За даними кількох дослідних установ США вміст мікронутрієнтів (вітамінів та мінералів) у зерні сучасних сортів пшениці, вирощених за технологією органічного землеробства, загалом є вищим, ніж у тих же сортів, вирощуваних за традиційними промисловими технологіями. При цьому зниження урожаю зерна за умов органічного землеробства у порівнянні з традиційною системою вирощування становило 20-25%. Однак не всі сучасні сорти пшениці однаково адаптовані до технології органічного землеробства, і радше необхідна селекція спеціальних сортів для органічних систем землеробства.
Корисні сорти
Генетична варіабельність за вмістом у зерні мікронутрієнтів серед сучасних сортів пшениці є, на жаль, аж надто завузькою, а отже, і можливості їх селекційного поліпшення шляхом традиційних міжсортових схрещувань є мізерними. Тому важливо у схрещуваннях використовувати дикорослі пшениці, особливо дикі еммери, які мають суттєво вищий вміст у зерні мікронутрієнтів у порівнянні з сучасними сортами. Особливо цікавим джерелом мікронутрієнтів за результатами численних досліджень виявилася дикоросла пшениця еммер – дикорослий співродич сучасної культури твердої та м’якої хлібопекарської пшениці.
Одна з найбільш численних світових колекцій Triticum dicoccoides зосереджена в Ізраїлі, де й була досліджена за вмістом у зерні вітамінів та мінералів. Сорти культурної твердої пшениці дурум містили в зерні, наприклад, цинку 49-55 мг/кг, тоді як у дикорослих зразків ці значення були на рівні 90-140 мг/кг. Аналогічна диспропорція між дикорослою Triticum dicoccoides і культурними сортами дурум спостерігалася за вмістом у зерні заліза: 29-33 мг/кг у культури, і 65-80 мг/кг у дикуна та інших мікроелементів та вітамінів.
Одним із найцікавіших серед ізраїльської колекції Triticum dicoccoides виявився зразок № FA-15-3. На його основі були створені хромосомно-заміщені лінії ярої твердої пшениці durum сорту Langdon. Дослідження хромосомно-заміщених ліній показало, що заміщення хромосоми 6В T.dicoccoides суттєво підвищувало вміст мікроелементів цинку, заліза та марганцю у зерні в порівнянні з іншими лініями. Крім того, 6В хромосомно-заміщена лінія відрізнялася від інших суттєво підвищеним умістом білка в зерні. B подальших дослідженнях у короткому плечі хромосоми 6В T.dicoccoides у хромосомному сегменті 2,7-сМ рекомбінації було ідентифіковано QTL (quantitative trait locus), позначений як Gpc-B1, що, власне, і зумовлює ефект підвищеної концентрації у зерні пшениці водночас важливих мікроелементів та білка. Пізніше було виконано більш тонке картування локусу Gpc-B1 та делімітація відповідного йому хромосомного сегменту у межах 0,3-сМ рекомбінації (або фізично 250 kb) за допомогою нових молекулярних маркерів Xuhw89 та Xucw71 (рис. 1).
Рис. 1. Графічний розмір регіону Gpc-B1 0,3-cM рекомбінації (250kb), на хромосомі 6В T.dicoccoides, обмежений маркерами Xuhw89 та Xucw71. Розмір регіону представлений двома клонами (409D13 та 916017) штучної бактеріальної хромосоми, що перекриваються.
Ефекти локусу Gpc-B1 були ретельно вивчені у польових дослідах, розміщених у п’яти різних грунтово-кліматичних умовах Ізраїлю. Рекомбінантні лінії твердої пшениці сорту Langdon із локусом Gpc-B1 показали суттєве перевищення над вихідним зразком цього сорту за вмістом у зерні цинку (60 мг/кг проти 47,5 мг/кг), заліза (44,2 мг/кг проти 35,9 мг/кг), марганцю (53,9 мг/кг проти 40,9 мг/кг) та білка (14,4% проти 10,8%). Автори дослідження роблять оптимістичний висновок щодо перспектив використання локусу Gpc-B1 з метою поліпшення зерна комерційних сортів пшениці за вмістом важливих мінералів та білку. А використання маркера Xuhw89 дозволить надійно контролювати успадкування локусу Gpc-B1 та здійснювати добір у гібридних популяціях цільових генотипів із підвищеним вмістом у зерні цінних для здоров’я людини інгредієнтів.
Древній злак
За останні 10 років особливо серед споживачів хліба і хлібопродуктів ЄС та інших цивілізованих країн набуває популярності пшениця спельта (полба), яку вирощують в умовах органічного землеробства. Це древній злак, до якого не торкнулася сучасна селекція, стійкий до жорстких абіотичних умов вирощування, має високий вміст та високу харчову цінність білка, знижену токсичність клейковини для позитивних на целіакію індивідуумів, високі смакові характеристики хліба і високу перетравлюваність білків та високий вміст вітамінів і мікроелементів. І що цікаво, хліб із полби серед шанувальників власного здоров’я упевнено витісняє хліб, виготовлений з борошна сучасних сортів пшениці. Більше того, технологія виробництва хліба з борошна полби ретельно слідкує за тим, щоб у ньому не були присутні бодай домішки борошна сучасних сортів пшениці (!). Для такого контролю розроблені навіть спеціальні високо чутливі лабораторні процедури рідинної RP-HPLC хроматографії та SDS-електрофорезу.
Рис. 2. Чорнозерна пшениця сорту Чорноброва та показники харчової цінності її зерна
Значна частка пшениці як в Україні, так і світі переробляється на крупи та пластівці. Для круп і пластівців показники високої хлібопекарської якості зерна, з якого вони виробляються, взагалі ні до чого. Вони не потрібні, і навіть шкідливі, бо знижують біологічну цінність продуктів. Хоча це питання саме в такому аспекті в Україні ніколи не ставилося. Отже, для виробництва натуральних круп і пластівців необхідно мати спеціальні сорти пшениці з якомога нижчими показниками хлібопекарської якості.
У Селекційно-генетичному інституті створено перший сорт чорнозерної пшениці Чорноброва (рис. 2) з низькою хлібопекарською якістю, але з підвищеним вмістом у зерні білка, вітамінів та мікроелементів.
Генна біофортифікація створює вітамінізовані культури
Та найбільш радикальним шляхом поліпшення пшениці (і не тільки пшениці) за вмістом біологічно цінних інгредієнтів зерна є сучасна генна інженерія, окремий розділ якої спрямований на поліпшення біологічної цінності зерна та отримав назву генна біофортифікація. Генна інженерія дозволяє інтегрувати в геном пшениці гени, що кодують гомологічні (пшеничні) цінні за амінокислотним складом білки, багаторазово підвищуючи їх уміст у зерні (екстра-експресія). Інтегрувати гени, що кодують цінні за амінокислотним складом гетерологічні білки (не пшеничні), наприклад, від псевдо-злаку амаранту (Amaranthus hypohondriacus). Конструювати й інтегрувати в геном пшениці синтетичні генні конструкції, що кодують білки з підвищеним вмістом цінних амінокислот, модифікувати послідовність пшеничних генів, підвищуючи частку кодонів для незамінних амінокислот. Блокувати експресію «небажаних» генів, що кодують, наприклад, біосинтез клейковинних білків тощо.
Причому, якщо ще кілька років тому за допомогою генних трансформацій вдавалося поліпшити зерно злаків за вмістом лише окремих вітамінів чи мікроелементів, то сьогодні вже розроблені генні технології, які дозволяють підвищити вміст у зерні одразу кількох біологічно цінних інгредієнтів. Як приклад такого типу генної біофортифікації можна навести результати спільних досліджень вчених з Іспанії та Німеччини зі створення трансгенної кукурудзи з водночас підвищеним вмістом трьох вітамінів: аскорбінової кислоти (вітамін С), β-каротину (вітамін А) та фолієвої кислоти (вітімін В9), що репрезентують три різні метаболічні шляхи біосинтезу. У цьому унікальному досліді використовували метод біолістичного бомбардування незрілих 10-14 добових зиготних зародків лінії білозерної кукурудзи WT M37W з використанням 5 генних конструктів: селективний маркер bar та чотири кДНК, кодуючи послідовності для ключових ферментів, що каталізують метаболічні шляхи біосинтезу β-каротину, фолату та аскорбату.
Рис. 3. Зразки початків (С) та профілі зерен нетрансформованої WT M37W (В) та трансгенної (А) кукурудзи з підвищеним умістом каротиноїдів (Naqvi Shaista et all., 2009).
Індукція біосинтезу β-каротину здійснювалася шляхом трансформації двох генних конструктів кДНК, що кодують синтез ферменту фітоєнсинтази кукурудзи (ген psy1) під контролем промотора для низькомолекулярних (LMW) глютенінів пшениці та кДНК кодуючої послідовності для фермента каротин десатурази (ген crt1) під контролем промотора для D-гордеїнів ячменю. Для індукції вмісту аскорбату використовували кДНК кодуючу послідовність для фермента дегідроаскорбат редуктази рису (ген dhar). А вміст у зерні фолату індукували шляхом інтеграції у геном кукурудзи кДНК послідовності, що кодує синтез ферменту GTP циклогідролази від E. coli (ген folE). Обидві останні кДНК послідовності під контролем промотора D-гордеїнів ячменю. В результаті цієї роботи отримано унікальну трансгенну кукурудзу, вміст у зерні якої β-каротину зріс у 169 разів (!), аскорбінової кислоти ушестеро, а вміст фолієвої кислоти подвоївся у порівнянні з контрольною нетрансформованою білозерною кукурудзою (рис 3). Здійснення викладених вище генно-інженерних маніпуляцій принципово можливо і на пшениці та інших злаках.
Одним із реальних шляхів поліпшення біологічної цінності зерна пшениці та інших злаків генна інженерія розглядає втручання у метаболічні шляхи, що ведуть до підвищення вмісту у зерні не окремих білків, а радше вільних (не зв’язаних білками) незамінних амінокислот, таких, скажімо, як лізин (Lys) і триптофан (Trp). Наприклад, ключовими ферментами біосинтезу лізину є аспартокіназа (АК) і дигідродипіколінат синтаза (DHPS), інгібітором яких є кінцевий продукт лізин. Отримані трансгенні лінії кукурудзи, ферменти АК та DHPS яких є нечутливими до інгібітора лізину і відповідно вміст цієї амінокислоти в зерні зростає у багато разів. Однак ці досліди зіткнулися з негативними наслідками екстра-високої концентрації лізину у вегетативних органах, що призвело до зниження урожаю зерна. Використання ж специфічних промоторів при трансформації дозволило усунути й цю перешкоду. Таким чином, отримані трансгенні лінії кукурудзи з екстра-високим умістом у зерні вільного лізину. Аналогічно, ключовим ферментом метаболізму триптофану є антранілат синтаза (AS), інгібітором якого є кінцевий продукт триптофан. Шляхом клонування і трансгенної модифікації генних послідовностей для AS було зроблено цей фермент нечутливим до інгібітора й отримано трансгенні лінії рису з екстра-експресією вільного триптофану у 35-180 разів вищою щодо нетрансформованого контролю.
Важливо для здоров’я
У цивілізованих країнах світу добре розуміють і роблять належну оцінку негативних наслідків зниження біологічної цінності продуктів із зерна пшениці та інших злаків у зв’язку зі зростанням урожаїв. Тому найпершою ліпшою рекомендацією для пересічного споживача хліба і зернопродуктів є розширення споживання продуктів із цілозмолотого зерна, переважне споживання сірого хліба з оббивного борошна радже ніж з рафінованого білого борошна.
У Франції, наприклад, теза про більш високу харчову цінність сірого хліба над білим є складовою Національної програми здорового харчування міністерства здоров'я, де записано «споживання продуктів із цілозмолотого зерна злаків корисно для укріплення здоров'я, особливо при запобіганні діабету та серцево-судинних захворювань у порівнянні зі споживанням білого хліба та продуктів з рафінованого борошна».
Прості розрахунки показують, що більше 80% такого цінного для здоров'я людини нутрієнту, як залізо, що міститься у зерні пшениці, втрачається із висівками при помелі зерна в біле борошно вищих сортів, з яких виготовляють білий хліб (рис. 10). Залізо ж, як відомо, знижує ризик анемії, покращує репродуктивну функцію організму, сприяє розумовим здібностям людини. Значні втрати при помелі зерна спостерігаються й щодо інших мікроелементів.
Крім того, разом із висівками відходить і левова частка цинку та фолієвої кислоти (вітамін В9). Цинк, як відомо, незамінний компонент імунної системи людини, без якого організм безсилий проти хвороб та інфекцій (особливо кору, діареї у немовлят). Фолієва кислота є стратегічно важливим для здоров'я компонентом, що бере участь у формуванні нервової системи людського ембріону. Сумна статистика свідчить: 300 000 новонароджених у світі щорічно мають уроджений дефект нервової системи саме через дефіцит у їжі матері фолієвої кислоти. Ризик цієї хвороби може бути на 70% знижений лише за рахунок усунення дефіциту фолієвої кислоти в організмі матері на ранніх стадіях вагітності. Зерно злаків містить, крім зазначених вище, ще ряд цінних для здоров'я інгредієнтів, таких як фосфор, вітамін РР і багато інших, які практично зникають або містяться у невеликій концентрації при помелі зерна у біле борошно.
Рис. 4. Втрати основних мікроелементів (у %%) при помелі зерна пшениці у борошно 59% виходу
За останні роки значну увагу дієтологи приділяють вмісту селену (Se) у продуктах харчування, який також суттєво втрачається при помелі зерна. Селен - інтегральний компонент вкрай необхідний для нормального клітинного метаболізму. Він є незамінним мікронутрієнтом для людини і тварин, здійснюючи водночас кілька важливих функцій антиоксиданту, антиракового та антивірусного превентивного фактору. І саме зерно пшениці є одним із найважливіших дієтичних джерел селену. За оцінкою австралійських фахівців зерно пшениці постачає споживачеві половину необхідної добової потреби організму людини в селені.
Усвідомлюючи можливі ризики для здоров'я споживачів білого хліба в провідних цивілізованих країнах, таких як США, Канада, ЄС, Австралія і ряді інших біле борошно вже понад 60 років спеціально збагачують поживними інгредієнтами (преміксами, вітамінами, мінералами) штучного походження. Враховуючи важливість цього заходу, у 2004 році провідними світовими виробниками борошна заснована так звана Ініціатива Збагачення Борошна (Flour Fortification Initiative, скорочено FFI). Це мережа світових організацій, спільні зусилля яких спрямовані на поліпшення харчової цінності продуктів з борошна заради покращення здоров'я населення. Законодавчі засади цієї організації, які лягли в основу стандартизації, обговорювалися на сесії Форуму Мікронутрієнтів у столиці Китаю 12-15 травня 2011 року. Згідно зі статусом FFI, зафіксованим на вересень 2008 року країни світу поділено на 4 групи: 1) країни з обов'язковим збагаченням борошна, 2) добровільним збагаченням, 3) таким, що планується, 4) ні ті, ні інші. Прикро, але Україна з Росією знаходяться в останній групі.
У цивілізованих країнах світу, особливо бідних за вмістом мінералів ґрунтах, широко використовується агрономічна фортифікація майбутнього урожаю шляхом внесення мікродобрив, що містять необхідні мікроелементи, за якими ці ґрунти є особливо дефіцитними.
Не всі мікронутрієнти зерна є доступними для засвоєння організмом людини навіть за умов вживання хліба з цілозмеленого чи оббивного борошна. Французькими технологами Національного інституту агрономічних досліджень (INRA) розроблено спеціальну промислову технологію виготовлення хліба з оббивного борошна пшениці, або борошна 100% виходу шляхом преферментації такого борошна з молочнокислою закваскою (а не з дріжджами), і не за класичних умов гідратації (0,65:1), а в рідкому середовищі у співвідношенні 1,25-1,30 л води на 1 кг борошна з додаванням молочнокислої закваски 0,25 л на 1 кг борошна. Така технологія ферментації при випічці хліба дозволяє суттєво підвищити засвоюваність організмом людини основних зернових мікронутрієнтів.
Яким би корисним не було для здоров’я людини ціле зерно пшениці, але в ньому присутні також антипоживні компоненти (антинутрієнти). І одним з таких антинутрієнтів є фітинова кислота, або фітин. Негативна роль фітинової кислоти як антинутрієнту у тому, що вона вельми стійка проти дії шлункового соку та харчотравних ферментів шлунково-кишечного тракту. Залишаючись нативною у процесі травлення, фітинова кислота перешкоджає засвоєнню організмом людини таких важливих мінералів, як магній, кальцій, цинк, мідь та залізо. А це може негативно впливати на мінеральний баланс організму, особливо у разі, якщо наша їжа є дефіцитною за вмістом мінералів. І лише при проростанні зерна фітинова кислота нейтралізується, частково деградує, а її активність як харчового антинутрієнту значно послаблюється. У пророщеному зерні помічено зниження гліцемічного індексу (GI = 40-45) у порівнянні з традиційним білим хлібом (GI = 90), та зниження вмісту насичених жирних кислот. Низький гліцемічний індекс є дуже важливою характеристикою вуглеводистого продукту при харчуванні діабетиків. Що вище індекс, то більш активно крохмаль харчового продукту розщепляється до глюкози, а в крові діабетика після вживання їжі швидко наростає пік високої концентрації глюкози. І навпаки: що нижче гліцемічний індекс продукту, то рівень концентрації глюкози в крові після вживання їжі нижче і розтягується у часі, створюючи хворому більш комфортні умови після прийому їжі.
У зерні, що проростає, відбуваються активні процеси протеолізу білків, їх розщеплення до невеликих за розміром пептидів та вільних амінокислот. Як результат, при вживанні продуктів із пророщеного зерна рівень засвоювання його білків організмом людини зростає.
У зв’язку з цим виникає питання про стан токсичності білків пророщеного зерна для осіб, хворих на целіакію. Спираючись на солідний експериментальний матеріал, можна стверджувати, що хліб із пророщеного зерна, на жаль, не є «gluten free» продуктом. Навіть у пророщеному зерні частково гідролізовані білки клейковини продовжують бути токсичними для хворих на целіакію осіб. Але фактом є й те, що їх токсичність суттєво знижується у порівнянні з білками цілого сухого зерна і борошна. Крім запасних білків, у пророщеному зерні відбувається також деградація та зниження активності лектинів - білків, які у чутливих осіб можуть визивати реакцію не сприймання, або алергію. Разом з активацією ферментативних гідролітичних процесів у зерні, що проростає, активуються біосинтези, утворюються нові речовини, яких не було в сухому зерні. Особливо це стосується вітамінів (вітамін С, ніацин, фолієва кислота, рибофлавін), вміст яких у пророслому зерні суттєво зростає.
Сказаного вище досить щоб зрозуміти, що харчова цінність пророщеного зерна у порівнянні з білим рафінованим борошном, і навіть з цілим непророслим зерном, незрівнянно вища. Технології виготовлення хліба з пророщеного зерна заперечують використання сучасних термофільних дріжджів, які, за оцінками експертів, не є корисними для здоров’я людини. Замість дріжджів використовують численні рецептури молочнокислих заквасок, які у порівнянні з дріжджами посилюють процес активної ферментації борошна, поліпшують засвоюваність мікронутрієнтів зерна, формують неповторний смаковий «букет» з органічних кислот, ферментів, гідролізованого крохмалю, цукрів тощо.
Наголошуючи на рецептах виготовлення пшеничного хліба саме з пророщеного зерна (без борошна і дріжджів), і спираючись на дослідження численних авторів, можна стверджувати, що виготовлений у такий спосіб хліб є найкориснішим для здоров’я людини з усіх відомих сортів хліба із зерна і борошна пшениці. Корисні властивості такого хліба ще більш посилюються, якщо він випечений не у традиційній печі за температури вище 200°С, а під струменем гарячого пару, температура якого не перевищує 100°С. Оскільки в останньому випадку зберігається значно більше корисних властивостей хліба та відсутні умови для протікання реакції Мелларда, в результаті якої у хлібі утворюється небезпечний для здоров’я нейротоксин і канцероген акриламід. Смакові властивості хліба з пророщеного зерна незрівнянно кращі за традиційний борошняний хліб. По суті це 100% натуральний органічний продукт без консервантів, штучних фарбників та ароматизаторів. А завершуючи цю статтю можна сказати, що хліб з пророщеного зерна є найбільш ефективним компенсатором тих втрат біологічної цінності, яких потерпає зерно високих урожаїв сучасних сортів пшениці.
Як бачимо, зростання урожаїв зерна пшениці, якому немає альтернативи, породжує ряд системних проблем з якістю високих урожаїв, особливо біологічною цінністю зерна та продуктів його переробки. Незважаючи на зниження біологічної цінності зерна високих урожаїв існують вельми радикальні й ефективні шляхи поліпшення біологічної цінності зерна високих урожаїв, що активно впроваджуються як у селекцію, так і в технологію виробництва хлібопродуктів в індустріально розвинутих країнах світу. На жаль, порушені в цій статті проблеми не обговорюються в Україні, знаходиться поза увагою фахівців. І що особливо прикро, радикальне поліпшення біологічної цінності зернових продуктів (генна біофортифікація) знаходиться на вістрі високих генно-інженерних технологій, які сьогодні є практично недоступними навіть для кращих лабораторій як НААНУ, так і НАНУ. І жодні перспективи поліпшення ситуації із впровадженням генно-інженерних технологій в аграрній науці та селекції України сьогодні навіть не окреслені і не визначені. Навпаки, абревіатура ГМО, яка і є віддзеркаленням високих світових генно-інженерних технологій, в Україні затоптана і заговорена невігласами як знизу, так і зверху у високих урядових кабінетах, налаштована проти суспільства, проти споживача, проти прогресу української науки. Прозріння незабаром неодмінно настане, як завжди, знайдуть і «козлів-відбувайлів», винних у стримуванні впровадження в Україні генно-інженерних технологій, знайдуться і гроші для генно-інженерних досліджень, лише втраченого дорогоцінного часу вже не повернути ніколи.
