Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 7. -

Вып. 1. - 2008. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTМ

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-17-html/TITL-17.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-17-html/cont.htm

УДК 57.017.64

ЗАВИСИМОСТЬ КИНЕТИКИ НАБУХАНИЯ СЕМЯН ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Ó 2008 г. Холманский А. С., Сидоренко А. С.

(holmansky.doc)

Изучена кинетика обратимого процесса набухания семян овса и травы Райграс. Выявлена кинетическая стадия, подчиняющаяся экспоненциальному закону, и определены энергии активации реакций набухания и сушки семян. Их величина соответствует энергии диполь-дипольных и ион-дипольных взаимодействий в водных биологических системах.

Ключевые слова: семена, набухание, сушка, энергия активации, обратимая гидратация.

Вода играет исключительно важную роль в пробуждении к жизни семени растения. Проникая в семя, вода не только запускает биохимические реакции, но и сама является их активным участником [1]. Набухание семян суммирует в себе сложные физико-химические процессы, происходящие в самой воде и в гетерогенной среде, состоящей из воды и вещества семени. Обе системы реагируют на изменение внешних условий, главным образом – температуры [2, 3]. Кинетика набухания семян лимитирует процесс их пробуждения и прорастания, а значит, всхожести и урожайности. Взаимодействия воды и водяного пара с семенем играют существенную роль в технологиях приготовления комбикормов из зернового сырья. В литературе нет данных по зависимости кинетики набухания семян от температуры и не известны энергии активации структурных перестроек вещества семени. В работах, посвященных исследованию зависимости кинетики набухания семени от вида растения [4], не отмечены температурный режим опытов и астрономическое время их проведения.

В настоящей работе с целью определения кинетических характеристик процессов набухания и сушки семян изучили влияние на них температуры.

МЕТОДИКА

Использовали семена овса (Победа) и травы газонной (Райграс). Навески семян по 10 г (масса – M_o) делали с точностью до 50 мг. Семена помещали в мерные стаканы из термостойкого стекла (емкость – 100 мл, диаметр – 6 см) и наливали по 50 мл водопроводной воды, которую предварительно выстаивали в течение суток. Стаканы плотно закрывали алюминиевой фольгой и выдерживали при различных температурах. Регистрацию кинетики набухания и сушки семян при разных температурах проводили одновременно, начиная с 10-11 часов. Определяли количество поглощенной семенами воды путем взвешивания семян через определенные промежутки времени. При этом с семян удаляли влагу с помощью промокательной салфетки.

В основе процесса набухания семян лежит обратимая реакция гидратации, которую можно описать уравнением:

Здесь А – исходное вещество семени, В – молекула воды, (АВ) – гидраты в веществе семени, k_АВ и k_ВА эффективные константы скорости прямой и обратной реакций. Экспоненциальные зависимости массы поглощенной (М) и испарившейся из семени воды от времени обусловлены прямой пропорциональностью между скоростями поглощения (испарения) воды и массой неизменного и гидратированного вещества семени, соответственно.

Процесс поглощения воды описывает уравнение:

dM/dt = k_АВ (M_o – M) , (1)

а процесс сушки:

dM/dt = k_ВА M (2)

здесь k_АВ и k_ВА – эффективные константы скорости набухания и сушки. Решения уравнений (1) и (2) имеют вид:

M = M_o[1 – exp(–k_АВt)], (3)

M = M_maxexp(–k_ВАt), (4)

Величины k определяли как тангенсы угла наклона зависимостей:

ln [(M_o – M)/M_o] ¸ t и ln [M/M_max] ¸ t,

В опытах M_max при температурах выше 40^оС могло достигать ~80% от величины М_о, однако и в этом случае при высушивании семян их масса возвращалась к исходному значению М_о.

Для определения энергий активации (Е) использовали уравнение Аррениуса:

k = Ae^–^E^/^RT,

где А – константа, а R – газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль град). Величины Е определяли как тангенсы угла наклона зависимости: ln k ¸ 1/T.

Кинетики набухания и сушки семян травы и овса были подобны. Результаты измерений и расчетов приведены на рисунках и в таблице. Относительная шибка измерения М составила 2%, а k и Е – 10%.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Кинетические кривые набухания семян имеют два участка – короткий начальный (до ~60 мин) и длинный кинетический – до суток и более (Рис 1). Данный участок и кинетика сушки семян подчиняются зависимостям (3) и (4). Из обработки этих участков кривых были получены значения энергий активации прямой (Е_АВ) и обратной реакции гидратации (Е_ВА) (Рис 2).

Рис 1. Кинетические кривые набухания (а) и сушки (b) семян овса и их полулогарифмические анаморфозы при различных температурах (указаны на графиках в^оС).

Рис 2. Зависимости ln k ¸ 1/T для семян овса (1) и травы Райграс (2). Сплошные линии – набухание, пунктирные – сушка.

Быстрый начальный участок, очевидно, обусловлен поглощением воды покровной тканью семян и веществом зародыша, которые играют роль входных каналов для последующего проникновения воды в эндосперм, составляющий основную массу вещества данных семян [1]. Обратимость набухания семян свидетельствует о том, что участие внешней воды в пробуждении семени ограничено в основном реакцией гидратации. При этом, однако, возрастает подвижность в веществе семени связанной воды и ферментов и начинают идти биохимические реакции, отвечающие за его прорастание.

Исследования показали зависимость кинетики набухания от температуры. Скорость набухания семян лимитируется диффузией воды в веществе семени. Самодиффузия воды зависит от ее вязкости, сложная зависимость которой от температуры определяется концентрацией надмолекулярных образований в воде (динамичных кластеров) [2, 3]. Очевидно, что чувствительность кинетики реакций образования и трансформации водных кластеров и комплексов будет возрастать в гетерогенной среде вещества семени. Вязкость воды, например, имеет критическую точку в районе 22^оС, при переходе через которую энергия активации самодиффузии воды меняется с 15 на 19 кДж/моль [2]. В согласии с этим зависимость константы скорости набухания от температуры также имеет излом в районе 20^оС и скорость набухания при ~10^оС оказывается близка к скорости набухания при 23^оС (см Таблицу).

Таблица

Кинетические характеристики набухания и сушки семян

Семена	К_АВ´ 10⁵ (с^{– 1}) (Т, ^оС)	К_ВА ´ 10⁴ (с^{– 1}) (Т, ^оС)	Е_АВ (кДж/моль)	Е_ВА (кДж/моль)
Овес	0,6 (10; 19)	0,4 (19)	30	60
	0,8 (23)	0,7 (23)
	1,1 (33)	1,4 (33)
	2,1 (47)	2,7 (42); 3,1 (44)
Трава «Райграс»	0,8 (20)	0,5 (20)	30	60
	2,3 (35)	1,3 (35)
	3,9 (46)	3,2 (46)

Величины энергий активации процессов набухания и сушки семян овса и травы попадают в диапазон энергий диполь-дипольных и ион-дипольных взаимодействий [5], за счет которых и образуются гидраты и другие водосодержащие комплексы в водно-биологических системах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Полевой В.В. Физиология растений. – М.: 1989.

2. Холманский А.С. // Доклады РАСХН. – 2006. – № 2.

3. Холманский А.С., Стребков Д.С. // Доклады РАСХН. – 2004. – № 1; – 2007. – № 7.

4. Седова Г.П. // Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 6. - Вып. 3. - 2007. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

5. Владимиров Ю.А. и др. Биофизика. М.: Медицина. 1983. С. 68.

Dependence of kinetic of hydration of seeds from temperature

Kholmansky A. S., Sidorenko A. S.

Influence of a temperature and external factors on kinetic of reverse hydration of seeds is investigated and energy of activation of this reaction is determined. Its value is according the energy of dipole-dipole and ion-dipole interactions in the water-biologic systems.

ГНУ ВНИИ электрификации сельского хозяйства, РАСХН

GNU UNII of an electrification of an agriculture, Moscow

Поступила в редакцию 8.02.2008.