Rastlinná biomasa fortifikovaná selénom - hodnotný zdroj Se vo výžive ľudí a zvierat
V ostatnom čase vo výrobe poľnohospodárskych produktov rastlinného a živočíšneho pôvodu a potravín vôbec sa cielene uplatňuje zásada, aby produkty okrem vysokej výživnej kvality plnili aj významné pozitívne zdravotne požiadavky, čiastočne substituovali farmaceutické produkty a prispievali k prevencii a snáď i liečbe mnohých chronických civilizačných ochorení. Takéto poľnohospodárske produkty a potraviny sú známe pod názvom "funkčné potraviny", ktoré podľa Medzinárodnej rady pre informácie o potravinách (IFIC) sú definované, ako potraviny, ktoré "prispievajú zdraviu nad rámec základnej výživy". Z uvedeného aspektu pozornosť je orientovaná na obsah biologicky cenných komponentov, ako vitamínov(vit.C, E, A, kys. listová), esenciálnych anorganických látok(predovšetkým Zn, Se, Cr, Ca, Mg), rastlinných sterolov, alfa a beta-glukanov, fenolickych látok, flavonoidov a iných. Zvýšenie in putu týchto látok do potravinového reťazca je možne zabezpečiť prostredníctvom rastlinných a živočíšnych produktov.
V nadväznosti na názory, ktoré boli zverejnené v časopise Slovenský chov 1/2010, s.19 predkladáme rozšírené poznatky o biologickej funkcii selénu a molekulárnych mechanizmoch inkorporácie selénu do bielkovín v procese ich syntézy.
Biologická funkcia selénu
Prvá zmienka o nenahraditeľnosti selénu pre živočíchov bola vyslovená Schwartzom a Foltzom v roku 1957. Od tohto obdobia selén je považovaný za esenciálny prvok vo výžive ľudí a zvierat. Anorganické (selénan a seléničitan) a organické formy selénu, najmä selénometionín a selénocysteín, vytvárajú mobilne zdroje, z ktorých v procese transláčnych a posttransláčnych reakcii vzniká okolo 100 rozdielnych typov selén obsahujúcich bielkovín. Pričom doteraz bolo identifikovaných okolo 30 Se-bielkovín. identifikovaných. Selén môže naplniť biologickú funkciu v živočíšnom organizme iba za predpokladu, že je integrovaný do štruktúry katalytický aktívnych bielkovín, ktoré sa podieľajú na eliminácii reaktívnych foriem kyslíka(RFK). Medzi takéto bielkoviny, ktoré vykazujú metabolickú aktivitu, patri predovšetkým glutationperoxidáza, tioredoxinreduktáza, iodtyronindeiodáza, selénoprotein P, selénoprotein W a ďalšie.
Reaktívne formy kyslíka sa tvoria v procese oxidácie organických látok, najmä oxido-redukčných reakcii integrovaných v dýchacom reťazci, ako dôsledok narušenia regulačných mechanizmov a stresovej záťaže organizmu. Z uvedeného je zrejme, že RFK sú prírodné produkty katabolických procesov, ktoré pôsobia regulačne na priebeh životne významných metabolických a biosyntetických procesov, určujú funkčnú celistvosť organov a zdravotný stav organizmu. Zriedkavo sa stretávame z nesprávnymi názormi, akoby RFK boli prostredníctvom potravín a výživy vnášané do ľudského organizmu. Je však pravda, že produkty prítomne v potrave, ktoré vykazujú antioxidačnú aktivitu môžu sa podieľať na eliminácii RFK vznikajúcich v organizme. Medzi reaktívne formy kyslíka, vyznačujúce sa rozdielnou aktivitou patria tieto: superoxid, hydroxylový radikál, peroxylový radikál, alkoxylový radikál, hydroperoxylový radikál, peroxid vodíka, kys. chlorná, ozón a singletový kyslík. Naproti tomu selén vo forme selenocysteinu, ako súčasť Se-enzýmov, ďalej zinok, vit.C, E, karotenoidy, glykozidy, aminy, fenolové kyseliny a flavonoidy patria medzi významné antioxidanty. Z enzýmov obsahujúcich selén osobitne dôležitý je glutationperoxidáza (GPx).
Glutationperoxidáza je kľučový enzým rozkladu vysoko reaktívneho peroxidu vodíka podľa reakcii:
- H2O2 + 2 G SH ( GPx ) = 2 H2O + GS SG (oxid. glutation, ako súčasť GPx)
- regenerácia enzýmu glutationperoxidázy (redukcia glutationu) enzýmom glutationreduktázou (GR):
GS SG + 2 NADPH (GR) = 2 G SH + 2 NADP+
Antioxidanty tým, že eliminujú RFK sa podieľajú na ochrane organizmu pred negatívnym účinkom reaktívnych voľných radikálov, zároveň stabilizujú štruktúru komponentov potravín, najmä lipidov a vitamínov. Preto deficit selénu a najmä obsah a aktivitu katalyticky aktívnych Se-bielkovín spôsobuje výskyt celelo radu ochorení: nádorové, chronické zlyhanie obličiek, cirhóza pečene, svalová dystrofia, očný zákal, Downov syndróm, zápal pankreasu, zápalových ochoreniach (reumatická artritída, pankreatitida, astma). Selén je dôležitý pre mužskú a ženskú fertilitu, vykazuje protektívne účinky pri kardiovaskulárnych ochoreniach (kešanská choroba) a artérioskleróze. V prípade detí pri deficite selénu sa prejavuje degenerácia kĺbov končatín (choroba kashin-beck). Predpokladá sa priaznivý účinok selénu na aktivitu neurotransmiterov v mozgu a činnosť štítnej žľazy. V dôsledku deficitu katalázy v bunkách mozgu, na štiepení peroxidu vodíka a primárnych peroxidov sa aktívne podieľajú najmä selénoenzýmy.
Zahranične výsledky potvrdili, že pri koncentrácii selénu v krvnom sére pod 35 µg/l zvyšuje sa sedemnásobne riziko úmrtia na ischemickú chorobu srdca. Taktiež výsledky dlhodobého testovania denného príjmu Se na úrovni 300-400 µg preukázali preventívne antikancerogénne účinky proti nádorom prostaty, pľúc a prsníkov. Selén sa pokladá za fyziologický antikarcinogénny faktor.
V tele dospelého človeka je bežne okolo 5-10 mg selénu, pričom asi polovica tohto množstva je lokalizovaná v pečeni, ďalej v obličkách a štítnej žľaze. Referenčná hodnota selénu v krvi je 100 µg/l, z toho 40 % sa nachádza v krvnom sére a 60 % v červených krvinkách. Priemerný obsah selénu v plazme u 1056 vyšetrených v roku 1993 osôb slovenskej populácie vo veku 19-82 rokov sa pohybuje v rozpätí 46-77 µg/l, čím sa zaradujeme ku krajinám z nízkym statusom selénu. Priemerný príjem selénu potravou na Slovensku je iba 38 µg/deň. Naproti tomu v európskych krajinách spotreba selénu sa pohybuje v rozmedzí 25-150 µg /deň, pričom najvyšší je vo Fínsku okolo 100 µg/deň. Svetová zdravotnícka organizácia určila optimálny denný príjem na úrovni 50-200 µg. Vo všeobecnosti platí názor, že optimálny denný prijem selénu je 1 µg na kg telesnej hmotnosti.
Selén je síce esenciálny nutrient, avšak patri do kategórie ťažkých kovov, preto pri nadlimitných koncentráciách je vysoko toxicky. Denné dávky selénu nad 1 mg sú toxické a spôsobujú zápaly dýchacích ciest, edémy pľúc, krvácanie, depresie, mutagénne a teratogénne účinky, zlyhanie obličiek, cirhóza pečene, vypadávanie vlasov a žlté sfarbenie kože. Za tolerovateľný prijem bez rizika negatívneho účinku sa pokladá dávka selénu do 400 µg/deň.
Reálne zdroje selénu vo výžive ľudí a zvierat
Nízka koncentrácia selénu v zemskej kôre (0,05- 0,09 mg/kg) a v pôdotvorných substrátoch i v pôdach (0,06-1,8 ng/kg) je príčinou jeho nízkeho obsahu aj v rastlinných produktoch ( 0,03-0,1 µg/kg) dopestovaných predovšetkým v agroekologických podmienka Slovenska. Koncentrácia selénu v úrode pestovaných plodín nepokrýva potreby selénu vo výžive ľudí a zvierat. V niektorých regiónov Slovenska (Modra, Senec, Galanta, Vranov, Michalovce, Trebišov) pôdy sa vyznačujú 3-4 krát vyššími hodnotami obsahu selénu v porovnaní s priemerom Slovenska. Je pozoruhodne, že zrno pšenice dopestované v podmienkach Kanady obsahuje 10-20 krát viac selénu ako úroda dopestovaná na Slovensku, čo je podmienené zvýšením obsahom selénu v pôdach tohto teritória.
Obsah selénu v jednotlivých druhoch poľnohospodárskych produktov a potravín podľa výsledkov Výskumného ústavu potravinárskeho v Bratislave z roku 2003 je značne rozdielny. Z pestovaných druhov ovocia a zeleniny najvyšší obsah v prepočte na µg/kg produktu sa nachádza v týchto druhoch: slivky - 64, hrušky - 77, rajčiaky - 51, tekvicové semená - 330, vlašské orechy - 218. Zrno pšenice obsahuje 26 µg/kg a jačmeňa okolo 20, hrach - 44, fazuľa - 50, cesnak - 60 µg/kg. Zo živočíšnych produktov: hovädzie plece - 23, hovädzia pečeň - 96, bravčové plece - 106, bravčová pečeň- 231, kuracie prsia 123, kuracia pečeň - 398, kapor - 243, slepačie vajce - 215, slepačí žĺtok - 342, pasterizované kravské mlieko - 7, tvaroh - 28 µg /kg.
Z rastlinných produktov medzi najvýznamnejší zdroj organického selénu patri selénometionín (Se-Met), ktorý podlieha metabolizácii na selénocystein (Se-Cys). Existujú experimentálne dôkazy o tom, že utilizácia iónov seléničitanu SeO32- u živočichov v porovnaní z selénometionínom je nižšia o 30- 40 %. Predpokladáme, že organické formy selénu(selénometionín a selénocysteín) vykazujú v porovnaní so seléničitanom vyššiu retenčnú schopnosť, ktorá pravdepodobne je spôsobená vyššou mierou resorpcie, metabolizácie a najmä nižšou mierou vyplavovania Se z organizmu. Rozdiely v utilizácii jednotlivých foriem selénu sú osobitne evidentné u monogastrov. V prípade polygastrov v dôsledku vysokej aktivite bachorovej mikroflóry prakticky ani nie je možne dať jednoznačnú odpoveď v akej prednostnej forme je selén transportovaný do krvného systému a následné translokovaný do miest biosyntézy bielkovín. Nezávislé od toho, aká chemická forma selénu bola použitá v krmive, alebo v potrave, vždy dochádza ku hydrolýze organických Se-zlučenín a ich premene na rôzne anorganické i organické produkty.
Molekulárne mechanizmy syntézy Se - bielkovín
Ióny seléničitanu spravidla sú metabolizované na selénovodík, ktorý následné sa využíva na syntézu selénocysteínu. Okrem toho selénočitaný podliehajú metylácii za vzniku jednotlivých stupňov metylovaného selénu: CH3SH, (CH3)2Se a (CH3)3Se+. Pričom trimetylselénium je spravidla vylučovaní z organizmu močom a stolicou a ostatne metylované produkty selénu sú predýchavané pľúcami, čo je aj príčinou strát selénu.
Oprávnenosť aplikácie organických foriem selénových preparátov, výrobcovia zdôvodňujú tým, že selén iba vo forme selénocysteínu (Se-cysteín) je využiteľný na tvorbu Se-bielkovín (napr. glutationperoxidázy). Táto argumentácia z biochemického hľadiska poznania molekulárneho mechanizmu syntézy Se-bielkovín nie je oprávnená. Pre tvorbu intermediatov selénocysteínu sú dôležité predovšetkým produkty, ktoré sa novo syntetizujú v bunke, kde prebieha aj proces vlastnej proteosyntézy (translácia). Nezávislé od zdrojov selénu, ktorý bol aplikovaný vo výžive živočíchov vždy vychodzím substrátom je seleničitan ( SeO32- ), jeho využitie na tvorbu Se-bielkovín vyžaduje nasledovne reakčne kroky:
Obr. 1: Schéma biosyntézy Se-bielkovín (podľa autora príspevku)
- redukcia seléničitanú glutationperoxidázou a glutationreduktázou za vzniku selenovodíku (H2Se), reakcia je viacstupňová:
- SeO32- + 4 G SH (GPx) = GS Se SG +GSSG
- GS Se SG + 2 NADPH (GR) = GS SeH + G SH + 2 NADP+
- GS SeH + 2 NADPH (GR) = H2Se + G SH + 2 NADP+
- fosforylácia selénovodika a tvorba selénomonofosfátu:
H2Se + ATP + selénofosfátsyntetáza = HSePO32- + AMP + H3PO4 - inkorporácia selénu vo forme selenylu (SeH) selenomonofosfátu do molekuly serínu, ktorý je v komplexe Ser- tRNASer, kde hydroxylový ión v molekule serínu je nahradený skupinou SeH. Analogický uhlikatý skelet serínu, cysteínu a selénocysteínu umožňuje ich vzájomnú vnutromolekulovu premenu. Proces selenizácie serínu a jeho vnutromolekulárna premena na selénocysteín (Se-Cys) sa nazýva kotranslačná modifikácia. Predpokladá sa, že selén v štruktúre selénomonofosfátu sa viaže na fosforylovaný serín v komplexe seryl-tRNA (PO3-Ser-tRNASer/Sec ). Je pozoruhodné, že acylovaná selénocysteinyl tRNA, ako SeCys-tRNASer/Sec prečítava iba kód UGA (stop kód). O tom, že tento kód bude prečítaní, ako kód pre selénocystein rozhoduje prítomnosť signálnej sekvencii SECIS na molekule mRNA.
- molekulárne procesy syntézy bielkovín (translácia) bezprostredné sú spojené s inkorporáciou selénu vo forme selénocysteínu (Se-Cys) do polypeptidového reťazca. Atóm selénu v molekule "Se - Cys" je zabudovaný do tvoriaceho sa polypeptidu v zmysle komplementárneho párovania N- báz mRNA. Viacstupňové reakcie sú katalyzované špeciálnymi elongačnými faktormi. Molekulárne procesy biosyntézy selén obsahujúcich bielkovín v procese translácie na úrovni operónu sú znázornené na Obr.1.
Spôsoby riešenia optimalizácie obsahu selénu v potravinovom reťazci
Existuje viacero alternatívnych spôsobov riešenia programovaného zvýšenia obsahu selénu v poľnohospodárskych produktoch a potravinách:
- aplikácia selénu vo forme priemyselných hnojív s obsahom anorganických foriem selénu (seleničitan, selenan) pri pestovaní krmovín , ale aj iných plodín. Selén vo výžive rastlín nepatri medzi esenciálne živiny, jeho aplikácia vo forme hnojiva nemá pozitívny účinok na úrodu hospodárskeho produktu. Aplikácia selénu pri pestovaní plodín(najmä obilnín) pokladáme za účinný a lacný spôsob "in putu" selénu do substrátov a produktov potravinového reťazca.
Využitie selénu, ako hnojiva pri pestovaní jednoročných krmovín bolo po prvýkrát realizované v škandinávskych štátoch, pričom selén bol aplikovaný foliárne vo forme seléčitanú sodného (Na2SeO3), alebo selénanu sodného (Na2SeO4). Takto dopestovaný rastlinný produkt bol použitý vo výžive HZ. Treba konštatovať, že produkty rastlinnej výroby sú najlacnejšie a najprirodzenejšie zdroje živín i vrátane selénu pre potreby živočíšnej výroby. Avšak opakovaná aplikácia Se-hnojív môže mať negatívny účinok na pestovateľské prostredie. Z uvedeného dôvodu viacnásobné dávky selénu vo forme hnojiva nie sú opodstatnené z dôvodu jeho nadmernej akumulácie v pôde. Na príjem selénu, okrem jeho obsahu v pôde vplýva aj pH pôdneho roztoku a antagonizmus iónov, najmä S, Hg, Te, As. Prijateľnosť selénu klesá zo znižovaním pH pod 7.
Vo Fínsku je zaužívaná foliárna aplikácia hnojiva z obsahom 16 mg Se vo forme selenanú sodného na kg hnojiva pri hnojený krmovín. Program selenizácie pôd pozitívne ovplyvnil obsah selénu v úrode, kde na príklade oz. pšenice sa dosiahli hodnoty okolo 320 µg/kg zrna.
Podľa podnetných výsledkov Katedry Agrochémie a výživy rastlín SPU v Nitre je účelná foliárna aplikácia selénu v dávke 10-20 g/ha vo forme selénanu (Na2SeO4) spolu s 30 kg N/ha ( dusík vo forme DAM 390) v rastovej fáze steblovania pri pestovaní ozimnej pšenice, jarného jačmeňa a ovsa. Pri dávke 10 g Se/ha v úrode zrna pšenice boli dosiahnuté hodnoty 0,245 mg Se/kg, v prípade jačmeňa 0,170 mg Se/kg a v zrne ovsa 0,155 mg Se/kg, čo predstavuje 6 - násobne zvýšenie oproti úrode zrna bez aplikácie hnojiva z obsahom selénu. Dávka 20 g Se/ha sa prejavila v dvojnásobnom zvýšení obsahu selénu v zrne obilnín. Aplikácia selénu vo forme seléničitanu vo výžive plodín nie je účelná z dôvodov jeho nižšej prístupnosti a tým i prijateľnosti pre rastliny v porovnaní z selénanom, čo spôsobuje pri pšenici v 4 - 10 násobne zníženie akumulácie selénu v zrne. - aditivácia krmovín a kŕmnych zmesi vo výžive HZ. Spravidla pre aditiváciu KZ sa aplikuje dávka selénu okolo 0,2 - 0,5 mg/kg KZ.
Vychádzame z predstavy, že najväčší pozitívny efekt z aplikácie selénu na úžitkovosť a zdravotný stav zvierat je možné očakávať najmä pri chove dojníc, z ohľadom na dĺžku životnosti zvierat v produkčnom procese. V prípade chovu ošípaných a výrobe bravčového mäsa nepredpokladáme za opodstatnené aplikovať Se do kŕmnych zmesi za podmienok, keď produkt nie je cenovo diferencovaný. V prípade výživy HD nie je vedecky a ekonomicky opodstatnená aplikácia okolo 15- 20-krát drahšie organické formy selénu (na báze kvasiniek) v porovnaní s anorganickou formou. V podmienkach mohutnej a vysoko aktívnej bachorovej mikroflóry HD, nezávisle od použitej formy selénu, dochádza ku účinnej transformácii a utilizácii selénu mikroorganizmami. V dôsledku uvedeného ani nie je možne predikovať chemickú formu selénu, ktorá je resorbovaná do krvného systému a prostredníctvom krvi je translokovaná do buniek organov a pletív, kde sa aj využíva na tvorbu Se-bielkovín.
Exogénne dodaný do KZ selénocysteín (vo forme selénového preparátu na báze kvasiniek), vo výžive HZ je zdrojom selénu a cysteínu, ktoré nie sú bezprostredne využívané na tvorbu Se- bielkovín. Selénocysteín sa môže využiť, napríklad na tvorbu glutation peroxidázy až po jeho transformácii na seléničitan. Iba seléničitanový ión je substrátom pre tvorbu selénovodika a následné selénomonofosfátu, ktorý je aj zdrojom iónov selénu pre vznik selénocysteínu na úrovní komplexu Ser-tRNA (Obr.1). Tým, že cysteín nepatrí do kategórie esenciálnych aminokyselín, jeho aplikácia vo forme kŕmneho aditíva do kŕmnych zmesí nie je opodstatnená z biologického a ekonomického hľadiska. Analyzované poznatky sú dôkazom toho, že zdrojom Se sa môže úspešne využiť, ako organická, tak aj anorganická forma selénu. Rozšírený trend fortifikácie živočíšnych produktov komerčnými selénovými preparátmi prostredníctvom premixov pri výkrme HZ je zabezpečovaní, ale i riadení predovšetkým nadmernou marketingovou aktivitou zahraničných výrobných firiem, ktoré sledujú predovšetkým vlastne ekonomické záujmy.
I napriek rozšírenému trendu plošnej aplikácie Se vo výkrme HZ a názorom na jeho pozitívny účinok na zdravotný stav zvierat a úžitkové parametre(intenzita rastu, produkcia mäsa, mlieka, vajec a kvalita produktov) treba konštatovať, že uvedené závery neboli vo vyživárskych pokusoch jednoznačne experimentálne potvrdené. Naproti tomu je dokázaný pozitívny efekt aditivácie KZ selénom vo výkrme HZ v 100 % zvýšení obsahu selénu v živočíšnych produktoch, čo môže mať priaznivý efekt vo využívaní fortifikovaných živočíšnych produktov vo výžive ľudí. Preto je iba na rozhodnutí manažmentov poľnohospodárskych podnikoch a fariem o ekonomickej účelnosti aplikácie premixov z obsahom organických foriem selénu.
Vo výkrme HZ sa vo všeobecnosti odporúča koncentrácia selénu 0,2-0,5 mgSe/kg kŕmnej zmesi. Podľa informácii výrobcov KZ selénový preparát (na báze kvasiniek) sa aplikuje z rozpočtu na 1 tonu KZ 100g preparátu (s obsahom 200 mg Se). Z uvedeného vyplýva, že koncentrácia selénu v krmive je 0,2 mg Se/kg KZ, čo podľa výsledkov Katedry Agrochémie a výživy rastlín SPU v Nitre zodpovedá aj obsahu selénu v úrode zrna oz. pšenice (0,245 mg Se/kg) pri foliárnej aplikácii selénanu sodného v dávke 10 g Se/ha. Avšak zvýšená dávka selénu na 20g Se/ha umožňuje vytvoriť koncentráciu selénu v úrode zrna na úrovni cca 0,4 mg Se/kg.
Predkladané výsledky nás oprávňujú konštatovať, že rastlinná výroba a predovšetkým biomasa poľných rastlín prostredníctvom cielenej minerálnej výživy umožňuje zabezpečiť koncentráciu selénu v krmovinách na úrovni noriem pre potreby výkrmu HZ. Avšak za osobitne účelne pokladáme použitie fortifikácie rastlinnej biomasy určenej na výrobu siláže (napríklad silážnej kukurice). Technológiou silážovania, ktorá predstavuje anaeróbnu mliečnu fermentáciu v prítomnosti viacerých rodov mliečnych baktérii (Lactobacillus, Pediococcus, Streptococcus a Leuconostoc) je možne získať vyfermentovaný produkt (siláž), ktorý obsahuje ako anorganické, tak i organické zlúčeniny selénu (selénometionín a selénocystein). Predpokladáme, že takýto produkt pripravený v podmienkach poľnohospodárskeho podniku je ďaleko vhodnejší z hľadiska princípov výživy polygastrov, tak aj ekonomických požiadaviek na rentabilitu výroby živočíšnych produktov. Pritom pri výrobe siláže zdrojom selénu môže byť ako fortifikovaná selénom rastlinná biomasa v rámci hnojenia selénanom sodným v dávke 10g Se/ha, tak aj aditivácia silážneho substrátu seléničitanom sodným z rozpočtu 0,2-0,5 g Se/t rastlinného substrátu v procese prípravy siláže.
V súčasnej dobe v celosvetovom meritku je rozšírení trend aplikácie selénových preparátov vo výžive zvierat a ľudí. Fortifikácia potravín prostredníctvom rastlinných a živočíšnych produktov (mäso, mlieko, vajcia) pre potreby humánnej výživy sa zdá byť najrelevantnejšia. Z rastlinných produktov pre potreby výživy ľudí je reálne realizovať výrobu celozrnných substrátov, najmä extrudovaných nahosemenných odrôd ovsa. Poľnohospodárske produkty obohatené o esenciálne nutrienty patria do kategórie funkčných potravín (nutraceutika) a preto je žiaduce ich kvalitu, z hľadiska cenovej diferenciácie, hodnotiť na úrovni bioproduktov. Avšak v praxi absentuje diferencovaná cena na potraviny podľa obsahu esenciálnych látok vrátané selénu, preto zvýšené náklady na selén nie sú pre výrobcov poľnohospodárskych produktov ekonomicky opodstatnené. V tomto smere je potrebne, aby kompetentne organy a inštitúcie presadili legislatívu o cenovej diferenciácii rastlinných a živočíšnych produktov, ktoré vykazujú parametre funkčných potravín.
Vystavené 11.6.2013
