XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование биометрических и биохимических показателей микрозелени семейства Brassicaceae, Fabaceae и Asteraceae при возделывании на беспочвенных субстратах

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Калинина Ю.Н. 1Федюкович Ю.Н. 1

---

1Государственное учреждение образования "Средняя школа № 6 г. Жодино

Павленко Н.В. 1

---

1Государственное учреждение образования "Средняя школа № 6"

Работа в формате PDF

1.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Рост населения, увеличение частоты экстремальных погодных явлений из-за изменения климата, высокие цены на продовольствие все это приводит к увеличению доли людей, страдающих от голода. В дополнение к этому ВОЗ в 2011 г. было введено понятие скрытого голода, относимое к недостатку фитонутриентов, содержащихся в овощах и фруктах. Минеральное недоедание считается одной из важнейших глобальных проблем для человечества, которую можно предотвратить [2]. По данным ученых, более 60% людей в мире Fe-дефинитивны, более 30% – Zn-, а 15% – Se-дефинитивны. Исследования показывают, что потребление овощей связано с сокращением хронических заболеваний, таких как рак, сердечнососудистые заболевания и ожирение. Решить проблему минерального недоедания можно с помощью микрозелени. Микрозелень представляет собой новую функциональную пищу, характеризующуюся в целом более высоким содержанием минеральных веществ [1].

В современном обществе быстро возникают и  сменяют друг друга тренды, популярные в различных сферах жизни. Интеграция отраслей промышленности, науки и  сельского хозяйства привела к появлению в нашей жизни такого тренда как микрозелень (microgreens), также известная как «овощное конфетти».

Производство микрозелени в микромасштабах получает все большее распространение благодаря быстрому циклу роста и созревания, качеству урожая и фитохимической ценности съедобного продукта. Микрозелень - культура, которая в раннем возрасте содержит полезных веществ в десятки и сотни раз больше, чем их содержится во взрослом растении [1]. Микрозелень – это небольшие овощи, максимум 10-12 см в длину [4]. Их выращивают до появления первых настоящих листьев, собирают через 7-12 дней после посева в зависимости от вида.

Выращивать микрозелень — максимально удобно и доступно для каждого человека, так как выращивание микрозелени не является земледелием и имеет четкие признаки органического агропроизводства.

Актуальность темы нашей работы заключается в том, чтобы показать доступный способ поддержания и укрепления своего здоровья
на протяжении всего года в условиях не просто города, а своей квартиры и даже школы.

Целью исследования являлось изучение технологии возделывания различных видов микрозелени на различных беспочвенных субстратах, а также выявление преимуществ и пользы выращивания микрозелени для организма человека.

Задачи:

апробировать технологию выращивания микрозелени на различных беспочвенных субстратах в условиях квартиры;

оценить прорастание семян микрозелени принадлежащей к семействам Brassicaceae, Asteraceae и Fabaceae;

исследовать содержание хлорофилла и аскорбиновой кислоты в выбранных образцах микрозелени;

определить и рекомендовать сроки посадки и повторного посева микрозелени для ее бесперебойного выращивания.

Объект исследования: семена культурных растений микрозелени семейства Brassicaceae, Asteraceae и Fabaceae.

Предмет исследования: возможность культивирования микрозелени
без почвы, а также изучение ее роли в решении глобальной проблемы
человечества – минерального недоедания.

Гипотеза: предположим, что зная об особенностях строения, химического состава растения и технологии выращивания, ее можно будет активно использовать как новую форму высокоценного в белковом, минеральном
и витаминном отношении растения, то есть выращивать микрозелень удобно, доступно и полезно для организма человека.

Методы исследования: анализ научной литературы; агрономические, биологические и химические эксперименты; наблюдение; биометрический анализ.

Практическая значимость исследования состоит в том,
что микрозелень может культивироваться без почвы на подоконнике
в квартире, и она является ценным пищевым сырьем и источником минеральных веществ для человека.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. История происхождения микрозелени

Считается, что впервые понятие «микрозелень» появилось в начале 1980-х гг. в Сан-Франциско в меню ресторанов, где шеф-повара дорогих ресторанов стали добавлять ее в свои блюда. Изначально повара использовали ее
в качестве акцента для закусок, бутербродов, салатов, основных блюд и даже десертов, чтобы подчеркнуть их красоту, вкус и свежесть [2].

1.2. Биологические и химические особенности микрозелени

Микрозелень−это фаза молодого растения, растущего на каком-либо субстрате, имеющего развитый стебель, два первых настоящих листочка. Проще говоря, это съедобные маленькие растения, которым всего
1-3 недели. Именно на этом этапе растения обладают наивысшей пищевой ценностью. В пищу используется только надземная часть микрозелени. Зарубежные исследователи выявили, что микрозелень содержит большее количество фитонутриентов (аскорбиновая кислота, β-каротин, α-токоферол
и филлохинон, глюкозинолаты – для представителей семейства Brassicaceae), минералов (Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, Se и Mo) и меньше нитратов
по сравнению с аналогами из зрелых листьев, плодов и семян[11]. Микрозелень (100 г.) содержит 245% от суточной нормы аскорбиновой кислоты.

Богатая каротиноидами, витамином С и глюкозинолатами микрозелень защищает организм от разрушительного действия свободных радикалов, обладает выраженными антиоксидантными и антиканцерогенными действиями. Согласно исследованиям учёных США мыши, употреблявшие микрозелень капусты, имели более низкий уровень «плохого» холестерина, чем их сородичи, употреблявшие такую же капусту, только во взрослом виде. В 100 г микрозелени больше белка, чем в 100 г мяса.

Таким образом микрозелень служит источником витаминов, ферментов, эфирных масел, минеральных веществ, хлорофилла, которые заложены
в семенах и реализуются в доступной для человеческого организма форме
в процессе прорастания и первоначального роста растений.

1.3. Микрозелень – суперфуд. Виды микрозелени и их состав

На сегодняшний день, благодаря разнообразию микрозелени,
мы можем получить весь спектр витаминов и минералов, введя ее в свой рацион. А разнообразие это с каждым днем возрастает.

Изначально выращивали лишь несколько видов растений — рукколу, свеклу, базилик, капусту, кориандр. В 2020 году к перечисленному ассортименту добавили десятки культур, но не все обрели популярность. Микрозелень принадлежит к семействам Brassicaceae, Asteraceae, Chenopodiaceae, Lamiaceae, Apiaceae, Amarillydaceae, Amaranthceae
и Cucurbitaceae, Fabaceae.

Различают сочные виды микрозелени (солерос, фенхель, мангольд, подсолнечник), хрустящие (сельдерей). Вкус может быть нейтральным (шпинат), кисловатым (свекла и солерос), пряным (кресс-салат, редис, двурядник, горчица, индау), горьким (часто у тыквенных). Запах – как интенсивным (у ароматических трав), так и тонким (характерно для многих видов овощей). Цвет – зеленым (брокколи, редис, двурядник, сельдерей, шпинат), желтым (этиолированный горох, этиолированная кукуруза), красным (лебеда, амарант, марь), малиновым (капуста краснокочанная, редис, перилла, базилик фиолетовый) или пестрым (свекла, щавель, горчица).

Таблица 1. Виды микрозелени и ее химический состав

Совсем не выращивают микрозелень из пасленовых (томатов, баклажанов, перцев) и картофеля, поскольку в ботве этих культур содержатся алкалоиды — природные яды. То же касается семян кабачков, тыквы и фасоли — в их ростках есть ингибиторы, которые мешают усвоению питательных веществ, поэтому если и стоит употреблять их в пищу, то только после температурной обработки.

ГЛАВА 2. ОРГАНИЗАЦИЯ, УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОЗЕЛЕНИ

2.1. Характеристика объекта исследования

Для проведения исследования были выбраны следующие семена культурных растений микрозелени: Brassicaceae (капуста краснокочанная, руккола, редис, индау, горчица), Fabaceae (горох Мадрас), Asteraceae (подсолнечник).

Рисунок 2.1. Используемые семена микрозелени

Наибольшее внимание было уделено выращиванию овощных культур семейства Brassicaceae т.к. они обладают низким содержанием жиров
и высоким – витаминов, клетчатки и минералов. Кроме того, они содержат большое количество фенольных соединений и особый вид соединений, которые отличают эти культуры от других овощей – глюкозинолаты.

В опыте использовали откалиброванные семена, без болезней
и вредителей, которые не протравливались химическими препаратами.

2.2. Технология возделывания микрозелени

Опыт по выращиванию микрозелени овощных культур
в беспочвенных условиях осуществлен с ноябре 2022 года по март 2023 года.

В рамках работы было исследовано шесть! видов беспочвенных условий выращивания микрозелени: «джутовый» коврик и сельскохозяйственная минеральная вата, вермикулит, гидрогель, бумага, вата медицинская. Данные субстраты позволяют решить одну из главных задач национальной стратегии устойчивого развития экономики и сельского хозяйства Республики Беларусь,
а именно - «укрепить способность адаптироваться к изменению климата, экстремальным погодным явлениям, засухам, наводнениям и другим бедствиям». Выращивание микрозелени подразумевает комнатные условия, поэтому не зависит от погодных условий. Главное условие при выращивании микрозелени в условиях квартиры – влагоемкость субстрата. Из выбранных беспочвенных субстратов обеспечивают высокую аэрацию
и влагоудерживающую способность: «джутовые» коврики, вермикулит, гидрогель и сельскохозяйственная минеральная вата.

Рисунок 2.2. Используемые беспочвенные субстраты

Посев семян осуществляли в трехкратной повторности. Норма высева семян составила 1 семя/см² для гороха и подсолнечника, и до 4-5 семян/ см² для остальных семян. Растения выращивались при температуре +18…+24⁰С без дополнительного освещения на подоконнике (согласно немногочисленным исследованиям использование синего и красного света при выращивании микрозелени может привести к увеличению биомассы, повышенному содержанию фенолов, активации антиоксидантной системы, увеличению концентраций лютеолина и силигрина, витамина С, усилению синтеза хлорофилла [10]). Минеральные удобрения не вносили. Проводили необходимы профилактические санитарные процедуры для устранения патогенных бактерий, грибов и вирусов. Семена дезинфицировались 3%-м раствором перекиси водорода перед высевом [3].

Рисунок 2.3. Норма высева семян

Для ускорения процесса прорастания семян проводили подготовку семян к посеву путем их замачивания: посевной материал бобовых и астровых культур промывался и выдерживался в отстоянной воде (комнатной температуры + 22 °С) в течение 12 ч. Все остальные семена
не подвергались предпосевной обработке.

Оценку прорастания семян (всхожесть, энергию прорастания и скорость прорастания оценивали согласно ГОСТу 12038-84) осуществляли на 2, 3 и 5 сутки.

Рисунок 2.4. Оценка прорастания семян

Культивирование микрозелени осуществлялось на протяжении 10 суток. Проводились биометрические измерения (высота растения, прирост в сутки, сырая биомасса). Все измерения и определения выполнялись в 3-кратной повторности с последующей статистической обработкой экспериментальных данных по методике, принятой для биологических исследований.

Рисунок 2.5. Биометрические измерения

2.3. Химический состав микрозелени (выявление хлорофилла, аскорбиновой кислоты)

Все эксперименты выполнены с соблюдением правил техники безопасности и под контролем учителя биологии.

МЕТОДИКА ВЫЯВЛЕНИЯ ХЛОРОФИЛЛА

В ходе данного химического эксперимента мы убедились в том,
что в микрозелени есть хлорофилл и каротин.

1. Отбор растений для выявления хлорофилла.

2. Получение вытяжек из свежей фитомассы выращенной микрозелени.
К измельченной микрозелени добавляем 5 мл этилового спирта, немного порошка СаСО₃, все компоненты растираем в фарфоровой ступке до однородной зеленой массы. Приливаем еще 2 мл этилового спирта
и осторожно продолжаем растирание, пока спирт не окрасится в интенсивный зеленый цвет. Полученную спиртовую вытяжку отфильтровываем в чистую сухую пробирку. Рассматриваем полученный раствор хлорофилла
в проходящем свете (он имеет зеленый цвет). Вытяжка имеет зеленый цвет, но на самом деле в ней, помимо хлорофиллов, содержатся и желтые пигменты группы каротиноидов – каротин и ксантофилл.

3. На фильтровальную бумагу наносим стеклянной палочкой каплю полученной спиртовой вытяжки пигментов микрозелени. Через 3–5 мин
на бумаге образуются цветные концентрические круги: в центре зеленый (хлорофилл), снаружи – желтый (каротиноиды).

4. В пробирку наливаем 3 мл спиртовой вытяжки пигментов микрозелени, добавляем столько же бензина и 2 капли воды. Закрываем пробирку пробкой, энергично взбалтываем в течение 2–3 мин и даем отстояться. Жидкость в пробирке разделится на два слоя: более легкий бензин наверху, спирт – внизу. Спирт будет окрашен в желтый цвет пигментом ксантофиллом, который в бензине не растворяется. Бензиновый слой будет зеленым за счет растворенного в нем хлорофилла.

Рисунок 2.6. Выявление хлорофилла

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ
МЕТОДОМ ЙОДОМЕТРИИ

Анализ основывается на взаимодействии аскорбиновой кислоты с йодом.

Анализ выполнялся методом титрования: постепенное добавление известного количества одного из реагентов к другому до тех пор, пока определяемое вещество не прореагирует полностью.

Выполнение работы:

1. Определение коэффициента пересчета (количество аскорбиновой кислоты, реагирующее с 1 мл раствора йода):

1.1. Отмеряем 25 мл раствора аскорбиновой кислоты в колбу емкостью
125 мл.

1.2. Добавляем 10 капель 1%-ной суспензии крахмала.

1.3. Бюретку наполняем раствором йода. Записываем начальный объем.

1.4. Медленно, по каплям, добавляем раствор йода к анализируемому раствору, постоянно его взбалтывая. Добавляем, пока не достигнем конечной точки титрования (синяя окраска).

1.5. Записываем конечный объем жидкости в бюретке. Рассчитываем, какое количество йода израсходовано.

1.6. Рассчитываем коэффициент пересчета, разделив 25 мг аскорбиновой кислоты на объем (в мл) используемого раствора йода.

2. Определение аскорбиновой кислоты в растительных вытяжках микрозелени:

2.1. Отмерить 25 мл образца в колбу емкостью 125 мл.

2.2. Выполняем пункты 1.2 – 1.3 первой части методики.

2.3. Записываем количество миллилитров использованного раствора йода.

2.4. Выполняем расчеты, необходимые для определения массы аскорбиновой кислоты (в мг), находящегося в 25 мл образца.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При выращивании микрозелени качество семян имеет большое значение, так как от их качества зависят скорость и равномерность прорастания, а также конечный результат цикла выращивания. Нами изучены посевные качества семян исследуемых культур. Результаты исследований представлены
в таблице 1.

Таблица 1. Энергия прорастания и всхожесть семян микрозелени, %.

*Примечание: ни один из видов используемого субстрата не повлиял
на показатели оценки прорастания семян. В таблице приведены средние показатели по всем шести видам субстратов.

Анализ результатов определения качества семян изучаемых культур микрозелени позволил выявить, что показатели энергии прорастания и всхожести варьируют в пределах 89-94 и 96-99% соответственно, что свидетельствует о высоком биоэнергетическом потенциале посевного материала. Наибольшие значения всхожести семян отмечено у гороха Мадраса, наименьшее – у редиса и индау.

В ходе анализа урожайности используемых для выращивания микрозелени растений установлено, что она зависит от вида культуры и качества семян, и не зависит от использованного вида беспочвенного субстрата.

Максимальная урожайность была сформирована на горохе Мадрасе и подсолнечнике. Так средняя высота гороха Мадраса составила 10,8 см, подсолнечника 13,7 см.

Таблица 2. Урожайность микрозелени

Минимальная урожайность отмечалась на культуре индау 3,1 г.

Запах, вкус и цвет микрозелени всех изучаемых культур был свойственен данным ботаническим сортам. Результаты исследования представлены
в таблице 3.

Таблица 3. Органолептическая оценка, время прорастания и уборки
урожая микрозелени

В ходе проведенных химических экспериментов качественно выявили наличие хлорофилла в изучаемых образцах микрозелени. А также с помощью йодометрического метода титрования определили содержание аскорбиновой кислоты у представителей семейства Brassicaceae, Fabaceae, Asteraceae
(рисунок 1).

Рисунок 1. Содержание аскорбиновой кислоты в исследуемых образцах микрозелени

ВЫВОДЫ

В результате проведенного исследования установлено, что из семян микрозелени можно получать урожай через 6-12 дней. Такой продукт за короткий промежуток времени не успевает накапливать вредные вещества из атмосферы. При выращивании микрозелени не нужно применять минеральные удобрения, пестициды и, таким образом, можно получать экологически чистую, биологически полезную продукцию с невысокими материальными затратами.

В зависимости от вида культуры ростки достигали высоты 3-13,7 см. Лабораторная всхожесть составляла 94-99%. Максимальная урожайность была сформирована на горохе Мадрасе и многих видах культур семейства Brassicaceae. Минимальная урожайность отмечалась на культуре индау (из-за его невысокой высоты побега). Хлорофилл выявлен во всех изучаемых образцах мкрозелени. Наибольшая концентрация аскорбиновой кислоты определена у представителей семейства Brassicaceae, а также горохе Мадрасе.

Так согласно утверждениям Xiao et al [8] микрозелень семейства Brassicaceae является наилучшим источником антиоксидантных веществ. Она является ценным источником аскорбиновой кислоты, каротиноидов, глюкозинолатов.

В целом микрозелень содержит большее количество минеральных веществ, чем их зрелые аналоги, а выращивать ее легко и экономически выгодно.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Пашкевич, А.М. Микрозелень – новая категория органической овощной продукции / А.М. Пашкевич[и др.]// Научно-инновационные основы развития отрасли овощеводства: тезисы докладов Международной научно-практической конференции, аг. Самохваловичи, Минский район,
14–16августа, 2018г. – с. 28–29.

2. Лобас, Н. Новый взгляд на старые культуры / Н. Лобас // Беларуская думка. – 2012. – №9. – с. 34-42.

3. Организация экспериментальной деятельности школьников. Начальная школа №7, 2009, – с.21.

4. Лаврова, С.А. Занимательная химия/С.А. Лаврова. – Москва: Белый город, 2014 – 59 с.

5. Pinto. E. et al. Comparison between the mineral profile and nitrate content of microgreens and mature lettuces / E.Pinto[etal.] // Journal of Food Composition and

Analy-sis. 2015. Vol. 37. P.38–43.

6. Пашкевич А.М. Определение содержания нитратов всеменах, проростках, микрозелени и продукции бобовых овощных культур/ А.М. Пашкевич[и др.]// Овощеводство: сб. науч. трудов.–Самохваловичи, 2020. Т.28. С.89–96.

7. Caracciolo, F., El-Nakhel, C., Raimondo, M., Kyriacou, M.C., Cembalo, L., De Pascale, S., and Rouphael, Y. (2020). Sensory attributes and consumer acceptability of 12 microgreens species.

8. Xiao Z., Rausch S. R., Luo Y., Sun J., Yu L., Wang Q., Stommel J. R., LWT - Food Science and Technology, 101, 731-737 (2019).