Главная » 2014 » Июнь » 29 » Скачать Стевия (Stevia rebaudiana Bertoni) в Центральном Черноземье : Агробиологические и физиолого-биохимические аспекты культуры. бесплатно
11:51 PM
Скачать Стевия (Stevia rebaudiana Bertoni) в Центральном Черноземье : Агробиологические и физиолого-биохимические аспекты культуры. бесплатно
Стевия (Stevia rebaudiana Bertoni) в Центральном Черноземье : Агробиологические и физиолого-биохимические аспекты культуры
Диссертация
Автор: Верзилина, Наталья Дмитриевна
Название: Стевия (Stevia rebaudiana Bertoni) в Центральном Черноземье : Агробиологические и физиолого-биохимические аспекты культуры
Справка: Верзилина, Наталья Дмитриевна. Стевия (Stevia rebaudiana Bertoni) в Центральном Черноземье : Агробиологические и физиолого-биохимические аспекты культуры : диссертация доктора сельскохозяйственных наук : 06.01.09, 03.00.12 Б.м., Б.г. 310 c. : 71 06-6/15
Объем: 310 стр.
Информация: Б.м., Б.г.
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 Современное состояние агробиологических и физиолого-биохимических исследований стевии (обзор литературы)
11 Происхождение, распространение и интродукция стевии
12 Соединения специализированного обмена стевии
Глава 2 Условия и методика проведения исследований
21Почвенно-климатические условия лесостепи ЦЧР
22 Объекты, методы и техника исследований
Глава 3 Агробиологические особенности стевии при выращивании в условиях ЦЧР
ЗЛМорфологоанатомические особенности стевии
32Возрастные изменения стевии в онтогенезе
Глава 4 Изучение способов семенного и вегетативного размножения стевии
41 Особенности семенного размножения
420собенности вегетативного размножения
Глава 5 Физиологические и физиолого-генетические аспекты формирования продуктивности стевии
51 Формирование и функционирование ассимиляционного аппарата
52Формирование и функционирование корневой системы
53Физиолого-генетические особенности формирования продуктивности полиплоидных форм стевии
Глава 6 Влияние абиотических факторов на повышение продуктивности стевии
61 Влияние регуляторов роста на продуктивность рассады стевии в условиях закрытого грунта
62 Действие минеральных удобрений и физиологически активных веществ на продуктивность стевии
Глава 7 Биохимические характеристики вегетативных органов стевии
71 Аминокислотный состав вегетативных органов стевии
72 Антиоксидантная активность препаратов стевии
73 Выделение стевиозида из растительного сырья
74 Контроль содержания стевиозида в растительном сырье
75 Рецептуры молочных продуктов с использованием экстракта стевии
76 Использование метода главных компонент при анализе экстракта стевии
Введение:
Актуальность
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 ряда народов.
Необходимо отметить, что культуры, входящие в рацион питания человечества, 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. Подобные традиции высококалорийного питания вошли в культуру многих народов, и интенсивное сельскохозяйственное производство развитых стран способно сейчас производить большое количество высококалорийных продуктов питания. Особенно это видно на примере сахарной свеклы и сахарного тростника и получаемого из них сахара. Углеводы в настоящее время являются важным элементом питания, в первую очередь как подсластители, а также как высокоэнергетический продукт, и медицинские нормы питания предусматривают довольно высокое количество потребления углеводов. Однако сложившийся стереотип питания привел к тому, что люди в развитых странах, производящих достаточное количество сельскохозяйственной продукции, потребляют с пищей чрезмерное количество калорий, и особенности такого питания вызывает у большого количества людей появление избыточного веса и даже ожирение. Это может быть вызвано в определенной степени нерациональным питанием, когда потребляется большое количество углеводов, которые, как известно, входят в состав хлебобулочных и кондитерских изделий, различных напитков. Огромная часть населения Земли начинает свой трудовой день с чашки чая или кофе, непременным компонентом которой служит сахар, чрезмерное использование которого является, как считают медики, причиной увеличения людей, больных диабетом. Поэтому, в настоящее время, возникает необходимость снижения потребления человеком с пищей количества калорий, в том числе и тех, которые поступают в организм в виде углеводов, например, моно -и дисахаров, способных, как известно, быстро усваиваться и легко попадать в кровь, что представляет угрозу здоровью, в первую очередь, людям, больным диабетом. Исключить из питания сахар, придающий высокие вкусовые качества получаемым с их помощью продуктам, не представляется возможным, так как это значительно обесценит вкусовую гамму кулинарных изделий. Поэтому в настоящее время должна измениться система питания человека, и на смену высококалорийным продуктам должна приходить пища с относительно невысокой энергетической ценностью, но с высоким содержанием витаминов, минеральных веществ и физиологически активных веществ. Вследствие этого особую роль приобретают растения, имеющие низкую калорийную эффективность, но обладающие традиционными качествами. К таким культурам относится растение, родиной которого является Южный Парагвай, - стевия, содержащая в себе сумму дитерпеновых гликозидов, 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, больными сахарным диабетом. В ряде стран комплекс сладких гликозидов стевии применяют при производстве напитков, кондитерских и кулинарных изделий, при приготовлении жевательной резинки, зубной пасты. Пищевая промышленность России также начинает проявлять интерес к таким 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 подсластителей.
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 видят 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).
Распространение в различных ареалах полезных для человека растений всегда было характерной чертой развития мирового сельского хозяйства. Именно благодаря интродукции расширились площади возделывания многих зерновых и зернобобовых культур, технических, овощных и кормовых растений (рожь, пшеница, кукуруза, сахарная свекла, картофель, подсолнечник и др.), имеющий самые различные центры происхождения. Поэтому в настоящее время все большее значение приобретает наука об интродукции, цель которой заключается в переселении отобранных, полезных растительных ресурсов в новые условия их произрастания, что должно сопровождаться их разносторонним и комплексным изучением (Андреев, Головкин, 1998 Кириченко, 1998, Кузьмин 1998; Коровин, 1998; Коровин, Демидов, 1998; Скворцов, 1998; Трулевич, 1998; Агаев, 2000). Интродукционные исследования, следовательно, являются научным направлением в разработке методов привлечения растений для переноса их в новые природно-климатические условия, для изучения реакции растений на изменившиеся факторы внешней среды и оценки результатов испытания растений в несвойственных природе условиях (Некрасов, 1980).
Современную интродукцию растений нужно рассматривать как интегральную науку, использующую не только комплекс традиционных ботанических исследований, но и современные методы других биологических дисциплин. Поэтому современная интродукция представляет собой междисциплинарную область исследований (Андреев, 1998; Кириченко, 1998; Коровин, Демидов; 1998; Агаев, 2000).
При интродукции нередко возникает проблема, когда изучаемые растения обнаруживают неспособность приспособиться к новым условиям существования, если таковые отличаются значительным образом от первоначальных. Это обусловлено тем, что способность растений приспосабливаться к новым условиям среды ограничивается нормой реакции генотипа. Поэтому успешная их интродукция связана с выведением новых сортов и форм, экологически более стойких, чем исходный материал. Акклиматизация является одной из форм интродукции при активном вмешательстве человека в наследственность растения, когда его приспособленность к новым условиям обитания происходит за счет генетических изменений на основе естественного и искусственного отборов (Некрасов, 1980; Агаев, 1998; Виноградова, 1998; Коробова, 1998). Важными методами преобразования природы растения при перенесении его в новые экологические условия являются, по мнению Н.В.Цицина (1974), современные методы генетики.
Выведение новых сортов и форм, экологически более стойких, чем исходный материал, связано с генетическими преобразованиями на основе естественного и искусственного отборов (Виноградова, 1998; Коробова, 1999).
Продуктивность культурных растений или растений, вводимых в культуру, зависит как от биологических особенностей растений, а также от степени обеспеченности их определенными условиями жизни: световыми, температурными, почвенными факторами и др. Поскольку растения в ходе эволюции выработали определенные требования к условиям своего обитания, то отрицательный эффект при интродукции какой-либо культуры может являться результатом новой эколого-почвенной обстановки относительно прежнего места обитания. В соответствии с этим научная работа по интродукции растений должна проводиться не только в направлении улучшения уже существующих растений и выведении новых более продуктивных сортов, но и в выявлении и создании условий, обеспечивающих их наивысшую продуктивность (Лапин, 1956, Лапин, 1978).
Растительный организм 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 физиологическое и биохимическое изучение интродуцируемых растений, выявление их защитных реакций и подбор физиологически активных веществ эндогенного и экзогенного происхождения, повышающих их устойчивость (Лапин, 1978).
Физиология растений как дисциплина, исследующая такие важные процессы жизнедеятельности растительного организма, как фотосинтез и формирование продуктивности, минеральное питание, водообмен, процессы, связанные с ростом и развитием, и др., должна служить научной базой мероприятий по рациональному использованию интродуцируемых культур в определенных почвенно-климатических зонах.
Отсюда следует, что интродукция растений должна проводиться как в направлении выявления и создания условий, обеспечивающих наиболее оптимальные условия для их роста и развития и формирования максимальной продуктивности (эти вопросы являются прерогативой, в основном, физиологии растений), так и в направлении улучшения уже существующих растений и выведения новых, более устойчивых и продуктивных селекционных форм (это связано, в первую очередь, с генетико-селекционным направлением исследований).
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 гли-козидов и экстрагирования их, возможностей промышленного использования гликозидов в пищевой промышленности. Однако такие исследования проводились, как правило, в климатических условиях, отличных от условий Центрально-Черноземной полосы, и потому для стевии, выращиваемой в нашей области, необходимы разработки применительно к условиям зоны, что и явилось целью исследований. Еще только начавшаяся интродуцироваться в России и конкретно в Центрально-Черноземной зоне стевия изучена, на наш взгляд, недостаточно. Это можно отнести к области изучения биологических особенностей, онтогенетического развития стевии, ее физиологии в климатических условиях зоны, и знание этих аспектов жизнедеятельности данной культуры должно явиться отправным пунктом для разработки агротехнических мероприятий по возделыванию стевии. Широкое использование стевии в нашей стране затрудняется недостаточной изученностью этой культуры в агробиологическом, физиолого-биохимическом плане.
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 госагроуниверситет имени К.Д.Глинки».
В задачи исследований входило:
1. 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 минеральных удобрений.
4. Изменения физиологических и биохимических функций у растений стевии разной плоидности 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 стевии, дана ее ботаническая характеристика. Выявлены морфологоанатомические 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 моно-карпическому типу.
Установлено, что удлинение вегетационного периода до 5 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 ассимиляционного 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 морфолого-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 молочных 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); «Проблемы 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 дня рождения Н.В. Цицина (1998 г., г. Киев);
Всесоюзной научной конференции: «Научное наследие П.П. Семенова-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); «Рациональное использование ресурсного потенциала в агропромышленном комплексе» (1998 г., г. Воронеж); «Пути и формы совершенствования фармацевтического образования» (2005 г., г. Воронеж); 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 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 рассмотрению 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.
