Введение к работе
Актуальность
Сохранение и укрепление здоровья всех слоев населения в настоящее время является стратегической задачей правительства Российской Федерации, которое приняло «Концепцию государственной политики в области здорового питания населения на период до 2005 года», разработанную ведущими учеными и специалистами страны.
Цивилизация человечества тесным образом была связана с введением в культуру диких растений и дальнейшей селекцией их на урожайность и качество продукции. Необходимо отметить, что культуры, входящие в рацион питания человека, традиционно были высококалорийными. Это объясняется тем, что в прежние времена деятельность большинства людей была связана с тяжелым физическим трудом, когда для восполнения затраченной энергии требовалась калорийная пища. Сложившийся стереотип питания привел к тому, что люди в развитых странах, производящих достаточное количество сельскохозяйственной продукции, потребляют с пищей чрезмерное количество калорий, что вызывает у большого количества людей появление избыточного веса и даже ожирение. Вследствие этого особую роль в питании приобретают растения, имеющие низкую калорийность, но обладающие традиционными качествами. К таким культурам относится стевия, содержащая дитерпе-новые гликозиды, основным из которых является стевиозид, обладающий высокой степенью сладости при практически нулевой калорийности. Кроме того, эти вещества не требуют для усвоения выработки инсулина и, следовательно, могут употребляться в пищу людьми, больными сахарным диабетом. В ряде стран комплекс сладких гликозидов стевии применяют при производстве напитков, кондитерских и кулинарных изделий. Пищевая промышленность России также начинает проявлять интерес к натуральным диетическим заменителям сахара. Внедрение стевии в сельскохозяйственное производство и налаживание промышленного производства стевиозида и различных пищевых продуктов на его основе будут способствовать созданию в России внутреннего рынка натуральных подсластителей растительного происхождения.
Стевия (Stevia rebaudiana Bertoni) - это молодая культура в современном растениеводстве, которая пока не заняла достойного места в сельскохозяйственном производстве нашей страны. Ее возделывание ограничено территориально, а валовой сбор листа достигает всего нескольких десятков тонн. Однако эта культура обладает большим адаптивным потенциалом и способна формировать большую урожайность вегетативной массы.
В связи с этим постановка темы в направлении изучения агробиологических и физиолого-биохимических свойств стевии при интродукции в центральном Черноземье России весьма актуально.
Целью исследований было установить основные агробиологические особенности роста и развития стевии, способствующие повышению ее продуктивности в условиях ЦЧР и выявить ценные биохимические свойства растительного сырья и продуктов его переработки. Работа выполнялась в соответствии с целевыми научными программами, координируемыми Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в соответствии с планом НИР ФГОУ ВПО «Воронежский госагроуни-верситет имени К,Д.Глинки».
В задачи исследований входило:
!. Изучить морфологоанатомические, физиолого-биохимические особенности стевии в процессе онтогенеза.
2. Изучить способность стевии к вегетативному и семенному размножению стевии и разработать метод выращивания семенных растений для получения семян в условиях закрытого грунта.
3. Установить влияние удобрений и физиологически активных веществ на повышение продуктивности стевии.
4. Выявить изменения физиологических функций у форм стевии различной плоидности.
5. Усовершенствовать методику выделения стевиозида из листьев стевии и контроля его содержания в растительном сырье и продуктах его переработки.
6. Изучить аминокислотный и углеводный состав, антиоксидантную активность стевии и продуктов ее переработки, характеризующие данную культуру как источник ценной пищевой добавки для питания человека.
Положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Морфолого-физиологические особенности стевии и их взаимосвязь с возрастными периодами развития в условиях ЦЧР расширяют представление о природе онтогенеза и определяют степень продуктивности растений при интродукции и используются для определения степени адаптации в новых условиях возделывания.
2. Разработанный способ позволяет в условиях закрытого грунта выращивать семенные растения стевии и получать семена.
3. Использование регуляторов роста дает возможность обеспечивать активизацию ростовых процессов, улучшать качество получаемой рассады и повышать продуктивность стевии за счет более эффективного использования инеральных удобрений.
4. Изменения физиологических и биохимических функций у растений стевии разной шюидности свидетельствуют о зависимости функционирования ассимиляционного аппарата и продуктивности от уровня компенсационных процессов полиплоидных организмов.
5. Химический состав и антиоксидантная активность стевии и продуктов ее переработки позволяют характеризовать данную культуру как ценный объект для использования в рационе питания человека в качестве пищевой добавки.
6. Использование современных физико-химических методов позволяет проводить высококачественную очистку продуктов переработки стевии и контролировать содержание стевиозида.
Научная новизна исследований.
Впервые в климатических условиях ЦЧР были исследованы агробиологические особенности, дана ее ботаническая характеристика. Выявлены морфолого-анатомические особенности вегетативных и генеративных органов, свидетельствующие об отношении стевии к растениям мезофитного типа и подтверждена ее принадлежность к семейству Asteraceae.
Установлена продолжительность этапов и особенности органогенеза в процессе онтогенеза, общий ход которого подчиняется закономерностям развития поликарпических растений с побегами, развивающимися по монокарпическому типу.
Установлено, что удлинение вегетационного периода до f месяцев способствует переходу растений в генеративный период, активному цветению и плодоношению в условиях закрытого грунта. Это явилось основой для разработки метода выращивания семенных растений, использование которого позволяет получать семена. Основным фактором способствующим регулированию процессов вегетативного роста и цветения является укорочение фотопериода до 12 часов.
Показано, что в формировании и функционировании асслмиляци-онного аппарата стевии участвует вся листовая поверхность при наибольшей фотосинтетической активности листьев средних ярусов, но при раннем отмирании нижних листьев. Посчитано критическое число клеток в микроареолах листа стевии, составляющее 1545 штук определяющее ростовые процессы и переход растений от одного этапа развития растений к другому. Установлена тесная связь корневой системы и ассимиляционного аппарата, способствующая улучшению жизнедеятельности растений. Эти исследования расширяют и углубляют теоретические представления о ростовых процессах и природе фотосинтеза стевии и имеют значение в практике растениеводства для повышения продуктивности данной культуры.
Получены оригинальные данные по изучению мсрфолого физиологических характеристик форм стевии различной плоидности, где триплоид превосходил диплоидную и тетраплоидную формы по приросту надземной массы и толщине листа, которые обеспечивали ему повышенную фотосинтетическую активность и более высокую продуктивность, которая связана не столько с уровнем плоидности, сколько с уровнем компенсационных процессов полиплоидного организма.
Определено влияние регуляторов роста экзогенного происхождения на степень использования стевией минеральных веществ, а также на получение высококачественной рассады. Установлено, что ростовые вещества нового поколения (ретардант с проауксиновым эффектом 577) в сочетании с минеральными удобрениями стимулируют рост и развитие черенков, способствуют полной приживаемости растений.
Получены, неизвестные ранее, данные о содержании аминокислот в вегетативных органах стевии различной плоидности. Достоверно показано, что сорт Рамонская сластена отличается высоким содержанием глицина в верхних листьях и относительно невысокой концентрацией серина, тогда как у дикой формы наблюдается обратная зависимость. Это свидетельствует о связи свободных аминокислот листьев стевии с ее окультуриванием, которая приводит к изменению в распределении и содержании некоторых аминокислот,
Получены новые данные о высокой антиоксидантной активности стевии и продуктов ее переработки, что определяет перспективность использования стевиозида в виде биологически активных добавок в пищевых продуктах профилактического назначения. Выявлены незначительные изменения в содержании хлорогеновой кислоты характеризующей антиоксидантную активность у форм различной плоидности.
Определены научно-методические принципы процесса очистки полученного экстракта из растительного сырья стевии, основанные на обессоливании и обесцвечивании ионитами экстракта без использования дорогостоящих и ядовитых реактивов. Это послужило отдельным этапом при создании принципиальной технологической схемы переработки сухих листьев стевии.
Усовершенствован метод определения стевиозида на основе жидкостной хроматографии, позволяющий анализировать растительное сырье и продукты его переработки, включая пищевые продукты.
Впервые показано, что применение комбинации методов многоволновой ВЭЖХ и главных компонент позволяет выделить идентификационные признаки экстракта стевии и пищевых продуктов на его основе, что имеет большое практическое значение для использования при определении подлинности вещества. Практическая значимость заключается в решении народнохозяйственной проблемы введения стевии в ареал возделываемых сельскохозяйственных культур ЦЧР, что позволит широко использовать это ценное продовольственное и лекарственное растение.
Разработанный метод выращивания семенных растений, основанный на удлинении периода вегетации позволит получать семена стевии в условиях закрытого грунта, что будет способствовать распространению данной культуры среди населения.
Выявленные морфологические особенности онтогенеза стевии представляют практический интерес для возделывания этой культуры в полевых условиях ЦЧР.
Установленные закономерности фотосинтеза являются надежной оценкой для выявления наиболее продуктивных форм растений. Полиплоидный материал, обладающий высокой активностью фотосинтеза и повышенной продуктивностью можно рекомендовать для возделывания в условиях ЦЧР.
Полиплоидные формы (триплоиды) обладающие повышенной продуктивностью, активностью фотосинтеза можно рекомендовать для возделывания в условиях ЦЧР и селекционной работе.
Разработанный метод очистки экстракта из растительного сырья стевии рекомендуется для использования в технологической схеме получения очищенного стевиозида.
Усовершенствованный метод определения стевиозида на основе высокоэффективной жидкостной хроматографии может найти применение в качестве контроля при выращивании стевии и ее первичной и вторичной переработки.
Разработанные рецептуры низкокалорийных диетических молоч-ных продуктов 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 по биологическим дисциплинам в высших и средних учебных сельскохозяйственных заведениях.
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, 2005 гг., г. Пущино); «Экологические аспекты интенсификации сельскохозяйственного производства» (2002 г., г. Пенза); «Про блемы современного растениеводства» (2002 г., г. Пенза); «Анатомия и морфология растений» (1997, 2002 гг., г. Санкт-Петербург); «Медицинской ботаники» (1997 г., г. Киев); юбилейная конференция к 100 летию со аня рождения Н.В. Цицина (1998 г., г. Киев);
Всесоюзной научной конференции: «Научное наследие П.П. Семе-нова-Тяньшанского и его роль в развитии современной науки» (1997 г., г. Липецк);
Всероссийских научно-практические конференции: «Молодые ученые и специалисты сельскому хозяйству» (1997 г., г. Курск); «Резервы стабилизации аграрного производства» (1996 г., г. Воронеж); «Рацио-нальное использование ресурсного потенциала в агропромышленном комплексе» (1998 г., г. Воронеж); «Пути и формы совершенствования фармацевгического образования» (2005 г., г. Воронеж);
координационных совешаниях НИИ и вузов Центральночерноземного 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 двух монографиях, учебнике и учебном пособии, а также в тридцати пяти научных и научно-методических работах, опубликованных в различных изданиях, в том числе в центральной печати. Приняты к две заявки 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 300 страницах машинописного текста, содержит 35 таблиц, 73 рисунка, 12 приложений, список литературы из 480 наименований, в том числе 114 иностранных авторов.
Автор глубоко признательна своим учителям: научному консультанту, доктору биологических наук, профессору Никулину А.Н., доктору биолої ических наук, профессору Ьурень В.іЦ, доктору биологических наук Жужжаловой Т.П., доктору технических наук, профессору Полянскому К.К., профессору Шевченко В.Е., кандидату сельскохозяйственных наук Филатову Г.К. за ценные советы при выборе научного направления исследований, оформлении диссертации, помощь и поддержку, їісем сотрудникам кафедры ботаники и физиологии растений, коллективам ботанического сада им, Б.А.Келлера и отдела биотехнологии ВНИ4С им. А.Л. Мазлумова за участие в проведении экспериментальных исследований.
