Химический состав растений и качество растениеводческой продукции

Глава 2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ

Растения состоят из воды и сухого вещества, представленного органическими и минеральными соединениями. Содержание воды и сухого вещества в органах и тканях растения сильно различается. В зерне хлебных злаков и бобовых культур содержится 10–15 % воды, в клубнях картофеля, корнеплодах сахарной свеклы – 75 – 80, моркови, кормовой и столовой свеклы – 85 – 90, кочанах капусты – 90 – 93, листовых овощах – до 95 %.

В тканях растущих вегетативных органов растений содержание воды колеблется от 75 до 95 %. По мере старения растений содержание воды в тканях, особенно репродуктивных органов, снижается.

Функции воды в растениях обусловлены присущими ей физическими и химическими свойствами. Она обладает высокой удельной теплоемкостью и благодаря способности испаряться при любой температуре предохраняет растения от перегрева. Вода – прекрасный растворитель для многих химических соединений. В водной среде происходит электролитическая диссоциация этих соединений и усвоение ионов, содержащих необходимые элементы минерального питания. Высокое поверхностное натяжение воды определяет ее роль в процессах поглощения и передвижения минеральных и органических соединений. Вода не просто наполнитель растительных клеток, она неотделимая часть их структуры. Обводненность клеток растительных тканей обусловливает их тургор, интенсивность и направленность разнообразных физиологических и биохимических процессов.

Особое значение вода имеет в энергетических преобразованиях в растениях, прежде всего, в аккумуляции солнечной энергии в виде химических соединений при фотосинтезе. Содержание воды в растениях зависит от их вида и возраста, условий водоснабжения, транспирации и минерального питания.

Влагообеспеченность наряду с другими факторами внешней среды оказывает значительное влияние на величину и качество урожая сельскохозяйственных культур, а также эффективность удобрений.

Сухое вещество растений на 90 – 95 % представлено органическими соединениями: белками и другими азотистыми веществами, жирами, крахмалом, сахарами, клетчаткой, пектиновыми веществами, содержание которых определяет качество урожая (табл. 2.1).

2.1. Химический состав сельскохозяйственной продукции, %

Культура	Вода	Белки	Крахмал, сахара	Клетчатка	Жиры	Зола
Пшеница (зерно)	14,0	16,0	62,0	2,5	2,0	2,0
Рожь (зерно)	14,0	12,0	67,0	2,0	2,0	2,0
Ячмень (зерно)	14,0	9,0	65,0	5,5	2,0	3,0
Гречиха (зерно)	14,0	9,0	60,0	9,0	3,0	2,0
Горох (зерно)	14,0	20,0	53,0	5,5	1,5	3,0
Лен (семена)	12,0	23,0	16,0	8,0	3,5	4,0
Картофель (клубни)	78,0	1,3	17,0	1,0	0,1	1,0
Сахарная свекла (корнеплоды)	75,0	1,0	20,0	1,0	0,1	0,8
Кормовая свекла (корнеплоды)	87,0	0,8	9,0	1,0	0,1	1,0
Клевер (зеленая масса)	75,0	3,0	10,0	6,0	0,8	3,0
Ежа сборная (зеленая масса)	70,0	2,1	10,0	10,5	1,2	2,9
Морковь (корнеплоды)	86,0	0,7	9,0	1,0	0,2	1,0
Лук репчатый (луковицы)	85,0	1,5	12,0	0,8	0,1	0,5
Свекла столовая (корнеплоды)		0,8	6,3	0,9	1,2	0,8

Белки являются основой жизни растительных организмов и играют главную роль во всех процессах обмена веществ. Они выполняют структурные и каталитические функции, являются одним из основных запасных веществ растений.

В состав растительных белков входят 20 аминокислот и два амида. Наиболее важным из них являются так называемые незаменимые аминокислоты (валин, лейцин и изолейцин, треонин, метионин, гистидин, лизин, триптофан и фенилаланин), которые не могут синтезироваться в организме человека и животных. Эти аминокислоты люди и животные получают с растительными пищевыми продуктами и кормами.

Белкиразличных сельскохозяйственных культур неравноценны по аминокислотному составу, растворимости и переваримости. Поэтому качество растениеводческой продукции оценивается не только по количеству, но и по усвояемости и полноценности белков.

В составе белков семян на долю белкового азота приходится не менее 90 %, а в вегетативных органах большинства растений – 75 – 90 %. В то же время в клубнях картофеля, корнеплодах и листовых овощах до половины общего количества азота приходится на долю азотистых небелковых соединений. Они представлены в растениях минеральными (нитраты, аммоний) и органическими соединениями, среди которых преобладают свободные аминокислоты и амиды, хорошо усваиваемые животными и человеком.

Для оценки качества растениеводческой продукции часто пользуются показателем «сырой белок», который выражает сумму всех азотистых соединений (белка и небелковых соединений). Рассчитывают его путем умножения процентного содержания общего азота на коэффициент 6,25. Коэффициент 6,25 получается из следующих вычислений. Среднее содержание азота в белке составляет 16 %. Следовательно, 16 г азота соответствует 100 г белка:

Коэффициент 6,25 не является постоянным для сельскохозяйственных культур, его величина зависит от содержания азота в белке конкретной группы растений (табл. 2.2).

2.2. Коэффициент пересчета азота в белок

Продукция	Содержание азота в белке, %	Коэффициент
Сено и зеленая масса трав, корнеклубнеплоды, зерно зерновых и зернобобовых, в том числе пивоваренного ячменя	16,0	6,25
Зерно гречихи, кукурузы	16,6	6,0
Зерно пшеницы, ржи, овса ячменя (кроме пивоваренного)	17,6	5,7
Семена льна и других масличных культур	18,2	5,5

Качество зерна пшеницы оценивают по содержанию «сырой клейковины», количество и качество которой определяют хлебопекарные свойства муки. Между содержанием «сырого белка» в зерне пшеницы и «сырой клейковины» существует коррелятивная зависимость. Количество «сырой клейковины» можно примерно рассчитать умножением процентного содержания «сырого белка» на коэффициент 2,12.

Углеводыпредставлены в растениях сахарами (моносахаридами и олигосахаридами) и полисахаридами (крахмалом, клетчаткой и пектиновыми веществами).

Сахара содержатся в небольших количествах во всех растениях, а в корнеплодах и отдельных органах овощных культур, плодах и ягодах могут накапливаться в качестве запасных веществ. Преобладающие моносахариды – глюкоза и фруктоза, а олигосахариды – дисахарид сахароза.

Глюкоза и фруктоза в значительных количествах содержатся в ягодах и плодах. В корнеплодах на моносахариды приходится до 1 % всех сахаров.

Сахароза является основным запасным углеводом в корнеплодах сахарной свеклы (14 – 22 %). В несколько меньшем количестве (4 – 8 %) она содержится в плодах и ягодах, а также моркови, столовой свекле и луке.

Крахмал в незначительном количестве содержится во всех зеленых органах растений, но в качестве основного запасного углевода накапливается в клубнях, луковицах и семенах. В клубнях картофеля ранних сортов содержится 10 – 14 % крахмала, средне- и позднеспелых – 16 – 22 %, в расчете на сухую массу клубней это 70 – 80 %. В зерне хлебных злаков крахмала обычно 55 – 70 %. Между содержанием белка и крахмала в растениях существует обратная зависимость.

Клетчатка, или целлюлоза, – основной компонент клеточных стенок. Волокно льна, конопли на 80 – 90 % состоит из клетчатки. В семенах пленчатых злаков (овес, просо) клетчатки содержится 10 – 15 %, а в не имеющих пленок семенах хлебных злаков – 2 – 3 %. В вегетативных органах растений на клетчатку приходится от 25 до 40 % сухой массы.

Пектиновые вещества – высокомолекулярные полисахариды, содержащиеся в плодах, корнеплодах и растительных волокнах. В волокнистых растениях они скрепляют между собой отдельные пучки волокон. Свойство пектиновых веществ в присутствии кислот и сахаров образовывать желе (студни) используют в кондитерской промышленности.

Жиры и жироподобные вещества (липиды) служат структурными компонентами цитоплазмы растительных клеток, а у масличных культур выполняют роль запасных соединений. Количество структурных липидов обычно небольшое – 0,5 – 1 % сырой массы растений, но они выполняют в растительных клетках важные функции, в том числе по регуляции проницаемости мембран. Семена масличных культур и сои используют для получения растительных жиров, называемых маслами. В среднем в семенах важнейших масличных культур содержится: подсолнечника – 24 – 50 % жира, льна, конопли, горчицы, рапса – 30 – 35, в семенах сои – 20 %.

В состав растительных жиров входят ненасыщенные кислоты, основные из них олеиновая, линолевая и линоленовая, а также насыщенные – пальмитиновая, стеариновая и др. Состав жирных кислот в растительных маслах определяет их свойства – консистенцию, температуру плавления, способность к высыханию, прогорканию, омылению и пищевую ценность.

Направление и способы использования растениеводческой продукции определяются содержанием в ней тех или иных органических соединений. Так, качество зерна злаков определяют белки и крахмал. Более высоким содержанием белка отличается пшеница, крахмала – рис и пивоваренный ячмень. Хлебопекарные качества зерна пшеницы определяются количеством клейковины. Бобовые культуры содержат белков в зерне значительно больше, чем зерновые, но уступают им по содержанию крахмала. Качество клубней картофеля оценивается по содержанию крахмала, а корнеплодов сахарной свеклы – сахара.

Качество урожая прядильных культур (льна-долгунца, хлопчатника) зависит от количества клетчатки: чем ее больше, тем больше волокна. Высокое содержание клетчатки снижает кормовую ценность сена, травы, силоса и т.д. Масличные культуры (подсолнечник, соя, рапс и лен) оцениваются по содержанию жиров в семенах.

Известно, что в питании человека и животных огромную роль играют такие органические вещества, как витамины и пектиновые соединения, которыми богаты овощи, фрукты и ягоды. Так, например, каротина больше содержит морковь и сладкий перец, витамина С, или аскорбиновой кислоты, – сладкий перец, листовая петрушка и черная смородина. Витамином B₁ богаты земляника, вишня, груша, листовая петрушка.

Условия питания растений имеют важное значение для повышения валового сбора и улучшения качества наиболее ценной части урожая. Например, усиление азотного питания увеличивает относительное содержание в растениях белка, а повышение уровня фосфорно-калийного питания – углеводов (сахарозы) в корнеплодах сахарной свеклы, крахмала в клубнях картофеля. Созданием оптимальных условий питания можно повысить накопление наиболее ценных в хозяйственном отношении органических соединений в составе сухого вещества растений.

Сухое вещество растений имеет в среднем следующий элементный состав (в % по массе): углерод – 45, кислород – 42, водород – 6,5, азот и зольные элементы – 6,5. Всего в растениях обнаружено более 70 химических элементов. Из них 20 относятся к необходимым, так как без них растения не могут жить и их нельзя заменить другими элементами. Это кислород, углерод, водород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, натрий, сера, железо, хлор, марганец, бор, цинк, медь, молибден, кобальт, ванадий и йод. Кроме того, еще 12 элементов считаются условно необходимыми, так как иногда оказывают положительное влияние на растения. Это кремний, литий, стронций, кадмий, свинец, серебро, селен, хром, фтор, никель, алюминий и титан.

Углеводы, жиры и прочие безазотистые органические соединения построены из трех элементов – углерода, кислорода и водорода, а в состав белков и других азотистых органических соединений входит еще азот. Эти четыре элемента получили название органогенных, на их долю в среднем приходится около 95 % сухого вещества растений. При сжигании растительного материала органогенные элементы улетучиваются в виде газообразных соединений и паров воды, а в золе остаются преимущественно в виде оксидов многочисленные зольные элементы, на долю которых приходится в среднем около 5 % массы сухого вещества.

Азоти такие зольные элементы, как фосфор, сера, калий, кальций, магний, натрий, хлор, железо, содержатся в растениях в относительно больших количествах (от нескольких процентов до сотых долей процента сухого вещества) и называются макроэлементами. Другие элементы, которые также важны для растений, но содержатся в меньших количествах (от тысячных до стотысячных долей процента), называются микроэлементами. К ним относятся бор, марганец, медь, цинк, молибден, кобальт и ванадий. Химические элементы, встречающиеся в растениях в еще меньших количествах, чем микроэлементы, называются ультрамикроэлементами.