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

Глава 11

ДЫХАНИЕ ЗЕРНА

§ 1. ИНТЕНСИВНОСТЬ ДЫХАНИЯ И ВЫЗЫВАЕМЫЕ ИМ ИЗМЕНЕНИЯ В ЗЕРНОВОЙ МАССЕ

Жизнь любого организма связана с постоянной затратой энергии для разнообразных биохимических процессов в орга- низме, роста и развития, обмена веществ. Важнейшим источ- ником энергии у высших растений* является процесс дыха- ния. В зависимости от того, в каких условиях находится зерно, в нем могут происходить два вида дыхания: аэробное и ана- эробное (брожение). Если доступ воздуха достаточен, в зер- не происходит процесс аэробного дыхания. Если зерно хра- нится без доступа воздуха, в нем происходит процесс брожения. Суммарное уравнение аэробного дыхания зерна представлено ниже:

С6Н12О6 + 6О2 -> 6СО2 + 6Н2О

Кроме СО2 и Н2О при дыхании выделяется свободная энергия — 2870 кДж на один моль израсходованной глюко- зы (180 г). Процесс анаэробного (бескислородного, интра- молекулярного) дыхания протекает в соответствии с урав- нением:

* По ботанической классификации высшие растения составляют подцар- ство, объединяющее сложные дифференцированные многоклеточные орга- низмы, приспособленные к жизни в наземной среде. Хлебные растения от- носятся к одному из отрядов этого полцарства — покрытосеменных, или цветковых растений. Семена растений отряда заключены в плод. Размноже- ние растений происходит на половой основе при помощи цветка, в котором происходит двойное оплодотворение двумя мужскими половыми клетками — спермами, дающими начало зародышу и эндосперму.

_________________________________________ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ

С6Н12О6 -> 2СН3СН3ОН + 2СО2

При анаэробном дыхании, являющимся в сущности спир- товым брожением, выделяется энергия — 234 кДж на 1 М из- расходованной глюкозы. Для обеспечения себя необходимым количеством энергии растение при брожении (анаэробном дыхании) должно израсходовать большее количество гексоз, чем при аэробном дыхании. Доступ кислорода, обеспечиваю- щий более эффективное в энергетическом отношении аэроб- ное дыхание, предохраняет растение (зерно) от излишних зат- рат органического вещества, характерных для анаэробного дыхания.

Действие кислорода, уменьшающего расход углеводов на дыхание и угнетающего брожение и образование продуктов ана- эробного обмена, получило название эффекта Пастера. Приве-

денные выше уравнения дыхания показывают баланс веществ при дыхании, т.е. начальные и конечные вещества. Они не дают представления о многочисленных промежуточных реакциях, происходящих в сложном процессе дыхания, и о тех веществах, которые возникают и исчезают на различных этапах этого про- цесса. Образующиеся при окислении углеводов в процессе ды-

хания многочисленные промежуточные продукты играют очень важную роль в обмене веществ растения и зерна.

Дыхание вызывает большие изменения в зерне и зерновой массе. В результате расходования органического вещества (глю- козы) происходит уменьшение сухой массы зерна. В таблице 65

приведены данные опытов по хранению зерна с влажностью

16,5-17,2% в течение 45 и 90 сут. при 25 "С.

Если учесть, что хранят огромные количества зерна, то по- тери от дыхания, так называемая естественная убыль, могут достигать значительных величин.

Таблица 65

Потери массы органического вещества зерна при дыхании

ГЛАВА 11

Состав воздуха в межзерновом пространстве изменяется — потребляется кислород, а СО2 накапливается. Отмечены слу- чаи накопления в воздухе межзернового пространства до 12— 15% СО2 и более (в нормальном воздухе содержится всего лишь 0,03% СО2). В результате дыхания зерна выделяется вода. При усиленном дыхании зерна накапливаются водяные пары и, следовательно, влажность зерна повышается.

Чрезвычайно важное следствие интенсивного дыхания — выделение тепла. Зерновая масса обладает плохой тепло- проводностью, поэтому тепло, выделяющееся в результате ин-

тенсивного дыхания зерна как бы аккумулируется в зерновой массе, что способствует усилению дыхания и возникнове- нию процесса самосогревания. Если зерно находится в герметических условиях и в зерновой массе происходит про- цесс брожения, то зародыш зерна погибает от образующих- ся этилового спирта и других соединений, отравляющих за- родыш, в результате чего зерно теряет всхожесть. Поэтому

семенное зерно необходимо хранить в условиях хорошего доступа воздуха. Иногда при анаэробном дыхании зерна на- ряду со спиртовым брожением частично происходит про- цесс молочнокислого брожения, при котором из глюкозы образуется молочная кислота:

С6Н12О6 -> 2СН3СН(ОН)СООН

При этом выделяется 94,2 кДж энергии. Интенсивность дыхания зерна зависит от ряда факторов: влажности, темпера- туры, качества зерна, физиологического состояния зерна.

Влажность зерна. Чем выше влажность зерна, тем интен- сивнее оно дышит. Потери сухого вещества у влажного зер- на больше, чем у зерна средней сухости при одинаковой температуре: у пшеницы — в 4—8 раз, овса — в 2—5 раз, ку- курузы — в 8,5—17 раз, гречихи — в 1,5—3 раза. У сырого зер- на интенсивность дыхания, а, следовательно, и расход су- хого вещества возрастают еще больше. На рисунке 44

показана зависимость дыхания зерна проса от влажности (интенсивность дыхания зерна выражена количеством по-

глощаемого кислорода или выделяемого за определенный промежуток времени СО2 в расчете на определенное коли-

____________________________________________________ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ

чество зерна). Из рисунка видно, что до тех пор, пока влаж- ность не превышает 14—15%, интенсивность дыхания очень незначительна. Как только влажность превышает 15% (кри- тическая влажность), интенсивность дыхания резко усили- вается. Зерно пшеницы, ржи и других злаков с влажностью ниже 14—15% и масличные семена с влажностью, не превы- шающей 8—9%, будут дышать очень слабо, следовательно, надежно храниться.

Температура. При низких температурах близких к нулю, дыхания практически не происходит, зерно не дышит. Из ри- сунка 45 видно, что по мере повышения температуры интен- сивность дыхания зерна резко возрастает и при 50—55 °С дос- тигает максимума, после чего начинается резкое падение кривой. Это резкое падение интенсивности дыхания зерна происходит из-за слишком высокой температуры, при кото- рой начинается денатурация белков, ферменты теряют свою активность, зерно погибает. Если понижать температуру зер- новой массы, то дыхание зерна ослабевает, а при температу- рах, близких к 0 °С, полностью прекращается. Следовательно, если охлаждать или замораживать зерно, препятствуя, таким образом, возникновению процесса дыхания, зерновая масса будет сохраняться лучше. Необходимо отметить, что влажное

ГЛАВА II

семенное зерно нельзя охлаждать слишком сильно (промора- живать), так как оно может потерять всхожесть.

Качество зерна. Чем хуже зерно по качеству, тем при прочих

равных условиях оно интенсивнее дышит и тем труднее его хранить. Нормальное зерно дышит слабее, чем морозобойное, поэтому его и другие виды поврежденного зерна хранить труд- нее, чем нормальное, доброкачественное. Поврежденное зерно

следует подвергать особенно внимательному наблюдению при хранении.

Физиологическое состояние зерна. Зерно, не прошедшее послеуборочного дозревания, дышит значительно интенсив- нее, чем то, у которого период послеуборочного дозревания закончен. Отсюда следует, что свежеубранное зерно особен- но легко может подвергнуться самосогреванию и порче, вследствие чего за ним нужно вести особенно тщательное на- блюдение.

Для характеристики дыхания зерна большое значение имеет дыхательный коэффициент — отношение объема выделяе-

мого при дыхании диоксида углерода к объему поглощаемого кислорода. Дыхательный коэффициент нормального зерна обычно равен единице. Это происходит в связи с тем, что про-

цесс аэробного дыхания протекает в точном соответствии с уравнением дыхания. Если дыхательный коэффициент больше единицы, то это значит, что зерно выделяет больше диоксида углерода, чем поглощает кислорода. Такую картину можно наблюдать на ранних этапах прорастания некоторых семян, плотная оболочка которых недостаточно проницаема для кис- лорода. В таких семенах наряду с аэробным процессом дыха- ния происходит также процесс спиртового брожения, кото- рый прекращается после того, как развивающийся корешок прорвет оболочку.

При созревании масличных семян дыхательный коэффи- циент обычно превышает единицу. Это следствие того, что

часть потребляемого на дыхание кислорода заимствуется из углеводов. Сухое зерно с влажностью 12—14% имеет дыхатель- ный коэффициент выше единицы (1,2—1,3), поскольку в за- родыше зерна даже в присутствии кислорода частично проис- ходит анаэробное брожение. Небольшое количество СО2 без

306

____________________________________ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ

использования кислорода воздуха в зерне может образоваться в результате декарбоксилирования глютаминовой кислоты под воздействием фермента глютаматдекарбоксилазы с образова- нием у-аминомасляной кислоты и СО2:

глютаматдекарбоксилаза

HOOCCHNH2CH2CH2COOH -> СО2 + NH2СН2СН2СН2СООН

Иногда дыхательный коэффициент меньше единицы. При

высокой влажности семян подсолнечника на ранних стадиях созревания дыхательные коэффициенты имеют величину 0,6— 0,7 при одновременном интенсивном процессе накопления масла. В прорастающих семенах масличных культур дыхатель- ный коэффициент меньше единицы. Это объясняется тем, что

процесс прорастания этих семян сопровождается окислением бедных кислородом жирных кислот и превращением жира в сахар, происходящим с потреблением значительного количе- ства кислорода.

Интенсивность дыхания растений и зерна учитывают по количеству выделяемого СО2 или поглощаемого кислорода. Продукты растительного происхождения, а также ткани ра- стений резко различаются по интенсивности дыхания. Наи- более слабым дыханием обладают сухие семена, более ин- тенсивно дышат листья. Наибольшую интенсивность дыхания обнаруживают микроорганизмы, особенно велика она у плесневых грибов. Именно поэтому интенсивность дыхания зерна при плесневении резко возрастает. Энергич- ным дыханием отличаются молодые, растущие ткани рас- тений. Имеется тесная связь между ростом растительных тканей и их дыханием: чем интенсивнее при прочих равных условиях растет ткань, тем энергичнее они дышат, и на- оборот.

Брожение — процесс глубокого окислительного распада органических веществ, преимущественно Сахаров, не сопро- вождающийся потреблением молекулярного кислорода. Бро- жение, как и дыхание, состоит из большого числа промежу-

307

ГЛАВА 11 ______________________ _________________________

точных окислительно-восстановительных реакций, но в отли- чие от дыхания не приводит к полному окислению органиче- ского вещества. Основные типы брожения — спиртовое, мо- лочнокислое и маслянокислое. Все остальные наблюдаемые в

природе виды брожения представляют собой сочетание этих трех основных типов. Среди микроорганизмов, вызывающих спиртовое брожение, следует назвать дрожжи—микроорганиз- мы из класса сумчатых грибов.

При этом выделяется энергия в количестве 234 кДж/М сброженной гексозы (стандартное изменение свободной энергии). Кроме главных продуктов, образующихся при та- ком виде брожения — этилового спирта и диоксида углерода, выделяются незначительные количества и других продуктов: сивушных масел (смеси амилового, изоамилового, бутилово- го и других спиртов), янтарной кислоты, ацетатальдегида, глицерина и др.

Велика роль спиртового брожения при тестоведении и выпечке хлеба. Выделяющийся диоксид углерода разрыхля- ет тесто, придавая хлебу пористое строение, а спирт и другие продукты брожения участвуют в образовании аромата. В при-

сутствии кислорода спиртовое брожение прекращается и дрожжи переходят к обычному аэробному дыханию (эффект Пастера).

Молочнокислое брожение вызывают молочнокислые бак- герии.

Микроорганизмы, осуществляющие молочнокислое бро- жение, разделяют на две группы. Первая группа сбраживает гексозу с образованием преимущественно молочной кисло- ты и очень малого количества побочных продуктов — их на- зывают гомоферментативными (типичными) бактериями. Вторая группа, называемая гетероферментативными (нети- пичными) молочнокислыми бактериями, вызывает более сложное брожение, при котором наряду с молочной кисло-

308

ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ

той образуются другие продукты: уксусная кислота, этило- вый спирт, диоксид углерода, водород, метан, диацетил, эфиры и др. В зависимости от микроба, питательной среды

и внешних условий эти продукты накапливаются в разных количественных соотношениях.

Молочнокислое брожение играет большую роль при изготовлении хлебных заквасок и жидких дрожжей в хлебо- печении. В ржаном тесте и хлебе содержится заметное коли- чество молочной и уксусной кислот — результат совместного присутствия дрожжей, вызывающих спиртовое брожение и молочнокислых бактерий, вызывающих молочнокислое бро- жение. Молочнокислое брожение часто происходит одно- временно со спиртовым брожением при изготовлении мно- гих пищевых продуктов и полуфабрикатов: простокваши, ацидофилина, кефира, кумыса, кваса, айрана, кавказского «мацони», при квашении капусты, огурцов, при силосовании кормов.

Маслянокислое брожение вызывают микроорганизмы, большинство которых — анаэробные бактерии. Они превра- щают углеводы, спирты и другие вещества в масляную кисло- ту по суммарному уравнению:

Три главных типа брожения, органически связанных меж- ду собой, обычно протекают в данной среде одновременно. Вместе с тем они находятся в самой тесной органической свя- зи с нормальным кислородным дыханием.

§ 2. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ МЕЖДУ ПРОЦЕССАМИ БРОЖЕНИЯ И ДЫХАНИЯ

Суммарные уравнения брожения (анаэробного) и аэробно-

го дыхания дают представления только о балансе исходных и образующихся веществ. Эти уравнения не отражают сложных превращений веществ, происходящих в процессе дыхания или

309

ГЛАВА 11

брожения и не дают представления о химической связи про- межуточных продуктов. Брожение и дыхание имеют первона- чальный общий, подготовительный этап химических превра- щений, называемый гликолизом.

Общий этап завершается образованием пировиноградной кислоты, что можно показать схемой:

Пировиноградная кислота, образовавшаяся в первый общий для брожения и дыхания этап, может далее подвергаться пре- вращениям в одном из двух направлений, характерных для бро- жения (анаэробного дыхания) или аэробного дыхания, что за- висит от условий среды (аэробных или анаэробных) и от специфических особенностей организма, сложившихся в про- цессе эволюционного развитии. В анаэробных условиях пи- ровиноградная кислота подвергается превращениям, проис- ходящим при спиртовом или молочнокислом брожении.

В аэробных условиях она окисляется до уксусной кислоты или полностью до СО2 и Н2О в соответствии с уравнением аэроб- ного дыхания.

§ 3. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ НА ОБЩЕМ ЭТАПЕ

БРОЖЕНИЯ И ДЫХАНИЯ

Гликолиз начинается с образования ряда фосфорных эфи- ров гексоз. Молекула глюкозы под действием фермента

ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ

гексокиназы воспринимает от аденозинтрифосфата остаток фосфорной кислоты. Возникают аденозиндифосфат и глюко- пиранозо-6-фосфат, который под действием фермента глю- козофосфат-изомеразы превращается во фруктофуранозо-6- фосфат. Далее фруктофуранозо-6-фосфат воспринимает при

действии фермента фосфофруктокиназы еще один остаток фосфорной кислоты от новой молекулы аденозинтрифосфата с образованием новой молекулы аденозиндифосфата и фрук- тофуранозо-1,6-дифосфата. Эти реакции могут быть представ- лены в следующем виде:

Фруктофуранозо-1,6-дифосфат через ряд промежуточных реакций с участием ферментов альдолазы, триозофосфат- изомеразы, дегидрогеназы фосфоглицеринового альдегида и окислении 3-фосфоглицеринового альдегида превращается в 1,3-дифосфо-глицериновую кислоту, что сопровождается возникновением высокоэнергетической связи.