Хлеб будущего – Биоэкономика 360 °

Ученые работают над моделями выращивания хлебной пшеницы в условиях окружающей среды 2050 года.

Стабильное качество, несмотря на изменение климата, меньше удобрений, эффективные пекарни, здоровое питание, переработка отходов: междисциплинарная биоэкономика в Университете Гоэнгейма на примере хлеба.

Биоэкономика – это коллективная работа: исследовательские подходы из самых разных дисциплин переплетаются, чтобы гарантировать, чтобы достичь переход к устойчивой и ориентированной на будущее экономике. На примере «хлеба» можно увидеть, как именно это выглядит демонстрируе Университет Гогенгейм в Штутгарте: от выращивания новых видов зерна, которые не поддаются изменению климата, до экологического следа хлебопекарни; от аспектов питания до вторичной переработки старых хлебобулочных изделий – вплоть до производства биопластика – это 360-градусный обзор «хлеба будущего». Это новый проект Унивеситета в Год науки 2020-21, посвященном Биоэкономике.

Изменение климата: вызов для селекции

В настоящее время никто не может точно сказать, из какой муки будет выпекаться наш хлеб через несколько десятилетий.

Основное внимание при селекции уделяется высокоэффективным сортам с высокой урожайностью и достаточным содержанием белка, поскольку это гарантирует, что хлебное тесто будет хорошо разрыхляемым, эластичным и податливым в обработке. Эти критерии также будут важны и в будущем. Но: изменение климата и экологические проблемы из-за чрезмерного испоьлзования удобрений становятся все более серьезной проблемой.

Внимание привлек исследовательский проект, который проводился в два этапа до 2018 года в рамках исследовательской группы 1695 «Изменение регионального климата» в Гогенгеймском Университете. Помимо прочего, ученые выращивали пшеницу в климатических камерах, которые имитируют температуру и уровень CO2 в 2050 году.

В принципе, CO2 благотворно влияет на рост растений, поскольку парниковый газ действует как удобрение. Однако это происходит за счет качества хлебной пшеницы: в модельных растениях содержание белка значительно ниже. Также снизилось содержание таких питательных веществ, как кальций, железо, магний и цинк. Концентрация аминокислот также снизилась до 11 процентов.

Надежные сорта: лучшее понимание воздействия на окружающую среду

В поисках надежных сортов зерна завтрашнего дня, которые обладают стабильным качеством в меняющихся условиях окружающей среды и выращивания, исследователи из разных отделов работают в тесном сотрудничестве.

Проект «BETTERWHEAT», который стартовал зимой 2019/20 в Университете Гогенгейма в сотрудничестве с Медицинским центром Университета Майнца и племенными компаниями DSV, Limagrain, KWS и WvB, является одним из крупнейших проектов во всем мире с объемом финансирования в около 1 миллиона евро. Цель проекта – качество пшеницы.

В рамках проекта около 300 различных сортов пшеницы выращиваются в 4-8 различных регионах выращивания и тщательно исследуются: помимо таких критериев, как урожайность, устойчивость к болезням, хлебопекарные свойства, также анализируется, какие сорта предлагают лучший профиль для питания человека.

Ключевой момент: все упомянутые критерии подвержены значительным колебаниям в зависимости от влияния окружающей среды и выбора сорта. Но только те характеристики, на которые в основном влияет разнообразие и меньше – окружающая среда, могут быть успешно затронуты в цепочке создания стоимости.

«BETTERWHEAT – одно из первых исследований, которое дифференцирует влияние разнообразия и среды с такими многоплановыми характеристиками», – объясняет менеджер проекта Фридрих Лонгин из Государственного института селекции растений Университета Гогенгейма. «Мы проводим здесь новаторскую работу, которая очень актуальна для селекции пшеницы и разработки новых продуктов из пшеницы, а также улучшает наше общее понимание влияния факторов окружающей среды на качество зерна. Мы сочетаем самые современные методы геномики, протеомики, спектрометрии и климатических данных».

Гонка со временем: может ли помочь оцифровка?

В связи с изменением климата селекционеры также сталкиваются с фактором стресса растений от жары и засухи. Потому что периоды засухи, которые мы уже пережили в последние годы, становятся все более частыми и экстремальными.

Проблема: культивирование новых сортов зерна традиционно было длительной задачей, на которую уходит много лет. Но время идет – и традиционные методы вряд ли выиграют гонку против изменения климата.

Оцифровка, помимо прочего, обещает помощь: «Мы работаем над оптимизацией поиска наиболее многообещающих «родителей» для скрещивания с помощью баз данных ДНК и биостатистических методов и, таким образом, значительно ускоряем процесс культивирования», – говорит проф. Карл Шмид, заведующий отделом биоразнообразия сельскохозяйственных культур и информатики селекции.

Еще одна важная цель селекционных исследований – остановить истощение генофонда. Потому что только широкая генетическая основа позволит в будущем производить быстро адаптируемые сорта зерна, которые смогут справиться с более экстремальными погодными условиями и периодами засухи и, таким образом, обеспечить питание будущих поколений.

Разнообразие: какой потенциал предлагают древние виды?

Потребители также хотят большего разнообразия. Очень популярны старые сорта, такие как однозернянка, эммер и полба. Потому что они впечатляют своим вкусом и внутренними ценностями, такими как высокое содержание минералов.

Но: есть множество особенностей как при выращивании, так и при переработке сортов, о которых почти забыли. Вероятно, крупнейшее в мире полевое испытание с древним зерном было проведено в гогенгеймском университете за последние два года.

«Мы выращивали 150 сортов однозернянки и эммера, а также около 100 сортов полбы на небольших участках на наших опытных полях. Основное внимание уделялось восприимчивости к болезням, выходу, а также свойствам теста и выпечки. Наш вывод: успешное восстановление старых видов возможно, но зависит, среди прочего, от того, удастся ли создать стабильную цепочку добавленной стоимости », – сообщает APL. Лонгин.

Лучшие хлебопекарные свойства – меньше удобрений: что делает хорошее зерно?

По мнению экспертов гогенгемоского университета, критерии, используемые для измерения качества зерна, также нуждаются в срочном рассмотрении.

«До сих пор самым важным фактором было содержание белка в зерне. Накапливаемые белки, также известные как «глютен», делают тесто эластичным и податливым благодаря сети крошечных пузырьков воздуха. Крупные закупщики устанавливают точные требования к содержанию белка в муке, которое, таким образом, становится определяющим фактором для цены на зерно», – поясняет проф. Кристиан Цёрб из отдела качества растительной продукции.

Высокое содержание белка достигается не только путем выращивания соответствующих высокоэффективных сортов, но, прежде всего, путем удобрения. Практическое правило: чем больше азота в почве, тем больше белка в пшенице. Однако это может привести к серьезным экологическим проблемам, таким как загрязнение при поверхностных грунтовых вод. Кроме того, мировые запасы фосфора истощаются и распределяются по миру крайне неравномерно. В 2020 году политики отреагировали новым постановлением по удобрениям, которое в некоторых случаях ставит перед фермерами серьезные проблемы.

«Поэтому мы хотим разобраться в взаимосвязи между содержанием белка и качеством выпечки», – говорит проф. Цёрб. «Первые результаты испытаний показывают, что решающее значение имеет не общее количество белка, а его состав и качество. По нашим оценкам, более точное знание того, какие сорта и сколько удобрений действительно обеспечивают желаемые свойства, может помочь сэкономить до четверти азотных удобрений при выращивании пшеницы во всем мире».

Качество муки: могут ли помочь инновационные технологии?

Для более детального определения качества зерна не только в ходе исследований, но и в мукомольной и зерновой промышленности, требуются новые технологии, которые можно использовать практически и экономично. Таким образом, департамент анализа процессов и зерновых культур работает над созданием спектроскопического метода: помимо концентраций белка и крахмала, целью является, в частности, прогнозирование хлебопекарных свойств, которые до сих пор можно было надежно определить только с помощью комплексной тестовой выпечки.

Чтобы компенсировать естественные колебания содержания белка и улучшить хлебопекарные качества муки без глютена или с низким содержанием глютена, требуются также другие инновационные стратегии. Одной из возможностей в этом контексте может быть обработка муки, например, холодной плазмой или озоном.

«Холодная плазма и озон вызывают окисление, укрепляя белковую сеть в муке, что делает тесто эластичным и улучшает его качества при замесе. Обработка осуществляется без остаточных элементов – в тесте остаются только оксидированные молекулы, поэтому мучные улучшители, которые в противном случае принимали бы на себя окисление, больше не нужны», – поясняет проф. Бернд Хитцманн из отдела анализа процессов и зерновых культур.

Непереносимость и проблемы с раздраженным кишечником: что делает хлеб легкоусвояемым?

Потребители также все больше интересуются ингредиентами хлеба, которым питаются. Многие подозревают, что высокое содержание глютена в пшеничном хлебе приводит к его непереносимости. Однако с точки зрения питания к этому стоит присмотреться.

«На самом деле, например, хлеб из полбы, который многие люди считают особенно легкоусвояемым, имеет гораздо более высокое содержание глютена, чем обычный пшеничный хлеб. В то же время, точный состав белков также может быть решающим фактором. В настоящее время мы изучаем это с помощью исследования на людях», – говорит проф. мед. Стефан С. Бишофф из Института медицины питания.

Однако у пациентов с раздраженным кишечником группа углеводов и сахарных спиртов, так называемые FODMAP, может вызывать соответствующие симптомы. Содержание FODMAP в хлебе зависит, в том числе, от продолжительности брожения и длительного тестоведения.

«В ходе исследования мы смогли показать, что хлеб, тесто которого находится в отлежке / на стадии брожения менее двух часов, содержит особенно высокую концентрацию проблемных FODMAP. Однако уже более длительное время брожение не приводит к дальнейшему значительному сокращению. Тем не менее, процесс длительного замешивания теста может положительно сказаться на аромате и качестве хлеба, а содержащиеся в нем минералы могут стать более доступными», – говорит проф. Бишофф.

Экологический след: как пекарни работают эффективно и рационально?

Текущий проект в области анализа процессов и науки о зерне всесторонне рассматривает все важные процессы, происходящие в пекарне. Компьютерные модели должны помочь оптимизировать процессы таким образом, чтобы потребление энергии и выбросы CO2 были сведены к минимуму, а пищевых отходов было как можно меньше.

“Кроме этого, мы хотим улучшить загруженность машин, определив отдельные производственные шаги, которые приводят к задержкам в работе. В то же время инструмент прогнозирования покупок потребителей должен помочь лучше оценить требуемые количества, изготавливаемых продуктов. Алгоритмы рассчитывают потенциальный спрос на определенные виды изделий, например, на основе данных о погоде, типичном времени отпуска и старых данных о продажах», – сообщает проф. Хитцманн.

Старая выпечка: сырье для пластика будущего?

Пока невозможно полностью избежать отходов в пекарнях и возвратов из торговли, продолжает возникать вопрос о том, как их использовать как можно более рационально, Например, в качестве непищевой биомассы старые хлебобулочные изделия могут в будущем стать интересным исходным материалом для производства химического продукта-платформы HFM и био-угля в биоперерабатывающих заводах.

«HFM служит отправной точкой для биопластика PEF не содержащего нефть и является экологичной альтернативой ПЭТ. Био-искусственный материал ПЭФ можно использовать, например, для производства бутылок или синтетических волокон, таких как нейлон. В техническом центре биопереработки гогенеймского университета мы в настоящее время изучаем, как можно оптимизировать технический процесс, чтобы он стал экономически выгодным. Тогда у этих продуктов также есть шанс быстро вытеснить с рынка продукты с основой на ископаемых и внести свой вклад в защиту климата и окружающей среды», – сообщает Маркус Гётц, докторант и научный сотрудник в области технологий преобразования возобновляемого сырья под руководством проф. Андреа Крузе.

Богатый питательными веществами раствор, который образуется в виде остатков на заводе по биопереработке, в свою очередь, должен быть переработан на биогазовой установке и возвращен на поле. Переработанную био-массу можно также использовать как удобрение и почвенную добавку. Таким образом браковая выпечка или возврат помогает выращивать зерно для новой выпечки – правильный цикл в смысле биоэкономики.