качественный состав белка зерна ярового ячменя в условиях

УДК 633.11 (324):551.5
В.В. Глуховцев, академик Россельхозакадемии, профессор;
Н.В. Дровальева, канд. с.-х. наук,
ГНУ Поволжский НИИСС им. П.Н. Константинова РАСХН
[email protected]
КАЧЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ БЕЛКА ЗЕРНА ЯРОВОГО
ЯЧМЕНЯ В УСЛОВИЯХ СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ
В статье рассмотрены особенности количественного и качественного
состава белка зерна ярового ячменя различного направления использования
(пивоваренного, кормового, крупяного), изменчивость его аминокислотного
фона в зависимости от сортовых и погодных особенностей.
In the article these are considered features of qualitative and quantitative
composition of spring barley protein of different spheres of application (brewing,
fodder, cereals), variability of its amino acid background depending upon variety
and weather features.
Ключевые
слова:
пивоваренный
ячмень,
содержание
белка,
аминокислотный состав белка, лизин, валин, триптофан, метионин,
треонин.
Keywords: brewing barley, protein content, amino acid protein content,
lysine, valine, tryptophan, methionine, threonine.
По занимаемым площадям ячменю принадлежит четвѐртое место в
мире (после пшеницы, кукурузы и риса), а в Российской Федерации это
вторая культура по площади возделывания, что говорит о еѐ большом
народнохозяйственном значении.
По мнению философа древности Плиния (23 – 79 гг. н.э.), «ячмень –
самый надѐжный из всех злаков; его убирают раньше, чем ржавчина нападает
на пшеницу; умные хозяева сеют пшеницу только для стола, а для кошелька ячмень» [1].
Возделывание ячменя в России осуществляется практически во всех
регионах. Основной сбор ячменя приходится на Центральный – 36,4 % и
Приволжский – 24,0 % федеральные округа (рис. 1). Среднегодовое валовое
производство ячменя за период 1971-2009 гг. составило 210,4 млн т.
Значительный объѐм сбора ячменя отмечался в 1976–1980 гг. (27,3 млн т). За
последние одиннадцать лет (2000–2010гг.) валовой сбор ячменя был в
среднем на уровне 15,6–18,0 млн т и лишь в 2008 году превысил 20 млн т
(рис. 2).
УФО -6 %СЗФО -1 %
ДалФО -1
%
СибФО -13
%
ЦФО -36 %
ЮФО -19
%
ПривоФО 24 %
Рис. 1. Доля федеральных округов Российской Федерации в сборе ярового
ячменя (в весе после доработки), 2009 г.
Одна пятая часть от внутреннего сбора ячменя направляется на
экспорт. В структуре экспорта основная доля приходится на фуражный
ячмень.
Ряд2; 19761980; 27,3
Ряд2; 1971Ряд2; 19911975; 22,2Ряд2; 198122,01995; 21,7
1985; 20,2
Ряд2; 2008;
23,2
2006; 2007;
Ряд2; Ряд2;
2001- Ряд2;
2005; 15,816,3 15,6
Ряд2; 19962000; 12,9
18,0
Ряд2; 2010;
8,4
Рис. 2. Валовой сбор ярового ячменя (средний показатель), млн т [2]
Так, например экспорт ячменя в 2009 г. в сравнении с 2008 г. вырос в 3
раза. Основной страной назначения российского экспорта ячменя была
Саудовская Аравия (58,8%). Географическое месторасположение данного
государства позволяет дальнейшую перепродажу российского ячменя в
страны дальнего зарубежья. На втором месте в закупках отечественного
ячменя – Иран (9,9%). На страны СНГ приходится менее 1 % закупок
российского ячменя.
Импорт ячменя незначителен по объѐму в сравнении с экспортом. В
Россию в основном ввозится ячмень, произведѐнный в Казахстане (90%), на
втором месте Швеция (8%) [3].
Широкое
использование
ячменя
объясняется
его
ценными
биологическими свойствами: высокой потенциальной продуктивностью,
раннеспелостью, засухоустойчивостью, технологическими достоинствами
зерна.
Критериями кормовой и технологической ценности зерна ярового
ячменя является ряд биохимических показателей, одну из лидирующих
позиций в нѐм занимает белок. Количество и качество белка зависит как от
генетических факторов, так и от условий внешней среды в период вегетации
сельскохозяйственных культур.
Влияние генотипа и условий внешней среды на величину и состав
белка зерна злаков изучалось многими исследователями [4,5, 6, 7, 8, 9 и др.].
Но до настоящего времени как в науке, так и на практике существуют не
всегда верные трактовки по этому вопросу.
К примеру, можно привести совершенно не обоснованный подход к
оценке пивоваренных качеств ячменя в нашей стране по количеству белка в
зерне, ограничивая его содержание 12 %-м показателем (ГОСТ 5060-67). По
этой причине из зон заготовки пивоваренного сырья были исключены
обширные регионы (Поволжье, Алтай, Сибирь и другие), выращивающие эту
культуру на больших площадях.
Такая оценка пивоваренных ячменей была полностью опровергнута
ещѐ в конце XVIII – начале XIX века русскими и немецкими учѐными (А. Т.
Болотовым (1733); В. Е. Тищенко (1894); A. Cluss (1909); H. Lancaster (1926)),
которые доказали, что русские высокобелковые ячмени могут давать пиво
отличного качества.
До первой мировой войны высокобелковые русские ячмени в
значительном количестве закупались Германией как кормовые по низким
ценам
(половина
от
стоимости
своих
сортов
ячменя)
и
успешно
использовались в пивоварении. И только принятые государственные меры –
увеличение налоговых пошлин и подкрашивание зерна ячменя эозином –
изменили сложившиеся пути использования немецкими пивоварами русских
ячменей.
Оценив достоинства русских ячменей, позволяющих получать пиво с
отличными вкусовыми качествами, известный австрийский потомственный
пивовар Альфред фон Вакано построил в 1881 г. в Самаре Жигулѐвский
пивзавод, продукция которого под маркой «Жигулѐвское» приобрела
мировую известность.
В 20-х годах прошлого столетия с созданием институтов Бродильной
промышленности в Германии и Англии была полностью отвергнута
односторонность
оценки
пивоваренных
качеств
ярового
ячменя
по
количественному содержанию белка в зерне. Было установлено, что
встречаются высокобелковые русские ячмени, которые дают хорошее пиво и
низкобелковые
ячмени,
ферментативности
и
дающие
плохое
повышенного
пиво
содержания
из-за
пониженной
антоцианогенов,
вызывающих муть в пиве и низкое пенообразование.
С развитием биохимической науки учѐными разных стран было
установлено, что качество пива определяется не столько количеством белка в
зерне, сколько продуктами распада его в процессе пивоварения [4, 10, 11, 14].
Белок в зерне ячменя должен учитываться при выборе оптимального
режима
в
технологическом
процессе
пивоварения
в
выявлении
экстрактивности солода и определении стоимости отходного производства –
дробины. По количеству белка в зерне ячменя нельзя давать объективную
оценку его пивоваренных качеств.
Особенности качественного состава белка зерна ярового ячменя,
варьирование его аминокислотного состава в зависимости от сортовых
особенностей и агроэкологических факторов региона пока ещѐ недостаточно
изучены.
Поэтому из совокупности приоритетных направлений своих научных
исследований авторы статьи определили как одну из перспективных и
актуальных целей изучение особенностей аминокислотного состава зерна
различных по направлению использования сортов ярового ячменя в
зависимости от агроэкологических условий Среднего Поволжья.
Материалы и методы. Работа проводилась в 2006–2009 гг. на
опытных полях Поволжского научно-исследовательского института селекции
и семеноводства им. П.Н. Константинова (Поволжский НИИСС).
Полевые опыты закладывались в четырѐхкратной повторности на
делянках конкурсного сортоиспытания, площадью 35 кв.м.
Объектом исследования стали сорта ярового ячменя: пивоваренного
направления использования - Волгарь, Поволжский 65 (Поволжский
НИИСС); кормового – Скиф (Поволжский НИИСС), Донецкий 8 (Украина) и
иностранные сорта крупяного использования - Vodka (Франция), Dolly
(Канада).
Биохимические анализы проведены в агрохимической лаборатории
Поволжского НИИСС. Метеоданные получены с метеорологического поста
Самарской ГСХА (Самарская обл., пгт. Усть-Кинельский).
Статистическую
обработку
опытных
данных
проводили
с
использованием пакета прикладных программ Microsoft Office Excel 2007,
методологических разработок Поволжского НИИСС на основе научных
исследований в агрономии [12, 13].
Результаты. Для оценки биологической ценности белка зерна
целесообразнее определять аминокислотный состав суммарного белка зерна,
а не отдельных белковых фракций. Поэтому в ходе наших исследований
аминокислотный состав был изучен в суммарном белке зерна у ряда сортов
ярового ячменя различного происхождения и типа использования.
Известно, что для конечной стадии созревания зерна, формирования
завершѐнной картины его аминокислотного состава большое значение имеют
погодные условия в период вегетации. Для Среднего Поволжья как правило
период вегетации ярового ячменя начинается со второй-третьей декады мая и
заканчивается
в
третьей
декаде
июля.
Исходя
из
этого,
нами
проанализирован аминокислотный состав белка зерна ярового ячменя
изучаемых сортов в зависимости от сложившегося температурного режима и
количества осадков в период вегетации культуры за годы исследований –
2006–2009.
Анализ резко контрастных агроэкологических условий (температуры
воздуха и количества осадков) по фазам вегетации ярового ячменя позволил
выявить некоторые особенности формирования аминокислотного состава
белка зерна в указанном выше блоке сортов различного происхождения и
использования. Наиболее засушливыми условиями характеризовались 2006 и
2009 годы, где среднесуточная температура воздуха в июне месяце (когда
идѐт интенсивное формирование белка в зелѐных листьях) была 21,8–22,40С
и превышали многолетний показатель на 3,1– 3,70С. В 2007 и 2008 годах
температурный показатель за этот период был ниже многолетнего (18,70С) на
0,7–0,80С при высокой обеспеченности осадками (75,6 и 82,1 мм
соответственно; для сравнения норма – 39,0 мм). Погодные условия 2007 и
2008 годов были более благоприятными для развития культуры ярового
ячменя и формирования урожая зерна по сравнению с 2006 и 2009 годами
(рис. 3).
Среднемесячные показатели
температуры воздуха (градусы
Цельсия) и количества осадков (мм)
Осадки; 2007 июль;
155,9
Осадки; 2008 июнь;
82,1
Осадки; 2008 июль;
68,2
Осадки; 2007 июнь;
75,6
70,0
Осадки; 2006 июнь;
54,6
Осадки; 2009 июль;
Осадки; 2006 май;
Осадки; 2008 май;
38,2
38,1
Осадки;
2007
май;
Температура;
2009
Температура;
2009
Температура;
2007 31,1
Температура;
2006
Температура;
2006
Температура;
2007
Осадки;
2009
июнь;
Осадки;
2009
Температура;
2007
Температура;
2009май;
Температура;
2008
Температура; 2006
22,4
июнь;июль;
22,4
22,0
21,8
июль;
20,9
июнь; 21,8
июль;
18,7
18,0
июнь;
17,9
17,6
15,2
май; 16,3
май; 15,1
май; 14,8
май; 14,8
Температура
Год
Осадки
Рис. 3. Среднемесячная температура воздуха и количество осадков в период
вегетации ярового ячменя, 2006–2009 гг.
В результате проведѐнных исследований выявлено, что в засушливые
годы (2006, 2009) у всех изучаемых сортов ярового ячменя в зерне
отмечалось повышенное содержание белка. В более благоприятные по
погодным условиям годы (2007, 2008) этот показатель был значительно ниже
(рис. 4).
Содержание белка, %
15,0
13,0
2007/2008;
15,0
Скиф,
Донецкий 8;
12,6
2006/2009
14,0
12,0
2007/2008
Рис. 4. Содержание белка зерна ярового ячменя, 2006–2009 гг.
(среднее в группах сортов)
Анализ качественного состава белка подтверждает аналогичную
тенденцию. Так, наибольшее содержание лизина, треонина, валина,
триптофана в группах сортов различного направления использования
отмечается в засушливые годы, а в относительно благоприятные по
погодным условиям годы их содержание снижается. У метионина такой
закономерности не отмечалось. Более стабильный показатель изменения
метионина по годам (2,4 – 2,6 г/кг) у отечественных сортов ячменя даѐт
основания полагать о меньшей степени влияния контрастных погодных
условий вегетации на его формирование (рис. 5).
При изучении корреляционных связей изучаемых биохимических
показателей качества зерна отмечалось, что между содержанием лизина,
треонина, валина и количеством белка зерна изучаемых сортов ярового
ячменя
существует
прямая
положительная
зависимость:
Волгарь,
Поволжский 65– (r = 0,87–0,99), Скиф, Донецкий 8– (r = 0,85– 0,99), Dolly,
Vodka –(r = 0,92–0,99).
В отношении метионина, триптофана такой закономерности не
отмечалось: Волгарь, Поволжский 65 –(r = 0,02–0,15), Скиф, Донецкий 8– (r =
-0,32 – 0,02), Dolly, Vodka– (r = -0,16–0,03).
Анализ
корреляционных
связей
между
содержанием
белка,
аминокислот и погодно-климатическими условиями вегетационного периода
за период исследований показал, что количественный уровень белка, лизина,
треонина и валина в значительной степени зависит от температуры воздуха в
июне месяце: Волгарь, Поволжский 65– (r = 0,83– 0,98), Скиф, Донецкий 8–
(r = 0,71– 0,99), Dolly, Vodka– (r = 0,89–0,99).
Содержание аминокислот, г/кг
Лизин;
Валин;Треонин;
Волгарь,
Волгарь,
Лизин;
Валин;
Dolly,
Dolly,
Поволжский
65
5,05,0 Скиф,
Волгарь,
Треонин;
Лизин; Скиф, Vodka
Vodka
2006/2009;
2006/2009;
Лизин; Волгарь,
2006/2009;
5,1
Треонин;
Поволжский
65
Донецкий 8Донецкий 8
Треонин;
Dolly,
4,64,6
Поволжский
65
Волгарь,
Лизин; Dolly,
2006/2009;
2007/2008;
4,4
4,4
2006/2009; 2007/2008;
4,4
Vodka
2006/2009;
Треонин;
Скиф,
4,3
Поволжский
65
Vodka
2007/2008;
Треонин;
Dolly,
4,1
Донецкий
8
Валин;
Dolly,
4,0
4,0
3,92007/2008;
2007/2008;
3,9
Vodka
2007/2008;
2007/2008; 3,8
Vodka
3,6
3,5
Лизин
Валин
Треонин
Содержание аминокислот, г/кг
Метионин; Скиф,
Метионин;
Метионин;
Волгарь,
Волгарь, Метионин; Скиф, Донецкий 8
2007/2008; 2,6 Метионин; Dolly,
Поволжский 65 Поволжский 65 Донецкий 8
Vodka 2006/2009;Метионин; Dolly,
2006/2009; 2,4 2007/2008; 2,4 2006/2009; 2,4
Vodka 2007/2008;
2,3
2,2
Триптофан;
Волгарь,
Триптофан; Триптофан; Скиф,
Поволжский 65
Донецкий 8 Триптофан; Скиф,
Волгарь,
Триптофан; Dolly,
2006/2009; 0,9 Поволжский 65 2006/2009; 0,9
Донецкий 8 Vodka 2006/2009;
Триптофан; Dolly,
2007/2008; 0,7
0,7
2007/2008; 0,7
Vodka 2007/2008;
0,5
Метионин
Триптофан
Рис. 5. Содержание аминокислот белка зерна ярового ячменя, 2006–2009 гг.
(среднее в группах сортов)
Отмечено, что на увеличение содержания метионина и триптофана у
изучаемых сортов - Волгарь, Поволжский 65– (r = 0,91–0,92), Скиф,
Донецкий 8– (r = 0,75–0,95), Dolly, Vodka –(r = 0,72–0,91) значительное
влияние оказывает температурный режим июля месяца.
Изучение количественного и качественного состава белка зерна
различных сортов ярового ячменя позволило выявить ряд особенностей их
формирования в резко контрастных погодных условиях.
В засушливые годы (2006, 2009) отмечалось повышение содержания
белка у всех изучаемых сортов различного направления использования на 2,0
– 2,4 % по сравнению с более благоприятными по погодным условиям
вегетации годами (2007, 2008).
Установлена прямая положительная зависимость между количеством
белка и содержанием лизина, треонина и валина по всем изучаемым сортам (r
= 0,85–0,99) за годы изучения (2006 – 2009 гг.).
Выявлено, что количество белка и незаменимых аминокислот – лизина,
треонина и валина в значительной степени зависит от среднесуточной
температуры
воздуха
в
июне
месяце,
когда
отмечается
наиболее
интенсивный период их формирования (r = 0,71 – 0,99). На увеличение
содержания метионина и триптофана определяющее влияние в период
вегетации ячменя оказывает температурный режим июля месяца (r = 0,72 –
0,95).
Наибольшая стабильность аминокислотного состава отмечалась по
метионину. За все опытные годы его содержание в зерне ячменя по всем
отечественным сортам различного типа использования было в пределах 2,4 –
2,6 г/кг.
Проведѐнные исследования по изучению белка зерна ярового ячменя,
его
аминокислотного
состава
у
различных
по
происхождению
и
использованию сортов показали их технологическую универсальность и
высокую
пластичность.
Так,
ячмени
пивоваренного
направления
использования Волгарь и Поволжский 65 могут успешно применяться как на
пивоваренные,
так
и
на
кормовые,
крупяные
цели.
По
данным
технологической лаборатории ВИР общий выход крупы у них составил 63 –
64 %, номерной – 99 – 100 %. Вкусовые качества крупы отличные и
превышают по этому признаку все зарубежные сорта. Они отличаются
высокими показателями по лизину и ряду других незаменимых аминокислот,
что положительно сказывается на получении пива высокого качества даже
при повышенном содержании белка.
Литература
1. Шеуджен, А.Х. Происхождение, распространение и история возделывания
культурных растений Северного Кавказа/ А.Х. Шеуджен, Е.М. Харитонов,
Т.Н. Бондарева.– Майкоп: Адыгея, 2001.
2. По данным Министерства сельского хозяйства и продовольствия
Российской Федерации. – www.mcx.ru.
3. По данным Российского статистического ежегодника, 2010.
4. Иванов, Н.Н. Биохимическая характеристика ячменей СССР / Н.Н. Иванов.
– М:, 1935.
5. Тищенко, В.Е. О сортах русского пивоваренного ячменя / В.Е. Тищенко. –
1894.
6. Лясковский, Н.Е. О химическом составе пшеничного зерна / Н.Е.
Лясковский. – М., 1865.
7. Регель, Р.Э. Протеин в зерне русского ячменя /Р.Э. Регель. М:, – 1909.
8. Коданев, И.М. Повышение качества зерна / И.М. Коданев. – М.: Колос,
1976.
9. Созинов, А.А. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции /
А.А. Созинов. - М.: Наука, 1985. - С. 51-70.
10. Сичкарь, В.И. Улучшение зерновых и бобовых культур по содержанию и
качеству
белка
методом
экспериментального
мутагенеза/В.И.чкарь//
Генетика.– 1976. – XII, № 2.– С. 145–153.
11. Глуховцев, В.В. Влияние погодных условий на количество белка в зерне
ярового ячменя в Среднем Поволжье / В.В. Глуховцев, Н.В. Дровальева //
Современные методы адаптивной селекции зерновых и кормовых культур:
сб. науч. тр. / Поволжский НИИСС. – Самара, 2003. – С. 31-35.
12. Глуховцев, В.В., Кириченко, В.Г., Зудилин, С.Н. Практикум по основам
научных исследований в агрономии. – М.: Колос, 2006.
13. Глуховцев, В.В. Основы научных исследований в агрономии: курс лекций
/ В.В. Глуховцев, С.Н. Зудилин, В.Г. Кириченко. – Самара: РИЦ СГСХА,
2008.
14. Windisch, W. Empirie und Wissenschaft im Braugewerbe. Wochenschrift für
Brauer. 1927.