ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЗАМАЧИВАНИИ

Механизмы проникновения воды в зерно приведены в табл. 11.

При замачивании зерна создается разность между концентраци­ей воды внутри зерна и концентрацией воды, окружающей зерно, вследствие чего вода начинает проникать через оболочку внутрь клеток. Вода диффундирует в зерно по тонким капиллярам — трахеидам зародышевой части, не покрытой мякинной оболочкой. Мякинная оболочка в начале замачивания непроницаема для воды. Плодовая и семенная оболочки являются полупроницаемыми. При этом в зерно вместе с водой проникают и содержащиеся в ней не­диссоциированные молекулы

11. Физико-химические механизмы движения воды и растворенных в ней веществ в биологических системах

многих кислот и щелочей. Оболочки плохо пропускают свободные ионы Н⁺ и ОН~, оксиды органичес­ких кислот. Проницаемость оболочек зерна для различных солей зависит от концентрации солей в отдельных клетках, рН среды и явлений, свойственных полупроницаемым оболочкам, — осмо-диффузии, ультрафильтрации. На проницаемости оболочек осно­вано использование стимуляторов и ингибиторов прорастания зер­на в процессе замачивания. Таковыми являются пероксид водоро­да, перманганат калия, хлорид марганца, хлорное железо, цитоли-тические ферменты, смесь суперфосфата и серной кислоты, экстракты некоторых растений и т. п.

В процессе замачивания мякинная оболочка после частичного растворения пропитывающих ее веществ становится проницаемой для воды. Проникающая в зерно вода адсорбируется высокомоле­кулярными веществами эндосперма и зародыша. Белковые соединения могут поглощать до 180 % воды, крахмал —до 70 %, целлю­лоза — до 30 % в расчете на сухое вещество. Эти вещества в зерне находятся в виде высохших коллоидных студней и поэтому обла­дают значительной водопоглощающей способностью. Повыше­ние температуры воды приводит к возрастанию степени набуха­ния этих органических коллоидов и увеличению скорости диффу­зии воды в зерно. Вследствие активного поглощения воды, набуха­ния коллоидов и создания высокого осмотического давления внутри клеток, обусловливаемого растворимыми внутриклеточ­ными веществами, объем зерна при замачивании увеличивается в среднем на 45 %.

Распределяется вода в зерне неравномерно: у основания влаж­ность составляет 47 %, в середине — 38, у верхушки — 39, в зароды­ше — от 68 до 75 %. Благодаря воздушным прослойкам, капилляр­ным каналам и пустотам, преобладанию в составе зародыша особо гидрофильных белковых веществ его поверхностный слой также имеет более высокую влажность, чем центральный.

Эндосперм зерна ячменя отличается от других структур слабой капиллярностью и межмолекулярной диффузией, поэтому имеет влажность гораздо меньшую, чем зародыш. В начале замачивания зерно поглощает воду быстро, а затем медленно: влажность состав­ляет через 2ч 29%, через 6ч — 32,8, через 12ч — 35,8, через 18ч — 37,2, через 24 ч — 38,8, через 48 ч — 42,5 %.

Благодаря высокой влажности зерна некоторые его составные части (сахара, пентозаны, азотистые и минеральные вещества) пе­реходят в растворимое состояние и частично диффундируют в за­мочную воду. Однако если ячмень перезамочен, то семенная обо­лочка его структурно разрушается, утрачивает свойство полупрони­цаемости и из замочной воды к зародышу поступают соли, что при­водит к гибели зародыша. Вместе с тем эти соли могут вступать также в реакции с органическими веществами оболочки зерна и влиять на их растворимость. К примеру, ионы кальция воды, взаи­модействуя с полифенолами оболочки зерна, образуют плохо ра­створимые соли, которые благодаря своей коллоидной структуре покрывают пленкой зерно и затрудняют проникновение в него воды.

Результаты замачивания зерна ячменя проявляются в следую­щем. Замачивание вызывает в первую очередь оживление в нем за­родыша, который для своей жизнедеятельности использует сначала растворимые и усвояемые питательные вещества. В щитке зерна ак­тивизируются гидролитические ферменты, из щитка они диффун­дируют в эндосперм, где начинают катализировать гидролиз части высокомолекулярных веществ и превращают их в растворимые со­единения. В щитке, а затем в зародыше появляются зерна крахмала. Уже в первые 6-12ч замачивания щиток становится активным к обмену веществ, но он еще не способен производить гидролитичес­кие ферменты. Образованию ферментов многократно способствуют стимуляторы роста — гиббереллины, которые попадают из кор­невой системы в зародыш, а затем к алейроновому слою.

С поглощением воды зародыш начинает потреблять накоплен­ные в нем сахара еще до того, как соответствующие ферменты по­ступят в эндосперм и путем гидролиза дадут новые порции пита­тельных веществ зародышу через щиток. В последнем адсорбиру­ются резервные вещества эндосперма. Параллельно с увеличением влажности зерна возрастает активность амилаз, рибонуклеазы и фосфатазы, расщепляющихся затем вследствие недостатка кисло­рода как в зародыше, так и в эндосперме.

Таким образом, вегетационная, поглощенная при замачивании вода в зерне растворяет питательные для зародыша вещества и обес­печивает переход ферментов эндосперма в активное состояние. Пи­тательные вещества из эндосперма диффундируют в зародыш, где расходуются на дыхание и синтез новых высокомолекулярных со­единений в тканях корешков и зародышевого листка. В зародыше активизируется обмен веществ, и зерно ячменя начинает прорас­тать, что сопровождается усилением интенсивности дыхания. Ис­точником энергии, необходимой для поддержания жизни зароды­ша и обмена веществ, является окисление Сахаров. Потребление са­хара зародышем, как и другим организмом, происходит либо аэроб­ным путем — через дыхание, либо анаэробным — путем брожения. По сравнению с дыханием брожение — процесс, энергетически значительно менее выгодный, поскольку для получения одного и того же количества энергии при брожении расходуется значительно больше сахара, чем при дыхании.

27

ПРОРАЩИВАНИЕ ЯЧМЕНЯ

Целью солодоращения является накопление в зерне гидролити­ческих ферментов в свободном состоянии в количествах, необходи­мых для перевода нерастворимых веществ зерна в растворимые и достижения такого состояния структуры зерна, при котором в бла­гоприятных условиях значительно облегчилось бы действие фер­ментов на высокомолекулярные соединения зерна. Это состояние зерна называется растворением и характеризуется разрыхлением эндосперма.

В природе процессы, близкие к искусственному солодоращению, происходят с любым зерном в начале образования из него рас­тения: когда начинают развиваться зачаточные органы зародыша — зародышевый листок и зародышевые корешки.

Замачивание обеспечивает подвод к зерну необходимого количества влаги для зарождения в нем обмена веществ. В зародыше и ближайшей к нему области зерна находится сравнительно небольшой запас веществ, необходимых для обменных процессов. Это сахаpa, аминокислоты, полипептиды, различные минеральные вещества, которые растворяются в поступившей в зерно воде и путем диффузии через щиток проникают к зародышу, обеспечивая на первое время его питание. Но для развития дальнейших процессов витания и роста зерна требуется постоянный подвод к зародышу новых количеств низкомолекулярных соединений. Поступившая вода усиливает гидратацию веществ зерна, создавая тем самым благоприятные условия для процессов гидролиза высокомолекуляр­ных соединений: полисахаридов, белков и др. А гидролиз этих соединений осуществляют уже непосредственно ферменты, которые также благодаря наличию воды образуются и начинают проявлять свою активность.

  4.2.1. МЕХАНИЗМ АКТИВАЦИИ И СИНТЕЗА ФЕРМЕНТОВ

' В созревших зернах большая часть содержащихся ферментов ад-сорбирована протоплазменными структурами клеток и находится поэтому в неактивном состоянии, например в-амилаза. В процессе солодоращения в насыщенном водой зерне наряду с активацией уже имеющихся ферментов происходит и их новообразование, т. е. синтез. При проращивании образуются а-амилаза, протеазы, гемиллюлазы, предельная декстриназа и др. Условия стадии благоприятны для того, чтобы все группы ферментов ячменя с первого этапа их образования или активации начинали взаимодействовать с соответствующими субстратами эндосперма зерна. Накапливающиеся протеазы постепенно растворяют белковую оболочку крахмалсодержащих клеток, которая состоит преимуще­ственно из белка глютелина. Освобождаются гемицеллюлозные со­ставляющие стенок клеток для воздействия цитолитических фер­ментов, открывается доступ для действия амилолитических фер­ментов на крахмальные зерна. Амилолизу крахмала эндосперма способствует также действие протеолитических ферментов, рас­щепляющих белковую матрицу, в которую «уложены» зерна крахмала.

Рассмотрим общий механизм образования ферментов при про­ращивании (рис. 11).

: Основную роль в образовании ферментов зерна играют гормоноподобные вещества. В небольшом количестве они имеются в щитке ячменя, а при проращивании число таких соединений значительно увеличивается путем синтеза. Продуцентом гормонов и других биоактиваторов является зародыш, откуда они поступают в щиток, где накапливаются. Часть ферментов образуется также и в зародыше, но гораздо меньшая, чем в эндосперме зерна. Из щитка гормоны во время роста зерна диффундируют в прилегающие клетки алейронового слоя и дают толчок к синтезу ряда гидролизующих ферментов: а-амилазы, эндо-р-глюканазы и некоторых других.

Белок алейронового слоя подвергается наиболее сильно­му воздействию протеаз, и он поставляет основную часть ра­створимых азотистых соедине­ний, в том числе и необходимых для синтеза ферментов. Из гормоноподобных веществ наи­большее значение имеют гиббе­релловая кислота и другие со­единения этого типа. Они явля­ются ростовыми факторами растений. Гиббереллины пред­ставляют собой группу соедине­ний, весьма близких по строе­нию к тетрациклическим карбо-новым кислотам. Они относятся к классу дитерпенов, обладаю­щих высокой биологической активностью.

В основе их структуры лежит тетракарбоциклическая система колец гиббана. В зависимости от природы функциональных групп, их расположения на этом структурном скелете различают гибберел-лины от А₁ до А₉. Гиббереллин А₃, называемый также гибберелловой кислотой, является наиболее важным физиологически активным веществом этого ряда.

Под действием экзогенной гибберелловой кислоты клетки алей­ронового слоя начинают синтезировать и выделять некоторые гид­ролитические ферменты, в том числе а-амилазу. Роль эндогенных гиббереллинов (гормонов) и экзогенной гибберелловой кислоты в прорастающем ячмене одинакова: включение ранее недеятельного гена и повышение таким образом матричной активности ДНК. Это приводит к синтезу специфической информационной РНК, кото­рая, в свою очередь, осуществляет синтез а-амилазы. Следовательнo, в основе физиологического действия гиббереллинов лежит их влияние на ферментные системы растений.

Ферменты синтезируются при непосредственном участии нук­леиновых кислот, в которых закодирована генетическая информа­ция об их структуре. Синтез происходит в субклеточных структу­рах—рибосомах, содержащихся в цитоплазме, митохондриях и Хлоропластах. Аминокислоты для синтеза ферментов появляются двумя путями: за счет образования из неорганических азотистых со-единений нитратов и аммиака и за счет продуктов протеолитичес-кого распада белков при проращивании.

Таким образом, с одной стороны, алейроновый слой является источником образования новых ферментов, а с другой — местом приложения действия гиббереллинов. Для проявления активности гиббереллинов и ферментов необходимы определенные условия внешней среды: влажность, температура, рН, наличие кислорода, продолжительность проращивания. Технология солодоращения предусматривает оптимальные сочетания этих факторов.

Целый ряд ферментов, таких, как некоторые протеазы, в-ами­лаза, есть в ячмене, и при проращивании они резко увеличивают свою активность. Рассмотрим механизм активации ферментов на примере в-амилазы. В исходном ячмене Р-амилаза находится в эн-Дрсперме, где прочно связана с белковыми веществами дисуль-фидными мостиками, поэтому практически неактивна. При про­ращивании создаются благоприятные условия для проявления ак­тивности протеолитических ферментов ячменя. Протеазы доста­точно активно гидролизуют белки, связывающие р-амилазу, и освобождают ее.

Замечено, что повышение активности протеаз при солодоращении связано с накоплением в зародыше значительного количе­ства глютатиона. А как известно, глютатион является активатором ферментов, которые содержат в своем активном центре сульфгид-рильную и дисульфидную группы. Протеазы, как правило, отно­сятся именно к таким ферментам. Механизм активации тиоловых протеаз через глютатион заключается в следующем. Благодаря на­личию в структуре сульфгидрильной группы глютатион обладает сильными восстанавливающими свойствами. Две молекулы глю­татиона, отдавая два атома водорода от сульфгидрильных групп, соединяются одна с другой при помощи дисульфидной связи, т. е. восстановленная форма глютатиона превращается в окисленную, а два атома водорода идут на активацию активного центра фермен­тов Е по схеме

При этом неактивная окисленная форма фермента превращает­ся в восстановленную активную. Все эти взаимодействия являются обратимыми, поэтому в ферментах такого типа всегда существует равновесная система, состоящая из восстановленной и окисленной форм.

В процессе солодоращения участвуют четыре группы гидроли­тических ферментов:

протеолитические ферменты, расщепляющие высокомолеку­лярные азотистые вещества (протеазы);

цитолитические ферменты, гидролизующие некрахмалистые полисахариды (цитазы);

амилолитические ферменты, расщепляющие крахмал (амила­зы);

липолитические ферменты, расщепляющие жиры (липазы).

37