Материал: Казаков Е.Д., Карпиленко Г.П. - Биохимия зерна и хлебопродуктов

Глава 10

ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ

И АГРОТЕХНИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СОСТАВ И КАЧЕСТВО ЗЕРНА

§ 1. ВНУТРЕННИЕ И ВНЕШНИЕ ФАКТОРЫ КАЧЕСТВА ЗЕРНА

Накоплен огромный фактический материал о химическом составе зерна разных культур, выращиваемых в различных природно-климатических условиях. Выявлены очень широ- кие границы изменения содержания отдельных веществ в зер- не. Так, количество белков в зерне пшеницы может изменяться от 9 до 25%, содержание масла в семянке подсолнечника — от

28,0 до 60%.

Возникает вопрос: от чего зависит содержание того или ино- го вещества в зерне? Урожай и его качество определяются со- отношением и совокупностью действия внешних и внутрен- них факторов.

Вэти факторы входят:

I. Биологический потенциал:

1. генотип,

2. степень зрелости:

всхожесть, энергия прорастания, дозревание, 3. репродукция, 4. состояние:

свежесть, прорастание, самосогревание. II.

Внешние условия (в поле и после уборки):

1.климат,

2.погодные условия,

3.агротехника: обработка почвы, предшественники, удобрения,

________________ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНО КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

борьба с сорняками, вредителями и болезнями. 4. Послеуборочная обработка и хранение.

Большое разнообразие природно-климатических условий, дифференцированные требования к сортам различных куль- тур в зависимости от погодно-климатических особенностей районов выращивания зерна, трудности обеспечения расте- ниеводства сельскохозяйственными машинами и аппаратами, минеральными удобрениями, пестицидами и другими хими- ческими веществами, ограниченные возможности приобрете- ния новых сортов семян и применения передовых методов аг- ротехники, и, наконец, сложный химический состав зерна,

огромное разнообразие биологически скоординированных во времени, пространстве и последовательности непрерывно протекающих в нем с различной интенсивностью физико-хи- мических и биохимических процессов, — все это составляет неустойчивую основу технологического качества зерна: муко- мольного, хлебопекарного и других зерноперерабатывающих производств.

§ 2. ГЕНОТИП И КАЧЕСТВО ЗЕРНА

Урожай и его качество определяются соотношением и совокупностью действия внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относят климат, состав почвы и сово- купность агротехнических мероприятий, к внутренним — при- родные особенности злаковых растений, то, что составляет их биологическую сущность, их наследственные признаки.

Совокупность внутренних факторов, обусловливающих на- следственные признаки организмов, называют генотипом, иначе генотип — это совокупность всех генов, определяющих развитие признаков и свойств растений.

Совокупность всех признаков и свойств растения, сфор- мировавшихся на основе генотипа в процессе развития во вза- имодействии с условиями внешней среды, называют феноти- пом.

Генотип и фенотип проявляют себя в ботанических отли- чиях видов и сортов зерновых культур, оказывающих большое влияние на химический состав и биохимические свойства зер-

273

ГЛАВА 10

на. Вид представляет собой основную классификационную единицу, введенную шведским естествоиспытателем Линне- ем. Это группа особей, обладающих общими морфофизиоло- гическими свойствами, занимающих определенное простран- ство (ареал), способных к скрещиванию друг с другом и биологически (репродуктивно) изолированных от других та- ких же групп особей. Так, виды мягкой и твердой пшеницы сильно различаются по своим биохимическим и технологи- ческим свойствам.

§3. СОРТ И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ

Всельскохозяйственной практике и в промышленности перерабатывающей зерно широко распространено понятие сорта. Сортовые особенности — один из важных факторов, определяющих семенные, технологические и пищевые досто- инства зерна и получаемых из него изделий.

На долю сорта приходится 25-30% урожая. Урожайность зерновых культур за 25 лет (1950-1975 гг.) повысилась за счет селекции на 30-35%, а последующие 20 лет (1975-1995 гг.) — на 20-25%. Специалисты США и Западной Европы считают, что 50% прироста урожая зерновых культур достигается за счет внедрения новых сортов и гибридов, а 50% — за счет совер- шенствования технологии их выращивания.

Сорт сельскохозяйственной культуры — это совокупность культурных растений, созданная путем селекции, обладающая определенными наследственными морфологическими, био- логическими и хозяйственными признаками и свойствами. В рамках общего понятия сорта различают местный и селек- ционный сорта.

Местный сорт, сорт народной селекции, продолжительное время возделываемый в данной местности. Селекционный — сорт, созданный определенными методами селекции, райо- нированный или прошедший станционное сортоиспытание.

Для сорта характерен комплекс морфологических, биоло- гических и хозяйственных признаков и свойств, под которым понимают урожайность, выносливость к морозам, устойчи- вость против поражения болезнями и вредителями, требова-

_______________ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНО КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

ния к почве и ее составу, требования к влаге, свету, температу- ре, скороспелость, неосыпаемость, стойкость к полеганию, величину, форму и окраску зерна, характерные особенности химического состава, стойкость при хранении, выходы муки и требуемую затрату энергии на размол, хлебопекарные, ма- каронные и другие технологические особенности и т. д. Но- вый сорт имеет тем большую ценность, чем оптимальнее и на более высоком уровне в нем сочетаются самые важные биоло- гические, хозяйственные и технологические свойства.

Присущие сорту ценные свойства могут проявиться лишь при определенных условиях выращивания, на агрофоне, обес-

печивающем наиболее широкое раскрытие потенциальных возможностей сорта. Соотношение между генетическими и внешними факторами складывается так, что при оптималь-

ных условиях выращивания решающее влияние на конечный результат — урожайность и качество зерна — оказывает гене- тический фактор (сорт). При неблагоприятных условиях сорт отходит на второй план, и примат остается за внешними усло- виями.

Селекция и ее теоретическая основа — генетика открыва- ют широкие возможности не только для выведения более со- вершенных и продуктивных сортов, но и для создания новых растений, полнее отвечающих потребностям человека. Полу- чена новая зерновая культура тритикале — гибрид пшеницы и ржи. Неприхотливость в возделывании тритикале унаследо- вала от ржи, а хорошие хлебопекарные и вкусовые качества от пшеницы. В зерне тритикале удачно сочетается высокое со- держание белка и незаменимой аминокислоты — лизина; бел-

ки тритикале хорошо усваиваются организмом человека и сельскохозяйственных животных.

У разных сортов зерновых культур физические и химиче- ские свойства крахмала различны. Это особенно хорошо вид- но на примере мозгового и круглого гороха. Крахмал моз-

гового и круглого гороха существенно различается по соотношению амилозы и амилопектина — главных составных частей крахмала, а также по атакуемости амилазой: у мозго- вых сортов гороха крахмал атакуется амилазой гораздо быст- рее. Различия в развариваемости риса тоже зависят от раз-

ГЛАВА 10

личного соотношения амилозы и амилопектина в крахмале. Установлены различия в содержании амилазы и ее активнос- ти у разных сортов зерновых культур. Особенно важны разли- чия в содержании амилазы в зерне разных сортов ячменя,

применяемого для изготовления солода в пивоваренной и спиртовой промышленности.

Образование любого соединения в клетке — конечный этап многозвенной цепи сложных взаимосвязанных процес- сов. Каждое из звеньев может в определенных условиях ли-

митировать общую эффективность всей цепи процессов в целом. Таким образом, опираясь на знание природы звеньев, определяющих ход процессов и на средства их регулирова- ния, умело используя генетические приемы, человек прев-

ращает сорт и его потенциальные возможности в могучий фактор повышения урожайности, изменяет в нужном направ- лении химический состав зерна и его технологические дос- тоинства.

§ 4 ВЛИЯНИЕ ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ФАКТОРА, КЛИМАТА И ПОЧВЫ

Взаимосвязь с окружающей средой — обязательное условие существования злаковых растений, как и всех живых организ- мов. Под окружающей средой следует понимать сочетание факторов, влияющих на растение: воды, температуры, почвы, света, ветра, а также животных, растений и человека. Много- летний режим погоды, наблюдающийся в данной местности, т. е. совокупность и последовательность смены погоды, назы- вается климатом. Климат и почва — основные природные ус- ловия, в которых растет и развивается злаковое растение, на- ходясь в тесном взаимодействии с ними. Пшеница может прорастать при температуре 1—2 °С. Кукуруза же для прорас- тания требует 8—10 °С, а рис — не менее 11 — 13 °С. Отсюда вид- но, что пшеница может с успехом культивироваться значи- тельно севернее кукурузы, а кукуруза — севернее риса.

Географический фактор сказывается и на сроках созревания зерна разных культур, культивируемых в одной климатической зоне. Так, в центральных районах РФ рожь достигает восковой

_________________ВЛИЯНИЕ ПРИГОДНО КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Рис. 36. Глютограммы двух сортов пшеницы, выращенной в различных условиях: А- пшеница выращена в жарком, сухом климате Египта при недостатке азота в почве; Б— пшеницы выращена в Москве при умеренной температуре в до- статочно увлажненной почве, удобренной азотом; а — сорт Мухтар; б— сорт Гиза 144

спелости в среднем в третьей декаде июля. За рожью поспева- ет пшеница, затем ячмень, овес и в завершение — гречиха.

Высокое технологическое хлебопекарное достоинство зер- на пшеницы также тесно связано с географическим размеще- нием ее посевов (рис. 36). При исследовании большого ко- личества проб мировой коллекции ВИР установлено, что наибольшую силу, устойчивость теста к замесу и высокую сме- сительную ценность имеет зерно пшеницы, репродуцирован- ное в условиях Сибири. На юго-западе европейской части

России даже в благоприятные годы пшеничное зерно не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сильной пше- нице. Химический состав зерна, его биохимические и техно- логические свойства в значительной степени зависят от кли- матических и почвенных условий (количества солнечных дней

ГЛАВА 10

и осадков в течение вегетационного периода, состава удоб- рений и т. д.).

В масле подсолнечника отмечают меньшее содержание ненасыщенных жирных кислот в южных широтах и более вы- сокое — в северных холодных широтах и горных местностях. Соответственно изменяется йодное число масел: на севере и в горах оно выше, на юге — ниже. Содержание белка и его фрак-

ционный состав в семенах бобовых культур также подвержены изменению в связи с изменяющимися условиями выращива- ния. В условиях жаркого и засушливого климата в семенах бо-

бовых происходит увеличение солерастворимых белков и уменьшение водорастворимых. Установлена следующая общая закономерность: при культивировании в одной и той же мест-

ности химический состав растений и их плодов в пределах вида колеблется в узких пределах. Однако отклонения от наиболее

часто повторяющихся погодных условий приводят к заметным изменениям химического состава зерна: в холодное лето хи- мический состав изменяется в сторону, характерную для зерна более северных широт, в жаркое — зерна южных широт.

Влияние климатических и почвенных условий на химиче- ский состав зерна впервые в 1865 г. исследовал профессор Мос- ковского университета Н.Е. Лясковский. Он установил, что

содержание белка в зерне увеличивается при передвижении с запада на восток и с севера на юг в районы с большим количе- ством солнечных дней. Изучали изменения химического со- става зерна пшеницы и ячменя в зависимости от географиче- ского фактора. Выяснено, что особенно богато белком зерно пшеницы, произрастающей в Поволжье (Саратовская и дру- гие области), Западной Сибири (Омская и Новосибирская области).

Исследования показали, что формулировка Н.Е. Лясков-

ского о географической изменчивости химического состава зерна относится только к Русской равнине.

Температурный фактор также действует в определенных границах, так как с ним связано содержание в почве гумуса,

количество которого увеличивается лишь при температуре почвы не выше 30 °С (оптимальная температура его накопле- ния в почве 25 °С). При более высокой температуре почвы пе-

_____________ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНО КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

регной не только не образуется, но даже разлагается. Районы, богатые осадками, хотя и находятся на востоке, как правило,

содержат мало белка в связи с вымыванием легкорастворимых соединений азота.

Исследования, проведенные в районах Северного Кавказа

идругих областях страны за несколько лет, показали, что при среднесуточных температурах 21—23 °С в период налива семян подсолнечника даже при небольшом количестве осадков мас- личность повышается, а при увеличении температуры до 28 °С

изначительном количестве осадков — снижается. Дождливая

погода в период созревания зерновых культур приводит к так называемому стеканию зерна. Зерно, находившееся в это вре- мя в состоянии молочной или восковой спелости, становится впоследствии невыполненным, щуплым, урожай значительно снижается. Дождевание на ранних стадиях развития резко изменяет течение некоторых физиологических процессов — снижается приток ассимилятов, происходит гидролиз ранее накопленного крахмала, продукты его вымываются дождевой водой, что отрицательно сказывается на ходе накопления су- хого вещества. На более поздних стадиях созревания зерна вли- яние осадков заметно снижается. При экспериментальном

дождевании на стадии молочной и восковой спелости в зерне наблюдали увеличение количества общего фосфора.

Изучали величины климатической изменчивости урожа-

ев (Сn) яровой пшеницы и ярового ячменя, определяя уро- жайность (среднеобластную продуктивность) в основных сельскохозяйственных районах РФ. Из общей изменчивости урожаев выделяли ту часть, которая связана с колебаниями метеорологических условий по годам, а вариацию, зависящую от уровня культуры земледелия, исключали. Сопоставление

величины климатической изменчивости урожаев (Сn) с сум-

мой осадков за теплый период года указывает на тесную связь между этими показателями: коэффициент корреляции для ячменя r = -0,76 ± 0,08 и для пшеницы r= -0,78 ± 0,09. Зона

наиболее устойчивых урожаев (Сп<= 0,20) расположена на за- паде и севере европейской территории страны, причем для ячменя она значительно больше, чем для пшеницы. Районы нижней Волги отличаются повышенной изменчивостью уро-

ГЛАВА 10

жаев яровой пшеницы и ячменя, особенно Астраханская, Гу- рьевская, Уральская, области, где Сn> 0,50.

Зона неустойчивых урожаев пшеницы (Сn >= 0,30) захваты- вает южную часть европейской территории РФ, а ячменя — ограничена Луганской и Ростовской областями. Между зона- ми устойчивых и неустойчивых урожаев расположена переход- ная зона умеренно устойчивых урожаев (Сn= 0,21...0,29). На европейской территории РФ продуктивность ячменя более ус- тойчива, чем пшеницы. В азиатской части РФ при высокой

изменчивости урожаев обеих культур у ячменя продуктивность несколько выше.

По степени устойчивости сбора зерна с 1 га на европейской территории РФ зерновые культуры можно расположить в сле- дующем убывающем порядке: озимая рожь, яровой ячмень, озимая пшеница, яровая пшеница. При этом районы наиболь- шего распространения яровой пшеницы в основном располо- жены в зоне наименее устойчивых урожаев. Таким образом, озимую рожь, а затем и яровой ячмень можно рассматривать как более надежные, неприхотливые культуры.

§ 5. РАЗНОКАЧЕСТВЕННОСТЬ ЗЕРНА

Физические и биохимические свойства зерен изменяются в зависимости от их положения в соцветии. Линейные размеры зерен пшеницы в колосе, их масса, содержание белковых ве- ществ, выход и качество клейковины увеличиваются при дви-

жении снизу колоса к середине и постепенно уменьшаются к его вершине. В средней части колоса формируется зерно с бо- лее высокими биохимическими, физическими и технологи- ческими показателями, что обусловливает лучшие муко- мольные, хлебопекарные и пищевые свойства зерна, большую жизнеспособность и биологическую полноценность.

Наибольшее абсолютное содержание азота обнаружено в зерновках, сформировавшихся в средней части колоса. Про-

центное содержание азота несколько возрастает при переходе зерновок от верхней к нижней трети колоса, причем разница между отдельными зернами в пределах колоса может быть зна- чительной — от 12,0 до 17,5% белка. Зерно кукурузы из ниж-

________________ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНО КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

ней части початка имеет обычно наибольшую массу и наиболь- шее абсолютное содержание азота, а в верхушечной части — наоборот. Процентное содержание азота в пределах початка по всех зернах остается практически на одном и том же уровне. Типичен пример зерна сорта Броунконти из Днепропетров- ской области (в верхней, средней и нижней части початка):

Разные сроки посева и предшественники при всех прочих условиях оказывают заметное влияние на урожайность, стой- кость против болезней и вредителей, физические, биохимиче- ские и технологические свойства зерна всех культур. Обнаруже-

на связь между сроком начала весенней вегетации и качеством зерна. Качество зерна озимой пшеницы в годы с ранней весной хуже, чем в годы с поздней. Все сказанное приводит к разнока- чественности зерна и семян в пределах района, хозяйства и даже одного поля. Разнокачественность сказывается даже в партиях с высокой выровненностью по размерам зерна в различиях, по- рой значительных, по физическим, химическим, биохимичес- ким, технологическим и семенным свойствам зерна (рис. 37).

Наиболее четко дифференцированы по размерам зерна содержание клетчатки и зольность. Оба показателя обратно про- порциональны размерам зерна: зольность и содержание клетчат- ки наиболее крупной фракции всегда ниже, а мелкой — выше, чем в партии зерна в целом. Зольность остатка зерна пшеницы на сите с отверстиями размером 2 х 20 мм в среднем на 0,2%, а со- держание клетчатки на 1,2% выше по сравнению с остатком на сите с отверстиями размером 2,5 х 20 мм. Это указывает на луч-

шие мукомольные достоинства крупного зерна по сравнению с мелким прежде всего по потенциальным выходам сортовой муки.

Соотношение по остальным химическим показателям и физическим свойствам (кроме линейных размеров и массы 1000 зерен) зерна неодинакового размера носит более слож- ный характер. Одни линейные размеры не могут стать осно- вой четко различаемой оценки разнокачественности зерна. Необходимо по-разному рассматривать зерно мелкое, но

281