Разработка подходов биофортификации микрозелени при выращивании в фитотроне городского типа

Ежегодно во всем мире проводятся исследования в области достаточности, доступности и полноты ассортимента безопасных, качественных и здоровых продуктов питания. Обеспокоенность российских ученых этим вопросом вызвана несоответствием пищевого статуса и структуры питания населения Российской Федерации требованиям и нормам физиологической потребности организма человека в микро- и макронутриентах, таких как пищевые волокна, витамины, антиоксиданты и минеральные вещества. Для решения данной проблемы в России в 2021 году были сформированы Стратегические национальные приоритеты Российской Федерации, обуславливающие необходимость производства функциональных продуктов питания для поддержания пищевого статуса населения страны. В 2024 году в Указе Президента РФ от 18 июня 2024 г. № 529 в качестве критической технологии была сформулирована необходимость разработки новых технологий персонализированного, лечебного и функционального питания. Согласно данным Всемирной Организации Здравоохранения, у 15-50% взрослых и 61-65% детей наблюдается нехватка витаминов группы В, у 3-10% взрослых и 28-35% детей в рационе питания диагностирован дефицит витаминов С и Е, а также у 31% взрослого населения установлен недостаток витамина D. Среди эссенциальных минеральных элементов наиболее дефицитными у населения России считаются селен, йод и цинк [1-2].

Селен (Se) необходим для правильного функционирования многих физиологических процессов, таких как метаболизм гормонов щитовидной железы, деятельности иммунной системы и антиоксидантной защиты [3].

Одной из наиболее распространенных проблем, связанных с недостаточностью питания, является дефицит йода, что обусловлено низким его содержанием в продуктах питания. В настоящее время около двух миллиардов человек в мире, независимо от экономических, политических и социальных условий, страдают от недостатка йода [4]. Йод выполняет важные функции в обмене веществ, он необходим для синтеза гормонов щитовидной железы, которые играют решающую роль в защите нервной системы, дифференцировке и росте мозга, а также развитии плода.

Цинк входит в состав ряда ферментов и участвует в управлении активностью многих физиологических процессов, включая регуляцию генов. Его дефицит может вызвать задержку роста, нарушение иммунных функций и даже стать причиной смерти, особенно у детей и беременных женщин. Почти у 17,1% населения мира установлен недостаток цинка. Дефицит цинка более распространен в развивающихся странах, где он затрагивает до 40% детей и женщин [5].

Эссенциальные микро- и макроэлементы поступают в организм с пищей, однако их содержание во многих видах продуктов постоянно снижается. Ухудшение пищевого поведения населения приводят к нарушению метаболической активности, снижению резистентности, активности формирования адаптивного иммунитета, стрессо-устойчивости, умственной активности, работоспособности населения, увеличению заболеваемости алиментарными заболеваниями в т. ч. онкологическими. По данным ВОЗ 35-40% онкологических заболеваний обусловлены нарушением адекватного поступления фитонутриентов.

Для решения данной проблемы большое внимание уделяется производству обогащенных продуктов питания, покрывающих суточную потребность организма в нутриентах на 1 5%-50%. Важным направлением при решении проблемы нормализации структуры питания является изучение возможности и эффективности обогащения свежих овощей и ягод микронутриентами в процессе вегетации.

В рационе здорового питания большое внимание уделяется зеленным культурам, отмечен устойчивый рост спроса потребителей на микрозелень, которая относится к «суперпродуктам» по содержанию биологически активных веществ.

Согласно результатам исследований, проведенных в США в университете Мериленд в 2012 году, микрозелень превосходит традиционные растения по содержанию аскорбиновой кислоты (витамин C), а- и Y-токоферола (группа витамина Е) и филлохинона (витамин К1), имеет изысканный вкус, текстуру, свежий аромат и разнообразную палитру цветов [1, 2, 14, 19]. Микрозелень может обеспечить более высокое ежедневное потребление большинства минеральных веществ по сравнению с традиционными культурами. Было доказано, что все исследуемые виды микрозелени превосходят в 3-15 раз свои традиционные аналоги по содержанию фенольных соединений, витаминов, эссенциальных микро- и макронутриентов и по показателям общей антиоксидантной активности [13, 18, 19]. Также микрозелень содержит более высокое количество Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Мо.

В таких популярных видах микрозелени как брокколи, руккола, базилик, редис, кале и кресс-салат содержится (в 100г): витамина А в пределах 60-180 мкг; 0,05-0,08 мг витамина В1; 0,1-0,11 мг В2; 0,4-0,85 мг В5; 0,13-0,2 мг В6; 30-73 мкг В9; 1б-214 мг витамина C; 0,3-1,4 мг витамина Е; 39-109 мкг витамина К, 0,5-2,9 мг/100г железа, 0,4-1,5 мг/кг йода, 0,7-9,7 мг/кг меди,

0,29–0,77 мг/кг цинка, 0,0013–0,0044 мг/кг селена, а также 1–5,4 мг/100г каротиноидов, 1,3–8,6 мг/г хлорофилла, 0,1–0,7 мг/г фенольных соединений, установлена высокая антиоксидантная активность [1, 2, 13, 14, 20]. Производство и потребление микрозелени может быть экономически эффективным решением для получения ценных источников функциональных пищевых ингредиентов для удовлетворения ежедневных потребностей в биологически активных веществах и в качестве сырья для обогащения широкого спектра пищевых продуктов.

Для обогащения рациона питания эссенциальными микроэлементами, в том числе цинком, селеном и йодом перспективным направлением может являться обогащение микрозелени данными элементами в процессе вегетации.

Исследования, связанные с обогащением плодов, ягод, овощей и микрозелени, проводились в США, странах Европы и в России. Проведенные предварительные исследования подтвердили целесообразность разработки технологии обогащения микрозелени минеральными веществами [3–6]. Полученные результаты продемонстрировали, что раствор Nа 2 SеО 3 в концентрации 10, 20 и 40 мкмоль/л является эффективным при обработке микрозелени, а его концентрации 100, 200 мкмоль и выше являются токсичными для растений. Было отмечено, что микрозелень может быть обработана растворами йода (KI) в широком диапазоне концентраций от 4 до 250 мг/л [4,6]. Микрозелень, обработанная раствором цинка (ZnSО 4 ) в широком диапазоне концентраций от 5 мг/л до 1 г/л также характеризовалась высоким содержанием цинка по сравнению с контрольными образцами [5]. Из полученных результатов можно сделать вывод, что применение растворов солей исследуемых минеральных элементов является эффективными для обогащения микрозелени. Однако, в проведенных исследованиях наблюдается большой разброс значений концентраций применяемых растворов минеральных веществ, и не установлены оптимальные технологии и сроки обработки для обогащения микрозелени в процессе вегетации.

Цель работы – разработка оптимальной технологии биофортификации микрозелени с целью повышения ее нутриентного статуса за счет повышения содержания эссенциальных минеральных веществ цинка, селена и йода при выращивании в фитотроне городского типа.

Материалы и методы

Вегетация микрозелени осуществлялась в фитотроне городского типа ИСР-0.01, разработанного АНО «Институт стратегий развития».

Конструкционные решения позволяют моделировать в фитотроне климатические режимы, интенсивность и спектр освещения, использовать гидропонную систему для питания растений. В работе представлены результаты, демонстрирующие эффективность накопления селена, цинка и йода в вегетирующей микрозелени на примере микрозелени салата листового ( Lactuca sativa L .), сорт «Азарт».

Семена исследуемой культуры предварительно замачивали в дистиллированной воде в течение 1–2 часов равномерно распределяли на субстрате с плотностью 10 шт./см2. В качестве субстрата использовались предварительно смоченные в дистиллированной воде подложки из джута, которые помещали в предварительно продезинфицированные лотки. Выращивание осуществляли в фитотроне, в котором создавались оптимальные условия для выращивания микрозелени. Общая продолжительность выращивания составила от 11 до 16 суток в зависимости от вида культуры. В процессе вегетационного периода ежедневно определяли биометрические показатели – массу (10 растений), скорость роста, площадь листовой поверхности. В конце вегетационного периода проводили определение содержание хлорофилла и каротиноидов по методу Лихтенталера и Велбурна [7], содержание фенольных веществ – по методу Фолина-Чокальтеу [8], общую антиоксидантную активность на приборе Эксперт – 006 [9].

Массовую концентрацию йода в микрозелени определяли по МУ 31–07/04 методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторах типа ТА [10].

Массовую концентрацию цинка в микрозелени определяли по МУ 31–04/04 методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторах типа ТА [11].

Массовую концентрацию селена в микрозелени определяли по МУ 31–21/07 методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторах типа ТА [12].

На первом этапе была разработана оптимальная технология обработки семян перед вегетацией и растений микрозелени в процессе выращивания для обеспечения эффективного обогащения исследуемыми минеральными веществами при условии сохранения физиологической активности, потребительских свойств и сохранения индивидуальных органолептических показателей качества. Было выявлено, что наиболее эффективным способом обогащения растений микрозелени является предварительное замачивание семян в оптимальных концентрациях раствора сернокислого цинка и селенита натрия с последующей внекорневой обработкой раствором селена и цинка на 7 сутки выращивания.

На 10 и 12 сутки проводили повторную внекорневую обработку раствором сульфата цинка. При обработке раствором йодистого калия рекомендуется проводить однократную обработку на 12 день после начала вегетации. В предварительных исследованиях были определены оптимальные концентрации используемых растворов, которые составили 50 мкмоль/л для раствора селена (Nа2SеО3), 250мг/л для раствора йода (KI) и 1 г/л для раствора цинка (ZnSО 4 • Н 2 О). В последствии было выявлено, что для оптимизации технологии обогащения микрозелени возможно проведение обработки объединенным препаратом раствора селена и цинка. Данный способ обогащения сокращает время обработки, трудозатраты, при этом эффективность обогащения практически не снижается.

Все исследования проводились не менее чем в 3-кратной повторности. Статистическая обработка результатов проводилась с помощью программного обеспечения Microsoft Excel 2016.

Результаты и обсуждение

При выращивании в фитотронах закрытого типа большое влияние имеют используемые световые комбинации, интенсивность освещения и продолжительность светового дня [20]. Нами было установлено, что фотосинтетическая часть спектра (PPFD), составляющая 134,1 мкмоль/м2с, сформированная комбинацией синих и красных светодиодных ламп в комплексе с люминесцентными лампами давала оптимальный спектр освещения и использовалась при выращивании микрозелени в фитотроне городского типа [15]. Продолжительность светового дня в фитотроне составляла 16 часов, а температурный режим – 24–260 С в дневное время и 17–200 °С в ночное время. Для активизации метаболических процессов усвоения минеральных веществ дополнительно использовался препарат органической природы «Супер микориза» в концентрации 3%. Препарат «Супер микориза» (производства ООО «Биохайтек») содержит более 2500 высокоактивных эндогенных микоризных спор (Glomus intraradics, Glomus etunicatum, Glomus mosseae, Glomus aggreatum) в 1 грамме веса и позволяет более эффективно накапливать исследуемые элементы в процессе вегетации.

На рисунке 1 представлено влияние способов обработки: предварительное замачивание семян, внекорневая подкормка, комплексная обработка, включающая предварительную обработку семян и последующую внекорневую обработку на накопление селена в микрозелени салата, а также различная кратность обработки микрозелени раствором селенита натрия (1, 2 и 3 раза). В качестве контроля использовались семена, обработанные дистиллированной водой.

Микориза замачивание и внекорневая Se (3 раза) Mycorrhiza soaking and foliar Se (3 times)

Микориза замачивание и внекорневая Se (2 раза)

Mycorrhiza soaking and foliar Se (2 times)

Микориза замачивание и внекорневая Se (1 раз)

Mycorrhiza soaking and foliar Se (1 time)

Микориза внекорневая Se Mycorrhiza foliar Se

Микориза замачивание Se

Mycorrhiza soaking Se

Микориза (контроль)

Mycorrhiza (control)

Замачивание и внекорневая Se Soaking and foliar Se

Внекорневая Se

Foliar Se

Замачивание Se

Soaking Se

Дистиллированная вода (контроль) Distilled water (control)

1,8

1,3

0,72

0,7

^н 0,18

■ 0,088

0,65

0,59

0,12

0,084

0     0,2    0,4    0,6    0,8     1     1,2    1,4    1,6    1,8     2

Содержание селена мг/кг Selenium content mg/kg

Рисунок 1. Влияние способов обработки раствором селена на концентрацию селена в микрозелени салата

Figure 1. The influence of methods of treatment with selenium solution on the concentration of selenium in lettuce microgreens

Как видно из представленных результатов, максимальное накопление селена (1,8 мг/кг) в микрозелени получено при обработке семян и вегетирующих растений комплексным препаратом микоризы и раствором селенита натрия. Также отмечалось повышение содержания селена в исследуемой микрозелени при различной кратности обработок. При однократной обработке раствором селена с применением препарата «Супер микориза» его содержание в микрозелени составило 0,72 мг/кг, при двукратной обработке – 1,3 мг/кг, что на 81% больше однократной обработки, при троекратной – 1,8 мг/кг, что на 150% больше однократной обработки. На основе полученных данных можно сделать вывод, что накопление селена в обрабатываемой микрозелени зависит от кратности и способов применяемых обработок, что позволяет формировать различные схемы биофортификации микрозелени в зависимости от целей и задач.

Аналогичные результаты динамики накопления были получены при обработке микрозелени комплексными препаратами цинка сернокислого и микоризы (содержание цинка в микрозелени составило от 98 до 158 мг/кг) и йодистого калия (содержание йода в микрозелени составило от 0,6 до 2 до мг/кг). Было установлено, что обработка растворами селена, цинка и йода не оказывает отрицательного влияния на накопление фотосинтетических пигментов (хлорофилла и каротиноидов), фенольных соединений, витамина С и общей антиоксидантной активности в исследуемых образцах микрозелени, а также не влияет на морфогенез растений.

Для оптимизации технологии биофортификации микрозелени была доказана возможность использования комплексного препарата, содержащего соли цинка и селена (1:1). В результате применения комплексной обработки удалось сократить количество технологических процессов и получить микрозелень, содержащую селен, цинк и йод в количестве до 180 мкг / 100г, 155 мг/кг и 200 мкг / 100г соответственно (рисунок 2).

■ Комплексная обработка/Complex processing

Рисунок 2. Сравнение эффективности комплексного применения растворов Se, Zn и I при обогащении микрозелени

Figure 2. Comparison of the efficiency of the complex application of Se, Zn and I solutions in enriching microgreen

Для определения спроса молодежи на микрозелень и заинтересованности в ее использовании в рационе питания был проведен опрос молодежи в количестве 50 человек в возрасте 18–23 лет и было установлено, что более 85% молодых людей заинтересованы в использовании продуктов для здорового питания и готовы употреблять микрозелень в своем рационе. На вопрос «Какое количество микрозелени в Вы готовы употреблять в течение суток?» большинство респондентов указали объем микрозелени от 20 до 40 грамм, что соответствует наиболее часто встречающемуся объему вегетирующей микрозелени в упаковке, реализуемой в торговых сетях. Указанное количество микрозелени позволит повысить содержание витаминов, фенольных соединений и фотосинтетических пигментов в структуре питания молодых людей. По информации, полученной от респондентов, было установлено, что микрозелень наиболее часто используется ими в рецептурах салатов и блюд с микрозеленью (соусы, смузи, сэндвичи), в которых продукт используется в количестве 30–50 грамм. Учитывая количество микрозелени, которое молодые люди готовы использовать в своем рационе питания, нами исследовалась порция микрозелени, составляющая 40 грамм.

На рисунке 3 представлено уровень удовлетворения суточной потребности в селене, цинке и йоде при употреблении 40 г микрозелени.

60%

человека в Zn (% from the человека в I (%% from the мужчины в Se (% from a женжины в Se (% from a daily need for Zn)             daily need for I)          man's daily need for Se) woman's daily need for Se)

□ Контроль/Control

■ Обогащенная микрозелень/Enriched microgreens

Рисунок 3. Удовлетворение суточной потребности в селене, цинке и йоде при употреблении 40 г микрозелени

Figure 3. Satisfying the daily requirement for selenium, zinc and iodine with 40 grams of microgreens

На основе результатов можно сделать вывод, что полученная микрозелень согласно ГОСТ Р 52349–2005 может позиционироваться как функциональный пищевой ингредиент для обогащения рациона питания или производства обогащенных пищевых продуктов с содержанием селена, цинка и йода до 30–50%. На основании проанализированных литературных данных и экспериментального исследования влияния диапазона концентраций солей препаратов Nа 2 SеО 3 , ZnSО 4 • Н 2 О и KI на продуктивность, потребительские свойства и уровень обогащения микрозелени, были установлены оптимальные концентрации, рекомендованные для осуществления биофортификации микрозелени при выращивании в фитотроне городского типа. Было установлено, что использование растворов солей йода (KI) в концентрации 250мг/л, селена (Nа 2 SеО 3 ) в концентрации 50 мкмоль/л и цинка (ZnSО 4 • Н 2 О) в концентрации 1г/л, являются оптимальными для получения обогащенной микрозелени, которая может быть рекомендована в качестве источника функциональных пищевых ингредиентов.

В результате проведенных исследований было выявлено, что наибольшую концентрацию цинка и селена удается получить, обрабатывая семена путем замачивания, а затем трехкратной внекорневой обработкой путем опрыскивания микрозелени на 7, 10 и 12 дни после начала вегетации с применением препарата «Супер микориза». Высокого уровня концентрации йода в микрозелени удается добиться путем разовой обработки на 12 день после начала вегетации. Также важно отметить, что комплексное применение растворов селена и цинка позволяет сохранить высокий уровень обогащения и сократить количество дополнительных технологических операций, что может играть важную роль при широкомасштабном производстве обогащенной микрозелени.

На основании опроса молодых людей в возрасте 18–23 лет и результатов проведенных исследований была установлена рекомендуемая порция разового приема микрозелени, обогащенной цинком, селеном и йодом, которая составила 30–40 граммов. Данное количество микрозелени является рекомендуемым для употребления в течение дня и позволяет удовлетворить суточную потребность организма в йоде на 50%, в селене на 41% для мужчин и на 49% для женщин, и цинке на 49%.

Полученная микрозелень может также использоваться в качестве функционального ингредиента при производстве обогащенных и специализированных пищевых продуктов. В процессе исследований были разработаны пищевые продукты, обогащенные разными культурами микрозелени с повышенным содержанием исследуемых компонентов – смузи и соус. Было установлено, что 100 г. данных продуктов способны удовлетворить суточную потребность организма в селене, цинке и йоде на 20–30%.

Заключение

В результате проведенных исследований была оптимизирована биотехнология производства обогащенной микрозелени в условиях фитотрона городского типа. Микрозелень, полученная по данной технологии позволяет удовлетворить суточную физиологическую потребность человека в селене на 41–49% для мужчин и женщин соответственно, в йоде на 50%, в цинке – на 49% при употреблении порции 30–40 грамм.

Управляя технологическими параметрами и концентрацией вносимых солей можно регулировать содержание исследуемых элементов в вегетирующей микрозелени и достигать удовлетворения суточной потребности в селене, цинке и йоде до 130%, что позволяет в широком диапазоне осуществлять корректировку содержания этих минеральных веществ в рационе питания.

Обогащенная микрозелень является перспективным функциональным ингредиентом для производства обогащенных и специализированных продуктов питания для повышения пищевого статуса населения и обеспечения населения качественными, безопасными и функциональными продуктами питания. В работе были получены опытные образцы смузи и соусов с микрозеленью, содержание цинка, селена и йода в которых составило от 20% до 30% от суточной потребности человека в данных элементах.