СПОСОБ СНИЖЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДЕЙТЕРИЯ В ПИЩЕВЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУРАХ

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для производства высококачественных продуктов растительного происхождения с пониженным относительно природного содержанием дейтерия.

Вода с точки зрения химии является веществом, состоящим из молекул H₂O. В природе совершенно чистой воды не бывает, она всегда содержит механические, химические и биологические примеси.

Молекула воды состоит из двух элементов, каждый из которых представляет собой смесь изотопов. Водород в природе представлен двумя стабильными изотопами:

- протием (обозначение ¹H или H);

- дейтерием (обозначение ²H или D).

Естественное содержание изотопов ¹H и ²H в природных объектах составляет 99,985 и 0,015%. Легкая (обогащенная H или обедненная D) вода обладает высокой биологической активностью. Употребление легкой воды приводит к нормализации углеводного и липидного обмена, коррекции веса, выведению шлаков и токсинов из организма и т.д. Результатами исследований доказано [Лисицын А.Б., Барышев М.Г., Басов А.А. и др. Воздействие воды со сниженным содержанием дейтерия на организм лабораторных животных при различном функциональном состоянии неспецифических защитных систем // Биофизика. 2014. №4. Т. 59. С. 757-765], что при употреблении такой воды улучшаются физическая активность, выносливость, сопротивляемость организма за счет коррекции метаболических процессов организма.

Известно, что в легкой воде изменяется скорость протекания химических реакций, сольватация ионов, их подвижность и т.д. Легкая вода оказывает стимулирующее действие на живые системы, существенно повышает их активность, жизнестойкость к различным негативным факторам, репродуктивную деятельность, улучшает и ускоряет обмен веществ. Для сельскохозяйственных культур действие легкой воды проявляется в повышении всхожести и урожайности, для человека - в оздоровительном эффекте. Реакция биосистем при воздействии на них воды может изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений изотопного состава воды. Применение воды с повышенной концентрацией тяжелых изотопов, в частности дейтерия, вызывает выраженные токсические эффекты на уровне организма, ограничивая возможность ее использования в лечебно-профилактических целях [Лобышев В.Н., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D₂O в биологических системах. -М.: Наука, 1978].

В то же время на разных объектах зарегистрирована положительная биологическая активность вод, полученных с помощью различных технологических процессов, относящихся к категории изотопно-легких, со сниженной в той или иной мере по сравнению с исходной концентрацией дейтерия [Самков А.А., Джимак С.С., Барышев М.Г., Волченко Н.Н., Худокормов А.А., Самкова С.М., Карасева Э.В. Влияние изотопного состава воды на выход биомассы Rhodococcus erythropolis // Биофизика. 2015. T. 60, Вып. 1, С. 136-142; Джимак С.С., Басов А.А., Федулова Л.В., Дыдыкин А.С., Быков И.М., Арцыбашева О.М., Наумов Г.Н., Барышев М.Г. Коррекция метаболических процессов у крыс при хроническом эндотоксикозе с помощью реакций изотопного (D/H) обмена // Известия РАН. Серия Биологическая. 2015. №5. С. 1-10]. Т.е. количественные и качественные показатели изотопного состава воды и пищевых продуктов существенным образом отражаются на здоровье. Поэтому очевидна необходимость в зависимости от целей применения регулирования изотопного состава пищи, употребляемой человеком. При снижении концентрации дейтерия в потребляемой человеком воде изотопный обмен на протий происходит в гидроксильных, карбоксильных, сульфгидрильных, аминогруппах и амидных группах органических соединений, включая нуклеиновые кислоты, липиды, белки и сахара. Однако C-H связь не подвергается изотопному обмену и вследствие этого значительная часть дейтерия не может быть удалена из биомолекул. Эта проблема может быть решена за счет использования в пищу растений, при выращивании которых для полива использовали воду с пониженным содержанием дейтерия. При фотосинтезе растения включают в органические соединения меньше дейтерия, в том числе и в C-H связи. Потребляя в пищу растения, выращенные таким путем, организм человека и животных будет более эффективно очищаться от дейтерия.

Способ выращивания таких растений изложен в патенте РФ №2125817, опубл. 10.02.1999. Согласно этому патенту растения с пониженным содержанием дейтерия выращивают обычным во всех отношениях способом с той только разницей, что для орошения используют обедненную дейтерием воду.

Однако такой способ производства является чрезвычайно дорогостоящим. Растительные культуры потребляют большое количество воды, а дешевых способов очистки воды от дейтерия на сегодня не существует.

Существует способ выращивания растений в условиях полной изоляции от внешней среды (патент Японии WO 2005117566 от 03.06.2004, опубл. 15.12.2005, заявка № PCT/JP 2005/010246). Согласно этому патенту растения с пониженным содержанием дейтерия выращивают методом гидропоники. Выращивание осуществляют в теплице, где внутренняя атмосфера полностью изолирована от внешней атмосферы. Отсутствие воздухообмена с внешней средой исключает потери легкой воды во внешнюю среду, однако создает проблему поддержания температуры и газового состава внутри теплицы. В процессе жизнедеятельности растения поглощают углекислый газ, а также выделяют кислород и другие токсичные метаболиты. Для нейтрализации этих процессов требуется внешний источник углекислого газа плюс дорогостоящие системы очистки воздуха. Система регулирования температуры в данном изобретении имеет низкую энергоэффективность, особенно в летнее время. Из-за отсутствия вентиляции избыток тепла от солнечной радиации удаляется с помощью кондиционера, что требует больших затрат дополнительной энергии.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению принят способ производства лечебно-профилактических продуктов по патенту РФ №2503271 опубл.10.01.2014, Бюл. №1.

Этот способ включает:

получение водяного пара; конденсацию пара с получением легкой воды - содержание дейтерия не более 110 млн^-1 и передачей энергии конденсации пара на жидкий теплоноситель;

использование легкой воды для выращивания растений или совместного выращивания растений и животных;

подачу теплоносителя на устройство отопления или устройство охлаждения помещения, в котором выращивают растения или растения совместно с животными;

вентиляцию этого помещения с извлечением из удаляемого воздуха воды, которую дополнительно используют для выращивания растений.

Однако реализация данного способа требует большого расхода легкой воды, т.к. предусмотрено ее использование для полива с одинаковой концентрацией дейтерия на всех этапах роста растений, а получение легкой воды, как известно, достаточно энергоемкий и, следовательно, недешевый процесс.

Нами было установлено, что для снижения концентрации дейтерия в сельскохозяйственном продукте нет необходимости поливать растения водой с наиболее низким содержанием дейтерия на всем протяжении его роста (от проращивания, до получения урожая). Чтобы установить это, мы провели эксперименты, данные которых приведены в таблице 1 «Антиоксидантная активность, содержание прооксидантных факторов и концентрация дейтерия в овощных свежевыжатых соках, выращенных при поливе водой с различным содержанием дейтерия». В результате пришли к выводу, что в разные периоды вегетации изменяется количество необходимой и достаточной для полива легкой воды. Т.е. количество производимой на установке и применяемой при поливе дорогостоящей легкой воды можно уменьшить, используя в зависимости от стадии созревания растения путем его дозирования с постепенным уменьшением концентрации дейтерия.

Задачей заявленного изобретения является снижение стоимости процесса выращивания пищевых сельскохозяйственных культур с пониженным содержанием дейтерия при сохранении качества продукции. Для решения поставленной задачи предлагается способ снижения содержания дейтерия в пищевых сельскохозяйственных культурах, включающий выращивание растений в теплице с использованием легкой воды для полива, вентиляцию этого помещения с извлечением воды из удаляемого воздуха, используя ее для полива растений. При этом концентрацию дейтерия в воде для полива растений дозируют в зависимости от стадии их созревания с постепенным ее уменьшением, а перед посадкой осуществляют замачивание семян в легкой воде концентрацией дейтерия не более 136 ppm. Воду после завершения процесса замачивания вновь используют, возвращая ее в цикл полива. При выращивании растения поливают водой с концентрацией дейтерия не более 136 ppm, а концентрацию дейтерия при поливах при созревании последовательно снижают в зависимости от стадии вегетации, например, она может быть снижена до 50 ppm на завершающем этапе.

Данные, подтверждающие возможность дозирования концентрации дейтерия в воде без потери качества выращиваемых продуктов, а следовательно, сокращать расход легкой воды, видны из таблицы 1.

В таблице приведены следующие сокращения: АОА - суммарная антиоксидантная активность, МВХЛ и ПХЛ - максимум и площади вспышки хемилюминесценции, прооксидантные показатели соответственно, δD - концентрация дейтерия.

Из таблицы 1 видно, что при поливе водой с концентрацией 50 ppm или при последовательном снижении концентрации дейтерия в воде до 50 ppm значения антиоксидантной и прооксидантной активности редиса достоверно не отличались. Также достоверно не отличалась и концентрация дейтерия в соках, выжатых из редиса. Следовательно, на начальных стадиях роста растений нет необходимости поливать растения легкой водой с низкой концентрацией дейтерия.

На Фиг. 1 схематично изображена линия для реализации способа.

Линия включает генератор 1, предназначенный для питания электрической энергией теплицы 2, снабженной всеми необходимыми системами и коммуникациями для выращивания растений (полива, освещения, вентиляции с извлечением из удаляемого воздуха воды и использование ее для выращивания растений, отопления и т.п.). Генератор 1 подключен к электролитической установке 3 для получения легкой воды. Емкость 4 служит для сбора полученной легкой воды. 5 - емкость для воды с природной концентрацией дейтерия (водопроводной). Емкости 4 и 5 соединены со смесителем 6 трубопроводами и на каждом из них установлены насосы 7 и дозаторы 8. Смеситель 6 соединен с системой полива, установленной в теплице 2. Бункер 9 предназначен для семян высаживаемых растений и соединен с емкостью 10 для замачивания семян. Из емкости 10 семена попадают в теплицу 2, где выращивают плоды. Бункер 11 предназначен для сбора и при необходимости хранения твердых зрелых плодов, не требующих специальной тары для транспортировки и (или) хранения. 12 - насос, обеспечивающий возврат легкой воды из емкости для замачивания семян 10 в цикл полива.

Линия работает следующим образом. Оператор настраивает дозаторы 8 на прохождение в смеситель 6 требуемого для получения определенной концентрации количества воды и включает генератор 1. Вода поступает в установку для получения воды с пониженным содержанием дейтерия 3 и в емкость для природной воды 5. Начинает работать установка 3 для производства легкой воды, насосы 7 с дозаторами 8 на входе в смеситель и системы коммуникаций в теплице 2. Из установки 3 вода поступает в емкость 4, из которой через соответствующие насос 7 и дозатор 8 подается в смеситель 6, куда из емкости 5 также через соответствующие насос 7 и дозатор 8 поступает обычная вода. В смесителе 6 происходит смешивание обычной (водопроводной) и легкой воды до получения заданной концентрации дейтерия, которая в дальнейшем поступает в теплицу для полива растений 2. Семена, которые находятся в бункере 9, поступают в емкость 10, в которой происходит их проращивание в легкой воде, подаваемой из смесителя 6. Легкая вода из бункера 10 после прорастания семян при включении насоса 12 возвращается на повторное использование в смеситель 6. Далее пророщенные семена высаживают в теплицу 2, где они растут с поливом водой с различной концентрацией дейтерия в зависимости от стадии вызревания растения. Полученный урожай попадает в бункер 11.

Для корректировки концентрации дейтерия в воде для полива на определенном этапе вызревания плодов по ходу созревания растений оператор по распоряжению агронома перенастраивает дозаторы легкой и обычной воды, включает и выключает насосы 7 и 12. В случае автоматизации способа полива оператор включает систему управления линией. Параметры дозаторов 8, работу выключателей, насосов и другие коммуникационные связи по настройке регулирует блок управления.

Растения в теплице могут выращиваться любым из известных способов: обычной высадкой в грунт, гидропоникой, аэропоникой и другими.

Нами были проведены эксперименты по проверке эффективности работы комплекса, в частности, при выращивании моркови, свеклы и редиса.

Воду с пониженным содержанием дейтерия получали на установке, разработанной в Кубанском государственном университете по патенту РФ №2438765, опубл. 10.01.2012. Способ получения биологически активной питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия по заявке №2010121324/05 с приоритетом от 25.05.2010. Исходная концентрация дейтерия в получаемой воде составляла 50 ppm. Минерализацию полученной воды производили путем добавления минеральных солей для получения физиологически полноценного минерального состава (минерализация 314-382 мг/л: гидрокарбонаты 144-180 мг, сульфаты менее 1 мг, хлориды 60-76 мг, кальций: 6 мг, магний: 3 мг, натрий 50-58 мг, калий 50-58 мг), который был идентичен у воды с содержанием дейтерия 120, 100, 80, 60, 50 и 150 ppm.

Определение суммарной антиоксидантной активности (АОА) свежевыжатых соков проводили с помощью амперометрического способа на анализаторе антиоксидантной активности «Яуза-01-AAA», производства ОАО НПО «Химавтоматика» (Россия) по методике [Басов А.А., Быков И.М., Барышев М.Г., Джимак С.С., Быков М.И. Концентрация дейтерия в пищевых продуктах и влияние воды с модифицированным изотопным составом на показатели свободнорадикального окисления и содержание тяжелых изотопов водорода у экспериментальных животных // Вопросы питания. 2014. Т. 83. №5. С. 43-50], результаты выражали в наноамперах в секунду (нА·с). Свежевыжатые соки непосредственно перед исследованием разводили в элюенте (2,2 мМ раствор H₃PO₄) в соотношении 1:100. Прооксидантные показатели определяли с помощью максимума и площади вспышки хемилюминесценции (МВХЛ и ПХЛ соответственно), индуцируемой внесением 0,3% пероксида водорода и определяемой на хемилюминометре «Lum-5773» (МГУ, Россия) с использованием лицензионного программного обеспечения PowerGraph 3.3. Определение концентрации дейтерия в соках производили на импульсном ЯМР спектрометре по методике [Джимак С.С., Барышев М.Г., Басов А.А., Тимаков А.А. Влияние воды со сниженным содержанием дейтерия на изотопный состав лиофилизированных тканей и морфофункциональные показатели организма у крыс из разных поколений // Биофизика. 2014. Т. 59. Вып. 4. С. 749-756]. Определение всхожести производили согласно ГОСТ 12038-84.

Редис, морковь и свеклу выращивали согласно описанному способу. Для полива растений в воде последовательно через равные промежутки времени производили снижение концентрации дейтерия по схеме 136, 120, 100, 80, 60, 50 ppm и 136, 120, 110, 100 ppm.

Перед высадкой в грунт семена замачивали водой с концентрацией дейтерия 80 ppm.

Семена, замоченные в воде с концентрацией дейтерия 80 ppm, по сравнению с семенами, замоченными в воде с концентрацией дейтерия 150 ppm, имели лучшую всхожесть, см. таблицу 2.

Из таблицы 2 видно, что всхожесть семян, замоченных в воде с пониженной концентрацией дейтерия, была несколько выше, чем у семян, замоченных в обычной воде.

В таблице 3 приведены данные по концентрации дейтерия, а также антиоксидантным и прооксидантным показателям в свежевыжатых соках из редиса, моркови, свеклы.

Из таблицы 3 видно, что антиоксидантная активность свеклы, моркови и редиса, по схеме 136, 120, 100, 80, 60, 50 ppm и по схеме 136, 120, 110, 100 ppm достоверно превышает значения антиоксидантной активности свеклы, моркови и редиса, выращенных на обычной воде. А прооксидальная активность соков и овощей, выращенных на легкой воде, меньше.

При дозировании легкой воды и, соответственно, уменьшении ее расхода, в частности при смене концентрации дейтерия в воде для полива через равные промежутки времени по схеме 136, 120, 100, 80, 60, 50 ppm, ее расход уменьшается двукратно. Затраты же на дополнительную операцию - замачивание семян в легкой воде, не существенны, т.к. после замачивания предусмотрено возвращение воды в смеситель и повторное ее использование. Предлагаемый способ обеспечивает выращивание пищевых сельскохозяйственных культур менее энергозатратно.

Таким образом, предложенный способ позволит снизить себестоимость пищевых сельскохозяйственных культур с пониженным содержанием дейтерия без снижения их высокого качества.