谢尔盖·巴纳德舍夫,农业科学博士,
“多卡 - 基因技术”有限责任公司
这个季节,消费者发出了关于土豆味道苦涩但块茎没有明显变绿的信号。 味苦的原因是配糖生物碱含量超过14mg/100g。
配糖生物碱 (GCAs) 是许多植物物种(包括马铃薯)中天然存在的、苦味、耐热的毒物。 它们具有杀菌和杀虫特性,是植物的天然防御之一。
现已证明,治疗浓度的马铃薯配糖生物碱对人类健康具有许多有益的特性:抗肿瘤、抗疟疾、抗炎等。在马铃薯工业加工过程中商业提取这些物质的技术正在开发中,但这还不够。一个单独的出版物主题,其目标总结如下。信息 - 概述可用于防止配糖生物碱在马铃薯中过度积累的选项。
马铃薯块茎中含有的主要 HCA 是 α-茄碱和 α-卡茄碱(图 1),约占该植物中配糖生物碱总含量的 95%。
茄碱和查茄碱是含氮甾体生物碱,它们带有相同的苷元茄碱,但三糖侧链不同。 α-茄碱中的三糖是半乳糖、葡萄糖和鼠李糖,而α-查茄碱中的三糖是葡萄糖和两个残基。
鼠李糖。 普通马铃薯块茎平均含有10-150毫克/公斤配糖生物碱,而绿色块茎含有250-280毫克/公斤,绿色皮含有1500-2200毫克/公斤。 商品马铃薯块茎中配糖生物碱的含量相对较低,
块茎内分布不均匀。 最高水平仅限于果皮,而最低水平则出现在核心区域。 HCA 总是存在于块茎中,剂量高达 100 毫克/公斤时,它们结合在一起有助于提高马铃薯的良好口感。
炸薯条和薯片的 HCA 含量通常分别为 0,04-0,8 毫克/2,3 克产品和 18-100 毫克/56,7 克产品。 果皮产品的配糖生物碱含量相对丰富(分别为 145-9,5 毫克/72 克产品和 100-3 毫克/8 克产品)。 马铃薯制品的生产包括清洗、脱皮、切割、热烫、干燥和油炸。 最大量的配糖生物碱在清洗、热烫和油炸过程中被去除,即食炸薯条与原料相比仅含有20-170%的配糖生物碱,其中HCA的破坏主要发生在油炸过程中。 事实证明,去皮通常会去除食用块茎中的大部分配糖生物碱。 由于在烹饪过程中配糖生物碱迁移到果肉中,带皮煮熟的土豆可能比未去皮的土豆更苦。 煮沸仅使 HCA 含量降低 XNUMX%,烘烤和微波烹饪不会降低配糖生物碱的含量,因为 HCA 分解的临界温度约为 XNUMX°C。
马铃薯HCA中毒的案例在整个观察史上是罕见的。 但应提及可能出现的症状,如恶心、呕吐、腹泻、胃和腹部痉挛、头痛、发烧、脉搏快而微弱、呼吸急促和幻觉。 HCA对人体的中毒剂量为1-5毫克/公斤体重,口服致死剂量为3-6毫克/公斤体重。 因此,大多数马铃薯发达国家都将配糖生物碱的限量规定为20毫克/100克鲜重和100毫克/100克干重作为食用块茎中的安全限量。
据了解,HCA 为 14 mg/100 g 的马铃薯块茎已略带苦味,而
浓度超过22毫克/100克会引起喉咙和口腔灼烧感。因此,对消费者来说最好的指导方针是:“如果土豆味道苦,就不要吃。”
在马铃薯的种植、储存和销售阶段,重要的是要防止块茎中 HCA 浓度的潜在危险浓度的积累。
HCA的积累不可避免地发生在块茎中,但在阳光的影响下被反复激活。 光照还会导致叶绿素的形成,从而使块茎的表皮变绿。 这些是具有不同后果的独立过程。 叶绿素绝对无害且无味。 同时,变绿表明长时间暴露在光线下,因此发生了配糖生物碱的积累。 一旦颜色变化明显,变绿的土豆通常不会被出售或下架。 高含量的配糖生物碱引起了消费者的投诉并降低了所售产品的商业价值。 本季出现的一个难题,即土豆有苦味,但没有明显变绿的迹象,值得单独解释和分析可能的原因。
由于马铃薯绿化是马铃薯销售过程中品质恶化的主要原因,也是一个重大的商业问题,因此对该现象的所有特征进行了相当深入的研究。 同时,还获得了大量关于块茎中HCA积累的专家信息。 与地下茎一样,马铃薯块茎也是非光合作用植物器官,缺乏光合作用机制。 然而,暴露在光线后,含淀粉的淀粉体在块茎的外围细胞层中转化为叶绿体,导致绿色光合色素叶绿素的积累。 块茎绿化受遗传、文化、生理和环境因素的影响,包括种植深度、块茎生理年龄、温度、大气含氧量和光照条件。 影响绿化和配糖生物碱积累水平的主要因素是光的强度和光谱组成、温度、品种的遗传特性。
块茎中叶绿素和 HCA 的合成是在 400 至 700 nm 可见光波长的影响下进行的(图 2)。 据研究人员称,叶绿素合成在 475 nm 和 675 nm(分别为蓝色和红色区域)处显示最大合成,而 α-茄碱和 α-查茄碱的最大合成发生在 430 nm 和 650 nm 处。 叶绿素合成在 525-575 nm 处最少,而 HCA 在 510-560 nm(绿色区域)处积累最少。 这些差异证实了叶绿素和 HCA 生物合成不同途径的假设。 储存 0,10 天后,暴露于蓝光的马铃薯块茎中的叶绿素浓度 (2 W/m16) 比暴露于蓝光的马铃薯高出三倍。
暴露于红光 (0,38 W/m2) 下。 荧光灯(7,5 W/m2)发出的蓝光(1,9-400 nm)是LED灯(500 W/m7,7)的2倍,而LED灯发出的红光(2,5-620 nm)是荧光灯管的680倍。 因此,在杂货店用 LED 灯替代荧光灯可以减少最有害的蓝色波长的摄入量。
避光保存的马铃薯块茎不含叶绿素。 进入光照后,实际上在几个小时内,特定基因被激活,产生一系列叶绿素和 HCA 合成产物。 分子分析技术使得识别基因结构成为可能,事实证明这些过程的遗传控制机制具有品种特异性。 研究了不同且窄光谱成分的单色 LED 灯的影响。 马铃薯块茎景观的光调节是在发光二极管(LED)提供的恒定照明下进行的。 光波长B(蓝色,470 nm)、R(红色,660 nm)和FR(远红,730 nm)和WL(白色,400-680 nm)使用10天。 蓝色和红色波长对于叶绿素、类胡萝卜素和两种主要的马铃薯配糖生物碱α-茄碱和α-卡茄碱的诱导和积累有效,但它们在黑暗或远红光下都不会积累。 叶绿素生物合成的关键基因(HEMA1,编码谷氨酰-tRNA还原酶的限速酶、GSA、CHLH和GUN4)以及合成叶绿素所需的六个基因(HMG1、SQS、CAS1、SSR2、SGT1和SGT2)配糖生物碱也在白光、蓝光和红光下诱导,但在黑暗或远红光下不诱导(图3,4,5、XNUMX、XNUMX)。 这些数据表明隐色光感受器和光致变色光感受器在叶绿素和配糖生物碱积累中的作用。 远红光可以抑制白光诱导的叶绿素和配糖生物碱积累以及相关基因表达的观察结果进一步支持了光敏色素的贡献。
不同品种的马铃薯产生叶绿素和绿色的速度不同,这一点已被许多研究证实。 例如,挪威已经确定了品种之间明显颜色变化的差异,并根据叶绿素和颜色的准确测量为不同品种制定了单独的主观评级量表。 四种马铃薯在 LED 照明下储存 84 小时的视觉颜色变化如图 6 所示。 XNUMX.
红皮品种Asterix(图6a)的色调角显着增加,从红色变为棕色,而黄色品种Folva(图6b)则从黄绿色变为绿黄色。 黄色品种Celandie(图6c)在光照后显示出所有颜色参数变化最小,而黄色品种Mandel(图6d)颜色变化显着,从黄色变为灰色。 以数字形式表示,不同品种马铃薯在光照下的颜色变化图如下所示(图7)。
在这项试验中,除 Mandel 之外的所有品种在光照超过 36 小时后,总配糖生物碱含量均显着增加。 但不同品种的变化动态和 HCA 含量水平存在显着差异:Asterix - 从 179 至 223 mg/kg,Nansen - 从 93 至 160 mg/kg,Rutt - 从 136 至 180 mg/kg,Celandin - 从149 至 182 毫克/千克,Folva - 从 199 至 290 毫克/千克,哈塞尔 - 从 137 至 225 毫克/千克,曼德尔 - 无变化 (192-193) 毫克/千克。
在新西兰,整个国家的马铃薯品种都是通过绿化强度来评估的。 结果表明,不同品种的块茎在光照120小时后叶绿素含量存在一个数量级的差异——从0,5到5,0毫克(图8)。
从这些专家信息中可以得出重要的实用结论。 在光线的影响下,马铃薯中会产生叶绿素,使果肉呈绿色,而表皮呈绿色或棕色。 不同品种的马铃薯会出现不同形式的变色,变色速度也不同。 光的光谱组成在一定程度上改变了叶绿素积累的动态,但是使用远红光谱以及黑暗(不会导致叶绿素积累)的选择对于销售土豆的商店来说是无关的。 在相同光照条件下,有些品种的叶绿素积累量要少 10 倍。 配糖生物碱积累的动态与绿化的动态不同。 主要区别在于,与叶绿素不同,块茎在进入贸易之前和开始强光照之前的初始 HCA 含量不为零,并且可能相当显着。 许多品种的绿化强度较低,决定了马铃薯在商店货架上的停留时间较长,从而导致 HCA 积累较高。
由于苦味声称并不是每年都会发生,因此需要调查块茎中配糖生物碱含量增加的其他原因,而不是由于实施阶段的光照或品种特性所致。 在实践中,绿化与配糖生物碱积累之间的函数关系意味着需要分析绿化的原因。 影响绿化和HCA积累的生产因素:
- 生长条件:作为地下茎,块茎可以在土壤覆盖不足的田间、通过土壤裂缝或由于风和/或灌溉土壤侵蚀而自然变绿。 考虑到这一点,马铃薯应种植得足够深,同时保持足够的土壤湿度,以确保快速、均匀地出苗。 随着土壤中氮标准从 0 公斤/公顷增加到 300 公斤/公顷,块茎绿化的强度也会成比例增加。 同时,研究人员指出,栽培过程中氮的双重规范使某些品种的配糖生物碱含量增加了10%,任何影响茄科植物生长发育的环境因素都有可能影响其配糖生物碱的含量。配糖生物碱。 气候、海拔、土壤类型、土壤湿度、肥料利用率、空气污染、收获时间、农药处理和阳光照射都很重要。
- 收获时块茎成熟度收获时成熟度对发绿频率的影响存在争议。 皮光滑薄的年轻土豆比成熟的块茎变绿得更快。 早熟品种可能比晚熟块茎显示出更多的配糖生物碱积累,但具体研究中有相反的证据。
- 对块茎的伤害不会以任何方式影响叶绿素的积累,但会引起 HCA 的积累(HCA 水平的增加与暴露在光线下的结果一样多(图 9)。
- 储存条件。 低温储存的块茎不易变绿和HCA积累。 马铃薯皮组织在1℃和5℃荧光灯下保存10天后颜色没有变化,而在10℃和15℃保存的组织分别从第四天和第二天开始变绿。 事实证明,与大多数零售店相比,光照下 20°C 的储存温度对于叶绿素的生产来说是最佳的。 在暗室中,配糖生物碱在 24°C 下的积累速度是 7°C 下的两倍,而光甚至可以加速这一过程。
- 包装材料。 零售店包装的选择是控制HCA绿化和积累的关键因素。 透明或半透明的包装材料刺激绿化和HCA合成,而深色(或绿色)包装则减缓降解。
根据实验证明的规律,我们可以自信地得出结论,本季马铃薯块茎中配糖生物碱的含量高于平常水平是由于作物形成的不利条件造成的。 XNUMX月至XNUMX月初的长期高温和干旱延迟了块茎的成熟和氮的吸收,没有灌溉的田埂土壤出现龟裂。 开始收获时,土壤过度干燥,出现大量硬块,导致块茎损伤增加。 随后,由于降雨过多,收割进度放缓。 干燥后的田地,即在没有遮蔽土壤表面的情况下,他们等待了很长时间才能收获。 这些不利的条件不仅导致块茎变绿,而且在块茎中形成了比平时更多的 HCA。
防止配糖生物碱不必要积累的最有效方法归结为严格限制块茎在种植、储存和销售过程中的光照,特别是在高温背景下。 现代马铃薯生产技术经常采用正确的种植深度、形成大田垄、最佳施肥量等农业实践。 未成熟的块茎比成熟的块茎含有更高水平的龙葵素。 因此,不要过早收获,可靠地干燥茎,并留出足够的时间(两到三周)让块茎成熟是非常重要的。 只有及时、充分的定期灌溉,才能保证防止田脊开裂。 在引入干燥剂后,通过滚动脊可以减少收获前期间开裂的后果。 为此,大量生产了用于滚脊的专用机器,例如 GRIMME RR 600,可以选择与打叶机结合使用(图 10)。 然而,在俄罗斯联邦,它们的使用仍然极少。 同时,这种农业方法简单、廉价、高产、有效。 HCA 水平受到光质量、持续时间和强度的综合影响。 叶绿素是绿色的,因为它反射绿光,同时吸收红黄和蓝色。 蓝色和橙红色照明下叶绿素的形成最为强烈(图 11)。 在绿色照明下,马铃薯实际上不会发生绿化,而在蓝光或紫外光下,其发生程度较弱。 荧光灯比白炽灯产生更多的绿色植物。 马铃薯的存放区域和储藏室应光线昏暗且凉爽。 应避免储存中的块茎暴露在阳光下。 使用低瓦数白炽灯泡,并且不要将其打开超过必要的时间。 块茎表面的土壤提供了一些免受光照和景观美化的保护。 洗过的土豆变绿的速度更快。 马铃薯一旦变绿,就不可逆转,必须在出售前进行分类。
现代发光二极管 (LED) 技术为防止马铃薯收获后所有阶段中龙葵碱的形成开辟了新的可能性。 批量生产马铃薯行业专用灯,工作光谱为 520-540 nm(图 12)。 人眼感知为绿色的光可有效防止叶绿素和龙葵素的形成,因此是在储存和进一步加工过程中保持马铃薯价值的决定性因素。 这种灯在包装马铃薯的售前准备和售前储存领域特别有效。 还有一条通用规则:保持合理的低温储存并保持土豆干燥,因为水分会增加果皮上的光线强度。
包装材料的类型和颜色影响HCA积累的强度。 除了营销和广告之外,最好将土豆包装在深色纸或深色塑料袋中,以避免暴露在光线下。 甚至建议敏感马铃薯品种的包装材料的总透光率应低于0,02 W/m2。 只有采用带有铝的两层黑色塑料封装时,才有可能实现如此低的透光率。 绿色玻璃纸观赏袋会抑制绿化,不会促进龙葵碱的形成。 显然,对于马铃薯零售而言,这些建议属于良好意愿的范畴。 贸易中的包装颜色仅在促销的情况下选择。
零售店的照明条件也很难标准化。 几乎没有任何商业公司根据在 525-575 nm 光谱中观察到的 HCA 积累和绿化最少这一事实来设计照明。 即使是非工作时间用遮光材料覆盖土豆这样必要且简单的保护方法,商店也很少实行。
以上总结列出了控制马铃薯块茎中配糖生物碱积累的所有有效预防方法。 人们曾多次尝试寻找更激进的中和方法:用油、蜡、表面活性剂、化学品、生长调节剂甚至电离辐射进行处理,在许多情况下都显示出很高的效率。 然而,由于复杂性、高成本和环境问题,这些方法并未在实践中使用。
编辑基因组和“关闭”叶绿素和 HCA 合成基因的新技术的拥护者宣告了光明的前景。 这些工作正在许多国家积极而彻底地进行,其中该技术不被归类为转基因品种(在俄罗斯联邦被归类),有很多关于这个主题的出版物,但到目前为止还没有必要谈论关于实际成果。 与许多先前提出的革命性育种方法一样,最初因编辑基因组的可能性而产生的欣快感逐渐被对代谢过程的极端复杂性的认识所取代。 只需查看列出已确定的与 GCA 合成相关的过程以及参与这些过程的马铃薯基因的图表就足够了(图 13)。 尽管这张图看起来很清晰,但那些热心研究这个问题的研究小组尚未成功地管理众多基因与它们合成的产物之间如此复杂的相互作用过程。 阻断看似纯粹特定的单个基因不仅会导致配糖生物碱特定水平的预期变化,还会导致其他生化产物的形成发生显着变化,而编辑任务并未为此设定。
然而,即使不等待未来基因组编辑的成功,目前种植的所有商业马铃薯品种在正常条件下都具有较低的、绝对安全的配糖生物碱含量,因为在数十年的经典育种工作中该指标持续下降。 至于叶绿素积累和果皮变绿速度相对较慢的品种,这不是缺点,也不是拒绝它们的理由。 但在销售土豆时,有必要正式告知贸易组织该品种有特殊性,以防止块茎暴露时间过长,导致买家声称在没有明显绿化的情况下出现意外的苦味。