Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 Анализ состояния проблемы и задачи исследований 15
-
Перспективность использования стевии в биохимической кор- 15 рекции негативного воздействия стрессовых факторов окружающей среды
-
Научно-практическое значение и современное состояние эко- 21 логических исследований стевии
-
Физиолого-биохимические свойства подсластителя из стевии 45 и его влияние на организм человека
-
Экологические аспекты получения, оценки качества и исполь- 59 зования подсластителя из стевии и задачи исследований
ГЛАВА 2 Методология выполнения работы 67
-
Почвенно-климатические условия лесостепи ЦЧР 67
-
Организация работы 70
-
Объекты, методы и техника исследований 71
-
Методы математического планирования и обработки экснсри- 80
ментальных данных
ГЛАВА 3 Разработка элементов экологически целесообразной 83 технологии возделывания стевии с целью получения экологически безопасного растительного сырья
-
Изучение химического состава растительного сырья стевии 83
-
Исследование влияния абиотических факторов на повышение 96 продуктивности и качественных показателей стевии
-
Изучение действия экологически обоснованных норм внесе- 108 ния минеральных удобрений и физиологически активных веществ
на продуктивность и качественные показатели стевии
ГЛАВА 4 Разработка экологических основ технологической сие- 135 темы получения подсластителя из стевии заданного уровня качества
4.1 Изучение закономерностей экологически безопасного процес- 147
са экстрагирования дитерпеновых гликозидов из растительного
сырья стевии
-
Исследование экологических аспектов процессов удаления 163 балластных веществ из продуктов переработки стевии
-
Изучение закономерностей процесса сушки продуктов перс- 223 работки стевии, способствующего получению подсластителя с высокими пищевыми качествами
-
Синтез оптимальной структуры экологически сбалансирован- 247 ной технологической системы
ГЛАВА 5 Разработка экологически безопасной экспертной ана- 254 литической системы для определения качественных показателей сырья стевии и продуктов ее переработки
-
Определение антиоксидаитной активности стевии 276
-
Контроль содержания гликозидов в растительном сырье 292
-
Использование метода главных компонент при скрининговом 303 анализе продуктов переработки стевии
ГЛАВА 6 Конструирование новых лечебно-профилактических и 307 диетических продуктов питания на основе подсластителя из стевии
ГЛАВА 7 Технико-экономическая, экологическая и социальная 332 оценка разрабатываемой системы
-
Маркетинговые исследования 332
-
Оценка экономической эффективности разработанной 343 системы
-
Экологический мониторинг и социальная значимость разрабо- 349 танных технологий
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 355
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 359
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПРАКТИЧЕСКОМУ 362
ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
* ЛИТЕРАТУРА 364
ПРИЛОЖЕНИЯ 450
*
Введение к работе
Актуальность. Создавшиеся критические ситуации в области экологии, питания и здоровья жителей нашей планеты сдерживают устойчивое развитие человечества и представляют реальную угрозу для среды обитания, источников питания и здоровья людей. Эффективное и безопасное решение актуальнейших экологических, медицинских и многочисленных продовольственных проблем является важнейшей жизненно необходимой задачей для всего мирового сообщества.
В современном мире деятельность человеческого общества стала самым мощным средообразующим фактором. Поскольку возможности биосферы ограничены, ее ресурсы, жизненное пространство, все составляющие компоненты тесно взаимосвязаны и взаимозависимы, влияние человека на биосферу, на экосистемы распространилось значительно глубже и начало угрожать региональной и глобальной стабильности. В результате непреднамеренные негативные воздействия человека на биосферу привели к необходимости развития теории взаимодействия природы и общества, а самое главное, - к неотложному решению практических задач экологии. К таким задачам, в первую очередь, относятся: обеспечение экологической безопасности за счет неистощающего (рационального или комплексного) природопользования, разработка экологических основ и правил промышленного производства, выработка механизмов решения экологических проблем («Экологическая доктрина РФ», 2004).
Цивилизация человечества тесным образом была связана с введением в культуру диких растений и дальнейшей селекцией их на урожайность и качество продукции. Новые культуры чрезвычайно обогатили пищевой рацион людей, изменяя иногда традиционные особенности питания целых народов. Необходимо отметить, что растения, используемые человеком, в большинстве своем продуцируют сырье для выработки высококалорийных продуктов питания. Типичным примером являются сахарная свекла, сахарный тростник и получаемый из них сахар. Углеводы в настоящее время являются основным элементом рациона человека как высокоэнергетический продукт, и медицинские нормы предусматривают значительное количество потребляемых углеводов. Однако сложившийся стереотип питания привел к тому, что, получая с пищей чрезмерное количество калорий, большая часть населения имеет выраженные в различной степени нарушения обмена веществ. Это вызвано в определенной степени нерациональным несбалансированным питанием. Поэтому система питания человека должна измениться, и на смену высококалорийным продуктам должна последовать пища с незначительной энергетической ценностью, но с высоким содержанием витаминов, минеральных веществ и физиологически активных компонентов (Трибунская и др., 1970). В настоящее время в России, как и во многих странах мира, вопросы здорового питания возведены в ранг государственной политики. В соответствии с «Концепцией государственной политики в области здорового питания населения Российской Федерации до 2005 года», большое значение придается созданию технологической основы для производства качественно новых продуктов, не только удовлетворяющих физиологические потребности организма человека в пищевых веществах и энергии, но и выполняющих профилактические и лечебные цели (Ермилова и др., 2000).
Интерес к функциональным продуктам, которые оказывают регулирующее действие на организм и способны заменить лекарственные препараты, стремительно растет во всем мире. При этом особое внимание уделяется вопросам поддержания и восстановления микроэкологии человеческого организма.
В разрезе данной проблемы ведущую роль приобретает комплексное использование нетрадиционных растительных ресурсов, имеющих низкую калорийную эффективность, но обладающих эколого-протекторными качествами. К таким культурам относится растение, родиной которого является Южный Парагвай, - стевия, содержащее в своем составе дитериеновые гликозиды, основным из которых является стевиозид, обладающие высокой степенью сладости при практически нулевой калорийности. Кроме того, эти вещества не требуют для своего усвоения выработки инсулина и, следовательно, могут употребляться в пищу людьми, страдающими сахарным диабетом. Также, стевия
7 является общепризнанными источниками флавоноидов, дефицит которых испытывает население России при неполноценном питании. Высокая биологическая активность флавоноидов обусловлена наличием антиоксидантных свойств и, как следствие, широким спектром фармакологического действия, в том числе капилляроукрепляющим (Р-активным) действием.
Интродукция стевии в центральную Европу и, особенно в Россию, начата только в последние десятилетия (Балашова, 1997). Кроме Южной Америки, стевия, благодаря интродукции, культивируется в ряде стран, где за ней предвидят большое будущее (Sasson, 1988). В России, Украине, Белоруссии и Грузии стевия вводится в культуру только с начала 80-х годов, хотя о "медовой траве" в России известно еще с 50-х годов (Алексеев, 1956).
Необходимо отметить, что в настоящий период в ряде стран осуществляется интенсивное изучение биологических особенностей, роста и развития стевии в естественных и искусственных условиях, биохимизма синтеза гликозидов и технологических приемов их выделения, возможностей промышленного использования гликозидов в пищевых отраслях. Широкое распространение стевии в нашей стране затрудняется недостаточной изученностью этой культуры в биологическом, физиолого-биохимическом и экологическом плане.
Растительный организм при переносе в новые условия существования проявляет специфические и неспецифические реакции адаптации к биотическим и абиотическим факторам среды. Кроме изменений морфолого-анатомического строения органов и тканей растений, происходит перестройка различных физиологических функций и биохимических процессов (Некрасов, 1980). Поэтому большое значение имеет экологическое, физиологическое и биохимическое изучение интродуцируемых растений, выявление их защитных реакций и подбор физиологически активных средств эндогенного и экзогенного происхождения, повышающих их агроэкологическую устойчивость. Чрезвычайно важно выявление условий, определяющих ценные биологические особенности для получения экологически чистого растительного сырья, и разработка элементов технологии переработки стевии, которые необходимы для успешного введения ее в культуру.
8 В связи с этим постановка проблемы в направлении формирования экологических аспектов производства, переработки, оценки качества и использования подсластителя из стевии весьма актуальна и своевременна.
Целью исследований было разработать элементы экологически целесообразной технологии возделывания стевии, способствующие получению экологически чистого растительного сырья, выявить экологические аспекты и физико-химические закономерности процессов получения подсластителя из стевии заданного уровня качества и оптимальные технологические решения и рецептурные составы функциональных пищевых продуктов на основе стевиозида.
Работа выполнялась в соответствии с целевыми научными программами, координируемыми Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в соответствии с планом НИР ВЫИИСС РАСХП 11.07. «Разработать способы извлечения и очистки различных видов сахаристых веществ и натуральных подсластителей с целью комплексной переработки растительного сырья, снижения энергоматериалаемкости производства при высокой экологической безопасности», ФГОУ ВПО «Воронежский госагроуниверситет имени К.Д.Глинки».
В задачи исследований входило:
Изучить особенности формирования экологически чистого сырья стевии при разных условиях минерального питания и применении физиологически активных веществ.
Определить химический состав сухих листьев стевии. Изучить аминокислотный состав, антиоксидантную активность стсвии, характеризующие данную культуру как источник ценной пищевой добавки для питания человека.
Установить оптимальные параметры экологически целесообразных процессов получения подсластителя из стевии; разработать физико-химические основы экотехпологии подсластителя заданного уровня качества; сформировать структуру экологически сбалансированной технологической системы и научно обосновать выбор оптимальных режимов.
Разработать экологически безопасные способ извлечения и промышленную технологию получения биологически активных концентратов сте-
9 вий, обеспечивающие предотвращение загрязнения природной среды и минимизацию воздействия производства на окружающие экосистемы.
Разработать экологически безопасную методику экспресс-контроля качества стевиозидсодержащих продуктов и сложнорецситурных композиций, содержащих подсластитель из стевии.
Оптимизировать рецептурный состав и способы производства пищевых продуктов на основе стевии.
Провести маркетинговые исследования, определить перспективные направления использования подсластителя из стевии. Оценить экономическую эффективность, экологическую безопасность и социальную значимость разработанных технологий.
Научная новизна исследований
Впервые показано, что применение низких доз элементов минерального питания не оказывает влияния на рост, развитие, формирование урожая, химического состава и содержание дитерпеновых гликозидов в листьях стевии, способствуя получению экологически чистого растительного сырья стевии. Определено влияние регуляторов роста экзогенного происхождения на степень использования стсвией минеральных веществ, установлено, что ростовые вещества нового поколения (ретардант с нроауксиновым эффектом 577) в сочетании с минеральными удобрениями стимулируют продуктивные и качественные показатели стевии.
Получены новые данные о высокой антиоксидантиой активности стевии и продуктов ее переработки, что определяет перспективность использования сте-виозида в виде биологически активной добавки в пищевых продуктах функционального назначения. Выявлены незначительные изменения в содержании хлорогеновой кислоты характеризующей антиоксидантную активность у форм различной плоидности.
Впервые в России разработана экологически безопасная технологическая система получения биологически активных концентратов из стевии. Предложенное технологическое решение обеспечивает предотвращение загрязнения природной среды.
Установлена безвредность полученных экстрактов и продуктов переработки стевии, исследованы физико-химические свойства новых продуктов. Выявлена специфическая активность препаратов стевии, обусловленная наличием антиоксидантов.
Предложен метод определения стевиозида на основе высокоэффективной жидкостной хроматографии, позволяющий оптимизировать аналитический процесс для растительного сырья и продуктов его переработки.
Установлено, что применение комбинации методов многоволновой ВЭЖХ и главных компонент позволяет выделить идентификационные признаки подсластителя из стевии и пищевых продуктов на его основе.
Разработана экологически сбалансированная система производства и переработки стевии, способствующая внедрению стевии в с/х производство и расширению ассортимента функциональных продуктов питания для коррекции питания населения, что позволит приблизиться к решению проблем экологического аспекта применения БАД растительного происхождения, гармонизации микроэкологического статуса человеческого организма и минимизации негативного воздействия стрессовых факторов окружающей среды.
Практическая значимость заключается в решении народнохозяйственной задачи введения стевии в ареал возделываемых сельскохозяйственных культур ЦЧР, что позволит использовать это цепное растение в производстве пищевых продуктов и лекарственных препаратов.
Несомненное практическое значение имеют разработанные экологически безопасные технологии производства растительного сырья стевии и получения биологически активных концентратов стевии. Предложенный способ получения соответствует современным требованиям "чистых технологий": в качестве сырья используются растения стевии, выращенные без применения средств химизации при оптимальном фоне минерального питания, в качестве экстрагента - экологически безопасный водный экстрагент, обороты экстрагента и воды насосов технологически зациклованы. Данный способ относится к практическим решениям иутрициологии (экологии человека) и не требует значительных затрат, являясь универсальным и комплексным.
Предложенная методика экспресс-определения флавоноидов применима не только для пофазпого контроля качества продуктов переработки стевии, но и для идентификации сложнорецепурных продуктов, содержащих антиокси-данты.
Разработанный метод определения стевиозида на основе высокоэффективной жидкостной хроматографии может найти применение в качестве контрольного при выращивании стевии и ее первичной и вторичной переработке.
Разработанные рецептуры низкокалорийных диетических молочных продуктов, соков, напитков могут быть рекомендованы для использования в пищевой и молочной промышленности.
Метод главных компонент (разновидность корреляционного анализа) дает статистический паспорт вещества и может найти применение в биологических анализах при обработке данных по выделению наиболее значимых показателей.
Результаты исследования могут быть использованы в учебном процессе но экологическим дисциплинам в высших и среднеспециальных учебных заведениях аграрного профиля.
Положения диссертации, выносимые на защиту:
Биологические особенности и химический состав, определяющие значимость стевии для интродукции в ЦЧР как ценного источника биологически активного, экологически безопасного растительного сырья, для выработки подсластителя.
Динамика изменения химического состава и содержания дитерпеновых гликозидов в листьях стевии, позволяющие использовать экологически обоснованную технологию применения удобрений для обеспечения максимального уровня эколого-продукционного потенциала культуры и получения экологически безопасного растительного сырья.
3. Физико-химические основы процесса экстрагирования дитерпеновых гликозидов, способствующие организации процесса с применением экологически безвредного экстрагента и эффективным использованием отходов переработки.
Физико-химическое особенности, результаты экспериментальных исследований и анализ закономерностей процессов рсагентной и безреагентной очистки гликозидсодержащих растворов, обеспечивающие высокий эффект очистки при одновременной минимизации загрязнения окружающей среды.
Физико-химические свойства концентрата из стевии, характеризующие его как перспективный объект сушки. Результаты экспериментальных исследований и анализ закономерностей процесса обезвоживания концентрата стевии, способствующие оптимальной организации процесса при минимальных потерях целевого компонента и получении продукта с выраженными эколого-пищевыми свойствами.
Разработанная технологическая система и научное обоснование выбора оптимальных режимов, являющаяся основой получения подсластителя из стевии заданного уровня качества при одновременной экологической безопасности производства.
Результаты маркетинговых исследований, экономической, экологической и социальной оценки разработанных технологий, прогнозирующие динамичный рост потребления подсластителя из стевии.
Разработанная комплексная экологически сбалансированная система, реализующая все стадии производства, оценки качества и использования подсластителя из стевии максимально эффективно при высоком рейтинге экологической безопасности.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на:
Международных симпозиумах и научных конференциях: «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их практического использования» (2003 - 2006 гг., г. Пущино); «Экологические аспекты интенсификации сельскохозяйственного производства» (2002 г., г. Пенза); «Проблемы современного растениеводства» (2002 г., г. Пенза); «Медицинской ботаники» (1997 г., г. Киев), «Интродукция нетрадиционных и редких растений» (2004 г., п. Персианов-ский); Всероссийских научно-практические конференции: «Резервы стабилизации аграрного производства» (1996 г., г. Воронеж); «Молодые ученые и специалисты сельскому хозяйству» (1997 г., г. Курск); «Рациональное использование ресурсного потенциала в агропромышленном комплексе» (1998 г., г. Воронеж); «Аграрная наука в начале XXI века» (2001 г., г. Воронеж), «Актуальные проблемы сельскохозяйственной биотехнологии» (2004г., г. Воронеж), «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (2004г., г. Воронеж), «Пути и формы совершенствования фармацевтического образования» (2005 г., г. Воронеж), «Вклад молодых ученых в решение проблем аграрной науки» (2005 г., г. Воронеж), «И. В. Мичурин и агротехнические аспекты производства плодов и овощей на современном этапе» (2005 г., г. Воронеж), «Проблемы рационального использования растительных ресурсов» (2005 г., г. Владикавказ); координационных совещаниях НИИ и вузов Центрально-Черноземного региона: (2000-2005 гг., Воронеж); конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Воронежского ГАУ им. К.Д.Глинки (2000 - 2005 гг.).
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 2 монографиях (в печати), а также в 38 научных и научно-методических работах, опубликованных в различных изданиях, в том числе в изданиях реферируемых ВАК РФ. Получены положительные решения на выдачу патентов но двум заявкам на изобретения: № регистрации 2005117463 и № регистрации 2005117464.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений по практическому использованию результатов исследований, она изложена на 470 страницах машинописного текста, содержит 77 таблиц, 66 рисунков, 6 приложений, список литературы из 664 наименований, в том числе 179 иностранных авторов.
