Элементы технологии выращивания листовой биомассы амаранта с повышенным содержанием антиоксидантов для получения функциональных продуктов профилактического назначения

Автор: Гинс М.С., Гинс В.К., Кононков П.Ф., Пивоваров В.Ф., Гинс Е.М.

Журнал: Овощи России @vegetables

Рубрика: Физиология и биохимия растений

Статья в выпуске: 4 (33), 2016 года.

Бесплатный доступ

В растениеводстве широко используются разнообразные технологические приёмы, повышающие энергию прорастания семян, рост и развитие растений, и их продуктивность. Экологически безопасными приемами ускорения ростовых процессов является предпосевная обработка семян и некорневая подкормка растений ростстимулирующими препаратами природного происхождения. Необходимость в предпосевной обработке семян возникает у растений, семена которых неодновременно созревают, как например у амаранта. Действие ростстимулирующих биопрепаратов обусловлено их способностью в небольших концентрациях влиять не только на морфобиометрические показатели и продуктивность, но и на реакции биосинтеза, обмена веществ и физиологические процессы растений. Обработка семян препаратами, содержащими биологически активные вещества растительного происхождения, относится не только к экологически безопасным приемам, позволяющим повысить содержание важных биохимических веществ, но и к экономически выгодным. Следовательно, повышение качества листовых овощных растений путём увеличения в них содержания биологически активных веществ, например, полифенолов, можно решать с помощью технологий, основанных на использовании природных препаратов, содержащих биологически активные компоненты и биогенные химические элементы. Выявлено, что отличительной чертой краснолистных растений амаранта сорта Валентина в процессе вегетации является сильная изменчивость концентраций фенольных соединений в разновозрастных листьях: флавоноидов (кверцетина, апегенина и их гликозидов), оксикоричных кислот, простых фенолов, конденсированных и полимерных полифенолов. При этом изменчивость метаболитов - антиоксидантов во фракциях фенольных соединений, полученных из разновозрастных листьев, усиливается при обработке биопрепаратами природного происхождения, что позволяет предполагать, что они способны оказывать стресс-действие на защитные системы амаранта, повышая содержание антиоксидантов. Полученные данные свидетельствуют о том, что амарант, как перспективный источник антиоксидантов может использоваться при создании функциональных продуктов и фитопрепаратов.

Еще

Амарант, вторичные метаболиты, воспроизводимое сырье, листья разного возраста, фенольные соединения, амарантин, аскорбиновая кислота

Короткий адрес: https://sciup.org/140205190

IDR: 140205190

Текст научной статьи Элементы технологии выращивания листовой биомассы амаранта с повышенным содержанием антиоксидантов для получения функциональных продуктов профилактического назначения

Л истовая биомасса амаранта представляет собой экологически безопасное воспроизводимое растительное сырье – источник получения ценных веществ для пищевой промышленности, медицины и сельского хозяйства. Основной компонент растительного сырья – листья амаранта. Фотосинтезирующий лист амаранта – это многофункциональный орган растения, приспособленный к преобразованию световой радиации в энергию химических связей синтезирующихся в нем метаболитов, и представляет собой высокоинтегрированную метаболическую систему, объединяющую хлоропластные и цитоплазматические реакции, обеспечивая растения необходимыми соединениями для его роста, развития и продуктивности [1]. Полностью сформировавшийся лист выполняет многочисленные функции, осуществляя не только синтез и накопление необходимых для его функционирования метаболитов, но и направляет отток ассимилятов в более молодые листья и другие органы и ткани растения [2].

Молодой лист амаранта является акцептором ассимилятов только на ранней стадии развития, когда площадь листа составляет около 30-50% площади листа, закончившего рост. Импортируя ассимиля-ты из листьев с полностью оформленной листовой пластинкой, он использует их на построение структур и компонентов клетки интенсивно растущих органов амаранта. Потребление ассимилятов ювенильным и молодым листом способствует построению добавочного фотосинтетического аппарата, что ведет к увеличению фотосинтетической активности и, соответственно, фотосинтетической продуктивности растения. По мере роста молодого листа усиливается транспорт ассимилятов из него в другие листья и органы, и он посте-

пенно превращается в донора ассимилятов при достижении 6090% конечной площади листа [3,4].

Взрослые листья с высокой фотосинтетической активностью отдают свои ассимиляты растущим органам растения, оставляя на свои нужды 10-40% ассимилятов. Старые листья отдают в аттраги-рующие зоны амаранта (молодые листья, соцветия, боковые побеги) не только ассимиляты, но и продукты распада структур цитоплазмы [4]. Листья, ранее образованные на соцветии амаранта, обеспечивают ассимилятами растущие листья и формирующиеся на нем семена, при этом, чем длиннее соцветие, тем большее число листьев на нем образуется (до 15 штук).

Поэтому знание закономерностей смены функций листа амаранта в процессе его развития и старе- ния необходимы для понимания возможности формирования высокого урожая листовой биомассы и ее биохимического качества. Учитывая, что вклад ассимилятов разновозрастными листьями (взрослый и стареющий лист – донор ассимилятов; старый лист – донор ассимилятов и продуктов распада цитоплазмы) влияет на скорость роста листовых пластинок молодых листьев и качество листовой массы, то следует стимулировать образование биологически активных веществ с антиоксидантной активностью. Листья амаранта обладают уникальной способностью аккумулировать высокое содержание антиоксидантов, в том числе полифенолов. Получены новые данные в отношении биологической роли фенольных соединений для жизнедеятельности человека. Это прежде всего, относится к таким биологически активным соединениям, как различные группы флавоноидов (флавонолы и их гликозиды – кверцетин, кемпферол, рутин и др.; флавоны – лютео-лин, апигенин и др; флавононы – нарингенин, гесперидин и др.; дигидрофлавонолы – проатоциани-дины, катехины и др.), физиологические функции которых чрезвычайно разнообразны и важны для снижения риска развития многих широко распространенных в настоящее время заболеваний;

Простые фенольные соединения (гидрохинон, арбутин, гидроокси-коричные кислоты и др.), обладающие специфическим биологическим влиянием на разнообразные функции отдельных метаболических систем и организма в целом [5].

Все перечисленные выше природные вещества характерны для овощных растений, однако их содержание там довольно низкое.

Листья амаранта богаты фенольными соединениями. Фенольные соединения, проявляющие Р-вита-минную активность, крайне необходимые вещества для жизнедеятельности человека. Многие из них являются биологически активными веществами и антиоксидантами, которые участвуют в окислительно-восстановительных процессах и проявляют антиокислитель-ную активность, защищая компоненты клеток от активных форм кислорода [6]. Кроме того, они обладают широким спектром биологического действия. Эти соединения повышают резистентность капилляров, нормализуют углевод-но-фосфатный обмен и способствуют более эффективному использованию аскорбиновой кислоты. Полифенолы (и в том числе флавоноиды) широко распространены в овощных растениях, имеющих пищевое и фармакологическое значение [7].

Цель работы – изучить особенно- сти накопления антиоксидантов, в том числе, фенольных соединений в разновозрастных листьях амаранта при предпосевной обработке семян и некорневой обработке листьев природными ростстимулирующими биопрепаратами.

Методика

Объектом исследований служили семена и растения амаранта сорта Валентина селекции ВНИИС-СОК (авторы Кононков П.Ф., Гинс В.К., Гинс М.С.). Предпосевную обработку семян амаранта проводили замачиванием их в растворах биопрепаратов Альбит, Амир и Амиросел в концентрациях 10-5% в течение 12 часов. В контроле семена амаранта замачивали в воде. Обработанные семена высевали в открытый грунт на опытном поле Всероссийского научно-исследовательского института селекции и семеноводства овощных культур (Московская область, Одинцово).

Растения обрабатывали в фазу бутонизации путем опрыскивания надземной массы растворами биопрепаратов в концентрации 10-5% Листья контрольных растений опрыскивали водой. Отбор проб проводили через две недели после обработки, листья со всех ярусов были собраны одновременно в фазу цветения растений отдельно с каждого яруса. Первый ярус включал в себя ювенильные листья и листья с растущей пластинкой; второй – листья с закончившей рост пластинкой; третий – листья с полностью развитой пластинкой; четвертый – стареющие и старые листья. На одном растении в этот период вегетировало от 22 до 25 листьев в зависимости от варианта обработки.

В состав препарата входят также хвойный экстракт (терпеновые кислоты), сбалансированный стартовый набор макро- и микроэлементов (NPK, Mg, S, Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, В, С, Ni, Сl, Са, I, Sе, Si). Альбит применяют для предпосевной обработки семян и растений в течение вегетации. Биопрепарат разрешён для применения на зерновых, овощных и плодовых культурах. На овощных культурах было выявлено влияние биопрепарата Альбит на повышение их продуктивности и качества.

Амир – биопрепарат для влажной обработки семян и внекорневой обработки растений, созданный на основе листьев амаранта. Действующая композиция: бетацианин, фенольные соединения, в том числе, флавоноиды, набор незаменимых аминокислот. Препарат соответствует нормам и требованиям экологической безопасности.

Амиросел – комплексный препарат на основе препарата Амир с добавлением микроэлемента селена. Препараты Амир и Амиросел разработаны в лаборатории биохимии и физиологии ВНИИССОК.

Анализ содержания полифенолов включал определение в полученных фракциях флавоноидов, простых полифенолов и оксибен-зойных кислот, оксикоричных кислот, а также полимерных и конден-

  • 1.    Фракционный состав фенольных соединений (ФС) в разновозрастных листьях амаранта сорта Валентина (% на абс. сухую массу)

    Варианты

    ∑ ФС

    Простые ФС и фенолкарбоновые кислоты

    Флавоноиды (±0,11)

    Конденсированные и полимерные ФС (±0,11)

    Контроль I ярус

    4,45

    0,51

    3,17

    0,77

    Контроль II ярус

    4,51

    0,53

    3,24

    0,74

    Контроль III ярус

    4,48

    0,44

    3,11

    0,93

    Контроль IV ярус

    4,16

    0,31

    2,71

    1,14

    Альбит I ярус

    5,24

    0,44

    4,01

    0,79

    Альбит II ярус

    5,28

    0,47

    4,04

    0,64

    Альбит III ярус

    5,17

    0,41

    3,83

    0,93

    Альбит IV ярус

    4,94

    0,34

    3,50

    1,10

  • 2. Фракционный состав фенольных соединений (ФС) в разновозрастных листьях амаранта сорта Валентина (% на абс. сухую массу)

сированных полифенолов. Методы выделения фракций и определения полифенольного состава и содержания указаны нами ранее [6]. Флавонолы определяли по специально разработанной методике, сравнивая спектры флуоресценции и возбуждения флуоресценции этанольных растворов пигментов со спектрами их комплексов с AlCl3, H3BO3 и лимонной кислотой. Гликозиды пигментов предварительно гидролизовали в смеси 4 н HCl и 90% этанола (1:1) до свободных агликонов. Полученные агликоны идентифицировали по максимумам излучения в области 470-520

нм (этанольные растворы), 480-500 нм (комплексы с AlCl3) и 520-540 нм (комплексы с H3BO3 и цитратом натрия). В спектрах возбуждения флуоресценции соответственно наблюдали полосы при 365-375, 420-430 и 440-470 нм.

В работе использовали спектроф-луориметр Флюорат-02-Панорама (фирма «ЛЮМЭКС», Россия), работающий в режиме двумерного сканирования спектров флуоресценции и возбуждения флуоресценции. Режим двумерного сканирования позволял получать полную картину флуоресценции растворов пигментов в диапазоне 400-600 нм.

Содержание фотосинтетических пигментов определяли спектрофотометрическим методом, рассчитывая содержание по формулам [8]. Количество амарантина в водных экстрактах определяли с учетом молярного коэффициента экстинкции 5,66x10-4 лxмоль-1xсм-1 и молярного веса [8]. Содержание восстановленной формы аскорбиновой кислоты определяли йодометрическим титрованием по методу [10].

Результаты и обсуждение

Анализ данных, представленных в таблице 1, показывает, что листья растений амаранта, семена которых

Варианты

∑ ФС

Простые ФС и фенолкарбоновые кислоты (±0,05)

Флавоноиды (±0,11)

Конденсированные и полимерные ФС (±0,11)

Амир I ярус

4,82

0,51

3,54

0,77

Амир II ярус

4,88

0,44

3,72

0,72

Амир III ярус

4,73

0,41

3,41

0,91

Амир IV ярус

4,38

0,30

2,97

1,11

Амиросел I ярус

5,24

0,47

4,04

0,73

Амиросел II ярус

5,25

0,41

4,17

0,67

Амиросел III ярус

5,18

0,44

3,90

0,84

Амиросел IV ярус

4,98

0,31

3,70

0,97

были обработаны ростстимулирую-щим препаратом Альбит, накапливали большее суммарное количество фенольных соединений по сравнению с контролем. Максимальный уровень аккумуляции суммы полифенолов, простых фенолов и фенолкарбоновых кислот, флавоноидов в контрольных и опытных растениях наблюдали в листьях второго яруса. По мере увеличения возраста листьев (I-IV ярусы) содержание флавоноидов снижается на 14,5% в контроле, на 13,1% при обработке препаратом Альбит. Общей тенденцией для контрольных и обработанных растений является увеличение содержания конденсированных и полимерных фенольных соединений по мере старения листьев, которые в большом количестве накапливались в листьях IV яруса. По сравнению с содержанием этой фракции фенольных соединений в первом ярусе листьев, в самом нижнем ярусе их содержание увеличилось в 1,3-1,5 раза. В то время как простых фенолов и фенолкарбоновых кислот накапливалось в большем количестве в листьях контрольных растений амаранта. Предпосевная обработка семян амаранта стимулировала быстрый рост растений и развитие корневой системы на начальном этапе, что ускорило нарастание листовой массы и обеспечило прибавку урожая на 15-20% листьев изученных ярусов.

Предварительная обработка семян и некорневая листьев по вегетации биопрепаратами Амир и Амиросел, выявила больший рос-тстимулирующий эффект при действии препарата Амиросел, при этом, продуктивность листовой биомассы увеличилась, соответственно, на 10 и 15% (табл.2).

Суммарное содержание фенольных соединений в листьях растений амаранта, обработанных биопрепаратами Амир и Амиросел, по сравнению с контрольными растениями повысилось на 8-10%. Количество простых фенольных соединений и фенолкарбоновых кислот практически не изменилось или имело тенденцию к снижению.

Представленные данные свидетельствуют, что для получения растений амаранта с высокой продуктивностью листовой биомассы и повышенным содержанием аниток-сидантов перспективно использовать ростстимулирующие биопрепараты растительного происхождения с добавлением биологически активных веществ типа полибетагидро-масляной кислоты и антиоксидантов, в том числе, селена, которые способны воздействовать на окислительно-восстановительный потенциал в клетке и на реакции синтеза растительных пигментов – антиоксидантов: каротиноидов, амарантина, флавоноидов.

Показано, что предпосевная обработка семян амаранта биопрепаратом Альбит стимулирует в боль- шей степени ростовые процессы: высоту стебля, число листьев, развитие корневой системы по сравнению с препаратами Амир и Амиросел. В то время как последние эффективно влияют на образование антиоксидантов в листьях при некорневой обработке. Хороший эффект был получен при обработке листьев биопрепаратом Амииросел в конце вегетативной фазы дважды с недельным промежутком между опрыскиванием.

Некорневая обработка листьев амаранта биопрепаратом Амиросел повысила содержание антиоксидантов кверцетина, рутина, апигенина, апегинин-7-O-глюглюкозида на 1215%, а также фотосинтетических пигментов и амарантина - на 13% (табл. 3).

Содержание аскорбиновой кислоты в листьях амаранта (1,2 ярусов), обработанных биопрепаратом Амиросел, увеличилось на 12%.

Следует отметить, что листья верхних ярусов растений амаранта активно фотосинтезируют и отличаются более высоким содержанием суммы хлорофиллов и каротиноидов по сравнению с контролем.

Наши исследования подтвердили раннее полученные данные, что рост-регулирующие препараты влияют на биосинтез антиоксидантов, которые проявляют антиокислительную активность и являются компонентами защитной системы амаранта. Предпосевная обработка семян и

3. Содержание антиоксидантов в листьях амаранта (1,2 ярусов), обработанных биопрепаратом Амиросел

Наименование

Размерность

Контроль

Амиросел

Кверцетин

%АСМ

0,681

0,772

Рутин

%АСМ

0,623

0,714

Апигенин

%АСМ

0,353

0,462

Апегинин -7-O-глюкозид

мг/г

0,231

0,344

Аскорбиновая кислота

мг/г

150,0

180,8

Каротиноиды

мг/г

0,400

0,552

Амарантин

мг/г

1,010

1,350

Σ хлорофиллов (a+b)

мг/г

1,752

1,913

опрыскивание листьев по вегетации биопрепаратами Амир и Амиросел, содержащими вторичные метаболиты фенольной природы стимулирует синтез антиоксидантов, в том числе, флавоноидов и фенолкарбоновых кислот, повышая качество листовой биомассы амаранта.

Выводы

  • 1.    Разновозрастные листья амаранта различаются между собой по уровню накопления фенольных соединений: простых фенолов и фенолкарбоновых кислот, флавоноидов, полимерных и конденсированных фенольных соединений

  • 2.    Предпосевная обработка семян амаранта ростстимулирующими препаратами Амиросел, Амир и Альбит и некорневая обработка растений по вегетации повышает продуктивность листовой массы на 10-20% соответственно.


  • 3.    Максимальное накопление флавоноидов, простых фенолов и фенолкарбоновых кислот обнаружено в листьях 2-го яруса, которые характеризовались полностью развитой пластинкой и повышенным содержанием фотосинтетических пигментов и амарантина, в то время как в старых листьях аккумулировались в большем количестве полимерные и конденсированные фенольные соединения.

  • 4.    Для повышения качества листовой массы амаранта рекомендуется обрабатывать семена и листья амаранта растворами биопрепаратов Альбит и Амиросел в концентрации 10-5%.

  • 5.    Листья амаранта сорта Валентина перспективно использовать на пищевые цели: чайные напитки, холодные чаи, красители для кондитерских изделий, приготовление салатов, супов, вторых блюд, а также как сырье для медицинских препаратов

TECHNOLOGICAL ELEMENTS

TO GROW LEAF BIOMASS IN AMARANTH WITH INCREASED CONTENT

OF ANTIOXIDANTS FOR DEVELOPMENT OF FUNCTIONAL PRUDUCTS

AND FOR PROPHYLACTIC PURPOSE

Gins M.S.1, Gins V.K.1, Kononkov P.F.3, Pivovarov V.F.1, Gins E.M.2

  • 1    Federal State Budgetary

Research Institution

2People’s Friendship University of Russia (RUDN)

117198, Moscow, Miklukho-Maklaya st. 6 3All-Russian Public Organisation

‘Academy of Non-traditional and Rare Plants’

143080, Russia, Moscow region, Odintsovo district, p. VNIISSOK, Selectionnaya st., 14

Список литературы Элементы технологии выращивания листовой биомассы амаранта с повышенным содержанием антиоксидантов для получения функциональных продуктов профилактического назначения

  • Кононков П.Ф., Гинс М.С., Гинс В.К., Рахимов В.М. Технология выращивания и переработки листовой массы амаранта как сырья для пищевой промышленности//Всероссийский научно-исследовательский институт селекции и семеноводства овощных культур. Москва, 2008.
  • Ничипорович А.А, Физиология фотосинтеза. М.: Наука,1982.
  • Мокроносов А.Т. Онтогенетический аспект фотосинтеза. М.: Наука, 1981.
  • Мокроносов А.Т., Гавриленко В.Ф. Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты. М: Изд-во МГУ. 1992.
  • Рекомендуемые уровни потребления пищевых и биологически активных веществ: методические рекомендации МР 2.3.1.1915-04. -М.: Федеральный Центр Госсанэпиднадзора Минздрава России. -2004. -46 с.
  • Гинс М.С., Гинс В.К., Колесников М.П., Кононков П.Ф., Чекмарев П.А., Каган М.Ю. методика анализа фенольных соединений в овощных культурах. Министерство сельского хозяйства Российской федерации. Москва, 2010.
  • Загоскина Н.В. Вторичные соединения растений, их функции и применение//Материалы седьмого Международного симпозиума «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования»/М.: РУДН. -2007. -С. 140-145.
  • Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and carotenoids -pigments of photosynthetic biomembranes//Methods in Enzymology. 1987.Vol. 148. P. 350-382.
  • Гинс М.С., Гинс В.К. физиолого-биохимические основы интродукции и селекции овощных культур. Москва, 2011.
  • Сапожникова Е.В., Дорофеева Л.С. Определение содержания аскорбиновой кислоты в окрашенных растительных экстрактах йодометрическим методом//Консервная и овощесушильная промышленность. -1966. -№ 5. -C. 29-31.
Еще
Статья научная