Сергій Банадисєв, доктор сільськогосподарських наук,
ТОВ «Дока – Генні Технології»
Цього сезону надходять сигнали від споживачів про гіркуватий смак картоплі без видимого позеленювання бульб. Причиною гіркоти смак є вміст глікоалколоїдів більше 14 мг/100 г.
Глікоалкалоїди (ГКА) - це природні, гіркі на смак термостійкі токсиканти багатьох видів рослин, у тому числі картоплі. Вони мають фунгіцидні і пестицидні властивості і є однією з природних захисних сил рослин.
В даний час доведено, що картопляні глікоалкалоїди в лікувальній концентрації мають багато корисних властивостей для здоров'я людини: протипухлинні, протималярійні, протизапальні та ін. Розробляються технології комерційного вилучення цих речовин у процесі промислової переробки картоплі, але це окрема тема для публікації. інформації – позначити наявні можливості запобігання надмірному накопиченню глікоалкоїдів у продовольчій картоплі.
Основними ДКА, що містяться в бульбах картоплі, є α-соланін та α-чаконін (рис. 1), що становлять близько 95% від загального вмісту глікоалкалоїдів цього виду рослин.
Соланін і чаконін - азотовмісні стероїдні алкалоїди, що несуть один і той же аглікон, соланідин, але три-сахарида, що розрізняються по бічному ланцюгу. Трисахарид в α-соланіні – це галактоза, глюкоза та рамноза, а в α-чаконіні – глюкоза та два залишки
рамнози. Звичайна бульба картоплі в середньому містить 10-150 мг/кг глікоалкалоїдів, тоді як позеленіла - 250-280 мг/кг, а зелена шкірка - 1500-2200 мг/кг. Вміст глікоалкалоїдів у товарних бульбах картоплі порівняно низький, а
розподіл усередині бульби неоднорідний. Найвищі рівні обмежені шкіркою, тоді як найменші кількості відзначаються в області серцевини. ГКА завжди містяться у бульбах, у дозі до 100 мг/кг вони поєднуються та сприяють гарному смаку картоплі.
Картопля фрі та картопляні чіпси зазвичай містять рівні ГКА 0,04-0,8 та 2,3-18 мг/100 г продукту відповідно. Продукти зі шкіркою порівняно багаті на глікоалкалоїди (56,7-145 і 9,5-72 мг/100 г продукту відповідно). Виробництво картоплепродуктів включає миття, чищення, різання, бланшування, сушіння та смаження. Найбільша кількість глікоалкалоїдів видаляється при очищенні, бланшуванні та смаженні, а готова до вживання картопля фрі містить лише 3-8% глікоалкалоїдів у порівнянні з сировиною, причому основна руйнація ГКА відбувається під час смаження. Доведено, що очищення від шкірки зазвичай видаляє основну частину глікоалкалоїдів у їстівних бульбах. Картопля, приготована зі шкіркою, може стати гіршою, ніж неочищена через міграцію глікоалкалоїдів у м'якоть під час процесу приготування. Відварювання знижує рівень ГКА лише на 20%, запікання та приготування у мікрохвильовій печі не знижують вміст глікоалкалоїдів, оскільки критична температура розкладання ГКА становить близько 170°С.
Випадки отруєння ГКА картоплі за історію спостережень поодинокі. Проте, слід згадати такі можливі симптоми, як нудота, блювання, діарея, шлункові та черевні спазми, головний біль, лихоманка, прискорений та слабкий пульс, прискорене дихання та галюцинації. Токсична доза ГКА для людини становить 1-5 мг/кг маси тіла, а летальна – 3-6 мг/кг маси тіла при пероральному введенні. Тому більшість країн розвиненого картоплярства встановили гранично допустимий рівень глікоалкалоїдів у 20 мг/100 г свіжої ваги та 100 мг/100 г сухої ваги як безпечну межу в їстівних бульбах.
Відомо, що бульби картоплі з ГКА 14 мг/100 г вже трохи гірчать, тоді як
печіння в горлі та роті викликається концентрацією, що перевищує 22 мг/100 г. Тому найкращим керівництвом для споживачів є: «Якщо картопля гірка на смак, не їжте її».
На етапі вирощування, зберігання та реалізації картоплі важливо не допускати накопичення потенційно небезпечних концентрацій ГКА у бульбах.
Накопичення ДКА неминуче відбувається у бульбах, але багаторазово активізується під впливом сонячного світла. Висвітлення також призводить до утворення хлорофілу та викликаного цим позелененню шкірки бульб. Це незалежні процеси із різними наслідками. Хлорофіл абсолютно нешкідливий і несмачний. У той же час позеленіння сигналізує про тривалий вплив світла і, отже, накопичення глікоалколоїдів, що відбулося. Позеленіла картопля, як правило, не надходить на реалізацію або знімається з полиці магазинів, як тільки зміна кольору стає помітною. Високий вміст глікоалкалоїдів викликає претензії споживачів та знижує комерційну цінність реалізованої продукції. Складний випадок, що відзначається в поточному сезоні, а саме – гіркий смак картоплі без ознак видимого позеленіння, – заслуговує на окреме роз'яснення та аналіз можливих причин.
Оскільки зелянення картоплі є основною причиною погіршення якості картоплі у процесі реалізації та суттєвою комерційною проблемою, то всі особливості даного явища вивчені досить ґрунтовно. При цьому отримано багато експертної інформації та щодо накопичення ДКА у бульбах. Як підземні стебла, бульби картоплі – це нефотосинтетичні органи рослин, у яких відсутній механізм фотосинтезу. Однак після впливу світла амілопласти, що містять крохмаль, перетворюються на хлоропласти в периферичних шарах клітин бульби, що викликає накопичення зеленого фотосинтетичного пігменту хлорофілу. На озеленення бульб можуть впливати генетичні, культурні, фізіологічні фактори та фактори навколишнього середовища, включаючи глибину посадки, фізіологічний вік бульб, температуру, рівень кисню в атмосфері та умови освітлення. Основні фактори впливу на рівень зелянення та накопичення глікоалкоїдів – інтенсивність та спектральний склад світла, температура, генетичні особливості сортів.
Синтез хлорофілу та ГКА у бульбі відбувається під впливом довжин хвиль видимого світла від 400 до 700 нм (рис. 2). На думку дослідників, синтез хлорофілу показує максимум при 475 і 675 нм (синя та червона області відповідно), тоді як максимальний синтез α-соланіну та α-чаконіну відбувається при 430 нм та 650 нм. Мінімальний синтез хлорофілу відзначається при 525 -575 нм, тоді як ГКА накопичується при 510-560 нм (зелена область). Ці відмінності підтверджують припущення про різні шляхи біосинтезу хлорофілу та ГКА. Концентрація хлорофілу в бульбах картоплі, підданих впливу синього світла (0,10 Вт/м2), була втричі вищою після 16 днів зберігання порівняно з картоплею,
підданий впливу червоного світла (0,38 Вт/м2). Люмінесцентні лампи (7,5 Вт/м2) випромінюють у 1,9 разів більше синього світла (400-500 нм), ніж світлодіодні лампи (7,7 Вт/м2), тоді як світлодіодні лампи випромінюють у 2,5 рази більше червоного світла (620-680 нм), ніж люмінесцентні трубки. Отже, заміна люмінесцентних ламп світлодіодними лампами в продуктових магазинах може зменшити надходження найшкідливіших синіх довжин хвиль.
У бульбах картоплі, що зберігалися у темряві, хлорофілу немає. Після попадання світ буквально протягом кількох годин активізуються специфічні гени з вироблення ланцюжка продуктів синтезу хлорофілу і ГКА. Технології молекулярного аналізу дозволяють ідентифікувати структуру генів та з'ясувалося, що механізми генетичного контролю даних процесів мають сортову специфіку. Вивчено вплив монохроматичних світлодіодних світильників з різним та вузьким спектральним складом. Світлове регулювання озеленення бульб картоплі проводили при постійному освітленні, що забезпечує світлодіодами (LED). Використовували довжини хвиль світла B (синій, 470 нм), R (червоний, 660 нм) та FR (далекий червоний, 730 нм) та WL (білий, 400-680 нм) протягом 10 днів. Сині та червоні довжини хвиль були ефективні для індукції та накопичення хлорофілу, каротиноїдів та двох основних глікоалкалоїдів картоплі – α-соланіну та α-чаконину, тоді як жоден з них не накопичувався у темряві або при далекому червоному світлі. Ключові гени біосинтезу хлорофілу (HEMA1, що кодує фермент, що обмежує швидкість глутаміл-тРНК-редуктази, GSA, CHLH і GUN4) і шість генів (HMG1, SQS, CAS1, SSR2, SGT1 і SGT2), необхідних для синтезу глікоалкам , синьому та червоному світлі, але не в темряві або при далекому червоному світлі (рис.3,4,5). Ці дані свідчать про роль як криптохромних, так і фітохромних фоторецепторів у накопиченні хлорофілу та глікоалкалоїдів. Вклад фітохрому був додатково підтверджений спостереженням, що далеке червоне світло може інгібувати накопичення хлорофілу і глікоалкалоїдів, що індукується білим світлом, і пов'язану з цим експресію генів.
Різні сорти картоплі виробляють хлорофіл та зелене забарвлення з різною швидкістю, що підтверджено багатьма дослідженнями. Так, у Норвегії виявили відмінності у видимих змінах кольору між сортами та розробили окремі суб'єктивні шкали оцінки для різних сортів, засновані на точних вимірах хлорофілу та кольору. Візуальні зміни кольору чотирьох сортів картоплі, що зберігалися протягом 84 годин при світлодіодному підсвічуванні, представлені на рис. 6.
Червоношкірий сорт Asterix (рис. 6а) показав значне збільшення кута відтінку, переходячи від червоного до коричневого кольору, тоді як у жовтого сорту Фолва (рис. 6b) забарвлення змінилося з жовто-зеленим на зелено-жовте. Жовтий Celandie (рис. 6c) показав найменші зміни всіх параметрів кольору при впливі світла, тоді як жовтий сорт Мандел (рис. 6d) змінив колір суттєво, з жовтого на сірий. У цифровому вигляді графік зміни кольору різних сортів картоплі на світлі має такий вигляд (рис.7).
У цьому досвіді всі сорти, окрім Mandel, показали достовірне збільшення загальної кількості глікоалкалоїдів після дії світла понад 36 годин. Але динаміка змін та рівень вмісту ГКА суттєво відрізняються у різних сортів: Астерікс – зі 179 до 223 мг/кг, Нансен – з 93 до 160 мг/кг, Рутт – зі 136 до 180 мг/кг, Целандин – зі 149 до 182 мг / кг, Фолва – з 199 до 290 мг/кг, Хассел – з 137 до 225 мг/кг, Мандел – без змін (192-193) мг/кг.
У Новій Зеландії оцінили весь національний сортимент картоплі інтенсивністю позеленіння. Результати показали, що кількість хлорофілу в бульбах після 120 годин освітлення у різних сортів відрізняється на порядок від 0,5 до 5,0 мг (рис.8).
З цієї експертної інформації випливають важливі практичні висновки. Під впливом світла в картоплі виробляється хлорофіл, що надає м'якоті зеленого кольору, а шкірці зеленого або коричневого відтінку. У різних сортів картоплі розвиваються різні форми знебарвлення та з різною швидкістю. Спектральний склад світла дещо змінює динаміку накопичення хлорофілу, але варіант використання далекого червоного спектру, як і, як і темряви (які призводять до накопичення хлорофілу), неактуальний для магазинів, які торгують картоплею. Є сорти, що накопичують у 10 разів менше хлорофілу за однакових умов освітлення. Динаміка накопичення глікоалкоїдів відрізняється від динаміки позеленіння. Головна відмінність у тому, що початкова кількість ГКА в бульбах до надходження в торгівлю і початку інтенсивного освітлення не дорівнює нулю, на відміну від хлорофілу, і може бути суттєвою. Низька інтенсивність позеленювання багатьох сортів визначає більш тривале перебування картоплі на полицях магазинів, що призводить до вищого накопичення ГКА.
Оскільки претензії на гіркий смак виникають не щороку, потрібно з'ясовувати інші причини підвищення рівня глікоалкоїдів у бульбах, не обумовлені освітленням або сортовими особливостями на етапі реалізації. Практично функціональний зв'язок між позелененням та накопиченням глікоалколоїдів означає необхідність аналізу та причин позеленіння. Виробничі фактори, що впливають на зелянення та накопичення ГКА:
- Умови росту. Будучи підземними стеблами, бульби можуть природно зеленіти в полі при недостатньому покритті ґрунтом, через тріщини в ґрунті або внаслідок вітрової та/або іригаційної ерозії ґрунтів. З огляду на це, картопля слід садити досить глибоко, зберігаючи при цьому достатню вологість ґрунту для забезпечення швидкої та рівномірної появи сходів. Пропорційне збільшення інтенсивності озеленення бульб відбувається зі збільшенням норми азоту у ґрунті від 0 до 300 кг/га. При цьому дослідники відзначають, що подвійна норма азоту при культивуванні збільшує вміст глікоалкалоїдів на 10% у деяких сортів. Клімат, висота над рівнем моря, тип ґрунту, вологість ґрунту, наявність добрив, забруднення повітря, час збирання врожаю, обробки пестицидами та вплив сонячного світла – все має значення.
- Зрілість бульб при збиранні врожаю. Вплив зрілості при збиранні врожаю на частоту озеленення суперечливий. Молода картопля з гладкою і тонкою шкіркою може позеленіти швидше, ніж зріліші бульби. Ранньостиглі сорти можуть показувати більше накопичення глікоалкалоїдів, ніж пізньостиглих бульб, але в спеціальних дослідженнях є і докази зворотного.
- Травмування бульб ніяк не впливає на накопичення хлорофілу, але провокує накопичення ГКА (рівень ГКА збільшується так сильно, як і в результаті впливу освітлення (рис.9).
- Умови зберігання. Бульби, що зберігалися при низьких температурах, менш сприйнятливі до позелення та накопичення ГКА. Тканини шкірки картоплі при температурі 1 і 5 °C та флуоресцентному освітленні не показали зміни кольору за 10 днів зберігання, у той час як тканини, що зберігаються при 10 і 15 °C, позеленіли з четвертого та другого дня відповідно. Температура зберігання 20 ° C при освітленні виявилася оптимальною для виробництва хлорофілу, що можна порівняти з умовами більшості роздрібних магазинів. Глікоалкалоїди накопичуються вдвічі швидше при 24°C, ніж при 7°C у темній кімнаті, а світло ще більше прискорює цей процес.
- Пакувальні матеріали. Вибір упаковки для роздрібних магазинів є критичним фактором контролю озеленення та накопичення ГКА. Прозорі або напівпрозорі пакувальні матеріали стимулюють озеленення та синтез ГКА, тоді як упаковка темного (або зеленого) кольору уповільнює погіршення якості.
Виходячи з доведених експериментально закономірностей, можна досить впевнено зробити висновок, що більш високий у порівнянні зі звичайним рівень глікоалкоїдів у бульбах картоплі сезону поточного року обумовлений несприятливими умовами формування врожаю. Тривалий період спеки та посухи у липні – на початку вересня затримав дозрівання бульб та засвоєння азоту, ґрунт у гребенях на полях без зрошення потріскався. Початок збирання відбувався на тлі надмірно сухого ґрунту та великої кількості твердих грудок, що призвело до підвищеної травмованості бульб. Надалі темпи збирання сповільнилися через надмірні опади. Поля після десикації, тобто. без затінення поверхні грунту, довго чекали на збирання. Ці несприятливі умови сприяли як позелененню бульб, і освіті у яких більшої, ніж зазвичай, кількості ДКА.
Найбільш ефективні можливості запобігання небажаному накопиченню глікоалкоїдів зводяться до жорсткого обмеження перебування бульб на світлі в процесі вирощування, зберігання та продажу, особливо на тлі високої температури. Такі агроприйоми, як правильна глибина посадки, формування об'ємних гребенів, оптимальні норми добрива використовуються у сучасних технологіях виробництва картоплі штатно. Незрілі бульби містять вищий рівень соланіну, ніж зрілі. Тому дуже важливо не збирати врожай рано, надійно висушувати стебла та витримувати достатній час (два-три тижні) для дозрівання бульб. Гарантовано запобігти розтріскуванню гребенів можна лише за допомогою своєчасного та достатнього періодичного зрошення. Знизити наслідки розтріскування в передзбиральний період після внесення десикантів можна за допомогою прикочування гребенів. Для цього серійно випускаються спеціальні машини накочування гребенів, наприклад GRIMME RR 600, є варіанти суміщення з ботводробітелями (рис.10). Однак у РФ вони поки що застосовуються вкрай рідко. У той же час це агроприйом простий, дешевий, продуктивний та ефективний. На рівень ГКА сильно впливають сукупні ефекти якості, тривалості та інтенсивності світла. Хлорофіл зелений, тому що він відображає зелене світло, поглинаючи червоно-жовтий і синій. Утворення хлорофілу найбільш інтенсивно йде при синьому та оранжево-червоному освітленні (рис.11). При зеленому освітленні позеленіння картоплі практично не відбувається, а при блакитному або ультрафіолетовому відбувається в слабкому ступені. Люмінесцентні лампи викликають більше озеленення, ніж лампи розжарювання. Секції, відділення сховищ для картоплі мають бути тьмяно освітлені та прохолодні. Необхідно уникати впливу на бульби у сховище сонячного світла. Використовувати лампи розжарювання низької потужності і не залишати їх увімкненими довше, ніж це необхідно. Ґрунт на поверхні бульб забезпечує деякий захист від впливу світла та озеленення. Мита картопля зеленіє швидше. Як тільки картопля стає зеленою, це незворотно, такі бульби потрібно відсортувати до реалізації.
Сучасна технологія світловипромінюючих діодів (LED) відкриває нові можливості запобігання утворенню соланіну на всіх післязбиральних етапах картоплярства. Серійно виготовляються спеціальні світильники для картопляної промисловості, що працюють у спектрі 520-540 нм (рис.12). Світло, яке сприймається людським оком як зелене, ефективно запобігає утворенню хлорофілу та соланіну і, таким чином, є вирішальним фактором збереження цінності картоплі при зберіганні та подальшій переробці. Такі світильники особливо ефективні у зонах передреалізаційної підготовки та передреалізаційного зберігання упакованої картоплі. І ще одне загальне правило: підтримувати на етапі зберігання раціонально низьку температуру і тримати картоплю сухою, оскільки волога збільшує інтенсивність світла на шкірці.
Вид та колір пакувального матеріалу впливає на інтенсивність накопичення ГКА. Якщо абстрагуватися від маркетингу та реклами, то найкраще упаковувати картоплю в темний папір або темні пластикові пакети, щоб уникнути впливу світла. Є навіть рекомендація, що пакувальні матеріали для чутливих сортів картоплі повинні мати загальну світлопроникність менше 0,02 Вт/м2. Такі низькі рівні проникнення світла можливі лише при упаковці у двошаровий пластик чорного кольору з алюмінієм. Пакети із зеленим целофаном для перегляду інгібують позеленіння та не сприяють утворенню соланіну. Зрозуміло, що подібні рекомендації стосуються категорії добрих побажань, коли йдеться про роздрібний продаж картоплі. Кольори упаковки у торгівлі підбираються лише у контексті стимулювання продажів.
Умови освітлення у роздрібних магазинах теж погано піддаються стандартизації. Чи є торгові підприємства, які проектують освітлення, виходячи з того, що найменше накопичення ГКА і позеленіння відзначається в спектрі 525-575 нм. Навіть такий необхідний та простий прийом захисту, як укриття картоплі світлоізолюючими матеріалами у неробочий час магазинами практикується рідко.
У стислому викладі вище перераховані всі ефективні запобіжні способи контролю накопичення глікоалколоїдів у бульбах картоплі. Було багато спроб знайти радикальніші засоби нейтралізації: обробка маслами, воском, поверхнево-активними речовинами, хімічними препаратами, регуляторами росту і навіть іонізуючим опроміненням, які в багатьох випадках показали високу ефективність. Однак на практиці ці методи не застосовуються через складність, високу вартість та екологічні проблеми.
Райдужні перспективи декларуються прихильниками нових технологій редагування геному та «відключення» генів синтезу хлорофілу та ГКА. Дані роботи активно і ґрунтовно ведуться в багатьох країнах, де ця технологія не віднесена до різновиду ГМО (до РФ віднесена), є багато публікацій на цю тему, але про практичні досягнення поки говорити не доводиться. Як і щодо багатьох раніше пропонованих революційних методів селекції, первісна ейфорія від можливості редагування геному поступово змінюється усвідомленням надзвичайної складності процесів метаболізму. Достатньо поглянути на діаграму з перерахуванням вже виявлених процесів, що мають відношення до синтезу ГКА та генів картоплі, що беруть участь у цих процесах (рис. 13). Незважаючи на чіткість цієї діаграми, що здається, керувати таким складним процесом взаємодії численних генів і продуктів, ними синтезованих, які взялися за цю справу групам ентузіастів-дослідників поки не вдається. Блокування, начебто, суто специфічних, одиночних генів призводить як до очікуваним змін у конкретних рівнях глікоалкалоїдів, а й значним змін у формуванні інших біохімічних продуктів, якими завдання редагування не ставилося.
Втім, і без очікування майбутніх успіхів геномного редагування, усі комерційні сорти картоплі, що вирощуються нині, мають у нормальних умовах низький, абсолютно безпечний вміст глікоалколоїдів, завдяки послідовному зменшенню цього показника у процесі багатодесятирічної класичної селекційної роботи. Що стосується сортів із відносно повільним темпом накопичення хлорофілу та позеленювання шкірки, то це не недолік і не привід від них відмовлятися. Але при реалізації картоплі необхідно офіційно інформувати торгові організації про те, що сорт має особливість, щоб не допускати надмірно тривалого знаходження бульб на світлі та викликаних цим претензій покупців на несподівано гіркуватий смак за відсутності явного позеленіння.