mgr inż. Marzena Marzec marzena.marzec@up.lublin.pl Katedra Biotechnologii, Żywienia Człowieka i Towaroznawstwa Żywności, Wydział Nauk o Żywności i Biotechnologii, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie OCENA MOŻLIWOŚCI OGRANICZANIA MIKOTOKSYN W PRODUKTACH ŻYWNOŚCIOWYCH I W PASZACH Mikotoksyny poprzez powszechne występowanie w żywności i paszach są poważnym problemem na skalę gospodarki światowej. Straty przez nie spowodowane sięgają miliardów dolarów rocznie. Przy obecnym stanie wiedzy oraz możliwościach technologicznych nie jest możliwa całkowita ich eliminacja. Często bowiem czynniki korzystne dla rozwoju grzybów toksynotwórczych, będących producentami mikotoksyn, są niezależne od człowieka np. warunki pogodowe w danym sezonie wegetacyjnym. Istnieją jednak metody pozwalające na ich ograniczanie lub zminimalizowanie ich negatywnego wpływu [Binder i in.,2007, Zalecenie Komisji z dn 17 sierpnia 2006]. Zanieczyszczenie żywności oraz pasz mikotoksynami jest możliwe na każdym z etapów ich produkcji, poczynając od płodów rolnych podczas wegetacji, zbioru, transportu, przechowywania oraz w trakcie procesów przetwórczych [Jouany,2007, Pettersson 2004]. Podejmowane działania zaradcze powinny być zarówno skuteczne z punktu widzenia zdrowia konsumentów jak i ekonomii. METODY ZAPOBIEGAWCZE POWSTAWANIA MIKOTOKSYN Organizacja Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa, jak również eksperci tworzący Codex Alimentarius opracowali wytyczne dotyczące zapobiegania skażeniu oraz redukcji mikotoksyn w zanieczyszczonych zbożach [Lopez-Garcia i in.,1999, Zalecenie Komisji z dn. 17 sierpnia 2006, http://www.codexalimentarius.net/download/standards/406/cxc_051e.pdf,2010]. Podstawą jest wdrożenie GAP dobrych praktyk rolniczych podczas uprawy i zbioru oraz GMP dobrych praktyk produkcyjnych podczas transportu, przechowywania, przetwarzania i
dystrybucji płodów rolnych przeznaczonych do produkcji żywności oraz pasz. Istotnym aspektem walki z narastającym problemem jest wsparcie udzielane przez władze lokalne poprzez szkolenia i edukację oraz dostosowanie do miejscowych warunków klimatycznych specyfiki upraw, jak również możliwości producentów i przetwórców płodów rolnych [Zalecenie Komisji z dn. 17 sierpnia 2006, http://www.codexalimentarius.net/download/standards,2010]. Jako podstawową metodę ograniczania zanieczyszczeń mikotoksynami zaleca się zapewnienie właściwych warunków wegetacji roślin, jak również zastosowanie odpowiednich odmian dostosowanych do lokalnych warunków glebowych i klimatycznych o podwyższonej odporności na choroby grzybowe oraz uszkodzenia powodowane przez szkodniki [Piotrowska, 2012]. Są prowadzone prace hodowlane nad odmianami zmodyfikowanymi genetycznie odpornymi na infekcje grzybami strzępowymi. Jeden z mechanizmów modyfikacji zakłada wprowadzenie dodatkowych genów determinujących wytwarzanie substancji działających przeciwgrzybowo [Wu, 2006] bądź wytwarzanie enzymów rozkładających mikotoksyny w roślinie. Dotychczas poznano enzymy rozkładające fumonizyny wyizolowane z organizmów bakterii i grzybów bytujących na kukurydzy [Gajęcki i in.,2010]. Niejednokrotnie działania profilaktyczne są niewystarczające i w ziarnie, po zbiorze lub w trakcie przechowywania, jak również w produktach zbożowych są wykrywane mikotoksyny. Można je usunąć lub ograniczyć ich zawartość poprzez detoksykację. Dekontaminacja możliwa jest tylko w odniesieniu do pasz, natomiast w przypadku żywności, jedynym wyjściem jest przeznaczenie jej na cele paszowe. Optymalna metoda powinna zarówno inaktywować mikotoksyny przeprowadzając je w nietoksyczne związki, zabijać toksynotwórcze grzyby strzępkowe uniemożliwiając powtórną produkcję mikotoksyn, produkty nie powinny utracić w wyniku zastosowania danej metody swoich właściwości odżywczych, a surowiec nie powinien w znaczący sposób zmienić swoich właściwości fizycznych jak również zastosowanie jej musi być ekonomicznie zasadne. Metody te podzielono na trzy kategorie: fizyczne, chemiczne oraz mikrobiologiczne. [Pettersson 2004, Park i in. 1988]. METODY FIZYCZNE Do najprostszych metod fizycznych zalicza się mycie oraz segregację. Są to procedury nieinwazyjne i, oprócz mielenia, nie zmieniają stanu fizycznego surowca. Dowiedziono, że połamane ziarniaki zawierają nawet 10-krotnie więcej toksyn niż całe [Gajęcki i in.,2010, Jouany,2007].
Można przeprowadzać sortowanie ręcznie polegające na oddzielaniu zainfekowanych ziarniaków na podstawie ich cech fizycznych takich jak wielkość, pomarszczenie, zmiana barwy, występowanie strzępków grzybni na powierzchni ziarniaków. Jest to najprostsza metoda, jednak jej wadą jest duża praco- i czasochłonność. Na skalę przemysłową wykorzystywane jest sortowanie mechaniczne z użyciem lamp emitujących światło w zakresie ultrafioletu. Inną techniką segregacji jest technika flotacyjna oraz frakcjonowanie z użyciem stołów grawitacyjnych. Mycie ziarniaków przy użyciu wody pod ciśnieniem zmniejsza znacząco stężenie mikotoksyn, jednak ta metoda nadaje się tylko do wybranych surowców zbożowych np. dla surowców do produkcji etanolu. W pozostałych przypadkach jest nieopłacalna, ponieważ późniejszy koszt procesu suszenia przewyższa znacząco wartość surowca. Kolejną metodą fizyczną jest zastosowanie wysokich temperatur. Większość mikotoksyn odznacza się wysoką termostabilnością, jednak możliwa jest regulacja ich wrażliwości na temperaturę wilgotnością oraz ph surowca, a także interakcjami z macierzą [Haskard i in.,2000, Kabak,2009]. Obłuskiwanie ziarna znacząco obniża koncentrację mikotoksyn, bowiem znajdują się one głównie we frakcji otrębowej ziarniaków, jednak stopień skuteczności procesu zależy od głębokości penetracji bielma przez strzępki grzybów. Podobnie można ograniczać mikotoksyny mieląc zboża, jednak metoda ta dopuszczalna jest tylko w obrębie gospodarstwa na własne potrzeby gdy zawartość mikotoksyn w surowcu jest niska lub nieznana. Metoda nie ma bezpośredniego wpływu na stężenie mikotoksyn, zmienia jednak ich rozmieszczenie w poszczególnych frakcjach przemiałowych. Kolejną metodą jest napromieniowanie promieniowaniem gamma oraz UV. Metoda ta pozwala wyeliminować spory grzybów, jednak nie powoduje zmniejszenia koncentracji mikotoksyn, które zostały wyprodukowane wcześniej. Nieorganiczne materiały adsorbujące takie jak bentonity, węgiel aktywny, glinki zbudowane z krzemianów i glinokrzemianów, które dzięki swojej porowatej strukturze oraz różnicy potencjału wiążą mikotoksyny, nie dopuszczając do wchłonięcia się ich do krwioobegu bądź zapobiegają ich resorpcji są obiecującym rozwiązaniem problemu. Stopień oraz szybkość adsorpcji zależy od wielkości cząsteczek adsorbentu, jego struktury oraz różnicy potencjałów względem mikotoksyn. Negatywnym efektem ich stosowania jest zmniejszenie biodostępność mikro- i makroelementów dostępnych w pożywieniu lub paszy [Gajęcki i in.,2010, Hussein,Brasel,2001, Huwig i in.,2001, Jouany,2007, Sweeney,Dobson,1998, Zinedine i in.,2007].
Zastosowanie komponentu ze ścian komórkowych drożdży Saccharomycetes cerevisiae zawierający β-d-glukany, zamiast nieorganicznych absorbentów, jest rokującą metodą, będącą wciąż w fazie badań, z pogranicza kategorii metod fizycznych oraz biologicznych. Mechanizm działania polega na tworzeniu się trwałych kompleksów glukanmikotoksyn niestrawnych w przewodzie pokarmowym, które po związaniu toksyn są usuwane z organizmu. Ponadto są biodegradowalne, a tym samym w pełni bezpieczne dla środowiska [Hussein,Brasel,2001, Huwig i in.,2001, Shetty,Jespersen,2007, Yiannikouris i in.,2006]. METODY CHEMICZNE Do metod chemicznych należy amoniakowanie ziarna, stosowanie kwasów, soli np. chlorku sodu, wodorosiarczynu sodu czy węglanu amonu, zasad, nadtlenku wodoru proces ozonowania [Zinedine i in.,2007] oraz reakcja fumonizyn z cukrami redukującymi. W procesie amoniakowania stosuje się uwodnioną zasadę amonową lub lotny amoniak. Metoda znalazła zastosowanie głównie przy redukcji zawartości aflatoksyn oraz fumonizyn w ziarniakach. Podobnym procesem jest nikstamalizacja ziarna, jednak powstające produkty reakcji odznaczają się wyższą szkodliwością dla zdrowia jak np. podczas redukcji fumonizyny B 1 powstaje bardziej szkodliwy metabolit [Gajęcki i in.,2010, Hussein,Brasel,2001, Jouany,2007, Lopez-Garcia i in.,1999]. Czynnikami mogącymi zahamować rozwój grzybów, a tym samym powstawanie ich toksyn są działania konserwujące ziarna i innych produktów zbożowych o wysokiej zawartości wody np. poprzez dodatek 0,3% kwasu propionowego skutecznego wobec grzybów wytwarzających afla- i ochratoksyny. Stosowanie innych niższych kwasów organicznych takich jak kwas. mrówkowy, octowy, cytrynowy, sorbowy łączne z kwasem propionowym nie miało synergistycznego działania, jednak zależnie od użytego kwasu, dowiedziono działania addytywnego. Istotnym argumentem przemawiającym za zastosowaniem tej metody, jest fakt braku nabierania odporności przez mikroorganizmy toksynotwórcze [Kluczek,Kojder,2000]. Trwają badania nad naturalnymi substancjami takimi jak kwas kawowy, kwas chlorogenowy czy kwercetyna hamującymi tworzenie się niebezpiecznych połączeń typu mikotoksyna - DNA [Piesiewicz,2000]. METODY BIOLOGICZNE W metodach biologicznych stosuje się preparaty zawierające żywe mikroorganizmy: grzyby lub bakterie [Schnürer,Magnusson,2005, Sweeney,Dobson,1998, Varga i in.,2000,
Varga i in.,2005]. Udowodniono enzymatyczną degradację mikotoksyn przez takie gatunki mikroorganizmów jak Flavobacterium aurantiacum/nocardia corynebacterioides (AFB 1 ), Corynebacterium rubrum, Acinetobacter calcoaceticus (OTA), Candida lipolitica, Candida tropicalis (ZEA), Torulaspora delbruckii (ZEA), Aspergillus niger, Aspergillus flavus (AFLA), Trichoderma viride, Armillariella tabescens, Nurospora spp., Rhizopus spp., Mucor spp i in. Drożdże Saccharomyces cerevisae (OTA, FB 1, FB 2 ) oraz bakterie kwasu mlekowego z rodzaju Lactobacillus sp. ograniczają zawartość mikotoksyn w produktach, jak również w przewodzie pokarmowym. Ich działanie polega na adsorpcyjnych właściwościach peptydoglukanów, mannoprotein, kwasów tejchojowcych, egzopolisacharydów budujących zewnętrzną warstwę ścian komórkowych mikroorganizmów oraz oddziaływaniach elektrostatycznych oraz hydrofobowych. Dowiedziono ze inaktywowane termicznie drobnoustroje mają większe powinowactwo do mikotoksyn wiążąc je trwale, podczas gdy w żywych proces ten jest odwracalny [Halady i in.,2007, Haskad i in., 2001, Kanakaanpaa, 2000, Piotrowska, 2007, Shetty,Jespersen,2007, Sweeney,Dobson,1998, Zinedine i in.,2007]. Opracowano już wiele preparatów, rozkładających mikotoksyny na drodze enzymatycznej takich jak probiotyki, jednak wiedza o produktach ich degradacji jest zbyt mała żeby stwierdzić, że są one nietoksyczne. Instytut Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Politechniki Łódzkiej przeprowadził wstępne badania w 1998 roku nad biodegradacją ochratoksyny A przez zastosowanie szczepionek bakterii mlekowych z rodziny Lactobacillus co dało obiecujące rezultaty [Piesiewicz,2000]. Bakterie mlekowe pozostają w zgodności fizjologicznej z organizmem człowieka. Są to szczepy wchodzące w skład starterowych szczepionek wykorzystywanych w produkcji mleczarskiej i piekarstwie. Ponadto proces wyrobu pieczywa, poprzez swoje właściwości pozwala ograniczyć zawartość mikotoksyn w produkcie. Według prof. dr hab. Włodarczyk-Kierczyńskiej z Instytutu Technologii Fermentacji i Mikrobiologii Politechniki Łódzkiej w pieczywie produkowanym na zakwasach, podczas stosunkowo długiej fermentacji dochodzi do rozkładu ewentualnych mikotoksyn. Z tych badań wynika, że aflatoksyna B 1 może być degradowana nawet o 60%. Degradacja ochratoksyny A w zakwasach piekarskich podczas trwania fermentacji zakwasu może dochodzić do 97,3% [Żakowska,1999]. Do innych metod, również testowanych w celu eliminacji mikotoksyn z żywności należy stosowanie żywych organizmów w celu ich usunięcia na drodze biotransformacji w reakcjach deepoksydacji oraz deacetylacji [Fusch i in. 2002, He i in, 2010, Young i in, 2007]. Warunki wstępne, konieczne do spełnienia przez te organizmy to m.in.: bezpieczeństwo
użycia, obniżona toksyczność lub jej brak u ich metabolitów, aktywność w warunkach tlenowych, stabilność w warunkach układu pokarmowego, duża szybkość rozkładania mikotoksyn, a mechanizm ich detoksykacji niehamowany przez inne metabolity pochodzące z tych organizmów lub żywność/paszę. Kryteria zostały spełnione przez: Eubacterium BBSH 797, Trichosporonmycotoxinivorans i bakterię #144, zdolnych do detoksykacji trichotecenów (DON), ochratoksyny A, zearalenonu i fumonizyny B 1 [Schatzmayer,2006]. Działania prewencyjne, ze względu na swoją niewystarczającą skuteczność powinny być wspomagane innymi metodami. Jednak wciąż niewystarczająca wiedza dotycząca nowo powstających związków oraz metabolitów po zastosowaniu, szczególnie żywych lub inaktywowanych mikroorganizmów w żywności nie pozwala na skuteczne ograniczanie zanieczyszczenia mikotoksynami w produktach żywnościowych ograniczając się do pasz. W szczególności metody biologiczne budzą nadzieję na możliwość powszechnego zastosowania oraz bezpieczeństwo użycia również w żywności. Literatura dostępna u Autora