Сельскохозяйственная биология, 2008, № 5, с. 110-115.

УДК 633.14«324»:664.746

АДАПТАЦИЯ РОТОРНОГО ВИСКОЗИМЕТРА VT5L/R К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЯЗКОСТИ ВОДНОГО ЭКСТРАКТА ЗЕРНОВОГО ШРОТА ОЗИМОЙ РЖИ

А.С. ТИМОЩЕНКО, А.А. ГОНЧАРЕНКО, Е.Н. ЛАЗАРЕВА

Адаптировали роторный вискозиметр VT5L/R к определению относительной вязкости водного экстракта зернового шрота озимой ржи за счет оптимизации соотношения воды и сухой навески. Выявлены причины образования водных экстрактов с аномально высокой вязкостью и способы ее коррекции. Предложена схема последовательности и длительности операций при оценке селекционного материала по вязкости водного экстракта зерна.

Ключевые слова: озимая рожь, вязкость водного экстракта, вискозиметр, полисахариды.

Биохимический состав зерна злаков, как известно, во многом определяет их хозяйственную ценность (1). Зерно озимой ржи в сравнении с пшеницей и тритикале отличается фракционным составом запасного белка и лучшей сбалансированностью его по незаменимым аминокислотам, большей величиной среднего диаметра крахмального зерна и, что наиболее существенно, повышенным содержанием водоэкстрактивных и неэкстрактивных некрахмальных полисахаридов (2-4).

Свойство некрахмальных полисахаридов связывать воду, а водоэкстрактивных — еще и образовывать вязкие экстракты (слизи) обусловливает их двойственный вклад в хозяйственную ценность зерна ржи. С одной стороны, эти соединения при повышении содержания снижают питательную ценность кормового зерна, с другой — наоборот, улучшают хлебопекарные свойства ржаной муки (4-6), что указывает на исключительную важность мониторинга селекционного материала по этому показателю. Структурно некрахмальные полисахариды представляют собой субъединицы с различными мономерными звеньями, связанными между собой в макромолекулы неодинаковой молекулярной массы посредством остатков глюкозы (7). Многочисленные исследования показывают, что вязкость водного экстракта зернового шрота (ВЭЗШ) напрямую зависит не только от содержания (r = +0,62…0,96), но и от структуры полисахаридов по молекулярной массе (r = +0,84…0,96) (4, 7, 8). Кроме того, имеются сведения о косвенной взаимосвязи (r = -0,93) вязкости ВЭЗШ со средней величиной крахмального зерна (3), в связи с чем все чаше вязкость ВЭЗШ рассматривается в селекционном процессе как своеобразный интегральный показатель качества зерна (4, 9). Однако использование вязкости ВЭЗШ для оценки селекционного материала озимой ржи связано с некоторой спецификой определения этого параметра.

Вязкость ВЭЗШ отличается от вязкости жидкостей и истинных растворов тем, что представляет собой величину не абсолютную, а относительную и зависит не от одного фактора — температуры, а от нескольких — температуры, концентрации вещества, образующего экстракты, и дополнительной силы (избыточного давления, разряжения, крутящего момента и т.д.) (10). В связи с этим значения вязкости ВЭЗШ сопровождают условиями, при которых они были получены. В противном случае результаты, представленные разными авторами, окажется невозможно сравнить или интерпретировать.

Практически вязкость растворов и жидкостей оценивают с помощью различных вискозиметров. Для массового определения вязкости водных экстрактов предпочтительнее роторные, веретенные или вибрационные вискозиметры из-за более высокой производительности и точности измерения относительно приборов капиллярного типа. Производимые вискозиметры отградуированы по значениям абсолютной вязкости, но не адаптированы к работе с водными экстрактами, имеющими относительную вязкость.

В связи с этим целью нашей работы была адаптация роторного вискозиметра VT5L/R (фирма «Haake», Германия) к работе с вязкостью ВЭЗШ при использовании этого показателя для мониторинга селекционного материала на качество зерна.

Методика. Исходным материалом для установления диапазона значений вязкости, выбора ротора, отношения количества воды к массе сухой навески шрота (ОВ к СНШ) и условий коррекции вязкости служили 26 образцов, включающих в себя сорта-популяции и самоопыленные линии озимой ржи урожая 2003 года, а также образцы отдельных сортов и популяций с контрастной и аномально высокой вязкостью водных экстрактов урожая 2005-2007 годов. В качестве адаптируемого прибора использовали роторный вискозиметр VT5L/R (фирма «Haake», Германия) с адаптером малого объема (9 мл) и набором роторов TL5, TL6, TL7. Необходимый ротор TL5 для вискозиметра выбрали на основании установленного диапазона (1,3-5,2 сР•с) изменения вязкости водного экстракта при ОВ к СНШ 1,0:12,5 измерением с помощью капиллярно-проточного вискозиметра 26 исходных образцов по авторской методике (10). Оптимальное ОВ к СНШ для роторного вискозиметра подбирали в соответствии с установленным диапазоном вязкости (1,3-5,2 сР•с) с расчетом выявления четких различий (максимально возможной величины разностной вязкости) между сравниваемыми образцами. Для этого определяли вязкость водных экстрактов 26 исходных образцов с помощью роторного вискозиметра в отношениях 80, 120, 135, 145 и 155 мг сухой навески к 1 мл дистиллированной воды, или 1,0:12,5; 1,0:8,3; 1,0:7,4; 1,0:6,9 и 1,0:6,4 по массе. С этой целью зерно размалывали на лабораторной мельнице ЭМ-3А (Россия) в течение 1,5 мин и определяли влажность шрота. Шрот (2-3 г) суспендировали в дистиллированной воде при 30 °С в течение 60 мин при постоянном перемешивании. Водный экстракт осветляли центрифугированием при 8500 об/мин в течение 10 мин. Водные экстракты с высокой и аномально высокой вязкостью (от 30 до 200 сР•с) анализировали на прозрачность визуально и фотометрически в видимом диапазоне (550 нм) спектра относительно дистиллированной воды с помощью спектрофотометра Hitachi-101 (Япония). При необходимости пробы повторно осветляли центрифугированием в форсированном режиме при 11 000 об/мин в течение 15 мин. Во всех случаях осветленный экстракт (9 мл) помещали в измерительный стакан адаптера вискозиметра и проводили измерение вязкости при температуре 25 °С с ротором TL5, обеспечивающим работу в диапазоне 0,3-200 об/мин и вязкости экстрактов 1,2-50 сР•с, а также в следующих поддиапазонах: 1,2-15 сР•с при 200 об/мин; 15-20 сР•с при 100 об/мин; 20-40 сР•с при 60 об/мин; 40-50 сР•с при 50 об/мин. Величину среднего диаметра крахмального зерна во всех случаях определяли гранулометрическим методом (3), содержание полисахаридов в водных экстрактах — весовым (11), средневзвешенную молекулярную массу полисахаридного комплекса — гель-фильтрацией на Sephadex G200 при температуре 25 °С (7) с использованием хроматографа Hitachi 860 (Япония). Результаты экспериментальных данных представлены в виде среднего арифметического из 3-4 аналитических определений.

Результаты. Оценка 26 образцов зернового шрота озимой ржи по показателям вязкости варьировала в зависимости от различных значений ОВ к СНШ (табл. 1). Вариабельность вязкости в диапазоне 1,3-5,2 сР•с при ОВ к СНШ 1,0:12,5 нарастала по мере увеличения ОВ к СНШ (Сv = 8,1-26,8 %), в то время как среднее значение вязкости в пределах этого диапазона снижалось (η = 8,2-3,1 сР•с), указывая на увеличение разбавления экстракта, то есть снижение в нем концентрации полисахаридов. Вариабельность разностной вязкости, влияющая на четкость различий между сравниваемыми образцами, сначала снижалась (Сv= 41,1-27,5 %) при увеличении ОВ к СНШ, но в дальнейшем вновь возросла до 40,3 %. Потенциальное увеличение четкости различий между сравниваемыми образцами посредством дальнейшего разбавления экстракта, то есть увеличения ОВ к СНШ более 1,0:12,5, оказалось невозможным из-за ограничения по нижнему пределу диапазона (η = 1,3 сР•с), близкому к вязкости дистиллированной воды (см. табл. 1). В связи с этим оптимальным ОВ к СНШ приняли среднее арифметическое из трех следующих соотношений — 1,0:12,5; 1,0:8,3 и 1,0:7,4, равное 1,0:9,4 по массе, или 1 мл воды к 106 мг сухой навески шрота.

Многолетние исследования показали (4), что селекционный материал по ВЭЗШ в ряде случаев характеризуется высокой вариабельностью (Сv = 33,3-48,4 %) и может включать в себя водные экстракты с аномально высокой вязкостью. Оценка факторов, влияющих на первоначальную,

Рис. 1. Крахмальные зерна водных экстрактов зернового шрота озимой ржи: А — нормальная вязкость (η = 2,6 сР•с), ротор TL5, 200 об/мин, температура 25 °С, осветление экстракта при 8500 об/мин 10 мин; Б — аномально высокая вязкость (η = 93,5 сР•с), ротор TL5, 30 об/мин, температура 25 °С, осветление экстракта при 8500 об/мин 10 мин; В — образец Б после форсированного осветления экстракта, вязкость η = 14,8 сР•с, ротор TL5, 200 об/мин, 11 000 об/мин 15 мин. ?300.

аномально высокую вязкость, показала, что первопричиной этого служит не увеличение содержания, а повышение структурированности полисахаридного комплекса, выражающееся в увеличении его средневзвешенной молекулярной массы (1,65-4,94 кДа), а также снижении среднего диаметра крахмального зерна (табл. 2). Гранулометрическим анализом установили, что в таких водных экстрактах содержится более 10 % (от общего количества) крахмальных зерен с диаметром менее 0,35 мкм. При относительно высокой средневзвешенной молекулярной массе полисахаридного комплекса образуется как бы своеобразное молекулярное сито, через которое в режиме штатного осветления экстракта центрифугированием при 8500 об/мин седиментация таких крахмальных зерен затруднена (рис. 1, А, Б). Водный экстракт, содержащий эти мелкие крахмальные зерна, по вязкости скорее всего очень близок к коллоидной системе. Вязкость такого образца, как правило, намного выше реальной величины. Подобные образцы после штатного осветления центрифугированием характеризуются более низкой прозрачностью (табл. 3), тестируемой визуально или инструментальным анализом. Обычно после проведения повторного, форсированного (11 000 об/мин, 15 мин) осветления взвешенные крахмальные зерна полностью осаждаются (см. рис. 1, В), прозрачность образцов принимает нормальный вид, а вязкость — реальное значение (см. табл. 3).Практика показала, что признаками аномально высокой вязкости экстрактов могут быть отсутствие прозрачности после штатного осветления (8500 об/мин, 10 мин) и относительно высокая вязкость (более 30 сР•с) при кажущейся прозрачности образца. В обоих случаях причиной аномально высокой вязкости экстрактов служат мелкие (до 0,35 мкм) и особо мелкие (ниже 0,35 мкм) зерна крахмала, практически не осаждающиеся при 8500 об/мин. Подобные образцы повторно осветляют в форсированном режиме при 11 000 об/мин в течение 15 мин.

Рис. 2. Поточная линия для определения относительной вязкости водных экстрактов зернового шрота озимой ржи.

Адаптированный роторный вискозиметр VT5L/R, включенный в технологическую цепочку для оценки селекционного материала по вязкости водного экстракта зерна (рис. 2), существенно повышает производительность анализа, однако узким местом становится получение водных экстрактов. В этой связи целесообразно использовать блок для получения водного экстракта, состоящий из 8-10 самостоятельных ячеек (рис. 3). Каждая ячейка включает в себя магнитную мешалку [1] с прикрепленным к ней теплоудерживающим стаканом [2], бюкс с крышкой [3], магнитом [4] и резиновой прокладкой [5] (см. рис. 3). Поточная линия, состоящая из одного роторного вискозиметра, 10 ячеек для получения водных экстрактов и 2 центрифуг типа 317а (Польша) для осветления водных экстрактов, обеспечивает проведение анализа 10 образцов за рабочий день.

Рис. 3. Ячейка для получения водных экстрактов зернового шрота озимой ржи: 1 — магнитная мешалка; 2 — теплоудерживающий стакан; 3 — бюкс с крышкой; 4 — магнит; 5 — резиновая прокладка; 6 — клеевой шов.

Таким образом, в целом процесс оценки селекционного материала по вязкости водного экстракта зернового шрота озимой ржи с использованием роторного вискозиметра VT5L/R включает перечень следующих последовательно выполняемых операций. Уравновешивают влагосодержание анализируемого селекционного материала, выдерживая партию зерна до 2 сут в условиях лаборатории. Приготовляют зерновой шрот, отбирая 5 г зерна и осуществляя его помол в течение 1 мин на лабораторной мельнице ЭМ-ЗА (Россия). Определяют влагосодержание зернового шрота (выборочно 2-3 образцов), используя 2 г шрота (весовым методом при температуре 130 °С в течение 60 мин). Отбирают навеску шрота и приливают к нему объем воды, исходя из вместимости (объема) адаптера вискозиметра (9 мл) и соотношения между H₂O и сухой навеской шрота 1,0:9,4 по массе, или 1 мл к 106 мг (20,9 мл к 2,22 г). Получают водный экстракт зернового шрота при температуре 30 °С в течение 60 мин при постоянном перемешивании. Осветляют водный экстракт центрифугированием при 8500 об/мин в течение 10 мин. Осветленные образцы визуально проверяют перед определением вязкости на прозрачность экстракта и в случае необходимости (появления непрозрачных экстрактов) проводят повторное осветление в форсированном режиме (11 000 об/мин, 15 мин). Определяют относительную вязкость при температуре 25 °С в адаптере малого (9 мл) объема с ротором TL5 при 200 об/мин. Прозрачные образцы, прошедшие первое измерение, с вязкостью более 30 сР•с подвергают (с целью проверки) повторному осветлению в форсированном режиме (11 000 об/мин, 15 мин). При необходимости могут быть использованы следующие поддиапазоны режима определения на роторе TL5: от 1 до 15 сР•с — 200 об/мин; от 15 до 20 сР•с — 100 об/мин; от 20 до 40 сР•с — 60 об/мин и от 40 до 50 сР•с — 50 об/мин.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. К а з а к о в Е.Д., К р е т о в и ч В.Л. Биохимия зерна и продуктов его переработки. М., 1980.
2. Р я д ч и к о в В.Г. Улучшение зернобобовых белков и их оценка. М., 1978.
3. Г о н ч а р е н к о А.А., Т и м о щ е н к о А.С. Связь структуры крахмального комплекса озимой ржи с вязкостью водного экстракта. Докл. РАСХН, 2006, 6: 6-10.
4. Г о н ч а р е н к о А.А., Т и м о щ е н к о А.С., Б е р к у т о в а Н.С. и др. Вязкость водного экстракта озимой ржи как универсальный признак при селекции на целевое использование. С.-х. биол., 2007, 3: 44-49.
5. B e d f o r d M.R., C l a s s e n H.,L., C a m p b e l l G.L. The effect of pelleting, salt and pentosanase on the viscosity of intestinal contents and the performance of broilers feed rye. Poultry Sci., 1991, 70: 1571-1577.
6. M a r q u a r d t R.R., B o r o s D., G u e n t e r W. e.a. The nutritive value of barley, rye, wheat and corn for young chicks as affected by use of a Trichoderma reesei enzyme preparation. Anim. Feed. Sci. Technol., 1994, 7: 575-580.
7. Г о н ч а р е н к о А.А., Т и м о щ е н к о А.С., Б е р к у т о в а Н.С. и др. Средневзвешенная молекулярная масса водно-экстрактивных пентозанов озимой ржи и ее связь с технологическими и хлебопекарными качествами зерна. Докл. РАСХН, 2008, 4: 3-7.
8. B o r o s D., M a r q u a r d t R.R., S l o m i n s k y B.A. e.a. Extract viscosity as an indirect assay for water-soluble pentosan content in rye. Cereal Chem., 1993, 7(5): 575-580.
9. B o r o s D., M a d e j L., J a g o d z i n s k i J. Perspectives of selection for better nutritive quality of rye. Ll. Plant Breed. Seed. Sci., 1997, 41: 81-89.
10. Т и м о щ е н к о А.С., Г о н ч а р е н к о А.А. Определение динамической вязкости водного экстракта зернового шрота озимой ржи с помощью капиллярно-проточного вискозиметра. Метод. реком., М., 2005.
11. Т и м о щ е н к о А.А., Г о н ч а р е н к о А.А. Весовой метод определения содержания пентозанов в зерне озимой ржи. Докл. РАСХН, 2004, 4: 8-11.

ADAPTATION OF ROTARY VISCOSIMETER VT5L/R TO DETERMINING OF RELATIVE VISCOSITY OF WATER EXTRACT OF GRAIN SCHROT OF WINTER RYE

A.S. Timoshchenko, A.A. Goncharenko, E.N. Lazareva

The authors adapted the rotary viscosimeter VT5L/R to determining relative viscosity of water extracts of grain schrot of winter rye due to optimization of water to dry sample ratio. The reasons of formation of quasiviscous water extracts and the way of their correction were established. The scheme of operation sequence and duration for estimating selection material by viscosity of grain water extract was suggested.

Key words: winter rye, water extract viscosity, viscometer, polysaccharides.

Оформление электронного оттиска