Топинамбур, или земляная груша (Helianthus tuberosus L.), — крупнотравное однолетнее растение семейства сложноцветных, обладающее способностью вегетативного возобновления от перезимовавших в почве клубней. В подземной части топинамбура образуются многочисленные столоны с клубнями

Введение

Топинамбур, или земляная груша (Helianthus tuberosus L.), — крупнотравное однолетнее растение семейства сложноцветных, обладающее способностью вегетативного возобновления от перезимовавших в почве клубней. В подземной части топинамбура образуются многочисленные столоны с клубнями. С одного куста в отдельных случаях получают до 5 кг клубней. В Сибири топинамбур достигает высоты 2,5-4 м, имеет высокую облиственность (7-9 кв. м листовой поверхности на 2 кв. м посадок) и высокий коэффициент использования фотосинтетической активной радиации – 2,1-2,7% (у большинства сельскохозяйственных растений этот показатель не превышает 1,7%). Размножается топинамбур вегетативнo (клубнями). Клубни прорастают при температуре почвы от 2 до 3°С. Наряду с высокой продуктивностью топинамбур характеризуется неплохими кормовыми качествами. По валовому выходу кормовых единиц, переваримого протеина и сахаров с единицы площади он не имеет равных во многих агроклиматических зонах. В сложных природно-климатических условиях Восточной Сибири с коротким вегетационным периодом, ранними августовскими заморозками, засушливым летом топинамбур также может стать незаменимой культурой в кормопроизводстве.

Экспериментальные работы по интродукции топинамбура в Сибири проводились в 80-90 гг. прошлого столетия одновременно в нескольких регионах Восточной Сибири на стационарах Лимнологического института СО РАН: Иркутская область, Магаданская область, Амурский край и др. Производственные посадки базовых сортов Интерес. Находка и Интерес 21 проводили в тех же районах по разработанной агротехнике.

При введении топинамбура в культуру in vitro использовали общепринятые методики. В качестве эксплантантов брали глазки топинамбура сорта Интерес 21 и части стебля, имеющие пазушные почки.

Наиболее высокая урожайность зеленой массы (614 ц/га) получена при площади питания 0,28 кв. м, а самый высокий урожай клубней (164 ц/га) при площади питания 0,38 кв. м. Оценка влияния дозы удобрений на урожайность показала, что при внесении совместно органоминеральных удобрений (навоз 40 т/га, плюс Na60P60K90) урожайность зеленой массы достигала 724 ц/га. С применением удобрений на 45,5% увеличились затраты, но, несмотря на это, снизилась себестоимость продукции: клубней – на 3,1, зеленой массы – на 8,7%.

Ценность топинамбура как кормовой, овощной, технической и лечебной культуры обусловлена прежде всего химическим составом растения. В табл. 1 представлены результаты химического анализа зеленой массы наиболее перспективных сортов топинамбура. Среди зольных элементов значительную долю занимают кальций, магний, железо. На 1 кг зеленой массы приходится 5,9 г кальция и 3,4 г магния. В 1 кг зеленой массы содержится 60-130 мг каротина. Сухое вещество топинамбура содержит до 80% полимерного гомолога фруктозы – инулина и более 4% триптофана и лейцина. Количество органических кислот в процессе онтогенеза растений может составлять от 8 до 12% сухой массы листьев. Органические кислоты представлены в листьях топинамбура не только ди- и трикарбоновыми кислотами цикла Кребса, но и поликислотами, которые являются кислотами первичного окисления Сахаров; из ди- и трикарбоновых в ростках и листьях топинамбура содержатся яблочная, фумаровая, а также в значительно меньших количествах лимонная и янтарная кислоты.

Клубни топинамбура содержат клетчатку и богатый набор минеральных элементов, в том числе железа – 10,1 мг/кг; марганца – 44,0 мг/кг; кальция – 78,8 м/кг; магния – 31,7 мг/кг; калия – 1382,5 мг/кг; натрия – 17,2 мг/кг . Топинамбур активно аккумулирует кремний из почвы, и в клубнях содержится этого элемента до 8% в расчете на сухое вещество. По содержанию железа, кремния и цинка он превосходит картофель, морковь и свеклу. В состав клубней топинамбура входят также белки, пектин, аминокислоты, органические и жирные кислоты. Пектиновых веществ в топинамбуре содержится до 11% от массы сухого вещества. По содержанию витаминов В1, В2, С топинамбур богаче картофеля, моркови и свеклы более чем в 3 раза. Существенно отличается он от других овощей и высоким содержанием в клубнях белка (до 3,2% на сухое вещество), представленного 8 аминокислотами, в том числе незаменимыми, которые синтезируются только растениями и не синтезируются в организме человека (аргинин, валин, гистиднн, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, триптофан, фенилаланин).

Таблица 1

Микроэлементный состав зеленой массы и клубней топинамбура, мг/кг сухой массы

Элемент	Содержание микроэлементов		Средние содержания в растениях
	в зеленой массе	в клубнях
Со	0,3	0,3	0,2
Ве	0,005	0,006	Не опр.
Zn	7,0	8,5	3,0
Сu	4,0	2.0	2,0
Мn	45.0	15,0	10,0
Мо	0.15	0,2	0.2
Li	0.8	0,6	0,1
Ni	2.25	1.75	0.5
РЬ	0,08	0,03	0,5
В	12.5	10,0	1,0
Сг	0,3	1.2	5,0
V	0,8	1,4	1,0
Ва	40,0	30,0	Не опр.
Sr	40,0	48,0
Сd	Не обн	0,01	0.01
Sc	0,14	0.10	Не опр
Аg	0,008	0,003
Тi	15.0	15,0	1.0

В клубнях топинамбура отмечено относительно низкое содержание нитратов в сравнении с другими сельскохозяйственными культурами, выращенными в аналогичных условиях. При исследовании 12 проб сорта Интерес этот показатель варьировал от 32,0 до 48,0 мг/кг (клубни) и от 57,0 до 95,0 мг/кг (зеленая масса). Предельно допустимая концентрация нитратов для топинамбура в литературе отсутствует, но для моркови, например, она составляет 300 мг/кг, свеклы – 140, капусты – 300, картофеля – 80, огурцов – 150 мг/кг, т. е. значительно больше тех величин, что установлены в топинамбуре. На модельной площадке, где содержание подвижных форм азота увеличивали в 5 раз, обнаружено незначительное повышение уровня нитратов в клубнях топинамбура по сравнению с картофелем (62,5 мг/кг против 260,3 мг/кг) и в то же время резкое увеличение содержания их в листьях (282,8 мг/кг в топинамбуре, 295,5 мг/кг в картофеле). Таким образом, клубни топинамбура не накапливают нитраты даже при моделировании высоких фонов азотного питания.

Полевые опыты подтвердили морозоустойчивость топинамбура. Листья повреждались лишь при температуре -2 ... -5°С, а стебли при -7 ... -12°С. Клубни выдерживали температуру -10°С в течение 30 суток. Невыкопанные клубни сохраняли жизнеспособность при снежном покрове 0,2-1 м даже когда температура воздуха опускалась до -35 ... -40°С, а почва промерзала. Более высокой зимостойкостью обладали дикие сортотипы коллекции (Горноалтайский, Австралийский, American), несколько ниже – примитивные образцы и еще ниже – культурные. Вместе с тем следует отметить относительно высокую зимостойкость ряда культурных сортов (Palat Vilmorin, Blanc Precoce, Белый урожайный, Roso, Интерес 21).

При хранении клубни топинамбура, в отличие от картофеля, быстро усыхали, становились дряблыми и подвергались воздействию микроорганизмов, вызывавших гниение. Были проведены микроскопические исследования поверхности клубня. Покровную ткань 38 сортов площадью 1-1,5 кв. см помешали на 40-50 дней в 70%-й этиловый спирт, после чего проводили срезы. Установлено, что толщина опробковевших клеток колебалась от 18,0 до 85,0 мк. Причиной плохого хранения являлось слабое развитие поверхностной пробковой ткани у клубней топинамбура, обусловленное недоразвитостью клубня, сформированного в условиях короткого лета. По толщине пробкового слоя все исследованные образцы были разделены на три группы: 60-85 мк – практически все дикие сорта, 40-50 мк – примитивные и культурные раннеспелые сорта, до 30 мк – все культурные среднепоздние и поздние сорта. Большой интерес для создания семенного материала представляет применение методов культуры тканей.

При введении топинамбура в культуру in vitro эксплантанты предварительно обрабатывали сулемой, затем проводили 2-3-кратную промывку спиртом и дистиллированной водой и высаживали в отдельные пробирки со средой Мурасиге-Скуга при температуре 20-22°С. Одиночные растения сформировывались в среднем через 20 дней после посадки. Их черенковали и пересаживали на питательную среду, дополненную витаминами и фитогормонами. Гормоны способствовали формированию целого пучка побегов. Следующим этапом культивирования было разделение образовавшейся массы побегов и пересадка их на среду для укоренения. Полученные таким образом растения-регенеранты адаптировали к лабораторным условиям: высаживали в прокаленную почву и накрывали пленочным колпаком на 5-7 дней. Пленочные укрытия постепенно снимали и переносили растения в теплицу. В открытый грунт полученные пробирочные растения высаживали вместе с клубнями в качестве контрольного варианта.

К концу вегетационного периода были получены хорошо развитые растения топинамбура, морфологически не отличающиеся от контрольных вариантов.

Многолетние исследования топинамбура позволили обнаружить широкий спектр полезных качеств растения и испытать различные направления его использования.

Для Сибири наибольший интерес представляют скороспелые сорта. Они в условиях Восточной Сибири, как правило, успевают зацветать и образовывать хороший урожай клубней – свыше 300 ц/га, при этом средняя масса клубней достигает 200 г. Мелкоплодные сорта наиболее устойчивы к перезимовке в почве и могут успешно культивироваться в малоснежных районах.

Благодаря значительному содержанию сухих веществ, углеводов и витаминов, а также малому количеству клетчатки зеленая масса топинамбура отличается высокими кормовыми характеристиками. Сравнительная оценка питательности топинамбура (сорт Интерес) и основных видов кормов Иркутской области приведена на рисунке. Наибольший интерес представляет сбалансированность по протеину и сахарам в топинамбуре. Топинамбур превосходит кукурузу, однолетние и многолетние травы, кормовые корнеплоды и картофель по выходу кормовых единиц в 2,9-7,9, по переваримому протеину – в 1,6-5,9 раза.

Растения перезимовывают и дают хорошие всходы на следующий год. Высокие кормовые качества, хорошая поедаемость растения дикими животными и зимостойкость позволяют считать топинамбур незаменимым элементом биотехнических мероприятий при устройстве кормовых полей в охотничьих угодьях. Топинамбур незаменим в свиноводстве для создания пастбищ в позднеосенний и ранневесенний периоды, является отличным сырьем для силосования.

Уникальной является способность топинамбура накапливать инулин. Установлено положительное влияние инулиносодержащих продуктов на регуляцию обмена веществ при заболевании сахарным диабетом, атеросклерозом, ожирением. Снижение сахара в крови у больных сахарным диабетом, потребляющих топинамбур, обусловлено высоким содержанием инулина, наличием пищевых волокон (пектина, целлюлозы), витаминным и минеральным составом.

Высокое содержание пектиновых веществ в топинамбуре позволило использовать его не только в пищевой промышленности, но и как профилактическое вещество для вывода из организма тяжелых металлов и радионуклидов.

Топинамбур является перспективной технической культурой. Сибирским НИИ целлюлозы и картона (г. Братск) совместно с Лимнологическим институтом СО РАН была проведена опытная бисульфатная варка целлюлозы из стеблей топинамбура. Для варки использовали стебли топинамбура сорта "Интерес". Стебли предварительно измельчали в сечку с размером не более 2-2,5 см. Варку проводили в автоклаве, снабженном принудительной циркуляцией. Сечка топинамбура подвергалась предварительной пропарке, затем ее заливали бисульфатным раствором с pH-4,35 и осуществляли варку. Опробованный метод варки позволяет получить из стеблей топинамбура целлюлозу, пригодную для изготовления различных видов бумажной продукции. Выход массы в пределах 34%, разрывная длина 6500-7600, сопротивление излому 54-220, сопротивление продавливанию 248-302 кПа, сопротивление раздиранию мН- 240-320.

Топинамбур – высокобелковая культура. В ботве обнаружено 16 аминокислот, в клубнях-18, в том числе имеются все незаменимые. Существенной разницы между аминокислотным составом молодой зелени топинамбура и красного клевера нет. Ботва и клубни богаты органическими кислотами, микроэлементами, поливитаминами. Производство спирта из клубней топинамбура является одним из наиболее привлекательных биотехнологических инноваций. По сравнению с производством спирта из крахмалосодержащего сырья (зерна и картофеля) производство спирта из топинамбура имеет ряд преимуществ. Отпадает необходимость в осахаривающих материалах, в солодовенных отделениях или цехах ферментных препаратов и соответствующего обслуживающего персонала, исключается расход зерна на солод, сокращается продолжительность сбраживания питательной среды.

Отход производства спирта из топинамбура - послеспиртовую барду скармливают скоту. Ее можно также использовать для производства сухих кормовых дрожжей или пектина, которые возможно применять в качестве добавки к пищевым продуктам с целью вывода из организма человека радионуклидов. Выход спирта из 1 т клубней- 83 литра. Расход клубней- 0,12048 т/дал.

Топинамбур - дешевое сырье для производства этанола и бутанола. Надземная масса обеспечивает выход спирта 3-4, а клубни- 5-7 т/га. Из клубней получают 6-12 т/га сахара.

Топинамбур ценен в экологическом плане. Он не нуждается в обработке ядохимикатами, поскольку устойчив ко многим болезням и вредителям, в том числе к колорадскому жуку и нематоде.

В процессе исследований установлено, что топинамбур может быть одним из активных фитомелиорантов с одновременным использованием его продукции (клубни и зеленая масса) для кормовых, пищевых и технических целей. При использовании топинамбура резко снижаются затраты на данную технологию с одновременным возвратом бросовых земель в сельхозпользование. Посадки топинамбура на сухих "пляжах" золоотвалов резко снижают ветровой перенос сухой золы, создают зеленые защитные барьеры, закрепляют дамбы от размыва и уменьшают дренаж сточных вод.

Диапазон экологического использования культуры топинамбура продолжает расти (использование осадков сточных вод, полив посадок промстоками, создание зеленых поясов вокруг промышленных центров и так далее) что приносит экономический и экологический эффекты. В последние годы, в связи с активной деятельностью в мире по снижению парникового эффекта из-за антропогенного выброса в атмосферу диоксида углерода, может активно использоваться еще одно свойство топинамбура. Один гектар топинамбура способен поглощать из воздуха 6 т CO2, в то время как 1 га леса лишь 3-4т. Один гектар топинамбура выделяет в 3 раза больше кислорода, чем сосновые посадки на такой же площади. В мире как эффективное средство улучшения экологической обстановки рекомендуются посадки молодых, так называемых "киотских лесов". Создание вокруг ТЭЦ и промышленных предприятий зеленых полос топинамбура может быть эффективным мероприятием по улавливанию CO2 и одновременным насыщением атмосферы кислородом.

Исследования последних лет выявили еще одно перспективное направление использования зеленой массы топинамбура. Опыты с варкой целлюлозы из стеблей топинамбура не предполагали отделение из зеленой массы на ферментаторах инулина и других биологически активных веществ. Если в технологическую цепочку ввести эту стадию, то остаточный материал может быть сырьем не только для традиционной сульфатной варки целлюлозы, но и для получения углеродных волокон для композитных материалов и производства наноцеллюлозы, уникальные качественные характеристики которой востребованы в различных областях современной техники.

Топинамбур – высокопластичная культура, способная выдерживать экстремальные климатические условия Сибири, адаптироваться к различным почвенным субстратам и давать при этом достаточно высокий урожай биомассы. Одно из перспективных направлений использования топинамбура – это рекультивация с его помощью антропогенно нарушенных территорий: свалок, золо- и шламоотстойников, угольных и горнорудных карьеров.

Топинамбур использовался нами для рекультивации шламоотстойников Селенгинского, Амурского, Братского, Усть-Илимского целлюлозных комбинатов, золоотстойников ТЭЦ Иркутской области, Республика Бурятия, карьеров добывающих предприятий Кузбасса, карт иловых осадков городов Иркутска, Ангарска, нарушенных территорий Магадана, зон радиоактивного загрязнения в Чернобыле. В современных условиях должна быть не просто рекультивация с помощью топинамбура. Необходимо проектирование и создание всей технологической цепочки:

• Создание на антропогенно нарушенных территориях сельскохозяйственных площадей с почвогрунтами, подготовленными для многолетнего произрастания специальных сортов топинамбура.
• Использование для создания плодородных грунтов и органоминеральных почвенных композиций зол углей, лигнина, опилок, коры, отходов горнодобывающей промышленности, эффективных почвенных микробиологических препаратов.
• Разработка агротехнологий и создание спецтехники для многолетней эксплуатации топинамбурных посадок.
• Создание цикла перерабатывающих предприятий, позволяющих использовать все полезные компоненты топинамбура: инулин, пектины, кормовой белок, целлюлозу, биологически активные вещества, волокнистый материал для углепластиков и растительные компоненты для "наноцеллюлозы".

Первой площадкой для такого проекта может быть район г. Тулуна. Здесь сосредоточены угольные разрезы, подлежащие рекультивации, накоплены отходы лигнина для создания почвогрунтов. В этот район предполагается вывозить золу из переполненных золоотстойников ТЭЦ-9 и ТЭЦ-10 г. Ангарска.

В Тулуне предполагается создание производства технического бутанола. Проект предполагает решение проблемы складирования золы для ТЭЦ "Иркутсэнерго", рекультивацию обширной территории, перевод производства технического спирта на возобновляемую сырьевую базу, создание производства инулина, других биологически активных веществ, появление инновационных производств современных материалов.

Скромные шаги по интродукции топинамбура в Сибири в конце 80-х годов прошлого века привели к широкому его использованию как сырья для медицинских препаратов. XXI век должен обеспечить перспективы топинамбуру как биотехнологической и биоэнергетической культуры для всех климатических поясов России.