Биохимия запаха и вкуса
Виды аллиума ценились большинством цивилизаций с древности. Хотя этот разнообразный род использовался в медицине, искусстве и духовности, аллиумы употреблялись и употребляются в основном из-за их уникального вкуса или способности усиливать вкус других продуктов. Исследования химии вкуса аллиума начались в 1800-х годах, но только в 1940-х, 1950-х и 1960-х годах стало известно о сложности вкуса и его развитии среди видов аллиума и внутри них. За последнюю часть 20-го века было многое узнано о химии Allium, хотя вопросы все еще остаются (Block, 1992). Мы также начали понимать те факторы, которые влияют на качество и интенсивность аромата Allium. Химия аромата аллиума сложна, поскольку серосодержащие соединения, ответственные за аромат, лабильны и реактивны. Они высвобождаются только тогда, когда клетки повреждаются при нарезке или раздавливании.
Это запускает серию реакций, начиная с высвобождения фермента, аллииназы, присутствующей только в вакуолях неповрежденных клеток, что дает ей доступ к безвкусным предшественникам, которые хранятся в везикулах в цитоплазме. Аллииназа преобразует предшественники в реактивные и сильно ароматизированные тиосульфинаты, которые являются первичными ароматическими соединениями. Количество и характер высвобождаемых тиосульфинатов частично зависит от того, насколько тщательно мацерирована ткань и как долго фермент может действовать, прежде чем разрушится при приготовлении или обработке.
Какие соединения образуются из тиосульфинатов, зависит от условий приготовления или экстракции. Было описано более 80 различных соединений, образующихся в результате взаимодействия исходных тиосульфинатов и последующего каскада продуктов реакции в свежих, а также дистиллированных паром экстрактах аллиума. Эти вещества включают полисульфиды, тиосульфонаты и соединения с буквой S в кольцевых структурах, например, дитиины. Органическая химия ароматических соединений аллиума была рассмотрена Блоком (1992), а последующие работы продолжают развивать эту тему (Block et al., 1997). Биохимия и физиология вкусовых соединений были рассмотрены Ланкастером и Боландом (1990), Рэндлом и Ланкастером (2002) и Джонсом и др. (2004).
Известно, что чеснок и лук обладают лечебными свойствами во многих древних традициях народной медицины. В значительной степени, но не исключительно, эти лечебные свойства обусловлены ароматическими соединениями. Поэтому у исследователей возникла сильная мотивация охарактеризовать активные соединения и их фармакологические свойства. Чеснок является одним из наиболее изученных лекарственных растений (Koch and Lawson, 1996; Keusgen, 2002), в то время как работы по изучению полезных свойств лука несколько менее продвинуты (Griffiths et al., 2002).
Предшественники ароматических соединений
S-алк(ен)ил цистеин сульфоксид предшественники аромата
В аллиумах большая часть серы находится в форме различных небелковых аминокислот, которые включают предшественников летучих ароматических соединений. Эти предшественники — не имеющие запаха, нелетучие аминокислоты под общим названием S-алк(ен)ил-цистеин сульфоксиды (ACSO). Общая структура ACSO такова:
R-S(→O)-CH2-CH(NH2)COOH;
группа справа от группы R представляет собой -L-цистеинсульфоксидную группу.
Группа R может включать (Bernhard, 1970; Freeman and Whenham, 1975a; Yoo and Pike, 1998):
- CH3— (+)-S метил-L-цистеинсульфоксид (MSO или MCSO);
- CH3-CH2-CH2— (+)-S пропил-L-цистеинсульфоксид (PSO или PCSO);
- CH3-CH=CH- транс-(+)-S-(1-пропенил)-L-цистеинсульфоксид (1-PECSO);
- CH2=CH-CH- (+)-S-(2-пропенил)-L-цистеин сульфоксид (2-PECSO или аллиин).
Соединение 4 из чеснока было выделено первым и обычно называется аллиин или S-аллил-цистеин сульфоксид.
Существование PCSO оспаривалось на протяжении многих лет. Впервые он был выделен из лука Виртаненом и Матиккалой (1959). О его присутствии и продуктах разложения впоследствии сообщали Фриман и Уэфхем (1975b), Блок (1992), Ланкастер и др. (1995) и Рэндл и др. (1995). PCSO не был обнаружен Томасом и Паркином (1994) или Ю и Пайком (1998). Однако его обнаружение может быть связано с методом анализа. Например, Рэндл и др. (1995) смогли обнаружить PCSO по методам Томаса и Паркина (1994), если образцы элюировались в ходе анализа высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ) с использованием градиента растворителя вместо элюирования с постоянным составом.
Именно количественные и качественные различия в этих четырех ACSO придают каждому виду Allium характерный аромат. Например, аромат и лакриматорный эффект A. cepa обусловлен высокой долей содержащегося в нем 1-PECSO, а аромат A. sativum (чеснок) — высоким содержанием 2-PECSO (Lancaster and Boland, 1990). Эти два предшественника доминируют в биохимии аромата соответствующих культур.
Предшественники вкуса (цистеинсульфоксиды), обнаруженные в съедобном аллиуме, и их относительное количество (основано на более подробной информации из Lancaster and Boland, 1990, Таблица 1):
- лук репчатый, A. cepa — MSO (мало), PSO (средне), 1-PESCO (много), 2-PESCO (отсутствует);
- шалот A. cepa var. ascalonicum — MSO (средне), PSO (средне), 1-PESCO (мало), 2-PESCO (отсутствует);
- лук китайский, A. chinense — MSO (средне), PSO (мало), 1-PESCO (средне), 2-PESCO (отсутствует);
- лук-батун, A. fistulosum — MSO (мало), PSO (средне), 1-PESCO (средне), 2-PESCO (отсутствует);
- шнитт-лук, A. schoenoprasum — MSO (мало), PSO (мало), 1-PESCO (средне), 2-PESCO (отсутствует);
- лук-порей, A. ampeloprasum — MSO (средне), PSO (средне), 1-PESCO (мало), 2-PESCO (отсутствует);
- чеснок крупноголовый, A. ampeloprasum — MSO (средне), PSO (мало), 1-PESCO (отсутствует), 2-PESCO (много);
- чеснок, A. sativum — MSO (средне), PSO (мало), 1-PESCO (отсутствует), 2-PESCO (много);
- китайский шнитт-лук (восточный чеснок), A. tuberosum — MSO (средне), PSO (мало), 1-PESCO (мало), 2-PESCO (много).
Сульфоксидная связь является асимметричной (диастереомерной) и приводит к образованию оптических изомеров, но все встречающиеся в природе соединения имеют (+) изомеры.
y-глутамиловые пептиды и S-замещенные цистеины
Большая часть ACSO (50% или более) соединяется с группой глутаминовой кислоты, образуя γ-глутамиловые ACSO в растении (рис.). γ-глутамил-связанные ACSO не вступают в реакцию с вкусовым ферментом аллииназой и поэтому не способствуют появлению вкуса при измельчении. γ-глутамиловая группа должна быть сначала удалена с помощью реакции, опосредованной γ-глутамилтранспептидазой, для высвобождения свободной ACSO, чтобы она могла вступить в реакции высвобождения аромата.
Двадцать четыре y-глутамиловых пептида, 18 из которых содержат серу, были выделены из видов Allium (Lancaster and Boland, 1990). y-Глутамил-транс-(+)-S-(1-пропенил)-цистеинсульфоксид является основным пептидным компонентом в луке (130 мг 100 г 1 сырого веса) (Carson, 1987), представляя собой приблизительно 50% потенциальных предшественников вкуса и запаха (Whitaker, 1976). В тканях лука также были обнаружены низкие уровни у-глутамиловых производных S-2-карбоксипропилцистеина, S-метила и S-пропенилцистеина.
В чесноке основными у-глутамиловыми пептидами являются у-глутамил-транс-(+)-S-(1-пропенил)-цистеин, у-гилаинил-S-аллил цистеин и у-глутамил-S-метил цистеин (Lawson, 1996). О сульфоксидах у-глутамил-алк(эн)ил-цистеина в чесноке не сообщалось. Полный список всех сернистых соединений, обнаруженных в чесноке, можно найти в Lawson (1996).
Значение у-глутамиловых пептидов в аллиумах неясно. Наличие большого количества у-глутамиловых пептидов в спящих луковицах и семенах предполагает, что эти пептиды могут функционировать как источники азота и серы для использования при прорастании или проращивании. Например, потеря у-глутамил-пропенил-цистеин сульфоксида была пропорциональна увеличению 1-PECSO во время длительного хранения луковиц лука (Kopsell et al., 1999). Считается, что фермент транспептидаза действует как гидролаза у-глутамиловых пептидов в процессе биосинтеза предшественников аромата (Matikkala and Virtanen, 1965a, b; Lancaster and Shaw, 1994). Считается, что у-глутамиловые пептиды не преобразуются в ароматические соединения в измельченном луке, хотя они могут способствовать появлению аромата при приготовлении пищи в результате термического разложения (Block, 1992). Однако у-глутамилпропенилцистеин сульфоксид и 2-карбоксипропилглутатион исчезают в мацератах лука (Lancaster et al., 1998).
Ферментные реакции при образовании аромата
При повреждении свежей ткани предшественники аромата реагируют под контролем аллииназы (S-алк(ен)ил-L-цистеин сульфоксидлиазы) с высвобождением широкого спектра высокореакционных сульфеновых кислот с характерным ароматом, а также аммиака и пирувата, как показано на рис. Фермент находится в вакуоли клетки, в то время как предшественники ароматических веществ (ACSO) находятся в цитоплазме (Lancaster and Collin, 1981), вероятно, в небольших везикулах, связанных с их присутствием в клетке. Следовательно, фермент имеет доступ к предшественникам только при разрушении клеток. Это объясняет, почему луковицы лука, сваренные целиком, без предварительного повреждения ткани, не имеют аромата, поскольку фермент разрушается, не успев получить доступ к предшественникам аромата.
В луковицах чеснока аллииназа находится только в клетках оболочки пучков, которые окружают сосудистые пучки внутри зубчиков.
Анализ 1-PECSO позволяет предположить, что в луке он связан с эндоплазматическим ретикулумом клетки (Edwards et al., 1994). Аллиин (2-PECSO) сконцентрирован в очень многочисленных клетках мезофилла зубчика чеснока, где его нет вблизи клеток пучковой оболочки (G.S. Ellmore, Lawson, 1996).
Фермент аллииназа
Некоторые детали реакции аллииназы показаны на рис. выше. Пиридоксаль-5′-фосфат является необходимым кофактором, который прочно связан с белком фермента в соотношении 1:1.
Полное название фермента аллииназы — аллииналкилсульфенат-лиаза (EC 4.4.1.4). Фермент также известен как аллиин-лиаза, S-алк(ен)ил-L-цистеинсульфоксид-лиаза и цистеинсульфоксид-лиаза (C-S-лиаза). Аллииназа была впервые выделена из чеснока фон Штоллем и Сибеком (1949).
Аллииназа представляет собой гликопротеин, около 4,6% веса которого составляет углевод, богатый маннозой. Аллииназа составляет около 6% растворимого белка тканей луковицы лука и существует в вакуолях клеток как в виде отдельных единиц (мономеров), так и в виде нескольких ферментных единиц, связанных в мультимеры, в ассоциации с маннозоспецифическими лектинами. Аминокислотная последовательность нескольких аллииназ была установлена на основе ДНК-последовательности соответствующих генов. Фермент содержит цепь из 445 аминокислот, при этом пиридоксальфосфат связывается с единицей лизина в положении 285. Триптофановая единица в положении 182 необходима для активности. Возможно существование нескольких форм фермента, которые могут отличаться по сродству к различным ACSO.
Филогенетическое распространение аллииназ
Аллииназы, скорее всего, присутствуют у всех представителей рода Allium (Tsuno, 1958a, b; Lancaster et al., 2000a). Активность была обнаружена у A. cepa, A. sativum, A. porrum (= A. ampeloprasum), A. tuberosum, A. ursinum и A. fistulosum (Fujita et al., 1990). Об аллииназоподобной активности также сообщалось в родственных родах Alliaceae и Liliaceae, таких как Ipheion, Tulbaghia (Jacobsen et al., 1968) и Leucocoryne (Lancaster et al., 2000b). Об аллииназоподобной активности также сообщалось в южноамериканском двудольном Adenocalymma alliaceum (Bignoniaceae) (Apparao et al., 1981). Хотя в целом аллиин-лиазы менее специфичны в своей субстратной реактивности, они были очищены из бактерий (Nomura et al., 1963; Kamitani et al., 1990), грибов шиитаке (Iwami and Yasumoto, 1980), декоративного кустарника Albizzia lophanta (Schwimmer and Kjaer, 1960) и различных видов Brassica (Hall and Smith, 1983; Ho and Mazelis, 1993; Ramirez and Whitaker, 1998).
Локализация в растительных тканях
Lancaster и Collin (1981) использовали исследования клеточного фракционирования протопластов из луковиц лука, чтобы продемонстрировать, что аллииназа находится в вакуолях. Эллмор и Фельдберг (1994) использовали общую гистологию и специфические для фермента антитела для определения распределения аллииназы в зубчике чеснока. На срезах, окрашенных анилиновым сине-черным для выявления общего белка, были обнаружены плотные отложения в паренхиматозных оболочках пучков, особенно вокруг флоэмы (маленькие желтые пятна, которые видны при поперечном разрезе зубчика чеснока). Автофлуоресценция при синем свете, предположительно из-за кофактора пиридоксаль-5′-фосфата, была видна только в клетках пучковой оболочки. С помощью окраски на активность аллииназы и иммуноцитохимического окрашивания поликлональным антителом было установлено, что аллииназа концентрируется в клетках пучкового стебля, обычно толщиной в один слой. Было показано, что мессенджерная РНК (мРНК) аллииназы также локализована в этих клетках, что указывает на то, что аллииназа синтезируется там, а не транспортируется (G.S. Ellmore, неопубликованные данные, в Lawson, 1996). Высокие уровни в пучковых влагалищах располагают фермент вблизи флоэмы, куда он или связанные с ним продукты могут быть быстро перенесены во время развития (Ellmore and Feldberg, 1994). При использовании антител против аллииназы A. sativum иммуносигналы наблюдались в клетках пучковой оболочки (особенно флоэмы) и защитных клетках листьев A. tuberosum (Manabe et al., 1998). Аналогичная зеленая автофлуоресценция наблюдалась в вакуолях защитных клеток лука. Эллмор и Фельдберг (1994) предположили, что эта автофлуоресценция также может быть вызвана присутствием кофактора аллииназы пиридоксаль-5′-фосфата, как и в чесноке. Присутствие аллииназы в защитных клетках лука идеально подходит для использования в качестве защитного механизма, препятствующего проникновению микробных патогенов через стоматы.
Рабинков и др. (1994) обнаружили, что специфическая активность аллииназы в чесноке была в десять раз выше в луковице, чем в листьях. Очень высокая лиазная активность была обнаружена в корнях, но иммунологическая перекрестная реакция с аллииназой побегов отсутствовала, что позволяет предположить наличие отдельной корневой аллиин-лиазы.
Способ действия
Аллииназа катализирует высвобождение сульфоксидной группы S-alk(en)yl из субстрата ACSO. Механизм реакции осуществляется через производное пиридоксаль-5′-фосфат-шифф-основания, которое затем подвергается бета-элиминации (Jansen et al., 1989b). Продукты этой реакции, α-иминопропионовая кислота и сульфеновая кислота, химически неустойчивы. α-иминопропионовая кислота спонтанно гидролизуется до пирувата и аммиака. Реакционноспособная сульфеновая кислота может соединяться с рядом сореактантов, как описано выше.
Пиридоксаль-5′-фосфат был продемонстрирован как важный кофактор, который также дает аллииназе характерный пик поглощения при 420 нм. Эмпирические измерения предсказывают наличие одного очень прочно связанного пиридоксальфосфата на субъединицу (Tobkin and Mazelis, 1979). Ингибиторы пиридоксаль-5′-фосфата, такие как цианид натрия, аминооксиацетат и аминооксипропионат, подавляют активность аллииназы (Lancaster and Boland, 1990).
Химия/субстратная специфичность
Субстратная специфичность аллииназы Allium была исследована для луковицы лука (Schwimmer, 1969; Nock and Mazelis, 1987), корня лука (Lancaster et al., 2000a), зубчика чеснока (Казарян и Горяченкова, 1978; Jansen et al., 1989a), A. ursinum (дикий чеснок) (Landshuter et al., 1994) и лука-порея (Lohmuller et al., 1994). Все ферменты активны в отношении всех ACSO, даже если конкретная ACSO может не встречаться в данном аллиуме. Изучение констант Михаэлиса (значений Km) аллииназ с различными субстратами показывает, что все вышеперечисленные аллииназы сходны, при этом аллииназа имеет более низкое сродство к MCSO, чем к другим субстратам. Алкилцистеины и цистеин были конкурентными ингибиторами аллииназ (Schwimmer et al., 1964; Jansen et al., 1989b). Оказалось, что субстрат аллииназы должен иметь алифатический заместитель на сере сульфоксида L-цистеина, а аминогруппа должна быть незамещенной (Carson, 1987).
Аллииназа корня лука отличается от аллииназы луковицы тем, что обладает активностью в отношении цистина (цистеин-цистеина). Таким образом, эта аллииназа обладает как C-S-лиазной, так и цистин-лиазной активностью. У видов Brassica C-S-лиазы обладают как цистеинсульфоксидной (C-S), так и цистин-лиазной активностью (Ramirez and Whitaker, 1998), но о такой двойной активности аллииназ Allium ранее не сообщалось. Аллииназы других видов, кроме Allium, обладают активностью в отношении гораздо более широкого спектра (C-S)-содержащих соединений (Schwimmer and Kjaer, 1960; Nomura et al., 1963; Iwami and Yasumoto, 1980; Hall and Smith, 1983; Kamitani et al., 1990; Ho and Mazelis, 1993; Ramirez and Whitaker, 1998).
Работа по изучению реакции аллииназы лука in vivo показала, что гидролиз 1-PECSO происходит немедленно и почти на 100% в период от 5 до 20 с после мацерации луковицы (Lancaster et al., 1998). Гидролиз PCSO и MCSO был неполным; около 50% оставалось даже через 2 ч. Это исследование также показало отсутствие количественной зависимости (не стехиометрической) между содержанием ACSO в ткани и пируватом, образующимся при мацерации. Швиммер (1969) также показал, что только 1 моль пирувата вырабатывается аллииназой из 5 моль субстрата 1-PECSO. Для Tulbaghia violacea было показано, что C-S-лиаза инактивируется нестабильным предшественником пирувата, который связан с пиридоксаль-5′-фосфатом фермента (Jacobsen et al., 1968). Эти результаты показывают, что ингибирование аллииназной реакции может происходить в мацератах. Для аллииназы лука добавление кофактора пиридоксаль-5′-фосфата усиливало гидролиз оставшихся в мацерате MCSO и PCSO (Lancaster et al., 1998).
Блок (1992) обсудил возможность того, что сульфеновая кислота может оставаться связанной с аллииназой посредством водородной связи, когда она атакуется второй свободной сульфеновой кислотой, давая оптически активный аллицин. Очевидно, что мы еще многого не знаем о способе действия аллииназы на ACSO.
Изозимы аллииназы
Появляется все больше доказательств того, что существует несколько изоферментов аллииназы аллиума, различающихся по физическим, химическим и ферментативным свойствам. Nock и Mazelis (1987) сообщили о разделении изоформ аллииназы луковой луковицы с помощью изоэлектрического фокусирования (ИЭФ), хотя расположение полос было неясно. Наши собственные эксперименты показали, что аллииназу луковой луковицы трудно сфокусировать в полосы, хотя они и присутствовали (J.E. Lancaster и M.L. Shaw, неопубликованные результаты).
Аллииназа корня лука разделяется на две изоформы на основе гликозилирования (Lancaster et al., 2000a). Изоформа 1 дала одну полосу на ИЭФ (pI = 9,3), тогда как изоформа 2 дала четыре полосы (pI = 7,6, 7,9, 8,1 и 8,3). Аллииназа лука-порея давала две полосы на ИЭФ (pI = 7,5 и 7,6) (Landshuter et al., 1994). Напротив, белок аллииназы A. ursinum имел низкий pI — 4,7 (Lohmuller et al., 1994). Чеснок, по-видимому, имеет две различные изоформы аллииназы, одна из которых специфична для 1-PECSO и аллиина, а другая — для MCSO (Lawson and Hughes, 1992). Необходимо определить разделение этих двух активностей и их pI.
Физико-химические свойства
Охарактеризовать физическое состояние молекулы аллииназы оказалось непросто. Аллииназа может быть активна как мономер в луковице и корне лука (Clark et al., 1998; Lancaster et al., 2000a), а также как димер в чесноке (Казарян и Горяченкова, 1978), тример, тетрамер и даже гексамер в луковице лука (Nock and Mazelis, 1987; Hanum et al., 1995; Clark et al., 1998) и тример в A. ursinum (Landshuter et al., 1994) и луке-порее (Lohmuller et al., 1994). Аллииназа китайского шнитт-лука (A. tuberosum) может быть активна только в виде мономера (Manabe et al., 1998). Аллиумы содержат лектины, особенно в луковицах. Было показано, что у A. sativum и A. ursinum аллииназа агрегирует с лектинами низкой молекулярной массы в стабильные, активные комплексы (Rabinkov et al., 1995; Smeets et al., 1997). Эта агрегация является возможным объяснением появления аллииназы в виде мультимерных форм.
Аллииназа является гликозилированным ферментом у всех видов Allium, кроме лука-порея и A. ursinum (Landshuter et al., 1994; Lohmuller et al., 1994). Фермент содержит около 4,6% углеводов в A. cepa и 5,5% в A. sativum (Nock and Mazelis, 1987). При электрофорезе полиакриламидного геля с додецилсульфатом натрия (SDS-PAGE) аллииназа разделяется на субъединицы с различной молекулярной массой — от 48 до 54 кДа (Nock and Mazelis, 1987; Landshuter et al., 1994; Lohmuller et al., 1994; Hanum et al., 1995; Clark et al., 1998; Manabe et al., 1998; Lancaster et al., 2000a). В луковицах A. cepa дегликозилирование неравных субъединиц дало единственную полосу в SDS- PAGE размером 49 кДа. Аллииназа чеснока содержит один N-связанный гликан с высоким содержанием маннозы (Rabinkov et al., 1995). Аллииназа корня A. cepa имеет изоформы, значительно отличающиеся по гликозилированию. Обе они содержали N-связанные гликаны типа комплекса ксилоза/фукоза и, кроме того, одна изоформа содержала терминальные маннозные структуры (Lancaster et al., 2000a). Вполне вероятно, что различия в гликозилировании аллииназ из разных источников объясняют некоторую гетерогенность размера субъединиц. Высокое содержание маннозы в аллииназе может объяснять ее агрегацию с маннозоспецифичными лектинами в мультимерные формы.
Аллииназа и замораживание. Обычно считается, что замораживание тканей лука инактивирует аллииназу (Schwimmer and Guadagni, 1968; Whitaker, 1976). Вафлер и др. (1994) продемонстрировали, что аллииназа денатурируется не в результате замораживания как такового, а в результате клеточных процессов, происходящих во время медленного замораживания и оттаивания тканей лука. Ткани лука сохраняли активность аллииназы при замораживании в жидком N2, хранении при — 80°C, гомогенизации в жидком N2 и размораживании в высокосолевом буфере, содержащем этиленгликоль. Было предположено, что нарушение клеточной среды и локальные изменения рН и ионной силы во время замораживания ответственны за инактивацию аллииназы. Клеточные протеазы, как полагают, не были вовлечены в процесс. Аллииназа A. ursinum, однако, не разрушалась после замораживания и оттаивания нативной ткани луковицы (Landshuter et al., 1994).
Гены аллииназы
Гены, кодирующие аллииназу, были выделены из луковиц лука (van Damme et al., 1992; Clark, 1993; Gilpin et al., 1995; King et al., 1998), китайского шнитт-лука (Manabe et al., 1998), лука-шалота (van Damme et al., 1992) и чеснока (van Damme et al., 1992). Аминокислотная последовательность была получена путем использования кодонов из последовательности комплементарной ДНК (кДНК) аллииназы. Гомология между аллииназой кДНК и аминокислотными последовательностями лука (луковица и лист), чеснока и лука-шалота была очень высокой и составляла > 90% (van Damme et al., 1992; Clark, 1993). Аминокислотная последовательность аллииназы китайского шнитт-лука была гомологична другим последовательностям аллииназы только на 66-69%, в то время как аминокислотная последовательность кДНК лука-корня была наиболее дивергентной — около 50%. Южная гибридизация ДНК луковицы с полноразмерной кДНК аллииназы позволила предположить, что аллииназа кодируется небольшим семейством генов, состоящим из трех или четырех близкородственных членов (Clark, 1993). Два локуса аллииназы были картированы в луковице лука (King et al., 1998).
Выведенная белковая последовательность кодирующей области аллииназы из различных источников Allium дала предсказанный зрелый белок из 445 аминокислот (лук и лук-шалот), 448 аминокислот (чеснок), 447 аминокислот (китайский шнитт-лук) и 453 аминокислот (корень A. cepa). Выравнивание аминокислотных последовательностей аллииназ Allium показало наличие консенсусной последовательности гликозилирования Asn только на Asn 146 (или Asn 143 для аллииназы корня A. cepa) (Lancaster et al., 2000a). Вероятно, гликозилирование участка Asn 146 необходимо для активности аллииназы. Производная белковой последовательности кодирующей области аллииназ из лука, чеснока и шалота содержит те же четыре потенциальных сайта гликозилирования Asn в аминокислотных положениях 19, 146, 191 и 328. У A. sativum гликозилирование происходит только на участке Asn 146 (Rabinkov et al., 1995). В луковицах лука гликозилирован Asn 328, а также Asn 146 и/или Asn 191, тогда как Asn 19 не гликозилирован (U. Wafler, M.L. Shaw и J.E. Lancaster, неопубликованные результаты).
Эксперименты по сайт-направленному мутагенезу в китайском шнитт-луке (Manabe et al., 1998) и исследования по маркировке пиридоксаль-5′-фосфатом в луковице лука (Kitamura et al., 1997) показали, что Lys в области 250-255 аминокислот от N-конца необходим для активности аллииназы. Выравнивание аминокислотных последовательностей аллииназы Allium показало консенсусную область из 35 аминокислот вокруг высоко консервативного Lys 251 (Lys 248 для аллииназы корня A. cepa). Область вокруг Lys -250 — -255 в кДНК аллииназы Allium также консервативна в C-S-лиазах для метаболизма цистеина, гомо-цистеина и метионина (Manabe et al., 1998). Однако аллииназа корня A. cepa — единственный белок Allium, показавший более широкую субстратную активность с цистин-лиазой, а также активность цистеинсульфоксидазы.
Летучие ароматические соединения
Высокореакционные сульфеновые кислоты после высвобождения подвергаются перегруппировке и взаимореакциям, в результате которых образуется широкий спектр летучих, сильно пахнущих продуктов. 1-пропенилсульфеновая кислота (1-PECSO), образующаяся в луке, быстро вступает в реакцию, катализируемую недавно открытым ферментом синтазой лакриматорного фактора (Imai et al., 2002), с образованием вызывающего слезы тиопропаналя S-оксида (рис.).
Сульфеновые кислоты конденсируются друг с другом, образуя тиосульфинаты. Тиосульфинаты отвечают за аромат свежего лука, чеснока и других аллиумов. Эти тиосульфинаты участвуют в каскаде неферментативных (и, возможно, ферментативных) перегруппировок с образованием тиосульфонатов, сульфидов и широкого спектра других сероорганических соединений. Пропил- и пропенил-ди- и трисульфиды издают запах вареного лука. Выдержанные экстракты аллиума образуют капаены — соединения с несколькими серными центрами.
Аллицин, другие тиосульфинаты и лакриматорный фактор лука являются высокореактивными и могут подвергаться дальнейшей перегруппировке и соединению с собой, продуктами реакции и с сульфеновыми кислотами для получения, в частности, других веществ:
- тиосульфинаты R-S-S(→O)-R’;
- тиосульфонаты R-(O←)S(→O)-S-R’;
- моносульфиды R-S-R’;
- дисульфиды R-S-S-R’;
- трисульфиды R-S-S-S-R’.
Здесь R и R’ могут быть одной и той же или любой парой R-групп, перечисленных выше, которые существуют в качестве предшественников ACSO в аллиевых видах.
Также были идентифицированы более сложные структуры, включая атомы S и C в гетероциклических кольцах. Фактический состав реакционной смеси зависит от начальной концентрации и соотношения R-групп, образующих сульфеновые кислоты, температуры — отсюда разница во вкусе свежего и приготовленного аллиума — полярности растворителей, окружающих реактанты, и рН.
Первым методом извлечения летучих веществ чеснока была паровая дистилляция, при которой в этих условиях накапливается диаллилдисульфид (DADS). Этот метод до сих пор широко используется для получения экстрактов чеснока для инкапсулирования. Более 80 летучих соединений были идентифицированы в свежих и пародистиллированных экстрактах аллиума. Среди них можно отметить следующие соединения: из чеснока — аджоен (рис.); из лука — цепаены, сходные по структуре с аджоеном, которые обладают мощными антитромботическими свойствами.
В чесноке 2-пропенсульфеновая кислота конденсируется с образованием тиосульфината аллицина (аллил-2-пропенэтиосульфината), который придает характерный аромат чесноку. В выдержанных экстрактах чеснока аллицин может диспропорционировать (реагировать сам с собой) с образованием сульфидов, тиосульфонатов и трисульфированного соединения под названием аджоен. Аджоен обладает более сильным антитромботическим действием, чем аспирин, и образуется из аллицина в этанольных растворах.
В луке и других видах Allium, содержащих 1-PECSO, образуется целый ряд соединений серы из-за реакционной способности этого соединения. Промежуточная 1-пропенилсульфеновая кислота почти мгновенно перестраивается с образованием сульфина пропанэтил-S-оксида. Это и есть лакриматорный фактор (ЛФ) лука. Точный механизм, по которому ЛФ вызывает выработку слез, неизвестен, но предполагается, что лакриматоры (такие как слезоточивый газ) подвергаются быстрому восстановлению никотинамид аденин динуклеотид фосфатом (NADPH) после приема в мембранах нервных клеток, что приводит в действие слезные протоки.
Большая часть ЛФ теряется в атмосферу при измельчении или раздавливании луковой ткани. Однако большая часть ЛФ может быть извлечена из лукового сока, если экстрагировать ее в хлористом метилене в течение 5-10 секунд после мацерации (Kopsell, 1999). ЛФ в растворе может реагировать несколькими способами. Он может реагировать с водой с образованием пропаналя и неорганической серы. ЛФ также может диспропорционировать с метил- и пропилсульфеновыми кислотами с образованием тиосульфинатов. Они придают характерный аромат свежего лука. Однако пропенил-S(O)S-пропенил тиосульфинаты не образуются из ЛФ. ЛФ димеризуется, образуя бисульфины и их производные циклические S-S соединения — цвибеланы — или сульфинилдисульфиды — цепаены (Block, 1992).
В то время как чеснок образует в основном тиосульфинатный аллицин, лук образует широкий спектр нестабильных соединений, которые имеют различную структуру и вызывают различные восприятия запаха. Из-за этого было трудно количественно определить содержание аромата в продуктах реакции лука так, как это удалось сделать с чесноком. Кроме того, хотя пищевая промышленность разработала хорошие продукты переработки чеснока, было трудно разработать продукты, которые бы точно передавали аромат свежего лука.
Метаболизм серы и аромат
Поглощение и восстановление серы
Сера является одним из шести макроэлементов, необходимых растениям, и содержится в аминокислотах цистеине и метионине, а также в различных метаболитах. Аллиумы имеют высокое содержание серы из-за высокой концентрации ACSO и их метаболических промежуточных продуктов. Сера поглощается корнями в виде сульфата и транспортируется в сосудистой ткани к листьям, где происходит большая часть ассимиляции сульфата и его восстановления до органических соединений (обзоры см. Hell, 1997; Leustek and Saito, 1999).
Поглощение сульфата опосредуется семейством мембранных транспортеров со специализированными функциями. Последовательности кДНК были клонированы из семи видов. Как правило, существует транспортер с высоким сродством к сульфату, экспрессируемый исключительно в корнях, и транспортеры с более низким сродством, экспрессируемые в листьях и корнях. Пространственная структура этого транспортера с низким сродством указывает на то, что он должен отвечать за поглощение сульфата из внутреннего апопластического пула, а не из почвы.
Сульфат является инертным соединением, которое должно быть активировано, прежде чем оно может быть метаболизировано. Путь ассимиляции, ведущий от сульфата к цистеину, включает не менее шести ферментов. Сульфат превращается в аденозинфосфосульфат (АФС). Эта реакция катализируется ферментом аденозинтрифосфат (АТФ) сульфурилазой и является единственной отправной точкой для метаболизма сульфата. В большинстве растений существует две изоформы АТФ-сульфурилазы: основная форма, расположенная в пластидах, и минорная форма, локализованная в цитоплазме. Изоформы кодируются семействами генов. Пластидный фермент существует как в листьях, так и в корнях, а хлоропласты в листьях являются основным местом ассимиляции сульфата.
Сульфат восстанавливается перед включением в цистеин. Обычно считается, что восстановление происходит в пластидах. Реакция происходит в результате последовательного действия двух различных ферментов, оба из которых локализованы в пластидах. APS является первым субстратом, и реакция требует двух электронов для образования сульфита. Фермент, ответственный за восстановление APS, до сих пор остается спорным (Hell, 1997; Leustek and Saito, 1999). Реакция может происходить через связанный промежуточный продукт, такой как глутатион, APS-связанный» путь и APS-сульфотрансфераза или через свободную редуктазу, такую как APS-редуктаза или фосфоаденозинфосфосульфат (PAPS) редуктаза. Восстановление сульфита происходит через сульфитредуктазу и требует шести электронов, передаваемых ферредоксином. Этот фермент был убедительно продемонстрирован путем очистки и клонирования соответствующего гена и кДНК (Bork et al., 1998).
Синтез цистеина из серина и сульфида в результате двух сходящихся путей представляет собой заключительный этап ассимиляции серы в органическую серу (рис.). Реакция катализируется серинацетилтрансферазой и О-ацетилсерин-лиазой в ферментном комплексе, известном как цистеинсинтаза. В отличие от других ферментов ассимиляции серы, которые локализованы в основном в пластидах, цистеинсинтаза находится в пластидах, цитозоле и митохондриях. Цистеинсинтаза также локализована в клетках оболочки сосудистого пучка (Saito, 1998). У Arabidopsis thaliana активность О-ацетилсерин-лиазы в корнях значительно увеличивает запас цистеина в растении (Barroso et al., 1998). Затем цистеин становится доступным для включения в белки, в глутатион — ключевое соединение в клеточной окислительно-восстановительной регуляции и защите — и, у Allium, в ACSO.
Биосинтез ACSO
На рисунке выше представлен предполагаемый биосинтез различных пептидов Allium и ACSO, основанный на результатах экспериментов по мечению, в которых 35S сульфат скармливался растениям лука (Granroth, 1970; Lancaster and Shaw, 1989; Lawson, 1996). Присоединение метакриловой кислоты (из валина) к глутатиону дает S-2-карбоксипропильное производное. Последовательный гидролиз глицина, декарбоксилирование для получения γ-глутамил-S-1-пропенил цистеина, окисление до γ-глутамил-S -1-пропенил цистеин сульфоксида и расщепление γ-глутамил транспептидазой (EC 2.3.2.1) дает 1-PECSO. Было показано, что γ-глутамил транспептидаза функционирует как гидролитический фермент в растениях Allium (Lancaster and Shaw, 1994). Эксперименты по маркировке установили, что γ-глутамил-S-2-карбоксипропилцистеин превращается в 1-PECSO (Parry and Lii, 1991). Биосинтез 1-PECSO может также происходить из предшественника глутатиона, γ-глутамилцистеина, посредством аналогичных реакций. Метилирование глутатиона дает S-метилглутатион, который затем превращается в MCSO. Поскольку MCSO встречается в луке в небольших количествах и отсутствует в чесноке, его биосинтезу уделялось меньше внимания. Lancaster и Shaw (1989) представили возможность того, что он образуется из γ-глутамил- S-пропенил цистеина путем насыщения двойной связи.
Аналогичная схема биосинтеза была постулирована для чеснока, с важным отличием (Lawson, 1996). Чеснок накапливает γ-глутамил-цистеин, производные аллил-цистеина и меньшее количество пропенил- и метил-цистеина (Lawson, 1996). Сульфоксиды γ-глутамил- S-алкенил цистеина не накапливаются в чесноке. Таким образом, можно предположить, что в чесноке действие γ-глутамил транспептидазы по расщеплению остатка глутаминовой кислоты предшествует действию предполагаемой оксидазы.
Хотя имеются веские доказательства того, что большая часть биосинтеза протекает через пептидные промежуточные продукты, исследования меток с использованием других соединений, кроме сульфата, указывают на альтернативные пути к ACSO (Granroth, 1970). Алкил-тиолы, поданные в клеточные культуры, приводили к образованию соответствующих цистеиновых сульфоксидов (Prince et al., 1997). Прямое образование ACSO неустановленным путем было также предложено Эдвардсом и др. (1994). Широкая субстратная специфичность цистеинсинтазы, обычно функционирующей для соединения H2S с O-ацетилсерином, означает, что экзогенные тиолы также могут быть соединены.
Регуляция метаболизма серы
В условиях низкого содержания S происходит индукция белков-транспортеров сульфатов, сульфурилазы АТФ, редуктазы АПС и цистеинсинтазы, которые участвуют в поглощении и ассимиляции S в органические соединения (Hell, 1997; Saito, 1998; Leustek and Saito, 1999). Серное голодание вызывает активность определенных ферментов (Smith et al., 1997; Takahashi et al., 1997, 1998; Lee and Leustek, 1998; Lappartient et al., 1999). Стабильные уровни мРНК высокоаффинного белка-транспортера сульфата в корнях быстро увеличиваются в ответ на серное голодание. Низкоаффинная форма медленнее или менее отзывчива на серное голодание. В целом, активность и стабильные уровни мРНК АТФ-сульфурилазы увеличиваются, когда растения испытывают серное голодание. Однако эти изменения относительно невелики, примерно в два раза или меньше, и регуляция происходит в основном в корнях. Сульфотрансфераза APS, предполагаемый первый фермент восстановления серы, является важной точкой регуляции в ассимиляции сульфата. Серное голодание вызывает накопление мРНК в корнях и увеличение активности фермента. В отличие от этого, сульфит-редуктаза не подвергается значительной регуляции на уровне мРНК (Bork et al., 1998). Цистеинсинтаза в пластидах листьев увеличивает уровень устойчивой мРНК после серного голодания (Takahashi et al., 1997). В Arabidopsis thaliana было показано, что серное голодание повышает уровень О-ацетил-серин-лиазы во всех частях растения и особенно в воздушных частях (Barroso et al., 1998).
При поступлении в растения восстановленные соединения серы, такие как цистеин и глутатион, снижают активность ферментов усвоения серы. В целом, активность и стабильный уровень мРНК сульфурилазы АТФ снижаются, когда растения получают восстановленные формы серы, такие как цистеин или глутатион.
Два соединения были предложены в качестве эндогенных регуляторов этого пути (Leustek and Saito, 1999). Глутатион транспортируется через сок флоэмы, и его уровень заметно снижается после кратковременного серного голодания. Эксперименты с «разделенными корнями» подтвердили эту роль глутатиона (Lappartient et al., 1999). О-ацетил серин может действовать как положительный сигнал (Smith et al., 1997) на усвоение серы, так как доказано увеличение мРНК устойчивого состояния белка-переносчика сульфатов при кормлении растений этим соединением.
Ремобилизация серы
Хотя ассимиляция серы в органические соединения важна для роста и развития растений, большая часть серы остается в вакуолях клеток в виде сульфата. По оценкам, у масличного рапса 70-90% общей серы в средних и старших листьях составляет сульфат и около 40% в самых молодых листьях (Blake-Kalff et al., 1998). В условиях дефицита серы концентрация всех соединений серы снижалась, но особенно сульфат выступал в качестве источника серы. Эксперименты с импульсным прогоном показали, что растворимый пул серы содержит небольшой метаболически активный пул серы и более крупный пул, который находится в медленном равновесии с небольшим пулом (Sunarpi and Anderson, 1996). Ремобилизация серы из белков происходит только при дефиците азота (Sunarpi and Anderson, 1997).
В луке сульфаты составляют 41-48% от общего количества серы в луковице (Randle et al., 1999). Уровень сульфатов был выше у мягких сортов и при увеличении уровня снабжения серой. При дефиците S почти 95% общего количества S в луковице приходилось на ACSO и их пептидные промежуточные продукты (Randle et al., 1995).
Низкое снабжение серой снижало уровень серосодержащих соединений, таких как ACSO и их биосинтетические промежуточные продукты, а также глутатион (Randle et al., 1995; Hamilton et al., 1997; Leustek and Saito, 1999). Также было показано, что низкое снабжение серой увеличивает экспрессию и активность белков, участвующих в поглощении и ассимиляции серы. Таким образом, когда сера ограничена, органические соединения серы метаболизируются более эффективно.
Увеличение активности аллииназы при низких уровнях серы повышает вероятность того, что аллииназа эндогенно участвует в переработке ACSO (Lancaster et al., 2000c). Мы знаем, что аллииназа хранится в вакуолях клеток лука и гидролизует предшественники аромата, когда клетки разрушаются. Аллииназа также может играть роль в ремобилизации предшественников аромата в интактных клетках в условиях серного голодания. В экспериментах с импульсным преследованием сульфата, подаваемого на листья лука, удельная активность 35S в 1-PECSO упала наполовину между 3 и 7 днями, что свидетельствует об эндогенном метаболизме этого соединения (Lancaster and Shaw, 1989).
Аналогичные доказательства потери меченого 35S из ACSO были обнаружены Эдвардсом и др. (1994).
Регуляция серы, связанная с защитой
Считается, что система аллииназа-ACSO вовлечена в защиту от патогенов и нападения насекомых (хотя это не доказано). Arabidopsis thaliana содержит глюкозинолаты, S-соединения, которые, по аналогичному мнению, участвуют в защите. После ранения или применения жасмоната — индуктора раневого ответа — ферменты ассимиляции S увеличиваются, а уровень глюкозинолатов возрастает в два раза. Это позволяет предположить, что раненые растения поставляют доступную серу для синтеза веществ, связанных с защитой, путем активации генов, участвующих в метаболизме серы (Harada et al., 2000). Было бы интересно выяснить, наблюдаются ли подобные реакции у аллиумов.
Факторы, влияющие на интенсивность вкуса и качество
Генетические факторы, влияющие на вкус
Различия между сортами
Хорошо известно, что сорта Allium различаются по интенсивности вкуса. В то время как потребители во многих культурах предпочитают острые сорта, другие предпочитают сорта с мягким и сладким вкусом. Спрос на качество и интенсивность вкуса зависит от культурных предпочтений и предполагаемого использования (Jones and Mann, 1963; Rabinowitch, 1988). На протяжении многих лет, используя различные аналитические методы, различные исследования описывали различия в качестве и интенсивности вкуса среди сортов лука. Платениус (1941) использовал общий летучий S для разделения 16 сортов лука, содержание которого варьировалось от 59 до 156 ppm. Аналогичным образом, летучий ЛФ, тиопропаналь S-оксид, использовался для разделения девяти сортов, хотя было сообщено о незначительном разделении, вероятно, из-за нестабильности и временной чувствительности измерения этого соединения (Freeman and Whenham, 1975a).
Поскольку его легко измерить, ферментативно вырабатываемый пируват использовался для сравнения сортов в ряде исследований (Schwimmer and Weston, 1961; Schwimmer and Guadagni, 1962; Bajaj et al., 1980, 1990; Bedford, 1984; Randle, 1992b, c; Thomas et al., 1992; Randle and Bussard, 1993a; Vavrina and Smittle, 1993; Kopsell, D.E. and Randle, 1997). Содержание пирувата у культиваров варьирует от 1 до 22 мкмоль/г свежего веса ткани луковицы. Однако, поскольку пируват является продуктом гидролиза всех предшественников вкуса, он измеряет только общую интенсивность вкуса и не дифференцирует качество вкуса. Общая и индивидуальная ACSO также использовались для разделения сортов лука по качеству и интенсивности вкуса (Lancaster et al., 1988; Randle et al., 1995; Yoo and Pike, 1998; Bacon et al., 1999; Kopsell et al., 1999).
Учитывая сложность поглощения S, его снижение и потребность в нем для здорового роста и развития растений, его использование в пути биосинтеза аромата и тот факт, что лук культивировался различными цивилизациями на протяжении тысячелетий, понятно, что существует постоянная вариация интенсивности аромата среди сортов лука. Культивары различаются по общему содержанию S в растениях, а различия в интенсивности вкуса и качестве, вероятно, возникают из-за вариативности в поглощении серы и ее метаболизме через биосинтетический путь вкуса. Шестьдесят два сорта лука были протестированы на содержание S в листьях и луковицах при двух уровнях S-плодородия (Randle, 1992c). При высокой плодородности S в листьях варьировал от 1,11 до 0,69% сухого веса, а в луковицах — от 1,03 до 0,46% сухого веса. При низкой плодородности S листьев и луковиц была значительно ниже и менее изменчива среди тестируемых сортов. Слабые корреляции между S листьев и S луковицы, а также между S луковицы и ферментативно вырабатываемым пируватом указывают на то, что сорта различаются по способу разделения S на вкусовые и невкусовые соединения (Randle, 1992c; Randle and Bussard, 1993b; Randle et al., 1999).
Один из способов, которым сорта различаются по расщеплению S, заключается в их способности снижать содержание SO42-, чтобы он мог попасть в ароматический путь. Острые сорта более эффективны в восстановлении SO42-, тогда как мягкие сорта хранят больше поглощенного S в виде SO42- в вакуолях клеток растения, тем самым исключая его из вкусового пути (Randle et al., 1999). Однако различия внутри лука для АТФ-сульфурилазы и других ферментов, ответственных за восстановление SO42-, еще предстоит описать.
Сорта лука также различаются по способности накапливать соединения S среди и внутри различных путей, ведущих к синтезу вкусовых прекурсоров (Shaw et al., 1989; Thomas and Parkin, 1994; Randle et al., 1995; Yoo and Pike, 1998; Bacon et al., 1999; Kopsell and Randle, 1999). Резкие сорта, как правило, накапливают больше общего содержания вкусовых прекурсоров, чем более мягкие сорта (Randle et al., 1995; Yoo and Pike, 1998; Kopsell and Randle, 1999). Однако в одном случае мягкий сорт накапливал больше общего содержания ACSO, чем более пунцовые сорта (Bacon et al., 1999). Это было объяснено различиями в условиях выращивания оцениваемых сортов. Резкие сорта также выделяют больше серы в биосинтетический путь 1-пропенил-цис-теинсульфоксида по сравнению с более мягкими сортами (Shaw et al., 1989; Randle et al., 1995; Kopsell and Randle, 1999). Более высокие уровни γ-L-глутамил-S-(1-пропенил)-L-цистеин сульфоксида, предпоследнего пептида, ведущего к 1-пропенил цистеин сульфоксиду, и S-2-карбоксипропил глутатиона, обнаруженного в начале пути, накапливались в более высокой концентрации у этих сортов. γ-L-глутамил-S-(1-пропенил)-L-цистеин сульфоксид также, по-видимому, является узким местом в регуляции перемещения S по этому пути, поскольку его концентрация в четыре раза превышала концентрацию S-2-карбоксипропилглутатиона, когда растения выращивались в условиях высокого содержания S (Randle et al., 1995).
Культивары также различаются по уровню активности аллииназы in vitro (Lancaster et al., 1993, 1995). Несмотря на значительную изменчивость от луковицы к луковице, резкие сорта имели в два-три раза более высокую активность аллииназы, чем мягкие сорта. Однако активность аллииназы in vitro, возможно, не является точным средством классификации вкусового потенциала лука, поскольку лук, выращенный в среде с низким содержанием серы, имел большую активность аллииназы, хотя и более низкий вкусовой потенциал, чем лук, выращенный в среде с высоким содержанием серы (Lancaster et al., 1995). Повышенное содержание метилцистеинсульфоксида по отношению к 1-пропенилцистеинсульфоксиду и активность аллииназы in vivo по отношению к этим предшественникам изменяются — это возможные причины такого расхождения.
Внутрикультурная изменчивость для вкуса
Несмотря на различия в средней интенсивности вкуса или качестве среди сортов лука, значительные различия между луковицами наблюдаются для измеряемых компонентов вкуса. В гетерогенном виде, таком как лук, можно ожидать врожденной изменчивости любого сорта (Dowker, 1990). При выведении сортов лука отсутствие активной селекции на вкус в сочетании с сильной инбридинговой депрессией, вероятно, способствовало этой изменчивости. Значительная изменчивость от образца к образцу или от луковицы к луковице была описана для содержания летучей серы (Platenius, 1935), ферментативно вырабатываемого пирувата и общего S луковицы (Randle, 1992b), активности аллииназы (Lancaster et al., 1993), γ-глутамиловых пептидов (Lancaster and Shaw, 1991) и содержания вкусовых прекурсоров (Lancaster and Shaw, 1991; W.M. Randle, неопубликованные данные). В каждом случае изменчивость от луковицы к луковице подчеркивала необходимость использования нескольких образцов луковиц при проверке различий между сортами или при проверке влияния обработки на производительность сорта. Платениус (1935) обнаружил, что объединенной ткани десяти луковиц обычно достаточно для обнаружения разницы в 10 промилле летучей серы между сортами, хотя увеличение образца до 20 или 25 луковиц повысило его точность. Рэндл (1992b), используя статистическую модель выборки, определил, что десяти луковиц лука, повторенных четыре раза, будет достаточно для обнаружения разницы в 1 мкмоль пирувата между обработками с достоверностью 95%. Значительная изменчивость качества и интенсивности вкуса от луковицы к луковице предполагает, что для улучшения качества и постоянства вкуса необходим активный отбор при выведении сортов.
Наследуемость аромата, связанного с серой
Было проведено мало исследований, изучающих генетическую основу аромата или развития аромата у Allium. Получение оценок наследственности и представление генетических вариаций у лука затруднено из-за сложной цветочной морфологии вида и подверженности депрессии инбридинга. Однако сам факт, что сорта различаются по интенсивности вкуса во всем мире и что их общие вкусовые характеристики передаются через последовательные циклы посева, говорит о том, что интенсивность вкуса является наследственным признаком. При оценке наследственности с помощью контролируемых скрещиваний между отобранными родителями значения, близкие к 1,0, указывают на высокую степень связи между потомством и родителями, в то время как значения, близкие к 0, говорят о том, что выраженность признака не передается от родителей к потомству. Однако при тестировании на наследуемость следует учитывать мощность каждой схемы спаривания, поскольку некоторые тесты более строги, чем другие, при получении оценок наследуемости.
При оценке большого количества растений исследователи полагаются на быстрые химические тесты для дифференциации интенсивности вкуса среди отдельных фенотипов. Оценка ферментативно вырабатываемого пирувата (Schwimmer and Weston, 1961) была наиболее широко используемым анализом, и несколько лабораторий увеличили скорость и эффективность теста, чтобы учесть большое количество образцов (Thomas et al., 1992; Randle and Bussard, 1993b; Yoo et al., 1995). Warid (1952) использовал регрессию между родителями и потомками для получения оценки наследственности в 0,71 для жгучести луковиц короткодневного лука. Совсем недавно, используя анализ средств генерации от скрещивания между родителями-долгожителями и оценку за один год, оценки наследственности в широком смысле для жгучести луковиц варьировали от 0,13 до 0,56 (Lin et al., 1995). Лин и соавторы также определили, что наследование жгучести луковиц происходит в основном за счет аддитивных эффектов генов, и поэтому отбор на основе родительских характеристик был возможен. Оценки наследственности в узком смысле для жгучести луковиц, рассчитанные на основе анализа потомства полусибсов среди короткодневных луков в одном цикле оценки, составили от 0,25 до 0,53 (Wall et al., 1996). Соответствующие реализованные оценки наследственности в результате одного поколения направленного отбора на более низкую жгучесть были между 0 и 0,51. Однако в том исследовании неизбранная популяция и отобранные луковицы оценивались в один сезон, а отобранная популяция — в другой. Ежегодные изменения окружающей среды могут значительно повлиять на показатели жгучести. В самом обширном исследовании, проведенном на сегодняшний день, Саймон (1995) использовал анализ средств поколения и четырех- и восьмиродительские диаллельные спаривания для определения генетического контроля жгучести в течение двухлетнего периода оценки. Оценки наследственности в широком смысле от четырех родительских скрещиваний с длинным днем варьировали от 0,34 до 0,89, со значительными эффектами года. Преобладание аддитивной генетической изменчивости позволило предположить, что отбор будет эффективным для манипулирования жгучестью луковиц. В другом исследовании жгучесть тестовых скрещиваний, полученных в результате факториальной схемы спаривания, была эквивалентна наиболее жгучему родителю, когда длиннодневные популяции открытого опыления (ОП) хранились в течение 3 месяцев и оценивались в два разных года (Хейви и Рэндл, 1996). Тестовые скрещивания с испанскими популяциями ОП были признаны обладающими самой низкой жгучестью.
Прогресс вкуса в результате селекции
В целом, оценки наследственности, представленные в вышеуказанных исследованиях, указывают на низкую или умеренную способность передавать вкусовые характеристики от родителей к потомкам, что говорит о том, что хотя изменения в интенсивности вкуса могут быть достигнуты, прогресс может быть медленным. Выпуск сорта ‘NuMex Dulce’, селекции от ‘NuMex Starlite’, подтверждает это наблюдение (Wall and Corgan, 1998). После двух циклов рекомбинантного отбора на более низкий уровень пирувата средняя жгучесть NuMex Dulce снизилась с 5,2 до 4,4 мкмоль пирувата на 1 г сырого веса. Как Саймон (1995), так и Уолл и др. (1996) сообщили о прогрессе от селекции на снижение жгучести луковиц, причем уровень прогресса зависел от селекционируемых популяций. В настоящее время селекционеры ведут активную селекцию на снижение жгучести в рамках программ в США, Европе и Израиле. Другие выведенные сорта лука были отобраны на низкую жгучесть луковиц (Peterson et al., 1986; Pike et al., 1988a, b; Wall and Corgan, 1999).
Часто считается или предполагается, что содержание растворимых твердых веществ/сухого вещества и жгучесть фенотипически коррелируют. Джонс и Биссон (1934) первыми сообщили, что сорта с низким содержанием сухого вещества обладают низкой жгучестью, в то время как сорта с высоким содержанием сухого вещества более жгучие. Платениус (1941) сообщил о некоторой связи, но также отметил, что сорта со слабой и сильной жгучестью имели одинаковое содержание сухого вещества. Аналогично, Швиммер и Гуаданьи (1962) и Лин и др. (1995) сообщили о слабых корреляциях между жгучестью и растворимыми сухими веществами (r = 0,57 и r = 0,50-0,42, соответственно). Однако эта корреляция является положительно смещенной ассоциацией, поскольку соединения, вызывающие жгучесть, также способствуют увеличению содержания растворимых сухих веществ. Более того, в этой взаимосвязи всегда можно найти исключения, если количество оцениваемых сортов велико (Bedford, 1984; Randle, 1992c), также сообщалось о незначительных корреляциях между сухими веществами и жгучестью (Randle and Bussard, 1993a). Саймон (1995) обнаружил, что сильная положительная корреляция между пируватом и растворимыми твердыми веществами среди родителей и гибридов F1 была незначительной или даже стала отрицательной внутри и среди семей F3, и предположил, что эти признаки могли быть отобраны независимо. На самом деле, биосинтетические пути, ведущие к образованию вкусовых предшественников и накоплению растворимых углеводов, имеют мало общего. И если гены, ответственные за синтез вкусовых предшественников и растворимых углеводов, генетически не сцеплены, вероятно, каждая биосинтетическая система будет работать независимо, и будут существовать возможности для манипулирования каждой системой в отдельности.
Тканевые и онтогенетические факторы, влияющие на аромат
Аромат и компоненты аромата неравномерно распределены в различных тканях среди видов Allium. Общее содержание летучих сульфидов в измельченных тканях пяти видов Allium, произрастающих в Северной Америке, было выше в листве, чем в луковицах (Saghir et al., 1965). Качество аромата также различалось между тканями, поскольку метил- и аллилсульфидные радикалы были обнаружены в более высоких концентрациях в луковицах, чем в листве. Метильные и аллильные молекулы вызывают различные вкусовые качества и сенсорные нотки при употреблении (Block, 1992). Бошер и др. (1995) сообщили, что концентрация летучих молекул серы в листьях и луковицах различалась по концентрации и составу и зависела от вида Allium. Они также сообщили о слабой связи между предшественниками сульфоксида алк(эн)ил цистеина и их летучими молекулами в исследуемых тканях.
Градиенты аромата также существуют в тканях луковиц различных видов Allium. Сообщения о градиентах аромата в луковицах лука различаются, хотя самые высокие концентрации обычно наблюдаются во внутренней части и у основания луковиц, а самые низкие — на верхушке и в наружных чешуях. Фриман (1975) сообщил о последовательном увеличении концентрации тиосульфината и пирувата от наружной к внутренней чешуе лука и от наружных к внутренним листьям лука-порея. Ланкастер и др. (1986), напротив, сообщили об увеличении общего содержания прекурсоров от наружных чешуй лука к середине внутренних чешуй, а затем о снижении содержания прекурсоров во внутренних чешуях. 1-пропенил цистеин сульфоксид был обнаружен в более высокой концентрации в наружных чешуях лука, в то время как метил цистеин сульфоксид был в более высокой концентрации во внутренних чешуях (Bacon et al., 1999). Аналогичным образом, концентрация пирувата увеличивалась от наружной к внутренней чешуе у трех протестированных сортов лука (Bacon et al., 1999). Различия также существуют внутри луковицы лука сверху вниз. Ферментативно продуцируемый пируват был самым высоким у основания луковицы, снижался к вершине, а затем увеличивался (Randle et al., 1998a). Более высокая жгучесть в верхней и нижней части луковицы была результатом более высоких концентраций сульфоксида 1-пропенилцистеина (Bacon et al., 1999). В чесноке наибольшие концентрации тиосульфинатов были обнаружены в листьях хранения, меньшие — в ростках и листочках (Freeman, 1975).
Вкус меняется в зависимости от стадии роста, поскольку растения развиваются вегетативно, а затем переносят вещества в ткани хранения. Незрелые луковицы лука выделяли мало летучей серы, ее количество увеличивалось по мере роста луковицы, а затем уменьшалось по мере созревания луковиц и перехода в состояние покоя (Platenius and Knott, 1935). Эти изменения были в значительной степени связаны с изменением содержания воды в луковицах в процессе набухания и созревания, поскольку различия были минимальными, если выражать их в процентах от сухого веса. Общее содержание серы в листьях, измеренное во время раннего бутонизации, было выше, чем общее содержание серы в луковицах зрелых растений (Randle, 1992b). Жгучесть лука также снижалась по мере созревания луковиц (Hamilton et al., 1998). Когда растения A. amplectens и A. anceps находились в состоянии покоя, не было обнаружено различий в количестве производимых летучих сульфидов. Но по мере роста растений в течение сезона количество летучих сульфидов увеличивалось. Ланкастер и др. (1986) первыми показали, что различия в концентрации и составе ароматических веществ между тканями растений могут быть результатом онтогенетических факторов, а также типа ткани. В луке до луковицы общая концентрация вкусовых прекурсоров была выше в листьях, чем в чешуе луковицы. Однако, когда растения начали набирать луковицы, общая концентрация прекурсоров в луковицах стала превышать концентрацию в листьях. В растениях до образования луковицы также были чрезвычайно низкие уровни γ-глутамиловых пептидов (Lancaster and Shaw, 1991). Но по мере роста луковиц появились большие скопления γ-глутамилпропенилцистеинсульфоксида и, в меньшей степени, S-2-карбоксипропилглутатиона. Значительное увеличение содержания γ-глутамил-S-аллил-L-цистеина, γ-глутамил-S-(транс-1-пропенил)-L-цистеина и аллил цистеин сульфоксида также происходит в чесноке по мере созревания зубчиков в течение последнего месяца роста (Matsuura et al., 1996).
Изменение вкуса во время хранения
Луковицы лука и чеснока обычно хранятся в течение разного времени до поступления в продажу. Несмотря на то, что луковицы могут находиться в состоянии покоя в течение этого времени, изменения вкуса лука и чеснока были измерены. Однако трудно провести сравнение между этими исследованиями из-за различий в до- и послеуборочных факторах, которые могли повлиять на глубину покоя луковиц и их качество. Различия в условиях и продолжительности хранения также делают сравнение проблематичным. Тем не менее, интенсивность вкуса и качество изменяются в процессе хранения, и эти изменения зависят от сорта, продолжительности хранения, глубины покоя луковиц и температуры хранения.
Freeman и Whenham (1976) из Великобритании сообщили об увеличении ферментативно вырабатываемого пирувата для двух сортов лука длительного хранения в первые 210 дней хранения, за которыми последовало резкое снижение жгучести до 240 дней. Температура влияла на величину изменений: четырехкратное увеличение жгучести происходило при хранении луковиц при температуре 2 °C и температуре окружающей среды и только двух-трехкратное увеличение при хранении при 25 °C. В США у трех сортов, хранившихся при температуре 15-22 °C в течение 4 месяцев (Peterson et al., 1986), а в другом исследовании жгучесть сорта «Spartan Banner» увеличилась (Hanum et al., 1995). При температуре 4 °C жгучесть четырех сортов длинного дня в целом снижалась в течение 7-месячного периода хранения, хотя наблюдались значительные различия между двумя годами, в которые проводилось исследование (Debaene et al., 1999). У плохо хранящегося сорта ‘Walla Walla’ жгучесть увеличилась более чем в четыре раза за 4-недельный период для рано убранных луковиц, но лишь немного увеличилась за 7-недельный период для зрелых луковиц (Mikitzel and Fellman, 1994). Плохо хранящийся лук сорта ‘Granex’ оценивался в различных условиях хранения на предмет изменения вкуса (Smittle, 1988). В каждой ситуации хранения жгучесть увеличивалась в течение 6 месяцев, при этом наименьшее увеличение произошло при хранении в условиях холодильника и контролируемой атмосферы (CA) с 5% CO2 и 3% O2, а наибольшее увеличение (почти X 2) — при хранении в холодильнике с нормальной атмосферой при 1 °C. Позже лук сорта ‘Granex’ был оценен на предмет изменения жгучести после июня в коммерческих хранилищах с контролируемой атмосферой в регионе выращивания Видалия (Джорджия, США). Хотя лук из 14 хранилищ представлял разные сорта, разную продолжительность хранения и разные комбинации методов культуры и обработки, все партии увеличивали жгучесть (Smittle, 1991). Хотя для прогнозирования увеличения жгучести было получено простое уравнение регрессии, анализ данных выявил значительные отклонения от линии регрессии, что говорит о том, что этот подход может быть не совсем простым.
В попытке определить генетические различия между сортами в отношении изменений вкуса, происходящих во время хранения, восемь сортов были выращены и хранились в одинаковых условиях (Kopsell, D.E. and Randle, 1997). Данные выявили сложную картину изменений вкуса, которые происходили во время хранения и зависели от сорта. У одних сортов жгучесть уменьшалась, у других увеличивалась, а у третьих увеличивалась, а затем уменьшалась во время хранения.
У чеснока жгучесть луковиц увеличивалась от 90 до 180 дней хранения, а затем уменьшалась по мере хранения луковиц до 300 дней (Ceci et al., 1991).
Изменения вкуса были связаны с прорастанием после потери луковицами состояния покоя (Lancaster and Shaw, 1991; Ceci et al., 1992). Когда луковицы прорастали, ароматические соединения мобилизовались и переносились в появляющиеся листья, с соответствующим увеличением активности ферментов, связанных с переносом. Прорастание луковиц, однако, происходило спустя долгое время после потери покоя. Когда потеря покоя определялась по способности луковицы образовывать придаточные корни, не удалось установить корреляцию между изменениями вкуса и потерей покоя во время хранения (Kopsell, D.E. and Randle, 1997; Kopsell et al., 1999). Например, два сорта короткодневного лука теряли дормантность с одинаковой скоростью, но у одного из них увеличивалась, а у другого уменьшалась жгучесть. В другом примере короткодневный сорт, потерявший дормантность во время хранения, имел снижение жгучести по сравнению с уровнем до хранения, такое же, как и длиннодневный сорт, который оставался полностью дормантным. Таким образом, оказывается, что метаболические изменения, происходящие в ароматическом пути во время хранения, довольно сложны и не обязательно связаны с переходом луковицы в состояние покоя. Эта область требует дальнейшего изучения, поскольку изменения вкуса, происходящие во время хранения, оказывают значительное влияние на рынок.
Также было показано, что качество вкуса меняется во время хранения лука и чеснока. При хранении чеснока при 4 °C в течение 22 недель было обнаружено значительное увеличение содержания аллил- и транс-1-пропенил-тиосульфинатов, причем на уровне, примерно в четыре раза превышающем уровень аллицина (Lawson et al., 1991). Однако при хранении луковиц при 22 °C увеличение было значительно меньше. Аллицин оставался неизменным при обеих температурах хранения. Используя продукты перегруппировки 3-винил-1,2-дити-5-ен и 3-винил-1,2-дити-4-ен в качестве индикаторов поведения содержания аллицина во время хранения, были получены аналогичные результаты в течение 22 недель хранения при комнатной температуре (Ceci et al., 1991). Однако, когда хранение продолжалось до 43 недель, содержание аллицина в луковицах чеснока значительно снизилось, в то время как диаллилдисульфид значительно увеличился в течение всего периода хранения.
В луке 1-пропенилцистеинсульфоксид и продукты его распада, как было показано, обычно увеличиваются во время хранения луковиц. Поскольку продукты сульфоксида 1-пропенилцистеина ответственны за ощущения слезоточивости, жара и жжения во рту, хранение делает этот лук более резким на вкус. Аналогичным образом, Фриман и Уэллхэм (1976) сообщили, что тиопропаналь-S-оксид из хранящихся луковиц увеличивался в течение первых 7 месяцев хранения в условиях окружающей среды, а затем уменьшался на 8-м месяце. При хранении при 2 °C наблюдалась аналогичная картина, но уровень лакриматора был ниже, а 6 месяцев хранения при 0 °C привели к увеличению более чем на 50% содержания 1-пропенилцистеинсульфоксида в двух сортах лука в Великобритании (Bacon et al., 1999). Сорта короткого, среднего и длинного дня, которые выращивались и хранились в аналогичных условиях в США, отличались по скорости и количеству увеличения 1-пропенила (Kopsell et al., 1999). У одного сорта содержание 1-пропенилцистеинсульфоксида увеличилось более чем в два раза, тогда как у других — только на 40%. Интересно, что скорость увеличения содержания сульфоксида 1-пропенилцистеина во время хранения у семи сортов была пропорциональна потере сульфоксида y-глулаинилпропенилцистеина, что позволяет предположить, что активность y-глулаинилтранспептидазы ответственна за увеличение содержания вкусовых прекурсоров в течение всего периода хранения. Содержание метилцистеинсульфоксида, напротив, в целом снижалось в процессе хранения, хотя у некоторых сортов оно практически не изменилось. Поскольку было показано, что гидролиз 1-пропенилцистеинсульфоксида влияет на полный гидролиз метилцистеинсульфоксида (Lancaster et al., 1998), характер изменения содержания прекурсоров во время хранения имеет важное значение для вкусовых качеств. Действительно, в то время как активность аллииназы по отношению к 1-пропенилцистеинсульфоксиду не изменялась в процессе хранения, после 4 месяцев хранения гидролизовалось незначительное количество метилцистеинсульфоксида (Kopsell, 1999).
Экологические факторы, влияющие на вкус
Давно признано, что лук, выращенный в разных районах, может иметь различную интенсивность вкуса (Platenius и Knott, 1935). Итальянский красный» лук, выращенный в Италии, был более мягким, чем луковицы того же сорта, выращенные в Нью-Йорке. Популярные сорта, отобранные в Новой Зеландии, имели трехкратную разницу в общем содержании связанных с S вкусовых прекурсоров в зависимости от места выращивания (Lancaster et al., 1988). Сообщалось о ежегодных колебаниях в жгучести луковиц, причем некоторые различия были более чем двукратными для конкретного сорта (Platenius, 1941; Bedford, 1984; Vavrina and Smittle, 1993). Причина этих различий, очевидно, во многом связана с условиями, в которых выращивался лук. Местность может отличаться по типу почвы, плодородию, доступности воды, температуре выращивания, солнечной радиации и методам управления под руководством фермера (Randle et al., 1998b). Многие из этих факторов также могут различаться в разные годы. С помощью контролируемых экспериментов исследователи начали выделять конкретные факторы, влияющие на интенсивность и качество вкуса.
Обеспеченность серой и вкусовые качества
Доступность серы (сульфатов) была наиболее тщательно исследована и, вероятно, оказывает наибольшее влияние на интенсивность и качество вкуса среди всех экологических факторов. Очевидно, что ограничение количества серы или ее изобилие для растения должно серьезно повлиять на количество синтезируемых соединений-прекурсоров вкуса на основе серы. Freeman и Mossadeghi (1970) впервые показали в контролируемых тепличных экспериментах, что интенсивность пунцовости (общая интенсивность вкуса) можно варьировать от почти ничтожных уровней до высоких уровней, просто манипулируя количеством сульфата, поступающего в растение. Аналогичные результаты были получены для сульфата, подаваемого на чеснок и A. vineale (Freeman and Mossadeghi, 1971). Их работа также показала, что может быть достигнута точка насыщения, после которой дополнительное количество сульфата не приводит к значительному увеличению жгучести. В полевых экспериментах жгучесть не реагировала на внесение серы, поскольку этот элемент уже был обеспечен в достаточном количестве (Paterson, 1979; Hamilton et al., 1998). В техасском исследовании Гамильтона и коллег сульфат в почве составлял от 120 до 530 ppm, а в поливной воде — 71 ppm сульфата. При таких уровнях S был намного выше точки насыщения для сульфата, и было обнаружено незначительное влияние на жгучесть луковиц. Кумар и Сахай (1954) в Индии показали реакцию жгучести на внесение сульфата в луке, выращенном в поле.
Для многих видов лука желательна высокая интенсивность вкуса. В большинстве случаев в районах выращивания имеется достаточное количество сульфатов в почве, или сульфаты добавляются в почву с помощью обычных методов повышения плодородия. Однако для производства действительно мягкого лука необходимо ограничить поступление сульфата в растение. Для производства мягкого лука содержание сульфатов в почве и воде не должно превышать 50 ppm (Д.А. Смиттл, Университет Джорджии, 1991, личное сообщение). Когда содержание сульфатов поднимается выше этого уровня, становится все труднее выращивать мягкий лук. Поскольку сульфат является выщелачиваемым ионом, легкие почвы и даже песчаные почвы предпочтительнее тяжелых или высокоорганических почв для выращивания мягкого лука. Поскольку сера является обязательным элементом и необходима для нормального роста и развития растений, ограничение сульфата для производства мягкого лука привело к снижению урожайности луковиц (Platenius, 1941; Kumar and Sahay, 1954; Freeman and Mossadeghi, 1970; Randle et al., 1995; Hamilton et al., 1997). И наоборот, высокий уровень доступного сульфата может снижать урожайность лука и чеснока (Kumar and Sahay, 1954; Randle et al., 1995; Singh et al., 1995; Jaggi and Dixit, 1999). Изменение сульфатного плодородия также влияет на накопление сахара и растворимых твердых веществ в луке (Randle, 1992a; Randle and Bussard, 1993a; Hamilton et al., 1997). Некоторые сорта обеспечивают повышенное содержание твердых веществ/сахара при высокой сульфатной плодородности, в то время как другие снижают содержание твердых веществ/сахара. С другой стороны, некоторые сорта, особенно те, которые могут быть мягкими, увеличивают содержание твердых веществ/сахара при низкой сульфатной плодородности (Randle and Bussard, 1993a; Hamilton et al., 1997). У дегидраторного лука ‘Giza 20’ в Египте повышение плодородности серы увеличило общее содержание твердых веществ, общее содержание фруктовых веществ и жгучесть луковицы (Bakr and Gawish, 1998). Сахара сахароза, глюкоза и фруктоза, напротив, уменьшались по мере увеличения плодородности серы.
Сорта лука различаются по своей вкусовой реакции на сульфатное плодородие (Randle, 1992c; Randle and Bussard, 1993a; Hamilton et al., 1997). На некоторые сорта сильно влияют изменения в доступном сульфате, в то время как другие демонстрируют меньшую реакцию. Более того, слабая корреляция в ранговом порядке сортов, выращенных при высокой и низкой S-плодородности, говорит о том, что метаболизм серы в рамках ароматического пути среди зародышей лука может быть довольно сложным (Randle, 1992c; Randle and Bussard, 1993a).
Изменение сульфатной плодородности также оказывает значительное влияние на распределение серы в растении. У растений, выращенных при высокой сульфатной плодородности, больше серы сохраняется в листьях во время бутонизации, чем у растений, выращенных при низкой сульфатной плодородности (Randle et al., 1993a). Разница в общем количестве серы в листьях между растениями, выращенными при высоком и низком уровнях серы, становится преувеличенной по мере развития бутонизации, а массовая транслокация сопровождает бутонизацию. Если листьям зрелых луковиц дать отсохнуть и высохнуть, то в листьях растений, выращенных при низком уровне сульфатного плодородия, практически не остается серы. По мере повышения сульфатной плодородности количество общей серы, запасенной луковицами в виде сульфата, увеличилось примерно с 10% до почти 50% (Randle et al., 1999). Рэндл и соавторы также заметили, что сорта с острым вкусом накапливали меньший процент сульфата в луковице по сравнению с сортами с мягким вкусом. Похоже, что сорта с острым вкусом имеют большую метаболическую потребность в сере и более эффективно включают S в и через путь, ведущий к накоплению ароматических предшественников. С другой стороны, одним из механизмов, объясняющих мягкость лука, является способность растения отделять большее количество поглощенной серы в виде сульфата, тем самым исключая ее из пути ACSO.
Плодородие S оказывает выраженное влияние на то, как органический S накапливается и метаболизируется через различные пептиды и предшественники ароматического пути. В условиях высокой S-плодородности сульфоксид 1-пропенилцистеина накапливался в самой высокой концентрации среди отдельных предшественников аромата (Randle et al., 1995). Поскольку большинство луков выращивается при достаточном S-плодородии, в других исследованиях сообщалось, что 1-пропенилцистеинсульфоксид является основным предшественником аромата лука (Block, 1992; Edwards et al., 1994; Thomas and Parkin, 1994; Yoo and Pike, 1998). Однако при снижении плодовитости S до уровня, близкого к дефициту, концентрация метилцистеинсульфоксида увеличивалась и он становился доминирующим предшественником (Randle et al., 1995). Пропил цистеин сульфоксид, который обычно находится в самой низкой концентрации среди отдельных предшественников (и при некоторых методах анализа не обнаруживается в луке), был обнаружен в более высокой концентрации, чем 1-пропенил цистеин сульфоксид, когда плодородие S приблизилось к уровню дефицита. При низкой плодородности S эффективно метаболизируется по пути биосинтеза аромата и не накапливается в значительной степени в пептидных промежуточных продуктах (Randle et al., 1995). Почти 95% общего количества S в луковице может быть учтено в соединениях ароматического пути. Однако, по мере увеличения плодовитости S, пептидные промежуточные соединения 2-карбоксипропилглутатион и γ-глютамил-1-пропенилцистеин сульфоксид начали накапливаться в более высоких концентрациях. При высокой плодовитости S менее 40% общей серы луковицы приходилось на соединения ароматического пути.
Другие питательные и вкусовые вещества для растений
АЗОТ. Высокая доступность азота влияет на интенсивность и качество вкуса лука (Randle, 2000). Когда уровни азота в растворе изменялись от 0,22 до 0,97 г л 1 в гидропонных растворах, ферментативно продуцируемый пируват линейно увеличивался, но затем уменьшался при самом высоком уровне азота. MCSO увеличивался по мере увеличения доступности азота, в то время как 1-PECSO сначала увеличивался, но затем уменьшался при более высоких уровнях азота. ПКСО в целом увеличивалась с повышением уровня азота. Изменения в концентрации и соотношении ACSO влияют на сенсорное восприятие лукового вкуса.
СЕЛЕН. Плодородие селената также влияло на качество и интенсивность вкуса лука. Из 16 исследованных сортов у шести наблюдалось значительное снижение ферментативно вырабатываемого пирувата, хотя у большинства из них наблюдалась тенденция к снижению жгучести при выращивании в присутствии селената натрия (Barak and Goldman, 1997; Kopsell, D.A. and Randle, 1997). Влияние селената натрия на вкусовые качества было аналогично тому, которое было обнаружено при выращивании лука в условиях S-стресса (Kopsell and Randle, 1999). Содержание MCSO увеличивалось, а 1-PECSO уменьшалось в присутствии высокой плодородности селената натрия, хотя и наблюдались различия между протестированными сортами.
КАЛЬЦИЙ. В полевом исследовании предпосадочное внесение кальция не оказало большого влияния на жгучесть луковиц лука (Randle, 1995). Только обработка с самым высоким содержанием кальция вызвала значительное повышение жгучести, и этот эффект был объяснен тем, что внесение Ca вызвало дисбаланс питательных веществ в почвенном растворе.
Температура и вкус
Температура влияет на рост и развитие лука. Бутонизация прекращается при понижении температуры ниже 10 °C; она достигает максимума при температуре около 38 °C. Платениус (1941) сообщил, что летучие соединения серы в луке увеличиваются с повышением температуры, хотя он не смог уточнить, были ли различия во вкусе обусловлены ростом растений в зависимости от температуры или прямым влиянием температуры на развитие вкуса. Позже лук выращивали при четырех температурах и в двух режимах: в течение 35 дней, а затем проверяли развитие пирувата в луковице, и до созревания луковицы, а затем проверяли пируват в луковице (Randle et al., 1993b). В обоих случаях при повышении температуры от 10 до 30 °C утилизация серы увеличивалась, а жгучесть луковицы удваивалась. В этих пределах, чем жарче условия, тем более резким будет лук.
Водоснабжение и вкус
Выращивание лука в засушливых условиях также увеличивает жгучесть луковиц по сравнению с луком, выращенным в хорошо орошаемых условиях. Когда лук выращивался при естественных осадках или при искусственном орошении, лук с естественными осадками давал более высокое содержание летучей серы по сравнению с луком, получавшим дополнительное искусственное орошение (Platenius, 1941). Более сухие условия выращивания также привели к тому, что луковицы имели более высокий уровень жгучести, измеряемый ферментативно вырабатываемым пируватом, и большую интенсивность вкуса при оценке вкусовой панели (Freeman and Mossadeghi, 1973). Поскольку в более сухих условиях размер луковицы был меньше, предполагалось, что увеличение силы вкуса связано с концентрацией вкусовых соединений в мелких клетках.
Потребление воды и поглощение сульфатов луком слабо коррелировали (r = 0,09) (W.M. Randle, неопубликованные данные). На потребление воды сильно влияли суточные различия в солнечной радиации, в то время как на поглощение сульфатов это не влияло. Однако точный механизм увеличения вкуса у растений, испытывающих водный стресс, еще предстоит выяснить.
Измерение вкуса
Для измерения вкуса и жгучести лука использовались различные методы. Можно измерить концентрацию общего количества ACSO в ткани луковицы, а в некоторых случаях измеряется количество различных ACSO. Общая концентрация АКСО дает представление о потенциале присутствия резкого вкуса. Более широко используемый метод, который прост и больше подходит для рутинного анализа, заключается в измерении количества пирувата, высвобождаемого в результате реакции аллииназы после мацерации ткани в воде и выдерживания в течение 1 ч. Количество образовавшегося пирувата можно легко измерить, и оно показывает, сколько ACSO было разложено аллииназой. Альтернативой является использование газовой хроматографии для измерения количества лакриматорного фактора, образующегося после мацерации (McCallum et al., 2005c). Новая технология, которая обещает стать перспективной, заключается в определении вкуса гомогената лука по выходному сигналу электронного носа (Abbey et al., 2004).
Производство пирувата хорошо коррелирует с общим содержанием ACSO в луке (Crowther et al., 2005). Растет рынок мягкого, сладкого лука, который приятно есть сырым. Мягкость или сладость отрицательно коррелирует с производством пирувата, и пируват < 4 мкмоль/г живого веса был предложен в качестве допустимого максимума контроля качества при производстве сладкого лука (Crowther et al., 2005). Однако вкусовые испытания показали, что восприятие различных сортов лука как «сладких» и «приятных» лишь частично характеризуется показателем пирувата и что на восприятие вкуса влияют другие факторы, включая текстуру или хрусткость. Измерение пирувата может быть пригодно для рутинного контроля качества после того, как будут установлены характеристики сорта, но для первоначальной оценки требуется оценка вкусовой группы. Интересно, что некоторые сорта воспринимаются как «сладкие», хотя у них довольно высокий показатель пирувата, что указывает на высокое содержание ACSO. Различия в содержании сахара не смогли объяснить эту аномалию (Crowther et al., 2005). Это представляет интересную возможность получения «сладкого» лука, который нравится в сыром виде, но имеет высокое содержание полезных для здоровья веществ, получаемых из ACSO.
Для определения пирувата при оценке вкуса лука обычно используется лабораторный колориметрический метод (Crowther et al., 2005). Были разработаны одноразовые биосенсоры для определения концентрации пирувата в мацерированном луковом соке (Abayomi et al., 2006). Они измеряют электрический сигнал, возникающий в результате реакции с участием фермента пируватоксидазы, иммобилизованного на поверхности электрода. Биосенсоры могут быть использованы для оценки силы вкуса на месте, а не в централизованной лаборатории, и могут сократить время и стоимость рутинных оценок для контроля качества лука в 12 раз.
Биологическая функция ароматических соединений
Ароматические предшественники дают начало многим соединениям с сильным физиологическим действием на другие организмы (см. ниже); это, а также тот факт, что они высвобождаются при повреждении клеток, позволяет предположить, что они играют важную роль в химической защите, отпугивая фитофагов (Hile et al., 2004) и будучи токсичными для вторгшихся грибов и бактерий. Тесты in vitro с экстрактами лука и чеснока показали, что они подавляют рост более 80 видов патогенных для растений грибов (Fenwick and Hanley, 1985b). Аллицин был предварительно идентифицирован как фунгицидный или фунгистатический против ряда растительно-патогенных грибов, а DADS был активен против десяти растительно-патогенных грибов. Экстракты лука и чеснока обладают инсектицидными свойствами, а также токсичны для ряда растительных паразитических нематод.
Основные вредители и болезни аллиумов, как правило, высоко адаптированы к своим хозяевам и используют характерные летучие вещества в качестве сигналов при определении местонахождения своих хозяев, например, луковая муха Delia antiqua, луковая моль Didromus pulchellus, прорастание склероциев и инвазия корней грибом белой гнили Sclerotium cepivorum.
ACSO и их 7-глутамилпроизводные могут составлять 1-5% от сухого веса растений и семян аллиума, а аллииназа составляет около 6% от общего растворимого белка тканей луковицы лука. Эти вещества, вероятно, играют важную роль в обороте, хранении и транспорте азота, серы и углерода в растениях аллиума. Большое количество, вакуолярное расположение и склонность к агрегации в мультимеры аллииназы являются типичными характеристиками белков хранения.
Перспективные исследования
Вкус луковиц аллиума будет и впредь представлять интерес для исследователей, производителей и потребителей. Ключевым диагностическим инструментом для улучшения качества и постоянства вкуса луковиц будет использование спутниковых систем глобального позиционирования (GPS) и методов точного земледелия (Randle et al., 1998b). Методология статистического отбора образцов и технология GPS оказались эффективными при построении графика распределения резкости луковиц на производственных полях, что дает производителям диагностический инструмент для улучшения качества и постоянства вкуса (цветная пластинка 6). Необходимо продолжать исследования по определению признаков, вызывающих дисперсию вкуса, чтобы поддержать GPS-картографирование и помочь в его интерпретации.
Необходимо усовершенствовать методы быстрого измерения вкусовых качеств лука. Хотя пируват широко используется для определения общей интенсивности вкуса, ему не хватает способности описывать основные вкусовые атрибуты. Например, доминирующие ощущения тепла и жжения во рту не определяются в тесте с пируватом, но могут быть проверены путем количественного определения ЛФ, если будет разработан надежный и быстрый метод. Горечь — еще один вкусовой атрибут, который негативно влияет на различные луковые продукты, начиная от дегидраторных типов и заканчивая мягкими и сладкими. Соединение(я), вызывающее(ие) горькие свойства, не было определено, и его необходимо изучить.
Наконец, с развитием молекулярной биологии следует разработать подходы к селекции с использованием маркеров, чтобы помочь в улучшении лука с полным диапазоном качества и интенсивности вкуса. Активная селекция на основе отдельных луковиц или внутри семейств значительно уменьшит вариабельность вкусовых качеств существующих сортов от луковицы к луковице. Нам также необходимо лучшее понимание динамической природы ферментов, регулирующих метаболические пути S в аллиумах. Как уже упоминалось ранее, арабидопсис был использован для улучшения наших знаний о ферментах, участвующих в раннем поглощении S и ассимиляции до цистеина. Эти ферменты теперь являются кандидатами для генетического манипулирования/трансформирования в Allium. Однако было бы неразумно подавлять эти ферменты без предварительного рассмотрения ферментов, участвующих в метаболизме S в пептидах, ведущих к синтезу прекурсоров. Исследования в среде с низким содержанием S показали нам, что путь ароматических прекурсоров является очень сильным поглотителем доступного S, и подавление поглощения S может привести к симптомам S-дефицита. И наоборот, усиление поглощения S без изменения метаболизма S через ароматический прекурсорный путь может привести к значительному накоплению сульфатов.
Биохимия углеводов
Неструктурные углеводы аллиумов составляют большую часть сухого вещества; например, 60-80% сухого вещества в луковицах лука (Rutherford and Whittle, 1982; Hansen, 1999). Биохимия этих углеводов была рассмотрена Дарбиширом и Стиром (1990), но с тех пор эта тема получила значительное развитие, сопровождаемое растущим признанием ее важности для питания человека и для понимания физиологии растений семейства Allium. Эти углеводы состоят из глюкозы, фруктозы, сахарозы и фруктанов. Крахмал в луке встречается редко, но он есть в стебле (т.е. в основании) вокруг сосудистых пучков и в первичной утолщающейся меристеме во время прорастания, а также в клетках корневой шапочки (Ernst and Bufler, 1994).
Фруктаны — это линейные и разветвленные полимеры фруктозы, которые встречаются в качестве запасных углеводов примерно у 15% видов цветковых растений (Vijn and Smeekens, 1999). Фруктаны в аллиумах в основном содержат одну единицу сахарозы (глюкоза-1, связанная с фруктозой-2), к которой присоединены цепочки из 1-2 связанных единиц фруктозы, соединенных либо с 1-фруктозой исходной сахарозы, либо с 6-глюкозой исходной сахарозы, либо ответвляющихся от обеих этих точек (Shiomi et al., 2005; Benkeblia and Shiomi, 2006).
Количество связанных единиц фруктозы, плюс одна единица глюкозы, дает степень полимеризации (DP) фруктана. Фруктаны с низкой DP называются фруктоолигосахаридами и являются наиболее распространенным типом в овощах семейства аллиевых. Лук, лук-шалот, A. fistulosum, большинство сортов лука-порея и шнитт-лук содержат фруктоолигосахариды с DP до 20, но чем короче длина цепи, тем больше их доля в общем количестве фруктона. Чеснок содержит большое количество фруктона с высоким DP (средний DP 41) и мало фруктоолигосахаридов. Китайский шнитт-лук и зимний сорт лука-порея содержат как фруктоолигосахариды, так и высоко-DP-фруктаны (Ernst et al., 1998).
Содержание сухого вещества и растворимых углеводов в луковицах лука может различаться в три и более раз, составляя всего около 7% у некоторых сладких сортов, но достигая около 22% у сортов, выращиваемых для обезвоживания (Sinclair et al., 1995a). Углеводный состав резко отличается между этими сортами. Белый сорт ‘Sweet Spanish’ с 7,5% сухого вещества содержал около 75% растворимых в луковице углеводов в виде глюкозы плюс фруктоза, около 18% в виде сахарозы и 7% в виде фруктозы (DP 3 или более). Кросс cv. ‘White Creole’ X ‘Southport White Globe’ содержал 17,2% сухого вещества и имел приблизительно 3, 7 и 90% углеводов в вышеуказанных трех категориях, соответственно. Кроме того, чем выше процентное содержание сухого вещества, тем выше среднее DP фруктанных веществ в луковицах. Процентное содержание сухого вещества в луковицах лука высоко коррелирует с содержанием растворимых сухих веществ в соке, полученном из них, измеренным с помощью рефрактометра. Высокое содержание фруктана DP в луковицах чеснока коррелирует с высоким процентом сухого вещества.
Биосинтез фруктозы в луке включает сначала производство 1-кестозы, которое катализируется сахарозой:сахарозой 1-фруктозилтрансферазой (SST). Фермент фрустан:фрустан 6G-фруктозилтрансфераза (6 G-FFT), как следует из его названия, присоединяет дополнительные единицы фруктозы через 2 положение в их кольцевой структуре к 6 положению в кольце глюкозы во фруктоолигосахариде, также может катализировать присоединение 2 положения единицы фруктозы к 1 положению единицы фруктозы во фруктоолигосахариде, действуя таким образом как фрустан:фрустан 1-фруктозилтрансфераза (1F-FFT). Соотношение активности 6G-FFT к активности 1-FFT очищенного фермента составляет 2,3:1 (Fujishima et al., 2005). Поэтому с помощью всего двух ферментов, SST и FFT, синтезируется целый ряд фруктоолигосахаридов, встречающихся в луке (Ritsema et al., 2004; Fujishima et al., 2005). Из лука также были выделены гидролитические ферменты, которые обращают эти процессы и разрушают фруктозу путем удаления и высвобождения терминальной фруктозной единицы (Benkeblia et al., 2004).
Была определена последовательность аминокислот, составляющих активный сайт фермента FFT (Ritsema et al., 2004; Fujishima et al., 2005). Это ведет к познанию трехмерной структуры активного сайта фермента, что прояснит, как он связывается и катализирует синтез фруктоолигосахаридов (Ritsema et al., 2004).
Ген луковой 6 G-FFT был перенесен для получения трансгенных растений цикория (Vijn and Smeekens, 1999) и трансгенной линии клеток табака (Ritsema et al., 2003), которые синтезировали фруктоолигосахариды, содержащиеся в луке. Таким образом, на основе аллиумов, а также других видов, накапливающих фруктозу, развивается технология, позволяющая синтезировать определенные фруктозы в трансгенных растениях. Например, фруктоолигосахариды лукового типа можно будет синтезировать в сахарной свекле — растении, у которого отсутствуют ферменты, гидролизующие фруктозу, и поэтому оно не разрушает накопленный фрустан. Это может стать полезной технологией для получения определенных фруктанов, необходимых для промышленных целей (Vijn and Smeekens, 1999).
Физиологическая функция фруктанов в растениях до конца не изучена. Они и ферменты FFT находятся в вакуолях клеток, и фруктаны синтезируются там. Очевидно, что они могут действовать как резервные углеводы, а также, варьируя DP, можно изменять осмотический эффект данного количества единиц фруктозы. Например, в исследовании с использованием ряда сортов лука осмотический потенциал клеток снижался с -0,97 МПа до -1,41 МПа по мере увеличения процентного содержания сухого вещества луковицы с 6,3 до 22,7%, гораздо менее быстро, чем если бы увеличенное сухое вещество было в форме свободной фруктозы или сахарозы (Sinclair et al., 1995b).
Виды, накапливающие фруктозу, широко распространены в умеренных климатических зонах с сезонной засухой или заморозками и почти отсутствуют в тропических регионах. Производство и мобилизация фруктана менее чувствительны к низкой температуре, чем метаболизм крахмала. Мобилизация запасов фруктана для быстрого роста при повышении температуры весной, как при прорастании луковиц лука или чеснока, была важным фактором, способствующим эволюции накопления фруктана (Vijn and Smeekens, 1999). Существуют также доказательства того, что накопление фруктана обеспечивает устойчивость к засухе и холодовому стрессу (Vijn and Smeekens, 1999). Имеются многочисленные сообщения о том, что уровень фруктозы в луковицах лука снижается во время длительного хранения (Hansen et al., 1999; Benkeblia et al., 2004), поскольку фруктоза в чешуях луковицы преобразуется во фруктозу и сахарозу, которые транслоцируются в основания луковицы для стимулирования роста ростков (Pak et al., 1995). Фруктаны накапливаются транзиторно во время развития семян у лука, но в конечном итоге не образуют значительного запаса семян (Pollock and Lloyd, 1994).
Ферменты для синтеза фруктозы могут быть быстро индуцированы в луке; например, когда листья лука получали 5% сахарозы на свету, они начинали накапливать м-РНК для синтеза 1-SST через 4 ч, а м-РНК для 6 G-FFT через 12 ч, а 1-кестоза и неокестоза также обнаруживались через 4 и 12 ч, соответственно, что указывает на активность ферментов 1-SST и 6 G-FFT в эти моменты времени (Vijn et al., 1998). Перевод растений лука с короткого на длинный фотопериод или с неиндуктивного на индуктивный режим освещения (соотношение 730:660 нм) вызывает быстрое увеличение фруктовых веществ в листьях и основаниях листьев за 10 дней до того, как становится заметным увеличение коэффициента бутонизации (Darbyshire and Steer, 1990; Kahane et al., 2001). Гидролиз некоторых из накопленных фруктовых веществ может впоследствии привести к расширению внешних оснований листьев, что приводит к появлению видимой бульбочки (Darbyshire and Steer, 1990).
Польза фрактанов
Растворимые углеводы в съедобных луках являются важным фактором, определяющим их пищевые качества. Для производства сушеных луковых продуктов — например, лукового порошка или хлопьев, которые широко используются в кулинарии и производстве продуктов питания — требуется высокое содержание сухого вещества в луковице, поскольку это снижает затраты энергии на испарение воды на единицу высушенного материала. Кроме того, луковицы для дегидратации должны содержать низкое количество восстанавливающих сахаров (свободной глюкозы и фруктозы), поскольку они могут вызывать неферментативные реакции подрумянивания, что приводит к нежелательному потемнению высушенного продукта.
Фруктовые олигосахариды обладают некоторой сладостью, которая уменьшается с увеличением DP, а также водосвязывающими и желирующими свойствами, которые увеличиваются с увеличением DP. Последние свойства делают их полезными в качестве заменителя жира и ингредиента в готовых супах и соусах. Шалот, который обычно содержит 20% сухого вещества, содержит большое количество фруктонов с DP 8-14 (Ernst et al., 1998) и считается идеальным для приготовления пикантных соусов во французской кухне. Фруктаны в значительной степени устойчивы к гидролитическим ферментам в кишечном тракте человека. Фруктовые связи β1-2 полностью устойчивы к действию пищеварительных ферментов, но фруктовые связи β2-6 могут быть частично гидролизованы (Delzenne, 2003). Таким образом, они могут придавать пище многие желаемые качества, но при этом имеют низкое содержание питательной энергии, и поэтому представляют большой интерес для производителей продуктов питания.
Флаваноиды
Два типа флавоноидов представляют особый интерес для аллиумов; это антоцианы, ответственные за цвет краснокожих сортов лука, и флавонолы, которые придают желтоватый оттенок мякоти лука и являются важными предшественниками желтых и коричневых пигментов кожи.
Антоцианы
Антоцианы — это красные, фиолетовые или синие пигменты, содержащиеся во многих цветах и фруктах. Все они имеют одинаковую структуру центрального химического кольца, а различные группы, присоединенные к этому кольцу, обуславливают различный цвет (Солсбери и Росс, 1991). Антоцианы имеют группы сахара (обычно глюкозы), прикрепленные к определенным позициям на центральном кольце (см. рис.).
Общее количество антоцианов (%) (в среднем по луковицам трех красных сортов):
- R3 = H, R4 = H (цианидин 3-глюкоза) — 13%;
- R3 = глюкозил, R4 = H (цианидин 3-(3»-глюко-глюкоза)) — 2%;
- R3 = малонил, R4 = H (цианидин 3-(3»-малонил-глюкоза)) — менее 1%;
- R3 = H, R4 = малонил (цианидин 3-(6»-малонил-3»-глюкоза)) — 61%;
- R3 = глюкозил, R4 = малонил (цианидин 3-(6»-малонил-3»-глюко-глюкоза)) — 17%;
- R3 = малонил, R4 = малонил (цианидин 3-(3», 6»-дималонил глюкоза)) — 4%.
Это центральное кольцо — за вычетом присоединенных сахарных групп, т.е. после гидролиза — называется антоцианидином. Преобладающим антоцианидином в красном луке является цианидин. Есть также некоторые сообщения о следах пеонидина и пеларгонидина. Глюкозильная группа, присоединенная в положении 3 в цианидинах лука, может сама иметь различные боковые группы. На рисунке показаны преобладающие конфигурации, обнаруженные в европейских и североамериканских красных сортах (Fossen et al., 1996; Donner et al., 1997). Антоцианы составляют 0,11-0,22% от сухого веса луковиц красных североамериканских сортов лука (Donner et al., 1997). Цианидин также является преобладающим антоцианидином в красном луке-шалоте и A. wakegi (Arifin et al., 1999) и в верхнем луке, A. altaicum и шнитт-луке (Fossen et al., 1996).
Флавонолы
Флавонолы имеют схожую с антоцианами структуру основного кольца и имеют ту же систему нумерации колец для обозначения мест присоединения боковых групп. Они также обычно связаны с группами сахара, образуя гликозиды в растениях семейства Allium. Наиболее важным флавонолом в луке и луке-шалоте является кверцетин, а в луке-порее и мангольде чаще встречается каемпферол (см. рис.).
Флавоноловые пигменты:
- кверцетин — R1 = H, R2 = H, R3 = OH;
- кемпферол — R1 = H, R2 = H, R3 = H;
- изокверцетин — R1 = глюкоза, R2 = H, R3 = OH;
- кверцетин 4′-моноглюкозид — R1 = H, R2 = глюкоза, R3 = OH;
- кверцетин 3,4′-диглюкозид — R1 = глюкоза, R2 = глюкоза, R3 = OH.
Эти флавонолы являются антиоксидантами и могут попадать в кровь, поэтому существует большой интерес к их потенциальной пользе для здоровья (см. ниже). Fenwick и Hanley (1990a) приводят 14 флавонолов, которые были обнаружены в съедобных растениях, различающихся тем, сколько и какие группы сахара связаны с основным кольцом кверцетина или каемпферола, и в каких точках они связаны. Наиболее часто встречающимся присоединенным сахаром является глюкоза. Флавонолы поглощают ультрафиолетовый свет, и они, как правило, встречаются в большей концентрации в поверхностных клетках растений. Их синтез стимулируется светом, и они, вероятно, играют определенную роль в минимизации клеточного повреждения от ультрафиолетового света.
Луковицы лука, особенно красных и желтых сортов, имеют очень высокое содержание кверцетина по сравнению с другими овощами (около 350 мг/кг свежего веса). Это в три раза больше, чем у ближайшего конкурента, капусты, и в девять раз больше, чем у следующего по численности конкурента, французской фасоли, и на несколько порядков больше, чем у большинства других овощей (Hertog et al., 1992). Содержание кверцетина в луке остается высоким даже после измельчения и кипячения (Hirota et al., 1998; Makris and Rossiter, 2001).
В живых клетках лука почти весь кверцетин содержится в сочетании с одной или двумя глюкозами в виде кверцетин-4-глюкозида или кверцетин-3,4-диглюкозида (см. рис.) (Hirota et al., 1998). Концентрация кверцетина в съедобных кольцах красного лука варьируется от 0,3 (Price and Rhodes, 1997) до 1,4% (Patil and Pike, 1995); весовые коэффициенты выражены как кверцетин, свободный от любой присоединенной глюкозы. Концентрация кверцетина выше в наружных чешуях луковицы, к вершине каждой чешуи и в абаксиальном (обращенном наружу) эпидермисе каждой чешуи (Patil and Pike, 1995; Hirota et al., 1998). Концентрация наиболее высока у красных сортов, примерно на 50% ниже у желтых сортов и примерно на 99,7% ниже у белых сортов. В сухой кожице красного сорта может содержаться 3% сухого веса в виде кверцетина, из которых 2% могут быть свободными (неглюкозиды) (Patil and Pike, 1995).
Во время старения и сушки наружных чешуй лука, когда они затвердевают, образуя сухую наружную оболочку луковицы, флавонолы превращаются в различные фенольные соединения, некоторые из которых конденсируются, образуя коричневые пигменты.
Другие химические компоненты
Аллиумы содержат питательные вещества, которые обычно ассоциируются с овощами. Они также содержат ряд других сложных биохимических веществ в дополнение к своим выдающимся вкусовым соединениям и углеводам. Химический состав аллиумов был рассмотрен Фенвиком и Хэнли (1985a, 1990a), и следующие замечания основаны на этих отчетах.
Содержание сухого вещества в овощах аллиум обычно находится в диапазоне 7-15%, причем лиственные побеги обычно на процент или два ниже по содержанию сухого вещества, чем луковицы. Исключением являются луковицы чеснока, содержание сухого вещества в которых варьируется от 30 до 56% в зависимости от сорта. В свежем весе эти овощи обычно содержат 1-2% белка, около 0,2% жиров и 5-12% углеводов, причем последнее очень сильно зависит от содержания сухого вещества, которое в луковицах лука и чеснока может сильно варьироваться в зависимости от сорта, как уже говорилось ранее. Содержание белка в луковицах чеснока составляет 4-6%, что соответствует высокому содержанию сухого вещества. Содержание золы в овощных луковицах аллиума обычно составляет 0,6-1,0%, причем более высокие значения опять же связаны с более высоким процентом сухого вещества. Обычно их калорийность составляет около 35 калорий/100 г, а для луковиц чеснока — около 140.
Из лука был выделен ряд фенольных веществ, а также протокатехуиновая кислота из наружной кожицы луковиц лука. Большинство аминокислот, обычно содержащихся в белках, были обнаружены в луке и японском луке-батуне. Они содержат относительно большое количество аргинина и глутаминовой кислоты, которые могут быть важными резервами азота. Кожура лука содержит большое количество пектина и является подходящим источником для извлечения пектиновых веществ для переработки (см. «Переработка отходов лука», ниже). Из листьев лука-порея был выделен ряд стеринов и сапонинов, включая агинозид — стероидный сапонин, который проявляет ингибирующую рост активность против луковой моли. Из аллиумов было выделено несколько других сложных химических структур, включая простагландины.
Литература
Allium crop science: recent advances/edited by H.D. Rabinowitch and L. Currah. США. 2002.
Onions and other vegetable alliums / J.L. Brewster. — 2nd ed. США. 2008.
