Kritéria výživnej kvality bielkovín
V nadväznosti na poznatky o frakčnej skladbe bielkovinového komplexu zrnín predkladáme informácie o kritériách hodnotenia výživnej kvality bielkovín z pohľadu humánnej výživy. Cielená aplikácia pestovateľskej technológie a voľba druhovej i odrodovej skladby plodín umožňuje zabezpečiť programovanú produkciu zrnín a čiastočne i jej kvalitu. Z uvedeného aspektu je potrebne, aby pestovateľ rešpektoval základné kritéria kvality ako aj spôsoby jej regulácie.
Nutričná kvalita bielkovín súvisí s ich schopnosťou dotovať potreby organizmu na esenciálne aminokyseliny(EAA), ktoré monogastrické zvieratá vrátané človeka nie sú schopne syntetizovať. Z celkového množstva 21 proteinogénnych aminokyselín(20 AA + selénocysteín) medzi nenahraditeľne (esenciálne) patria tieto: valín, lyzin, tryptofan, leucín, izoleucín, metionín, treonín a fenylalanín. Pritom medzi limitujúce aminokyselíny vo výžive monogastrov patrí lyzín, metionín a treonín. Živočíšne a mikrobiálne bielkoviny až na malé výnimky (toxíny, antimetabolity, alergény, protilátky a iné) sú z hľadiska dotácie esenciálnych aminokyselín na rozdiel od rastlinných bielkovín plnohodnotne. Potom je logické, že rozdiely vo výživnej kvalite bielkovín sa vzťahujú predovšetkým na rastlinné bielkoviny. Aktuálnosť hodnotenia kvality rastlinných bielkovín je umocnená aj tým, že bielkoviny zrnín(obilniny a strukoviny) vo výžive ľudí zabezpečujú potreby bielkovín v priemere viac ako 50%. V tomto smere vo výžive ľudí existujú významné regionálne rozdiely spôsobené ekonomickými možnosťami, výživovými zvyklosťami, tradíciami, či reálnymi zdrojmi bielkovinových substrátov, kde podiel rastlinných bielkovín vo výžive môže dosahovať až 90%.
1. Rozhodujúce kritéria hodnotenia výživnej kvality
Výživná kvalita bielkovinových substrátov prítomných v potrave ľudí vyjadruje index esenciálnych aminokyselín (IEAA). Čím sú menšie rozdiely medzi biologickou potrebou esenciálnych aminokyselín (EAA) a nameranými hodnotami ich obsahu v bielkovinových substrátov, tým je aj vyššia nutričná kvalita bielkovín. V tomto smere vysokú kvalitu vykazujú, najmä živočíšne bielkoviny mlieka(laktát albumín) a vajec (ovoalbumín), ktoré sú pokladané za štandardy nutričnej kvality.
Hodnotenie výživnej kvality zahrňuje viaceré kritéria, ktoré v konečnom dôsledku rozhodujú o zdrojoch aminokyselín pre tvorbu bielkovín „de novo“ v organizme. Okrem aminokyselinovej skladby vyjadrenej hodnotou IEAA ďalším limitujúcim kritériom je stráviteľnosť bielkovín, ktorá je čiastočné ekvivalentom rozpustnosti bielkoviny. Stráviteľnosť je daná enzymatickou hydrolyzovateľnosťou bielkovín tráviacimi proteolytickými enzýmami a predstavuje integrálnu hodnotu zložitého fyziologického procesu trávenia, ktorý je podmienený predovšetkým :
- frakčnou skladbou bielkovinového komplexu, ktorý líši rozdielnou solubilitou, ich obsahom, odlišnou skladbou aminokyselín, hydrolyzovateľnosťou a stráviteľnosťou.
- obsahom a aktivitou komplexu proteolytickych enzýmov tráviaceho traktu(endopeptidázy: pepsín, trypsín, chymotrypsín, elastáza, enteropeptidáza a exopeptidázy: karboxypeptidázy, aminopeptidázy, dippeptidázy).
- primárnou štruktúrou polypeptidu, ktorá určuje frekvenciu výskytu prednostne enzymatický štiepiacich peptidových väzieb nasledovnými proteolytickými enzýmami:
- pepsin - ktorý špecifický hydrolyzuje väzby vytvorené aromatickými AA (napríklad tyrozínom), alebo dikarboxylovými AA (napríklad kys. glutamovou),
- trypsin - štiepi peptidové väzby predstavené zásaditými aminokyselinami (napríklad Lys-AA a Arg-AA),
- chymotrypsín - štiepi väzby nepolárnych aromatických AA zvyškov (napríklad: Phe-AA, Tyr-AA),
- elastáza - štiepi väzby malých AA zvyškov, najmä zastúpených glycínom, alanínom a serínom.
- sekundárnou a terciárnou štruktúrou, ktorá určuje konformáciu molekuly bielkoviny(natívne a denaturované bielkoviny), dĺžku polypeptídu, tvorbu komplexných bielkovinových štruktúr s inými molekulami (tuky, sacharidy, nukleové kyseliny a iné), ktoré podmieňujú stupeň hydrolýzy a tým i stráviteľnosti.
- faktormi regulácie expresie génov pre tvorbu tráviacich proteáz a reguláciu ich aktivity, ktorá zahrňuje reguláciu premeny neaktívnej formy zymogénov na aktívnu formu enzýmu. Ďalej pH prostredia, prítomnosť a aktivita inhibítorov proteáz, stupeň viskozity črevnej natráveniny v dôsledku prítomnosti arabinoxylánov v zrne pšenice a betaglukánov v jačmeni.
- prítomnosťou antinutričnych bielkovín: toxíny, jedy, antimetabolity(lektíny, taníny, fytáty a iné), protilátky, inhibítory tráviacich enzýmov, alergény, jav neznášanlivosti (intolerancie) organizmu na prítomnosť špecifických zásobných bielkovín obilnín( gliadiny, hordeiny a aveniny) a iné. Prítomnosť špecifických bielkovín v potrave u určitej časti populácie môže vyvolať ochorenie známe ako fenylketonuria a celiakia.
2. Požiadavky ľudského organizmu na zdroje bielkovín a esenciálne aminokyseliny
Vo všeobecnosti sa vychádza z predstavy, že priemerná denná potreba bielkovín vo výžive ľudí je okolo 1 g bielkovín na 1 kg hmotnosti, pričom ich potreba sa významné zvyšuje pri zvýšenej fyzickej námahe, pre deti vo fáze intenzívneho rastu a osobitne dojčiat, pre tehotne ženy a ženy počas dojčenia. Minimálna a kritická denná potreba plnohodnotných bielkovín je 0,5 – 0,6 g na 1 kg telesnej hmotnosti. Bezpečná rezerva je na úrovni 0,6 – 0,8 g/kg hmotnosti. Avšak za optimálnu dennú dávku pre dospelú populáciu sa považuje 1–1,2 g/kg hmotnosti. Pričom potreba bielkovín pre deti vo fáza ich intenzívneho rastu sa odporúča 2 g/kg/deň (vo veku: 0,5 – 1 rok), 1,5-1,7 g/kg/deň (vek: 1-6 rokov) a pre tehotne ženy a počas dojčenia 1,5 – 2 g/kg/deň na kg telesnej hmotnosti.
Obnova bielkovín v organizme je permanentný proces, ktorý je spojený s rastom pletív, regeneráciou biologických štruktúr a molekúl, vykonávaním základných činnosti a funkcii organizmu. Opotrebovanie, či starnutie molekuly bielkoviny si vyžaduje sústavný prísun bielkovinových substrátov vo forme potravy (zdroj aminokyselín, eventuálne ich pre kurzorov). Vo všeobecnosti sa uvádza, že u človeka počas 24 hodín sa obnovy 1-2% telových bielkovín a životnosť molekuly bielkoviny sa rata v hodinách. Pritom cca 2/3 aminokyselín vytvorených hydrolýzou endogénnych bielkovín sa opätovne využíva na tvorbu novo syntetizovaných molekúl a 1/3 aminokyselín pochádza z bielkovín prítomných v konzumovanej potrave. Treba konštatovať, že zdroj voľných aminokyselín, okrem tvorby bielkovín sa využíva aj na syntézu celého radu N-látok medzi, ktoré patria: neuromediatory, hormóny, N-bázy nukleových kyselín, peptidy, amíny, voľne nukleotidy a iné. Pritom metabolizmus N-látok je úzko spojený s metabolizmom sacharidov, tukov a nukleových kyselín. Deficit bielkovín sa veľmi citlivo prejavuje v narušení funkcie nervového a endokrinného systému, rastových procesov, metabolizmu látok, zdravotného stavu a výkonnosti organizmu. Ochorenie vyvolané deficitom bielkovín, ktoré sa vyskytuje u deti najmä v rozvojových krajinách je známe pod názvom kwashiorkor. Symptómy ochorenia sú nasledovne: retardácia rastu a zaostávanie vývinu, depigmentácia kože a vlasov, atrofia svalov, narušenie činnosti pankreasu, generatívne procesy pečene, vyčerpanosť, slabosť, urýchľovanie procesov starnutia a anémia.
Optimálna norma dennej dávky bielkovín je vždy prepočítaná na biologický plnohodnotnú bielkovinu živočíšneho pôvodu (mlieko, vajcia),ktoré sa vyznačujú vysokým obsahom esenciálnych aminokyselín a vysokou mierou enzymatickej hydrolyzovateľnosti a tým i stráviteľnosti. Avšak vo výžive ľudí minimálne 50% pripadá na rastlinné bielkoviny zrnín, ktoré sa charakterizujú nie len nízkym obsahom a podielom EAA, ale aj nedostatočnou stráviteľnosťou. Preto je žiaduce vo výžive cereálnej potravy uskutočňovať korekciu dennej dávky tak, aby boli zabezpečené optimálne potreby EAA v zmysle odporúčaní Svetovej organizácie FAO a WHO. Orientačne hodnoty IEAA niektorých bielkovín v % sú nasledovne: vajcia – 100(štandard), hovädzie mäso - 82, bravčové mäso - 84, hydina -78, ryby - 82, mlieko -95, pšenica - 57, ryža -74, strukoviny - 68.Ďalej je nevyhnutne zohľadňovať i stupeň stráviteľnosti konzumovaných bielkovinových substrátov.
Syntéza bielkovín vyžaduje prítomnosť v požadovanom množstve a zloženia všetkých nenahraditeľných aminokyselín. Medzi osobitne deficitne EAA tzv. limitujúce vo výžive ľudí patri predovšetkým lyzín. V závislosti od zdrojov bielkovín sa vyskytuje aj deficit metionínu, treonínu a tryptofanu. Tým, že cysteín a tyrozín sú syntetizované z metionínu a fenylalanínu, preto za podmienok ich dostatočného množstva v potrave klesá požiadavka na metionín a fenylalanín. Metionín čiastočne môže byť nahradený cysteínom. Deficit lyzínu osobitne u deti spôsobuje nedostatok arginínu. V organizme dospelej populácie spravidla sa nevyskytuje deficit arginínu, ktorý je syntetizovaný v bunkách pečene v rámci metabolickej drahý eliminácie amoniaku a syntézy arginínu, ktorá je známa pod názvom Ornitinového cyklu. Avšak v mladom organizme v dôsledku intenzívneho rastu, dochádza ku značnej spotrebe aminokyselin na tvorbu bielkovín a iných N-látok. Preto je malo pravdepodobne, aby dochádzalo ku tvorbe voľného amoniaku, ktorý vzniká v dôsledku intenzívnej disimilácie bielkovín a následne manifestovanej deaminácie aminokyselín a amidov. Preto nízka aktivita reakcii metabolickej drahý detoxikácie amoniaku v detskom organizme sa adekvátne prejavuje aj v nedostatočnej tvorbe arginínu.
Tab. 1: Požiadavky na EAA vo výžive ľudí v USA (Recommended Dietary Allowances, 10th ed.Food and Nutrition Board, National Research Council-National Academy of Sciences, 1989).
|
Požiadavky organizmu v mg/kg hmotnosti/deň
|
||||
|
EAA/Vek :
|
4 – 6 mes.
|
10 – 12 r.
|
dospela populácia
|
|
|
1.
|
izoleucín
|
70
|
28
|
10
|
|
2.
|
leucín
|
161
|
42
|
14
|
|
3.
|
lyzín
|
103
|
44
|
12
|
|
4.
|
metionín+cysteín
|
58
|
22
|
13
|
|
5.
|
fenylalanín+tyrozín
|
125
|
22
|
14
|
|
6.
|
treonín
|
87
|
24
|
7
|
|
7.
|
tryptofán
|
17
|
3,3
|
3,5
|
|
8.
|
valín
|
93
|
25
|
10
|
|
Spolu v g /kg/deň :
|
0,74
|
0,21
|
0,09
|
|
Lehninger A.(1982) pri hodnotení potreby EAA vychádza z predstavy, že minimálna denná spotreba 8 esenciálnych aminokyselin je cca 90 mg na 1 kg telesnej hmotnosti, s toho na lyzín pripadá 12 mg/kg/deň, na metionín a cysteínu 13 mg/kg/deň a 7 mg/kg/deň na treonín. V prípade telesnej hmotnosti okolo 54 kg a celkovej dennej spotreby 54 g bielkovín, denná potreba EAA je približne 12 g. Potom 12 g bielkovín zabezpečuje potreby EAA a zvyšok t.j. 42 g bielkovín dotuje zdroje neesenciálnych aminokyselín.
Tým, že v humánnej výžive dospelej populácie nie je prioritou optimálizácia prírastkov hmotnosti, preto ani nie je žiaduce riešiť bilanciu aminokyselínovej skladby potravy z využitým preparátov EAA. Pestrosť a rozmanitosť bielkovinových zdrojov v potrave v plnom rozsahu pokrýva potreby organizmu na EAA. Naproti tomu vo výžive zvierat aditivácia kŕmnych zmesi o lyzín, metionín, treonín a tryptofan patri medzi základne technologické postupy zvýšenia úžitkových parametrov chovu a ekonomiky výroby živočíšnych produktov. Aktuálnosť aplikácie preparátov EAA vo výkrme zvierat je podmienená najmä tým, že hmotnostný podiel obilnín v krmive je veľmi vysoký(80-90%). Z poznatkov výkrmu HZ vyplýva, že účinnosť využitia bielkovín kukuričného šrotu po doplnení o 0,4% Lys a 0,07% Try vo výžive monogastrov sa zvýši trojnásobne. Podľa predstav Leveau M.(1987) pozitívny účinok lyzínu vo výkrme zvierat je možne vyjadriť vzťahom: 100 kg sóje = 95 kg pšenice + 3 kg lyzínu.
Zrno strukovín v porovnaní s obilninami vykazuje 2-4 násobné vyšší obsah bielkovín (20 - 40 %), ale i priaznivejšiu skladbu esenciálnych aminokyselín. Okrem toho strukoviny a najmä sójové boby sa vyznačujú vysokým obsahom tukov, ktorý dosahuje 12-45 % v závislosti od odrody a podmienok pestovania. Strukoviny a najmä sója vykazuje aj prítomnosť látok antinutritívnej povahy, ktoré limitujú ich výživnú kvalitu. Vo výžive ľudí je dôležité zabezpečiť v konzumovanej potrave optimálny pomer medzi rastlinnými a živočíšnymi zdrojmi bielkovín na úrovni 1:1. I napriek tomu, že rastlinné bielkoviny nedosahujú úroveň živočíšnych bielkovín, avšak kombináciou jednotlivých druhov rastlinných bielkovín, eventuálne v kombinácii so živočíšnymi bielkovinami, je možné získať vyvážené zloženie esenciálnych aminokyselín v potrave. Je pozoruhodné, že pôvodné obyvateľstvo v Južnej Amerike už v minulosti vo výžive úspešne aplikovali kombináciu rozdielnych zmesí rastlinných zdrojov pri príprave výživne hodnotnej potravy. Medzi rozšírené požívatiny patrí „sukkotaš“, ktorý je zložený z kukurice a bôbu. Naproti tomu obyvatelia ďalekého východu pripravovali zmes ryže a sóje. Vo všeobecnosti je známe, že bielkoviny pšenice a kukurice vykazujú predovšetkým deficit lyzínu, naproti tomu bielkoviny strukovín sa vyznačujú síce vysokým obsahom lyzínu, avšak majú nízky obsah tryptofanu a sírnych aminokyselín. V záujme riešenia deficitu bielkovín vo výžive ľudí niektorých krajín Južnej Ameriky FAO odporučilo aplikovať zmes zloženú zo zrna kukurice, ciroku a pokrutín bavlníka, ktorá je známa pod názvom „incaparina“. Tento produkt výživnou kvalitou sa približuje kvalite mlieka.
Prvé poznatky o vplyve fortifikácie cereálnej potravy vo výžive ľudí (diéta na báze pšenice a kukurice) esenciálnymi aminokyselinami ( Lys a Trp ) boli získané nemeckými lekármi počas druhej Svetovej vojny. Výsledky týchto experimentov boli po roku 1945 legalizované v USA. Fortifikácia cereálnej potravy lyzínom a tryptofanom bola uskutočnená (pri dennej spotrebe bielkovín cca 40 g) na úroveň obsahu týchto aminokyselín v mäse. Z výsledkov testovania prídavku EAA vyplýva závažný poznatok, že aditivácia cereálnej monodiety lyzínom a tryptofanom pozitívne ovplyvňuje využiteľnosť cereálnych bielkovín aj vo výžive ľudí. Využiteľnosť bielkovín v dôsledku prídavku Lys a Trp u ľudí vo veku 20 – 60 rokov v podmienkach podvýživy (telesná hmotnosť okolo 42 kg) dosahuje v priemere 170% v porovnaní s cereálnou diétou bez fortifikácie preparátmi lyzínu a tryptofanu.
Aminokyseliny vytvorene po hydrolýze bielkovín, ktoré nie sú využite na syntézu bielkovín eventuálne N-látok nevytvárajú zásobu ale podliehajú v bunkách pečene deaminačným procesom, čo spôsobuje produkciu nežiaduceho amoniaku, ktorý v reakciách Ornitinového cyklu sa utilizuje(proces biologickej detoxikácie NH3) za vzniku arginínu a močoviny. Dusík vo forme močoviny je následné vyplavovaný z organizmu. Aminokyseliny a produkty ich premeny - organické kyseliny podliehajú transformácii na glukózu a tuky, alebo sú spaľované v rekciách dýchania na CO2 a H2O. Z uvedeného je evidentne, že bielkoviny vo výžive, okrem zdroja aminokyselín poskytujú aj potrebnú energie pre vykonanie životne významných funkcii organizmu.
V závere treba konštatovať, že vo výžive ľudí a zvierat sme odkázaní nie na bielkoviny, ale na produkty ich hydrolýzy t.j. aminokyseliny a predovšetkým esenciálne. Cereálne bielkoviny vo výžive deti sú schopne potreby na EAA pokryť iba na 30 % a dospelej populácie na 60 %. Preto bielkoviny obilnín v porovnaní so strukovinami a živočíšnymi bielkovinami z ohľadom na mieru dotácie EAA nie sú biologicky plnohodnotne. I napriek tomu zrno obilnín predstavuje vo výžive ľudí významný zdroj organických a bioanorganických látok. Odborníci združení v Asociácii cereálnych chemikov prichádzajú ku záveru, že zrno cereálii má vysokú dietetickú hodnotu. Nedostatočná stráviteľnosť cereálii vo výžive dospelej populácie sa hodnotí pozitívne z hľadiska naplnenia dietetických kritérií. Deficit limitujúcich esenciálnych aminokyselín vo výžive HZ sa rieši aditiváciou krmiva o preparáty EAA(predovšetkým lyzín, metionín a treonín). V prípade humánnej výživy deficit EAA je žiaduce riešiť pestrosťou potravy.