Исследование методом ИК-спектроскопии процесса солодоращения ячменя, обогащенного селенитом натрия

Victoria K. Frantenko

IR SPECTROSCOPY STUDYING THE MALTING PROCESS OF BARLEY ENRICHEDWITH SODIUM SELENITE

The purpose of research is to study the biochemical changes that occur in barley during its germination after soaking in aqueous solutions of sodium selenite by the method of IR spectroscopy. The barley grain was soaked using the air-water method. During the last water pause, aqueous solutions of sodium selenite (1 mg/dm³; 2.5; 5.0; 7.5 mg/dm³) were added to the steeping water and the grain was kept for 6 hours at a water temperature of 15-17 °C. After that, the grain was washed and germinated. The maximum activity of amylases reached 239.40 units/g on the third day of germinating barley using a sodium selenite solution with a concentration of 2.5 mg/dm³. It was found by IR spectroscopy that high molecular weight carbohydrates are converted into compounds with a lower molecular weight, wave numbers 2280-2390 cm^- correspond to CO 2 the largest peak area at a concentration of 2.5 and 5 mg/dm³ indicates the effect of sodium selenite on the accumulation of sugars. The absorption bands at 860 and 1021 cm^-1 differed in intensity. Fermentation of malt is reflected in the 1021 cm^-1 band with a decrease in the intensity of absorption bands, which is associated with the hydrolysis of high molecular weight compounds. The absorption bands of deformation vibrations of NH - proteins (enriched samples of 1536 cm-¹) differ from the control - by a shift of 5 cm^-1, which indicates the effect of sodium selenite on saccharification of malt. A change in the range of sulfur content during germination with different concentrations of selenium revealed a decrease in the use of sulfur in grain when enriched with selenium; shift of the absorption band at 860 cm^-1 by its possible substitution with selenium in the range from 3.4 to 10.8 % in bioorganic reactions. The use of IR spectroscopy in the analysis of malting barley showed an intensification of hydrolytic processes during the enrichment of grain with selenium.

Введение. Рацион современного человека состоит в основном из технологически обработанного сырья (рафинирование, консервирование и др.), которое не содержит достаточного количества питательных веществ. Разработка технологии производства солода, обогащенного селеном, и возможность получения из него новых продуктов с биологическим селеном в пределах, удовлетворяющих суточную потребность в этом микроэлементе, позволит снизить дефицит селена в питании населения [1]. В пищевой промышленности состав зерна оказывает большое влияние на качество изготавливаемых из него продуктов с заданными характеристиками. Из существующих методов контроля биологических структур методы колебательной спектроскопии ИК-Фурье и КР-спектроскопии считаются наиболее быстрыми и информативными. Они позволяют получить спектры исследуемых образцов без их разрушения. Использование методов спектроскопии для установления характери- стик растительного сырья широко применяется для нахождения данных по строению белка пшеницы, ржи, тритикале, это позволяет выявлять сходства и различие белков разных культур. Существуют исследования элементной структуры белка [1–4] и ее изменения [5]. Изучена структура полисахаридов в клеточных стенках эндосперма пшеницы [6]. Исследования по обогащению селеном растений во время выращивания и влиянию селена на повышение урожая показаны в работах многих ученых [7–10]. На сегодняшний день существуют исследования по качественному составу зерна при солодоращении, но литературных данных по изменению химического состава зерна при обогащении селеном в процессе солодоращения недостаточно [11, 12].

Цель исследования. Изучение влияния водных растворов селенита натрия на зерно ячменя при солодоращении методом ИК-спектроскопии.

Задачи: изучить влияние селенита натрия на накопление сахаров при гидролизе высокомоле- кулярных углеводов в процессе солодораще-ния; исследовать изменение элементного состава зерна ячменя при солодоращении с применением раствора селенита натрия при замачивании; определить изменения в молекулах белков, происходящие под влиянием селенита натрия во время осахаривания солода методом ИК-спектроскопии.

Методы и результаты исследования. Приготовление солода (контроль) и солода, обогащенного селеном, осуществлялось согласно технологической схеме. Исследования проводили в лабораторных условиях, в трехпятикратной повторности. Рассмотрено влияние селенита натрия на биохимические показатели солода ячменя, спектры измерялись относи- тельно контрольных образцов, не подвергавшихся обогащению. Примененный метод Фурье ИК-спектроскопии позволяет судить об изменениях и характере внутримолекулярных взаимодействий в зерне ячменя при его обогащении селенитом натрия в процессе солодоращения (рис. 1). Формирование пространственной структуры молекулы белка ячменя происходит за счет соединения аминокислот с помощью пептидных, водородных и дисульфидных связей [13]. На рисунке 1 спектр 1656 смˉ¹, отвечающий за содержание воды в солоде (колебания -NH2, -СH2 , -CH), при обогащении селенитом натрия смещен на 3 смˉ¹, что свидетельствует о ее снижении.

Рис. 1. ИК-спектр ячменя сорта Ача при обогащении селенитом натрия: I – солод – контроль; II – 1,0 мг/дм³; III – 2,5 мг/дм³;

IV – 5,0 мг/дм³; V – 7,5 мг/дм³

Большая часть белка зерна в эндосперме прочно связана с клеточными стенками крахмальных зерен, что очень важно для технологического процесса. Белки состоят из аминокислот и содержат аминогруппу (-ΝН2 ) и карбоксильную группу (-СООН). На рисунке 1 представлен ИК-спектр характеристических полос Амид I и Амид II, основных элементов структуры целлюлозы и крахмала во время солодоращения. После замочной фазы при обогащении зерна ячменя селенитом натрия разных концентраций комплексные соединения селена с органиче- скими группами образуются в растениях благодаря биоорганическим реакциям, происходящим при насыщении функциональных групп в растительной клетке высокими концентрациями микроэлемента: полосы 859–860 смˉ¹ (- SeH, - SH, -ΝН2, -СН2) [14]. В работе рассмотрены также комплексные органоминеральные соединения (рис. 2), представленные: силикатами ~20 % (в переводе на ЅіО2); фосфатами ~35 % (в переводе на Р2О5), которые во время солодора-щения преобразуются в биоэлементные соединения.

Рис. 2. Изменение фосфоро- и кремнийсодержащих соединений при солодоращении ярового ячменя сорта Ача при обогащении селенитом натрия: I – солод – контроль; II – 1,0 мг/дм³; III – 2,5 мг/дм³;

IV – 5,0 мг/дм³; V – 7,5 мг/дм³

Ортокремниевые кислоты, большей частью находясь в оболочке ячменя, связаны с амилозой, и во время соложения это приводит к большему количеству растворимого белка и мелких пептидов. Толерантное отношение Se и Si при малых концентрациях селенита натрия и выраженное антогонистическое отношение при повышенных дозах селена отражены на ИК-спектрах рисунка 2. Потери кремния при концентрации 2,5 мг/дм³ отразились в полосе Si-H вал. – 2158 смˉ¹, в полосе Si-H деф. и Si-O вал. происходит смещение графиков на 1–2 смˉ¹ [15].

Выводы. Изменение элементного состава зерна ячменя, солода и обогащенного селеном солода, зафиксированного в процессе солодо-ращения, прослеживалось в снижении пиков полосы P-H валентных колебаний – 2348 смˉ¹, в полосах P=N вал., P=O вал., P-H деф. наблюдалось смещение графиков на 1–2 смˉ¹. Полосы поглощения кремнийорганических и хлорорга-нических соединений остались почти одинаковыми во всех образцах, отличаясь интенсивностью. Смещение полосы поглощения 860 смˉ¹ выражено изменением диапазона содержания серы в пределах от 3,4 до 10,8 % путем возможного ее замещения на селен. Анализ ячменя при соложении показал, что высокомолекулярные углеводы превращаются в соединения с меньшей молекулярной массой, волновые числа 2280–2390 смˉ¹ (- СО2), наибольшая площадь пиков при концентрациях 2,5 и 5 мг/дм³ показывают накопление сахаров при гидролизе (изменение полосы поглощения сахарозы – 2348 смˉ¹) [16], смещение в спектрах полос валентных колебаний OH-групп – 3399 смˉ¹ контроля и (с обогащением) – 3390 смˉ¹, уменьшение интенсивности полос 1021 смˉ¹ (колебание связей C-O и C-C) поглощения, что, вероятно, связано с превращением высокомолекулярных соединений в декстрины [17]. Полосы поглощения деформационных колебаний NH-белков (обогащенных образцов – 1536 смˉ¹) отличались от контрольного смещением на 5 смˉ¹, что свидетельствует о влиянии селенита натрия на изменение характеристических полос белка ячменя Амид I и Амид II.