Искусственное освещение для получения функциональных продуктов питания

Введение. Растущий спрос мировых рынков на высококачественную продукцию приводит все большее число сельскохозяйственных структур растениеводства к созданию защищенной среды обитания. Искусственные агроэкосистемы позволяют регулировать макро- и микроокружение, что способствует оптимальному росту растений, увеличению продолжительности выращивания, скороспелости, получению более высоких урожаев и качественных продуктов питания [1]. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной Организации Объединенных Наций (ФАО), в 2050 году мировое население достигнет 9,7 миллиарда человек, причем 75 % из них будут проживать в городских центрах [2]. В связи с этим продовольственное снабжение и продовольственная безопасность находятся под угрозой, и городское сельское хозяйство могло бы помочь решить эту проблему.

Цель работы . Анализ влияния искусственного освещения на накопление биологически активных веществ в растениях для получения функциональных продуктов питания.

Научные разработки в области здорового питания приобретают все большую популярность во всем мире [3–5]. В России появилось понятие «функциональные продукты питания». В Америке понятие – «Funcional Food» [6]. На первый план выходит производство «продуктов нового поколения», к основным принципам разработки которых относятся: натуральность состава; экологически безопасное сырье; сбалансированность по составу в соответствии с потребностями человеческого организма; продукты не должны содержать консервантов, красителей, лекарственных и витаминных препаратов, ароматизаторов, стабилизаторов химического происхождения; продукты должны защищать организм от неблагоприятных воздействий окру- жающей среды, очищать организм от загрязнителей с помощью натуральных сорбентов, иметь лечебно-профилактические свойства [7, 8]. Согласно официальному определению Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии, функциональные пищевые продукты – это пищевые продукты, предназначенные для систематического употребления в составе пищевых рационов всеми возрастными группами здорового населения, снижающие риск развития заболеваний, связанных с питанием, сохраняющие и улучшающие здоровье за счет наличия в его составе функциональных пищевых ингредиентов [9]. Согласно определению американских ученых из Института функционального питания, под функциональными продуктами понимаются натуральные или обработанные растительные продукты, содержащие известные или неизвестные биологически активные компоненты (фитохимические вещества), которые в определенных эффективных нетоксичных количествах обеспечивают клинически доказанную и документированную пользу для здоровья, профилактики или лечения хронических заболеваний [10].

Высококачественные (функциональные) продукты питания с оптимизированными питательными веществами можно получить, контролируя их окружающую среду. Управление гидропонным питательным раствором способствует получению низкокалорийных овощей, а также овощей с низким содержанием нитратов. Спектр излучения влияет как на биомассу растений, так и на концентрацию полезных соединений (аскорбиновой кислоты, антоцианов, эфирных масел, макро- и микроэлементов) для ряда овощей и других культур [11]. Некоторые стресс-факторы, такие как недостаток воды, более высокая или низкая температура, высокая интен- сивность света, УФ-облучение, низкая температура корневой зоны и.т.д., эффективны для увеличения функциональных компонентов в растениях [12].

В исследовательской лаборатории Philips Research Laboratories и новом Grow Wise центре (Нидерланды) используют светодиодное освещение с большим разнообразием спектрального состава (от ультрафиолетового до дальнего красного) и динамическое управление с общим уровнем излучения, регулируемой яркостью до 600 мкмоль м-2 с-1. Стратегии роста, сочетающие в себе признаки качества урожая (цвет, питательные вещества, высокий индекс антоцианов или хлорофилла, флавоноидов, контролируемое содержание нитратов, срок годности) и эффективный рост (г моль-1), являются ключевыми для экономического развития искусственных агроэкосистем [13, 14].

В коммерческих голландских вертикальных фермах используют несколько стандартных комбинаций светодиодного излучения (крас-ный/синий или красный/белый с красным или без него) для получения функциональных продуктов питания. В качестве контроля использовали стандартное сочетание красно-белого светодиодного излучения, в эксперименте изменили спектр на более интенсивный синий и дальний красный, а также применили в течение нескольких дней непрерывную световую стимуляцию непосредственно перед сбором урожая. Исследования показали, что при разных комбинациях спектрального излучения изменялось содержание витаминов С, К, хлорофилла и флавоноидов в овощных культурах (салате, шпинате, рукколе и базилике), а также и вкусовые качества, но величина данного признака сильно зависела от сорта. Кроме того, интенсивность излучения влияла на срок годности шпината и рукколы с увеличением на несколько суток. Наиболее эффективным при сохранении овощной продукции было излучение с содержанием синего спектра (35 %), менее – вариант с дальним красным спектром (25 %). [15]. Процессы созревания и лежащие в их основе молекулярные механизмы различны между климактерическими и неклимактерическими плодами. Метаболические профили томатов изменяются во время созревания, и освещение может модулировать активность соответствующих биохи- мических веществ. Полезные для здоровья соединения (каротиноиды, флавоноиды, токоферолы и фенольные кислоты) накапливались быстрее при белом спектре излучения по сравнению с темнотой, в то время как алкалоиды и хлорофиллы уменьшались быстрее. Искусственное освещение также способствовало изменению уровней вкусовых метаболитов, включая глутамат и малат. Воздействие светового спектра показало, что добавление синего спектра излучения было наиболее эффективным методом воздействия на метаболом плодов [16].

В Национальном инженерно-исследовательском центре информационных технологий в сельском хозяйстве г. Пекина проводили исследования по влиянию зеленого светодиодного спектра излучения на рост и качество салата-латука ( Lactuca sativa L.). В качестве единственного источника излучения для выращивания салата в камере роста использовались регулируемые белые и зеленые светодиодные панели. Белый спектр излучения в интервале 8:00–20:00 (160 мкмоль м^-2 с^-1) рассматривали как основной для нормального роста салата, а зеленый спектр – в качестве дополнительного источника излучения с различной интенсивностью (30, 60 и 90 мкмоль м^-2 с^-1). Дополнительный зеленый спектр способствовал накоплению растворимого сахара, сырого белка и витамина С на разных стадиях развития салата, а также уменьшению содержания нитратов [17]. Аналогичные исследования по использованию зеленого светодиодного излучения в сочетании с синим и красным для повышения эффективности роста салата-латука проведены учеными из Сингапура. Растения выращивали в течение 50 дней в камере роста на гидропонике при 18 °С в двух вариантах излучения (красный/синий/зеленый и красный/синий) с фотосинтетически активной радиацией (ФАР) в диапазоне 85–87 мкмоль м^-2 с^-1. Зеленые и синие спектры влияли на фотоморфо-генную реакцию с локальным развитием (стебель и лист) растений салата [18].

Искусственное освещение влияет на фото-окислительные свойства растений, модулируя систему антиоксидантной защиты, что приводит к повышению активности антиоксидантных ферментов [19]. Повышенное накопление растительных метаболитов, как первичных, так и вторичных (растворимых сахаров, крахмала, белка), наблюдалось в присутствии односпек- тральных красных (625–630 мм) или синих (465– 470 мм) светодиодов по сравнению с белым спектром излучения (табл.). Односпектральный красный в сочетании с синими и красными светодиодами также увеличивает накопление пер- вичных метаболитов и антоцианов, общих полифенолов, флавоноидов, синтез β-каротина, лютеина, α-токоферола. Красный спектр излучения оказывает более выраженное влияние на накопление антоциана, чем синий [20, 21].

Влияние искусственного освещения на синтез биологически активных соединений в растениях [22]

Заключение. Искусственное освещение позволяет управлять физиологическими процессами путем регулирования основных факторов роста растений, таких как свет, температура, влажность, концентрация двуокиси углерода (СО 2 ), воды и питательных веществ. Освещение имеет решающее значение для фотосинтеза и роста растений. Помимо фотосинтеза, динамическое освещение контролирует урожайность и качество за счет использования циркадианных часов, главного регулятора физиологии. Сочетание различных длин волн спектра излучения в различных пропорциях позволяет улучшить питательные свойства сельскохозяйственных культур с целью получения «продуктов нового поколения». Одновременно с этим развитие закрытого земледелия в качестве новой системы растениеводства будет способствовать развитию фундаментальной науки о растениях и даст новые возможности для практической селекции в контролируемой среде.