Горький вкус непозеленевшего картофеля: причины и возможности предотвращения

Сергей Банадысев, доктор сельскохозяйственных наук,
ООО «Дока – Генные Технологии»

В этом сезоне поступают сигналы от потребителей о горьковатом вкусе картофеля без видимого позеленения клубней. Причиной горечи во вкусе является содержание гликоалколоидов более 14 мг/100 г.
Гликоалкалоиды (ГКА) – это естественные, горькие на вкус, термостойкие токсиканты многих видов растений, в том числе картофеля. Они обладают фунгицидными и пестицидными свойствами и являются одной из естественных защитных сил растений.

В настоящее время доказано, что картофельные гликоалкалоиды в лечебной концентрации обладают многими полезными свойствами для здоровья человека: противоопухолевыми, противомалярийными, противовоспалительными и пр. Разрабатываются технологии коммерческого извлечения этих веществ в процессе промышленной переработки картофеля, но это отдельная тема для публикаций, а цель обобщенной ниже информации – обозначить имеющиеся возможности предотвращения чрезмерного накопления гликоалколоидов в продовольственном картофеле.

Основными ГКА, содержащимися в клубнях картофеля, являются α-соланин и α-чаконин (рис. 1), составляющие около 95% от общего содержания гликоалкалоидов этого вида растений.

Соланин и чаконин – азотсодержащие стероидные алкалоиды, несущие один и тот же агликон, соланидин, но различающиеся по боковой цепи три-сахарида. Трисахарид в α-соланине – это галактоза, глюкоза и рамноза, а в α-чаконине – глюкоза и два остатка
рамнозы. Обычный клубень картофеля в среднем содержит 10-150 мг/кг гликоалкалоидов, в то время как позеленевший – 250-280 мг/кг, а зеленая кожура – 1500-2200 мг/кг. Содержание гликоалкалоидов в товарных клубнях картофеля сравнительно низкое, а
распределение внутри клубня неоднородно. Самые высокие уровни ограничены кожурой, в то время как самые незначительные количества отмечаются в области сердцевины. ГКА всегда содержатся в клубнях, в дозе до 100 мг/кг они сочетаются и способствуют хорошему вкусу картофеля.

Картофель фри и картофельные чипсы обычно содержат уровни ГКА 0,04-0,8 и 2,3-18 мг/100 г продукта соответственно. Продукты с кожурой сравнительно богаты гликоалкалоидами (56,7-145 и 9,5-72 мг/100 г про-дукта соответственно). Производство картофелепродуктов включает мойку, чистку, резку, бланширование, сушку и жарку. Наибольшее количество гликоалкалоидов удаляется при очистке, бланшировании и жарке, а готовый к употреблению картофель фри содержит только 3-8% гликоалкалоидов по сравнению с сырьем, причем основное разрушение ГКА происходит в ходе жарки. Доказано, что очистка от кожуры обычно удаляет основную часть гликоалкалоидов в съедобных клубнях. Картофель, приготовленный с кожурой, может стать более горьким, чем неочищенный из-за миграции гликоалкалоидов в мякоть во время процесса приготовления. Отваривание снижает уровень ГКА только на 20%, запекание и приготовление в микроволновой печи не снижают содержание гликоалкалоидов, поскольку критическая температура разложения ГКА составляет около 170°С.

Случаи отравления ГКА картофеля за всю историю наблюдений единичны. Тем не менее, нужно упомянуть такие возможные симптомы, как тошнота, рвота, диарея, желудочные и брюшные спазмы, головная боль, лихорадка, учащенный и слабый пульс, учащенное дыхание и галлюцинации. Токсическая доза ГКА для человека составляет 1-5 мг/кг массы тела, а летальная – 3-6 мг/кг массы тела при пероральном введении. Поэтому большинство стран развитого картофелеводства установили предельно допустимый уровень гликоалкалоидов в 20 мг/100 г свежего веса и 100 мг/100 г сухого веса в качестве безопасного предела в съедобных клубнях.

Известно, что клубни картофеля с ГКА 14 мг/100 г уже немного горчат, в то время как
жжение в горле и рту вызывается концентра-цией, превышающей 22 мг/100 г. Поэтому лучшим руководством для потребителей является: «Если картофель горький на вкус, не ешьте его».

На этапе выращивания, хранения и реализации картофеля важно не допускать накопления потенциально опасных концентраций ГКА в клубнях.

Накопление ГКА неизбежно происходит в клубнях, но многократно активизируется под воздействием солнечного света. Освещение также приводит к образованию хлорофилла и вызванному этим позеленению кожуры клубней. Это независимые процессы с разными последствиями. Хлорофилл абсолютно безвреден и безвкусен. В то же время позеленение сигнализирует о длительном воздействии света и, следовательно, произошедшем накоплении гликоалколоидов. Позеленевший картофель, как правило, не поступает на реализацию или снимается с полки магазинов, как только изменение цвета становится заметным. Высокое содержание гликоалкалоидов вызывает претензии потребителей и снижает коммерческую ценность реализованной продукции. Сложный случай, отмечаемый в текущем сезоне, а именно – горький вкус картофеля без признаков видимого позеленения, – заслуживает отдельного разъяснения и анализа возможных причин.

Поскольку позеленение картофеля является основной причиной ухудшения качества картофеля в процессе реализации и существенной коммерческой проблемой, то все особенности данного явления изучены достаточно основательно. При этом получено много экспертной информации и по накоплению ГКА в клубнях. Как подземные стебли, клубни картофеля – это нефотосинтетические органы растений, в которых отсутствует механизм фотосинтеза. Однако после воздействия света амилопласты, содержащие крахмал, превращаются в хлоропласты в периферических слоях клеток клубня, что вызывает накопление зеленого фотосинтетического пигмента хлорофилла. На озеленение клубней могут влиять генетические, культурные, физиологические факторы и факторы окружающей среды, включая глубину посадки, физиологический возраст клубней, температуру, уровень кислорода в атмосфере и условия освещения. Основные факторы влияния на уровень позеленения и накопления гликоалколоидов – интенсивность и спектральный состав света, температура, генетические особенности сортов.

Синтез хлорофилла и ГКА в клубне происходит под воздействием длин волн видимого света от 400 до 700 нм (рис. 2). По мнению исследователей, синтез хлорофилла показывает максимум при 475 и 675 нм (синяя и красная области соответственно), тогда как максимальный синтез α-соланина и α-чаконина происходит при 430 нм и 650 нм. Минимальный синтез хлорофилла отмечается при 525 -575 нм, в то время как ГКА накапливается минимально при 510-560 нм (зеленая область). Эти различия подтверждают предположение о различных путях биосинтеза хлорофилла и ГКА. Концентрация хлорофилла в клубнях картофеля, подвергнутых воздействию синего света (0,10 Вт/м2), была в три раза выше после 16 дней хранения по сравнению с картофелем,
подвергнутым воздействию красного света (0,38 Вт/м2). Люминесцентные лампы (7,5 Вт/ м2) излучают в 1,9 раз больше синего света (400-500 нм), чем светодиодные лампы (7,7 Вт/ м2), тогда как светодиодные лампы излучают в 2,5 раза больше красного света (620-680 нм), чем люминесцентные трубки. Следовательно, замена люминесцентных ламп светодиодными лампами в продуктовых магазинах может уменьшить поступление наиболее вредных синих длин волн.

В клубнях картофеля, хранившихся в темноте, хлорофилла нет. После попадания на свет буквально в течение нескольких часов активизируются специфические гены по выработке цепочки продуктов синтеза хлорофилла и ГКА. Технологии молекулярного анализа позволяют идентифицировать структуру генов и выяснилось, что механизмы генетического контроля данных процессов имеют сортовую специфику. Изучено влияние монохроматических светодиодных светильников с различным и узким спектральным составом. Световое регулирование озеленения клубней картофеля проводили при постоянном освещении, обеспечиваемом светоизлучающими диодами (LED). Использовали длины волн света B (синий, 470 нм), R (красный, 660 нм) и FR (дальний красный, 730 нм) и WL (белый, 400-680 нм) в течение 10 дней. Синие и красные длины волн были эффективны для индукции и накопления хлорофилла, каротиноидов и двух основных гликоалкалоидов картофеля – α-соланина и α-чаконина, тогда как ни один из них не накапливался в темноте или при дальнем красном свете. Ключевые гены биосинтеза хлорофилла (HEMA1, кодирующий фермент, ограничивающий скорость глутамил-тРНК-редуктазы, GSA, CHLH и GUN4) и шесть генов (HMG1, SQS, CAS1, SSR2, SGT1 и SGT2), необходимых для синтеза гликоалкалоидов, также индуцировались при белом, синем и красном свете, но не в темноте или при дальнем красном свете (рис.3,4,5). Эти данные свидетельствуют о роли как криптохромных, так и фитохромных фоторецепторов в накоплении хлорофилла и гликоалкалоидов. Вклад фитохрома был дополнительно подтвержден наблюдением, что дальний красный свет может ингибировать индуцируемое белым светом накопление хлорофилла и гликоалкалоидов и связанную с этим экспрессию генов.

Разные сорта картофеля вырабатывают хлорофилл и зеленую окраску с разной скоростью, что подтверждено многими исследованиями. Так, в Норвегии выявили различия в видимых изменениях цвета между сортами и разработали отдельные субъективные шкалы оценки для разных сортов, основанные на точных измерениях хлорофилла и цвета. Визуальные изменения цвета четырех сортов картофеля, хранившихся в течение 84 часов при светодиодной подсветке, представлены на рис. 6.

Краснокожурый сорт Asterix (рис. 6а) показал значительное увеличение угла оттенка, переходя от красного к коричневатому цвету, тогда как у желтого сорта Фолва (рис. 6b) окраска изменилась с желто-зеленой на зелено-желтую. Желтый Celandie (рис. 6c) показал наименьшие изменения всех параметров цвета при воздействии света, в то время как желтый сорт Мандел (рис. 6d) изменил цвет существенно, с желтого на сероватый. В цифровом виде график изменения цвета разных сортов картофеля на свету выглядит так (рис.7).
В этом опыте все сорта, кроме Mandel, показали достоверное увеличение общего количества гликоалкалоидов после воздействия света более 36 часов. Но динамика изменений и уровень содержания ГКА существенно отличаются у разных сортов: Астерикс – со 179 до 223 мг/кг, Нансен – с 93 до 160 мг/кг, Рутт – со 136 до 180 мг/кг, Целандин – со 149 до 182 мг/кг, Фолва – со 199 до 290 мг/кг, Хассел – со 137 до 225 мг/кг, Мандел – без изменений (192-193) мг/кг.
В Новой Зеландии оценили весь национальный сортимент картофеля по интенсивности позеленения. Результаты показали, что количество хлорофилла в клубнях после 120 часов освещения у разных сортов отличается на порядок – от 0,5 до 5,0 мг (рис.8).

Из этой экспертной информации следуют важные практические выводы. Под воздействием света в картофеле вырабатывается хлорофилл, придающий мякоти зеленый цвет, а кожуре зеленоватый или коричневатый оттенок. У разных сортов картофеля развиваются различные формы обесцвечивания и с разной скоростью. Спектральный состав света несколько изменяет динамику накопления хлорофилла, но вариант использования дальнего красного спектра, так же, как и темноты (которые не приводят к накоплению хлорофилла), неактуален для магазинов, торгующих картофелем. Есть сорта, накапливающие в 10 раз меньше хлорофилла при одинаковых условиях освещения. Динамика накопления гликоалколоидов отличается от динамики позеленения. Главное отличие в том, что изначальное количество ГКА в клубнях до поступления в торговлю и начала интенсивного освещения не равно нулю, в отличие от хлорофилла, и может быть достаточно существенным. Низкая интенсивность позеленения многих сортов предопределяет более длительное нахождение картофеля на полках магазинов, что приводит к более высокому накоплению ГКА.

Поскольку претензии по горькому вкусу возникают не каждый год, нужно выяснять другие причины повышения уровня гликоалколоидов в клубнях, не обусловленные освещением или сортовыми особенностями на этапе реализации. Практически функциональная связь между позеленением и накоплением гликоалколоидов означает необходимость анализа и причин позеленения. Производственные факторы, влияющие на позеленение и накопление ГКА:

1. Условия роста.Будучи подземными стеблями, клубни могут естественным образом зеленеть в поле при недостаточном покрытии почвой, через трещины в почве или в результате ветровой и/или ирригационной эрозии почв. С учетом этого, картофель следует сажать достаточно глубоко, сохраняя при этом достаточную влажность почвы для обеспечения быстрого и равномерного появления всходов. Пропорциональное увеличение интенсивности озеленения клубней происходит с увеличением нормы азота в почве от 0 до 300 кг/га. При этом исследователи отмечают, что двойная норма азота при культивировании увеличивает содержание гликоалкалоидов на 10% у некоторых сортов.Любой фактор окружающей среды, который влияет на рост и развитие растений семейства пасленовых, вероятно, сказывается и на содержании гликоалкалоидов. Климат, высота над уровнем моря, тип почвы, влажность почвы, наличие удобрений, загрязнение воздуха, время сбора урожая, обработки пестицидами и воздействие солнечного света – все имеет значение.
   
2. Зрелость клубней при сборе урожая.Влияние зрелости при сборе урожая на частоту озеленения противоречиво. Молодой картофель с гладкой и тонкой кожицей может позеленеть быстрее, чем более зрелые клубни. Раннеспелые сорта могут показывать большее накопление гликоалкалоидов, чем позднеспелые клубни, но в специальных исследованиях есть и доказательства обратного.
   
3. Травмирование клубней никак не влияет на накопление хлорофилла, но провоцирует накопление ГКА (уровень ГКА увеличивается так же сильно, как и в результате воздействия освещения (рис.9).
   
4. Условия хранения. Клубни, хранившиеся при низких температурах, менее восприимчивы к позеленению и накоплению ГКА. Ткани кожуры картофеля при температуре 1 и 5 °C и флуоресцентном освещении не показали изменения цвета за 10 дней хранения, в то время как ткани, хранящиеся при 10 и 15°C, позеленели с четвертого и второго дня соответственно. Температура хранения 20°C при освещении оказалась оптимальной для производства хлорофилла, что сопоставимо с условиями большинства розничных магазинов. Гликоалкалоиды накапливаются в два раза быстрее при 24°C, чем при 7°C в темной комнате, а свет еще сильнее ускоряет этот процесс.
5. Упаковочные материалы. Выбор упаковки для розничных магазинов является критическим фактором контроля позеленения и накопления ГКА. Прозрачные или полупрозрачные упаковочные материалы стимулируют озеленение и синтез ГКА, в то время как упаковка темного (или зеленого) цвета замедляет ухудшение качества.

Исходя из доказанных экспериментально закономерностей, можно достаточно уверенно заключить, что более высокий по сравнению с обычным уровень гликоалколоидов в клубнях картофеля сезона текущего года обусловлен неблагоприятными условиями формирования урожая. Длительный период жары и засухи в июле – начале сентября задержал созревание клубней и усвоение азота, почва в гребнях на полях без орошения растрескалась. Начало уборки проходило на фоне чрезмерно сухой почвы и большого количества твердых комков, что привело к повышенной травмированности клубней. В последующем темпы уборки замедлились из-за избыточных осадков. Поля после десикации, т.е. без затенения поверхности почвы, долго ожидали уборку. Эти неблагоприятные условия способствовали как позеленению клубней, так и образованию в них большего, чем обычно, количества ГКА.

Наиболее эффективные возможности предотвращения нежелательного накопления гликоалколоидов сводятся к жесткому ограничению пребывания клубней на свету в процессе выращивания, хранения и продажи, особенно на фоне высокой температуры. Такие агроприемы, как правильная глубина посадки, формирование объемных гребней, оптимальные нормы удобрения используются в современных технологиях производства картофеля штатно. Незрелые клубни содержат более высокий уровень соланина, чем зрелые. Поэтому очень важно не собирать урожай рано, надежно высушивать стебли и выдерживать достаточное время (две-три недели) для созревания клубней. Гарантированно предотвратить растрескивание гребней можно только с помощью своевременного и достаточного периодического орошения. Снизить последствия растрескивания в предуборочный период, после внесения десикантов, можно с помощью прикатывания гребней. Для этого серийно выпускаются специальные машины прикатки гребней, например GRIMME RR 600, есть варианты совмещения с ботводробителями (рис.10). Однако в РФ они пока применяются крайне редко. В то же время это агроприем простой, дешевый, производительный и эффективный. На уровень ГКА сильно влияют совокупные эффекты качества, продолжительности и интенсивности света. Хлорофилл зеленый, потому что он отражает зеленый свет, поглощая красно-желтый и синий. Образование хлорофилла наиболее интенсивно идет при синем и оранжево-красном освещении (рис.11). При зеленом освещении позеленения картофеля практически не происходит, а при голубом или ультрафиолетовом – происходит в слабой степени. Люминесцентные лампы вызывают больше озеленения, чем лампы накаливания. Секции, отделения хранилищ для картофеля должны быть тускло освещены и прохладны. Необходимо избегать воздействия на клубни в хранилище солнечного света. Использовать лампы накаливания низкой мощности и не оставлять их включенными дольше, чем это необходимо. Почва на поверхности клубней обеспечивает некоторую защиту от воздействия света и озеленения. Мытый картофель зеленеет быстрее. Как только картофель становится зеленым, это необратимо, такие клубни нужно отсортировывать до реализации.

Современная технология светоизлучающих диодов (LED) открывает новые возможности предотвращения образования соланина на всех послеуборочных этапах картофелеводства. Серийно производятся специальные светильники для картофельной промышленности, работающие в спектре 520-540 нм (рис.12). Свет, воспринимаемый человеческим глазом как зеленый, эффективно предотвращает образование хлорофилла и соланина и, таким образом, является решающим фактором сохранения ценности картофеля при хранении и дальнейшей переработке. Такие светильники особенно эффективны в зонах предреализационной подготовки и предреализационного хранения упакованного картофеля. И еще одно общее правило: поддерживать на этапе хранения рационально низкую температуру и держать картофель сухим, так как влага увеличивает интенсивность света на кожуре.

Вид и цвет упаковочного материала влияет на интенсивность накопления ГКА. Если абстрагироваться от маркетинга и рекламы, то лучше всего упаковывать картофель в темную бумагу или темные пластиковые пакеты, чтобы избежать воздействия света. Есть даже рекомендация, что упаковочные материалы для чувствительных сортов картофеля должны иметь общую светопропускаемость менее 0,02 Вт/м2. Такие низкие уровни проникновения света возможны только при упаковке в двухслойный пластик черного цвета с алюминием. Пакеты с зеленым целлофаном для просмотра ингибируют позеленение и не способствуют образованию соланина. Понятно, что подобные рекомендации относятся к категории благих пожеланий, когда речь идет о розничной продаже картофеля. Цвета упаковки в торговле подбираются только в контексте стимулирования продаж.

Условия освещения в розничных магазинах тоже плохо поддаются стандартизации. Едва ли есть торговые предприятия, которые проектируют освещение, исходя из того, что наименьшее накопление ГКА и позеленение отмечается в спектре 525-575 нм. Даже такой необходимый и простой прием защиты, как укрытие картофеля светоизолирующими материалами в нерабочее время магазинами практикуется редко.

В кратком изложении выше перечислены все эффективные предупредительные способы контроля накопления гликоалколоидов в клубнях картофеля. Было много попыток найти более радикальные средства нейтрализации: обработка маслами, воском, поверхностно-активными веществами, химическими препаратами, регуляторами роста и даже ионизирующим облучением, которые во многих случаях показали высокую эффективность. Однако на практике данные методы не применяются из-за сложности, высокой стоимости и экологических проблем.

Радужные перспективы декларируются приверженцами новых техно-логий редактирования генома и «отключения» генов синтеза хлорофилла и ГКА. Данные работы активно и основательно ведутся во многих странах, де эта технология не отнесена к разновидности ГМО (в РФ отнесена), есть много публикаций на эту тему, но о практических достижениях пока говорить не приходится. Как и в отношении многих ранее предлагавшихся революционных методов селекции, первоначальная эйфория от возможности редактирования генома постепенно сменяется осознанием чрезвычайной сложности процессов метаболизма. Достаточно взглянуть на диаграмму с перечислением уже выявленных процессов, имеющих отношение к синтезу ГКА и участвующих в этих процессах генах картофеля (рис. 13). Несмотря на кажущуюся четкость этой диаграммы, управлять таким сложным процессом взаимодействия многочисленных генов и продуктов, ими синтезируемых, взявшимся за это дело группам энтузиастов-исследователей пока не удается. Блокирование, казалось бы, сугубо специфических, одиночных генов приводит не только к ожидаемым изменениям в конкретных уровнях гликоалкалоидов, но и значительным изменениям в формировании других биохимических продуктов, по которым задача редактирования не ставилась.

Впрочем, и без ожидания будущих успехов геномного редактирования, все коммерческие сорта картофеля, выращиваемые в настоящее время, имеют в нормальных условиях низкое, абсолютно безопасное содержание гликоалколоидов, благодаря последовательному уменьшению этого показателя в процессе многодесятилетней классической селекционной работы. Что касается сортов с относительно медленным темпом накопления хлорофилла и позеленения кожуры, то это не недостаток и не повод от них отказываться. Но при реализации картофеля необходимо официально информировать торговые организации о том, что сорт имеет особенность, чтобы не допускать чрезмерно длительного нахождения клубней на свету и вызванных этим претензий покупателей на неожиданно горьковатый вкус при отсутствии явного позеленения.