Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1. Биосинтез витаминов в растениях, функции и значение в питании человека 8
1.2. Влияние условий произрастания растений на формирование витаминов 23
1.3. Изменение содержания витаминов при хранении винограда 31
Глава 2. Экспериментальная часть 37
2.1. Объекты исследования 37
2.2. Экологические микрозоны культивирования винограда 38
2.3. Методы определения витаминов 43
Глава 3. Результаты исследования и их обсуждение 45
3.1. Изучение витаминного комплекса винограда в зависимости от биологических особенностей 45
3.1.1. Исследование рутина 45
3.1.2. Исследование аскорбиновой кислоты 51
3.1.3. Исследование никотиновой кислоты и каротина 57
3.2. Влияние климатических и эдафических факторов на содержание витаминов в винограде 63
3.2.1. Исследование рутина 63
3.2.2. Исследование аскорбиновой кислоты 72
3.2.3. Исследование никотиновой кислоты и каротина 77
3.3. Изучение содержания витаминов после хранения винограда 82
3.3.1. Исследование рутина 83
3.3.2. Исследование аскорбиновой кислоты 89
Выводы 96
Список литературы 98
- Биосинтез витаминов в растениях, функции и значение в питании человека
- Объекты исследования
- Изучение витаминного комплекса винограда в зависимости от биологических особенностей
Введение к работе
Актуальность. Витамины - низкомолекулярные органические вещества различной химической структуры, принимающие непосредственное участие в биохимических реакциях в процессе фотосинтеза, дыхания, роста, размножения в растительной клетке. Они являются незаменимыми факторами питания, регулирующими окисление углеводов, липидов, аминокислот (Кретович, 1986).
В связи с ухудшением экологической обстановки, потреблением продуктов питания, произведенных по новым интенсивным технологиям, возрастает востребованность в продукции растительного происхождения, богатой витаминами, не синтезирующимися в организме человека (Мартинчик и др., 2002; Сизенко, 2004). Повышенной ценностью, благодаря наличию биологически активных веществ, в том числе и комплекса витаминов (рутина, аскорбиновой, никотиновой кислоты и каротина), обладает виноград, относящийся к приоритетной сельскохозяйственной культуре.
В связи с этим возникла необходимость проведения исследований, способствующих получению информации о витаминном комплексе винограда столовых сортов различных периодов созревания в зависимости от биологических особенностей сорта и почвенно-климатических условий произрастания. Такой подход даёт возможность определить динамику концентрации витаминов различных сортов винограда в зависимости от вариабельности основных экологических факторов. Особый интерес вызывает выявление сортов, способных к активному синтезу витаминов и определение сортов, сохраняющих высокую концентрацию этих биологически активных компонентов после хранения винограда, а также выбор микрорайонов для его культивирования. Полученные данные помогут сформировать сортовой состав винограда, способного максимально проявить свои потенциальные биологические возможности с точки зрения синтеза
5 таких важных витаминов, как рутин, аскорбиновая, никотиновая кислота и каротин.
Подобное многогранное изучение витаминного комплекса винограда столовых сортов различных периодов созревания во взаимосвязи с экологическими факторами выполнено впервые, что определяет новизну наших исследований. Разнообразие природных условий Республики Дагестан, способствующих развитию виноградарства, представляет огромный потенциал для решения вопросов в рамках проведенной нами работы, которая имеет важное теоретическое и практическое значение.
Цель и задачи исследования. Основной целью работы является определение микрорайонов, экологические условия которых благоприятны для выращивания винограда с богатым комплексом витаминов, а также выявление сортов винограда, обладающих высокой витаминосинтезирующей способностью и сохраняющих высокую концентрацию этих биологически активных компонентов после хранения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- исследование витаминного комплекса винограда - рутина,
аскорбиновой, никотиновой кислоты и каротина в столовых сортах раннего,
среднего и позднего периодов созревания;
определение содержания витаминов в винограде в зависимости от условий его произрастания: суммы активных температур (CAT), количества осадков и разновидностей почвы;
изучение степени изменчивости концентраций рутина и аскорбиновой кислоты в винограде после различного срока хранения в зависимости от температурного режима.
Научная новизна. Впервые получены сведения о наличии и динамике содержания составляющих компонентов витаминного комплекса в 29 столовых сортах винограда (16 - интродуцированных и 13 - местной селекции) различных периодов созревания в разных ландшафтных зонах Прикаспийской низменности.
Установлено, что уровень содержания рутина, аскорбиновой, никотиновой кислоты и каротина в ягодах винограда зависит от сорта, принадлежности к группе сортов по периоду созревания и почвенно-климатических условий произрастания.
Определены микрорайоны, экологические условия которых благоприятны для выращивания винограда, с богатым содержанием витаминов.
Выявлены сорта, обладающие способностью активно синтезировать витамины и содержащие высокую концентрацию этих биологически активных компонентов после хранения.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты проведённых исследований позволяют расширить представление о влиянии экологических факторов, сортовых особенностей и периода созревания и на синтез витаминов в ягодах винограда. Полученная информация даёт возможность наиболее рационально использовать различные ландшафтные зоны Республики Дагестан, а также генетический потенциал сорта.
На основе многолетних экспериментальных данных определены наиболее ценные для селекции сорта, способные активно синтезировать и сохранять в ягодах витамины: рутин, аскорбиновую, никотиновую кислоту и каротин. Полученные результаты позволяют рекомендовать посадку новых виноградников с учётом витаминного комплекса.
Наши данные по исследованию витаминного комплекса винограда были отмечены в Основных результатах РАН в области естественных наук (2001г.).
Основные положения диссертационной работы, выдвигаемые на защиту:
Результаты изучения синтеза рутина, аскорбиновой, никотиновой кислоты и каротина в винограде в зависимости от биологических особенностей.
Данные исследования степени изменчивости витаминного комплек-
7 са винограда, обусловленной влиянием основных параметров среды произрастания: CAT, количеством осадков, разновидностями почвы.
3. Содержание рутина и аскорбиновой кислоты в винограде в зависимости от сроков хранения.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Всесоюзной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Проблемные вопросы производства винограда и продуктов его переработки» (Ялта, 1988);
XII республиканской научно-практической конференции молодых учёных и специалистов Дагестана «Молодёжь и научно-технический прогресс» (Махачкала, 1988);
республиканской научно-практической конференции «Проблемы сельскохозяйственной экологии» (Махачкала, 1997);
Всероссийской конференции, посвященной 25-летию Прикаспийского института биологических ресурсов ДНЦ РАН «Биологические проблемы и перспективы их изучения в регионах Каспийского моря» (Махачкала, 1999);
Всероссийской конференции, посвященной 30-летию Прикаспийского института биологических ресурсов ДНЦ РАН «Почвенные и биологические ресурсы южных регионов России» (Махачкала, 2004);
- международной научно-практической конференции «Системные
исследования современного состояния и пути развития Юга России»
(Азов, 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, из них шесть в рецензируемых журналах из списка ВАК.
Биосинтез витаминов в растениях, функции и значение в питании человека
В природе, как известно, биосинтез витаминов осуществляется зелеными растениями, которые способны синтезировать все многообразие органических веществ из углекислого газа, воды и неорганических солей. Витамины синтезируются в растении в малых количествах, но являются чрезвычайно активными и необходимыми для жизни веществами, регулирующими окисление углеводов, аминокислот. Значительное количество каротиноидов, витамина С и никотиновой кислоты обнаружено в хлоропластах, которые принимают непосредственное участие в процессах фотосинтеза. Важная роль в фотохимическом восстановлении хлорофилла принадлежит аскорбиновой кислоте. Витамины, воздействуя на соответствующие ферменты, могут усиливать или тормозить окислительно-восстановительные реакции, происходящие в растениях (Овчаров, 1969; Чаговец, 1970; Смирнов, 1974; Карабанов, 1977; Кретович, 1986).
Полагают, что в растениях существует целостная антиоксидантная система защиты от супероксидных радикалов, биологическое значение которой заключается в разрушении их и предотвращении образования ещё более сильного гидроксильного радикала. Она включает витамин С-зависящую супероксиддисмутазу, аскорбиновую кислоту, глутатион и НАДФН2 (Chaterill, Anuradha, 1991; Bohles, 1997; Powers, 1999).
К настоящему времени выяснен механизм образования наиболее широко распространённых флавоноидов, к которым принадлежит витамин Р. Известны два основных пути их формирования: ацетато-молонатный, в котором в качестве исходных соединений используются ацетил-КоА и малонил-КоА и шикиматный путь, где исходными соединениями являются продукты углеводного метаболизма (фосфоенолпируват и эритрозо-4-фосфат), образующиеся в результате гликолиза. Биосинтез фенолов из ацетата играет основную роль у грибов и лишайников, в высших растениях шикиматный путь занимает одно из центральных мест в метаболическом балансе растительной клетки. Этот путь объединяет в себе биосинтез ароматических аминокислот и начальные этапы биосинтеза фенольных соединений, поскольку L-фенилаланин служит предшественником большинства полифенолов растительного происхождения. Образование флавоноидов в растительном организме тесно связано с обменными процессами углеводов, белков и других компонентов. Исследования в этой области продолжаются и в настоящее время (Барабой, 1976, Мецлер, 1980а; Гудвин, Мерсер, 19866; Запрометов, 1993; Ловковаи др., 1999).
Рутин был впервые выделен в виде активного препарата из руты (Ruta graveolens) и затем найден в очень многих растениях. Своё название он получил по первой букве английского слова permeability - «проницаемость». Ряд растительных веществ, близких по химической природе и относящихся к группе фенольных веществ - флавоноидам, обладают Р-витаминной активностью. Из известных 5 тыс. природных флавоноидов, Р-витаминные свойства проявляют флаваноны (гесперидин, эродиктинол), флавонолы (рутин, кверцетин, мерицетин), халконы, катехины, антоцианидины, лейкоантоцианы.
Флавоноиды - биологически активные вещества, являющиеся одним из наиболее распространенных, многочисленных классов природных веществ, обладающих широким спектром действия. Биофлавоноиды выполняют в растениях разнообразные функции, участвуя в процессе дыхания и фотосинтезе, в создании опорных элементов клеток и тканей. Они защищают фотосинтетический и генетический аппарат против вредного действия коротковолнового излучения, являются запасными веществами в метаболизме растений, специфическими агентами в их патогенезе, гормонами двигательных функций растений, разобщителями окислительного фосфорилирования. Имеются сведения, что биофлавоноиды способны влиять на активность ферментов, выполнять функции эндогенных ингибиторов роста, накапливаясь во время наступления зимы, обеспечивают переход растений в состояние покоя (Запрометов, 1974; Харборн, 1985; Колесников, Гине, 2001; Ловкова и др., 2001; Harborne, 1979).
Флавоновые соединения находятся в растениях в свободном состоянии в виде агликонов и гликозидов, то есть соединений, связанных с молекулами глюкозы и других моно- или дисахаридов. В растительных организмах они принимают активное участие в переносе атомов водорода и электронов, совместно с аскорбиновой кислотой, поддерживают окислительно-восстановительное равновесие в живой системе.
Из флавоноидных соединений, содержащихся в винограде, высокой Р-витаминной активностью, обладает рутин. В значительном количестве он найден в (мг/100г): черной смородине - 1000-1500; шиповнике - 680; лимонах - 500; черном винограде - 250-430; землянике - 180-200 (Запрометов, 1967; Блажей, Шутый, 1977; Карабанов, 1981; Стуруа, Мехузла,1997; Причко,2001; Мельникова, Иоффе, 2002; Домрачева, Мельникова, 2005; Sjostrom, 1993; Bors et al., 1995).
Объекты исследования
Исследования проводились в 1986-1989 гг., 1991-1994 гг. и 1996— 1999 гг. в лаборатории эколого-биохимических основ рационального использования биологических ресурсов Прикаспийского института биологических ресурсов Дагестанского научного центра Российской академии наук.
Изучались столовые сорта винограда, произрастающие в различных почвенно-климатических микрозонах республики Дагестан: местной селекции - сорта раннего срока созревания - Мускат Пейтель, Салам, Яй изюм розовый; среднего - Аг изюм, Везне, Самур, Сарах; позднего - Агадаи, Дольчатый, Мускат дербентский, Мускат транспортабельный, Мускат южнодагестанский, Риш баба и интродуцированные - раннего срока созревания - Жемчуг Зала, Жемчуг Саба, Зоревой, Кардинал, Кишмиш чёрный, Кремовый, Мускат янтарный, Народный, Премьер, Ранний Магарача, Шасла белая; среднего - Галан, Мускат гамбургский, Тербаш и позднего - Карабурну, Молдова.
Для анализа винограда, выращиваемого в Дагестане, отбирали пробы гроздей после наступления технической зрелости. При сборе урожая с учётных кустов срезали грозди со средней части плодоносящих побегов. Затем, в соке ягод 14 сортов раннего периода созревания проводили определение массовой концентрации рутина (витамин Р), аскорбиновой кислоты (витамин С), никотиновой кислоты (витамин РР) и каротина (провитамин А). Содержание витаминов Р и С определяли также в семи сортах среднего и восьми - позднего срока созревания.
Хранение винограда осуществляли в течение десяти суток на деревянных стеллажах, предварительно обработанных раствором диоксида серы концентрацией 100-150 мг/дм3, в помещении при температуре 22-24С и относительной влажности воздуха 67-81%. Параллельно часть отсортированного винограда хранили тридцать суток на стеллажах в холодильной камере марки ЗИЛ КШ-240 при температуре ±1С и влажности воздуха 80-93%. Закладка винограда на хранение проводилась сразу после сбора. В обоих вариантах использовали однослойное распределение гроздей. При истечении десяти и тридцати суток хранения определяли массовую концентрацию витаминов Р и С в соке ягод винограда раннего и позднего периодов созревания.
Наши исследования проводились в плоскостной зоне Прикаспийской низменности, которая подразделена на северный, центральный и южный Дагестан (Гаджиев, 1976). Ниже приводится их характеристика, составленная по данным А.К. Крылатова, СУ. Керимханова, Д.М. Гаджиева, Ш.А. Абрамова с сотрудниками, A.M. Аджиева (Крылатов, 1960; Гаджиев, 1976; Керимханов, 1976; Магомедов, 1988а; Абрамов и др., 1996; 1998; Аджиев, 2003).
Северный Дагестан охватывает территорию Кизлярского, Тарумовского, Крайновского, Хасавюртовского, Бабаюртовского и частично Кизилюртовского и Новолакского районов. Климат здесь характеризуется как умеренно-континентальный с жарким летом и довольно неустойчивой зимой. Он сформирован под воздействием Среднеазиатских пустынь, Прикаспийской полупустыни и Главного Кавказского хребта. Среднегодовая температура воздуха, по многолетним данным, составляет 10,8-11,0С. Максимальная летняя температура доходит до 38,0-40,0С, абсолютный минимум в зимнее время минус 24,0-28,0С. Средняя продолжительность безморозного периода 208-213 дней. Сумма активных температур (CAT) составляет 3740-3870С в год. Относительная влажность воздуха низкая.
Годовое количество осадков невелико и варьирует в пределах 250-480 мм. Из-за недостаточного количества влаги требуется искусственное орошение.
Почвы виноградников представлены в основном каштановыми, с преобладанием светлых разностей, а также луговыми и лугово-степными. Большая часть северного Дагестана - равнина, северо-восточная часть которой образована аллювиальными и морскими отложениями. Аллювиальные наносы многослойны и часто содержат валуно-галечные прослои, достигающие предельной мощности 10 м и более. Луговые и лугово-степные почвы залегают на рыхлых аллювиальных породах, что дает корневой системе винограда глубоко проникать в почву и хорошо развиваться. По механическому составу преобладают тяжелосуглинистые и суглинистые разности, содержащие 2-3% перегноя, 10-20% карбонатной извести.
В северном Дагестане выращивался сорт местной селекции Сарах и интродуцированнный Тербаш.
Центральный Дагестан простирается по Приморской низменности от правобережья нижнего течения реки Сулак на севере до левобережья реки Инчхе на юге и включает в себя Кизилюртовский, Кумторкалинский, Ленинский районы и Махачкалу. Он характеризуется следующими климатическими условиями. Среднегодовая температура воздуха составляет 11,0-11,6С. Абсолютный максимум доходит иногда до 36С, а абсолютный минимум достигает минус 15,0-25,0С, продолжительность безморозного периода в среднем 213-234 дня. Годовая CAT 3700-4100С. Среднегодовое количество осадков 300-420 мм. Недостаточное количество влаги восполняется искусственным орошением. Почвы представлены в основном каштановыми и светло-каштановыми типами. В северной части центрального Дагестана преобладают светло-каштановые, формирование которых происходило в различных рельефных условиях и на породах различного механического состава. Поэтому, на территории отмечается несколько разностей светло-каштановых почв - от тяжелосуглинистых до супесчаных.
Изучение витаминного комплекса винограда в зависимости от биологических особенностей
Виноград, относящийся к семейству Виноградовых, занимает среди плодовых растений особое место по биологическим признакам и свойствам. Наиболее известен род Vitis, включающий около 70 видов, которые в процессе длительной эволюции и естественного отбора приобрели новые биологические свойства (Негруль, 1959; Мержаниан, 1967). К биологическим свойствам виноградного растения относятся период созревания, окрашенность ягод, наличие или отсутствие семян и другие.
Благоприятные эколого-географические условия Дагестана с обилием солнечной энергии, тепла, наличием орошаемых земель на низменности представляют большую возможность для возделывания столовых сортов винограда, отличающегося биологическими свойствами (Абрамов, 1977; Негруль и др., 1979; Аджиев и др., 2001; Казиев, Раджабов, 2002; Аджиев, 2003; Гореликова и др., 2003).
Сведения об уровне накопления рутина (витамин Р), аскорбиновой кислоты (витамин С), никотиновой кислоты (витамин РР) и каротина (провитамин А) в зависимости от биологических особенностей винограда в литературе отсутствуют. Полученные данные будут способствовать выявлению закономерностей синтеза этих биологически активных компонентов в виноградном растении.
Виноград занимает одно из первых мест среди овощей и фруктов по количеству витамина Р. Нами проведены исследования содержания рутина в белых и окрашенных сортах винограда различных периодов созревания, культивируемых в южном, центральном и северном Дагестане плоскостной зоны Прикаспийской низменности (табл. 1). Результаты показали, что концентрация рутина в ягодах винограда колеблется в пределах 12,5-150,6 мг/дм3 (Бахмулаева, 1997; 1999; Бахмулаева, Магадова, 1997; Бахмулаева, Алиева, 1988; 1998; Абрамов и др., 2004а). Белые сорта винограда раннего периода созревания синтезировали его в количестве 12,5-23,8 мг/дм3. Наименьшее содержание рутина обнаружено в интродуцированном сорте Жемчуг Саба - 12,5 мг/дм3. Шасла белая (18,3 мг/дм) и Салам (18,7 мг/дм) занимают промежуточное положение, а Зоревой (22,8 мг/дм3) и Яй изюм розовый (23,8 мг/дм3) отличились в этой группе наиболее высоким уровнем накопления этого компонента.
В винограде среднего периода созревания рутин обнаружен в количестве 64,1-131,3 мг/дм , что значительно выше, чем в сортах раннего периода. Наименьшее содержание этого витамина среди белых сортов отмечено в винограде Тербаш, а наибольшее - в Галане. Сорта Самур, Сарах и Тербаш характеризовались относительно низкой концентрацией витамина Р и уступали всем остальным исследованным сортам. Практически одинаковые количества этого компонента обнаружены в сортах местной селекции Сарахе - 76,0 мг/дм и Самуре -78,0 мг/дм .
Выявлено, что виноград позднего периода созревания способен синтезировать чуть больше рутина, чем сорта среднего периода созревания. В позднеспелом винограде количество витамина Р варьировало в пределах 80,0 мг/дм3 (Карабурну) - 150,6 мг/дм3 (Мускат южнодагестанский). Среди белых сортов винограда наименьшим содержанием его отличился Карабурну - 80,0 мг/дм , за ним следовал Мускат дербентский - 81,0 мг/дм . Среднее значение рутина характерно для сорта Риш баба - 110,0 мг/дм , а наиболее высокий показатель его обнаружен в сорте местной селекции Мускате южнодагестанском -150,6 мг/дм .
