1 Лекция Проблема производства белка и роль зернобобовых

Лекция
Проблема производства белка и роль зернобобовых культур в
растениеводстве
Роль белковых соединений в природе, питании человека и животных.
Особенности строения и накопления белка в растениях
Особенности зерновых и зерновых бобовых культур в производстве
белка
Роль зернобобовых культур в мире, ареалы распространения
Особенности роста, развития и требования к факторам внешней среды у
зернобобовых культур
Роль зернобобовых в земледелии и экологической среде
Питание растений азотом осуществляется главным образом, из
почвы и азотных удобрений. Особая роль азота заключается в том, что
именно этот элемент признан элементом жизни, поскольку только белки
содержат азот, а белки являются основной составной частью белковых
молекул. Белки же обеспечивают как структуру тканей живого
организма, так и обмен веществ в растениях, составляя главную основу
всех ферментов и энзимов. Без этих веществ не может проходить ни одна
химическая реакция синтеза или распада органических соединений в клетках
и тканях живого организма. Важна роль белков в поддержании
наследственности, поскольку ДНК и РНК состоят из остатков аминокислот
или амидов, то есть являются белками или белковыми структурами,
передающими наследственную информацию и являющиеся матрицами
синтеза специфичных для каждого вида растений белка.
Белки или протеины – это высокомолекулярные органические
соединения, построенные из остатков аминокислот. Они
играют
2
важнейшую роль в жизнедеятельности всех организмов, обитающих на
земле. Именно с момента возникновения белков началась жизнь вообще.
Протеины входят в состав клеток и тканей, играют роль не только
структурных агентов, но и обеспечивают процессы жизнедеятельности
организма. Все каталитические процессы регулируются белковыми
веществами (ферменты, гормоны). Транспортные функции – перенос
кислорода (гемоглобин, церуллоплазмин), потребление веществ и транспорт
их через мембрану клетки у растений.
Белки выполняют защитные функции (антитела, тромбин), а также
функции преобразования всех видов энергии в организме.
Существует огромное разнообразие белковых соединений, которые
обладают как видовой, так и индивидуальной специфичностью.
Тем не менее, это невообразимое разнообразие белков построено
всего на 20 аминокислотах. Синтез белка-это сложный процесс,
связанный с кодированием их состава определенными участками ДНК.
Синтез белков в живых системах – это химический процесс,
совокупность последовательных химических реакций, протекающих в
определенном порядке в разных структурах клетки. Итогом этих
процессов является образование конкретных индивидуальных белков.
Основная особенность процесса синтеза белков заключается в его
исключительной
точности
(безошибочности).
Генетически
программированная структура белковых молекул сохраняется из поколения в
поколение, молекулы белков синтезируются множество раз в пределах одного
организма без сбоев определенных последовательностей аминокислот.
Источник такой точности заключен в тех молекулярных механизмах, которые
участвуют в процессе биосинтеза белков.
Таким образом, белок состоит из 20 аминокислот, среди которых
есть 10 незаменимых. Разные виды растений синтезируют в своем
организме белки, содержащие или несодержащие незаменимые кислоты.
3
Различается и их количество. Человеческому же организму необходимы, в
первую очередь, эти аминокислоты, поскольку они идут на построение
собственных белков и не могут синтезироваться в самом организме.
Недостаток в пище какой либо из этих аминокислот вызывает тяжелые
последствия в виде различных болезней, часто смертельных. В животных
кормах содержаться все незаменимые аминокислоты, в растительных
некоторых из них недостает.
К незаменимым аминокислотам относятся: лизин, метионин,
треонин, триптофан, изолейцин, лейцин, фенилаланин, валин, аргинин и
гистидин.
Потребляемые растительные продукты содержат разное количество
белка, жиров и углеводов. Все эти продукты являются исходным материалом
для получения энергии. Только белки растений используются как для
получения энергии, так и для построения тканей организма человека
или животных. Большая часть белков растений идет на образование энергии.
Только белки, содержащие незаменимые аминокислоты идут для
построения
клеток
аминокислот является
организма.
Содержание
в
белке
незаменимых
важным отличительным признаком ценности, как
самого растительного белка, так и продукта питания, его содержащего. Это
является также отличительным признаком ценности или специфики
различных видов растений.
Содержание белка в зерне различных зерновых и зерновых бобовых
растений.
Основным источником белка для человека и животных являются
зерновые и зернобобовые культуры. При этом они попадают к человеку
непосредственно в виде зерна и продуктов его переработки или через
производство животноводческой продукции, для кормления которых тоже
используют зерновые и зерновые бобовые культуры.
За счет хлебопродуктов удовлетворяется до 40% потребности человека
в пище, от 40 до 50% - в белке и углеводах, а с учетом зерна, идущего на корм
4
животным, потребность в белках покрывается до 80%, в углеводах до 60%.
Зернобобовые
культуры
являются
наиболее
доступными
источниками питания, особенно для Россиян, поэтому калорийный баланс
во все большей мере формируется за счет потребления зерновых продуктов.
В зерне сои, содержится в 2-4 раза больше белка, чем в зерне мятликовых
зерновых культур. Несмотря на такое преимущество, бобовые культуры не
определяют пищевой баланс населения в нашей стране, поскольку они
значительно уступают по урожайности зерновым культурам.
Если сравнить химический состав зерна различных культур, то можно
видеть большую разницу.
По белку. Среднее содержание в мягкой пшенице белка 13,8%, у риса
только 6,7, у кукурузы, ржи, ячменя около 10%. У зернобобовых культур в
зерне белка значительно больше. Так у сои его 36,5,у гороха 22,4, у фасоли
23,2%, арахиса - 25,3, люпина от 34,9 до 42,2%, у вики – 26%.
Углеводов в зернобобовых культурах содержится значительно меньше,
чем у пшеницы. В связи с этим, соотношение углеводов и протеинов в
семенах зернобобовых значительно выше, чем в семенах мятликовых.
Поэтому добавление в корм или продукты питания зернобобовых культур
делает их более сбалансированными по белку.
Зато многие из них отличаются большим содержанием жиров. Так,
горох и фасоль содержат около 2-2,5, люпины от 5,5 до 16%, соя около 18, , а
вот арахис содержит около 48% жиров.
Семена зернобобовых культур в значительной мере удовлетворяют
потребности человека и животных в углеводах, витаминах, особенно группы
В и Е, и в жире, особенно соя. У зернобобовых отмечается высокое
содержание минеральных веществ, особенно фосфора и калия.
Все это относит семена зернобобовых культур к ценнейшим кормовым
и пищевым продуктам.
К
недостаткам
зернобобовых
можно
отнести
более
низкую
биологическую ценность белка по сравнению с некоторыми зерновыми
5
культурами. Это обусловлено низким содержанием серосодержащих
аминокислот – метионина и цистина, а также триптофана. Между видами
зернобобовых
по наличию незаменимых
аминокислот, а
также
их
содержанию имеются большие различия. Они проявляются и в зависимости
от условий выращивания.
Неприятным
свойством
зернобобовых
культур,
которое
часто
препятствует их использованию в питание человека и животных является
присутствие в растениях ряда антинутритивных и токсических веществ.
Это
таннины,
ингибиторы
трипсина,
цианогенные
глюкозиды,
фитохемоглютины, сапонины. Различные алкалоиды и сапонины придают
пище горький вкус и проявляют прямое токсическое действие. Виды и сорта
зернобобовых
культур
существенно
различаются
по
содержанию
антинутритиков и могут употребляться в пищу, особенно в молодом возрасте.
Это зеленый горошек, некоторые крупнозерные сорта фасоли, семена белого,
желтого и узколистного люпина. Селекционерами сейчас выводятся так
называемые нулевые сорта зернобобовых, которые отличаются низким
содержанием
алкалоидов.
Поскольку
зернобобовые
содержат
много
биоактивных веществ, витаминов и минералов, их потребление в молодом
возрасте очень полезно. Полезны они и из-за присутствия жиров.
В
качестве
промышленности
сырья
для
зернобобовые
фармацевтической
культуры
и
химической
используются
мало.
Исследования только ведутся. Пытаются извлекать алкалоиды, лецитины,
особые виды крахмала.
Зерновые бобовые используются для получения зеленых кормов.
Лучшими культурами здесь являются кормовой горох, кормовые бобы, люпин
желтый и узколистный. Они высеваются в смеси с подсолнечником,
кукурузой. Кормовыми травами. Зернобобовые используются для получения
силоса (кормовые бобы, соя, белый люпин), обычно в смеси с зерновыми.
Иногда их используют для сидерации. Однако это в современных условиях не
всегда экономически выгодно. С точки зрения улучшения плодородия и
6
экологии это весьма продуктивный прием.
Биологические
особенности
зерновых
бобовых
культур
и
требования их к факторам роста.
Зерновые бобовые принадлежат к семейству бобовых (Fabaceae или
Leguminosae) или мотыльковых (Papilionaceae). Среди 18000 видов этого
семейства много культурных видов. Бобовые зерновые культуры, от которых
используют плоды и семена, принадлежат к 14 родам.
Физиология развития и формирование урожайности.
По зернобобовым культурам нет определенной классификации,
касающейся закономерностей прохождения этапов органогенеза. Есть только
деление на макроэтапы. Они включают: прорастание, развитие листьев,
рост стебля в длину, появление почек и цветков, цветение, образование и
созревание бобов и отмирание.
Требования
к
условиям
среды.
Решающее
влияние
имеют
температура, влага и световой режим.
Большинство видов зернобобовых возделывается в умеренных
широтах при температурах от 10 до 30 оС. Минимальные температуры для
прорастания очень низкие, в среднем 1-4 оС, за исключением сои и фасоли,
которые требуют более высоких температур от 7 до 10 оС.
Зернобобовые
температурам.
устойчивы
Переносят
в
понижение
период
до
прорастания
3-8
градусов
к
ниже
низким
нуля.
Оптимальные температуры в период цветения от от 10 до 16, плодоношения
от 16 до 24 градусов, у сои до 28 оС.
Сумма активных температур от 1100 до 1900, у сои от 1700 до 3200 оС.
Некоторые зернобобовые требуют довольно длительного периода
вернализации – низких температур в период начального развития и всходов.
Это такие культуры как
горох, кормовые бобы, нут, желтый люпин.
Практически все зернобобовые растения – это растения длинного
дня, то есть требуют для перехода к цветению и плодообразованию длинной
7
продолжительности дня. Соя единственная бобовая культура короткого
дня, хотя раннеспелые её сорта уже нейтральны. Эти свойства позволяют
регулировать сроки посева зернобобовых культур. Большинство из них
высевают как можно раньше, с наступлением готовности почвы к посеву. Соя
высевается при наступлении температуры более высокой. При этом есть
технологии, когда сроки посева переносятся на начало июня. Это делается
для того, чтобы провести дополнительные культивации и уничтожить
сорняки в максимально возможной степени. При этом потребность в
гербицидах отпадает. Однако для этого пригодны не все климатические зоны
края, а также требуются специальные сорта.
Для набухания семян и прорастания зернобобовые требуют много
воды. Транспирационные коэффициенты у зернобобовых выше, чем у
зерновых. Однако среди них есть достаточно засухоустойчивые виды. К ним
относятся чина, нут. Зернобобовые хуже зерновых используют весенние
запасы влаги в почве и ранневесенние осадки, ввиду медленных темпов
первоначального роста и развития. Это одна из причин небольших
площадей посева зернобобовых в засушливых регионах, а также невысоких
урожаев этих культур.
Фиксация азота из воздуха. Одним из уникальных свойств зерновых
бобовых культур является их способность в результате симбиоза с
клубеньковыми бактериями фиксировать атмосферный азот. Поселяющиеся
на растениях бактерии налаживают с ними обмен. У растений они берут
углеводы и минеральные вещества, а отдают азот, связанный в различные
азотистые соединения. Азотфиксирующие бактерии из рода ризобиум
внедряются из почвы в корневые волоски растений и образуют наросты на
корнях. Эти наросты бывают разной величины, формы и окраски у разных
видов зернобобовых. Внедрившись в растения, они перестают размножаться,
изменяют обмен и приступают к фиксации азота.
Производство и урожайность зерновых бобовых культур. По
регионам мира производство этих культур распределено неравномерно.
8
Среди зернобобовых культур товарными культурами являются: горох,
кормовые бобы, соя, арахис, фасоль, чечевица, нут. Самыми крупными
производителями выступают: Северная и Центральная Америка. На втором
месте – Азия, затем следует Южная Америка. Эти три региона производят
87% всех зернобобовых, причем в этих странах ведущей культурой является
соя. Если исключить сою и арахис, которые, часто, относят и к масличным
культурам, первое место по производству зернобобовых занимает Азия, на
втором стоит Европа, а потом идут Африка, Северная, Центральная, Южная
Америка и Океания.
Ведущие страны производители зернобобовых: Индия, Китай,
Франция, Бразилия, Канада, Австрия, Турция, США. Россия занимает 11
место в мире. Это довольно приличное место с производством в 1 млн. 500
тыс. тонн.
По гороху лидирует Франция, затем идут Канада и Россия, потом
Китай, Украина, Индия.
Кормовые бобы больше всего производят в Китае, Индии, Эфиопии.
Из Европейских стран можно назвать только Германию.
Соя. Первое место здесь занимает США, где производится почти 28
млн. тонн семян этой культуры. На втором месте идет Бразилия – (11 млн. т),
затем Китай (8 млн. т), Аргентина (6 млн.), Индия (5,5 млн.).
По арахису главным производителем является Китай (10 млн. т),
Индия (8,5), Нигерия (2,4), и США (1,6).
По производству фасоли страны расположились так: Индия, Бразилия,
Китай США.
По производству нута и чечевицы лидируют Индия и Турция.
Абсолютным мировым лидером по производству люпина является
Австралия. 90% мирового производства этой культуры сосредоточено,
именно, здесь.
Урожайность
зернобобовых
культур.
В
целом,
урожайность
зернобобовых ниже, чем зерновых. Она серьезно изменяется в последнее
9
время. Так, продуктивность гороха, сои практически удвоилась, урожайность
кормовых бобов, арахиса, фасоли, нута, чечевицы увеличилась в 1,5 раза. Это
результат селекции и улучшения агротехники возделывания. Появились в
странах Европы зимующие сорта гороха и кормовых бобов, которые дают
более высокий урожай.
Так, в Германии урожайность гороха и кормовых бобов поднялась до
34-36 центнеров с гектара в среднем по стране. В 50е годы прошлого
столетия она не превышала 16-20 ц.
Правда урожайность зерновых за это время поднялась до 73 ц, и разрыв
с зернобобовыми культурами даже увеличивается. Аналогичная картина
характерна и для нашей страны.
Мировые цены на зерно зернобобовых культур связаны с ценами на
зерно зерновых. Чем ниже цена на зерно, тем выше на зернобобовые
культуры и наоборот.
Значение зерновых бобовых культур для земледелия.
Их роль велика в поддержании и повышении почвенного плодородия.
Влияние это разнообразно, но главное – это обогащение почвы азотом в
результате
симбиотической
деятельности.
Клубеньковые
бактерии,
поселяющиеся на корнях зернобобовых растений, способны фиксировать
атмосферный азот. За период вегетации зерновые бобовые растения
способны фиксировать огромное количество атмосферного азота. Так, в
посевах гороха может накапливаться от 50 - 500, сои 60 - 300, кормовых
бобов 100 - 450, люпина 140 - 200 кг азота на гектар. Этого количества азота
часто достаточно не только для формирования урожая самой зернобобовой
культуры, но и обогащения почвы азотом для возделывания последующей
культуры. Кроме того, растительные остатки зернобобовых содержат
значительно больше азота, чем остатки любой другой культуры. Этот
положительный эффект реализуется особенно успешно, если в севообороте
за зернобобовыми культурами следует зерновая культура.
То есть,
зернобобовые культуры, являются после паров чистого и занятого, лучшими
10
предшественниками для зерновых культур. Учитывая, что зернобобовые
способны лучше других культур извлекать из почвы труднодоступные
соединения фосфора и других минеральных элементов, их значение для
почвенного плодородия еще больше возрастает.
Мощная корневая система зернобобовых после уборки оставляет в
почве поры, которые способствуют разрыхлению почвы, созданию более
благоприятного водного и воздушного режимов. Хотя по количеству масса
корневых остатков (от 5 до 22 центнеров) и меньше, чем у зерновых (от 16 до
35), по своему составу они более ценный материал для последующей
утилизации микроорганизмами. В результате более узкого соотношения
углерода к азоту, для разложения растительных остатков бобовых культур не
требуется дополнительного внесения азотных удобрений.
Зерновые бобовые положительно влияют на структуру почвы.
Покрытие листьями в период вегетации почвы, препятствует пересушиванию
и заплыванию почвы. Если уборка зерновых бобовых проведена в
оптимальные сроки, обработка почвы не вызывает трудности и более того
здесь возможно обойтись без плужной обработки. После зернобобовых
культур в настоящее время лучшие результаты дает мелкая безотвальная и
поверхностная обработка. Лучше всего её проводить комбинированными
агрегатами.
Зернобобовые усиливают антипатогенный и антисорняковый потенциал
почвы, поскольку ограничивают развитие почвообитающих возбудителей
болезней зерновых, (например, корневых гнилей) и специфических для
зерновых сорняков.
Таким
образом,
зерновые
бобовые
культуры
имеют
непревзойденное значение для повышения почвенного плодородия,
продуктивности севооборотов, урожайности зерновых культур, экономии
удобрительных средств и улучшении экологической обстановки.
К недостаткам зернобобовых культур, которые сдерживают их более
широкое распространение, следует отнести высокую чувствительность к
11
условиям возделывания. Неподходящие температура, влажность почвы и
воздуха сдерживают рост, развитие и урожай зернобобовых культур.
Большинство из них слабо устойчивы к засухе, особенно в период цветения.
Медленный рост в начальные периоды развития способствуют их высокому
засорению, достаточно сильно они поражаются болезнями и вредителями.
Высокие температуры и большое количество осадков способствует развитию
на посевах зернобобовых культур болезней.
Сильно
сдерживает
широкое
использование
зерновых
бобовых
отсутствие высокоурожайных, раннеспелых сортов. Правда, в последние
годы, наконец, появились сорта гороха, которые в наших условиях могут
давать урожаи на уровне 30-45 ц. Существенно продвинулась селекция сои.
Новые сорта этой культуры могут формировать высокие урожаи от 25 до 40 ц
с
гектара.
Но
даже
эта
культура,
весьма
ценная
для
пишевой
промышленности и для переработки на масла, страдает в засушливых
регионах от засух, низкой относительной влажности воздуха. В связи с этим,
главным регионом по выращиванию сои остается наш Дальний восток,
Приморский край. Надо отдать должное успехам Северного Кавказа по поводу внедрения зерновых бобовых культур в производство. Новые сорта
гороха
селекции
Института
зерновых
культур
(Зерноград),
сои
-
Всероссийского института масличных культур (Краснодар), отличаются
высокой продуктивностью, приспособленностью к засухе, устойчивостью к
болезням, полеганию, растрескиванию бобов. Это вселяет надежду на более
широкое
распространение
зерновых
бобовых
культур
в
сельскохозяйственном производстве Ставропольского края.
Роль зернобобовых в улучшении экологической среды.
Особо следует сказать о роли зернобобовых культур в улучшении
экологической среды.
Если взять все бобовые культуры, а не только зерновые бобовые, их
роль в формировании растительного покрова нашей планеты, обогащении
почвы
азотом,
повышении
ценности
естественных
кормовых
и
12
искусственных угодий, обеспечении белковой пищей жителей семиаридных
регионов трудно переоценить.
В связи с этим, при переводе земледелия на агроландшафтную систему,
в первую очередь необходимо позаботиться о растительном разнообразии
агроценозов, а это в немалой степени связано с присутствием в севооборотах,
в растительных полосах, образующих экологический и противоэрозионный
каркасы зернобобовых и вообще любых бобовых культур.
13