CC BY
78
Стимуляция
биохимических процессов в прорастающем зерне
акустическими и электрофизическими методами воздействия
Т. Н. Данильчук, канд. хим. наук
Московский государственный университет прикладной биотехнологии Д. Н. Юрьев, канд. техн. наук; А. Ю. Ратников
Научно-исследовательский институт прикладной эврологии РАЕН, г. Москва
Физические факторы воздействия, такие, как, обработка звуком, током, магнитными и электромагнитными полями, способны существенно влиять на активность биологических объектов. Физические способы активации растений и семян в большинстве своем доступны, а их применение оправдано с экологической точки зрения.
Действие звука в широком диапазоне частот на семена многократно описано в литературе. Наиболее изучено воздействие ультразвука (УЗ), основные исследованные диапазоны которого составляют 20-66 кГц (УЗ низкой интенсивности) и 0,5-10 МГц (УЗ высокой интенсивности). Предпосевная обработка семян УЗ низкой интенсивности вызывает усиление воспроизводительных функций клеток, т.е. ускоренное развитие растения, сокращая сроки всхожести, увеличивая ее процент и скорость прорастания корней и побегов, уменьшая зависимость растений от погодных условий и их заболеваемость. Механизм воздействия УЗ на растения связывают главным образом с кавитационными эффектами, возникающими в жидкой среде, когда образуются микропотоки жидкости, вызывающие разрушение различных ассоциатов в клетках (ли-пид-липидных, липид-белковых и др.). УЗ низкой интенсивности не нарушает целостности объекта, например клетки, а влияет только на скорость физиологических процессов, в частности биохимических реакций, лежащих в их основе. В то же время интенсивный УЗ может приводить к изменению морфологии различных органов растений, изменению их электрофизических и других параметров. Под действием УЗ внутри клеток происходят самые разнообразные процессы, клеточное содержимое обычно перемешивается, органеллы меняют свое положение, разрушаются внутриклеточные мембраны, в результате УЗ-обработка клеток может вызвать как подавление, так и стимуляцию процессов их жизнедеятельности [1, 2].
Ультразвуковые волны применяют для интенсификации технологических процессов, эмульгирования и стерилизации. УЗ можно использовать в технологии пивоварения, например для предварительной обработки замочной воды воздействием кавитационных колебаний, для ускорения проникновения воды в процессе увлажнения солода воздействием УЗ на смесь солода с водой на начальной стадии затирания солода.
В последние годы в литературе все больше появляется сведений о влиянии звуковых волн слышимого диапазона на биологические объекты: поиск звуковых частот, управляющих процессами открытия и закрытия устьиц на поверхности листьев, способы формирования музыкальных последовательностей, соответствующих аминокислотным последовательностям белков и т.п. Однако влияние частот звукового диапазона на растения и семена изучено недостаточно и практически нет работ по использованию такого вида физического воздействия в пищевых технологиях. В связи с этим мы провели исследование влияния звука на семена в слышимом диапазоне частот от 50 Гц до ультразвука 20 кГц. Было показано, что в одних диапазонах частот наблюдается активация семян (ускорение их прорастания, увеличение скорости роста корней), а в других — ингибирование [3, 4]. Обнаружена корреляция степени набухания семян в воде с энергией их прорастания. Кроме того, в зависимости от частоты акустического воздействия изменяется скорость биохимических реакций в семени, вызывая увеличение или подавление ферментативной (протеолити-ческой, амилолитической, цитолитиче-ской) активности солода. Полученные экспериментальные результаты позволили разработать рекомендации по использованию акустической обработки в звуковом диапазоне частот в пищевых технологиях, в частности для процесса выращивания ячменя на солод.
В литературе хорошо описаны эффекты действия электромагнитных и магнитных полей (постоянных, переменных, комбинированных) на биологические системы растительного происхождения. Характер эффекта, его величина зависят от мощности и частоты приложенного поля. Электромагнитные и магнитные поля высокой (106-107 Гц) и очень высокой (107-108 Гц) частоты, а также ультравысокочастотные (108-109 Гц), сверхвысокочастотные (109-1010 Гц) и крайне высокочастотные (1010-1011 Гц), не являясь ионизирующим излучением и не вызывая необратимых химических изменений в живой системе, могут возбуждать когерентные колебательные и вращательные режимы и вызывать биологические эффекты, для реализации которых требуются энергии ниже уровня ионизационных потенциалов: нагревание ткани, диэлектрофорез, деполяризация ячеистых мембран, ускорение диффузионных процессов в клетке, процессы преобразования, передачи, кодирования и хранения информации о живых системах и др. Многие клетки и их мембраны могут напрямую использовать энергию внешних электромагнитных полей, превращая ее в энергию молекулярных и клеточных процессов. Здесь прослеживается прямая аналогия с действием света, о чем свидетельствует активация фотосинтетических процессов в клетке и растении в целом после пропускании электротока [5, 6].
Направление постоянного электромагнитного поля — один из основных параметров, влияющих на биохимические процессы в растениях. Например, если присоединить отрицательный электрод к основанию растения, а положительный — к верхушке стебля, можно наблюдать ускорение роста стебля благодаря усилению транспорта гиббереллинов, ауксина и других молекул. Если к кончику корня присоединить отрицательный электрод, то в зависимости от напряжения можно наблюдать как торможение его роста, так и активацию (до 20 % при напряжении 50-2000 мВ). Если же к его кончику присоединить положительный электрод, то происходит торможение роста корня вплоть до полного прекращения [7]. Этот эффект может быть связан с увеличением концентрации отрицательно заряженных ионов (ауксина, индолилуксусной кислоты и др.) в месте присоединения электрода.
Значительно меньше внимания в научной литературе уделяется микро- и субмикротокам и энергиям. Это связано с тем, что биологические объекты — это очень сложные системы, содержащие большое количество обратных связей, которые стремятся свести к нулю влияние внешних воздействий. Однако это
не означает, что такие воздействия не раздражают систему, именно они в соответствии с последними данными, наиболее перспективны как в плане вызываемых биологических эффектов, так и в смысле безопасности применения. Кроме того, они вполне технологичны по доступности и простоте оборудования. Электромагнитные и магнитные поля низкой (30-300 Гц) и крайне низкой (3-30 Гц) частоты могут быть эффективно использованы для обработки семян в целях повышения всхожести и скорости прорастания [8].
Воздействие электромагнитных полей вызывает появление токов внутри различных организмов, которые не имеют прямых контактов с внешними источниками напряжения. Как правило, поля внутри организмов намного меньше, чем внешние поля. При наличии прямого контакта с проводником ситуация в корне меняется. В этом случае ток не ограничивается большим последовательным сопротивлением воздушного зазора между организмом и источником электромагнитного излучения. Многочисленными опытами установлено, что пропускание постоянного либо выпрямленного переменного тока через зерновку может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на зерно, в частности увеличивая или снижая энергию прорастания [9]. Переменный ток, как правило, приводит к целому ряду положительных эффектов, ускоряя прорастание семян (например, ячменя до 2 дней), увеличивая их способность к прорастанию до 20 %, рост корней (до 20 %) и побегов, массу и урожайность, а также сопротивляемость к заболеваниям [10-12], а его биологический эффект существенно зависит от амплитуды и частоты тока. Кроме того, указанные эффекты зависят от вида растений, времени года и времени суток, погодных условий, характера почвы и массы других факторов.
Литературные данные по изменению свойств семян и растений после пропускания электрического тока через биологический объект носят разрозненный характер, а эффект воздействия в значительной степени зависит от силы тока или напряженности поля, поэтому возникает необходимость проведения систематизированных исследований хотя бы на одном биологическом объекте. В связи с этим мы провели исследования по влиянию электроконтактного способа обработки семян ячменя микроэлектротоком и сравнение в идентичных условиях воздействия на зерно способов и продолжительности обработки током, влияния силы тока, а также частоты тока на зерно в целях разработки рекомендаций для применения указанного способа в пищевых тех-
нологиях и в сельском хозяйстве. Была предусмотрена возможность обработки током при положительной и отрицательной поляризации зародыша зерновки (для постоянного и пульсирующего тока) и в широком диапазоне частот (от 10 до 10 000 Гц для переменного тока). Было показано, что процесс солодораще-ния ячменя можно интенсифицировать кратковременным (5-15 мин) пропусканием микроэлектротока через зерновую массу. Эффект сохраняется независимо от сорта используемого зерна и способа обработки микроэлектротоком. Сравнение действия разных режимов электроконтактной обработки показало, что лучшие результаты по увеличению способности прорастания зерна и активности ферментов солода достигаются положительной поляризацией зародыша зерновки при пропускании постоянного микроэлектротока через зерновую массу. Эффект изменения поляризации зародыша снижается при наложении пульсаций тока. Переход к переменному току обеспечивает рост
всех показателей по сравнению с контролем практически при любой продолжительности воздействия. Установлен оптимальный режим обработки ячменя переменным микроэлектротоком, предложенный для внедрения данного способа в промышленность [13-15].
При проведении систематизации научных исследований по влиянию акустического воздействия в слышимом диапазоне частот и электроконтактной обработки зерновок ячменя переменным электротоком (5 мкА на зерновку) в диапазоне частот 50-10 кГц авторы обнаружили аналогии биологического эффекта низкоинтенсивного звукового и микротокового воздействия в указанном диапазоне частот. Установлены частоты, благоприятные для усиления скорости роста зерна и активации его гидролитических ферментов (окна взаимодействия), причем эти окна взаимодействия совпадают для акустической и электроконтактной обработки. Абсолютные значения энергии Е и способ-^ пр
ности Е прорастания зерна, активно-
250 200 150 100 50 0
100 500 2000
Частота, Гц □ Звук □ Ток
400 : 300 | 200 : 100 0
100
500 2000 Частота, Гц □ Звук □ Ток
Рис. 1. Изменение активности амилолитических ферментов ячменного солода в зависимости от частоты физического воздействия на ячмень после первого замачивания
0
0
2 250
о 200 &
| 150
о 100
5 50
а
0
100 500 2000
Частота, Гц □ Звук □ Ток
10000 Звук
, 400 < 2
I I300
I О 200
I # 100 0
100
500 2000 Частота, Гц □ Звук □ Ток
10000 Звук
Рис. 2. Изменение активности протеолитических ферментов ячменного солода в зависимости от частоты физического воздействия на ячмень после первого замачивания
0
0
250 200 150 100 ■ 50 0
11111111П
100
500 2000 Частота, Гц □ Звук □ Ток
10000 Звук
^300 ; 200 I 100 0
100 500 2000 Частота, Гц □ Звук □ Ток
10000 Звук
Рис. 4. Изменение активности амилолитических ферментов ячменного солода в зависимости от частоты физического воздействия на ячмень после второго замачивания
200 150100500
Есп.
АС □ Звук
ПА
□ Ток
СР
Рис. 7. Показатели солода, выращенного из некондиционного ячменя после обработки его физическими методами при частоте 50 Гц
_ 200 150 100 ПА, 50 0
100 500 2000 Частота, Гц □ Звук □ Ток
< 2
10000 Звук
400
й ° 300
^ 1 200
§ ^ 100 п=
0
0 100 500 2000
Частота, Гц □ Звук □ Ток
10000 Звук
Рис. 5. Изменение активности протеолитических ферментов ячменного солода в зависимости от частоты физического воздействия на ячмень после второго замачивания
250 200 150 100 50 С0
400
о." 2 Щ о 300
а)
100
500 2000 Частота, Гц □ Звук □ Ток
10000 Звук
ко200 £ 100 0
00 500 2000 Частота, Гц □ Звук □ Ток
10000 Звук
Рис. 6. Изменение степени растворения эндосперма зерна ячменного солода в зависимости от частоты физического воздействия на ячмень после второго замачивания
сти гидролитических ферментов солода и их показатели относительно контроля могут меняться довольно значительно с изменением условий воздействия, но характер этих изменений в зависимости от частоты воздействия одинаков для звука и тока.
Выращивание ячменя на солод проводили согласно принятой методике лабораторного способа солодоращения (первое замачивание — 4 ч в воде, воздушная пауза — 14-16 ч, второе замачивание — 4 ч в воде и далее проращивание, общая продолжительность проращивания — 5 сут). Для проведения экспериментов использовали ячмень первого класса, способность прорастания Есп которого составляла 95-99 %, и ячмень второго класса, способность прорастания которого составляла 90-92 %. Амилолитическую активность (АС) солода определяли по методу Винди-ша—Кольбаха, протеолитическую активность (ПА) — рефрактометрически по методу Петрова, степень растворения эндосперма зерна (СР) — по методу Проскурякова [17].
Обработку ячменя проводили на разных стадиях процесса: после первого замачивания, когда зерно прошло начальный период быстрого поглощения воды, лаг-фазу и остановилось на начальной стадии процесса растяжения клеток, достигнув влажности 38-40 %; после второго замачивания, когда влажность зерна составляет 44-48 %, появляется вода в свободном состоянии, что необходимо для функционирования комплекса ферментов и активации всех биохимических реакций.
Зависимости активностей основных групп гидролитических ферментов (ами-лолитических, протеолитических, степени растворения эндосперма зерна) от частоты кратковременного физического воздействия после первого замачивания приведены на рис. 1-3. Видно, что зависимости носят бимодальный характер с явно выраженными максимумами (100-500 Гц для АС, 100-200 Гц и 1000 Гц для ПА, 100-500 Гц и 2000 Гц для СР), и минимумами (2000-5000 Гц для АС, 500 Гц и 5000 Гц для ПА, 500-1000 Гц для СР). Экстремальные
значения показателей совпадают для акустической и электроконтактной обработки.
Зависимости активностей основных групп гидролитических ферментов (ами-лолитических, протеолитических, степени растворения эндосперма зерна) от частоты кратковременного физического воздействия после второго замачивания приведены на рис. 4-6. Эти зависимости также носят бимодальный характер с совпадающими для акустической и электроконтактной обработки экстремальными значениями величин. Максимумы значений наблюдаются для АС и для ПА при 100-200 и 2000 Гц, для СР при 200-500 и 2000 Гц; минимумы — при 500 и 5000 Гц для АС и ПА, при 1000 и 5000 Гц для СР.
При обработке частотами, близкими к УЗ-диапазону (10 тыс. Гц), активности гидролитических ферментов, как правило, возрастают.
Кратковременной акустической и электроконтактной обработке было подвергнуто также и некондиционное зерно, Есп которого составляла 56-72 %. Обработку проводили при частоте 50 Гц после первого замачивания в течение 5 мин. Из рис. 7 видно, что при одинаковых частоте и времени воздействия характер и степень изменения активности ферментов практически одинаковы для этих двух способов воздействия.
Аналогия в поведении ячменя в процессе его выращивания на солод при кратковременной акустической и электроконтактной обработке в диапазоне частот 50-10 000 Гц позволяет предположить механизм воздействия, который определяется не столько природой приложенного воздействия, сколько переменной составляющей этого воздействия, что может быть связано с изменением структуры, а следовательно, и проницаемости биомембран при воздействии частотного фактора и с физиологическими частотами самих семян. Это предположение подтверждается результатами работы [18], в которой авторы проводили периодическое облучение ячменя, предназначенного для проращивания на солод, монохроматическим импульсным светом в течение
6 • 2008
400
0
0
250
0
0
0
13
10 мин. Было показано, что ростовая активность семян мало зависит от длины волны света и что для прорастания важен низкочастотный спектр, связанный с физиологическими частотами самих семян. Авторы рекомендовали для фотоактивации ослабленного зерна частотно-модулированный зеленый свет с частотой импульсов 100-200 Гц, позволяющий существенно увеличить ферментативную активность образующегося солода.
Приведенные зависимости (рис. 1-6) показывают, что в области частот 100200 Гц наблюдается устойчивый рост всех показателей проросшего ячменя независимо от природы приложенного воздействия. Это позволило рекомендовать кратковременную обработку ячменя звуком частой 200 Гц на любой стадии солодоращения и кратковременную обработку ячменя микроэлектротоком после первого или после второго замачивания в качестве способов интенсификации процесса солодоращения и улучшения качества готового солода. Эти способы позволяют получить из нестандартного зерна солод, по своим показателям приближающийся к солоду второго класса согласно ГОСТ 29294-92, а из ячменя второго класса — к солоду первого класса. Экономический эффект
от внедрения таких способов составляет 350-3800 руб. на 1 т ячменя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Эльпинер И. Е. Биофизика ультразвука. — М.: Наука, 1973.
2. Акопян В. Б. Механизм биологического действия ультразвука. — М.: Колос, 1983.
3. Данько С. Ф., Данильчук Т. Н., Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Звуковая обработка ячменя на разных стадиях солодоращения//Пиво и напитки. 2000. № 5. С. 50-51.
4. Данько С. Ф., Данильчук Т. Н. Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Проращивание ячменя после воздействия звуком разной частоты//Пиво и напитки. 2000. № 3. С. 22-23.
5. Живописцев Е. Н. Электротехнология в сельскохозяйственном производстве. — М.: ВНИ-ИТЭИСХ, 1978.
6. Пилюгина В. В., Регуш А. В. Электромагнитная стимуляция в растениеводстве. — М.: ВНИИ-ТЭИСХ, 1978.
7. Неттевич Э. Д., Анинанова З. Ф., Романова Л. М. Выращивание пивоваренного ячменя. — М.: Колос, 1981.
8. Барышев М. Г. Влияние электромагнитного поля на биологические системы растительного происхождения. — Краснодар: Изд-во Куб ГУ, 2002, С. 48-55.
9. Беккинбант М. Б., Глаголева Е. Г. Электричество в живых организмах. — М.: Наука, 1988.
10. Гордеев А. М., Шершнев В. Б. Электричество в жизни растений. — М.: Наука, 1991.
11. Кондратьева С. М. Интенсификация процесса проращивания ячменя на солод методом электрической и аэрационной обработки. — М.: Автореферат, 1975.
12. Зацепина Г. Н. Электрическая система регуляции процессов жизнедеятельности. — М.: Изд-во МГУ, 1992.
13. Зарубина Е. П., Данько С. Ф., Данильчук Т. Н., Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Влияние микроэлектротока на солодоращение ячменя//Пиво и напитки. 2001. № 5. С. 20-21.
14. Зарубина Е. П., Данько С. Ф., Данильчук Т. Н., Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Влияние переменного микроэлектротока на солодоращение ячме-ня//Пиво и напитки. 2002. № 2. С. 24-25.
15. Зарубина Е. П., Данько С. Ф., Данильчук Т. Н., Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Влияние микроэлектротока на активность ферментов соло-да//Пиво и напитки. 2001. № 6. С. 20-22.
16. Зарубина Е. П., Данько С. Ф., Данильчук Т. Н., Юрьев Д. Н., Егоров В. В. Влияние частоты переменного микроэлектротока на солодора-щение ячменя//Пиво и напитки. 2003. № 4. С. 14-15.
17. Мальцев П. М. Химико-технологический контроль производства солода и пива. — М.: Пищевая промышленность, 1976.
18. Петракова Л. Ф., Егоров В. В., Данько С. Ф. Фотоактивация солодоращения ячменя // Пиво и напитки. 2002. № 6. С. 16-17. &
vm
МОСКОВСКИЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ САХАРНЫЙ ФОРУМ
поддержка
SUPPORTED ВУ
СТРАТЕГИЧЕСКИЙ ПАРТНЕР
STRATEGICAL PARTNERSHIP 1
MOSCOW INTERNATIONAL SUGARFORUM
РОССИЯ, МОСКВА ВВЦ, ПАВИЛЬОН 57 RUSSIA, MOSCOW ALL-RUSSIA EXHIBITION CENTRE PAVILION 57
25-27 ФЕВРАЛЯ
2009
FEBRUARY 25-27
СОЮЗРОССАХАР RUSSEN UNION OF SUGAR PRODUCERS
САХАРНЫЙ БИЗНЕС
гсоКиАКт ¿b-¿¡ 8-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ
СП ЕЦИАЛИЗИ ЮВАННАЯ ВЫСТАВКА
♦♦ 25 февраля я VII Международная конференция february 25 по передовым технологиям производства сахара;
♦♦26 ФЕВРАЛЯ Ш VII Международная конференция february 26 по рынку сахара;
♦♦ 27 ФЕВРАЛЯ ■ ill Международная конференция February 27 по современным методам
возделывания сахарной свеклы.
SUGAR BUSINESS
STH INTERNATIONAL SPECIALIZED EXHIBITION
■ The Vll International Conference on advanced technologies in sugar industry,
M The VII International Conference on sugar market;
■ The HI International Conference o/i advanced sugar beet growing technologies.
E о u
TEUFAX: +7 (495) 545-39-09 - WWW.SUGARFORUM.COM ■ [email protected]
