Использование данных условий и возможностей становится для российских участников АПК основным интересом и целью в конкурентном соревновании за ведущие позиции в рыночной цепочке «от поля – до прилавка». При этом в данном соревновании, вне всяких сомнений, правильный и своевременный выбор современного прикладного «инструментария» (инновационных, научных разработок, современных технологий и оборудования и др.) будет являться предпосылкой и слагаемым успешного и эффективного осуществления хозяйственной деятельности.
Общие требования к качеству фруктов и овощей
Современный ассортимент фруктово-овощной группы сельскохозяйственных культур, которые используются в виде или столовых фруктов (овощей), или сырья для промышленного изготовления целого ряда пищевых продуктов, например, соков, нектаров, сокосодержащих напитков, фруктовых консервов, продуктов детского питания и др., охватывает десятки, сотни, а иногда и тысячи разнообразных ботанических или помологических сортов.
Результаты многочисленных селекционных, научных и агротехнических работ, проведенных в разные периоды развития отечественного и зарубежного АПК, позволяют сформулировать общие требования к характеристикам выращиваемых и используемых в том или ином качестве фруктов и овощей:
Успех в выполнении перечисленных требований достигается применением комплексных мер и средств, охватывающих селекционные, агротехнические, механизированные и другие способы организации и ведения производства. Целью настоящей публикации является представление нового современного способа обеспечения так называемого управляемого качества фруктов или овощей в процессе их выращивания и хранения, который позволяет выполнить целый ряд вышеперечисленных общих требований.
Химический состав ткани сельскохозяйственных растений
Основой химического состава растительной ткани (клеточных стенок) фруктов и овощей являются полисахариды – целлюлоза, гемицеллюлоза, пектин. В структуру клеточной стенки входит также лигнин. Средний состав первичной клеточной стенки плодов высших растений (% от сухой массы): целлюлоза – 25, пектин (пектиновые вещества) – 30, гемицеллюлоза – 40, белки и другие вещества – 5. Вместе с тем состав клеточных стенок способен меняться и зависит, например, от степени зрелости плодов (табл. 1).
На рис. 1 приведена микрофотография растительной ткани плодов яблок, а на рис. 2 – модель ее структуры, в том числе взаимное расположение в ней полимеров – целлюлозы, ксилоглюкана, пектина, белков, арабинана, галактана и арабиногалактана. Важной особенностью структуры клеточной стенки являются химические связи между отдельными полимерами, которые скрепляют внутренние слои, придавая тем самым растительной ткани прочность. Так, например, наиболее активно в построении межслойных взаимодействий участвуют пектины (пектиновые вещества). Карбоксильные группы пектина и других некрахмальных полисахаридов прочно связаны друг с другом через химическое взаимодействие при посредстве ионов поливалентных металлов (например, кальция). Именно данное свойство внутриклеточных структурных элементов является темой прикладных научных исследований и основой новых способов целенаправленной модификации растительной ткани фруктов и овощей.
Взаимодействие компонентов клеточной ткани с ионами поливалентных металлов в модельных системах
В лаборатории фундаментальных и прикладных исследований качества и технологий пищевых продуктов (далее – Лаборатория) ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств» с целью изучения взаимодействия ионов поливалентных металлов со структурными элементами растительной ткани были проведены модельные эксперименты в двух модельных системах – «Система 1» и «Система 2», состоявших из 0,1 М цитратного буфера (рН 3,5), в котором был растворен пектин со степенью этерификации 40 % (концентрация 0,5 %). Для повышения плотности модельных систем в их состав была введена сахароза до концентрации 60 % («Система 1») и 40 % («Система 2»). Для инициирования реакции взаимодействия в модельные системы вводился кальций в форме пищевого хлорида кальция (Е509) в количествах 10, 20, 30, 50 и 60 мг иона Са2+ на 1 г пектина, содержащегося в реакционной среде. Результат реакции контролировался по образованию геля, прочность которого, выраженная в условных единицах (HPE), является мерой взаимодействия пектина и ионов кальция. Прочность геля измерялась с помощью пектинометра Herbstreith, модель MarkII (Германия). Результаты исследования взаимодействия пектина представлены в табл. 2.
Следует отметить зависимость протекания реакции от количества реакционноспособного кальция и плотности модельной системы. Так, например, в системе с наибольшей плотностью для образования прочных гелей требуется незначительные количества ионов кальция, в то время, как в менее плотной системе для образования геля со сравнимой прочностью требуется увеличить количество вносимых ионов кальция не менее, чем в два раза. Вместе с тем, проведенные эксперименты показали, что повышение количества кальция до его избытка по отношению к пектину может привести к дестабилизации системы и разрушению пространственной структуры геля с образованием нерастворимой соли – пектината кальция.
Полученные результаты позволяют обосновать способ целенаправленной модификации растительной ткани с целью достижения определенных технологических эффектов, управления характеристиками и выполнения общих требований (см. выше), предъявляемым к качеству фруктов и овощей.
Практическая реализация способа целенаправленной модификации растительной ткани фруктов и овощей
В рамках НИР по изучению природных процессов, протекающих в растительной ткани сельскохозяйственных растений, в Лаборатории проведен литературный поиск и анализ опубликованных данных о практическом применении способов модификации растительной ткани фруктов и овощей с целью обеспечения их качества и повышения эффективности технологий, применяемых в АПК. В ходе этой работы было установлено, что использование комплексообразователей, например хлорида кальция для модификации растительной ткани является одним из востребованных способов обеспечения качества сельхозпродукции в современной агропромышленной отрасли.
В отечественном АПК наиболее значимые результаты по эффективному применению технологии управляемого качества на основе модификации состава растительной ткани плодов с помощью хлорида кальция достигнуты в Республике Крым. Предприятие «Крымская фруктовая компания» использует для обработки яблок хлорид кальция пищевого качества марки FudixTMчистотой не менее 95 %, соответствующего национальному стандарту России ГОСТ Р 55973–2014 «Добавки пищевые. Кальция хлорид. Технические условия». Обработка яблок проводится 0,5%-ным водным раствором хлорида кальция путем опрыскивания деревьев тоннельным или вентиляторным опрыскивателем на поздних стадиях созревания плодов, еженедельно, начиная с июля и до сбора урожая. Предприятие осуществляет от 4 до 5 обработок для сортов яблок раннего созревания и 7–8 обработок для сортов яблок позднего созревания. При этом общий расход водного раствора хлорида кальция составляет от 600 до 1500 л/га. Результаты применения новой технологии в течение трех сезонов показывают ее эффективность, которая проявляется прежде всего в увеличении плотности растительной ткани плодов яблок на 50 % по сравнению с контрольными плодами. Полученный результат, природа которого основана на описанном выше внутриклеточном взаимодействии ионов кальция с полимерными компонентами (например, пектинами) растительной ткани, положительно влияет на лежкость, транспортабельность, хранение и послеуборочное дозревание плодов яблок. Достигнутый эффект положительно оценивается заказчиками компании. Опыт применения новой технологии, полученный при выращивании яблок, компания планирует применить на других культурах, например, черешня.
Публикации в специализированных электронных и печатных изданиях демонстрируют результаты научных исследований, проводимых в целях разработки современных технологий обработки фруктов и овощей с помощью комплексообразователей, основным из которых является хлорид кальция. Обобщая результаты НИР научных коллективов из Португалии, США, Индии, Египта и ряда других стран, наряду с реакцией внутриклеточного взаимодействия ионов кальция с основными структурными элементами растительной ткани – пектинами (см. выше), можно выделить также следующие эффекты, оказывающие позитивное влияние на качество фруктов и овощей.
Приведенные выше отдельные или в совокупности эффекты были установлены в ходе исследований на различных сельскохозяйственных культурах, в том числе на цитрусовых – апельсинах, лайме; семечковых – яблоках, грушах; косточковых – абрикосах; ягодах – клубнике; овощах и бахчевых – моркови, картофеле, помидорах, дынях; тропических и субтропических фруктах – киви, авокадо, инжире, гуаве, манго, гранатах, ананасах. Примеры успешного практического применения технологии управляемого качества на основе принципа модификации состава растительной ткани с помощью комплексообразователей, например, хлорида кальция, на отдельных культурах, пригодных для выращивания и промышленной переработки в основных агропромышленных регионах России, приведены ниже.
Клубника
Обработка ягод клубники 1%ны-м водным раствором хлорида кальция при 25 оС или растворами специального состава, содержащими дополнительные компоненты, позволяет не только увеличить прочность структуры ягод, но и продлить срок их хранения, а также существенно понизить риск микробиологической порчи. Так, например, клубника, обработанная раствором специального состава, содержащего хлорид кальция и соевый белок, сохраняет прочность структуры при хранении в течение 12 дней при 0 оС. Необработанная клубника в тех же условиях хранится без потери прочности в течение 6 дней, затем происходит стремительное снижение прочности с ее полной потерей на 15-й день хранения.
Груша
Эффект повышения прочности плодов, аналогичный описанному выше на яблоках, был исследован в экспериментах с грушами. Обработка плодов на деревьях, как показывает опыт шести сезонов, позволила увеличить выход по урожаю на 13 %. Для обработки плодов использовались водные растворы хлорида кальция в концентрациях от 1 до 4 %. Установлено, что плоды, в том числе после сбора урожая, обработанные 4%-ным раствором хлористого кальция, сохраняют прочность в течение 75 дней хранения. Для сравнения: необработанные плоды сохраняли свою прочность на приемлемом уровне до 45 дней. Обработанные плоды теряли в весе от 0,52 до 3 % начиная с 3-го по 75-й день хранения, а необработанные плоды – от 1,2 до 5 % в течение того же срока хранения. Дополнительно отмечено, что при обработке плодов 2- и 4%-ными растворами хлорида кальция не наблюдается гниения сердцевины плодов в течение 45 дней хранения. В дальнейшем всего 5 % плодов было поражено гнилью в период с 60-го до 75-й день хранения. Результаты проведенного исследования позволили разработать рекомендации по условиям хранения плодов груши, обработанных хлоридом кальция.
Морковь
Опубликованные результаты работ зарубежных научных групп показывают, что основной целью исследований являлось изучение влияния обработки хлоридом кальция на текстуру (прочность) плодов и устойчивость к микробиологической порче. Так, например, показано, что обработка цельных или резаных плодов моркови путем погружения в водный раствор хлорида кальция концентрацией 0,5–1,0 % улучшает качественные характеристики продукции при ее хранении в течение 30 дней. Отмечено улучшение текстуры плодов от 69 до 93 % и уменьшение потерь веса от 25 до 60 %. При этом температура обработки (от 0 до 5 оС) хлоридом кальция оказывала прямое влияние на конечный эффект.
Картофель
Эффекты, аналогичные вышеописанным результатам по моркови, наблюдались в исследованиях с картофелем. Обработка картофеля водным раствором хлорида кальция применялась на различных этапах его выращивания, а также в послеуборочный период в отношении как цельных, так и резаных клубней. В работах показано, что после обработки резаных клубней раствором хлорида кальция наблюдается быстрое увеличение их прочности. При этом авторами рекомендуется проводить обработку урожая сразу после его сбора. Сообщается о возможностях усиления эффекта за счет применения для обработки многокомпонентного раствора, который кроме хлорида кальция содержит аскорбиновую и лимонную кислоты, полифосфат натрия. В работе рассматривается гипотеза об ингибирующем действии хлорида кальция, который подавляет активность ферментов картофеля, что в свою очередь позволяет снизить интенсивность потемнения картофеля после его очистки. Данный защитный эффект можно усилить путем введения в раствор хлорида кальция загустителей, например, камедей или пектина.
Помидоры
Значительный объем научных исследований посвящен помидорам – одному из самых популярных продуктов из группы овощей. Плоды помидоров наиболее подвержены механическим повреждениям в процессе сбора урожая и хранения. Примерно 30–50 % собранного урожая может быть потеряно в результате неправильного хранения.
Для проведения исследований были использованы плоды после сбора урожая. Отобранные плоды, свободные от механических повреждений, подвергались предварительной обработке в течение 1 мин в 1%-ном растворе гипохлорита натрия. Остатки раствора удалялись с поверхности плодов высушиванием в течение 30 мин, после чего их погружали в водные растворы хлорида кальция трех разных концентраций (2, 4 и 6 %) и выдерживали 10, 20 и 30 мин. Основные результаты обработки помидоров сводятся к накоплению кальция во внутренних тканях плодов, что приводит к увеличению их прочности. При этом следует отметить, что повышенные количества кальция (более 12 %) приводят к существенному замедлению созревания плодов. Данный эффект объясняется влиянием кальция на цикл образования этилена, который участвует в синтезе красного пигмента помидоров – ликопина.
Интересные результаты по применению хлорида кальция для послеуборочной обработки помидоров были получены в Университете Флориды (США). Целью исследований являлось обеспечение устойчивости плодов к микробиологической порче. Обработку плодов водным раствором хлорида кальция в концентрации, увеличивающейся от 1 до 3 %, проводили способом погружения и выдержки в течение 45–75 с. В результате исследований установлено, что обработка приводит к существенному снижению порчи плодов при их хранении в течение 24 дней при температуре 20 оС. В дополнительных исследованиях invitro изучалось устойчивость плесневых грибов рода Rhizopus и Alternaria к действию водных растворов хлорида кальция. Установлено, что наибольшее влияние на подавление роста колоний Rhizopus (их морфологию и спорообразование) оказывает 3%-ный раствор хлорида кальция, в то время как рост плесневых грибов рода Alternaria замедлялся при действии 2%-ного раствора хлорида кальция.
Результаты собственных лабораторных исследований, обосновывающие один из основных эффектов позитивного действия ионов кальция, используемых в форме быстрорастворимого хлорида, а также опубликованные результаты зарубежных научно-исследовательских работ и практические примеры из сферы сельскохозяйственного производства, хранения и переработки демонстрируют уверенные перспективы и преимущества технологии управляемого качества, основанной на использовании высокоактивных модификаторов растительной ткани фруктов и овощей. Основные преимущества этой технологии:
Потенциал, заложенный в технологии управляемого качества на основе применения хлорида кальция, а также научный и практический задел разработок позволяют охватить широкий перечень прикладных вопросов в сфере обеспечения качества и безопасности продукции, а также способствуют эффективному решению стратегических задач, в частности, задачу импортозамещения, в том числе за счет расширения отечественной базы фруктово-овощного сырья для его промышленной переработки полного цикла (например, переработки фруктов и овощей на натуральные и концентрированные соки для снижения зависимости российского рынка соков от импорта). Это, в свою очередь приведет к повышению общей эффективности российского АПК.
Лаборатория фундаментальных и прикладных исследований качества и технологий пищевых продуктов ФГБОУ ВПО «МГУПП» продолжит исследования по разработке современных технологий для АПК на основе изучения природных процессов, протекающих в растительных объектах, а также разработку способов оптимизации использования хлорида кальция при выращивании и хранении фруктов/овощей (в том числе с учетом расширения их ассортиментного перечня) в условиях как промышленного садоводства и открытого грунта, так и закрытых тепличных хозяйств. Результаты исследований будут оформлены в виде научно-технических рекомендаций по применению хлорида кальция при выращивании, хранении и переработке фруктов и овощей.
