Alai

Eine stetige Verringerung der konventionellen tierischen Ernährung ist bereits im Gange, angesichts der großen Besorgnis über die negativen Auswirkungen der globalen Erwärmung. Im Vergleich zur tierischen Ernährung wird die pflanzliche Ernährung mit einer besseren Nutzung der Primärressourcen in Verbindung gebracht, da sie bei ihrer Herstellung weniger CO2-Emissionen verursacht und weniger umweltschädliche Verfahren einsetzt. Allerdings ist es aus zahlreichen Gründen nicht immer einfach, einen Großteil der in landwirtschaftlichen Erzeugnissen enthaltenen Nährstoffe zu gewinnen.

Am Beispiel von Maniokblättern soll gezeigt werden, wie natürlich vorkommende toxische und nährstofffeindliche Verbindungen uns bisher daran gehindert haben, auf diese riesige ungenutzte Ressource von Millionen Tonnen Proteinen, diätetischen und präbiotischen Ballaststoffen, Provitamin-A-Carotinoiden und den Vitaminen B1, B2, B3 und C zuzugreifen.1-3

Cassava

Der Anbau von Maniok spielt sowohl für die Ernährungssicherheit als auch für die kommerzielle Nutzung eine wichtige Rolle und bietet Millionen von Landwirten in 105 tropischen und subtropischen Ländern nützliche Möglichkeiten, ihren Lebensunterhalt zu sichern.1-3 Der Anbau ist pflegeleicht, was den Wasser- und Bodenbedarf sowie den erforderlichen Zeit-, Arbeits- und Geldaufwand angeht, was ihn zu einem ausgezeichneten Kandidaten für arme Gebiete mit langen Dürreperioden macht.1,4

Nach den Daten der Statistischen Datenbank der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAOSTAT) aus dem Jahr 2017 ist Nigeria mit einer Produktionsmenge von 59,5 Millionen Tonnen, was 20 Prozent der weltweiten Produktion entspricht, der weltweit größte Produzent von Maniokwurzeln. Auch Ghana ist ein bedeutender Akteur mit einer Produktion von 18,5 Millionen Tonnen Maniokwurzeln, was sechs Prozent der Weltproduktion entspricht. Obwohl Maniok hauptsächlich wegen seiner stärkehaltigen Wurzeln angebaut wird, sind seine Blätter nach entsprechender Behandlung ebenfalls essbar und werden in lokalen Gerichten in Afrika als gute Quelle für Proteine und Mikronährstoffe verwendet, auch wenn sie immer noch als „Nahrungsmittel des armen Mannes“ bezeichnet werden.4

Cassava-Blätter haben einen hohen Proteingehalt, der bis zu 38 Prozent der Trockenmasse erreicht, und ein ausgewogenes Aminosäureprofil. Der Gehalt an Rohfasern in Maniokblättern kann je nach Sorte bis zu 20 Prozent des Trockengewichts erreichen und übertrifft damit den der Wurzeln um das Zweifache. Die Blätter sind außerdem reich an Vitaminen wie B1, B2, B3, C, Provitamin-A-Carotinoiden (pVACs) und Mineralien, die neben dem Eiweiß besser genutzt werden könnten, um Mangelernährung und Stunting – also chronisch unterernährte Bevölkerungsgruppen in Entwicklungsländern – zu bekämpfen. Die Verringerung von Stunting wurde von den Vereinten Nationen (UN) als zweites Ziel für nachhaltige Entwicklung festgelegt und stellt in Afrika südlich der Sahara zusammen mit dem Mangel an Vitamin A und B eine große Herausforderung dar.

Vitamin-A-Mangel, von dem vor allem Kinder und Frauen betroffen sind, führt zu Sehstörungen, vermindert die Fähigkeit, Infektionen zu bekämpfen, und verringert die Wachstumsrate und die Knochenentwicklung – in schweren Fällen kann er sogar zum Tod von Kindern führen. In den Entwicklungsländern sind Pflanzen die Hauptquelle für Vitamin A in Form von pVAC, das nur sehr schlecht aufgenommen wird, da es in den Organellen und Zellwänden der Pflanzenzellen eingeschlossen ist. Die Bioverfügbarkeit von pVACs kann bei der Verarbeitung (z. B. mechanische Homogenisierung) bis zum Sechsfachen gesteigert werden, während das Konzept der Verwendung von pVACs als zugesetzte Lebensmittelzutat ihre Bioverfügbarkeit um bis zu einer Größenordnung verbessert.5

Die Verbesserung der Zusammensetzung von verarbeiteten Lebensmitteln durch Aufnahme höherer Mengen an Proteinen, diätetischen und präbiotischen Ballaststoffen und anderen wertvollen Inhaltsstoffen steht im Einklang mit modernen Ernährungsrichtlinien. So wurde der Verzehr von Ballaststoffen (DF) mit einem verringerten Risiko für zahlreiche Gesundheitsstörungen in Verbindung gebracht, darunter Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes Typ II und Verstopfung, und es wird angenommen, dass sie eine sättigende Wirkung haben.6-8

Trotz der Vorteile einer DF-reichen Ernährung wird die empfohlene Zufuhr (20-35 g/Tag)9 von der großen Mehrheit der Bevölkerung, insbesondere in den Industrieländern, selten erreicht. Daher könnte die Aufnahme von Ballaststoffbestandteilen in verarbeitete Lebensmittel eine Alternative sein, um den Ballaststoffkonsum der Allgemeinbevölkerung zu erhöhen. Die Erhöhung des Gehalts an Ballaststoffen, Proteinen oder anderen wertvollen Inhaltsstoffen stellt die Lebensmittelindustrie jedoch vor erhebliche Kostenprobleme bei der Produktformulierung. Daraus folgt, dass eine kosteneffiziente Extraktion und Reinigung wertvoller Nahrungsmittelbestandteile aus Maniokblättern sehr nützlich sein kann, um die Zusammensetzung kommerzieller Nahrungsmittelformulierungen sowohl in entwickelten als auch in sich entwickelnden Märkten zu verbessern.

Tabelle 1 zeigt das wirtschaftliche Potenzial von Maniokblättern, wobei zwei Stufen der Inhaltsstoffisolierung (einfach und detailliert) und B2B-Zutatenpreise angenommen werden. Das wirtschaftliche Potenzial einer Tonne frischer Blätter und eines einfachen Bioraffinerieverfahrens kann ca. 563 £ erreichen.

Maniokblätter haben die gleiche Ausbeute an Frischmaterial wie die Wurzeln, so dass die jährliche weltweite Blattproduktion auf fast 300 Millionen Tonnen geschätzt werden kann. Im Gegensatz dazu wird die Menge der verbrauchten Blätter auf weniger als eine Million Tonnen pro Jahr geschätzt.1 Dies ist leicht verständlich, da der Großteil des Blattverbrauchs nur für den häuslichen Gebrauch bestimmt ist und nach einem ziemlich langwierigen häuslichen Entgiftungsprozess erfolgt, der das Zerkleinern oder Mahlen und anschließendes langwieriges Erhitzen beinhaltet. Bedauerlicherweise gibt es keine praktische industrielle Nutzung von Maniokblättern, weder als legitimes Agrarprodukt noch als Quelle für Lebensmittelzutaten. Der Hauptgrund dafür, dass Maniokblätter nicht industriell verwertet werden, ist die hohe Toxizität der Blätter aufgrund der cyanogenen Glucoside und, in geringerem Maße, das Vorhandensein anderer nährstofffeindlicher Bestandteile wie Phytat, Oxalat und Trypsininhibitor.10,11

Cassava-Blätter enthalten einen hohen Gehalt an cyanogenen Glucosiden (95 Prozent Linamarin und fünf Prozent Lotaustralin), die sich in den Vakuolen jeder Zelle befinden und durch die in den Zellwänden befindliche Linamarase hydrolysiert werden können. Beim Aufbrechen der Zelle erzeugt Linamarase Glucose und Acetoncyanohydrin, die dann zu giftiger, flüchtiger Blausäure (HCN) abgebaut werden.12

Dieser letzte Schritt kann entweder spontan oder durch die enzymatische Wirkung der α-Hydroxynitrilase erfolgen, die ebenfalls an die Zellwand gebunden ist.13,14 Cyanwasserstoff (HCN) ist sowohl für Menschen als auch für Tiere hochgiftig, wobei die Einnahme von 50-100 mg bekanntermaßen tödlich ist.11 Die ernährungsbedingte chronische Toxizität ist ein weiterer Hauptgrund zur Besorgnis, insbesondere für Bevölkerungsgruppen, in denen Maniok ein wichtiges Grundnahrungsmittel ist. Konzo, tropische ataktische Neuropathie, Verschlimmerung von Kropf und Kretinismus sind die am häufigsten berichteten Maniok-Toxizitätskrankheiten.2,11 Um eine chronische Toxizität zu verhindern, wird im Codex seit 1991 ein Höchstwert von 10 mg Gesamt-HCN/Kg Maniokmehl vorgeschlagen.11

Neben der Einnahme ist auch die Freisetzung von gasförmigem Cyanwasserstoff in die Umwelt bei der industriellen Verarbeitung von Maniokwurzeln und sogar auf der Ebene der Haushalte als äußerst gefährlich bekannt.15 Der Nationale Forschungsrat der USA (2002) legte auf die Sterblichkeit bezogene Richtwerte für die akute Exposition (AEGL-3) für eingeatmetes HCN zwischen 30 mg/m3 bei einer Exposition von 10 Minuten bis zu 7,3 mg/m3 bei einer Exposition von acht Stunden fest. NRC (2002) meldete nicht-schädigende AEGL-1-Werte im Bereich von 2,8mg/m3 bei einer Exposition von 10 Minuten bis zu 1mg/m3 bei einer Exposition von acht Stunden. Die Anfälligkeit von Maniokblättern für einen schnellen Verfall in Verbindung mit dem Verlust der zellulären Integrität und dem bis zu 20-fach höheren Cyanidgehalt als bei Maniokwurzeln9 lässt erwarten, dass frische Blätter erhebliche Mengen an giftiger Blausäure in ihre unmittelbare Umgebung abgeben. Daher muss sich jeder Ansatz zur industriellen Entgiftung, der zwangsläufig zum Transport mehrerer Tonnen und zur Lagerung von Dutzenden Tonnen Blättern führt, nicht nur auf die Einhaltung des Codex-Grenzwerts für die Aufnahme von 10 mg/kg Endprodukt konzentrieren, sondern es ist auch wichtig, Risikominderungsstrategien zu implementieren, um sicherzustellen, dass die Blausäureemissionen weit von der lebensbedrohlichen AEGL-3 entfernt sind und auf die nicht behindernde AEGL-1 begrenzt werden.

Außerdem sind die in der Literatur erwähnten konventionellen Entgiftungsverfahren für Maniokblätter arbeits- und energieintensiv, so dass es nicht einfach ist, die große Menge an Blättern, die nach der Ernte im Abfall landet, industriell zu verwerten. Darüber hinaus sind diese Verfahren aufgrund der in den Blättern verbleibenden toxischen und nährstofffeindlichen Verbindungen nicht ausreichend wirksam und schränken die Nutzung dieser potenziell äußerst nützlichen Ressource ein. Folglich besteht ein Bedarf an einem umweltfreundlicheren und wirksameren Entgiftungsansatz, um die industrielle Nutzung von Maniokblättern zu erleichtern.

Aufgrund unserer Risikoanalyse wird ein wesentlicher Teil jedes industriellen Prozesses darin bestehen, die Emission von Blausäure zu verhindern und so sicherzustellen, dass die Blattbiomasse keine Gefahr für die Gesundheit und Sicherheit der Öffentlichkeit und der Menschen darstellt, die mit dem Transport, der Lagerung und der Verarbeitung großer Mengen von Maniokblättern zu tun haben.

Geleitet von diesen Überlegungen und finanziert durch ein Projekt des UoR-GCRF (Global Challenges Research Fund) hatten wir das Glück, den Nachweis eines Konzepts für ein industrielles Entgiftungsverfahren zu erbringen, das die Sonnentrocknung der Maniokblätter in den Betrieben vorsieht, um eine erste trocknungsbedingte Verringerung des Zyanidgehalts zu erreichen und weitere Zyanidemissionen zu verhindern. Die getrockneten Blätter werden dann durch industrielles Prallmahlen zu einem Pulver verarbeitet. Das Pulver wird in Wasser rekonstituiert und der pH-Wert der Aufschlämmung zwischen 3,5 und 4 gehalten, um unerwünschte Reaktionen zu verhindern. Durch Dekantieren und Mikrofiltration entsteht ein feuchtes Blattmehl mit nicht nachweisbaren Cyanidwerten. Durch anschließende konventionelle Trocknung wird dann ein Blattmehl hergestellt.

Am ersten Tag wurden den Delegierten der Durchbruch bei der Entgiftung und kontextbezogene Informationen über die landwirtschaftliche Produktion und die damit verbundenen ernährungsphysiologischen Vorteile sowie Einzelheiten über die Landwirtschaft und die Wirtschaft in Afrika südlich der Sahara vorgestellt. Am zweiten Tag konzentrierten sich die Delegierten darauf, den besten Weg für die industrielle Nutzung des Durchbruchs zu finden.

Die Entwicklung eines technisch und finanziell tragfähigen Verfahrens zur Herstellung von Lebensmittelzutaten aus gift- und antinährstofffreien Maniokblättern (T&AfCL) wurde als oberste Priorität angesehen. Die Mehrheit der Delegierten sprach sich dafür aus, dass T&AfCL-Lebensmittelzutaten in Form von minimal raffinierten Mehlen/Pulvern angeboten werden sollten, um die Entwicklungszeit und die Produktionskosten für die Raffination dieser Zutaten zu minimieren. Die Delegierten schlugen vor, dass solche T&AfCL-Lebensmittelzutaten angesichts des großen Vorkommens von Maniokblättern und ihres niedrigen Handelspreises ein Mittel zur Förderung einer erschwinglichen Ernährung in den afrikanischen Ländern südlich der Sahara werden könnten.

Wir glauben, dass der Weg in die Zukunft für Maniokblätter wie auch für andere ungenutzte pflanzliche Ressourcen eine zusätzliche Konzentration auf die Entwicklung von Technologien erfordert, die eine Entgiftung und Entfernung von nährstofffeindlichen Verbindungen ermöglichen. Um die unzureichende Aufnahme von Nährstoffen aus pflanzlichen Quellen in den Griff zu bekommen, muss die Beziehung zwischen der Struktur des Pflanzengewebes und der Nährstofffreisetzung im Darm erforscht werden.

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Danksagung

Die Autoren möchten sich für die finanzielle Unterstützung des UoR-GCRF-Projekts „Converting cassava leaves into marketable food ingredients“ bedanken.