Химический состав растений и качество растениеводческой продукции
Глава 2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ
Химический состав растений и качество растениеводческой продукции
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.