Влияние удобрений на урожайность и качество зерна сои

Таким образом, подбирая эффективные штаммы клубеньковых бактерий и создавая оптимальные условия для симбиотической азотфикации (орошение, известкование почвы, молибденовые удобрения и др.), можно значительно повысить урожайность зернобобовых культур и накопление в их семенах запасных белков. В то же время уровень урожайности и общий сбор белков у зернобобовых растений зависят от внесения фосфорных и калийных удобрений, которые при интенсивной азотфиксации становятся основными факторами повышения урожайности этих культур и улучшения качества зерна.

14.3. МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ

Масличные растения возделывают с целью получения растительных жиров, называемых маслами, которые синтезируются и накапливаются как запасные вещества в семенах. Кроме жиров, ценность семян масличных растений также определяется содержанием в них белков, хорошо сбалансированных по аминокислотному составу, и растворимых в жирах витаминов. Исходя из особенностей химического состава семян масличных культур, видно, что основное направление их хозяйственного использования - получение растительных масел и жмыхов, которые образуются как побочные продукты после экстракции масла и характеризуются высоким содержанием белков (40-50% сухой массы).

Из жмыхов после дополнительной экстракции, сушки и измельчения получают высокобелковые шроты, используемые в животноводстве для приготовления комбикормов. У некоторых масличных культур в семенах синтезируются цианогенные гликозиды, алкалоиды, токсические полифенольные вещества, поэтому при использовании жмыхов, полученных из семян этих растений, для кормления сельскохозяйственных животных необходимо удалять из них вредные токсические вещества.

Накопление жиров. Основные запасные вещества семян масличных растений - жиры, или ацилглицерины, содержание которых в семенах льна, конопли, горчицы, подсолнечника составляет 30-50%, а в маке и клещевине достигает 50-60%. В семенах сои, хлопчатника, кориандра количество жира значительно ниже - 17-25%.

Растительные жиры - богатые энергией продукты и при их окислении высвобождается значительно больше энергии, чем при окислении такой же массы углеводов или белков. Установлено, что энергетическая ценность 1 г жира в среднем составляет 39 кДж, углеводов - 17 кДж, белков - 22-24 кДж. Питательная ценность жиров определяется также содержанием в них полиненасыщенных жирных кислот - линолевой и линоленовой, которые не синтезируются в организме человека и животных и должны поступать с пищей. В связи с этим растительные жиры представляют собой важные источники незаменимых жирных кислот для человека и сельскохозяйственных животных. В маслах льна, конопли, мака, подсолнечника, сои, хлопчатника, арахиса содержание этих кислот достигает 40-80% общего количества жирных кислот.

Технические свойства растительных жиров также зависят от содержания жирных кислот с двумя и тремя двойными связями - чем их больше в составе масла, тем оно легче окисляется и быстрее высыхает на воздухе и тем выше качество олифы, лаков и красок, производимых на основе растительных жиров. Для характеристики содержания в масле ненасыщенных жирных кислот используется показатель - йодное число. Установлено, что масла с хорошими техническими свойствами имеют йодные числа в пределах 140-180, пищевые масла - 90-130. Если в растительных жирах содержится более 50% насыщенных кислот (пальмитиновая, стеариновая, лауриновая и др.), то они имеют твёрдую консистенцию (кокосовое, пальмовое масла, масло бобов какао и др.).

Для оценки пищевой пригодности масла используется ещё один показатель - кислотное число, которое показывает количество свободных жирных кислот в масле, образующихся в процессе его прогоркания. При значениях кислотного числа свыше 5 мг КОН на 1 г жира пищевые свойства масла ухудшаются и оно не может использоваться на пищевые цели.

Жиры откладываются в ядрах семян, образуя упорядоченные внутриклеточные структуры, называемые сферосомами . Сферосомы – это сферические частицы диаметром 0,5 мкм, окружённые липопротеиновой мембраной. Кроме жиров, в сферосомах содержатся фосфолипиды, фитин и ферменты, участвующие в гидролизе жиров (во время прорастания семян). Образование структурных компонентов жира - глицерина, насыщенных и ненасыщенных с одной двойной связью жирных кислот - происходит в цитоплазме, а ненасыщенных жирных кислот с двумя и тремя двойными связями и ацилглицеринов - в гладком эндоплазматическом ретикулуме. Синтезируются жиры из углеводов, поступающих в семена из листьев, стеблей и элементов соцветия.

Вскоре после цветения в завязавшихся семенах довольно интенсивно синтезируются структурные элементы клеток, каталитические белки, крахмал, нуклеиновые кислоты. В этот период в семенах также содержится много растворимых углеводов и небелковых азотистых веществ, а жира очень мало. Интенсивное превращение углеводов в жир начинается после того, как завершается формирование семенных тканей, которое продолжается у большинства масличных культур 2-3 недели.

Накопление жира сопровождается уменьшением концентрации сахаров, крахмала, пентозанов. О начале интенсивного синтеза жиров можно судить по изменению дыхательного коэффициента, который в этот период значительно повышается. Интенсивный синтез жира продолжается почти до полного созревания семян и заметно снижается лишь в самом конце их созревания. Динамика содержания жиров и углеводов в созревающих семенах масличных культур показана на примере клещевины (рис. 59).

Степень зрелости семян оценивают по изменению кислотного числа, характеризующего содержание в масле свободных жирных кислот. На первых этапах созревания семян кислотное число обычно составляет 30-40 мг КОН на 1 г масла, что свидетельствует о высоком содержании свободных жирных кислот и низкой скорости синтеза жиров. К концу созревания семян кислотное число понижается до 1,5-2,5.

В процессе созревания семян изменяется качество масла, которое зависит от состава жирных кислот. Масло из незрелых семян отличается повышенным содержанием насыщенных кислот - пальмитиновой и стеариновой, вследствие чего йодное число такого масла очень низкое. По мере созревания семян усиливается синтез ненасыщенных кислот, и особенно полиненасыщенных - линолевой и линоленовой, в связи с чем, йодное число повышается на 20-30 единиц и более. Так, например, в процессе созревания семян подсолнечника количество пальмитиновой и стеариновой кислот уменьшается от 25-30% до 6-10% общего количества жирных кислот в масле, а содержание линолевой кислоты удваивается и составляет в масле зрелых семян 65-80%. Содержание в масле олеиновой кислоты также снижается.

В семенах льна в процессе созревания повышается интенсивность синтеза линоленовой кислоты и включение её в состав ацилглицеринов, тогда как количество других кислот в масле уменьшается.

Состав и свойства растительных масел зрелых семян основных масличных культур представлен в таблице 20.

20. Характеристика растительных масел основных масличных культур.

В семенах масличных культур накапливаются и другие липиды, главным образом фосфолипиды, стероидные липиды (0,1-1 %) и фитин (1-3%), которые при экстракции растворяются в масле. В растительных жирах содержатся также жирорастворимые витамины, особенно много токоферола (витамина Е) - 50-100 мг%. Фосфолипиды, фитин, жирорастворимые витамины - ценные компоненты растительного масла, повышающие его питательную ценность, их содержание в процессе созревания семян существенно повышается.

При уборке недозрелых семян масличных растений возможен значительный недобор растительных жиров, других липидов, витаминов. Масло, полученное из таких семян, характеризуется низким качеством (низкое йодное и повышенное кислотное число).

Накопление белков. У большинства масличных культур основные белки семян – глобулины, на их долю приходится 55-70 % от общего количества белков, тогда как альбумины составляют 10-28 %, глютелины 10-15 %. В семенах льна и арахиса больше альбуминов – до 40-50 % общей суммы белков и меньше глобулинов – 30-35 %. В семенах горчицы много содержится глютелинов – 20-30 %, но понижено количество глобулинов (20-40 %).

В связи с тем, что основную часть белков семян масличных культур составляют глобулины и альбумины, суммарные белки семян хорошо сбалансированы по содержанию незаменимых аминокислот и поэтому имеют высокую биологическую ценность (80-90 %). Общее количество белков в семенах масличных растений 15-30 %. Запасные белки синтезируются в семенах из аминокислот, поступающих из вегетативных органов растений. Механизм синтеза примерно такой же, как у зернобобовых культур.

На первых этапах созревания семян в основном образуются структурные, каталитические и регуляторные белки, а синтез запасных белков начинается несколько позже, когда заканчивается формирование семенных тканей, и продолжается до полного созревания семян. Концентрация небелковых соединений азота в процессе созревания семян понижается.

В белковом комплексе семян в процессе их формирования увеличивается концентрация высокомолекулярных белков - глобулинов. У некоторых культур наблюдается накопление глютелинов (в горчице до 30% общего количества белков). Кроме белков, в семенах масличных растений в небольшом количестве содержатся небелковые азотистые вещества – свободные аминокислоты и их амиды, азотистые основания, нуклеиновые кислоты.

Углеводы. В семенах масличных растений не откладывается крахмал, так как у них основным запасным веществом является жир. Однако в ядрах семян содержится 2-5 % сахаров, значительную часть которых представляет сахароза. Кроме того, в тканях ядер семян имеются структурные углеводы – 2-6 % клетчатки, гемицеллюлоз и пектиновых веществ. Оболочки семян в основном состоят из целлюлозы и гемицеллюлоз, а также пектиновых веществ.

В целых семенах масличных культур, имеющих более толстую оболочку, количество клетчатки обычно составляет 15-25 % (подсолнечник, конопля, клещевина, хлопчатник, кориандр). У других масличных культур в семенах содержится меньше клетчатки – 5-10 %. Содержание гемицеллюлоз и других углеводов изменяется в довольно значительных пределах – 10-25 %, а в семенах клещевины оно составляет 2-14 %.

Минеральные вещества. Зольность семян масличных культур составляет в среднем – 2-6 %. В золе преобладают оксиды фосфора (30-40 %) и калия (20-30 %) и довольно много также содержится СаО (5-15 %), MgО (5-10 %) и NaО (6-9 %), а в оболочках семян много кремния. Кроме указанных химических элементов, в золе семян масличных культур в небольших количествах имеются сера, железо, медь, марганец, цинк, молибден и другие микроэлементы.

Токсические вещества. Семена некоторых масличных культур содержат токсические вещества. В семенах льна накапливается линамарин, относящийся к цианогенным гликозидам (см. стр. …). В семенах клещевины имеется алкалоид рицинин, содержащий цианидную группировку, которая обусловливает токсичность этого алкалоида (см. стр. …). В хлопчатнике содержится токсичное полифенольное соединение госсипол (см. стр. …). Рицинин и линамарин не растворяются в жирах, поэтому после извлечения из семян растительного масла они остаются в жмыхах, в связи с чем использование этих высокобелковых продуктов на корм скоту возможно лишь после удаления указанных токсических веществ. Госсипол растворяется в масле, поэтому, его необходимо удалять как из жмыхов, так и из масла хлопчатника.

Влияние внешних условий. Во время созревания в семенах масличных растений происходят главным образом два конкурирующих и взаимосвязанных процесса - синтез белков из аминокислот и жиров из углеводов. Жиры содержат в своем составе значительно больше воды, чем белки, поэтому при дефиците влаги синтез этих веществ ослабляется, в результате чего в семенах увеличивается концентрация белковых веществ. С другой стороны, при меньшем поступлении световой энергии сильнее замедляется синтез белков как более энергоёмкий процесс. Таким образом, между процессами синтеза белков и жиров в семенах масличных растений существует примерно такая же связь, как между биосинтезом белков и углеводов в зерне злаковых и зернобобовых культур. У масличных культур эта связь выражена более заметно, так как образующиеся в их семенах жиры содержат больше воды, чем углеводы.

При возрастании интенсивности солнечной радиации повышается температура окружающей среды и усиливается испарение воды, создавая определённый дефицит влагообеспеченности растений, вследствие чего ослабляются процессы синтеза жиров, а накопление белков возрастает. Высокий уровень влагообеспеченности растений, как правило, наблюдается при более частых осадках, когда снижается интенсивность солнечной радиации и температура окружающей среды. В таких условиях в листьях усиливается синтез углеводов, а в семенах жиров.

Аналогичные изменения биохимических процессов в созревающих семенах масличных культур наблюдаются под влиянием климатических факторов. В географических опытах установлено, что при культивировании масличных растений в северо-западных регионах нашей страны в условиях достаточного увлажнения и умеренных температур в их семенах больше накапливается жиров, чем на юге и юго-востоке, где в условиях более жаркого и сухого климата усиливается синтез белков. Выяснено, что в зависимости от климата и изменения погодных условий содержание жиров в семенах масличных растений может изменяться на 5-15%.

Влияние влажности почвы на содержание жиров и белков в семенах масличных культур можно проиллюстрировать следующими данными, полученными в опытах с подсолнечником (табл. 21).

Как показывают результаты опыта, при улучшении влагообеспеченности растений сбор семян подсолнечника увеличивался в два с половиной раза, накопление жиров - на 11%, тогда как содержание белков существенно понижалось.

Содержание жиров и белков в семенах подсолнечника

в зависимости от влажности почвы

Условия выращивания оказывают влияние на качественный состав масла и накопление в семенах отдельных групп запасных белков. При возделывании масличных растений в условиях повышенной влажности и умеренных температур в их семенах больше образуется полиненасыщенных жирных кислот и водорастворимых белков, тогда как при культивировании этих растений в условиях повышенной температуры и меньшей влагообеспеченности понижается количество непредельных кислот в масле и усиливается синтез запасных глобулинов.

С повышением температуры во время созревания семян усиливаются процессы дыхания, на которые затрачивается больше кислорода, участвующего в синтезе ненасыщенных жирных кислот, в результате чего меньше образуется этих кислот и включается в состав жира, по этому йодное число жира снижается. Недостаток кислорода также связан с понижением его растворимости в физиологической среде при повышенной температуре, а также закрытием устьиц. В зависимости от условий влагообеспеченности растений и температуры окружающей среды йодное число масла может изменяться на 10-25 единиц.

Сопоставление многочисленных данных, полученных в опытах по выяснению действия разных факторов на синтез запасных веществ в семенах масличных растений, показывает, что условия выращивания, благоприятные для накопления большего количества жира в семенах, улучшают и качество масла, стимулируя интенсивный синтез полиненасыщенных жирных кислот. Выяснение действия факторов внешней среды на синтез жиров в семенах масличных культур имеет важное практическое значение, так как на основе полученных данных разрабатываются приёмы выращивания этих растений, позволяющие снижать отрицательное влияние неблагоприятных погодных условий или особенностей климата данного региона на качество семян.

Легче всего поддается регулированию режим влагообеспеченности растений в засушливых условиях путём применения орошения. При поливе наряду со значительным повышением урожая масличных растений (в 1.5-2 раза) увеличивается накопление в семенах жиров (на 2-10%), а в составе жира возрастает количество непредельных кислот, в результате чего йодное число повышается на 5-15 единиц.

Оптимизация питания. Многие масличные растения во время формирования и налива семян интенсивно поглощают из почвы фосфор и калий (до 70% от общего их поступления в растения), при недостатке этих элементов снижается накопление жиров. Поэтому фосфорные и калийные удобрения являются важными факторами повышения масличности семян. При их внесении в достаточных дозах, обеспечивающих потребности растений в фосфоре и калии в репродуктивный период развития, урожаи масличных культур повышаются на 3-5 и более ц/га и в семенах увеличивается содержание жиров на 2-3%. При этом в масле возрастает количество полиненасыщенных жирных кислот, в результате улучшается питательная и техническая ценность масла.

Интенсивное поглощение азота масличными культурами наблюдается в фазы их активного роста, когда происходит формирование корневой системы, фотосинтетического аппарата и элементов структуры урожая, а в последующий период развития растений их потребность в азоте резко снижается. Более того, усиленное азотное питание масличных растений во время формирования и налива семян стимулирует интенсивный синтез запасных белков, вследствие чего снижается масличность семян. При недостатке азота наблюдается слабый рост растений, в связи, с чем закладывается низкий урожай семян с невысоким содержанием жиров. Следовательно, на посевах масличных культур азотные удобрения необходимо вносить в дозах, обеспечивающих оптимальный уровень питания азотом в первой половине вегетации растений, в период их интенсивного роста.

Влияние удобрений на урожай и качество семян масличных растений можно показать на примере подсолнечника, который выращивали на карбонатном черноземе в Ставропольском крае (таб. 22).