По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), основным фактором, определяющим на 52-55% здоровье нации, являются социально-экономические условия и образ жизни, в первую очередь - качество питания, что существенно более значимо, чем экологическая обстановка (20-25%), генетическая предрасположенность (18-20%), уровень развития системы здравоохранения (8-12%). Доказано, что 80% заболеваний связано с нарушениями питания, а 41% непосредственно ими детерминируется (Европейское региональное бюро ВОЗ, Копенгаген, 2003). Неудивительно, что алиментарно-зависимые (зависящие от фактора питания), или хронические неинфекционные, заболевания имеют все более широкое распространение. К данным заболеваниям относятся в первую очередь ожирение, сахарный диабет и другие метаболические заболевания, иммунодефициты, остеопороз, многие доброкачественные и злокачественные опухоли, заболевания сердечно-сосудистой системы и желудочно-кишечного тракта, включая дисбактериозы, в значительной степени патология беременности. Высокий уровень заболеваемости влечет за собой повышение смертности и снижение рождаемости. Нарушения питания в большинстве стран мира в настоящее время связаны не с дефицитом основных компонентов пищи - макронутриентов (белков, углеводов, липидов): на первый план вышла проблема так называемой malnutrition - качественной неполноценности питания - недостатка микронутриентов - витаминов, микроэлементов, фитохимических соединений (биологически активных веществ растительного происхождения), играющих важнейшую роль в жизнедеятельности организма. Данная проблема в полной мере касается и России. По данным НИИ питания РАМН, у 60-80% населения выявляется круглогодичный дефицит витамина С, у 50-60% - витаминов Е и группы В, у 30% - витамина А, у 70% - фолиевой кислоты. Полигиповитаминоз сочетается с дефицитом селена, йода, железа, кальция, цинка, фтора и других макро - и микроэлементов. В целом, нарушения питания отмечаются практически у 100% россиян, определяя на 75% риск преждевременной смерти (в развитых зарубежных странах этот показатель не превышает 36%).

В качестве одной из основных причин дефицита микронутриентов в пище рассматривается прогрессирующее снижение их уровня в продуктах сельского хозяйства, предназначенных как для потребления человеком в натуральном виде либо после переработки, так и для использования в качестве кормов в животноводстве. Так, уровень кальция, железа и магния в ряде растительных культур снизился к настоящему времени, по сравнению с 1914 г., более чем в 10 раз. Только за последние 30 лет содержание железа, магния, фосфора, витамина С уменьшилось в таких популярных фруктах, как яблоки, на 40-60%. В свою очередь, дефицит микронутриентов в кормовых культурах не только приводит к развитию целого ряда тяжелых заболеваний сельскохозяйственных животных, снижению интенсивности роста, репродуктивной активности, но и является причиной уменьшения их количества в конечных продуктах животноводства, предназначенных для потребления человеком. Так, за те же 30 лет содержание железа, витаминов группы В в говядине и птичьем мясе упало на 30-70%, а витамин А уже практически не определяется [1].

В значительной степени данная тенденция связана с массовым внедрением интенсивных технологий производства сельскохозяйственной продукции с применением химических удобрений, пестицидов, различных стимуляторов роста, гормонов. Использование подобных технологий, несмотря на повышение продуктивности, ведет не только к снижению уровня микронутриентов в получаемых продуктах питания, но и к их контаминации токсическими соединениями. Известно, что основную часть таких экзотоксинов человек получает именно с пищей - порядка 80% солей тяжелых металлов и нитратов, 95% ядохимикатов и радионуклидов. Так, даже в России, где применение подобных средств существенно ниже, чем за рубежом, в среднем около половины основных пищевых продуктов (хлебобулочных изделий, круп, чая, сливочного масла, твердых сыров, рыбопродуктов, мясных и молочных консервов), бракуется по показателям безопасности. В качестве еще одной причины снижения пищевой ценности продуктов следует назвать бурное развитие новых агрессивных технологий переработки сырья и производства готовой продукции, массовое производство рафинированных продуктов.

Повышение содержания дефицитных микронутриентов в продуктах питания и снижение уровня их контаминации рассматривается в настоящее время в качестве важнейших элементов концепции безопасности питания [2]. В России также Указом Президента РФ (Приказ № 120 от 30 января 2010 г.) утверждена Доктрина продовольственной безопасности Российской Федерации. Согласно этому документу, основными задачами, стоящими перед агропромышленным комплексом и пищевой промышленностью, являются достижение продовольственной независимости страны за счет повышения удельного веса отечественной сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия, а также обеспечение безопасности и качества потребляемых пищевых продуктов, в том числе и увеличения содержания в них дефицитных микронутриентов.

Для решения этих задач в настоящее время используются следующие методические подходы:

Обогащение (fortification) готовых продуктов витаминно-минеральными комплексами (премиксами) и фитохимическими соединениями либо использование данных компонентов в форме концентратов - биологически активных добавок (БАД) к пище [3]. Подобные продукты, например, в США потребляют около 70% населения, в то время как в России - не более 10-15%.

Применение агротехнологий, обеспечивающих включение в питание растений дополнительных микроэлементов. В контексте традиционной агрономии питание растений обусловлено мобилизацией, включением и усвоением незаменимых (лимитирующих) элементов, а также их влиянием на рост растения, развитие, репродукцию и адаптацию к окружающей среде. Для высших растений незаменимыми являются 17 элементов, из которых 14 - минералы, которые растение в основном получает из почвы:

Ca2+, NO3-, Fe3+, Fe2+, Mo6+, SO42-, Cu2+, PO43-, Ni2+, NH4+, Mg2+, Mn2+, Zn2+, Cl^-, K⁺, B³⁺ [4]. Микроэлементы могут присутствовать в растениях в ионизированной форме либо в виде органоминеральных комплексов, в первую очередь с белками, являясь компонентами ферментов (металлоферментов), витаминов, гормонов, дыхательных пигментов. Эффекты таких соединений проявляются в комплексном регуляторном воздействии на метаболизм растения, в том числе и на процесс биосинтеза ими так называемых вторичных растительных ингредиентов (метаболитов) - фитохимических соединений (phytochemicals), фитонутриентов (phytonutrients). Данные соединения не играют жизненно важной роли в метаболизме растений и предназначены для повышения их резистентности к неблагоприятным факторам окружающей среды биотической и абиотической природы. В то же время многие из этих соединений крайне значимы для организма человека [5]. Так, широко известна высокая антиоксидантная активность биофлавоноидов. Перспективным является применение для профилактики и повышения эффективности лечения сахарного диабета органических соединений ванадия - микроэлемента, проявляющего свойства инсулиномиметика [6]. Обсуждаются перспективы использования фитонутриентов для повышения функциональной активности головного мозга человека [7]. В целом, около половины всех лицензированных лекарственных средств, зарегистрированных в мире до 2007 г., является продуктами растительного происхождения либо их синтетическими аналогами [8]. В России уровень потребления многих фитонутриентов регламентируется, в частности, рекомендациями, разработанными НИИ Питания РАМН [9].

Зависимость между уровнем потребления растением микроэлементов и образованием в них определенных фитохимических соединений известна давно. Так, растения - "суперконцентраторы" марганца и меди - отличаются повышенным уровнем витаминов С и группы В; кобальта - витамина В₁₂; марганца, меди, молибдена, кобальта - гликозидов; меди и хрома - витаминов К, С, каротиноидов; марганца, меди, хрома, никеля - дубильных веществ и антоцианов; хрома и ванадия - полисахаридов [10, 11]. Распределение минералов и фитонутриентов в растении также имеет специфику в зависимости от его органа и ткани [12].

Известно, что потребление растением микроэлементов составляет не более 1% от содержания их в почвах. Для повышения уровня минералов в растении используется, например, такая методика, как опрыскивание листьев. Так, в Финляндии подобный подход обогащения пшеницы селеном позволил за 14 лет увеличить уровень потребления этого минерала населением с 25 до 124 мкг/день, а обогащение селеном кормовой пшеницы - повысить его содержание в мясе скота. Подобные технологии разработаны также и для обогащения кормов молибденом, никелем, цинком, йодом [13]. В рамках подобного подхода следует рассматривать и различные гидропонные технологии проращивания семян. Так, показано, что обогащение питательной среды селеном в форме SеO₄^{2 -} стимулирует в проростках брокколи и лука синтез метилселеноцистеина (MeSeCys) - небелковой аминокислоты, обладающей у человека выраженным хемопротективным действием [14].

Применение растений, содержащих повышенные уровни определенных фитохимических соединений, в сельскохозяйственной практике также распространено. Такие компоненты рациона, получившие название фитогенные кормовые добавки (фитогеники, рhytogenics, фитобиотики), проявляют антиоксидантный и антимикробный эффекты, способны улучшать вкусовые качества и, соответственно, поедаемость кормов, благо приятно влияют на функцию желудочно-кишечного тракта. В целом они предназначены для повышения продуктивности поголовья животных и птиц, стимуляции воспроизводства, улучшения потребительских свойств продукции [15]. Специфика применения в животноводстве фитогеников активно обсуждается в специализированной зарубежной литературе начиная с 2000 г. Интерес к ним связан с ограничением на применение в сельскохозяйственной практике ряда синтетических антибиотиков и стимуляторов роста, введенным в странах Евросоюза в 1999 г., еще большим ужесточением таких требований в 2006 г. и перспективами дальнейшего запрета подобных препаратов во многих государствах [16]. Фитогеники, в отличие от таких средств, могут применяться у здоровых животных практически в течение всей их жизни, а не только ограниченное время в соответствии с определенными показаниями. Одним из наиболее известных фитогеников является трава тимьяна (Thymus vulgaris) [17]. Исследованиями, проведенными СибНИИСХиТ Россельхозакадемии совместно с Ботаническим садом Томского государственного университета (г. Томск), показано, что свойствами фитогеников обладает трава копеечника альпийского. При применении у молочных поросят их гибель от желудочно-кишечных и бронхо-легочных заболеваний снизилась по сравнению с контролем на 12,4% [18].

3. Разработка и внедрение агротехнологий, направленных на изменение метаболизма растений с целью регуляции уровня включения содержащихся в почве макро - и микроэлементов и трансформации их в биодоступные для организма человека и животных органоминеральные комплексы и фитохимические соединения. Это направление, получившее название биообогащение (biofortification), активно реализуется Международным институтом изучения проблем питания (Вашингтон) в рамках международной программы "Harvest Plus" [19]. Основными технологиями биообогащения являются создание генетически модифицированных либо выведенных путем селекции новых сортов растений, отличающихся повышенным содержанием определенных минералов, витаминов и других фитонутриентов, а также изыскание методов регуляции синтеза растениями данных микронутриентов.

микронутриент состав продукт питание

Биообогащение рассматривается в настоящее время как наиболее перспективное, передовое и экономически оправданное направление повышения качественных показателей сельскохозяйственной продукции в первую очередь за счет ликвидации дефицита таких нутриентов, как каротиноиды, железо, йод и цинк в рационе питания более половины населения земного шара, проживающего преимущественно в развивающихся странах [20]. Биообогащение растений железом рассматривается как реальный путь ликвидации железодефицитных состояний, в том числе анемий, выявляемых, согласно данным WHO (World Health Organization), у 41% женщин и 27% детей [21]. Кроме того, имеются данные, что провита мины и витамины, образующиеся в растениях, подвергнутых различным методам биообогащения, имеют большую биодоступность для организма человека. Это показано, в частности, для витамина А, образующегося в организме человека из его провитамина, синтезируемого в "биообогащенных" рядом минералов бананах [22]. Усвоение цинка из пшеницы, биообогащенной этим важнейшим микроэлеменом, у женщин было на 2,7 - 5,7 мг/день выше (суточная норма 12 мг), чем при потреблении обычной пшеницы [23].

В целом, в научном мире укрепилось мнение, что такой метод обеспечения человека витаминами является, безусловно, перспективным [24]. Перспективам биообогащения продуктов питания цинком, железом, каротиноидами, токоферолом, полиненасыщенными жирными кислотами, пантотеновой кислотой (витамином В₉), аскорбиновой кислотой, глутатионом, фолиевой кислотой, витамином В₂ посвящен специальный выпуск журнала "Physiol Plant" в 2006 г., а вводная статья носит весьма оптимистичное название "Новая эра в исследовании метаболизма растений открывает блестящие перспективы для биообогащения и питания человека" [25]. Биообогащение рассматривается также как метод повышения резистентности растений к различным видам абиотического стресса: повышенной температуре, УФ-облучению, возрастающему уровню активных форм кислорода и азота, различным контаминантам [26].

Теоретическим базисом для разработки таких технологий является концепция, получившая название нутриомика (иономика). В рамках нутриомики нутриент-минерал рассматривается как сигнальная молекула либо субстрат, инициирующий комплекс биохимических процессов в клетках растения, которые, в свою очередь, могут регулироваться на геномном, транскриптомном, протеомическом (в данном случае биосинтетическом) и метаболическом уровнях. Таким образом, нутриомика позволяет выявлять интегрированные функции и взаимоотношения нутриентов-минералов на различных иерархических уровнях - молекулярном, клеточном, органном и макроуровне [27].

Большинство разработок по биообогащению, проводимых а рамках концепции нутриомики, направлено, в конечном счете, на модификацию белковых компонентов транспортных систем минералов и металлоферментов, участвующих в биосинтезе определенных фитохимических соединений. Известно, что поступление минералов в растения осуществляется как путем диффузии, так и с помощью специфичных транспортных систем. Такие высокоэффективные транспортные системы описаны, например, для Fe²⁺ [28]. Для растения они исключительно важны, поскольку лимитируют синтез фермента никотинаминсинтетазы, катализирующего образование никотинамина, играющего важнейшую роль в гомеостазе железа и цинка у высших растений [29]. В механизме действия таких транспортных систем для катионов ведущую роль играет семейство бел ков толерантности к металлам (metal tolerance proteins, MTPs), которые идентифицированы во многих растениях и являются специфичными для Zn²⁺, Mn²⁺ и Fe²⁺ [30].

Нутриомика растений активно развивается во многих странах, в том числе в Китае, где с ее помощью в настоящее время свершается "Вторая зеленая революция", которая базируется на применении растений, адаптированных к почвам с низким плодородием. Первая подобная "революция" происходила в 1960-е гг., целью которой было формирование высокого плодородия почв, и она характеризовалась массовым и подчас неоправданным применением минеральных удобрений. Последствия ее были весьма печальны - в 2010 г. в 13 из 29 провинций страны почва, благодаря повышенному содержанию в ней азота, оказалась практически не пригодной для земледелия [31]. В настоящее время в Китае активно применяется методология "биообогащения" в рамках упомянутой международной программы HarvestPlus, конкретно - ее подпрограммы HarvestPlus China. Основные проекты, осуществляемые в стране в соответствии с этой подпрограммой, - разработка методов обогащения растений биодоступным железом (4 проекта), цинком (1 проект), провитамином А - каротиноидами (2 проекта) (http://www.harvestplus-china).

Изменение метаболизма растений возможно также в результате воздействия различных регуляторов природного происхождения, в частности на основе гуминовых веществ торфа. Эти соединения обладают свойствами тончайших регуляторов биохимических и физиологических процессов в растительной клетке, что предполагает широкий спектр проявления их физиологической активности, в частности возможность усиления биосинтеза в растениях биологически активных веществ [32, 33]. Подобные эффекты биологически активных гуминовых соединений позволяют рассматривать применение препаратов на их основе в качестве одного из методов биообогащения. Более того, подобный подход позволит получать продукты растениеводства, лишенные недостатков, свойственных генетически модифицированным культурам, и, тем самым, приблизить их по качественным характеристикам к экологическим продуктам. Наиболее целесообразно применять такие технологии для выращивания зерновых культур, широко используемых не только для производства хлебобулочных изделий, но и в качестве зеленых кормов для животноводства. Так, в исследованиях, проведенных в СибНИИСХиТ, показано, что обработка вегетирующих растений пшеницы растворами препаратов торфа в малых дозах (0,01-0,0001%) позволяет увеличить содержание белка в зерне на 15%, а сбор белка с гектара - на 18%. При обработке семян озимой ржи осенью перед посевом либо весной выявлено повышение содержания на 15-22% в зеленой массе содержания витаминов Е, В₁, В₂, В₆, пантотеновой кислоты, ниацина, каротиноидов. В ходе совместных исследований с Томским государственным университетом выявлено, что малые дозы этих препаратов способствуют повышению в 4-6 раз ростового индекса клеток культуры княжика сибирского (Atragene sibirica L.) и увеличению количества разновидностей фитохимических соединений, синтезируемых данными клетками [34].

Таким образом, в настоящее время разработаны и успешно применяются технологии повышения пищевой ценности продуктов питания. Наибольший интерес представляют те из них, которые основаны на регуляции метаболизма клеток растений посредством направленного изменения потребления ими нутриентов - микроэлементов. Использование таких технологий позволяет обогатить растения, предназначенные как для потребления человеком, так и для использования в качестве кормов сельскохозяйственными животными, органоминеральными комплексами, витаминами, фитохимическими соединениями, обладающими широким спектром биологических эффектов, способствующими снижению уровня алиментарно-зависимых заболеваний и смертности от данных патологий.

Результаты исследования были представлены автором на Международной молодежной научной школе "Пищевые технологии и биотехнологии" (Томск, 18-22 июня 2012 г.), организованной ФГБ ОУ ВПО "Национальный исследовательский Томский государственный университет" в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы" (ГК № 12.741.11.0112 от 14 мая 2012 г.).

Литература

1. Спиричев В.Б. Научное обоснование применения витаминов в профилактических и лечебных целях. Сообщение 1. Недостаток витаминов в рационе современного человека: причины, последствия и пути коррекции // Вопросы питания. 2010. № 5. С.4-14.

2. Beddington J. Food security: contributions from science to a new and greener revolution // Philosophical Transaction of the Royal Society. Biological Sciences. 2010. Vol.365, № 1537. Р.61-71.

3. Позняковский В.М., Шатнюк Л.Н., Спиричев В.Б. Обогащение пищевых продуктов витаминами и минеральными веществами. Наука и технология. Новосибирск: Сиб. универ. изд-во, 2005.548 с.

4. Epstein E., Bloom A. J. Mineral nutrition of plants: principles and perspectives. 2004.2nd edn. Sunderland, MA: Sinauer Associates.546 р.

5. Martini C., Butelli E., Petroni K., Tonelli C. How Can Research on Plants Contribute to Promoting Human Health? // The Plant Cell. 2011. Vol.23, № 5. Р.1685-1699.

6. Краснов Е.А., Якимова Т.В., Удинцев С.Н. и др. Гипогликемическое действие растительного полиэкстракта // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. 2010. № 12. С.34-38.

7. Kennedy D. O., Wightman E. L. Herbal Extracts and Phytochemicals: Plant Secondary Metabolites and the Enhancement of Human Brain Function // Advanced Nutrition Journal. 2011. Vol.2. P.32-50.

8. Newman D. J., Cragg G. M. Natural products as sources of new drugs over the last 25 years // Journal of Natural Products. 2007. Vol.70. Р.461-477.

9. Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации. Методические рекомендации МР 2.3.1.2432-08. М., 2008.39 с.

10. Ноздрюхина Л.Р., Гринкевич Н.И. Нарушения минерального обмена и пути его коррекции. М.: Наука, 1980.280 с.

11. Poscheinrieder C., Allue J., Tolra R. et al. Trace Elements and Plants Secondary Metabolism: Quality and Efficacy of Herbal Products // Trace Elements as Contaminants and Nutrients / еd. by M. N. V. Prasad Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2008. P.99-120.

12. Conn S., Gilliham M.comparative physiology of elemental distributions in plants // Annals of Botany. 2010. № 105 (7). Р.1081-1102.

13. Prasad M. N. V. Biofortification: Nutritional Security and Relevance to Human Health // Trace Elements as Contaminants and Nutrients / еd. by M. N. V. Prasad Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken. New Jersey, 2008. P.161-182.

14. Arscott S., Goldman I. Biomass Effects and Selenium Accumulation in Sprouts of Three Vegetable Species Grown in Selenium-enriched Conditions // HortScience. 2012. Vol.47, № 4. Р.497-502.

15. Windisch W., Schedle K., Plitzner C., Kroismayr A. Use of phytogenic products as feed additives for swine and poultry // Journal of Animal Science. 2008. Vol.86. P. E140-E148.

16. European Commission. 2003. Regulation (EC) №.1831/2003 of the European Parliament and of the council of 22 September 2003 on additives for use in animal nutrition // Official Journal of European Union. 2003. Vol.268. P.29-43.

17. Удинцев С.Н., Жилякова Т.П., Мельников Д.П. Перспективы применения травы и шрота чабреца // Свиноводство. 2010. № 5. С.18-21.

18. Жилякова Т.П., Свиридова Т.П., Зиннер Н.С. и др. Применение травы копеечника альпийского для повышения эффективности выращивания поросят-сосунов // Научное обеспечение агропромышленного комплекса России: материалы Всерос. науч. - практ. конф., посвящ. памяти Р.Г. Гареева. Казань: Центр инновационных технологий, 2012. С.387-390.

19. Position of the American Dietetic Association: food fortification and dietary supplements // Journal of American Dietetic Association. 2001. № 1, vol.101 (1). Р.115-125.

20. Gibson T. Strategies for preventing micronutrient deficiencies in developing countries // Asia Pacific Journal of Clinical Nutrition. 2004. Vol.13 (Suppl).Р. S23.

21. Stoltzfus R.J. Iron Interventions for Women and Children in Low-Income Countries // J. of Nutrition. 2011. Vol.141, № 4. Р.756S-762S.

22. Bresnahan K.A., Arscott S., Tanumihardjo S. Vitamin A bioefficacy of traditional and provitamin A-biofortified banana // FASEB J. 2011. Vol.25, № 96.2.

23. Rosado J. L., Hambidge K. M., Miller L. V. et al. The Quantity of Zinc Absorbed from Wheat in Adult Women Is Enhanced by Biofortification // Journal of Nutrition. 2009. Vol.139, № 10.Р. 1920-1925.

24. Fitzpatrick T.B., Basset G.J.C., Borel P., Carrar F. Vitamin Deficiencies in Humans: Can Plant Science Help? // The Plant Cell February 2012. Vol.24, № 2. P.395-414.

25. Foyer C.H., Della P.D., Van Der Straeten D. A new era in plant metabolism research reveals a bright future for bio-fortification and human nutrition // Plant Physiology. 2006. Vol.126 (3). P.289-290.

26. Enviromental Adaptations and Stress Tolerance of Plants in the Era Climate Change / еd. by

27. P. Ahmad, M.N.V. Prasad. Springer Science+ Business Media, LLC, 2012.516 p.

28. Memon A.R., Yildizhan Y., Kaplan E. Metal Accumulation in crops - Human Health Issues. // Trace Elements as Contaminants and Nutrients / еd. by M. N. V. Prasad. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2008. P.81-98.

29. Conte S.S., Walker E.L. Transporters Contributing to Iron Trafficking in Plants // Molecular Plant. 2011. № 4 (3). Р.464-476.

30. Hofmann N.R. Nicotianamine in Zinc and Iron Homeostasis // Plant Cell. 2012. Vol.24.

31. Р.373.

32. Podar D., Scherer J., Noordally Z. et al. Metal Selectivity Determinants in a Family of Transition Metal Transporters // The Journal of Biological Chemistry. 2012. Vol.287. P.3185-3196.

33. Yan X., Wu P., Ling H. et al. Plant Nutriomics in China: An Overview // Annals of Botany. 2006. Vol.98 (3). Р.473-482.

34. Бузлама В.С., Шабунин С.В. Структура и биологическая активность гуминовых веществ // Ветеринария. 2007. № 6. С.48-50.

35. Чуков С.Н. Гуминовые вещества: результаты и перспективы исследований // Гуминовые вещества в биосфере: тез. докл. III Всерос. конф. СПб., 2005. С.50-51.

36. Титова Э.В., Удинцев С.Н., Кравец А.В. и др. Механизм действия малых доз препаратов из торфа на растения // Плодородие. 2005. № 3. С.23-25.

Размещено на Allbest.ru