Биомеханика фракционирования зерна пшеницы с акцентом на роль крахмальных гранул в процессах прорастания

Введение. Зерно пшеницы – природный композиционный материал мирового значения. Большую часть зерна составляет крахмалистый эндосперм. Для получения высокого урожая пшеницы с высокой натурой 780-840 г/л проводится предпосевная обработка семян. В рамках развития органического земледелия обработка зерна включает использование биопрепаратов, увеличивающих энергию прорастания и повышающих устойчивость к болезням и неблагоприятным факторам окружающей среды.

Чтобы понять поведение пшеницы при обработке препаратами, необходимо знать морфологию и гистологию отдельного зерна пшеницы (также называемого ядром). Зерно пшеницы состоит из трех основных тканей: крахмалистого эндосперма и зародыша, которые окружены внешними слоями (рис. 1).

Зародыш составляет всего 2-3 % веса ядра. Основными компонентами эндосперма пшеницы являются гранулы крахмала и белковая матрица. Структурный уровень крахмала, который в основном имеет отношение к механике эндосперма, является самым высоким уровнем организации крахмала – гранула крахмала.

Аналогично, для белков это сеть полипептидов. Механические свойства в этом микро-и нанометровом масштабе могут быть решены с помощью специальных подходов атомно-силовой микроскопии.

Рисунок 1 – Гистология зерна пшеницы (https://www.researchgate.net/publication/321151175_From_Grain_to_Granule_The_Biomec hanics_of_Wheat_Grain_Fractionation_with_a_Focus_on_the_Role_of_Starch_Granules )

Ткань зародыша структурно отделена от остальной части ядра и поэтому может легко отделяться. Алейроновый слой представляет собой единый слой живых клеток, который отделяет крахмалистый эндосперм и зародыш от внешних слоев [1]. Он богат питательными веществами, такими как белок, а также минералами, витаминами группы B и др. Фракция отрубей составляет от 14 до 16 % массы ядра [2]. Важным структурным свойством зерна пшеницы является наличие складок, которые сгибают слои отрубей по направлению к внутреннему зерну [1]. Большую часть зерна (от 81 до 84 %) составляет крахмалистый эндосперм. Энергия запасается в виде белков и крахмала в клетках эндосперма, что приводит к характерной, очень плотной структуре. Наряду с крахмалом и белком эндосперм содержит липиды.

На рисунке 2 изображена матрица крахмал-белок [3]. На ней видны пустоты, от объемного количества которых и зависят биомеханические свойства зерна, например, твердость. Пористость матрицы определяет стекловидность зерна и прочность поверхности раздела частиц. От степени адгезии крахмал-белок зависит скорость проникновения воды внутрь. В результате меняется энергия прорастания. Крахмалистый эндосперм можно рассматривать как цементированный зернистый материал, в котором более твердые гранулы крахмала встроены в более мягкую белковую матрицу.

Рисунок 2 – Матрица крахмал-белок [4]

При замачивании зерна каркас крахмальные зерна-пептиды разрушается (рис. 3), начинаются процессы мобилизации запасных веществ, происходит гидролитическое расщепление сложных веществ на простые: полисахариды на моносахариды, жиры на жирные кислоты и глицерин, белки на аминокислоты и аммиак.

Рисунок 3 – Механический разрыв гранул крахмала и белковых глобул [5]

При прорастании под микроскопом можно наблюдать распад крахмальных зерен (рис. 4).

Рисунок 4 – Последовательное расщепление крахмального зерна эндосперма злаков ферментом амилазой: 1 – крахмальное зерно в начале прорастания семени;

2, 3 – крахмальное зерно в период образования колеоптиля; 4 – крахмальное зерно при полном прорастании семени (https://agromage.com/stat_id.php?id=1311) .

Материалы и методы. В нашем исследовании использовались биопрепараты на основе биофлавоноидов гречихи БП1 и БП2. Обработка семян проводилась при замачивании и с применением ультразвука. Биомеханические свойства крахмальных зерен изучались в фиксированных окрашенных препаратах при микрокопировании.

Результаты и обсуждение. Для хорошего роста и развития растений определяющим является энергия прорастания. Особенно это актуально при не стабильных климатических условиях. Ранее проведенными исследованиями Павловской Н.Е., Гагариной И.Н., Горьковым А.А. и др. [6, 7, 8] было установлено, что обработка биопрепаратами на основе биофлавоноидов гречихи повышает энергию прорастания на 15%. Рассмотрим, что происходит при этом в структуре зерна при обычном замачивании и с применением ультразвука.

На рисунке 5 представлен срез крахмалистого эндосперма пшеницы, показывающий плотную упаковку гранулы крахмала. Данная характерная плотная структура способна длительное время снабжать прорастающее растение энергией.

Рисунок 5 – Срез эндосперма пшеницы

Гранулы крахмала покрыты белковым слоем разной толщины, придающие монолитность слою.

На рисунке 6 представлены фото эндосперма зерна пшеницы спустя 0,5 часа замачивания с использованием ультразвука и без него.

Рисунок 6 – Микроскопирование эндосперма пшеницы через 0,5 часа замачивания в воде: 1) контроль; 2) контроль, ультразвук

Спустя 0,5 часа замачивания происходит отделение гранул крахмала от белкового слоя, наблюдается ослабление адгезии, что приводит к повышению поверхности соприкосновения с водой и запуском гидролитических реакций распада крахмала. Отмечено, что при обычном замачивании крахмальные зерна остаются целыми, при обработке УЗ в течение 30 с. они практически разрушены, различимы отдельные фазы крахмала, белка и пустоты.

Анализ микроструктуры эндосперма при обработке биопрепаратами БП 1 и БП 2 не выявил явных различий на начальных этапах проникновения растворов внутрь (рис. 7).

БП 1

Рисунок 7– Микроскопирование эндосперма пшеницы через 0,5 часа замачивания в биопрепаратах

БП 2

Гранулы необработанного ультразвуком крахмала покрыты белковым слоем и также упакованы друг с другом, как при замачивании в воде, однако, при более детальном увеличении (на рисунке 7 указан стрелкой фрагмент увеличения) заметно, что в зерне крахмала начинаются гидролитические изменения (рис. 8, а), что не выражено при замачивании в воде (рис. 8, б).

а)

Рисунок 8 – Увеличенный фрагмент: а) рис. 7; б) рис. 6 (обозначено стрелками).

б)

При прорастании зерна в течение 2 суток структура эндосперма претерпела изменения (рис. 9).

Рисунок 9 – Микросрез эндосперма зерна пшеницы на 3-е сутки прорастания:

1) контроль (вода); 2) биопрепарат

Выводы. Использование биопрепаратов на основе флавоноидов гречихи увеличивает скорость поступления воды внутрь зерна, раньше запускаются гидролитические реакции, тем самым обеспечивается высокая энергия прорастания. Применение ультразвука в процессах проращивания зерна изменяет биомеханические свойства зерна, обеспечивая биодоступность полисахаридов и белков, необходимых в процессах прорастания.