Хімічний склад сільськогосподарських культур та формування якості врожаю

ХІМІЧНИЙ ТА БІОХІМІЧНИЙ СКЛАД

Для вирішення практичних завдань, пов'язаних із отриманням якомога більшої кількості потрібних організму людини і тварин хімічних сполук, необхідне знання хімічного складу рослин та вміння ним керувати. Агрохімік розглядає хімічний склад рослин не тільки як об'єкт пізнання (чим займаються біохіміки та фізіологи рослин), а й як предмет впливу на нього.

Н. М. Городній, 1990

До складу рослин входять органічні та мінеральні речовини. Органічні сполуки представлені в основному білками, жирами, крохмалем, цукрами, клітковиною та пектиновими речовинами. Їх вміст у рослинах насамперед залежить від біологічних властивостей культури та сорту, віку, умов живлення, водозабезпечення, температури та освітлення. За кількістю органічних речовин у рослині оцінюється якість урожаю. Якість урожаю зернових культур визначають насамперед за вмістом білків та крохмалю, хлібопекарські властивості – за кількістю клейковини в зерні. Бобові культури оцінюють за величиною накопичення білка, а олійні – за вмістом жирів у насінні. Якість бульб картоплі встановлюють за вмістом крохмалю, а коренеплодів цукрового буряка – сахарози. Якість урожаю прядивних культур залежить від кількості целюлози: що більше її міститься в рослинах, то більше волокна. Водночас високий вміст клітковини в сіні погіршує його кормові властивості. У харчуванні людини і тварин величезну роль відіграють і такі органічні речовини, як вітаміни, пектинові сполуки, якими багаті овочі, фрукти та ягоди. Так, наприклад, каротину більше містить морква та перець солодкий, вітаміну С (аскорбінової кислоти) – перець солодкий, петрушка листкова та смородина чорна. Вітаміном В9 (фолієвою кислотою) багаті шпинат, петрушка листкова, соя.

Вуглеводи, жири та інші безазотисті органічні речовини побудовані з трьох елементів – кисню, вуглецю та водню, а до складу білків та інших азотистих сполук входить ще й азот. На частку вуглецю, кисню, водню та азоту припадає 95 % сухої маси рослин. Ці чотири елементи називаються органогенними. При спалюванні рослин органогенні елементи випаровуються у вигляді газоподібних сполук та водяної пари, у золі залишаються зольні елементи переважно у вигляді оксидів, на частку яких припадає близько 5 % маси сухої речовини.

До неорганічних речовин, що входять до складу рослини, належать вода, солі, кислоти та луги.

Вода становить близько 75 % біомаси Землі, проте її вміст у різних видах живих організмів, різних їхніх тканинах та органах коливається в широких межах. Так, пасіка дерев містить 88–99 % води, тоді як у деревині рослин її значно менше – 20–45 %, а в зерні злакових – 12–14 %. Що молодший організм або орган, то вищий у ньому вміст води. У молодому листі рослин він коливається в межах 85–90 %, а в старому – 70–80 %. Велику частину води в рослинах становить внутрішньоклітинна вода; меншу – позаклітинна вода.

У клітині вода являє собою складну гетерогенну систему, що складається з: 1) рідкої фази; 2) гідратно-зв’язаної; 3) гідрофобно-стабілізованої (у мембранах); 4) просторово-стабілізованої (у капілярних проміжках).

Вода в рослині існує у формі конституційної, тобто хімічно зв’язаної, гідратаційної, резервної, що заповнює водозбірні порожнини у вакуолях та інших клітинних компартментах, і у формі інтерстиціальної, тобто міжклітинної. У рослинах вона знаходиться як у вільному, так і в зв’язаному стані (рис. 4; Бронштейн Л.М., 1986). Вільною називають воду, що зберегла всі або майже всі свої властивості чистої води. Вільна вода легко пересувається, вступає в різні біохімічні реакції, випаровується в процесі транспірації та замерзає при температурах нижче 0оС. Зв’язана вода має змінені фізичні властивості, головним чином внаслідок взаємодії з неводними компонентами.

Рис. 4. Форми води в рослинах

Воду, що гідратує білки та інші колоїдні частинки, називають колоїдно-зв’язаною, а мінеральні солі, цукри, органічні кислоти – осмотично-зв’язаною.

Колоїдно- та осмотично-зв’язана вода, що утворює оболонки навколо колоїдів або іонів, отримала назву гідратаційної. Кількість гідратаційної води залежить від об’єкта та його фізіологічного стану і становить 20–50 % від сухої маси.

Якщо у водному розчині містяться іони будь-якого електроліту, то навколо них орієнтуються диполі води. До катіонів диполі води притягуються своїми негативно зарядженими кінцями, до аніонів – позитивно зарядженими. Таке зв’язування води називається електростатичною гідратацією. Аналогічним чином гідратуються високомолекулярні сполуки, якщо вони містять полярні аміногрупи, карбоксильні, альдегідні або спиртові іоногенні угруповання. При цьому гідратна оболонка може бути суцільною або виключно лише навколо полярних груп. Ступінь гідратації різних іонів та молекул залежить від розмірів частинок і величини їхнього заряду. Що вища питома щільність заряду, тобто що більший заряд і менші розміри, то сильніший ступінь гідратації. Молекули води розташовуються при гідратації трьома шарами: 1) безпосередньо біля іона, суворо впорядковані та орієнтовані сильним електрополем; 2) на певній віддалі від іона, орієнтованість молекул води менша; 3) далеко від іона, молекули води зі звичайною структурою.

Вода в рослині перебуває в різних станах — від міцно зв'язаного на молекулярному рівні до вільного. Те, у якій формі присутня волога, безпосередньо впливає на інтенсивність дихання клітин і визначає умови для сушіння рослинної сировини. На рівні субклітинних структур вода входить до складу рибосом, лізосом, мембран мітохондрій, ендоплазматичного ретикулуму та ядерної оболонки.

Фізико-хімічні властивості води змінюються залежно від близькості до білкових молекул клітин. Найсильніше структурований найближчий до білка шар води, але певний вплив структури зберігається і на більшій відстані. Вода також входить до третинної структури макромолекул.

• Товщина структурованого шару води біля білка — 1–2 нм
• Частка структурованої води від маси білка — до 30 %
• Товщина зовнішнього шару гідратації — до 10 нм
• Температура інтенсивного висушування рослин — 105–130 °C

За енергетичним принципом зв'язку виділяють три форми води в рослинному організмі:

• Хімічно зв'язана вода входить до складу молекул у суворо визначеному співвідношенні. Видалити її можна тільки прожарюванням або хімічним впливом, що повністю руйнує структуру речовин, які її містять.
• Фізико-хімічно зв'язана вода (адсорбційна, осмотична та структурна) утримується гідрофільними колоїдами, насамперед білками. Вона втрачає властивості розчинника, не бере участі в хімічних реакціях і не замерзає при охолодженні. Якщо біомаса містить тільки таку воду, всі фізіологічні процеси в ній максимально загальмовані.
• Механічно зв'язана вода зосереджена в мікро- та макрокапілярах клітинних стінок. Її легко видалити висушуванням або виморожуванням.

Критична вологість і вільна вода при сушінні врожаю

Для практичної роботи з урожаєм важливо розрізняти гігроскопічну та вільну воду. Гігроскопічну вологу видаляють із рослин інтенсивним висушуванням до постійної маси. Цей обсяг охоплює всю вільну і майже всю фізично зв'язану воду, яка здатна переходити в позаклітинний простір. Вільна вода становить основну масу вологи в рослині.

Співвідношення форм вологи змінюється залежно від частини рослини та клітини. У протоплазмі переважає вільна фракція, що забезпечує активний обмін речовин. В інших цитоплазматичних структурах ці пропорції можуть відрізнятися.