01 0,46 3,67 0,46 0,21

2005 2,29 0,88 1,12 4,28 1,27 0,49

Средн. 2,21 0,97 0,80 3,98 0,82 0,36

Озимая пшеница 4 сорта 2003 1,39 0,58 0,65 2,62 1,12 0,47

2004 1,73 0,84 0,94 3,51 1,12 0,54

2005 2,34 1,21 1,21 4,76 1,00 0,52

Средн. 1,82 0,88 0,93 3,63 1,06 0,51

Яровая пшеница 4 сорта 2003 0,63 0,65 0,36 1,64 0,55 0,57

2004 1,10 1,16 0,67 2,93 0,58 0,61

2005 1,77 1,32 0,92 4,00 0,70 0,52

Средн. 1,17 1,04 0,65 2,86 0,63 0,55

У высоковязкой озимой ржи оно составило 0,47, а у низковязкой озимой пшеницы - 1,06, т.е. в два раза выше. Отношение арабиноза:глюкоза у сравниваемых культур было практически равным (0,55 и 0,51). Следовательно, даже небольшие различия в соотношении арабинозы и ксилозы могут быть причиной больших различий по вязкости экстракта.

Наши данные указывают на наличие специфических для каждой культуры различий в содержании отдельных моносахаридов (рис.1). В структуре водорастворимых пентозанов озимой ржи заметно преобладала ксилоза (42,7%), а у озимой тритикале, озимой и яровой пшеницы - глюкоза (соответственно 55,5, 50,2 и 40,9%). Что касается арабинозы, то у всех культур ее доля была наименьшей, а различия по ее содержанию были незначительными: от 20,3% у высоковязкой озимой ржи до 25,6% у низковязкой озимой пшеницы.

60

40

20

глюкоза  ксилоза Шарабиноза

ш

озимая озимая озимая яровая рожь тритикале пшеница пшеница

Рисунок 1 - Структура (%) водорастворимых пенто-занов у различных зерновых культур (по средним данным за 2003-2005 гг).

возможности

Экспериментальную проверку прогнозирования вязкости экстракта по структуре водорастворимых пентозанов мы провели посредством сравнения трех групп инбредных линий ржи с

контрастным проявлением вязкости: высоким (5,7 сПа-с), средним (3,5 сПа-с) и низким (1,9 сПа-с). В состав каждой группы отобрали по 8 линий с соответствующим уровнем вязкости. Вызванные таким отбором коррелятивные изменения в структуре пентозанов представлены на рис.2.

50 40 30 20 10

глюкоза  ксилоза  арабиноза

8 инбредных 8 инбредных 8 инбредных линий с низкой линий со линий с

вязкостью (1,9 средней высокой

сПс) А/К=1,32 вязкостью (3,5 вязкостью (5,7 сПс) А/К=0,80 сПс) А/К=0,62

Рисунок 2 - Структура (%) водорастворимых пентозанов у инбредных линий ржи с различной вязкостью экстракта (2004).

Как видно, вклад изучаемых моносахаридов в потенциал вязкости не был однозначным. Глюкоза и ксилоза в целом положительно влияли на величину вязкости: по мере увеличения вязкости экстракта их доля в структуре пентозанов закономерно возрастала, причем глюкоза неизменно преобладала над ксилозой. Однако в отношении арабинозы этого сказать нельзя. У изучаемых групп линий содержание этого моносахарида не повышалось, а снижалось. На этом фоне отношение арабиноза:ксилоза хорошо отражало произошедшие изменения по вязкости экстракта: наименьшим оно было у линий с высокой вязкостью

0

0

(0,62), а наибольшим - у линий с низкой вязкостью (1,32). Общее заключение из вышесказанного сводится к тому, что при селекции на низкую вязкость в первую очередь необходимо выделять генотипы с низким содержанием глюкозы и ксилозы, но с высоким содержанием арабинозы.

Графическое изображение корреляционной зависимости между вязкостью водного экстракта и количественным содержанием моносахаридов показывает (рис.3), что в сумме они почти целиком определяют экспрессию этого признака (г=0,95). Тем не менее, влияние глюкозы и ксилозы на величину вязкости является более весомым (г=0,93...0,95), чем арабинозы (г=0,61). Мы полагаем, что в отношении арабино-зы существует, по-видимому, какой-то оптимум в содержании этого моносахарида, выше которого вязкость экстракта не повышается, а снижается.

1,5 п 1-Q5 0 -05 -1-

093

Q96

095

0,61

Глюоза Кинза Аабинсеа

TD

Сумма

ак

АГ

КГ

-0,32

-064 -063

Рисунок 3 - Зависимость

Сходное влияние глюкозы и ксилозы на вязкость можно объяснить тесной сопряженностью их между собой (r=0,98), т.е. любые изменения в содержании одного из них вызывают аналогичные изменения в содержании другого. Количество ара-бинозы находится в менее тесной зависимости от содержания глюкозы (r=0,46) и ксилозы (r=0,59). Вероятно, по этой причине отношение А:Г и А:К достоверно отрицательно коррелирует с вязкостью водного экстракта (r=-0,63...-0,64). Из этого можно сделать вывод, что у низковязких генотипов ржи на фоне низкого содержания суммы водоэкстрагируе-мых пентозанов арабиноза должна преобладать над глюкозой и ксилозой, а у высоковязких - наоборот, при высоком их суммарном содержании она должна иметь меньший удельный вес.

Литература

1. Бушук В., Кэмпбелл У.П., Древс Э. Рожь: производство, химия и технология.//М.: Колос, 1980.-247 с.

2. Гончаренко A.A., Исмагилов Р.Р., Беркутова Н.С., Ванюшина Т.Н., Аюпов Д.С. Оценка хлебопекарных качеств зерна озимой ржи по вязкости водного экстракта. //Доклады РАСХН.-2005.-№1.-с.6-9.

3. Зимин С. Рожь в комбикормовой продукции// Комбикормовая промышленность. -1993, 5-6 : 30-31.

4. Тимощенко А.С., Гончаренко А. А. Определение динамической вязкости водного экстракта зернового шрота озимой ржи с помощью капиллярно-проточного вискозиметра (Методические рекомендации). М.: 2005.-45 с.

5. Boros D., Marquardt R.R., Slominsky B.A., Guen-ter W. Extract viscosity as an indirect assay for water-soluble pentosan content in rye// Cereal Chem.-1993, v.7. - № 5.- p. 575-580.

6. Boros D., Madej L., Jagodzinski J. Perspectives of selection for better nutritive quality of rye. II. Plant Breed.Seed. Sci. 1997, 41, 81-89.

7. Boros D. Tolerance of broiler chicks to dietary soluble rye arabinoxylans.//Anim. Feed. Sci/. 1998, 7, 323331.

8. Cyran M., Cygankiewicz A. Content and composition of non-starch polysaccharides of rye flour in relation to its baking guality // Proceeding of the EUCARPIA Rye Meeting , Juli 4-7, 2001, Radzikow, Poland, p.291-297.

9. Drews E., Seibel W. Bread baking and other uses around the World.// In: Bushuk W. Rye: Production, Chemistry and Technology.- 1976.- p.127-174.

10. Flamme W., Dill P., Jansen G., Roux S. Developing rye germplasm for alternative uses: Quality assessment methods and progress from selection. //Vortr. Pflanzen-zuchtung, -1996.-35.- р.129-138.

11. Henry R.J. Pentosan and (1^3), (1^4)-beta-glucan concentrations in endosperm and wholegrain of weat, barley, oats and rye.// J.Cereal Sci.-1987, 6.- p. 253-258.

12. Kolasinska I., Boros D., Madej L., Cygankiewicz A. Quantitative characteristics of rye inbred lines. // Proceeding of the EUCARPIA Rye Meeting , Juli 4-7, 2001, Radzikow, Poland, p.315-318.

13. Madej L., Raczynska-Bojanowska K., Rybka K. Variability of the content of soluble non-digestible po-lysaccharides in rye inbred lines//Plant Breeding, 1990.104. 334-339.

14. McLeod J.G., Gan Y., Scoles G.J., Campbell G.L. Extract viscosity and feeding quality of rye// Vortr. Pflanzenzucht.- 1996, 35 : 97-108.

15. Nilsson M., Aman P., Harkonen H., Hallmans G., Bach Knudsen K.E., Mazur W., Adlercreutz H. Nutrient and lignan content, dough properties and baking performance of rye samples used in Scandinavia.//Acta Agric.Scand., select.B, Soil and Plant Sci. 1997, 47, 2634.

16. Rakowska M. The nutritive quality of rye. //Vortr. Pflanzenzuchtung. -1996, 35.- p.85-95.

17. Rakowska M., Raczynska-Bojanowska K., Kupiec R. Studies on the antinutritive compounds in rye grain. V. Effect polysaccharides complex on protein digestibility and feed utilization. Pol.J.Food Nutr. 1997,1/42, 95-102.

18. Weipert D. Pentosans as selection traits in rye breeding.//Vortr. Pflanzenzucht. -1996.-35.- р.109-119.