Влияние биологической обработки при выращивании на физиолого-биохимические и технологические показатели клубней картофеля

Введение. Обеспечение населения страны безопасной, качественной и доступной сельскохозяйственной продукцией в настоящее время является основной стратегической целью достижения продовольственной безопасности в России [1].

Внедрение инновационных технологий и развитие экологически безопасных производств получения сырья и продукции – важные задачи «Стратегии национальной безопасности» [2].

Одним из приоритетных направлений в растениеводстве в настоящее время является переход на технологии выращивания, предусматривающие снижение или отказ от применения хи- мических пестицидов с использованием интегрированных систем и биотехнологических подходов, одним из которых является применение различных биопрепаратов, биоудобрений, стимуляторов роста на основе микроорганизмов [3, 4].

Для обработки посевного материала, в процессе выращивания и при закладке на хранение сельскохозяйственного сырья и продукции, в настоящее время применяют микробные биопрепараты, разработанные на основе бактериальных штаммов Pseudomonas и Bacillus, которые способствуют максимальной сохранности качества и пищевой ценности продуктов, снижая микробиальную порчу и увеличивая продолжительность хранения продукции [5–7].

Однако очень мало исследований относительно аспектов, раскрывающих вопросы способности Bacillus проявлять антиоксидантные свойства, приводящих к их толерантности в неблагоприятных условиях окружающей среды как при выращивании сельскохозяйственной продукции, так и при хранении [8].

Применение микробных препаратов при выращивании и хранении в комплексе с повышенными температурами при выращивании и пониженными при хранении являются стрессовыми факторами для многих видов растительной продукции, оказывающими влияние на активность ферментов и, как следствие, на формирование качества продукции [6, 7].

Цель исследования – изучение ферментативной активности и степени потемнения клубней картофеля, выращенного с применением биопрепарата на основе Bаcillus atrophaeus ВКПМ В-11474, разрабатываемого на кафедре «Прикладная биология и микробиология» Астраханского государственного технического университета.

Задачи: провести анализ ферментативной активности и степени потемнения клубней раннего картофеля сорта Ред Скарлетт в полевом опыте и при последующем хранении.

Объекты и методы. Полевой эксперимент проводили на сельскохозяйственных полях в Камызякском районе Астраханской области. Объект исследований – ранний картофель сорта Ред Скарлетт. Исследования проводили согласно Методике полевого опыта [9, 10].

Определение активности ферментов и технологических свойств картофеля проводили на базе кафедры «Прикладная биология и микробиология» АГТУ.

Биопрепарат на основе штамма B. Atro-phaeus ВКПМ В-11474 применялся в виде суспензии (ВП). Суспензию получали при непрерывном жидкофазном культивировании в промышленном ферментере на картофельноглюкозной среде с титром жизнеспособных клеток не менее 10⁹ КОЕ/мл.

Выращивание картофеля осуществляли с применением следующих вариантов: контроль – выращивание картофеля без обработки биопрепаратами; Витаплан СП (биологический фунгицид на основе Bacillus subtilis) – коммерческий биопрепарат выбран для сравнения, использован в соответствие с рекомендациями по при- менению (опрыскивание дна борозды перед посадкой, норма расхода 80 г/га); ВП1 – жидкая форма биопрепарата на основе B. atrophaeus ВКПМ В-11474, способ применения – опрыскивание дна борозды перед посадкой (1 %-й раствор. 300 л/га)+2 пролива под корень растений (100 мл/растение) в фазах бутонизации и массового цветения; ВП2 – двукратное опрыскивание растений (1 %-й раствор, 300 л/га) в фазах единичного цветения и в конце вегетации.

На хранение картофель закладывали после сбора урожая по окончании лечебного периода (14 суток при температуре 13–18 °С) насыпью при оптимальной температуре хранения для картофеля 1–4 °С в течение 4 месяцев.

Определение степени потемнения мякоти клубней картофеля в сыром и вареном виде проводилось визуальным методом. При визуальном определении степени потемнения картофеля были взяты образцы разных вариантов, разрезанные пополам. Одна половинка картофеля была сварена на пару для определения изменения цвета в вареном виде, вторая – оставлена на сутки на свету для определения степени потемнения мякоти в сыром виде. Учет потемнения проводился по следующей шкале, в баллах: 9 баллов – цвет не изменился; 7 баллов – слабое изменение цвета; 5 баллов – среднее окрашивание; 3 балла – сильное окрашивание; 1 балл – очень сильное окрашивание [11].

Активность ферментов (пероксидазы, каталазы, полифенолоксидазы, амилазы) определяли в клубнях до закладки на хранение (по окончании лечебного периода) и по окончании периода хранения.

Определение активности пероксидазы (ПО) проводили ферментативной реакцией окисления пирогаллола пероксидом водорода с образованием окрашенного соединения пурпурогаллина, количество которого оценивали фотоколориметрически (Фотометр КФК-3) и выражали в единицах оптической плотности раствора пурпурогаллина, образовавшегося под действием пероксидаз в расчете на 1 г растительной массы (далее ед. акт) [12].

Активность полифенолоксидазы (ПФО) на спектрофотометре ПромЭкоЛаб ПЭ-5300В определяли измерением оптической плотности продуктов реакции, образовавшихся при окислении пирокахетина за определенный промежуток времени, и выражали в относительных единицах на 1 г сырой ткани (далее ед. акт) [13].

Определение активности амилаз и каталазы проводили фотоколориметрически (Фотометр КФК-3) и выражали в мг гидролизованного крахмала на единицу времени в расчете на 1 г растительной массы (мг/ед. акт.) [12, 14].

Опыты проводили в 3 биологических и 3 аналитических повторностях. Статистическую обработку полученных результатов осуществляли с помощью стандартных методов описательной статистики с использованием программ MS Excel [15]. Дисперсионный анализ цифровых данных полевого опыта осуществляли по Б.А. Доспехову [9], достоверность различий между вариантами определяли, сравнивая их с показателями наименьшей существенной разницы (НСР 0,05 ).

Результаты и их обсуждение. Определение активности ферментов в клубнях картофеля до закладки на хранение показало (табл. 1), что в клубнях, выращенных при использовании биопрепарата на основе B. аtrophaeus, активность пероксидазы и каталазы находится прак- тически на том же уровне, что и в контрольном варианте (табл. 1).

При закладке на хранение для всех образцов картофеля отмечена максимальная активность для полифенолоксидазы (ПФО) (табл. 1), при этом следует отметить повышенные значения в клубнях картофеля в вариантах, где применялась суспензия биопрепарата (ВП2), в сравнении с контролем (670,98 и 533,41 ед. акт. соответственно), практически незначительно уступая по активности ПФО в клубнях, выращенных при использовании коммерческого препарата Витаплан СП (677,25 ед. акт.).

Определение активности амилазы (суммарной, ɑ -амилазы и β-амилазы) показало (табл. 1), что применение биопрепарата на основе B. Atro-phaeus ВКПМ В-11474 способствует значительному снижению активности данных ферментов в клубнях картофеля при закладке на хранение (в 6,45–7,8 раза), не уступая коммерческому препарату Витапалан СП (в 7,2 раза).

Таблица 1

Вариант опыта	Пероксидаза	Каталаза	Полифенолоксидаза	Амилаза суммарная	α-амилаза	β –амилаза
Контроль	0,02±0,0002 1,09±0,01	7,6±0,3 25±1,25	533,41±40,94 36,82±1,84	25,89±1,3 13,19±0,66	14,51±0,73 8,47±0,2	11,39±0,57 4,72±0,19
Витаплан, СП	0,17±0,002 1,95±0,08	7,05±0,31	677,25±74,5 21,52±0,076	3,55±0,14 6,83±0,3	2,4±0,07 3,57±0,1	1,15±0,04 3,3±0,1
		25,4±0,22
ВП1	0,07±0,007 1,24±0,037	8,0±0,32	592,98±65,23 32,93±1,55	4,01±0,04 8,1±0,3	2,71±0,1 2,86±0,1	1,3±0,04 5,25±0,16
		22,45±1,12
ВП2	0,03±0,003 1,37±0,04	8,2±0,32	670,98±74,2 42,24±2,53	3,3±0,13 8,57±0,32	2,22±0,02 5,56±0,2	1,07±0,02 3,03±0,12
		24,6±0,99

– в числителе – до закладки на хранение; в знаменателе – по окончании хранения.

Ферментативная активность в клубнях картофеля*, ед. акт.

Учитывая то, что повышение уровней антиоксидантных ферментов каталазы, пероксидазы и полифенолоксидазы в ответ на воздействие стрессовых факторов окружающей среды является ключевым в защитных механизмах картофеля от проявления внешних агрессивных воздействий [16], можно предположить, что в целом применение суспензии биопрепарата на основе B. atrophaeus ВКПМ В-11474 способствует повышению иммунной системы клубней картофеля. Данное предположение подтверждается тем, что в полевом опыте перед уборкой урожая отмечена эффективность биопрепарата на основе B. atrophaeus ВКПМ В-11474 против развития такого заболевания, как альтернариоз, вызываемого Alternaria solani (табл. 2).

Кроме этого, присутствие бациллярных клеток и их экзометаболитов оказывает, вероятно, влияние на формирование химического состава ризосферы и ризопланы картофеля, что выражается в препятствовании всасывания присутствующих в почвах хлорид-ионов, имеющих функции активаторов амилаз. Данное предположение подтверждается тем, что в клубнях картофеля, выращенных с применением B. Atro-phaeus ВКПМ В-11474, активность суммарной амилазы находится на минимальном уровне (3,3–4,01 ед. акт.) в сравнении с контролем (25,89 ед. акт.).

Таблица 2

Действие биопрепарата на основе B. atrophaeus ВКПМ В-11474 на развитие альтернариоза ( Alternaria solani ) на картофеле сорта Ред Скарлетт

Вариант	Показатель развития, %
	Р*	R**	БЭ***
Контроль	100,0	91,4	-
Витаплан, СП (стандарт)	96,9	65,2	28,7
ВП1	99,4	64,9	28,9
ВП2	99,8	67,1	26,6
НСР 0,05	1,6	4,1	-

* Р – распространение болезни, ** R – развитие болезни, *** БЭ – биологическая эффективность изучаемого препарата против заболевания.

Оценивая общие изменения работы ферментативных систем, утилизирующих активные формы кислорода (каталаза/пероксидаза), следует отметить, что за время хранения (4 месяца) отмечена некоторая перестройка ферментативных систем. Так, произошла перестройка оксидазных процессов: во всех образцах наблюдается увеличение активности как каталазы, так и пероксидазы, однако в разной степени. При определении активности пероксидазы (ПО) в клубнях картофеля во всех исследуемых вариантах наблюдается повышение активности ПО от 0,02–0,17 ед. акт. (до закладки на хранение) до 1,09–1,95 ед. акт. (по окончании хранения). В целом следует отметить, что активность ПО возросла в минимальной степени в клубнях, выращенных с применением биопрепарата B. atrophaeus ВКПМ В-11474 (17,7–45,7), в сравнении с контролем (в 54,5 раза). Рост активности пероксидазы показывает минимальные значения (в 11,5 раза) в варианте Витаплан СП, немногим больше (в 17,7 раза) в образце картофеля варианта ВП1, что является положительным фактором в формировании качества клубней в части снижения риска развития болезней при хранении.

Для каталазы в клубнях картофеля по окончании хранения также отмечено повышение данного показателя во всех исследуемых вариантах, но это повышение не такое существенное (2,8– 3,6) в отличие от повышения активности ПО, что, вероятно, обусловлено тем, что чувствительность каталаз к низкой концентрации пероксида водорода ниже, чем у пероксидаз [16, 17].

Для ПФО по окончании периода хранения отмечается существенное снижение показателей (в 14,5–31,5 раза). Наибольшее снижение активности ПФО показали образцы Витаплан СП и ВП1, где снижение произошло в 31,5 и

18,0 раза соответсвенно, в варианте ВП2 – в 15,9 раза, что несколько выше, чем в контрольном варианте (в 14,5 раза).

В целом следует отметить, что при рассмотрении изменения активности ферментов в системе «полифенолоксидаза-каталаза-пероксида-за» образцы картофеля варианта ВП2 показали максимальные адаптационные изменения к окислительному стрессу в условиях хранения посредством перестройки ферментативных процессов.

Определение активности амилазы (суммарной, ɑ -амилазы и β-амилазы) показало (см. табл. 1), что по окончании периода хранения также происходит перестройка ферментативных процессов в клубнях картофеля, сопровождающаяся повышением активности данных ферментов в клубнях, которые выращивались при использовании биопрепаратов (Витаплан СП и на основе B. atrophaeus ВКПМ В-11474), тогда как в контроле активность данных ферментов снижается в среднем в 2 раза.

Следует отметить, что особенности изменения активности β-амилаз в образцах после хранения вполне коррелируют с данными по ɑ -ами-лазе, за исключением образца ВП1, в котором активность β-амилазы практически остается на первоначальном уровне.

Несмотря на то что при хранении картофеля, выращенного с применением биопрепарата на основе B. atrophaeus , отмечено увеличение активности амилаз в сравнении с контрольным вариантом, активность данной группы ферментов в обработанных биопрепаратами клубнях остается по окончании хранения значительно ниже активности в клубнях контрольного варианта.

В целом данная особенность свидетельствует о том, что применение биопрепарата на основе B. atrophaeus при выращивании раннего картофеля не только оказывает влияние на снижение активности амилаз в свежесобранном урожае картофеля, но и обладает пролонгированным действием.

Одним из основных технологических свойств, влияющих на качество картофеля, является степень потемнения мякоти клубней, влияние на данный показатель оказывают различные факторы, в том числе активность ферментов, содержащихся в картофеле [18–20].

Полученные данные (табл. 3) свидетельствуют о том, что потемнение мякоти клубней сырого и вареного картофеля, выращенного с применением биопрепарата на основе B. Atro-phaeus, менее выражено, чем в контрольном варианте, что является важным условием при получении как столовых, так и технических сортов картофеля.

Таблица 3

Степень потемнения мякоти исследуемых образцов картофеля

Вариант	Окраска		Потемнение мякоти сырого картофеля, балл		Потемнение мякоти вареного картофеля, балл
	кожуры	сырой мякоти	послеуборочный период	по окончании хранения	послеуборочный период	по окончании хранения
Контроль	Красный	Светложелтый	5	3	7	6
Витаплан, СП (контроль)			7	6	7	7
ВП1			8	7	8	8
ВП2			8	7	8	8

Заключение. В результате проведенных исследований установлено, что применение биопрепарата на основе B. atrophaeus не оказывает 2. негативного влияния на формирование ферментативных активностей, происходящих в клубнях картофеля как при выращивании, так и при хранении, а также на степень потемнения мякоти клубней картофеля. Преимуществом 3. биопрепарата на основе B. atrophaeus является способность снижения активности амилаз как в свежесобранном урожае картофеля, так и при хранении, что оказывает пролонгированное 4. действие, снижая вероятность накопления в клубнях редуцирующих сахаров и холодового осахаривания.

Установлено, что степень потемнения опытных образцов с применением биопрепарата ме-  5.

нее выражена, чем в контрольном варианте.

Результаты исследований позволяют рекомендовать применение биопрепарата на основе B. atrophaeus ВКПМ В-11474 для биологической 6. защиты ранних сортов продовольственного картофеля от альтернариоза.