Введение к работе
Актуальность темы.
Функции каротиноидов в растениях весьма многогранны. Теории, объясняющие эти функции, основаны, главным образом, на способности этих соединений поглощать кислород, а также световую энергию в синей области видимого спектра. Каротиноиды участвуют в общем обмене веществ, в процессах фотосинтеза, окислительно- восстановительных реакциях, влияют на ростовые процессы и развитие растений, на половые функции растений и т.д. (Лебедев, 1948; Луковникова, 1966; Мануелян, 1967; Мерзляк, 1989; Мерзляк, Ги- тельсон, Чивкунова и др., 2003).
Каротиноиды, в частности Р-каротин, в организмах людей и животных превращается в витамин А, необходимый организму для нормальной работы органов зрения, роста и размножения всех клеток, поддержания нормального состояния кожи, волос, зубов, слизистых оболочек дыхательных путей. Особенно важно его влияние на развитие эмбриона, вследствие чего его называют вторым витамином размножения (Шнайдман, 1950). М. Вольф и К. Рансберг (1976) установили, что витамин А оказывает защитное действие при различных злокачественных процессах. В последние годы появилось много работ, подтверждающих антираковое действие витамина А и некоторых каротиноидов, например, крацетина, ликопина (Giovannucci, Rimm, Liu, Stampfer et al., 2002; Heber, Qing-Yilu, 2002; Campbell, Canene- Adams, Lindshield et al., 2003). Обнаружено, что витамин А и его производные могут предотвращать канцерогенез эпителиальных тканей. Установлено, что и Р-каротин может предупреждать рак кожи, вызываемый канцерогенами или ультрафиолетовым облучением (290-320 нм).
В основе традиционных методов определения содержания P- каротина и ликопина в плодах томата лежат химические анализы (Мурри, 1958; Meredith, Purcell, 1966; Мануэлян, 1967; Ермаков, 1972; Васильева, 1978). Для их проведения необходимы специализированные лаборатории, квалифицированные специалисты-химики, соответствующее оборудование, различные, в том числе вредные для здоровья реактивы и материалы. Химические анализы являются наиболее продолжительным и дорогостоящим этапом в работе по созданию сортов томата с высоким содержанием Р-каротина и ликопина. Ускорить селекционный процесс можно, если для оценки содержания пигментов модифицировать известные (Шлык, 1968; Булда и др., 2008; Мерзляк и др. ,1996) или создать экспресс-методы.
Наиболее эффективные методы можно разработать на базе визуально-фотометрических подходов, основанных на анализе параметров света, отраженного от исследуемого объекта и попадающего в глаз оператора. Для их разработки необходимо знать: 1. - характеристики спектральных кривых отражения исследуемых объектов; 2. - спектральные характеристики человеческого глаза; 3.- оптические параметры используемых для анализа приборов или материалов (фотометров, светофильтров и т.п.).
Содержание каротиноидов в плодах томата определяет их диетическую ценность, а также степень зрелости, а, следовательно, пригодность к длительному хранению, транспортировке, промышленной переработке (Медведев, Андрющенко, 1984). Оценку степени зрелости плодов различных культур производят разными методами (Ку- бышев и др., 1983; Выродов и др., 1988, 1989; Родиков, 2010). Однако и в этом случае визуально-фотометрические подходы предпочтительнее.
Цель и задачи исследований. Целью данной работы являлась модификация традиционных и разработка экспресс-методов определения содержания Р-каротина ликопина в плодах томата, применяемых для оценки селекционных образцов и определения степени зрелости плодов томата при выяснении пригодности к длительному хранению, транспортировке и промышленной переработке.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Экспериментально на примерах желтоплодных, оранжевопло- дных и красноплодных сортов проанализировать существующие методы оценки содержания пигментов с учетом их применимости в селекции на повышенное содержание каротиноидов в плодах томата. В частности проработать методы, основанные на следующих операциях:
регистрации спектров оптической плотности растворов бета- каротина и ликопина в гексане и петролейном эфире;
использовании коэффициентов удельного поглощения, рекомендованных разными авторами, для оценки погрешностей
при расчете концентраций растворов и содержания каротинои- дов в плодах;
определении концентрации пигментов без их хромато- графического разделения на компоненты;
определении содержания пигментов номографическим способом в гексановой вытяжке из плодов томата.
-
Модифицировать существующие методы оценки пигментов применительно к проблемам селекции на повышенное содержание каротиноидов.
-
Разработать ориентированный на непосредственное применение в полевых условиях метод определения содержания кароти- ноидов по спектрам отражения от плодов томата.
-
Исследовать влияние условий среды на содержание кароти- ноидов при одновременном выращивании томатов в десяти региональных точках.
-
Исследовать влияние условий среды на содержание каротиноидов при выращивании томатов на одном поле в течение 10 лет.
-
Определить корреляционные зависимости содержания каротина и ликопина от суммы активных температур (САТ) и продолжительности солнечного сияния (ПСС) в различные фазы формирования плодов.
-
Определить и рекомендовать параметры используемых для анализа приборов и материалов (фотометров, светофильтров и т.п.).
Связь работы с научными программами и темами.
Исследования выполнялись в рамках: целевой программы по разработке методов определения содержания пигментов в частях растений в ПНИИСХ по государственной тематике Приднестровского НИИ сельского хозяйства «Создать генетические источники высокой адаптивности для культуры томата и перца с хозяйственно-ценными признаками», «Создать и передать в ГСИ высокопродуктивные сорта томата с высоким содержанием Р-каротина и ликопина в плодах, а также сорта с коротким вегетационным периодом (ранние и суперранние)», Приднестровского госуниверситета «Физические подходы к решению различных агробиологических задач».
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
-
-
-
Дано теоретическое обоснование возможности оценки степени зрелости плодов по уровню зрительного восприятия, с учетом кривой видности человеческого глаза, спектральных параметров плодов и светофильтров.
-
Впервые применен номографический метод для определения содержания Р-каротина и ликопина в плодах томата по спектрам оптической плотности смеси растворов этих пигментов без их хромато- графического разделения.
-
Установлена возможность разработки визуальных или визуально-фотометрических методов определения степени зрелости плодов томата на основе информации об изменении спектров отражения плодов томата в процессе онтогенеза, о механизмах цветовосприятия и спектральных кривых видности человеческого глаза, а также о спектральных характеристиках различных светофильтров.
-
Показано, что ошибка расчета содержания в плодах томата P- каротина и ликопина (10%) посредством использования различных коэффициентов экстинкции (удельного поглощения) не превышает ошибки классического метода (по Мурри, 1958).
-
Выявлен феномен изменения цветового контрастирования, использованный для разработки и модификации методов определения степени зрелости плодов томата и содержания в них каротиноидов и разработан визуально-фотометрический способ сортировки плодов томата на фракции разной степени зрелости.
Научно-практическая значимость.
-
-
-
-
Выполнен обзор методов определения содержания пигментов в различных органах растений (листьях, плодах, корнеплодах) различных культур.
-
Проведен анализ влияния различных коэффициентов экстинкции на результат определения содержания Р-каротина и ликопина в плодах томата.
-
Предложен номографический метод анализа спектральных кривых оптической плотности растворов каротиноидов при определении содержания Р-каротина и ликопина в плодах томата и даны рекомендации по построению и использованию номограмм.
-
Предложен модифицированный метод, основанный на сравнении коэффициентов отражения плодов на фиксированных длинах волн, регистрируемых на портативных фотометрах, например, ФМ- 58.
-
Предложен визуально-фотометрический метод определения степени зрелости плодов томата, позволяющий сортировать плоды на фракции разной степени зрелости.
-
Определены и рекомендованы параметры используемых для анализа приборов и материалов (фотометров, светофильтров и т.п.).
-
Проведена регистрация спектральных кривых отражения поверхности плодов томата разных генотипов и гибридов F1, определено содержание каротиноидов в плодах томата по коэффициентам отражения их поверхности.
-
В процессе выполнения программы по разработке методов определения содержания пигментов в частях растений в ПНИИСХ созданы сорта томата с повышенным содержанием каротиноидов в плодах (Мечта, Новелла, Оберег).
-
Результаты работы используются в качестве научно-учебного материала при изучении курса физики и биофизики студентами аг- рарно-технологического и медицинского факультетов Приднестровского Госуниверситета им. Т.Г. Шевченко.
На защиту выносятся:
-
-
-
-
-
Номографический метод анализа спектральных кривых оптической плотности растворов каротиноидов для определения содержания Р-каротина и ликопина в плодах томата без хромато- графического разделения пигментов.
-
Метод отбора форм томата с высоким содержанием Р-каротина и ликопина по сравнительным коэффициентам отражения на фиксированных длинах волн.
-
Визуально-фотометрические способы и устройства (очки, фотометры) для сортировки плодов томата на фракции разной степени зрелости.
Апробация результатов исследований. Основные результаты работы были представлены:
Юбилейная конференция ППС ПГУ, Тирасполь, РИО ПГУ, 2000; Международная научно-практическая конференция «Селекция и семеноводство овощных культур в XXI веке», Москва, 2000г.; Республиканская конференция «Проблемы медицины и здравоохранения ПМР», Тирасполь, РИО ПГУ, 2002; Республиканская научно- практическая конференция «Совершенствование математического образования в общеобразовательных школах, средних и высших профессиональных учебных заведениях ПМР» Тирасполь, РИО ПГУ, 2003; XV Международная научная конференция, «Состояние и перспективы изучения онтогенеза растений природных и культурных флор Евразии», Харьков, 2003; III, VI Международные научно- практические конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве». Тирасполь РИО ПГУ, 2003, 2009 гг.; Международная научно-производственная конференция «Овощебах- чевые культуры и картофель», Тирасполь, 2005; Международный симпозиум, «Современное состояние и перспективы развития селекции и семеноводства овощных культур». М., 2005; Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии в селекции и семеноводстве сельскохозяйственных культур» М. 2006; IX, XI, XIV международные конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения», Белгород, 2005, 2007, 2010 гг.; VII международный симпозиум «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования», Москва, 2007; I и II Международные научно-практические конференции «Современные тенденции в селекции и семеноводстве овощных культур. Традиции и перспективы», М., 2008, 2010 гг.; Международная научно-практическая конференция «Генофонд, селекция и технологии возделывания пасленовых культур», Астрахань, 2008; Всероссийская конференция с международным участием «Продукционный процесс растений: теория и практика эффективного и ресурсосберегающего управления», С-П, 2009; XXIV Съезд по спектроскопии, Москва-Троицк, 2010.
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в двух монографиях, 16 научных публикациях, в том числе 3 - в рецензируемых изданиях, рекомендуемых экспертным советом ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 151 странице машинописного текста, включает 21 таблицу, 25 рисунков, состоит из введения, шести глав, заключения, выводов, практических рекомендаций. Список литературы включает 229 источников, в том числе 111 на иностранных языках.
Похожие диссертации на Разработка визуальных и спектрофотометрических методов определения содержания каротиноидов и степени зрелости плодов томата
-
-
-
-
-
-
-
-
-
