Alai

Stałe ograniczanie konwencjonalnych diet opartych na zwierzętach ma już miejsce w obliczu poważnych obaw o negatywny wpływ globalnego ocieplenia. W porównaniu z dietami opartymi na zwierzętach, diety roślinne wiążą się z lepszym wykorzystaniem zasobów pierwotnych, wytwarzaniem mniejszej ilości emisji CO2 w trakcie ich produkcji oraz stosowaniem mniej szkodliwych praktyk środowiskowych. Jednak uzyskanie znacznej ilości składników odżywczych zawartych w produktach rolnych nie zawsze jest łatwe, z wielu powodów.

Użyjemy liści manioku jako studium przypadku, aby zilustrować, w jaki sposób naturalnie występujące związki toksyczne i antyodżywcze uniemożliwiły nam – do tej pory – dostęp do tego ogromnie niewykorzystanego zasobu milionów ton białek, włókien dietetycznych i prebiotycznych, karotenoidów prowitaminy A oraz witamin B1, B2, B3 i C.1-3

Kasawa

Uprawa kasawy odgrywa ważną rolę, zarówno pod względem bezpieczeństwa żywnościowego, jak i jako uprawa handlowa, i stwarza pożyteczne możliwości utrzymania milionów rolników w 105 krajach tropikalnych i subtropikalnych.1-3 Jej plantacja jest mało wymagająca pod względem wymagań wodnych i glebowych, jak również czasu, pracy i inwestycji pieniężnych, których wymaga, co czyni ją doskonałym kandydatem dla ubogich obszarów z przedłużającymi się okresami suszy.1,4

Według danych Food and Agriculture Organization Corporate Statistical Database (FAOSTAT) z 2017 r., Nigeria jest czołowym producentem korzeni manioku na świecie z wielkością produkcji 59,5 mln ton, co odpowiada 20 procentom globalnej produkcji. Ghana jest również znaczącym graczem, produkując 18,5 miliona ton korzeni manioku, co odpowiada sześciu procentom globalnej produkcji. Chociaż maniok jest uprawiany głównie dla korzeni bogatych w skrobię, jego liście są również jadalne po odpowiedniej obróbce i są wykorzystywane w lokalnych potrawach w Afryce jako dobre źródło białka i mikroelementów, chociaż nadal nazywane są „jedzeniem biedaków”.4

Liście kassawy mają wysoką zawartość białka, sięgającą nawet 38 procent suchej masy, oraz dobrze zbilansowany profil aminokwasowy. W zależności od odmiany zawartość surowego włókna pokarmowego w liściach manioku może wynosić do 20% ich suchej masy, przewyższając dwukrotnie zawartość włókna w korzeniach. Liście są również bogate w witaminy, takie jak B1, B2, B3, C, karotenoidy prowitaminy A (pVAC) i minerały, które, wraz z białkiem, mogą być lepiej wykorzystane w celu złagodzenia niedożywienia i zmniejszenia zahamowania wzrostu, czyli chronicznie niedożywionych populacji na rynkach rozwijających się. Zmniejszenie zahamowania został ustalony jako drugi Cel Zrównoważonego Rozwoju Organizacji Narodów Zjednoczonych (ONZ) i stanowi poważne wyzwanie w Afryce Subsaharyjskiej wraz z niedoborem witamin A i B.

Niedobór witaminy A, przede wszystkim wpływające na dzieci i kobiety, powoduje zaburzenia widzenia, zmniejsza zdolność do zwalczania infekcji, i zmniejsza tempo wzrostu i rozwoju kości – nawet prowadząc do śmierci dziecka w ciężkich przypadkach. W krajach rozwijających się rośliny są głównym źródłem witaminy A w postaci pVAC, która wykazuje bardzo słabe wchłanianie ze względu na uwięzienie w organellach komórek roślinnych i ścianach komórkowych. Biodostępność pVACs może być zwiększona do sześciu razy podczas przetwarzania (np. homogenizacji mechanicznej), a koncepcja wykorzystania pVACs jako dodatku do żywności zwiększa ich biodostępność do jednego rzędu wielkości.5

Poprawa składu przetworzonej żywności poprzez włączenie większej ilości białka, błonnika pokarmowego i prebiotycznego oraz innych cennych składników jest zgodna z nowoczesnymi wytycznymi żywieniowymi. Przykładowo, spożycie błonnika pokarmowego (DF) powiązano ze zmniejszonym ryzykiem wystąpienia licznych zaburzeń zdrowotnych, w tym chorób układu krążenia, cukrzycy typu II, zaparć, a także uważa się, że zapewnia on efekt sytości.6-8

Pomimo korzyści płynących z diety bogatej w DF, zalecane spożycie (20-35g/dzień)9 rzadko jest realizowane przez zdecydowaną większość populacji ogólnej, szczególnie na rynkach rozwiniętych. Dlatego też włączenie składników DF do żywności przetworzonej mogłoby służyć jako alternatywny sposób zwiększenia spożycia błonnika pokarmowego w populacji ogólnej. Jednak zwiększenie zawartości DF, białek lub innych wartościowych składników stanowi dla przemysłu spożywczego znaczne wyzwanie pod względem kosztów opracowania produktu. Wynika z tego, że efektywna kosztowo ekstrakcja i oczyszczanie cennych składników żywności z liści manioku może być bardzo użyteczna dla poprawy składu komercyjnych preparatów żywnościowych zarówno na rynkach rozwiniętych, jak i rozwijających się.

Tabela 1 przedstawia potencjał ekonomiczny liści manioku, przy założeniu dwóch poziomów izolacji składników (prosty i szczegółowy) i zastosowaniu cen składników B2B. Potencjał ekonomiczny w jednej tonie świeżych liści i prostym procesie biorafinacji może osiągnąć ok. 563 funty.

Liście manioku mają taką samą wydajność pod względem świeżego materiału jak korzenie, więc roczna globalna produkcja liści może być szacowana na blisko 300 mln ton. Natomiast szacowana ilość spożywanych liści wynosi mniej niż milion ton rocznie.1 Jest to zrozumiałe, ponieważ większość liści jest przeznaczona wyłącznie do użytku domowego i odbywa się po dość długim domowym procesie detoksykacji, który obejmuje tłuczenie lub mielenie, a następnie długotrwałe ogrzewanie. Niestety, liście manioku nie są wykorzystywane w praktyce do celów przemysłowych, ani jako pełnoprawny produkt rolny, ani jako źródło składników spożywczych. Główną przyczyną braku waloryzacji przemysłowej liści manioku jest ich wysoka toksyczność wynikająca z zawartości glukozydów cyjanogennych oraz, w mniejszym stopniu, obecność innych składników antyodżywczych, takich jak fityniany, szczawiany i inhibitory trypsyny.10,11

Liście kassawy zawierają duże ilości glukozydów cyjanogennych (95 procent linamaryny i pięć procent lotaustraliny), które znajdują się w wakuolach każdej komórki i mogą być hydrolizowane przez linamarazę znajdującą się w ścianach komórkowych. Po rozerwaniu komórki linamaraza wytwarza glukozę i cyjanohydrynę acetonu, które są następnie rozkładane do toksycznego, lotnego cyjanowodoru (HCN).12

Ten ostatni etap może zachodzić spontanicznie lub w wyniku enzymatycznego działania α-hydroksynitrilazy, która również jest związana ze ścianą komórkową.13,14 Cyjanowodór (HCN) jest wysoce toksyczny zarówno dla ludzi, jak i dla zwierząt, przy czym wiadomo, że spożycie 50-100 mg powoduje ofiary śmiertelne.11 Innym powodem do niepokoju jest przewlekła toksyczność spowodowana dietą, szczególnie w populacjach, w których maniok jest podstawowym składnikiem pożywienia. Konzo, tropikalna neuropatia ataktyczna, zaostrzenie wola i kretynizm to najczęściej zgłaszane zaburzenia związane z toksycznością manioku.2,11 Aby zapobiec chronicznej toksyczności, maksymalny limit 10mg całkowitego HCN/Kg mąki z manioku jest proponowany przez Codex od 1991 roku.11

Oprócz spożycia, wiadomo również, że odprowadzanie gazowego cyjanowodoru do środowiska jest bardzo niebezpieczne podczas przemysłowego przetwarzania korzenia manioku, a nawet na poziomie chałupniczym.15 Badań Naukowych USA (2002) ustanowiła oparte na śmiertelności ostre poziomy narażenia (AEGL-3) dla wdychanego HCN w zakresie od 30mg/m3 przy narażeniu trwającym 10 minut aż do 7,3mg/m3 przy narażeniu trwającym osiem godzin. NRC (2002) podała niepowodujące obrażeń AEGL-1 w zakresie od 2,8mg/m3 przy narażeniu przez 10 minut aż do 1mg/m3 przy narażeniu przez osiem godzin. Podatność liści manioku na szybkie gnicie w połączeniu z utratą integralności komórkowej oraz do 20 razy wyższymi poziomami cyjanków niż w przypadku korzeni manioku9 sugeruje, że oczekuje się, iż świeże liście będą uwalniać znaczne ilości trującego cyjanowodoru do swojego bezpośredniego otoczenia. Dlatego każde podejście do detoksykacji przemysłowej, która ma prowadzić do transportu kilku ton i przechowywania dziesiątek ton liści, musi nie tylko koncentrować się na spełnieniu kodeksowego limitu spożycia 10mg/kg produktu końcowego, ale ważne jest również wdrożenie strategii ograniczania ryzyka, aby zapewnić, że emisje cyjanowodoru są dalekie od zagrażającego życiu AEGL-3 i ograniczone do nieszkodliwego AEGL-1.

Given our risk analysis, a significant part of any industrial process will entail preventing hydrogen cyjanide emissions, thus ensuring that the leaf biomass does not pose a health and safety threat for the public and people involved with the transportation, storage and processing of high volumes of cassava leaves.

Kierując się tymi myślami i finansując projekt UoR-GCRF (Global Challenges Research Fund), mieliśmy szczęście osiągnąć dowód koncepcji przemysłowego podejścia do detoksykacji, które obejmuje suszenie liści manioku na słońcu na poziomie gospodarstwa, aby osiągnąć pierwszą indukowaną suszeniem redukcję cyjanku i zapobiec dalszej emisji cyjanku. Wysuszone liście są następnie przetwarzane na proszek za pomocą przemysłowego młyna udarowego. Proszek jest odtwarzany w wodzie, a pH zawiesiny utrzymuje się w zakresie od 3,5 do 4, aby zapobiec niepożądanym reakcjom. Zastosowanie dekantacji i mikrofiltracji prowadzi do uzyskania mokrej mączki z liści o niewykrywalnym poziomie cyjanków. Następnie w wyniku konwencjonalnego suszenia uzyskuje się mączkę z liści.

Pierwszego dnia delegatom zaprezentowano przełomowy proces detoksykacji oraz informacje kontekstowe dotyczące produkcji rolnej i korzyści żywieniowych, jakie oferuje, a także szczegóły dotyczące rolnictwa i gospodarki w Afryce Subsaharyjskiej. W drugim dniu, delegaci skupili się na wyborze najlepszej drogi do przemysłowego wykorzystania przełomu.

Ustalenie technicznie i finansowo opłacalny proces generowania Toxic-i-Antinutrient-Free Cassava Leaves (T&AfCL) składniki żywności był postrzegany jako najwyższy priorytet. Większość delegatów opowiedziała się zdecydowanie za tym, by składniki żywności wolne od T&AfCL występowały w postaci minimalnie rafinowanych mąk/proszków, aby zminimalizować czas opracowywania tych składników i koszty ich produkcji. Delegaci zasugerowali, że biorąc pod uwagę obfitość liści manioku i ich niskiej cenie handlowej, takie T&AfCL składniki żywności mogą stać się pojazdem do promowania przystępnych cenowo żywienia całej Afryki Subsaharyjskiej.

Wierzymy, że droga do przodu dla liści manioku, jak również innych niewykorzystanych zasobów roślinnych, wymaga dodatkowego skupienia się na rozwoju technologii, które mogłyby dostarczyć detoksykacji i usuwania związków anty-odżywczych. Rozwiązanie problemu słabej absorpcji składników odżywczych ze źródeł roślinnych będzie wymagało zbadania związku między strukturą tkanki roślinnej a uwalnianiem składników odżywczych w jelicie.

1. Latif S, Müller J. Potencjał liści manioku w żywieniu człowieka: A review. Trends in Food Science & Technology 2015, 44, 147-158
2. Burns AE, Gleadow RM, Zacarias AM, Cuambe C E, Miller RE, Cavagnaro TR. Variations in the Chemical Composition of Cassava (Manihot esculenta Crantz) Leaves and Roots As Affected by Genotypic and Environmental Variation. Journal of Agricultural and Food Chemistry 2012, 60, 4946-4956
3. Montagnac JA, Davis CR, Tanumihardjo SA. Nutritional Value of Cassava for Use as a Staple Food and Recent Advances for Improvement. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety 2009, 8, 181-194
4. Achidi AU, Ajayi OA, Bokanga M, Maziya-Dixon B. The use of cassava leaves as food in Africa. Ecol Food Nutr 2005, 44, 423-435
5. Hof KHV, West CE, Weststrate JA, Hautvast JGAJ. Dietetyczne czynniki, które wpływają na biodostępność karotenoidów. J Nutr 2000, 130, 503-506
6. Lattimer JM, Haub MD. Effects of dietary fiber and its components on metabolic health. Nutrients 2010, 2, 1266-89
7. Kristensen M, Jensen MG. Dietary fibres in the regulation of appetite and food intake. Importance of viscosity. Appetite 2011, 56, 65-70
8. Harris PJ, Smith BG. Plant cell walls and cell-wall polysaccharides: structures, properties and uses in food products. International Journal of Food Science & Technology 2006, 41, 129-143
9. Redgwell RJ, Fischer M. Dietary fiber as a versatile food component: An industrial perspective. Mol Nutr Food Res 2005, 49, 521-535
10. Latif S, Zimmermann S, Barati Z, Muller J. Detoxification of Cassava Leaves by Thermal, Sodium Bicarbonate, Enzymatic, and Ultrasonic Treatments. J Food Sci 2019, 84, 1986-1991
11. Montagnac JA, Davis CR, Tanumihardjo SA. Processing Techniques to Reduce Toxicity and Antinutrients of Cassava for Use as a Staple Food. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety 2009, 8, 17-27
12. Sornyotha, Kyu KL, Ratanakhanokchai K. Purification and detection of linamarin from cassava root cortex by high performance liquid chromatography. Food Chem 2007, 104, 1750-1754
13. White WLB, Arias-Garzon DI, McMahon JM, Sayre RT. Cyjanogeneza w manioku. The role of hydroxynitrile lyase in root cyjanide production. Plant Physiol 1998, 116, 1219-1225
14. Bradbury JH, Denton IC. Mild methods of processing cassava leaves to remove cyanogens and conserve key nutrients. Food Chem 2011, 127, 1755-1759
15. Okafor PN, Okorowkwo CO, Maduagwu EN. Occupational and dietary exposures of humans to cyanide poisoning from large-scale cassava processing and ingestion of cassava foods. Food Chem Toxicol 2002, 40, 1001-1005

Podziękowanie

Autorzy pragną podziękować za wsparcie finansowe projektu „Converting cassava leaves into marketable food ingredients” UoR-GCRF.

.