Nawożenie a produkcja zdrowej żywności

Zacznijmy od cytatu zaczerpniętego ze strony Rady Europejskiej: „…Głównym celem unijnej strategii Od pola do stołu jest zapewnienie zdrowszej i bardziej zrównoważonej żywności w Europie…”. Problem jest złożony, budzący skrajne reakcje. Pojawiają się zalecenia  ograniczenia stosowania środków produkcji (a takimi są nawozy), podczas gdy prognozy nie pozostawiają złudzeń – w 2050 roku będzie nas o 2 mld więcej. Tę populację trzeba wyżywić. Konieczny staje się więc wzrost efektywności produkcji, w tym stosowanych nawozów. Wyprodukowanie określonej masy żywności to jednak nie wszystko. Przywołany cytat powinien pobudzić do zadania pytania o bezpośredni wpływ nawożenia na zdrowie konsumenta. Spróbujmy się dzisiaj zastanowić nad możliwościami sterowania stanem zaopatrzenia roślin, w kontekście wpływu na wartość odżywczą płodów rolnych.

O tym ile musi zjeść roślina

Zanim zajmiemy się potencjalnymi konsumentami musimy mieć świadomość, że roślina ma swoje – dość dobrze zdefiniowane – potrzeby pokarmowe, najczęściej wyrażane przez pobranie jednostkowe. Wartość ta określa ile roślina musi „zjeść” celem wyprodukowania jednostki plonu. Mówiliśmy o tym w poprzednim miesiącu. Nie jest to oczywiście dawka składnika w nawozie, ponieważ zależnie od zasobności część potrzebnej puli roślina znajdzie w glebie. W dalszych rozważaniach ważne jest aby mieć świadomość, że podobnie jak dzieje się to w organizmie człowieka, także w roślinie muszą być zachowane odpowiednie proporcje między składnikami. Przykłady można mnożyć, lecz najbardziej przekonującym jest złe zbilansowanie azotu. Rośliny przeznaczone do bezpośredniego spożycia nawożone tym składnikiem, bez odpowiedniego zbilansowania innych pierwiastków kontrolujących syntezę złożonych związków azotu (aminokwasów i białek) będą zawierały więcej azotynów i azotanów, z których te pierwsze działają kancerogennie, zwiększając ryzyko zachorowania na nowotwór. Oznacza to, że obecnie bardziej niż kiedykolwiek konieczne jest rozważenie nie tylko problemu w ujęciu ilościowym, lecz w obliczu nowych założeń unijnych, także w powiązaniu z produkcją żywności o odpowiedniej jakości.

O potrzebach człowieka

O potrzebach pokarmowych i żywieniu człowieka napisano całe tomy podręczników akademickich oraz publikacji popularno-naukowych i naukowych, których zgłębienie zajmuje studentom kilka semestrów. Dzisiaj skupmy się jednak na podstawach. Człowiek do swojego funkcjonowania potrzebuje określonej puli związków i składników pokarmowych, które zestawiono w tabeli 1. Warto zwrócić uwagę, że w tytule napisano optymalnego funkcjonowania. W warunkach ograniczenia (świadomie lub nie) spożycia niektórych składników nasz organizm przeżyje, lecz o optymalnym funkcjonowaniu w tej sytuacji można zapomnieć.

Tabela 1. Składniki pokarmowe warunkujące optymalne funkcjonowanie człowieka, wg różnych autorów (zestawione przez Grzebisza)

Patrząc na problem historycznie przywołajmy dwa cytaty: „ … stając się polującym w grupie myśliwym i przez to konsumentem mięsa, człowiek mógł ukształtować swoje czysto ludzkie cechy. Organizm ludzki wyposażony jest w układ trawienny i wydalniczy pozwalający na nieograniczone spożycie mięsa i ryb …” (źródło: Pierre Dukan w Je ne sais pas maigrir).

I kolejny: „ … przełom cywilizacyjny, jakim przed 12 tys. laty stał się rozwój rolnictwa, wywołał istotną zmianę w sposobie odżywiania się ówczesnych społeczeństw zbieracko-myśliwskich. Ważnym składnikiem pożywienia ówczesnego człowieka stało się ziarno zbóż, bogate w węglowodany, lecz naturalnie ubogie w prawie wszystkie pozostałe składniki pokarmowe …” (źródło: Grzebisz 2011 w Technologie nawożenia roślin uprawnych – fizjologia plonowania).

Zatem inny sposób pozyskiwania żywności spowodował określone zmiany funkcjonalne człowieka. Skoro ważnym składnikiem diety stało się ziarno zbóż warto przypomnieć podstawy związane z budową ziarniaka (ryc. 1). Generalnie skrobia poza wartością energetyczną nie zawiera składników mineralnych. Zakładając, że stała się ona głównym składnikiem diety, zwłaszcza społeczeństw ubogich, można postawić tezę o  niedostatecznej podaży wielu składników odżywczych.

Jednak warto wiedzieć, że bezpośrednio pod okrywą nasienną ziarniaka znajduje się tzw. warstwa aleuronowa, zbudowana z białek, zdolnych do wiązania zarówno makro jak i mikroskładników (kolor czerwony na rycinie 2). To wyjaśnia rekomendację do spożywania produktów zbożowych określanych mianem gruboziarnistych.

Rycina 1. Budowa ziarniaka (źródło: Kamal-Eldin i in. 2009; w modyfikacji Potarzyckiego)

Rycina 2. Wybarwione otręby żytnie (R) i pszenne (W), zależnie od stopnia rozdrobienia (podano za Kamal-Eldin i in. 2009)

W okresie 75 lat życie człowiek spożyje około 11 ton węglowodanów i niespełna 2 tony białka. W tym samym okresie zjemy pół tony składników mineralnych (podano za Gawęckim 2023). Jest więc o czym myśleć. W dalszych rozważaniach należałoby jeszcze wziąć pod uwagę przyswajalność mikroelementów ze spożywanych produktów. Większość, w tym na przykład żelazo, jest lepiej przyswajalna z produktów pochodzenia zwierzęcego. Jednak w kontekście środowiskowym coraz częściej jest podnoszona kwestia śladu węglowego produkowanej żywności. Choć wartości podawane w literaturze wahają się w różnych przedziałach, można przyjąć, że na wyprodukowanie 1 kg wołowiny zużywany jest ekwiwalent wynoszący powyżej 50 kg CO₂. W przypadku wieprzowiny i drobiu jest to przedział 6-7, dla zbóż 1 – 1,5, a w produkcji warzyw wartości wynoszą mniej niż 1 kg CO₂/kg produktu. W ostatnich latach wyraźnie wybrzmiewają postulaty łączenia zdrowego odżywiania się z ochroną planety, a efektem dyskusji w różnych gremiach jest postulat tzw. diety planetarnej.

Jako społeczeństwo jesteśmy jednak dość konserwatywni w nawykach żywieniowych, choć jak twierdzą dietetycy świadomość w tym zakresie wzrasta. Jeśli trudno nam z dnia na dzień zmienić asortyment spożywanych produktów zastanówmy się nad możliwościami poprawy ich jakości.

Skupiając się na żywności pochodzenia roślinnego można dokonać rozróżnienia na:

1. Produkty roślinne pozostające poza kontrolą jakościową, o trudnych do określanie właściwościach;
2. Żywność spełniającą normy żywieniowe, którą określmy jako zdrową;
3. Żywność funkcjonalną

Nie będziemy zajmować się pierwszą grupą, choć niestety produkty o wątpliwej jakości – co ciekawe – nie zawsze tanie, w niektórych społeczeństwach stanowią sporą dawkę dziennej porcji żywieniowej.

Warto zadać sobie teraz pytanie czy żywność spełniająca normy, może okazać się zdrowsza i w jak można to zmienić. W ten sposób dotykamy zagadnień związanych z produkcją żywności funkcjonalnej.

Czym jest żywność funkcjonalna i jak ją produkować?

Według definicji przyjętej w dokumencie końcowym programu badawczego FUFOSE (Functional Food Science in Europe) finansowanym przez Komisję Europejską „żywność może być uznana za funkcjonalną jeżeli udowodniono korzystny wpływ na jedną lub więcej funkcji organizmu ponad efekt odżywczy, który to wpływ polega na poprawie stanu zdrowia oraz samopoczucia i/lub zmniejszenia ryzyka chorób” – podano za pfpz.pl.

Co ważne – żywność funkcjonalna musi przypominać postacią żywność konwencjonalną, wykazywać korzystne oddziaływanie w ilościach spożywanych z normalną dietą, a opisane dodatnie działanie musi być udokumentowane naukowo.

Dokonując pewnego uproszczenia możemy wyróżnić kilka sposobów pozyskania tej grupy żywności, wśród których najważniejsze to:

1. Bezpośrednia fortyfikacja. Jest to metoda stosowana od lat, a przykładami są: (i) jodowanie soli, (ii) dodawanie do margaryny witamin A, D i E, (iii) fortyfikacja mąki kwasem foliowym, (iv) wywołanie nadekspresji ferrytyny (produkcja kiełków wzbogaconych z żelazo). W niektórych opracowaniach wskazuje się także na prostą suplementację polegającą na wprowadzaniu do diety pieczywa gruboziarnistego. Była już dzisiaj mowa na ten temat, ale wrócimy jeszcze do tego.
2. Szeroko pojęta hodowla. Chodzi o: (i) doskonalenie metod hodowlanych dla odmian cechujących się większą zdolnością do pobierania, redystrybucji i akumulacji składników mineralnych w organach przeznaczonych do spożycia; (ii) poszukiwanie nowych odmian, przeprowadzając naturalną selekcję i krzyżowanie, aby uzyskać odmiany o podwyższonej zawartości składników bioaktywnych; (iii) jednocześnie poszukiwanie metod hodowlanych pozwalających na eliminację z żywności substancji antyżywieniowych;
3. Wykorzystanie inżynierii genetycznej celem pozyskania produktów akumulujących określone pierwiastki lub związki chemiczne o działaniu prozdrowotnym;
4. Biofortyfikacja – kształtowana przez agrotechnikę, odniesiona do: (i) kontroli żyzności gleby, (ii) bilansowania składników w nawozach wieloskładnikowych, (iii) ukierunkowanego stosowanie nawozów specjalistycznych (iv) wprowadzania nowych technologii warunkujących lepsze wykorzystanie składników z nawozów, (v) celowanej aplikacji składników nakierowana na poprawę niektórych parametrów jakościowych

Biofortyfikacja nawozowa

Skupmy się teraz na ostatnim punkcie i odpowiedzmy na pytanie: czy możliwa jest biofortyfikacja z wykorzystaniem nawozów? Oczywiście, że tak. Właśnie dlatego potrzebny był tak długi wstęp. Trzeba zrozumieć, że najpierw należy stworzyć podstawy do produkcji odpowiedniej biomasy (spełnić wymagania rośliny), a dopiero kolejnym krokiem będzie kształtowanie konkretnych właściwości produktów. Poniżej tylko niewielka część zagadnień tłumaczących istotę problemu.

Bardzo często przywoływanym przykładem jest wprowadzona przed laty w Finlandii suplementacja nawozów wieloskładnikowych selenem. Po 20-latach efektem był około 80-procentowy wzrost zawartości selenu w ziarnie zbóż, podczas gdy zawartość innych pierwiastków śladowych zmniejszyła się w efekcie rozcieńczenia w coraz większym plonie i/lub wyczerpania się zasobów glebowych. W tym miejscu warto przypomnieć, że skutkami niedoboru selenu są między innymi zaburzenia funkcjonowania układu krążenia i wzrost zachorowalności na nowotwory. Doszukano się także dodatniej korelacji między zapadalnością na choroby wirusowe (grypa i inne) a niskim poziomem selenu w organizmie.

Jak zaznaczono wcześniej rekomendacja do spożywania gruboziarnistego pieczywa wynika z wzmożonej akumulacji makroskładników i mikroelementów w warstwie aleuronowej znajdującej się bezpośrednio pod okrywą nasienną. Dlatego poza efektem plonotwórczym ważne jest także wprowadzenie do systemu nawożenia produktów zawierających określone mikroelementy z myślą o potencjalnym konsumencie. Jak pokazuje tabela 2 nawożenie żelazem i cynkiem prowadziło do wzrostu akumulacji tych mikroelementów nie tylko w otrębach, lecz także w mące.

Tabela 2. Wpływ aplikacji mikroelementów na skład chemiczny ziarna; opracowanie Potarzycki (na podstawie danych Zhang zamieszczonych w J. Agric. Food Chem.)

Zdrowe odżywianie się jest ważne w każdej grupie wiekowej, choć zdecydowanie częściej niedobory składników ujawniają się w wieku dojrzałym. Wtedy szczególnie chętnie sięgamy po różne suplementy dostępne w aptekach, na przykład bogate w potas jako składnik odpowiedzialny za optymalne funkcjonowanie naszego serca. Podobnie rzecz ma się z magnezem. O ile w przypadku znaczenia potasu dla roślin sprawa jest jednoznaczna, to z magnezem bywa różnie. Pamiętajmy, że aplikacja magnezu praktycznie we wszystkich uprawach musi być standardem. Istnieją prace, w których udowodniono związek między nawożeniem magnezem a zawartością tego składnika nie tylko w częściach zielonych rośliny, lecz także w ziarnie zbóż.

Wróćmy jednak do potasu. Pierwiastek ten jest powiązany z produkcją likopenu w pomidorach. Jest to substancja bardzo modna w środowisku naukowym, ze względu na bardzo szeroki (pozytywny) wpływ na organizm człowieka. Wystarczy wymienić: zmniejszenie ryzyka wystąpienia nowotworów prostaty i płuc, udział w profilaktyce chorób układu krążenia (miażdżyca, zawał serca) i osteoporozy, ograniczanie niepłodności u mężczyzn oraz zmniejszenie zachorowalności na choroby neurodegeneracyjne (ograniczanie niszczącego wpływu rodników na tkankę nerwową). Jaki ma to związek z potasem? Pomidory dobrze zaopatrzone w potas zawierają więcej likopenu (ryc. 3), przy czym reakcja na nawożenie bywa powiązana z odmianą. I jeszcze informacja dla miłośników sałatek pomidorowych – ze względu na łatwą rozpuszczalność w tłuszczach, likopen jest najlepiej przyswajalny przez człowieka w połączeniu z oliwą.

Rycina 3. Zależność między odżywieniem pomidorów potasem a zawartością likopenu (wg Taber i in., publikowane w Hortscience)

Pozostając w tematyce prozdrowotnej warto wiedzieć, że przyswajalność tokoferoli (witamina E) jest dwukrotnie większa z naturalnych produktów. Związki te są powszechne w zielonych częściach roślin, nasionach strączkowych oraz w otrębach owsianych.

O nadmiernej akumulacji niebiałkowych form azotu i konsekwencjach dla człowieka była już mowa. Wróćmy jednak jeszcze na chwilę do bilansowania składników w produkcji roślinnej. Tym razem przykład z warzywnictwa. Dane literaturowe nie pozostawiają wątpliwości, że sałata jest warzywem akumulującym duże ilości azotanów. Często pokazuję swoim studentom poniższe dane (ryc. 4), z których wynika, że w warunkach nawożenia siarką zmniejsza się zawartość azotanów w sałacie. Zasada ta jest uniwersalna i dotyczy większości upraw.

Rycina 4. Związek między dostępnością siarki w glebie a zawartością azotanów w sałacie (opracowanie własne na podstawie badań E. Schnug)

Na koniec małe nawiązanie do jednego z bardziej szkodliwych związków, nazywanego akrylamid (akryloamid). Jest to substancja w naturalny sposób powstająca w żywności na skutek obróbki termicznej – pieczenia, grillowania lub smażenia. Jest wynikiem reakcji asparaginy (która jest obecna w sposób naturalny w ziarnie zbóż) z cukrami redukującymi, takimi jak fruktoza i glukoza. Akrylamid powstaje w temperaturze wyższej niż 120°C. Proces przebiega znacznie szybciej, kiedy zawartość wody spada poniżej 5%. Destrukcyjny wpływ omawianego związku na organizm człowieka można ograniczyć poprzez podaż siarki. Udowodniono, że pod wpływem stosowania nawożenia tym składnikiem zmniejsza się produkcja asparginy i w konsekwencji akrylamidu (ryc. 5)

Rycina 5 Powstanie akryloamidu w mące pełnoziarnistej (podgrzewanej przez 20 min w temperaturze 170°C), zależnie od nawożenia siarką. Na podstawie Halford, publikowane w J. Exp. Bot.

Ponieważ jest to ostatni wpis przed okresem świątecznym życzę Państwu sukcesów kulinarnych i pięknie przeżytych Świąt Bożego Narodzenia.