謝爾蓋·巴納德舍夫,農業科學博士,
“多卡 - 基因技術”有限責任公司
這個季節,消費者發出了關於土豆味道苦澀但塊莖沒有明顯變綠的信號。 味苦的原因是配糖生物鹼含量超過14mg/100g。
配糖生物鹼 (GCAs) 是許多植物物種(包括馬鈴薯)中天然存在的、苦味、耐熱的毒物。 它們具有殺菌和殺蟲特性,是植物的天然防御之一。
現已證明,治療濃度的馬鈴薯配糖生物鹼對人類健康具有許多有益的特性:抗腫瘤、抗瘧疾、抗炎等。在馬鈴薯工業加工過程中商業提取這些物質的技術正在開發中,但這還不夠。一個單獨的出版物主題,其目標總結如下。信息 - 概述可用於防止配糖生物鹼在馬鈴薯中過度積累的選項。
馬鈴薯塊莖中含有的主要 HCA 是 α-茄鹼和 α-卡茄鹼(圖 1),約佔該植物中配糖生物鹼總含量的 95%。
茄鹼和查茄鹼是含氮甾體生物鹼,它們帶有相同的苷元茄鹼,但三糖側鏈不同。 α-茄鹼中的三糖是半乳糖、葡萄糖和鼠李糖,而α-查茄鹼中的三糖是葡萄糖和兩個殘基。
鼠李糖。 普通馬鈴薯塊莖平均含有10-150毫克/千克的配糖生物鹼,而綠色的馬鈴薯塊莖含有250-280毫克/千克,綠色的皮含有1500-2200毫克/千克。 商品馬鈴薯塊莖中配糖生物鹼的含量相對較低,
塊莖內分佈不均勻。 最高水平僅限於果皮,而最低水平則出現在核心區域。 HCA 總是存在於塊莖中,劑量高達 100 毫克/公斤時,它們結合在一起有助於提高馬鈴薯的良好口感。
炸薯條和薯片的 HCA 含量通常分別為 0,04-0,8 毫克/2,3 克產品和 18-100 毫克/56,7 克產品。 果皮產品的配糖生物鹼含量相對豐富(分別為 145-9,5 毫克/72 克產品和 100-3 毫克/8 克產品)。 馬鈴薯製品的生產包括清洗、脫皮、切割、熱燙、乾燥和油炸。 最大量的配糖生物鹼在清洗、熱燙和油炸過程中被去除,即食炸薯條與原料相比僅含有20-170%的配糖生物鹼,其中HCA的破壞主要發生在油炸過程中。 事實證明,去皮通常會去除食用塊莖中的大部分配糖生物鹼。 由於在烹飪過程中配糖生物鹼遷移到果肉中,帶皮煮熟的土豆可能比未去皮的土豆更苦。 煮沸僅使 HCA 含量降低 XNUMX%,烘烤和微波烹飪不會降低配糖生物鹼的含量,因為 HCA 分解的臨界溫度約為 XNUMX°C。
馬鈴薯HCA中毒的案例在整個觀察史上是罕見的。 但應提及可能出現的症狀,如噁心、嘔吐、腹瀉、胃和腹部痙攣、頭痛、發燒、脈搏快而微弱、呼吸急促和幻覺。 HCA對人體的中毒劑量為1-5毫克/公斤體重,口服致死劑量為3-6毫克/公斤體重。 因此,大多數馬鈴薯發達國家都將配糖生物鹼的限量規定為20毫克/100克鮮重和100毫克/100克乾重作為食用塊莖中的安全限量。
據了解,HCA 為 14 mg/100 g 的馬鈴薯塊莖已略帶苦味,而
濃度超過22毫克/100克會引起喉嚨和口腔灼燒感。因此,對消費者來說最好的指導方針是:“如果土豆味道苦,就不要吃。”
在馬鈴薯的種植、儲存和銷售階段,重要的是要防止塊莖中 HCA 濃度的潛在危險濃度的積累。
HCA的積累不可避免地發生在塊莖中,但在陽光的影響下被反复激活。 光照還會導致葉綠素的形成,從而使塊莖的表皮變綠。 這些是具有不同後果的獨立過程。 葉綠素絕對無害且無味。 同時,變綠表明長時間暴露在光線下,因此發生了配糖生物鹼的積累。 一旦顏色變化明顯,變綠的土豆通常不會被出售或下架。 高含量的配糖生物鹼引起了消費者的投訴並降低了所售產品的商業價值。 本季出現的一個難題,即土豆有苦味,但沒有明顯變綠的跡象,值得單獨解釋和分析可能的原因。
由於馬鈴薯綠化是馬鈴薯銷售過程中品質惡化的主要原因,也是一個重大的商業問題,因此對該現象的所有特徵進行了相當深入的研究。 同時,還獲得了大量關於塊莖中HCA積累的專家信息。 與地下莖一樣,馬鈴薯塊莖也是非光合作用植物器官,缺乏光合作用機制。 然而,暴露在光線後,含澱粉的澱粉體在塊莖的外圍細胞層中轉化為葉綠體,導致綠色光合色素葉綠素的積累。 塊莖綠化受遺傳、文化、生理和環境因素的影響,包括種植深度、塊莖生理年齡、溫度、大氣含氧量和光照條件。 影響綠化和配糖生物鹼積累水平的主要因素是光的強度和光譜組成、溫度、品種的遺傳特性。
塊莖中葉綠素和 HCA 的合成是在 400 至 700 nm 可見光波長的影響下進行的(圖 2)。 據研究人員稱,葉綠素合成在 475 nm 和 675 nm(分別為藍色和紅色區域)處顯示最大合成,而 α-茄鹼和 α-查茄鹼的最大合成發生在 430 nm 和 650 nm 處。 葉綠素合成在 525-575 nm 處最少,而 HCA 在 510-560 nm(綠色區域)處積累最少。 這些差異證實了葉綠素和 HCA 生物合成不同途徑的假設。 儲存 0,10 天后,暴露於藍光的馬鈴薯塊莖中的葉綠素濃度 (2 W/m16) 比暴露於藍光的馬鈴薯高出三倍。
暴露於紅光 (0,38 W/m2) 下。 熒光燈(7,5 W/m2)發出的藍光(1,9-400 nm)是LED燈(500 W/m7,7)的2倍,而LED燈發出的紅光(2,5-620 nm)是熒光燈管的680倍。 因此,在雜貨店用 LED 燈替代熒光燈可以減少最有害的藍色波長的攝入量。
避光保存的馬鈴薯塊莖不含葉綠素。 進入光照後,實際上在幾個小時內,特定基因被激活,產生一系列葉綠素和 HCA 合成產物。 分子分析技術使得識別基因結構成為可能,事實證明這些過程的遺傳控制機制具有品種特異性。 研究了不同且窄光譜成分的單色 LED 燈的影響。 馬鈴薯塊莖景觀的光調節是在發光二極管(LED)提供的恆定照明下進行的。 光波長B(藍色,470 nm)、R(紅色,660 nm)和FR(遠紅,730 nm)和WL(白色,400-680 nm)使用10天。 藍色和紅色波長可有效誘導和積累葉綠素、類胡蘿蔔素和兩種主要的馬鈴薯配糖生物鹼α-茄鹼和α-查茄鹼,而它們在黑暗或遠紅光下均不會積累。 葉綠素生物合成的關鍵基因(HEMA1,編碼谷氨酰-tRNA還原酶的限速酶、GSA、CHLH和GUN4)以及合成葉綠素所需的六個基因(HMG1、SQS、CAS1、SSR2、SGT1和SGT2)配糖生物鹼也在白光、藍光和紅光下誘導,但在黑暗或遠紅光下不誘導(圖3,4,5、XNUMX、XNUMX)。 這些數據表明隱色光感受器和光致變色光感受器在葉綠素和配糖生物鹼積累中的作用。 遠紅光可以抑制白光誘導的葉綠素和配糖生物鹼積累以及相關基因表達的觀察結果進一步支持了光敏色素的貢獻。
不同品種的馬鈴薯產生葉綠素和綠色的速度不同,這一點已被許多研究證實。 例如,挪威已經確定了品種之間明顯顏色變化的差異,並根據葉綠素和顏色的準確測量為不同品種制定了單獨的主觀評級量表。 四種馬鈴薯在 LED 照明下儲存 84 小時的視覺顏色變化如圖 6 所示。 XNUMX.
紅皮品種Asterix(圖6a)的色調角顯著增加,從紅色變為棕色,而黃色品種Folva(圖6b)顏色從黃綠色變為綠黃色。 黃色品種Celandie(圖6c)在光照後顯示出所有顏色參數變化最小,而黃色品種Mandel(圖6d)顏色變化顯著,從黃色變為灰色。 以數字形式表示,不同品種馬鈴薯在光照下的顏色變化圖如下所示(圖7)。
在這項試驗中,除 Mandel 之外的所有品種在光照超過 36 小時後,總配糖生物鹼含量均顯著增加。 但不同品種的變化動態和 HCA 含量水平存在顯著差異:Asterix - 從 179 至 223 mg/kg,Nansen - 從 93 至 160 mg/kg,Rutt - 從 136 至 180 mg/kg,Celandin - 從149 至 182 毫克/千克,Folva - 從 199 至 290 毫克/千克,哈塞爾 - 從 137 至 225 毫克/千克,曼德爾 - 無變化 (192-193) 毫克/千克。
在新西蘭,整個國家的馬鈴薯品種都是通過綠化強度來評估的。 結果表明,不同品種的塊莖在光照120小時後葉綠素含量存在一個數量級的差異——從0,5到5,0毫克(圖8)。
從這些專家信息中可以得出重要的實用結論。 在光線的影響下,馬鈴薯中會產生葉綠素,使果肉呈綠色,而表皮呈綠色或棕色。 不同品種的馬鈴薯會出現不同形式的變色,變色速度也不同。 光的光譜組成在一定程度上改變了葉綠素積累的動態,但是使用遠紅光譜以及黑暗(不會導致葉綠素積累)的選擇對於銷售土豆的商店來說是無關的。 在相同光照條件下,有些品種的葉綠素積累量要少 10 倍。 配糖生物鹼積累的動態與綠化的動態不同。 主要區別在於,與葉綠素不同,塊莖在進入貿易之前和開始強光照之前的初始 HCA 含量不為零,並且可能相當顯著。 許多品種的綠化強度較低,決定了馬鈴薯在商店貨架上的停留時間較長,從而導致 HCA 積累較高。
由於苦味投訴並非每年都會發生,因此有必要在實施階段找出除光照或品種特性之外的塊莖中配糖生物鹼含量增加的其他原因。 在實踐中,綠化與配糖生物鹼積累之間的函數關係意味著需要分析綠化的原因。 影響綠化和HCA積累的生產因素:
- 生長條件:作為地下莖,塊莖可以在土壤覆蓋不足的田間、通過土壤裂縫或由於風和/或灌溉土壤侵蝕而自然變綠。 考慮到這一點,馬鈴薯應種植得足夠深,同時保持足夠的土壤濕度,以確保快速、均勻地出苗。 隨著土壤中氮標準從 0 公斤/公頃增加到 300 公斤/公頃,塊莖綠化的強度也會成比例增加。 同時,研究人員指出,栽培過程中氮的雙重規範使某些品種的配糖生物鹼含量增加了10%,任何影響茄科植物生長發育的環境因素都有可能影響其配糖生物鹼的含量。配糖生物鹼。 氣候、海拔、土壤類型、土壤濕度、肥料利用率、空氣污染、收穫時間、農藥處理和陽光照射都很重要。
- 收穫時塊莖成熟度收穫時成熟度對發綠頻率的影響存在爭議。 皮光滑薄的年輕土豆比成熟的塊莖變綠得更快。 早熟品種可能比晚熟塊莖顯示出更多的配糖生物鹼積累,但具體研究中有相反的證據。
- 對塊莖的傷害不會以任何方式影響葉綠素的積累,但會引起 HCA 的積累(HCA 水平的增加與暴露在光線下的結果一樣多(圖 9)。
- 儲存條件。 低溫儲存的塊莖不易變綠和HCA積累。 馬鈴薯皮組織在1℃和5℃熒光燈下保存10天后顏色沒有變化,而在10℃和15℃保存的組織分別從第四天和第二天開始變綠。 事實證明,與大多數零售店相比,光照下 20°C 的儲存溫度對於葉綠素的生產來說是最佳的。 在暗室中,配糖生物鹼在 24°C 下的積累速度是 7°C 下的兩倍,而光甚至可以加速這一過程。
- 包裝材料。 零售店包裝的選擇是控制HCA綠化和積累的關鍵因素。 透明或半透明的包裝材料促進綠色化和HCA合成,而深色(或綠色)包裝則減緩降解。
根據實驗證明的規律,我們可以自信地得出結論,本季馬鈴薯塊莖中配糖生物鹼的含量高於平常水平是由於作物形成的不利條件造成的。 XNUMX月至XNUMX月初的長期高溫和乾旱延遲了塊莖的成熟和氮的吸收,沒有灌溉的田埂土壤出現龜裂。 開始收穫時,土壤過度乾燥,出現大量硬塊,導致塊莖損傷增加。 隨後,由於降雨過多,收割進度放緩。 乾燥後的田地,即在沒有遮蔽土壤表面的情況下,他們等待了很長時間才能收穫。 這些不利的條件不僅導致塊莖變綠,而且在塊莖中形成了比平時更多的 HCA。
防止配糖生物鹼不必要積累的最有效方法歸結為嚴格限制塊莖在種植、儲存和銷售過程中的光照,特別是在高溫背景下。 現代馬鈴薯生產技術經常採用正確的種植深度、形成大田壟、最佳施肥量等農業實踐。 未成熟的塊莖比成熟的塊莖含有更高水平的龍葵素。 因此,不要過早收穫,可靠地干燥莖,並留出足夠的時間(兩到三週)讓塊莖成熟,這一點非常重要。 只有及時、充分的定期灌溉,才能保證防止田脊開裂。 在引入乾燥劑後,通過滾動脊可以減少收穫前期間開裂的後果。 為此,大量生產了用於滾脊的專用機器,例如 GRIMME RR 600,可以選擇與打葉機結合使用(圖 10)。 然而,在俄羅斯聯邦,它們的使用仍然極少。 同時,這種農業方法簡單、廉價、高產、有效。 HCA 水平受到光質量、持續時間和強度的綜合影響。 葉綠素是綠色的,因為它反射綠光,同時吸收紅黃和藍色。 藍色和橙紅色照明下葉綠素的形成最為強烈(圖 11)。 在綠色照明下,馬鈴薯實際上不會發生綠化,而在藍光或紫外光下,其發生程度較弱。 熒光燈比白熾燈產生更多的綠色植物。 馬鈴薯的存放區域和儲藏室應光線昏暗且涼爽。 應避免儲存中的塊莖暴露在陽光下。 使用低瓦數白熾燈泡,並且不要將其打開超過必要的時間。 塊莖表面的土壤提供了一些免受光照和景觀美化的保護。 洗過的土豆變綠速度更快。 馬鈴薯一旦變綠,就不可逆轉,必須在出售前進行分類。
現代發光二極管 (LED) 技術為防止馬鈴薯收穫後所有階段中龍葵鹼的形成開闢了新的可能性。 批量生產馬鈴薯行業專用燈,工作光譜為 520-540 nm(圖 12)。 人眼感知為綠色的光可有效防止葉綠素和龍葵素的形成,因此是在儲存和進一步加工過程中保持馬鈴薯價值的決定性因素。 這種燈在包裝馬鈴薯的售前準備和售前儲存領域特別有效。 還有一條通用規則:保持合理的低溫儲存並保持土豆干燥,因為水分會增加果皮上的光線強度。
包裝材料的類型和顏色影響HCA積累的強度。 除了營銷和廣告之外,最好將土豆包裝在深色紙或深色塑料袋中,以避免暴露在光線下。 甚至建議敏感馬鈴薯品種的包裝材料的總透光率應低於0,02 W/m2。 只有採用帶有鋁的兩層黑色塑料封裝時,才有可能實現如此低的透光率。 綠色玻璃紙觀賞袋會抑制綠化,不會促進龍葵鹼的形成。 顯然,對於馬鈴薯零售而言,這些建議屬於良好意願的範疇。 貿易中的包裝顏色僅在促銷的情況下選擇。
零售店的照明條件也很難標準化。 幾乎沒有任何商業公司根據在 525-575 nm 光譜中觀察到的 HCA 積累和綠化最少這一事實來設計照明。 即使是非工作時間用遮光材料覆蓋土豆這樣必要且簡單的保護方法,商店也很少實行。
以上總結列出了控制馬鈴薯塊莖中配糖生物鹼積累的所有有效預防方法。 人們曾多次嘗試尋找更激進的中和方法:用油、蠟、表面活性劑、化學品、生長調節劑甚至電離輻射進行處理,在許多情況下都顯示出高效率。 然而,由於復雜性、高成本和環境問題,這些方法並未在實踐中使用。
編輯基因組和“關閉”葉綠素和 HCA 合成基因的新技術的擁護者宣告了光明的前景。 這些工作正在許多國家積極而徹底地進行,其中該技術不被歸類為轉基因品種(在俄羅斯聯邦被歸類),有很多關於這個主題的出版物,但到目前為止還沒有必要談論關於實際成果。 與許多先前提出的革命性育種方法一樣,最初因編輯基因組的可能性而產生的欣快感逐漸被對代謝過程的極端複雜性的認識所取代。 只需查看列出已確定的與 GCA 合成相關的過程以及參與這些過程的馬鈴薯基因的圖表就足夠了(圖 13)。 儘管這張圖看起來很清晰,但那些熱心研究這個問題的研究小組尚未成功地管理眾多基因與它們合成的產物之間如此復雜的相互作用過程。 阻斷看似純粹特定的單個基因不僅會導致配糖生物鹼特定水平的預期變化,還會導致其他生化產物的形成發生顯著變化,而編輯任務並未為此設定。
然而,即使不等待未來基因組編輯的成功,目前種植的所有商業馬鈴薯品種在正常條件下都具有較低的、絕對安全的配糖生物鹼含量,因為在數十年的經典育種工作中該指標持續下降。 至於葉綠素積累和果皮變綠速度相對較慢的品種,這不是缺點,也不是拒絕它們的理由。 但在銷售土豆時,有必要正式告知貿易組織該品種有特殊性,以防止塊莖暴露時間過長,導致買家聲稱在沒有明顯綠化的情況下出現意外的苦味。