Химический состав сельскохозяйственных культур и формирование качества урожая

ХИМИЧЕСКИЙ И БИОХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

Для решения практических задач, связанных с получением возможно большего количества нужных организму человека и животных химических соединений, необходимо знание химического состава растений и умение им управлять. Агрохимик рассматривает химический состав растений не только как объект познания (чем занимаются биохимики и физиологи растений), но и как предмет воздействия на него.

Н. М. Городний, 1990

В состав растений входят органические и минеральные вещества. Органические соединения представлены в основном белками, жирами, крахмалом, сахарами, клетчаткой и пектиновыми веществами. Их содержание в растениях, прежде всего, зависит от биологических свойств культуры и сорта, возраста, условий питания, водообеспеченности, температуры и освещения. По количеству органических веществ в растении оценивается качество урожая. Качество урожая зерновых культур определяют, прежде всего, по содержанию белков и крахмала, хлебопекарные свойства – по количеству клейковины в зерне. Бобовые культуры оценивают по величине накопления белка, а масличные – по содержанию жиров в семенах. Качество клубней картофеля устанавливают по содержанию крахмала, а корнеплодов сахарной свеклы – сахарозы. Качество урожая прядильных культур зависит от количества целлюлозы: чем больше ее содержится в растениях, тем больше волокна. В то же время высокое содержание клетчатки в сене ухудшает его кормовые свойства. В питании человека и животных огромную роль играют и такие органические вещества, как витамины, пектиновые соединения, которыми богаты овощи, фрукты и ягоды. Так, например, каротина больше содержит морковь и перец сладкий, витамина С (аскорбиновой кислоты) – перец сладкий, петрушка листовая и смородина черная. Витамином В9 (фолиевой кислотой) богаты шпинат, петрушка листовая, соя.

Углеводы, жиры и другие безазотистые органические вещества построены из трех элементов – кислорода, углерода и водорода, а в состав белков и других азотистых соединений входит еще и азот. На долю углерода, кислорода, водорода и азота приходится 95 % сухой массы растений. Эти четыре элемента называются органогенными. При сжигании растений органогенные элементы улетучиваются в виде газообразных соединений и паров воды, в золе остаются зольные элементы преимущественно в виде оксидов, на долю которых приходится около 5 % массы сухого вещества.

К неорганическим веществам, входящим в состав растения, относятся вода, соли, кислоты и щелочи.

Вода составляет около 75 % биомассы Земли, однако ее содержание в разных видах живых организмов, различных их тканях и органах колеблется в широких пределах. Так, пасока деревьев содержат 88–99 % воды, в то время как в древесине растений ее значительно меньше – 20–45 %, а в зерне злаковых –12–14 %. Чем моложе организм или орган, тем выше в нем содержание воды. В молодых листьях растений оно колеблется в пределах 85–90 %, а в старых – 70–80 %. Большую часть воды в растениях составляет внутриклеточная вода; меньшую – внеклеточная вода.

В клетке вода представляет собой сложную гетерогенную систему, состоящую из: 1) жидкой фазы; 2) гидратно-связанной; 3) гидрофобно-стабилизированной (в мембранах); 4) пространственно-стабилизированной (в капиллярных промежутках).

Вода в растении существует в форме конституционной, т. е. химически связанной, гидратационной, резервной, заполняющей водосборные полости в вакуолях и других клеточных компартментах, и в форме интерстициальной, т.е. межклеточной. В растениях она находится как в свободном, так и связанном состоянии (рис. 4; Бронштейн Л.М., 1986). Свободной называют воду, сохранившую все или почти все свои свойства чистой воды. Свободная вода легко передвигается, вступает в различные биохимические реакции, испаряется в процессе транспирации и замерзает при температурах ниже 0оС. Связанная вода имеет измененные физические свойства, главным образом вследствие взаимодействия с неводными компонентами.

Рис. 4. Формы воды в растениях

Воду, гидратирующую белки и другие коллоидные частицы, называют коллоидно-связанной, а минеральные соли, сахара, органические кислоты, – осмотически-связанной.

Коллоидно- и осмотически-связанная вода, образующая оболочки вокруг коллоидов или ионов, получила название гидратационной. Количество гидратационной воды зависит от объекта и его физиологического состояния и составляет 20–50 % от сухой массы.

Если в водном растворе содержатся ионы какого-либо электролита, то вокруг них ориентируются диполи воды. К катионам диполи воды притягиваются своими отрицательно заряженными концами, к анионам – положительно заряженными. Такое связывание воды называется электростатической гидратацией. Аналогичным образом гидратируются высокомолекулярные соединения, если они содержат полярные аминогруппы, карбоксильные, альдегидные или спиртовые ионогенные группировки. При этом гидратная оболочка может быть сплошной или исключительно лишь вокруг полярных групп. Степень гидратации различных ионов и молекул зависит от размеров частиц и величины их заряда. Чем выше удельная плотность заряда, т. е. чем больше заряд и меньше размеры, тем сильнее степень гидратации. Молекулы воды располагаются при гидратации тремя слоями: 1) непосредственно около иона, строго упорядочены и ориентированы сильным электрополем; 2) на некотором отдалении от иона, ориентированность молекул воды меньшая; 3) далеко от иона, молекулы воды с обычной структурой.

Вода в растении находится в разных состояниях — от прочно связанного на молекулярном уровне до свободного. То, в какой форме присутствует влага, напрямую влияет на интенсивность дыхания клеток и определяет условия для сушки растительного сырья. На уровне субклеточных структур вода входит в состав рибосом, лизосом, мембран митохондрий, эндоплазматического ретикулума и ядерной оболочки.

Физико-химические свойства воды меняются в зависимости от близости к белковым молекулам клеток. Сильнее всего структурирован ближайший к белку слой воды, но некоторое влияние структуры сохраняется и на большем расстоянии. Вода также входит в третичную структуру макромолекул.

• Толщина структурированного слоя воды у белка — 1–2 нм
• Доля структурированной воды от массы белка — до 30 %
• Толщина внешнего слоя гидратации — до 10 нм
• Температура интенсивного высушивания растений — 105–130 °C

По энергетическому принципу связи выделяют три формы воды в растительном организме:

• Химически связанная вода входит в состав молекул в строго определенном соотношении. Удалить её можно только прокаливанием или химическим воздействием, что полностью разрушает структуру содержащих её веществ.
• Физико-химически связанная вода (адсорбционная, осмотическая и структурная) удерживается гидрофильными коллоидами, в первую очередь белками. Она теряет свойства растворителя, не участвует в химических реакциях и не замерзает при охлаждении. Если биомасса содержит только такую воду, все физиологические процессы в ней максимально заторможены.
• Механически связанная вода сосредоточена в микро- и макрокапиллярах клеточных стенок. Её легко удалить высушиванием или вымораживанием.

Критическая влажность и свободная вода при сушке урожая

Для практической работы с урожаем важно различать гигроскопическую и свободную воду. Гигроскопическую влагу удаляют из растений интенсивным высушиванием до постоянной массы. Этот объем включает в себя всю свободную и почти всю физически связанную воду, которая способна переходить во внеклеточное пространство. Свободная вода составляет основную массу влаги в растении.

Соотношение форм влаги меняется в зависимости от части растения и клетки. В протоплазме преобладает свободная фракция, обеспечивающая активный обмен веществ. В других цитоплазматических структурах эти пропорции могут отличаться.