ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÑÒÐÎÅÍÈß ÊËÅÒÎ×ÍÛÕ ÑÒÐÓÊÒÓÐ ÂÎÄÍÛÕ ÐÀÑÒÅÍÈÉ ÂÎËÃÎ-ÊÀÑÏÈÉÑÊÎÃÎ ÁÀÑÑÅÉÍÀ Ñ ÖÅËÜÞ ÈÕ ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈß
advertisement
ISSN 1812-9498. ÂÅÑÒÍÈÊ ÀÃÒÓ. 2010. № 2 (50) УДК [582.26-119.2:547.458.88]:664.292.033 Т. Ф. Суворова, А. Р. Бисенова, М. Д. Мукатова ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÑÒÐÎÅÍÈß ÊËÅÒÎ×ÍÛÕ ÑÒÐÓÊÒÓÐ ÂÎÄÍÛÕ ÐÀÑÒÅÍÈÉ ÂÎËÃÎ-ÊÀÑÏÈÉÑÊÎÃÎ ÁÀÑÑÅÉÍÀ Ñ ÖÅËÜÞ ÈÕ ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈß Â ÊÀ×ÅÑÒÂÅ ÏÐÎÌÛØËÅÍÍÎÃÎ ÑÛÐÜß Введение Известно, что водные растения являются источником полисахаридов, клетчатки, макрои микроэлементов, пигментов, широко используемых во многих отраслях промышленности. Инновационно-исследовательской лабораторией Астраханский государственный технический университет «Пищевая биотехнология и БАВ» проводятся работы по изучению морских и пресноводных растений Волго-Каспийского бассейна. Цель исследований – обеспечить их рациональное использование. Для исследований было выбрано два вида трав, произрастающие в водоемах в достаточных объемах, поэтому их частичное изъятие не может причинить вреда гидробионтам. Объектами исследований стали высшие водные растения: каспийская морская трава – зостера карликовая (Zostera nana) и пресноводная трава рдест пронзеннолистный (Potamogeton perfoliatus). Эти виды трав (морская и пресноводная) содержат почти одинаковое количество пектиновых веществ, что определяет возможность их промышленной переработки. Такое сходство названных трав должно быть обусловлено похожим строением их клеток. Кроме того, помимо целевого продукта (пектина), из трав в процессе технологической переработки экстрагируются моно- и дисахариды. Травяные остатки после экстрагирования пектиновых веществ могут быть использованы в качестве кормовой продукции, т. к. содержат до 60 % клетчатки. При изучении эфирорастворимых веществ трав была выявлена возможность экстрагирования из них хлорофилла. Хлорофи.лл – зелёный пигмент, обусловливающий окраску хлоропластов растений в зелёный цвет. По химическому строению хлорофиллы – магниевые комплексы различных тетрапирролов. Хлорофиллы имеют порфириновое строение и структурно близки гему (рис. 1). Рис. 1. Структура хлорофилла: формы с1 и с2 Хлорофилл присутствует во всех фотосинтезирующих организмах – высших растениях, водорослях, синезелёных водорослях (цианобактериях), фотоавтотрофных простейших (иное название – протисты; систематическая группа пересекается с водорослями) и фотоавтотрофных бактериях. 46 ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ È ÅÑÒÅÑÒÂÅÍÍÛÅ ÍÀÓÊÈ В природе хлорофилл существует в нескольких формах, имеющих разные формулы и молекулярные массы: хлорофилл а, b, с1, c2 и d (табл. 1). Таблица 1 Природные формы хлорофилла Формы хлорофилла а b с1 c2 d Формула C3 группа C7 группа C8 группа C17-C18 bond Распространение C55H72O5N4Mg C55H70O6N4Mg C35H30O5N4Mg C35H28O5N4Mg C54H70O6N4Mg –CH=CH2 –CH=CH2 –CH=CH2 –CH=CH2 –CHO –CH3 –CHO –CH3 –CH3 –CH3 –CH2CH3 –CH2CH3 –CH2CH3 –CH=CH2 –CH2CH3 Single Single Double Double Single Везде Большинство наземных растений Некоторые водоросли Некоторые водоросли Цианобактерии Хлорофиллы неустойчивы на свету; они могут окисляться до алломерных хлорофиллов на воздухе в метанольном или этанольном растворе. Установлено, что хлорофилл находит применение как пищевая добавка (регистрационный номер в европейском реестре E140), однако при хранении в этанольном растворе, особенно в кислой среде, неустойчив, приобретает грязно-коричнево-зеленый оттенок и не может использоваться как натуральный краситель. Нерастворимость нативного хлорофилла в воде также ограничивает его применение в качестве натурального пищевого красителя. Производное хлорофилла – хлофиллин медный комплекс (тринатриевая соль) получило распространение в качестве пищевого красителя (регистрационный номер в европейском реестре E141). В отличие от нативного хлорофилла, медный комплекс устойчив в кислой среде, сохраняет изумрудно-зеленый цвет при длительном хранении и растворим в воде и водно-спиртовых растворах. Американская (USP) и Европейская (EP) фармакопеи относят хлорофиллид меди к пищевым красителям (но не к пищевым добавкам!), однако вводят лимит на концентрацию свободной и связанной меди (тяжелый металл). Широко рекламируется применение хлорофилла в качестве биологически активной добавки для восстановления уровня гемоглобина, но получаемые с пищей порфирины не используются организмом для синтеза структурно сходного с ними гема. Цель наших исследований состояла в анализе особенностей строения клеточных структур изучаемых водных растений и установлении содержащихся в них форм хлорофилла. Объекты исследований: морская трава – зостера малая и пресноводная трава – рдест пронзеннолистный являются погруженными в воду растениями и отличаются большим развитием поверхности по отношению к общей массе тела. Увеличение поверхности достигается сильным ветвлением стебля и чаще всего расчленением листовой пластинки на узкие мелкие доли, хотя отдельные водные растения имеют очень длинные и тонкие листья. Прежде всего, следует отметить систематическую близость изучаемых видов зостеры и рдеста. В настоящее время их относят к двум семействам однодольных покрытосеменных растений – семейству Взморниковые (Zosteraceae) и семейству рдестовые (Potamogetonaceae), но некоторые ученые достаточно долго эти виды рассматривали в одном семействе [1]. Поэтому очевидно сходство этих видов растений по химическому составу и определяемым показателям. У рдестов цветки невзрачные, собраны в колосья, приподняты над водой. Опыление происходит при помощи ветра. Цветки двуполые, без околоцветника, имеют 4 тычинки и 4 пестика. Для рдестов характерно сильное отложение на листьях извести в виде корочек. Листья способны разлагать двууглекислый кальций на углекислый газ, который они поглощают, и одноуглекислый кальций, который оседает на листьях, т. к. слабо растворяется в воде. Листья стеблеобъемлющие, яйцевидные, с тупой или округлой верхушкой, с просвечивающими полосками лакун вдоль средней и главных боковых жилок. На сильном течении образует формы с вытянутыми продолговатояйцевидными листьями. Вид Potamogeton perfoliatus может давать многочисленные гибриды. На рис. 2 показано поперечное сечение листа рдеста, указывающее на традиционные особенности, характерные для водных растений. Слабый свет в водной среде обусловливает теневую структуру подводных листьев. Видна теневая структура ассимиляционной паренхимы (рис. 2, а), без четкого разделения на столбчатую и губчатую паренхимы. Хорошо развитая аэренхима (рис. 2, б) и воздухоносные полости способствуют выплыванию растений в верхние слои воды, где условия для фотосинтеза лучше. 47 ISSN 1812-9498. ÂÅÑÒÍÈÊ ÀÃÒÓ. 2010. № 2 (50) б б а в в Рис. 2. Поперечное сечение листа рдеста пронзеннолистного (Potamogeton perfoliatus): а – ассимиляционная паренхима; б – аэренхима; в – проводящий пучок На поперечном сечении центральной части листа (рис. 3) вокруг проводящих пучков хорошо видна аэренхима (рис. 3, б). Воздухоносные полости достаточно крупные и хорошо просматриваются. б а в Рис. 3. Центральная часть листа рдеста пронзеннолистного (Potamogeton perfoliatus) в области средней жилки: а – проводящий пучок; б – воздушный пучок; в – клетки аэренхимы На рис. 4 приведена часть аэренхимы листа рдеста, на котором просматривается воздушная полость (рис. 4, а) и клетки аэренхимы (рис. 4, б). а б Рис. 4. Часть аэренхимы листа рдеста пронзеннолистного (Potamogeton perfoliatus): а – воздушная полость; б – клетки аэренхимы Часть ассимиляционной паренхимы листа показана на рис. 5. Покровная ткань – эпидермис (рис. 5, а) у водных растений отличается от покровной ткани наземных растений. У погруженных в воду растений клетки эпидермиса имеют тонкую целлюлозно-пектиновую оболочку. Часто клетки эпидермиса водных растений содержат хлоропласты (рис. 5, в). 48 ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ È ÅÑÒÅÑÒÂÅÍÍÛÅ ÍÀÓÊÈ а б б в Рис. 5. Часть ассимиляционной паренхимы листа рдеста пронзеннолистного (Potamogeton perfoliatus): а – эпидермис листа; б – клетки паренхимы; в – хлоропласты Поскольку изучаемые пробы собраны в осенний период, многие хлоропласты находятся в состоянии разрушения (рис. 5, в), т. е. потеряли нативную структуру. Морская трава зостера приспособилась к жизни в соленой морской воде, поэтому ее очень длинные линейные листья напоминают морские водоросли. Корневища очень разветвленные, побеги укороченные, соцветия початковидные, напоминающие веер. Как показал гистолого-морфологический анализ, листья зостеры представляют собой листовые пластинки, что характерно для штормовых выбросов зостеры. Гистологическое исследование листовых пластин штормовых выбросов показало начальную стадию мацерации (разрушения) периферической части листа, что является признаком межклеточного распада органических веществ. На рис. 6 показана листовая пластина зостеры с признаками разрушения периферии пластинки. Рис. 6. Поперечный срез штормового выброса зостеры Микробиологические исследования отобранных проб зостеры и рдеста, проведенные для определения санитарного состояния, показали соответствие их требованиям СанПиН 2.3.2.1078-01 (табл. 2). Таблица 2 Микробиологические показатели высших водных растений Волго-Каспия Объект исcледования МАФАнМ, КОЕ/г Рдест пронзеннолистный Зостера каспийская Требования СанПиН 2.3.2.1078-01 2 · 103 4 · 103 5 · 104 Количество в грамме продукта Бактерии Патогенные, группы кишечных палочек в том числе сальмонеллы Отсутствуют Отсутствуют Отсутствуют Отсутствуют 0,1–1,0 25 49 ISSN 1812-9498. ÂÅÑÒÍÈÊ ÀÃÒÓ. 2010. № 2 (50) Известно, что морские растения обладают избирательной кумулятивной способностью, в результате чего в их тканях накапливаются разнообразные микроэлементы. Элементарный состав тканей водных растений был проанализирован рентгенофлуоресцентным методом. Результаты представлены в табл. 3. Таблица 3 Элементарный состав высших водных растений Волго-Каспия Содержание, % от сухой массы Зостера Рдест 0,17 0,15 0,06 0,06 0 0 0 0,01 0,01 0,01 0,12 0,6 0,156 0,477 Элемент Zn Cu Pb Cd Ni Mn Fe 2 700.0 665. 8NM 0.120 536. 8NM 0.037 608. 6NM 0.032 600.0 400.0 300.0 0 190.0 200.0 1.000 411. 2NM 0.373 1.000 500.0 2 277. 2NM 1.076 240. 4NM 1.948 Согласно данным табл. 3, в зостере содержится 5, в рдесте – 6 элементов, мышьяк отсутствует во всех пробах растений. Микроэлементы медь, железо, цинк и марганец содержатся в водных растениях в значительных количествах. Жизненная необходимость для водных растений в этих элементах обусловливает высокую скорость их поглощения из среды, где они содержатся в меньших количествах. Интерес представляла также липидная фракция водных растений. Хроматографическая идентификация экстрактов в органических растворителях зостеры и рдеста показала наличие в них хлорофилла. В рдесте пресноводном обнаружен хлорофилл а и его производные (рис. 7). 0 Рис. 7. Хроматограмма экстракта хлорофилла рдеста пресноводного В зостере выявлено наличие феофорбида с2 – производного хлорофилла с2, которое не содержит ионов магния (рис. 8). 50 240. 6NM 1.785 ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ È ÅÑÒÅÑÒÂÅÍÍÛÅ ÍÀÓÊÈ 600,0 500,0 400,0 0 700,0 0.000 0.004 –0.001 0.001 664. 4NM 0.090 1,000 300,0 190,0 200,0 0 2 261. 6NM 268. 2NM 276. 2NM 358. 4NM 1,000 193. 6NM 0.520 2 Рис. 8. Хроматограмма экстракта хлорофилла зостеры каспийской Таким образом, хроматографический анализ липидных фракций исследуемых трав подтверждает наличие в них хлорофиллов и их производных. Учитывая, что хлорофиллы являются природными красителями, следует извлекать их перед получением пектиновых веществ из морской и пресноводной травы во избежание их разрушения. Заключение Гистологическое исследование листовых пластин каспийской морской травы – зостеры карликовой (Zostera nana) и пресноводной травы – рдеста пронзеннолистного (Potamogeton perfoliatus) выявило сходство их клеточных структур. Исследования микроэлементного состава показали, что в зостере содержится 5 элементов (цинк, медь, никель, марганец, железо), в рдесте – 6 элементов (цинк, медь, кадмий, никель, марганец, железо), мышьяк отсутствует во всех пробах растений. Микробиологические исследования отобранных проб зостеры и рдеста, проведенные для определения санитарного состояния, показали соответствие их требованиям СанПиН 2.3.2.1078-01. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Комарницкий Н. А., Кудряшов Л. В., Уранов А. А. Ботаника. Систематика растений. – М.: Просвещение, 1975. – 608 с. Статья поступила в редакцию 14.10.2010 51 ISSN 1812-9498. ÂÅÑÒÍÈÊ ÀÃÒÓ. 2010. № 2 (50) RESEARCH OF CELLULAR STRUCTURES OF WATER PLANTS OF THE VOLGO-CASPIAN BASIN FOR THE PURPOSE OF THEIR USE AS INDUSTRIAL RAW MATERIALS T. F. Suvorova, A. R. Bisenova, M. D. Mukatova The data on cellular structures of sea and fresh-water macrovegetation, growing in reservoirs of delta of the Volga river and Northern Caspian sea are resulted. Features of a histologic structure of the higher water plants are described. The data about microbiological condition of the examined objects and their elementary structure are given. The chromatography of extracts from chlorophyll zosterarea small and potogematon perfoliatus is made. The conclusions on similarity of cellular structures of these kinds of plants and also on the possibility of extraction of green pigments, chlorophyll, from them are drawn. Key words: macrovegetation, delta of the Volga river, histology, freshwater plants, polysaccharides, pectine substances, chlorophyll. 52
