Наука и технологии 26 Ноября 2021

Рожь, приятная во всех отношениях

Рожь уникальна по набору витаминов и микроэлементов, но использовать ее на корм скоту не позволяет отсутствие у сельскохозяйственных животных ферментов для переваривания одного из компонентов — пентозана. Российский ученый Владимир Кобылянский нашел решение проблемы, над которой мировая сельскохозяйственная наука бьется с начала нового тысячелетия
Рожь, приятная во всех отношениях
Иван Иванович Шишкин Рожь. 1878 Холст, масло. 107 × 187 см Третьяковская галерея, Москва
Wikipedia

Рожь славится своей высокой питательной ценностью. Белок ржи соответствует белку коровьего молока на 83%, в то время как белок пшеницы — всего на 41%. Рожь богата витаминами, микро- и макроэлементами. В ней содержатся витамин А, витамины группы В, С, Е и К, много во ржи кальция, калия, магния, натрия и фосфора, присутствуют железо, медь, цинк, марганец и селен. Ее употребление в пищу помогает контролировать вес. Если поставить такой ценный продукт в начале пищевой цепочки, добавляя в корма сельскохозяйственных животных, это поможет улучшить качество продукции животноводства.

Но пытаясь решить эту задачу, ученые разных стран мира натолкнулись на научный барьер. «Рожь всем-всем хороша, только не поедается животными. Там есть такие компоненты — водорастворимые пентозаны, пятиуглеродные сахара, — которые вызывают проблемы при кормлении животных: препятствуют пищеварению и усвоению полезных веществ, так как поглощают воды в десять раз больше своей массы, что приводит к созданию своеобразного клейстера, — пояснил Владимир Кобылянский, доктор биологических наук, главный научный сотрудник отдела генетических ресурсов овса, ржи и ячменя Всероссийского института генетических ресурсов растений (ВИР) имени Н. И. Вавилова и почетный профессор ВИР. — Этот клейстер обволакивает пищу, которая находится в желудке, и ограничивает доступ к ней пищеварительных ферментов. Фермент для расщепления пентозанов отсутствует в организме теплокровных животных».

magnifier.png Почему пентозаны ржи не оказывают такого негативного воздействия на человека, как на животных? Все дело в термической обработке. При выпекании ржаного хлеба пентозаны под воздействием высоких температур превращаются в производные, которые уже могут усваиваться организмом человека, как и молодые ростки ржи

Таким свойством обладают только пентозаны двух типов — арабиноза и ксилоза, уточнил Владимир Кобылянский: «Арабиноза и ксилоза строят древесину. К ним в результате обмена веществ присоединяются соединения глюкозы, и мы получаем клетчатку. Но именно арабиноза и ксилоза образуют слизь в пищеварительном тракте животных». А вот, например, пентозан рибоза — ключевой компонент ДНК и РНК — таким воздействием на организмы животных не обладает. Как и водонерастворимая гемицеллюлоза, также состоящая из пентозанов.

Но и вредные пентозаны не всегда вредны. Ученым давно известно, что на разных этапах жизненного цикла растений концентрация основных компонентов меняется. То же происходит и с пентозанами. Пока рожь молодая, зеленая, пентозаны служат для построения клеток. Но когда растение сформировано и начинается созревание зерна, содержащиеся в нем пентозаны переходят в другое, полимерное состояние.

Почему пентозаны ржи не оказывают такого негативного воздействия на человека, как на животных? Все дело в термической обработке. При выпекании ржаного хлеба пентозаны под воздействием высоких температур превращаются в производные, которые уже могут усваиваться организмом человека, как и молодые ростки ржи.

Но сельскохозяйственные животные едят зерно сырым. Ученые выяснили, что наибольший вред пентозаны причиняют свиньям и птицам. Поэтому в их корме не должно содержаться ржи более 4,5% для птиц и не более 10% — для свиней. Крупный рогатый скот чуть менее привередлив: вместе с другими видами корма бычки и телочки могут получать до двух килограммов ржи в день. Замечено, что наличие в комбикорме ржи работает для коров как вкусная приправа. С ней животные гораздо охотнее поедают сено.


КОБЫЛЯНСКИЙ.jpg
Доктор биологических наук, главный научный сотрудник отдела генетических ресурсов овса, ржи и ячменя Всероссийского института генетических ресурсов растений (ВИР) имени Н. И. Вавилова и почетный профессор ВИР Владимир Кобылянский
Наталия Михальченко

Поиски решений

«Вопрос использования ржи для кормления животных веками стоял перед человечеством. Пробовали плющение, температурную обработку. Но кардинально решить проблему так и не удалось, нужны были новые подходы», — комментирует Владимир Кобылянский. По его словам, зарубежные коллеги пошли по пути подбора пищеварительных ферментов, чтобы снять проблему на этапе пищеварения. Для этого они разработали способ химического получения необходимых ферментов, гидролизирующих пентозаны, и стали добавлять их в комбикорма при использовании зерна ржи в рационах животных. На практике этот путь привел к значительному (до 30%) удорожанию кормов.

Зарубежные исследователи изучали вопрос генетики ржи и выяснили, что высокое содержание пентозанов контролируется всеми хромосомами. «Суть работы иностранных коллег была в том, что они скрещивали линии пшеницы с замещенными хромосомами с рожью, тритикале и другими сортами пшеницы, в результате чего установили, что синтез пентозанов наследуется всеми хромосомами, — рассказывает Владимир Кобылянский. — В заключительной части работы было сказано, что это исключает возможность манипуляций в селекции. На этом они и остановились».

Далее исследователи стали разбираться, где именно находятся пентозаны. Наибольший их процент был обнаружен в оболочке семени.

«Всего в зерне ржи содержится до трех процентов водорастворимых пентозанов, представленных арабинозой и ксилозой, — говорит ученый. — Для сравнения: у пшеницы, овса, ячменя, которые спокойно поедаются животными, их до одного процента. То есть рубеж, когда в желудках животных начинает образовываться слизь, — это содержание пентозанов выше одного процента. Под оболочкой и алейроновым слоем, в эндосперме зерна, содержание пентозанов самое высокое. Поэтому я пошел по пути поиска форм, у которых содержание водорастворимых пентозанов ниже. И нашел!»


Была б в сусеке рожь

В древности рожь считалась сорняком, засоряющим посевы пшеницы и ячменя, который вместе с ними проник в северные широты. Но постепенно ее устойчивость к холоду, способность подавлять рост сорняков и болезни растений, способность улучшать структуру почвы благодаря развитой корневой системе, которая уходит в землю на глубину до двух метров, а также высокая пищевая ценность постепенно вывели культуру из тени. И в какой-то момент рожь стала основной сельскохозяйственной культурой в рационе крестьян Европейского Севера.

Начиная с XI века Русь часто называли «ржаным государством», так как она была главным экспортером ржи. С тех времен в русском языке появилось много пословиц и поговорок об этом злаке: «Матушка-рожь кормит всех сплошь», «Была б в сусеке рожь — будет и в кармане грош». До 2011 года Россия была на первом месте по объему производства ржи. Затем в лидеры вышла Германия. На третьем месте — Польша. Далее идут Белоруссия, Дания, Китай, Украина, Канада, США. Замыкают десятку лидеров Испания и Турция.

Рожь питательна и богата витаминами, микро- и макроэлементами, но при этом не очень калорийна: 100 граммов продукта содержит 283 ккал, в том числе 9,9 грамма белка, 2,2 грамма жиров и 55,8 грамма углеводов, широкий спектр витаминов группы В, витамины Е, К, РР, калий, магний, селен, цинк, фосфор. Существует множество рецептов народной медицины, в состав которых входит рожь.

Сито и лампа

Владимир Кобылянский демонстрирует сито, лампу — нехитрые приборы, с помощью которых было сделано открытие.

Он выяснил, что чем тоньше стенки клеток, тем меньше в зерне пентозанов. Как оказалось, вредные сахара содержатся только в стенке клеток — в оболочке и алейроновом слое. Следовательно, чем тоньше клеточные стенки в оболочке, тем тоньше оболочка зерна и тем она прозрачнее. Ученому удалось выявить низкопентозановую рожь невооруженным глазом.

«Оболочка традиционной ржи практически непрозрачная. Чем она тоньше, тем больше света она пропускает, — объясняет профессор ВИР. — Семена пшеницы просвечиваются, есть даже понятие стекловидности, а зерно ржи — нет. Так вот, низкопентозановая рожь тоже пропускает свет и содержит не больше пентозанов, чем другие культуры».

magnifier.png «Оболочка традиционной ржи практически непрозрачная. Чем она тоньше, тем больше света она пропускает. Семена пшеницы просвечиваются, есть даже понятие стекловидности, а зерно ржи — нет. Так вот, низкопентозановая рожь тоже пропускает свет — и содержит не больше пентозанов, чем другие культуры»

«Химическое определение очень дорогое. Скажем, исследование одного образца раньше стоило 500‒600 рублей, сейчас, наверное, в полтора раза дороже. И при этом зерно для этого процесса надо размолоть. А ведь если вы размололи — вы потеряли зерно!» — рассказывает Владимир Дмитриевич.

Метод определения, разработанный в ВИРе Владимиром Кобылянским, крайне эффективен как при работе селекционеров, так и проверке партии зерна.

Совместные работы ученых ВИРа с селекционерами позволили создать и районировать шесть сортов низкопентозановой ржи. Сорта «Вавиловская», «Берегиня», «Подарок», «Янтарная» и «Красноярская универсальная» уже допущены к использованию и включены в Государственный реестр селекционных достижений.

Ученым из ВИР и их коллегам удалось добиться рекордно низкого содержания водорастворимых пентозанов у ржи — оно не превышает 0,5‒1%, как у пшеницы.

«Создать мы создали, а что дальше — непонятно! Очень остро стоит проблема семеноводства низкопентозановой ржи, — сетует Владимир Кобылянский. — Привлечение частных предпринимателей проблематично. Мы стараемся искать контакты. Но частникам невыгодно тратить лишние несколько лет. Необходимо изучение первого года, второго года, третьего… И только потом получается элита, которая и является товаром, на котором можно заработать. В результате больших посевов нет, за исключением Татарстана, где низкопентазановой рожью засеяно 20 тысяч гектаров».


РОЖЬ В ЛАБ.jpg
Работа с образцами коллекции ВИР им.Н.И.Вавилова
Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И.Вавилова РАН

На практике

Испытания низкопентозановой ржи в кормлении животных превзошли все ожидания. Оказалось, что такое зерно не только может усваиваться организмом, но и способно заменить импортные добавки.

«Мы проводили опыты в одном тульском ООО на поросятах», — рассказал Кобылянский. В контрольный стандартный рацион поросят в течение шести недель входили пшеница, овес, ячмень, кукуруза и различные добавки. Корм, который испытывали ученые, существенно отличался: все добавки, включая сухое молоко, были исключены, а количество зерновых было сокращено на 50% — их заменила низкопентозановая рожь «Вавиловская».

Применение опытной смеси оказалась значительно эффективнее: для получения одного килограмма привеса необходимо затратить шесть килограммов традиционного корма — и всего три с половиной килограммов нового. «Это почти 50 процентов!» — восклицает ученый.

А при кормлении группы поросят монокормом из дерти ржи «Донская кормовая» в течение 30 дней их привес был на 14,1% больше, чем при кормлении дертью ячменно-пшеничной. Это объясняется высокой пищевой ценностью ржи, потенциал которой теперь, после устранения проблемы пентозанов, удалось успешно реализовать.

Полученные ученым результаты свидетельствуют о возможности успешного использования зерна низкопентозановой ржи при кормлении птицы. За тот же период привес был одинаковым как у контрольной группы, так и у экспериментальной. Аналогичные результаты получены при и кормлении телят.

magnifier.png Совместные работы ученых ВИР с селекционерами позволили создать и районировать шесть сортов низкопентозановой ржи. Сорта «Вавиловская», «Берегиня», «Подарок», «Янтарная» и «Красноярская универсальная» уже допущены к использованию и включены в Государственный реестр селекционных достижений

Изначально ученые ставили перед собой задачу решить проблемы животноводства, но полученное низкопентозановое зерно ржи открыло новые перспективы и для пищевой промышленности. «В лучшую сторону изменился выход пустой продукции. Отрубей меньше, ведь оболочка тоньше. А муки, наоборот, на 8‒20 процентов больше», — отмечает Владимир Кобылянский. У низкопентозановой ржи отруби не только тонкие, но и хрупкие. Поэтому отходов получается меньше.

Удобнее низкопентозановая рожь оказалась и в процессе получения зерна. Обычно для ржи используют специальные мельницы, так как на обычных, рассчитанных на пшеницу, залипают вальцы — в этом виноваты все те же особенности этой культуры. В случае с низкопентозановой рожью специального оборудования не требуется. И это тоже дает экономический эффект.

Выращивание низкопентозановой ржи в два с половиной раза прибыльнее обычной: ее стоимость на рынке составляет 25 рублей за килограмм против 10 рублей за килограмм обычной ржи.

Для сравнения: комбикорма в среднем стоят 30 рублей. В их состав входят различные дорогостоящие добавки, которые в основном закупаются за рубежом. Низкопентозановая рожь, таким образом, решает некоторые вопросы импортозамещения.

«Низкопентозановая рожь может снизить затраты на животноводство процентов на тридцать. А в животноводстве затраты на корма достигают 70‒80 процентов от общего объема затрат», — комментирует Владимир Кобылянский возможный экономический эффект своего научного достижения.

При этом он огорчен сокращением посевов ржи. В Ленинградской области в советское время рожью засевали 11 тысяч гектаров, сейчас же только 20 гектаров.

Еще по теме:
30.11.2021
Науке известно более миллиона астероидов, в том числе 27 тысяч сближающихся с Землей. Но «пришельцы», подобные Челябинск...
29.11.2021
В России намерены создать уникальный для отечественного рынка процессор «Нейро-Б» по технологиям 5‒7 нанометров. Сейчас ...
25.11.2021
На днях состоялось онлайн-собрание Научного совета РАН «Науки о жизни» на тему «Вакцины и новые методы лечения COVID-19:...
18.11.2021
Руководитель проекта по изучению популяционного иммунитета к SARS-CoV-2 директор Института междисциплинарных медицинских...
Наверх