Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы. Амарант - перспективная культура для интродукции в России 5
1.1.История введения в культуру :. 5
1.2. Систематика и морфология амаранта 13
1.3. Рости развитие амаранта 15
1.4. Практическая значимость амаранта 18
1.5 Требования амаранта к условиям внешней среды 24
1.5.1. Отношение к теплу 24
1.5.2. Отношение к свету 26
1.5.3. Отношение к влаге 27
1.5.4. Почвенные факторы и удобрения 29
1.6. Проблемы интродукции амаранта в России 30
1.7. Особенности приспособления амаранта к почвенно-климатическим факторам в новых регионах возделывания 32
1.8 Листовая биомасса амаранта как источник биологически активных веществ 45
2. Экспериментальная часть 49
2.1. Почвенно-климатические условия проведения исследований 49
2.2. Объекты, методы и методики исследований 50
3. Результаты и обсуждения 53
3.1. Испытания механизированных способов сева амаранта 53
3.2. Динамика роста и накопления биомассы растениями амаранта в период вегетации в условиях Подмосковья 56
3.2.1.Биология развития овощных форм амаранта и продуктивность их листовой массы в условиях Нечерноземья России 64
3.3. Перспективность возделывания овощных сортов амаранта 72
3.4. Влияние минерального питания на рост, развитие и продуктивность овощных форм амаранта 76
3.5. Закономерности изменения содержания пигментов в листьях амаранта разных ярусов
3.5.1. Элементы технологии уборки, измельчения и сушки листовой массы амаранта 84
3.6. Использование листовой массы амаранта сорта Валентина для получения обогащенных чайных продуктов 85
3.7. Перспективность селекции амаранта с повышенным содержанием биологически активных веществ и антиоксидантов 91
Выводы 102
Список литературы 104
Приложение 118
- Систематика и морфология амаранта
- Почвенные факторы и удобрения
- Динамика роста и накопления биомассы растениями амаранта в период вегетации в условиях Подмосковья
- Элементы технологии уборки, измельчения и сушки листовой массы амаранта
Введение к работе
По заключению экспертов ФАО ООН амарант в 21 веке войдет в число основных сельскохозяйственных культур, которые обеспечат питанием население планеты Земля.
К настоящему времени в Государственном реестре селекционных достижений, допущенных к использованию в производстве в Российской Федерации включено 9 сортов амаранта. Среди них — один сорт Кизлярец селекции ВНИИССОК семенного и силосного использования, три сорта -овощного направления (сорта Валентина, Крепыш и Памяти Коваса -селекции ВНИИССОК), три сорта для использования на силос - Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН и ВНИИР им. Вавилова и два сорта декоративного направления (сорта Зеленая сосулька и Булава селекции ВНИИССОК).
Необходимо отметить, что в молодом возрасте листья всех этих сортов могут использоваться на овощ.
Однако впервые в 2005 году в числе нового поколения продуктов поступил в продажу чай байховый (черный и зеленый) с листьями амаранта, разработанный учеными ВНИИССОК, НИИ ПП и СПТ и произведенный Белгородским филиалом ЗАО «Опелин».
В связи с чем возникла необходимость в разработке элементов сортовой технологии возделывания листовой массы амаранта в качестве сырья для производства новых видов чайных продуктов обеспечивающих выращивание сырья для переработки в более продолжительный период и с высоким содержанием нутриентов.
Этим вопросам и посвящается представленная работа.
Систематика и морфология амаранта
Род Amaranthus принадлежит отделу Magnoliophyta (Angiospermae) классу Magnoliopsida (Dicotyledones) подклассу Caryophyllidae надпорядку Caryophyllanae порядку Caryophyllales подпорядку Chenopodiineae семейству Amaranthaceae (А.Л. Тахтаджян, 1987).
Растения этого семейства распространены в основном в тропических и субтропических областях земного шара, преимущественно в Америке и Африке. Это многолетние и однолетние травы, есть полукустарники, кустарники, кустарниковые лианы. К видам, культивируемым в мировом растениеводстве, относят либо 7 (A. blitum L., A. caudatus L., А. mantegazzianus passer., A. dubins mart., A. paniculatus L., A. spinosus L., A. tricolor L.), либо 3 (A. caudatus L., A. emeritus L., A. hypochondriacus L.), либо 2 {A. cruentus L., A. caudatus L.). (Вульф, 1969; Saunder, Becker, 1983; Черепанов, 1981). Огромное количество сортообразцов есть результат их скрещивания и отбора. Виды амаранта условно делят на зерновые (A. cruentas, A. candatus, А. hypohondriacus, A. mantagazzianus, A. paniculatus), овощные {A. tricolor, А. caudatus, A. spinosits, A. cruentus), кормовые, лекарственные, декоративные. (Кононков П.Ф., Гине В.К., Гине М.С., 1997). Амарантовые имеют прямые бороздчатые стебли. По степени ветвления стебля, образцы можно разделить на слабо-, сильно - и средневетвистые. Листья очередные или супротивные без прилистников, цельные, форма листовой пластинки эллиптическая, яйцевидно-ромбическая, продолговатая. Листья цельнокрайние, заострённые на верхушке. Верхние листья имеют более короткие черешки, чем нижерасположенные, что создаёт возможность для более равномерного освещения растений (Тимонин, 1984). Общая листовая поверхность одного растения при оптимальных условиях развития равна 8000 см. Листовой индекс может изменяться от 6 до 12, в зависимости от густоты стояния растений в посевах (Кадошников, 1989). Корень стержневого типа, боковые корни располагаются поверхностно. Иногда в нижней части стебля образуются придаточные корни. Основная часть корневой системы располагается в пахотном слое, хотя главный корень может проникать на глубину до 90 см. Боковые корни располагаются радиалыю на 70-80 см. Общая масса корневой системы составляет 15- 17 % от общего веса всего растения. Это приводит к тому, что в конце вегетационного периода корневая система не в состоянии поддерживать растение в вертикальном положении и наблюдается полегание, что может затруднить механическую уборку.
Цветки мелкие, актиноморфные, раздельнополые, реже обоеполые, собранные в пазухах листьев на укороченных веточках соцветия или же в более или менее разветвленные безлистные или в нижней части облиственные колосовидные соцветия на верхушках стебля и боковых ветвей. Цветки с тремя прицветниками, имеющими все оттенки зелёного, желтоватого, или пурпурно-бордового или даже фиолетового цвета, расширенными в основании. По величине прицветники могут превышать околоцветник. Околоцветник простой, плёнчатый состоит из 3-5 ланцетовидных или яйцевидных листочков с зелёной средней жилкой, которая на верхушке часто образует остриё. Андроцей из пяти тычинок. Гинецей из 3-х, реже 4-х плодолистиков. Завязь верхняя одногнездная (Мосякин, 1996). Цветки вырабатывают нектар и опыляются насекомыми. Плод коробочка яйцевидной формы, открывающийся поперёк крышечкой. При образовании плода при нем сохраняются сухие плёнчатые листочки околоцветника, благодаря чему семейство и получило своё название "амарантос", что означает "неувядающий цветок" (amaraino-не увядать, anthos-цветок). Семена очень мелкие округлые чечевицеобразные, покрытые плотной оболочкой. Окраска семян различных сортообразцов амаранта от бледно-жёлтой до тёмно-бордовой, почти чёрной блестящей. Зародыш семени кольцевидный периферически-расположенный, окружён периспермом (Поддубная-Арнольди, 1976; Irving et al., 1981; Салахова, 1990). Масса 1000 семян -0,1-0,5 г
Для успешной интродукции важно изучение фенологии растений (Петровская-Баранова, 1983). Благодаря исследованиям (Прокофьев, 1989) выделены основные 4 фенофазы: вегетативная, бутонизации, цветения, плодоношения. Вегетативная фаза начинается с момента прорастания семян до образования генеративных органов. В среднем у A. candatus и A. emeritus она длится 48 дней, у A. hybridus 93 дня и A. mantegarzianus 71 день. Наступление следующих фенофаз и различных видов и сортообразцов наблюдается в различные сроки: наиболее раннее формирование соцветий - у A. cruentus, A. candatus - на 37 - 44 день, у A. mantegarzianus - на 59 день самое позднее у A. hybridus - на 69 день. Цветение наступает у A. cruentus и А. caudatus на 47-58 день, у A. hybridus - на 98. Начало плодоношения на 69-75 день наблюдается у A. cruentus, A. caudatus, на 108 у A. mantegarzianus, А. hybridus вообще не достигает фазы плодоношения. Продолжительность отдельных фенофаз также различная в условиях Татарстана. Самая короткая фаза бутонизации (28 день), наиболее длительными являются фаза вегетации и цветения. (Чернов, 1992; Кадошников, 1989).
Для амаранта на основе фенологических наблюдений были установлены следующие возрастные состояния: этапы всходов, ювенильный, имматурный, вегетативный и генеративный. На этапе всходов определяется всхожесть амаранта, причем полевая всхожесть всегда намного ниже лабораторной, что определяется рядом причин (неравномерное созревание семян в метелках приводит к тому, что при механической уборке не все семена имеют доразвившийся зародыш). Всходы у амаранта мелкие, проростки с надземным прорастанием, две семядоли выносятся вверх, наружная сторона темно зеленая, внутренняя - фиолетово-пурпурная. Форма семядолей - овально-ланцетовидная, гипокотиль - розово-фиолетового цвета. Появление всходов зависит от погодных условий, в основном от суммы положительных температур и влажности. (Гейтс и др., 1972; Габдрашитов, Реутов, 1986). Менее чувствительные к более низкой температуре прорастания являются семена A. emeritus (Гине, Кононков, Струкова, Савельев, 1995).
Ювенильное возрастное состояние растений у амаранта специфично, т.к. наблюдается скрытый рост. Спустя неделю после прорастания замедляется рост надземной части (стебель высотой 3,5 - 8,5 см) и в течение 3-4 недель происходит интенсивное развитие только корневой системы. Наступление имматурного этапа характеризуется начинающимся ветвлением главного стебля, началом бурного вегетативного роста. На вегетативном этапе вместе с ростом стебля начинается образование листовых формаций (низовой, серединной, верховой).
Почвенные факторы и удобрения
К почвам амарант мало требователен, но высокие урожаи можно получить только на окультуренных со средней и хорошей обеспеченностью гумусом и элементами питания. Достаточно благоприятными для возделывания амаранта являются черноземные, серые лесные и дерново-подзолистые супесчаные, связные песчаные и легкосуглинистые почвы. Кислые почвы амарант не любит. Оптимальной реакцией является рН 5,6 и выше. По отношению к увлажнению амарант требует дренированных, воздухо- и водопроницаемых почв и не переносит тяжелосуглинистых и глинистых, переувлажненных и заплывающих, а также бесструктурных рыхлых песчаных почв. Даже кратковременное затопление посевов амаранта ведет к его гибели. Следовательно, исключаются пойменные и заливные земли, низины. Плохо он растет и на склонах, подверженных водной эрозии (Чернов, Земляной, 1991).
Амарант хорошо отзывается на удобрения. Он относится к культурам, интенсивно используемым питательные вещества, и характеризуется высоким уровнем их потребления. Относительный вынос элементов питания амарантом в расчете на 100 центнеров зеленой массы почти в 2 раза выше, чем у кукурузы. Особенно высокий вынос характерен для азота, калия и кальция. Поэтому хорошее плодородие почвы и внесение удобрений для полного удовлетворения потребностей растений в питательных веществах являются гарантией получения высоких урожаев зеленой массы амаранта.
Прибавка зеленой массы за счет удобрений составляет до 40%. Состав и нормы удобрений определяются специалистами исходя из плодородия, структуры почв и климатических условий.
Система удобрений под амарант включает обязательное внесение качественного навоза или компостов. Дозы их должны составлять не менее 50-60 т/га. В случае, если почва, отведенного под амарант участка, характеризуется высоким содержанием гумуса и органические удобрения вносились под предшественник, то применение их непосредственно под амарант необязательно. Дозы минеральных удобрений при хорошем плодородии почвы должны составлять не менее: азотных 60-80 кг/га, фосфорных 45-60 и калийных 90-120 кг/га действующего вещества. Почвы среднего уровня плодородия требуют большего количества удобрения на 25-30%. Установлено, что наиболее эффективное влияние на урожай зеленой массы оказывают азотные удобрения. Имеется зарубежный опыт (Венгрия), где применяются высокие дозы азота - 200 и более кг/га действующего вещества. Однако такие дозы могут приводить к увеличению содержания нитратов в зеленой массе.
Особенность удобрения семенных участков сводится к снижению в 2 раза доз азотных удобрений. Этот прием сокращает вегетационный период и ускоряет созревание семян (Ярошевич 1989).
Относительно большую известность амарант приобрел в России в середине 80-х годов. Хотя попытки ввести в культуру амаранта предпринималась и в довоенные годы и в 50-х годах. Однако отсутствие научного ведения сельского хозяйства, научных разработок многоцелевого использования этой культуры и научно-технической документации на конечные продукты из амаранта сдерживало не только введение в культуру, но и дискредитировало её. Распределение амаранта пока крайне незначительно. Инициативные группы ученых, занимающихся исследованием амаранта в научно-исследовательских институтах Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска, Новочеркасска и ботанических садах Казанского, Уральского не в состоянии оказать решающее влияние на его интродукцию.
По мнению Ивановой Н.А. (1999г) «...внедрение такой перспективной культуры в сельскохозяйственное производство сдерживается по целому ряду причин, основными из них являются: -недостаток информации у специалистов сельскохозяйственного производства об использовании культуры амарант в народном хозяйстве, о ее достоинствах и недостатках; -отсутствие семеноводческой базы. Проблема семеноводства - одна из труднейших задач селекции. Без селекции амаранта, без создания районированных сортов невозможно развитие промышленного использования этой культуры; -недостаточно глубоко изучены биология, физиология генетических процессов, продуктивности и устойчивости, без которых невозможна разработка современных технологий возделывания ». Все возделываемые виды амаранта принято разделять на 4 типа: овощные, зерновые, кормовые и декоративные, хотя по некоторым видам нет четких критериев или они обладают качествами двух или даже трех типов (универсального использования). По насыщенности органов витаминами амарант близок к зеленным овощным культурам, по содержанию жира (до 3 %) и без азотистых экстрактных веществ (до 52 %) зеленая масса амаранта практически не уступает бобовым, в связи, с чем амарант может рассматриваться как овощная культура (Кухарева, Лобан, 1997).
Положительно характеризует амарант как кормовую культуру невысокий удельный вес клетчатки (16-20%) при концентрации водорастворимых Сахаров в, пределах 6,4-7,2% и пектина - 9,5-11,3% на сухое вещество.
Овощные формы амаранта отличаются высокой облиственностью и, как правило, небольшой высотой растений, кормовые формы — высокорослые, сильноветвистые, формирующие значительную вегетативную массу, зерновые формы амаранта имеют плотные соцветия (метелки) больших размеров и массы.
Для успешного внедрения новой культуры в производственную сельскохозяйственную практику необходимо создание новых районированных высокоурожайных сортов амаранта различного направления (овощного, зернового, кормового и декоративного), причем важно изучить особенности технологии их возделывания, с учетом особенностей агроклиматических зон выращивания.
Динамика роста и накопления биомассы растениями амаранта в период вегетации в условиях Подмосковья
Исследования по динамике роста и накоплению биомассы растениями амаранта проводили на 25 красноокрашенных сортообразцах амаранта, различающихся по происхождению и комплексу хозяйственно ценных количественных и качественных признаков. За период вегетации в 4 срока был проведен отбор проб по каждому образцу и проведен их анализ по 10 количественным признакам. Результаты исследования позволили выделить из культивируемых в условиях Подмосковья краснолистных видов амаранта три образца характеризующихся более высокой продуктивностью. Поскольку в изучающуюся коллекцию входят сортообразцы 7 видов красноокрашенной группы амаранта, она довольно полно представляет эту культуру и может быть использована в качестве модельной популяции для перехода от рассмотрения частных вопросов к более общим.
Изучение генотипического выращивания количественных признаков и корреляций в модельной популяции в период вегетации на разных стадиях развития растений, позволяет полнее раскрыть потенциальные возможности эффективности селекции амаранта, особенности по созданию красноокрашенных сортов с повышенным содержанием биологически активных веществ и антиоксидантов и более высокой урожайностью листовой массы для использования ее в пищевой и перерабатывающей промышленности.
Основной целью настоящего раздела диссертационной работы является обобщающий анализ результатов данного эксперимента на основе метода Ю.Л. Гужова по изучению модельных популяций с применением компьютерной программы, обеспечивающей вычисления 11-ти статистических параметров генотипического варьирования количественных признаков и их взаимосвязей в модельной популяции. Поскольку коллекция сортообразцов включала большое количество позднеспелых форм, некоторые из которых к моменту уборки так и не перешли в генеративную фазу развития. Нами был проведен отдельный анализ субпопуляции из 8 наиболее скороспелых форм, сформировавших соцветие и образовавших семена.
В итоге получены результаты статистического анализа экспериментальных данных по 9 количественным признакам, по 4 срокам анализа, по 4 статистическим показателям, причем не по отдельным сортообразцам, а по двум модельным популяциям в целом. Другими словами, они дают объективное представление о динамике изменения признаков не у отдельных генотипов, а их совокупности в рамках модельной популяции. В качестве показателя варьирования количественных признаков использовали коэффициент вариации. Если коэффициент вариации не превышает 10 %, то изменчивость считают незначительной. Если он находится в диапазоне 10-20%, то изменчивость относят к средней. Если же коэффициент вариации превышает 20%, то изменчивость является значительной. Чем выше коэффициент генотипической вариации, тем выше генотипическая изменчивость в популяции, тем выше шансы селекционера выделить из популяции интересующую его форму.
Анализ данных представленных в таблице 3.2.1. для двух модельных популяций позволяет выделить чрезвычайно высокий потенциал генетического разнообразия признаков продуктивности и высоты растений. Данные по всем 4-м срокам анализа, не только хорошо согласуются, но и практически совпадают. Лишь по длине корней уровень генотипического разнообразия оказался существенно ниже, чем по остальным признакам. Однако коэффициент вариации и этого признака в целом не опускается (в трех вариантах из четырех) ниже уровня значительной изменчивости. Для прогнозирования эффективности селекции важное значение имеет так же изучение между хозяйственно важными признаками, их направленности и тесноты этих связей. Проведенное исследование показало, что между признаками такими, как надземная масса растения, масса стеблей и масса листьев, существует тесная, практически функциональная зависимость. Установление этого факта открывает возможность при селекции амаранта для кормовых целей производить отбор не только по общей надземной массе, но и по ее составляющим: по массе стеблей и по массе листьев, что имеет важное значение по питательной ценности за счет листовой массы. Для селекции же овощных сортов амаранта целесообразно вести отбор только по листовой массе. Разность максимальных и минимальных вариант изучавших признаков дает информацию о размахе генотипического варьирования этих признаков в модельных популяциях; по всем признака размах изменчивости оказался очень большим, что свидетельствует о высоком генотипическом разнообразии сортообразцов модельных популяций. Наибольший размах изменчивости признаков отмечен по показателям биомассы растения, стебля, листьев, корней; наименьший (но достаточно высокий) - по длине корней и высоте растения. Анализ динамики увеличения средних значений изучаемых признаков у растений амаранта в процессе их вегетации выявил определенную синхронность их изменчивости (см. рис. 3.2.1). Однако по отдельным признакам выявились и существенные различия. В частности, такие признаки, как длина корней и высота стебля, с одной стороны, и нарастание биомассы растения и его органов, с другой, - существенно различаются как по срокам, так и по темпам их формирования. Показано, что у амаранта для начального периода развития характерны быстрый рост корней и стебля. Активное же настроение биомассы надземных органов запаздывает более чем на месяц. Контрольные учеты уровня проявления изучаемых признаков были проведены после посева с интервалом в 36, 15, 20 и 30 суток (при уборке). Если величину признака в момент уборки урожая принять за 100%, то динамика его формирования к концу каждого из этих четырех периодов (начиная с предыдущего) будет сильно различаться по отдельным признакам. В частности, увеличение длины корней в течение этих этапов составило: 22,9% (I), 26,3% (II), 34,9% (III), 15,9% (IY); стебля 11,5, 16,9, 25,4 и 46,2 % соответственно; общей надземной массы растения - 0,51, 5,14, 34,15 и 60,2%; биомассы стеблей - 0,28, 3,33, 30,7 и 65,7%; биомассы листьев - 1,1, 12,8, 33, 53,1%; биомассы корней-0,45, 8,9, 31,8, 58,9.
Элементы технологии уборки, измельчения и сушки листовой массы амаранта
В связи с высокими пищевыми качествами листовой массы красноокрашенного амаранта сорта Валентина и наличием в ней биологически активных веществ и антиоксидантов она представляет собой ценное сырье для получения нового поколения пищевых добавок и чая, обогащенного витаминами, флавоноидами, белками, пектином, амарантином и другими микронутриентами.
Необходимо отметить, что культивируемое растение семейства амарантовые издревле широко используется в пищу как в виде листостебелыюй массы (листья, побеги), так и метелок с семенами и семян.
По вкусовым и питательным свойствам у амаранта нет конкурентов. Именно поэтому в настоящее время амарант входит в ежедневный рацион питания жителей стран Северной и Южной Америки, Африки, Юго-Восточной Азии, Карибского бассейна, Индии и Китая.
Нежные листья и стебли богаты витаминами (аскорбиновая кислота, каротин, рутин), микроэлементами, содержит от 18 до 30% высококачественного белка, удачно сбалансированного по аминокислотам.
В связи с всевозрастающим спросом на стеблелистовую массу амаранта в качестве сырья для получения новых продуктов питания и пищевых добавок возникла необходимость в разработке технологии выращивания и переработки вегетативной массы для получения исходного сырья - пищевого концентрата листьев в условиях Нечерноземья. Учитывая непродолжительность безморозного периода в этой зоне необходимо было выявить оптимальные сроки ранневесеннего и летнего сроков посева амаранта, которые могли бы обеспечить более длительный период поступления листостебелыюй массы.
Исследованиями установлено, что для получения листовой массы амаранта необходимо производить посевы начиная с третьей декады мая до 15...20 июля, что позволяет заготавливать за сезон необходимое количество пищевого концентрата из листьев амаранта.
Заготавливаемые листья амаранта измельчали на электрических мясорубках и измельченную массу подвергали сушке в сушилках типа «Феруза» с использованием инфракрасного излучения, выпускаемых в различных модификациях как для населения, так и для перерабатывающих предприятий и фермерских хозяйств.
Известно, что черный и зеленый байховый чай содержат комплекс веществ, положительно влияющих на человека. Важнейшим компонентом чая являются фенольные соединения. Они составляют наиболее ценную часть чайного листа и представлены в основном катехинами и их галловыми эфирами. Фенольные соединения включают в себя свыше 30 близких по природе соединений и составляют до 25 % сухой массы чайного листа. На катехины приходится 60 - 70 % общей суммы фенольных соединений. Фенольные соединения обладают высокой биологической активностью. Катехины снижают до нормальной проницаемость капилляров, возвращают им эластичность и проницаемость их стенкам, помогают при капиллярных кровоизлияниях, капилляротоксикозах, гипертонической болезни и многих других заболеваниях.
Принимая участие в окислительно - восстановительных процессах, протекающих при ферментации чайного листа, фенольные соединения тем самым влияют на создание вкуса, цвета настоя и частично аромата готового черного чая.
В состав фенольных соединений чайного листа наряду с катехинами входят флавоноиды. Это группа веществ в чае представлена набором моно-, ди- и тригликозидов трех агликонов: кемпферола, кверцетина и мирицетина. Эти соединения содержатся в малых количествах, но, являясь растительными антиоксидантами, довольно устойчивы к окислительным превращениям, благодаря чему при переработке они сохраняются до 80 % от флавоноидов, содержащихся в свежем чайном листе. Антиоксидантное действие флавоноидных соединений обусловливается их способностью связывать свободные радикалы и образовывать хелатные соединения с ионами металлов (железа, меди), лишая их тем самым каталитического действия в процессах окисления.
Наряду с антиоксидантной активностью флавоноиды проявляют антигистаминный эффект, уменьшая проницаемость капилляров, и используются как сосудорасширяющие средства.
Однако черный чай, полученный по классической технологии, содержит мало катехинов. Это следствие окисления и осаждения катехинов чайного листа в процессе его завяливания, скручивания, ферментации и сушки. В зависимости от применяемых технологических режимов уменьшение суммарного содержания фенольных соединений составляет 25 -40 %.
