Основы селекции подсолнечника с повышенным содержанием насыщенных жирных кислот в масле

Растительные жиры и масла получают из масличных семян и фруктов. Все масла состоят из насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Более 50 различных жирных кислот может запасаться в растениях, но, несмотря на их большое разнообразие, в состав липидов в основном входят высшие кислоты, содержащие 16, 18, 20 и 22 атома углерода [1]. Профиль жирных кислот играет значительную роль как в питательных свойствах, так и в характере конечного использования пищевых растительных масел. Ненасыщенные олеиновая

(С18:1) и линолевая (С18:2) кислоты составляют до 80 % от всех жирных кислот, синтезируемых растениям. Данные жирные кислоты содержатся во всех растительных маслах [1]. Масла, богатые ненасыщенными жирными кислотами, обычно жидкие при комнатной температуре. Их используют для розничной продажи, жарки, консервирования и приготовления салатов. Однако благодаря высокому проценту полиненасыщенных жирных кислот (> 65 %) основные пищевые масла, полученные из семян, относительно нестабильны в окислительном отношении, что ограничивает их полезность в пищевых продуктах [2].

Наиболее распространенными насыщенными жирными кислотами являются пальмитиновая (С16:0) и стеариновая (С18:0), входящие в состав твердых растительных масел. В жидких растительных маслах они содержатся в значительно меньших количествах. Однако пальмитиновая кислота имеется во всех растительных маслах.

Основными источниками твердых растительных жиров являются пальмовый стеарин, пальмоядровое, кокосовое, масло какао, ши и др. Общим для всех этих твердых жиров и масел является то, что их получают из плодов и семян растений тропических регионов [3].

Высокий уровень насыщенных жирных кислот в мембранных липидах несовместим с низкими температурами, так как мембраны становятся хрупкими, вызывая лизис клеток. Поэтому накопление насыщенных жирных кислот может поддерживаться только при постоянно высоких температурах тропического климата. Этот факт был описан еще в работах С.Л. Иванова. Именно он стал основоположником теории маслообразовательного процесса. Исследуя состав и количественные соотношения жирных кислот растений и условия их произрастания, он установил климатогеографическую зависимость образования жирных кислот. Согласно данной теории по мере продвижения от экватора к полюсам степень насыщенности масел снижается и увеличивается доля ненасыщенных жирных кислот [4]. В процессе эволюции у растений выработалась способность к синтезу ненасыщенных жирных кислот, которые не застывают при температуре ниже 4 °С. Поэтому жиры тропических растений содержат больше насыщенных жирных кислот, чем растения более северных регионов. Интересным является и тот факт, что только 5 % семейств тропических растений запасают масло в зародышах, тогда как в умеренном поясе доля таких семейств составляет 80 % [1].

Высокое содержание насыщенных жирных кислот придает тропическим маслам температуру плавления и реологические свойства, необходимые для производства кондитерских жиров и структурированных липидов. Кондитерские и кулинарные жиры являются важнейшим компонентом кондитерских изделий на жировой основе, а также используются для производства многих полуфабрикатов, снеков и хлебобулочных изделий.

Все тропические масла можно классифицировать по количеству преобладающих насыщенных жирных кислот, которые они содержат: лауриновые, пальмитиновые и стеариновые [3]. К первой группе относятся пальмоядровое и кокосовое масла. Пальмоядровое масло содержит до 51 % лауриновой кислоты и около 16 % миристиновой [5]. Кокосовое масло - до 9095 % насыщенных жирных кислот, при этом именно на лауриновую и миристиновую приходится до 70 % [6-8].

Основными жирными кислотами в пальмовом масле являются пальмитиновая (C16:0) - до 42,6 %, олеиновая (C18:1) -до 41,9 %, и линолевая (C18:2) - до 10,4 %. Обычно пальмовое масло фракционируют на пальмовый олеин (жидкая фракция) и пальмовый стеарин (твердая фракция) для получения фракций с более специфическими свойствами [5; 9].

Пальмовое масло стало заменой гидрогенизированным растительным жирам благодаря твердому состоянию при комнатной температуре и отсутствию в составе транс-изомеров жирных кислот. Кроме того, масличная пальма - это самая высокоурожайная масличная культура с выходом масла с 1 га в 5 раз больше, чем у рапса или подсолнечника [10]. Однако увеличение производства пальмового масла наносит ущерб биоразнообразию и ведет к сокращению площадей тропических лесов [11].

К третьей группе относят какао-масло, масло ши, масло иллипе и др. Какао-масло является одним из самых ценных и полезных растительных жиров, получаемых из какао-бобов. Благодаря своим уникальным свойствам, нейтральному вкусу, твердому состоянию и окислительной стабильности оно широко используется в косметике и приготовлении пищи. Какао-масло состоит в основном из насыщенных жирных кислот, таких как стеариновая (35,8 %) и пальмитиновая (26,3 %), и около 3035 % приходится на ненасыщенные жирные кислоты. Высокое содержание насыщенных жирных кислот и их особое расположение в молекулах триглицеридов придают какао-маслу особо ценные свойства - постепенное плавление и особую кристаллическую структуру, благодаря которым данное масло является основой для изготовления шоколада и других кондитерских изделий [12]. Какао-масло получают из семян какао-дерева Theobroma , которое может произрастать только в определенных местах с тропическим климатом. Этот факт и восприимчивость растения к вредителям делают поставки какао несколько неопределенными и непостоянными, что приводит к высокой стоимости данного масла.

Наиболее богатым по содержанию стеариновой кислоты среди природных растительных масел является масло ши. Изучение жирных кислот показало их значительную вариабельность в этом масле. После анализа 150 образцов семян ши различного происхождения Di Vincenzo et al. (2005) установили, что масло ши содержит 16 насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, из которых олеиновая, стеариновая, пальмитиновая и линолевая являются доминирующими [13]. Основная жирная насыщенная кислота в составе масла ши -стеариновая, которая варьирует от 29,5 до

• 55,7 %, тогда как пальмитиновой кислоты -около 4 % [14].

Масло иллипе, производимое из орехов рода Shoreu , также имеет высокую долю стеариновой (39,4-46,7 %), олеиновой (33,2-35,8 %), и пальмитиновой (16,029,0 %) кислот. По жирнокислотному составу и температурам плавления и кристаллизации данное масло наиболее близко к какао-маслу [15; 16].

Масло семян дикого манго ( Mangifera sylvatica ) также относится к стеариновой группе, так как в данном масле содержится около 30,4 % стеариновой, 47,6 % олеиновой и 13,8 % пальмитиновой жирных кислот [17; 18].

В 2024 г. производство пальмового масла составило 79,6 млн т, кокосового -3,7 млн т, какао-масла - 4,3 млн т, масла ши - лишь 0,8 млн т [19; 20].

Существуют некоторые разногласия относительно того, может ли высокое потребление насыщенных жирных кислот отрицательно сказываться на здоровье человека. Многочисленные медицинские исследования показывают, что отдельные насыщенные жирные кислоты по-разному влияют на концентрацию холестериновых фракций липопротеидов в плазме крови. Например, лауриновая (C12:0), миристиновая (C14:0) и пальмитиновая (C16:0) кислоты повышают уровень холестерина ЛПНП, в то время как стеариновая (C18:0) не оказывает никакого эффекта. Поэтому наиболее полезными среди твердых и полутвердых масел являются масла с меньшим количеством С8:0–С16:0 и сравнительно более высокой долей С18:0 [21-23].

Традиционное подсолнечное масло в сумме содержит до 90 % мононенасыщен-ной олеиновой и полиненасыщенной линолевой жирных кислот. Селекционная работа, направленная на увеличение насыщенных жирных кислот, стала возможной после открытия мутаций высокопальмити-новости и высокостеариновости. Все мутации высокостеариновости (HS) получены при использовании химического мутагенеза (этилметансульфонат, азид натрия) [24; 25].

Первая линия HP275 с высоким содержанием пальмитиновой кислоты была получена в 1973 г. после обработки гамма-излучением сухих семян подсолнечника сорта Заря. В семенах данной линии накапливалось до 28,7 % пальмитиновой (С16:0) и до 7,1 % пальмитолеиновой (С16:1) жирных кислот [26].

В 1994 г. Mancha et al. сообщили об обнаружении нового мутанта CAS-5, полученного в результате обработки X-лучами. В среднем семена CAS-5 содержали 16:0 (27,6–33,6 %) и 16:1 (7,5 %) в поколении М 4 . После химического мутагенеза (EMS) был получен мутант Р-20 с содержанием пальмитиновой кислоты 14,7–21,0 % в поколении M 3 [24; 25]. В 1997 г. создан новый мутант подсолнечника CAS-12, который характеризовался высоким содержанием С16:0 (30,7 %) и С18:1 (56 %), а также значительным содержанием С16:1 (7 %). Мутант был отобран после рентгеновского облучения сухих семян инбред-ной линии BSD-2-423 [27]. В 2004 г. c помощью отбора и химического мутагенеза была получена линия CAS-37 с содержанием пальмитиновой кислоты 29,5 % и очень высоким содержанием кислот, не характерных для обычного подсолнечника: пальмитолеиновой – 12,3 %, паль-митлинолевой – 4,6 % и асклепиковой – 5,4 % [28]. Velasco et al. в результате обработки семян сорта Передовик мутагеном этилметансульфонатом (EMS) получили новый мутант NP-40 с высоким содержанием пальмитиновой кислоты [29]. В 2005 г. во ВНИИМК путем скрещивания с донором и последующим отбором в расщепляющемся потомстве была выведена линия ЛГ30 с высоким содержанием пальмитиновой (24,1 %) и пальмитолеиновой (3,7 %) жирных кислот [30].

Гибридологический анализ, проведенный Perez-Vich et al. (1999), показал, что высокое содержание пальмитиновой кислоты мутантной линии CAS-5 в скрещиваниях с нормальной линией HA-89 контролировался рецессивными аллелями в трех локусах (P1, P2, P3), каждый из которых имеет по два аллеля, демонстрирующих частичное доминирование низкого содержания С16:0 [31]. Генотипы с высоким содержанием C16:0 были гомозиготными по рецессивному аллелю p1 и, по крайней мере, по одному из двух других рецессивных аллелей, p2 или p3. При отсутствии гена p1 гены p2 или p3 не проявляли фенотипической экспрессии [32]. Также было обнаружено, что генетический контроль признака высокого содержания пальмитиновой кислоты аналогичный в CAS-12 и в CAS-5 [33].

Биохимическая характеристика мутантов CAS-5 и CAS-12 показала, что подобный фенотип возникает в результате совместного влияния более низкой активности KASII (β-кетоацил-АПБ синтетазы) и повышенной активности тиоэстеразы на пальми-тоил-АПБ (16:0-АПБ). Как следствие, в составе мутантных линий появляются три новые жирные кислоты: пальмитолеиновая (16:1 Δ9), асклепиковая (18:1 Δ11) и паль-митлинолевая (16:2 Δ9 Δ12) [34].

Изучение молекулярно-генетических основ высокого содержания С16:0 в линии CAS-5 показало, что локус β-кетоацил-AПБ-синтазы II (KASII) в теломерном участке группы сцепления LG9 генетической карты подсолнечника совпадает с содержанием пальмитиновой кислоты в этой популяции. Локус KASII объясняет подавляющее большинство фенотипических вариаций (98 %) этого признака. Два незначительных QTL, влияющих на содержание пальмитиновой кислоты, также были обнаружены в нижней половине LG 9 и в LG 17 [35].

Высокое содержание стеариновой кислоты было впервые зафиксировано после химического мутагенеза в мутантах CAS-8 (> 10 %), CAS-4 (> 13 %), S-30 (10,0– 30,4 %) и CAS-3 (> 25 %) [24; 25]. В 2002 г. с помощью мутагенеза был выделен мутант CAS-14 с очень высоким содержанием стеариновой кислоты – более 35 % [36; 37]. Еще две линии, CAS-19 и CAS-20, со средним содержанием стеариновой кислоты были выведены путем скрещивания CAS-3 и линии со стандартным содержанием жирных кислот [38]. Все перечисленные генотипы относились к так называемому линолевому типу с содержанием олеиновой кислоты не более 36 %. Позже были получены новые высокостеариновые линии путем скрещивания линий с высоким содержанием стеариновой кислоты между собой, а также со стандартными и высокоолеиновыми линиями. Так, CAS-29 и CAS-30 содержали до 34,5 % стеариновой кислоты на линолевом фоне, а CAS-15 и CAS-33 – 24,9 и 17,4 % С18:0 соответственно на олеиновом фоне [39].

Perez-Vich et al. (1999) провели исследование генетического контроля высокого содержания стеариновой кислоты в мутантной линии подсолнечника CAS-3. Результаты показали, что этот признак контролируется двумя рецессивными аллелями в двух локусах Es1 и Es2 . Влияние Es1 локуса на накопление стеариновой кислоты выше, чем у локуса Es2 , но оба локуса имеют аддитивный эффект на экспрессию признака. Низкое значение стеариновой кислоты показывает частичное доминирование [40]. Pérez-Vich et al. изучали генетический контроль линии СAS-4 и установили, что гены, контролирующие низкий уровень стеариновой кислоты, частично доминируют над среднестеариновостью линии CАS-4, которая, в свою очередь, частично доминирует над высоким содержанием стеариновой кислоты в линии САS-3 [41]. В 2004 г. был изучен генетический контроль каждого гена отдельно линий CAS-19 (e s1es1Es2Es2 ) и CAS-20 ( Es1Es1es2es2 ) [38].

В 2006 г. в результате гибридологического анализа был выявлен еще один рецессивный ген еs3 , контролирующий очень высокое содержание стеариновой кислоты (> 35 %) линии CAS-14. При скрещивании мутантных линий СAS-3 и CAS-14 не было обнаружено аддитивного действия генов es1 и es3 , приводящего к увеличению содержания стеариновой кислоты относительно уровня родительских линий, как в случае для генов es1 и es2 [37]. Более того в исследовании Pérez-Vich et al. обнаружили, что ген es1 не только не увеличивает содержание стеариновой кислоты, но и препятствует достижению максимального потенциала ее накопления, обеспечиваемого геном es3 [42] .

Молекулярно-генетическое изучение мутаций высокостеариновости показало, что локус Es1 локализован в первой группе сцепления (LG1) [43], QTL маркер гена es1 назван st1-SAD17A [44]. Выявить QTL локуса Es2 не удалось из-за его слабого генетического эффекта. Также было установлено, что повышенное содержание стеариновой кислоты могут вызывать еще три минорных гена из разных групп сцепления LG3, 11 и 13 [44; 45]. Локус Еs3 был локализован в восьмой группе (LG8) на генетической карте подсолнечника. При этом для Еs3 установлены SSR-маркеры ORS 243, ORS 536 с генетическим расстоянием 0,5 и 1,3 сМ [42].

Испанские ученые изучали возможность объединения мутаций высокопаль-митиновости CAS-5 и высокостеариново-сти линии CAS-3. В результате проведенного гибридологического анализа авторы установили, что локусы, контролирующие признак высокого содержания C16:0, оказывают эпистатическое влияние на локусы, ответственные за признак высокого содержания C18:0. В результате фенотипическая комбинация, содержащая как высокие уровни CAS-5 (C16:0), так и высокие уровни CAS-3 (C18:0), была невозможна. Однако в поколении F 3 были выявлены фенотипы с содержанием насыщенных жирных кислот 44 % (34,5 % C16:0 + 9,5 % C18:0) [32; 46].

В результате скрещивания мутантных линий CAS-5 и CAS-3 была получена линия CAS-18, которая содержала 33,2 % пальмитиновой и 11,1 % стеариновой кислот на линолевом фоне (4 % – С18:1). Линия CAS-25, отобранная из потомства от скрещивания линии CAS-3 и CAS-12, содержала до 30,1 % С16:0 и 6,8 % С18:0, тогда как олеиновой кислоты было 45,8 %. Несмотря на высокое содержание пальмитиновой кислоты, её уровень в семенах снизился до 1,4 и 2,1 % соответственно, что существенно ниже, чем у высокопальмитиновых родительских линий. Авторы объяснили этот факт тем, что данные линии наследовали сниженную активность SAD. Из расщепления от скрещивания CAS-5 и CAS-3 также была выделена линия CAS-31. В семенах этой линии уровень насыщенных жирных кислот был также высоким, однако доминирующей является стеариновая кислота (31,9 %) [47].

Разные авторы изучали влияние высокого содержания насыщенных жирных кислот на различные признаки растения подсолнечника. Мутация высокопальми-тиновости р приводила к уменьшению высоты растений, числа листьев и длины вегетационного периода [48]. Также установлено отрицательное влияние мутации высокопальмитиновости на высоту растений подсолнечника, линейные размеры семядолей и листьев, а также надземную биомассу на стадии V2 [49]. В исследовании Velasco et al. (2007) обнаружена отрицательная корреляция (r = -0,48) между содержанием пальмитиновой кислоты и мас-личностью и положительная корреляция (r = 0,26) между содержанием масла и олеиновой кислотой, устойчивой корреляции между содержанием масла и стеариновой кислоты не наблюдалось [50]. Таким образом, не выявлено данных, описывающих отрицательные эффекты высокого содержания стеариновой кислоты на хозяйственно ценные признаки подсолнечника.

В результате скрининга коллекции ВИР по жирнокислотному составу были выявлены 14 линий, в которых содержится > 5 % стеариновой кислоты, однако максимально высокое значение в линии ВИР840 не превышало 6,34 % [51].

Первый высокостеариновый гибрид был разработан учеными из Instituto de la Grasa в г. Севилья и компанией Advanta Seeds под торговой маркой Nutrisun [52]. Масло данного гибрида содержало до 18 % стеариновой кислоты и до 71 % олеиновой кислоты и относилось к категории высокостеаринового высокоолеинового (HSHO). Однако авторами указывается, что само по себе масло HSHO не может быть использовано для приготовления кондитерских изделий и нуждается в дальнейшей обработке – фракционировании без гидрирования или переэтерификации. Твердая фракция подсолнечного стеарина, выделенная из масла HSHO, содержала около 45 % стеари- новой, 45 % олеиновой жирных кислот и до 65–80 % SUS триглицеридов (насыщен-ные-ненасыщенные-насыщенные), а интервалы плавления и кристаллизации совпадали с параметрами какао-масла [53; 54]. Индекс окислительной стабильности масла гибрида Nutrisun при температуре 110 °C в шесть раз выше, чем у обычного подсолнечного масла [52]. Жидкая фракция, получаемая в результате фракционирования масла HSHO, содержала большое количество олеиновой и стеариновой кислот, что делает ее стабильной к окислению, благодаря этому данное масло пригодно для жарки и розничной продажи [55].

С 2008 по 2013 гг. проводилось изучение селекционно-ценных признаков двух гибридов Nutrisun HS03 и MS06. По результатам испытаний в Аргентине и Франции была показана изменчивость маслич-ности семян от 36,2 до 42,5 % в зависимости от срока посева и густоты стояния [56]. В результате полевого эксперимента во Франции в 2014 г. было установлено, что урожайность гибрида Nutrisun была немного выше 30 ц/га, а масличность около 53 %, что было сопоставимо со значениями обычных гибридов, выращенных в тех же условиях [52].

Во ВНИИМК с 2018 г. ведется работа по созданию высокостеариновых линий и гибридов подсолнечника. На данный момент созданы семь доноров высокого содержания стеариновой (15–23 %) кислоты при различном содержании олеиновой кислоты (от 15 до 69 %) [57; 58]. Данные линии включены в селекционную программу, с их участием получены высокостеариновые высокоолеиновые аналоги селекционных линий родительских компонентов гибридов. В 2023 г. передан на Государственное сортоиспытание первый российский гибрид подсолнечника Стеарин с содержанием стеариновой кислоты 13,3 % и олеиновой – 75 %. Данный гибрид обладает индукционным периодом 20 часов при температуре 120 °С, что в 1,4 раза выше, чем у высокоолеинового масла гибрида Клип ВО, и в 6,2 раза выше, чем у традиционного подсолнечного масла. Гибрид подсолнечника Стеарин обладает высоким потенциалом продуктивности – до 3,8 т/га, и масличностью 50 %, относится к среднеранней группе спелости, обладает устойчивостью к заразихе расы G [59].

Таким образом, в настоящее время имеется обширная теоретическая база для создания новых продуктивных гибридов подсолнечника с высоким содержанием стеариновой кислоты. Исследования в области технологических свойств масла HSHO показывают, что различные фракции данного масла могут быть качественными заменителями какао-масла, а также широко применяться как кондитерские и кулинарные жиры.

Ряд проблем в производстве тропических растительных масел, негативное влияние на здоровье человека насыщенных жирных кислот (С8:0 – С16:0), ограниченный ареал выращивания и высокая стоимость какао-масла и его натуральных тропических аналогов требуют поиска альтернативных масел с высоким содержанием насыщенных кислот.

Для Российской Федерации данный вопрос также актуален, так как все твёрдые масла импортируются. Так, ввоз пальмового масла в РФ в последние годы составлял около одного миллиона тонн. Однако в 2024 г. наблюдались сложности в логистике, снижение урожая масличной пальмы, что вызвало увеличение стоимости масла на 20–25 %. Все это негативно сказалось на обеспеченности российской промышленности твердыми растительными маслами.

В тоже время наша страна является одним из лидеров по выращиванию подсолнечника и производству подсолнечного масла. РФ полностью обеспечивает внутренние потребности и экспортирует его в другие страны. Введение в производство новых высокостеариновых гибридов подсолнечника не потребует дополнительных затрат сельхозтоваропроизводителей и станет натуральной и здоровой альтернативой ввозимым пальмовому и кокосовому маслам, а также более выгодной заменой какао-масла. Использование высокостеаринового масла, полученного из отечественных семян подсолнечника для производства специальных жиров, будет способствовать более активному импорто-замещению и обеспечению продовольственной безопасности Российской Федерации.