За матеріалами статті на тему «The Effects of Nanoemulsion Film Coatings Containing Essential Oils on the Storage Quality of Sugar Beets (Beta vulgaris L.)» («Вплив наноемульсійного плівкового покриття, що містить ефірні олії, на якість зберігання цукрових буряків (Beta vulgaris L.)») журналу Turkish Journal of Agriculture - Food Science and Technology, 12(s4).

Спосіб зберігання, тривалість, температура та вологість середовища зберігання істотно впливають на показники післязбиральної якості цукрових буряків. Через обмежені переробні потужності заводів терміни зберігання зібраного буряка подовжують. При тривалому зберіганні коренеплоди втрачають воду, суху речовину, а отже, і масу. Крім того, фактори навколишнього середовища сприяють поширенню грибкових і бактеріальних патогенів у середовищі зберігання, що призводить до значних втрат як кількості, так і якості буряків, які підлягають переробці. У коренеплодах, які зберігаються протягом тривалого періоду, розвиток грибкових мікроорганізмів, таких як Botrytis cinerea, Phoma betae та Penicillium vulpinum, посилюється впливом температури та вологості. Грибкові та бактеріальні інфекції, викликані коливаннями температури та вологості в умовах відкритого зберігання, додатково сприяють втратам цукру в коренеплодах. Під час зберігання вкрай важливо підтримувати рівень цукру в буряках і мінімізувати втрати, викликані мікробними інфекціями. Оскільки використання хімічних фунгіцидів на етапі зберігання цукрових буряків, які є сировиною для харчової промисловості, вважається недоцільним із точки зору впливу на здоров’я, важливою темою стає дослідження природних методів зменшення грибкових інфекцій і запобігання втратам маси та якості буряків під час їх зберігання.

Хітозан, отриманий з хітину в панцирах ракоподібних, є природним їстівним полімером, нетоксичним та екологічно чистим. Це лінійний полісахарид, отриманий шляхом деацетилювання хітину. Хітозан відомий як універсальний біополімер, який широко використовується як їстівне покриття для фруктів та овочів завдяки його чудовій плівкоутворюючій здатності, біосумісності та надійній механічній міцності. Крім того, хітозан має різні корисні для здоров’я функціональні властивості, включаючи протигрибкову, антибактеріальну, протипухлинну, антиоксидантну та гіпохолестеринемічну дію.

Останні дослідження були зосереджені на покращенні їстівних полімерних покриттів шляхом включення в них натуральних добавок, що значно підвищує їхні захисні властивості. Було проведено широкі дослідження хітозану, особливо в поєднанні з іншими природними компонентами, такими як додаткові природні полімери, поліфенольні сполуки, наноемульсії та ефірні олії, щоб покращити його функціональність. Додавання ефірних олій до їстівних покриттів помітно підвищило їх антимікробну ефективність.

Дослідження показали, що ефірні олії запобігають розвитку грибкових інфекцій, які завдають економічної шкоди культурам, і виявляють сильну протигрибкову дію. Повідомлялося, що обробка цукрових буряків ефірними оліями кропу (Anethum graveolens L.), гвоздики (Szygium aromaticum) і турецької трави (Echinophora tenuifolia) після збирання може зменшити втрати маси під час зберігання приблизно на 37%. У відповідних дослідженнях було виявлено, що деякі ефірні олії, нанесені на листя рослин, можуть впливати на активність ферментів, що призводить до значного впливу на фотосинтетичну активність, ріст під час вегетаційного періоду та розвиток хвороб. В іншому дослідженні ефірні олії, нанесені на листя цукрових буряків, впливали на активність ферментів синтезу сахарози та знижували частоту та важкість хвороб плямистості листя.

Дане дослідження спрямоване на визначення впливу наноемульсійних плівкових покриттів на основі хітозану, створених із використанням ефірних олій чебрецю (Thymus vulgaris), гвоздики (Szygium aromaticum), імбиру (Zingiber officinale Rosc.) і чайного дерева (Melaleuca alternifolia), нанесених на буряки на початку їх зберігання, на розвиток грибкових інфекцій, а також на втрати маси та якості цукрових буряків.

Матеріали та методи

Матеріали

Дослідження проводилося у 2022 році. У дослідженні використовувався посівний матеріал сорту Conviso Smart, отриманий від KWS Türk, тоді як ефірні олії T. vulgaris, S. aromaticum, Z. officinale Rosc., M. alternifolia та хітозан використовувалися як матеріали для обробки коренеплодів.

Методи

Виробництво цукрових буряків

Посівна цукрових буряків проводилася в перший тиждень квітня пневматичною сівалкою з міжряддями 10х45 см. Одночасно з посівом вносили 40 кг/да (1 дунам = 0,1 га) добрива Super Beet (N:13-P:18-K:15-S:10) і 18 кг/да сульфату амонію (21% N), а під час першого прополювання вносили 20 кг/да карбаміду (46% N), в результаті чого загальне внесення добрив становило 18-7-6 кг/да N-P-K. Полив проводили за допомогою спринклерної системи, коли вологість ґрунту опускалася нижче 50% або коли верхній шар ґрунту висихав на 10 см.

Після отримання сходів під час першого прополювання рослини проріджували до відстані між ними 20 см. Гербіцид Бетанал МаксПро (47 г/л десмедифаму + 75 г/л етофумезату + 27 г/л ленацилу + 60 г/л фенмедифаму, Bayer CropScience AG) використовували, коли цукрові буряки мали 2-6 листочків, і проводили два ручні сеанси прополки протягом вегетаційного періоду для боротьби з бур’янами. Після 170-денної вегетації (20 жовтня) цукрові буряки збирали, зрізуючи бадилля. Із зібраних буряків для дослідження на зберігання відбирали буряки середньою масою 1250-1500 г, без хвороб і шкідників, і того ж дня розпочинали процес зберігання.

Протягом усього періоду зберігання втрати маси коренеплодів вимірювали з 30-денними інтервалами. Наприкінці періоду зберігання визначали такі параметри, як твердість, вміст сухої речовини, значення Брікс, полярний цукор, відновлюваний цукор, вміст альфа-аміноазоту та гліцинбетаїну, а також проводили моніторинг грибкових інфекцій у стеблах коренів.

Протягом періоду зберігання коренеплоди зважували кожні 30 днів і втрати маси виражали у відсотках відносно початкової маси. Аналіз полярного цукру та α-аміноазоту проводили відповідно до методів ICUMSA (Міжнародної комісії з уніфікованих методів аналізу цукру). Вміст полярного цукру визначали за допомогою поляриметричного методу, заснованого на холодному зброджуванні, тоді як вміст α-аміно азоту визначали за допомогою методу блакитного числа шляхом спектрофотометричного аналізу. Значення Брікс коренеплодів було визначено шляхом вимірювання показника заломлення соку після охолодження бурякового екстракту до 20°C без будь-якої подальшої обробки та виражено у % сухої речовини. Зниження вмісту цукру визначали і результати виражали в мг/100 г свіжої маси. Ріст білої та зеленої плісняви ​​на коренеплодах визначали шляхом вимірювання діаметра інфекції в міліметрах на 5 випадково відібраних інфікованих коренеплодах.

Результати та обговорення

Втрати маси (%)

Вплив обробок і тривалості зберігання на втрати маси цукрових буряків був статистично значущим (P<0,01). У дослідженні всі варіанти плівки ефірної олії, за винятком усіх доз Z. officinale (8,06-8,46%), зменшили втрати маси буряків, порівняно з контрольним необробленим зразком (8,91%). Найменша втрата маси спостерігалася з плівковими складами M. alternifolia 250 ppm (5,67%) і 500 ppm (5,18%). У процесі зберігання значно зросли втрати маси коренеплодів (Табл. 1).

Високий вміст води та метаболічна активність коренів призводять до втрати маси та якості буряків після збирання. Втрати маси залежать від сорту, ступеня пошкодження, фізіологічної зрілості кореня, стану хвороби, температури, вологості та тривалості зберігання. Оптимальна температура зберігання буряків 4-6°С, відносна вологість повітря 95-98%. Високі температури та низька вологість збільшують втрати маси.

У цьому дослідженні застосування плівкового покриття з ефірної олії показало знижуючий вплив на втрати маси, порівняно з контрольним необробленим зразком. Вважається, що зменшення втрати маси, що спостерігається при застосуванні плівкового покриття M. alternifolia, пов’язане зі здатністю цієї обробки зменшувати розвиток інфекції в корені.

У відповідних дослідженнях повідомлялося, що зі збільшенням тривалості зберігання у відкритому кагаті втрати маси також збільшуються. Крім того, було виявлено, що втрати маси є вищими на початку періоду зберігання, із середньодобовою втратою маси 2,08% для кагатів, які зберігалися протягом 5-7 днів у Туреччині. Порівняно з контрольним зразком, зразки, оброблені хітозаном, змогли контролювати процес дихання, утворюючи бар’єр на поверхні коренеплодів, таким чином запобігаючи обміну O₂ і CO₂ між покритими шарами зразка та навколишнім середовищем, тим самим подовжуючи термін зберігання.

Таблиця 1. Зміни втрати маси цукрових буряків протягом періоду зберігання (%)

Твердість (N)

Вплив обробок на твердість цукрових буряків був статистично значущим (P<0,05). Наприкінці періоду зберігання міцність коренів була вищою при застосуванні олії M. alternifolia у дозах 250 і 500 ppm (88,3-89,0 N) та T. vulgaris (86,3-88,7 N). Навпаки, твердість буряків, оброблених Z. officinale у всіх дозах (74,7-76,6 N), була подібною до контрольного необробленого зразка (73,3 N) (Табл. 2).

Твердість, реакція на фізичний тиск, пов’язана з тургором буряка, і щоб запобігти втраті твердості під час зберігання, потрібно звести до мінімуму втрати води. Проте протягом періоду зберігання цукрові буряки постійно втрачають вологу, а втрати вологи збільшуються внаслідок коливань температури та розвитку інфекцій.

Таблиця 2. Протягом періоду зберігання цукрових буряків змінюється твердість (N), співвідношення сухої речовини (%) і значення Брікс (%)

Вміст сухої речовини (%)

Зміни вмісту сухої речовини коренеплодів під час зберігання виявилися статистично значущими (P<0,01). Наприкінці терміну зберігання вміст сухої речовини буряків, оброблених препаратами олійної плівки Z. officinale у всіх дозах (21,3-21,9%), був подібним до контрольного необробленого зразка (22,2%). Навпаки, коренеплоди, оброблені олією T. vulgaris (18,6-18,8%) та олією M. alternifolia (18,6-19,2%), показали нижчий вміст сухої речовини, порівняно з контрольним зразком (Табл. 2).

При зберіганні втрати вологи коренеплодами призвели до відносного збільшення вмісту сухої речовини. У цукрових буряків зовнішні шари коренеплодів швидко втрачають воду після збирання, причому втрати є найбільш значними в перші дні і згодом поступово зменшуються.

Значення Брікс (%)

Зміни значення Брікс цукрових буряків під час зберігання виявилися статистично значущими (P<0,01). Наприкінці терміну зберігання значення Брікс буряків, оброблених олією Z. officinale (26,7-27,8%) та S. aromaticum (26,4-27,4%), було вищим за контрольний зразок (26,1%), тоді як значення Брікс буряків, оброблених олією T. vulgaris 250 ppm та 1000 ppm (22,5-22,7%) і M. alternifolia (21,6-22,8%), були нижчими, ніж у контрольного зразка (Табл. 2).

Величина Брікс вказує на кількість розчинених у воді твердих речовин (головним чином цукрів), зі зменшенням вмісту вологи в коренеплодах величина Брікс зростає. При зберіганні втрати вологи в коренеплодах призвели до підвищення показників Брікс. Подібні результати також спостерігалися щодо вмісту сухої речовини в буряках.

У даному дослідженні коренеплоди буряка, оброблені масляними плівками Z. officinale та S. aromaticum, показали пропорційне збільшення значень Брікс. Ймовірно, це пов’язано з підвищеною проникністю клітин, що призводить до збільшення вмісту сухої речовини.

Вміст полярного цукру (%)

Зміни вмісту полярного цукру в коренеплодах під час зберігання виявилися статистично значущими (P<0,01). Вміст полярного цукру в буряках, оброблених усіма дозами Z. officinale (18,9-19,7%) і S. aromaticum (18,8-19,9%), а також T. vulgaris при 250 і 500 ppm (18,6%), збільшився, порівняно з контрольним зразком, тоді як вміст полярного цукру в буряках, оброблених олією M. alternifolia (17,1-17,7%) у всіх дозах і T. vulgaris при 1000 ppm (18,0%), був подібним до контрольного зразка (17,1%) (Табл. 3).

Під час зберігання цукрові буряки втрачали вологу, а вміст сухої речовини в них збільшувався. Вміст цукру в коренеплодах становить значну частину сухої речовини, тому зі збільшенням вмісту сухої речовини пропорційно зростає і вміст цукру. Таким чином, очікується, що обробки, які збільшують вміст сухої речовини, також збільшать вміст полярного цукру. Дійсно, обробки, які призвели до найвищого вмісту сухої речовини, також показали найвищий вміст полярного цукру.

У 2022 році повідомлялося про те, що застосування 1000 ppm ефірної олії S. aromaticum на початку зберігання цукрових буряків знизило вміст полярного цукру на 17,1%. Крім того, було відмічено, що активність ферментів, які беруть участь у синтезі сахарози, таких як сахарозофосфатсинтаза та сахарозосинтаза, як правило, підвищується з плівковими покриттями ефірної олії, причому це збільшення досягає 3-4 разів. Ці ефірні олії можуть змінювати вміст полярного цукру, впливаючи на активність ферментів сахарозофосфатсинтази, сахарозосинтази та інвертази.

Таблиця 3. Зміни вмісту полярного цукру (%) та α-аміноазоту (мг/100 г) у цукрових буряках протягом їх зберігання

Вміст α-аміноазоту (мг/100 г)

Зміни вмісту α-аміноазоту в цукрових буряках під час їх зберігання виявилися статистично значущими (P<0,01) на основі обробок, застосованих на початку зберігання. Наприкінці періоду зберігання найнижчий вміст α-аміноазоту спостерігався в буряках, оброблених олією M. alternifolia 250 ppm (6,70 мг/100 г) та 500 ppm (5,67 мг/100 г). З іншого боку, вміст α-аміноазоту в коренеплодах буряків, оброблених Z. officinale (9,47-10,6 мг/100 г) та S. aromaticum 250 ppm (9,80 мг/100 г) і 500 ppm (9,87 мг/100 г), був подібним до контрольного зразка (10,6 мг/100 г) (Табл. 3).

У цукрових буряках гідроліз нерозчинних сполук азоту, таких як білки, в амінокислоти призводить до збільшення концентрації α-аміноазоту. У цукрових буряках α-аміноазот перешкоджає кристалізації цукру, тим самим знижуючи вихід рафінованого цукру. Вважають, що збільшення вмісту α-аміноазоту в коренеплодах буряків пов’язане з пропорційним збільшенням вмісту сухої речовини. За невідповідних умов зберігання повідомлялося як про прямі втрати цукру внаслідок дихання, так і про непрямі втрати від накопичення нецукрових речовин, які знижують вихід білого цукру. Іншим фактором, що впливає на вміст α-аміноазоту, є стресові умови. Було показано, що вміст α-аміноазоту збільшується при механічних пошкодженнях і стресових умовах навколишнього середовища після збирання врожаю, з тісним, лінійним зв’язком між стресом і α-аміноазотом. Зменшення вмісту α-аміноазоту в коренеплодах буряків, оброблених плівковими покриттями з ефірної олії M. alternifolia 250 ppm і 500 ppm, може бути наслідком більшої стресостійкості, наприклад до хвороб зберігання.

Зниження вмісту цукру (мг/100 г)

Зміни вмісту відновлюваного цукру в буряках під час зберігання виявилися статистично значущими (P<0,01) на основі обробок, застосованих на початку зберігання. У дослідженні вміст відновлюваного цукру був нижчим у коренеплодах, оброблених усіма дозами олії M. alternifolia (0,24-0,26 мг/100 г) і T. vulgaris (0,26-0,29 мг/100 г), а також у коренеплодах, оброблених хітозаном (0,31 мг/100 г) і S. aromaticum 250 ppm (0,33 мг/100 г), порівняно з контрольним зразком (0,48 мг/100 г). Проте вміст відновлюваного цукру в буряках, оброблених Z. officinale 500 і 1000 ppm (0,46-0,43 мг/100 г) і S. aromaticum 500 і 1000 ppm (0,47-0,42 мг/100 г), був подібним до контрольного зразка (Табл. 4).

Під час зберігання сахароза гідролізується до редукуючих цукрів під дією інвертази, ферменту, який бере участь у диханні, що призводить до збільшення вмісту редукуючих цукрів. Згідно з цим, високі дози ефірних олій Z. officinale та S. aromaticum, як вважається, викликали фітотоксичність, збільшуючи частоту дихання та, отже, сприяючи збільшенню відновлюваного цукру, оскільки цукри розщеплювались для дихання. Попередні дослідження також повідомляли, що деякі ефірні олії, такі як кріп і гвоздика, у високих дозах викликають фітотоксичність, збільшуючи частоту дихання, що призводить до розщеплення цукрів і збільшення відновлюваного цукру.

Таблиця 4. Зміни коефіцієнту відновлюваного цукру (мг/100 г) та гліцинбетаїну (мг/г маси) у цукрових буряках під час зберігання

Вміст гліцин-бетаїну (мг/г маси)

Зміни вмісту гліцинбетаїну в коренеплодах під час зберігання виявилися статистично значущими (P<0,01) на основі обробок, застосованих на початку зберігання. У дослідженні вміст гліцинбетаїну був нижчим у коренеплодах буряка, оброблених усіма дозами олії M. alternifolia (2,66-3,22 мг/г маси) та T. vulgaris (3,00-3,27 мг/г маси), а також у буряках, оброблених хітозаном (2,76 мг/г маси), порівняно з контрольним зразком (5,15 мг/г маси). Проте вміст гліцинбетаїну в коренеплодах, оброблених Z. officinale при 500 і 1000 ppm (5,02-4,72 мг/г маси) та S. aromaticum при 500 і 1000 ppm (5,25-5,04 мг/г маси), був подібним до контрольного зразка (Табл. 4).

Збільшення вмісту гліцинбетаїну в рослинах, оброблених ефірними оліями, можна пояснити здатністю цих олій впливати на певні біохімічні процеси, наприклад сприяти синтезу фітоалексинів (які відповідають за стресостійкість деяких рослин). Дійсно, збільшення синтезу гліцинбетаїну в умовах стресу свідчить про те, що ця сполука відіграє активну роль у підвищенні стресостійкості. Гліцинбетаїн функціонує як донор метилу в деяких біохімічних шляхах синтезу, тим самим підвищуючи стійкість до стресу.

Діаметр білої та зеленої цвілі (см)

Зміни у швидкості утворення зеленої плісняви ​​на коренеплодах були статистично значущими (P<0,01) залежно від обробок, застосованих на початку зберігання. Усі обробки плівковим покриттям зменшили діаметр зараження зеленою пліснявою на коренеплодах, порівняно з контрольною групою (9,0%), при цьому найвищу протигрибкову активність спостерігали у композиціях плівки олії M. alternifolia (3,30-4,03%) у всіх дозах, а також T. vulgaris при 500 ppm (3,83%) і 1000 ppm (4,00%) (Табл. 5).

Зміни у швидкості утворення білої плісняви ​​на коренеплодах були статистично значущими (P<0,01) залежно від обробок, застосованих на початку зберігання. Діаметр зараження білою пліснявою на коренеплодах зменшували всі дози плівкових препаратів олії M. alternifolia (1,63-2,03%) та T. vulgaris (2,13-2,30%), а також обробки хітозаном (1,87%), порівняно з контрольним зразком (3,07%). Проте всі дози Z. officinale (3,23-3,40%), а також олії S. aromaticum при 1000 ppm (2,73%) і 500 ppm (2,83%) показали подібні або вищі рівні розвитку білої плісняви, ​​порівняно з контрольним зразком (Табл. 5).

Таблиця 5. Зміни діаметра білої плісняви ​​(см) та зеленої плісняви ​​(см) цукрових буряків протягом періоду зберігання

Дихання цукрових буряків, що зберігаються у високих кагатах, особливо в середині кагату, призводить до підвищення температури. У поєднанні з факторами зовнішнього середовища це створює сприятливе середовище для розвитку збудників захворювань.

Повідомлялося, що хвороботворні мікроорганізми, які разом із буряками з поля потрапляють у кагати, викликають розвиток захворювань за невідповідних умов зберігання, причому найпоширенішими захворюваннями, які спостерігаються під час зберігання, є сіра гниль (Botrytis cinerea), чорна гниль (Alternaria radicina), бактеріальна м’яка гниль (Pectobacterium caratovora), синьо-зелена гниль (Penicillium spp.), біла гниль (Sclerotinia sclerotiorum) і м’яка гниль (Rhizopus oryzae).

Хітозан має антимікробну дію проти бактерій, дріжджів і грибків. Руйнування білка та міжклітинних компонентів відбувається внаслідок взаємодії між амінними групами в позитивно зарядженій молекулі хітозану та негативно зарядженій мембрані мікробної клітини. Вторинні метаболіти в рослинах відіграють захисну роль, таку як антиоксидантна активність, поглинання вільних радикалів і поглинання УФ-променів. Окрім цього, вони також є частиною захисного механізму рослин від мікроорганізмів.

Застосування ефірних олій і деяких рослинних екстрактів збільшує виробництво фітоалексинів у рослинах. Склади плівки ефірної олії M. alternifolia і T. vulgaris, використані в цьому дослідженні, продемонстрували високу протигрибкову активність проти інфекцій сірої та зеленої цвілі.

Висновки

Дослідження показало, що, покриваючи коренеплоди цукрових буряків плівкою ефірної олії після збирання, втрати маси протягом періоду зберігання можуть бути зменшені приблизно на 42%, порівняно з контрольним необробленим зразком. Покриття плівкою ефірної олії мало значний вплив на якість зберігання коренеплодів, а вміст α-аміноазоту та відновлюваних цукрів, які негативно впливають на якість коренеплодів, значно зменшився при деяких обробках. Високий рівень фітотоксичності спостерігався в коренях, оброблених складом ефірної олії Z. officinale. Композиції ефірної олії M. alternifolia і T. vulgaris значно зменшили розвиток інфекцій сірої та зеленої цвілі на коренях. Було виявлено, що обробка коренеплодів цукрових буряків перед їх зберіганням, особливо 500 ppm композиції плівки ефірної олії M. alternifolia, може значно зменшити втрати маси та якості буряків після збору врожаю, а також розвиток грибкових патогенів під час зберігання.