Glukosinoláty a krmivářství

Glukosinoláty a krmivářství

Glucosinolates and animal nutrition

Helena ZUKALOVÁ 1, Jarmil VÝMOLA 2

1 Katedra rostlinné výroby, Česká zemědělská univerzita Praha 6 Suchdol

2 Tekro spol. s r.o.

Souhrn, klíčová slova

U rodu Brassica jsou především alkenylglukosinoláty a jejich obsah a složení se liší vývojovým stadiem a částí rostliny. Indolové glukosinoláty jsou v minoritním zastoupení.

Úloha zásobárny síry je zpochybněna velmi nízkým jejich obsahem pohybujícím se mezi 2% na počátku vegetace a 0.1% na jejím konci.

Glukosinoláty jsou především diskutovány z pohledu svých účinků: antinutričních, antimikrobiálních, antifungicidních, antibakteriálních a jako přirozené biofumiganty. Tyto vlastnosti mají rozkladné jejich produkty vzniklé připravenou pasivní obrannou dvousložkovým systémem glukosinoláty myrosinasa.

Z hlediska těchto účinků je užitečné dle charakteru rozkladných produktů jejich rozdělení do tří skupin. První skupina (I) jejichž hydrolýzou v neutrálním a alkalickém prostředí se tvoří isothiokyanáty a tyto bioaktivní sloučeniny tvoří především přirozenou ochranu vlastní rostliny s biofumigačními účinky. Jejich antinutriční účinky jsou kompenzovatelné jodem na rozdíl od druhé skupiny (II). Tu tvoří hydroxy glukosinoláty, jejichž rozkladné produkty isothiokyanáty nejsou stabilní a cyklizují za vzniku substituovaného 2 oxazolidinethionu ( goitrinu VTO). Tyto glukosinoláty představují závažný problém v krmivářství vzhledem k tomu, že VTO je silně strumigenní. Třetí skupina (III) glukosinoláty obsahující indolovou skupinu nebo benzenové jádro (Sinalbin) hydrolýzou tvoří thiokyanáty. Úloha indolových glukosinolátů není zatím zcela jasná. Studují se jejich antikarcinogenní vlastnosti a plní funkci aktivní obrany.

Klíčová slova: rod Brassica, glukosinoláty, biosynteza, hydrolýza, isothiokyanáty, fyziologická funkce, antinutriční účinky, vlastnosti antibakteriální, antimikrobiálnía a antifungicidní.

Summary, Keywords

In Brassica genus, alkenyl glucosinolates are mostly present and their content and composition differ as far as the development stage and the part of the plant are concerned. The indole glucosinolates are present in a minority level.

Their role of sulphur supply is questioned by their very low content between 2 % in the beginning of vegetation and 0.1 % in its end.

Glucosinolates are discussed mostly from the aspect of their anti-nutrition, anti-microbial, anti-fungicidal, and anti-bacterial effects and as being natural bio-fumigants. Their decomposition products have the mentioned properties. The products originate by prepared passive protection by the two-component system.

From the aspect of these properties, it is useful to divide them into the following three groups according to the characters of their decomposition products. The first group (I), which hydrolysis in the neutral and alkaline environment creates iso-thio-cyanates. These bio-active compounds form the natural protection of the plant with bio-fumigatory effects, particularly. Their anti-nutritive effects can be compensated by iodine, contrary to the second group (II). This group is created by hydroxy glucosinolates, which decomposition products iso-thio-cyanates - are not stabile and they cycle while producing substituted 2 oxazolidimethione (goitrine VTO). These glucosinolates represent a serious problem in feed industry since the VTO has a strong goitrogenic property. The third group (III) glucosinolates containing the indole group or the benzene ring (Sinalbin), create thio-cyanates during their hydrolysis. The role of indole glucosinolates has not been completely clarified so far. Their anti-carcinogenic effects are studied and they fulfil the role of an active protection.

Keywords: Brassica genus, glucosinolates, biosynthesis, hydrolysis, iso-thio-cyanates, physiological function, anti-nutritive effects, anti-bacterial, anti-microbial and anti-fungicidal properties

Úvod

Glukosinoláty byly v minulosti spojovány takřka výhradně s toxickými účinky rozkladných metabolitů, pozorovanými na hospodářských zvířatech krmených řepkovými šroty. V 80. letech započal intenzivní výzkum chemoprotektivních účinků rozkladných metabolitů glukosinolátů, které jsou součástí nejčastěji (70%) konzumovaných zelenin (tab. 2) a je stále v popředí zájmu biochemiků a nutricionistů. Slibné výsledky výzkumu některých těchto rozkladných produktů (isothiokyanátů, indolů) naznačují, že glukosinoláty mohou naopak být pro zdraví člověka velmi prospěšné a to svými antioxidativními a antikarcinogenními účinky.

Tab. 1: Složení a obsah celk. množství glukosinolátů (GSL) v zeleninách rodu Brassica (různé literární údaje)

* Alifatické -SINI-sinigrin, NAPI glukonapi, BRNA glukobrassicanapin,PROG progoitrin, NAPO glukonapoleiferin, RAFS-glukorafesatin, IBER glukoiberin, RAFE glukorafanin, RAFE glukorafenin, Aromatické -TROP glukotropaeolin, NAST gluconasturtiin, Indolové -GB glukobrassicin, NGB neoglukobrassicin, MGB 4-hydroxyglukobrassicin

Tab. 2: Odhady příjmu glukosinolátů v některých zemích

Příjem glukosinolátů je v korelaci s konzumací brukvovitých zelenin. Vysoký příjem glukosinolátů v Japonsku, jako i v dalších zemích Orientu, je způsoben tradicí v příjmu brukvovitých zelenin a u Velké Britanie jde o velkou oblibu růžičkové kapusty. Zařadit glukosinoláty do určité skupiny látek podle jejich biologické účinnosti je prakticky nemožné, vzhledem k jejich rozmanitosti (tab. 1), k obrovskému množství produktů vznikajících jejich rozkladem a vzhledem k velmi rozmanité biologické aktivitě takto vzniklých látek.

Doposud bylo určeno více než 90 glukosinolátů (FENWICK et al., 1983) a se zdokonalováním analytických metod, především při využití kapalinové a plynové chromatografie, jsou objevovány stále nové.

Glukosinolátů u rodu Brassicca v řepkách a hořčicích bylo identifikováno doposud 8 nejvýznamnějších

U rodu Brassica jsou především alkenylglukosinoláty a jejich obsah a složení se liší vývojovým stadiem a částí rostliny. Indolové glukosinoláty jsou v minoritním zastoupení.

Hydrolytickým rozkladem alifatických glukosinolátů vznikají toxické sloučeniny. Hydrolýza probíhá působením enzymem myrosinasou, která je lokalizována odděleně v buňkách idioblastů, zatímco glukosinoláty jsou umístěny v parenchymatických pletivech (GUIGNARD, 1980). Poškozením těchto pletiv, ať již rozemletím, trávením, mechanickým poškozením nebo poškozením hmyzem dochází k jejich spojení a k vlastní hydrolýze.

Glukosinolátům není přisuzována žádná primární fyziologická role. Jako sekundární metabolity však mají řadu účinků a ve své intaktní podobě je jim přisuzována funkce zásoby síry.

Glukosinoláty jako zásoba síry

Řepka je náročnou plodinou na výživu sírou, například Mc GRATH et al. (1996) uvádějí potřebu 16 kg síry k zajištění produkce 1 tuny semene řepky. Hlavní příjmovou formou síry pro rostliny jsou sírany. Síra je stavebním prvkem esenciálních aminokyselin(methioninu, cysteinu), které jsou nezbytnou součástí plnohodnotných bílkovin. Syntézu aminokyselin je možné považovat za primární metabolity. Glukosinoláty jako sekundární metabolity, jsou minoritní složkou sirných sloučenin. Hlavním distribučním místem glukosinalátů je semeno. Minimální bylo jejich zastoupení ve vegetativních částech řepky.

Glukosinoláty tvoří méně než 2% celkové síry na počátku vegetace v jednotlivých částech rostlin a v průběhu růstu jejich obsah klesá a tvoří méně než 0,1%. Malý podíl zastoupení glukosinolátů ve vegetativních částech řepky zpochybňuje jejich zásobní funkci (Fieldsend, Milford, 1994), zatímco obsah celkové síry a síranů v listech a v době zralosti v obalech šešulí řepky, reflektuje nejlépe výživný stav řepky.

Sírany představují podstatnou složku obsahu celkové síry ve vegetativních částech řepky. Je otázkou, zda je to projev pouze nízké efektivnosti jejich využití k syntéze primárních a sekundárních metabolitů, a nebo minerální forma síry sírany plní v řepce další poslání.

Pro další úvahy o fyziologických účincích glukosinolátů dle charakteru rozkladných produktů je užitečné jejich rozdělení do tří skupin.

První skupina (I) glukosinolátů alifatického charakteru jejichž hydrolýzou v neutrálním a alkalickém prostředí se tvoří isothiokyanáty, je nejpočetnější.

Tyto bioaktivní sloučeniny mají:

1. Antinutriční účinky- Selektivně váží jód a zabraňují štítné žláze v jeho příjmu. Toto působení lze kompenzovat přídavkem solí jódu do potravin nebo krmných směsí.

2. Vlastnosti antimikrobiální, antifungicidní, antibakteriální a thyroidní, které tvoří přirozenou ochranu vlastní rostliny

Glukosinoláty jsou řazeny mezi přirozené pesticidy, které vyšší rostliny produkují za účelem zvýšení odolnosti vůči nepříznivým vlivům predátorů, konkurentů a parazitů, neboť vykazují toxické či odpudivé účinky, a tudíž mají důležité postavení v obranném mechanismu řepky proti škůdcům a chorobám (Wallsgrove at al., 1999). Dvě významné třídy přirozených pesticidů, mezi které je možno zařadit i glukosinoláty, tvoří fytoalexiny a fytoanticipiny. Základní rozdíl mezi oběma uvedenými třídami spočívá v mechanismu jejich vzniku:

Fytoalexiny vznikají v důsledku vnějším podnětem vyvolané pozměněné metabolické aktivity rostliny de novo (představují aktivní obranný mechanismus). Fytoanticipiny vznikají z již vytvořených prekurzorů, které zdravá rostlina produkuje od počátku svého růstu a které tedy slouží pouze jako pasivní obrana proti případným škůdcům. Typickým příkladem takových prekurzorů jsou glukosinoláty. Dvousložkový systém glukosinoláty - myrosinasa představuje předem připravený pasivní obranný systém, který je spuštěn až v důsledku napadení a následného poškození rostlinného pletiva, po kterém okamžitě dochází k enzymové hydrolýze glukosinolátů za vzniku bioaktivních isothiokyanátů.

Tyto těkavé sloučeniny - isothiokyánáty mají široké spektum antimikrobiálních účinků a působí odpudivě vůči některým druhům hmyzu (Giamoustaris, Mithen, 1995).

3. Funkce glukosinolátů jako biofumigantů

Je založena na stejném hydrolytickém principu jako přirozená ochrana vlastní rostliny s tím rozdílem, že zaoraná biomasa při zeleném hnojení zanechává v půdě bioaktivní isothiokyanáty, které mají významné biofumigační účinky (Kirkegaard et al.. 1999) pro následné pěstování především zeleniny. Stejný efekt mají i posklizňové zbytky řepky, které díky isothiokyanátům v nich obsažených mají významné biofumigační účinky pro následné plodiny a proto řepka je vynikající ozdravnou předplodinou pro obiloviny.

Isothiokyanáty jsou významnou látkou syntetických biofumigantů, kde vedle alifatických isothiokyanátů (Sarwar et al., 1998) jsou i aromatické, které mají vyšší toxicitu

Druhá skupina (II), jsou hydroxy-glukosinoláty. Tato skupina co do složení jednotlivých složek je mnohem menší, avšak v řepce zaujímá největší procento a z hlediska antinutričních účinků nejpodstatnější. Rozkladné produkty hydroxy -glukosinolátů - isothiokyanáty nejsou stabilní a cyklizují za vzniku substituovaného 2-oxazolidinethionu (goitrinu - VTO).

Antinutriční účinky

Tyto glukosinoláty představují závažný problém v krmivářství, neboť snižují využitelnost řepkových šrotů a pokrutin při zkrmování hospodářských zvířat Rozkladný produkt - goitrin je silně strumigenní. Inhibuje syntézu thyroidních hormonů thyroxinu a trijodothyroninu. Jeho negativní působení není možné odstranit zvýšeným příjmem jódu (THOMPSON,1983) a proto svými antinutričními vlastnostmi je limitujícím faktorem při využití řepkových šrotů a pokrutin v krmných směsích. Jejich vysoký obsah v semenech řepky vedl k minimalizaci geneticko - šlechtitelskými prostředky. Současný sortiment pěstovaných "00" řepek má obsah glukosinolátů snížen na desetinu původního obsahu erukových a bezerukových řepek ("0") (tab. 3). Progoitrin v řepkovém semeni je zastoupen okolo 71% celkových glukosinolátů a tudíž z krmivářského hlediska nejrizikovější. Naopak u řepice a hořčice sareptské, převažující skladbou glukosinolátů I. třídy by měl převažovat obranný a biofumigační efekt.

Tab. 3: Obsahy jednotlivých glukosinolátů rodu Brassica

1- Transgenní řepka "00" - Roundup Ready

2- - " - "00"- Basta rezistentní (Liberty Link )

3-Liniová řepka"00"

4-Hybridní řepka "00"

5-Liniová řepka "0"

Problematika glukosinolátů řepky v krmivářství

Současný legislativní aparát pro jejich obsah je:

1. platná Česká norma ČSN 462300-2 (1994) kde se rozlišují dva tržní druhy

tržní druh A semeno řepky s obsahem glukosinolátů do 30 µmol/g beztukové sušiny

tržní druh B - semeno řepky s obsahem glukosinolátů nad 30 µmol/g beztukové sušiny

2. Zákon o osivu a sadbě pěstovaných rostlin č. 92/1996 Sb kde dle prováděcí vyhlášky č. 191/96Sb je obsah glukosinolátů pro osivo kategorie Z15 µmol/g semene, kategorie C 20 ěmol/g semene.

Šlechtění a závádění dvounulových řepek bylo vyvoláno využitím bílkovinných zbytků po extrakci a lisování v krmivářském průmyslu, kdy řepka jako tuzemská plodina má předpoklady kuplatnění jako bílkovinný komponent ve výživě a krmení hosp.zvířat. Proto (tab. 4) rozhodující pro stanovení nežádoucích látek v krmivu jsou právě krmiváři. Pro ně v současné době je rozhodující:

3. Zákon o krmivu 91/96 Sb., kde novelizovaná vyhláška 544/03 platící od 1.1.2003, který se zabývá nežádoucími látkami a produkty, kterým v případě řepky je vinylthiooxazolidon (VTO) nejtoxičtější součást hydrolytického rozkladu glukosinolátu progoitrinu.

Tab. 4: Nutriční hodnota krmiv a jejich cena.

Údaje živin byly převzaty z Potřeba živin pro drůbež (ČAZV 1999), stále pohyblivé ceny - kvalifikovaným odhadem z ledna 2003.

Z tabulky jasně vyplývá výhodnost a ekonomičnost řepky.Přesto je její použití u nás stále provázeno určitou váhavostí a odmítáním výrobců krmiv i zemědělských podniků. Spočívá to v určitém chovatelském konzervatizmu a obavách z negativních účinků antinutričních látek.To je dáno minulostí jednonulových řepek, nedostatečnou informovaností, ale někdy i přehnanou opatrností některých skutečných či tzv. výživářských kapacit, kteří nabádají k opatrnosti, ale neřeknou jasně jak na to.

V dnešní době je možno počítat u tuzemských řepek s obsahem glukosinolátů na úrovni 20 mikromolů na g extr. vzorku. Za tohoto předpokladu lze uvést přibližné maximální % obsahu řepkových produktů v krmných směsích pro drůbež (tab. 5) a pro prasata (tab. 6).

Tab. 5: Doporučená hladina řepky a jejích produktů v krmných směsích (%) pro drůbež

Tyto podíly mohou být i vyšší, u řepkového semene hraje u výkrmu roli i obsah oleje a schopnost výrobce udělat soudržné granule. Údaje se opírají o pokusy vlastní i zahraniční a zkušenosti z praxe.

Tab. 6: Doporučená hladina řepky a jejích produktů v krmných směsích (%) pro prasata.

Tato maxima nelze bráti jako dogma. V praxi se stává i to, že případný pokles užitkovosti vyvolaný jiným vlivem bývá někdy připisován obsahu řepky. Chovatel by měl mít od výrobcekrmiv plnou informaci o obsahu řepky a souhlasit sjejím použitím. V dnešní době se u tuzemských řepek není třeba obávat vysokého obsahu glukosinolátů. Nákup zdánlivě levné řepky ze zahraničí bez analýzy glukosinolátů by mohl přijít velmi draho.Je nutno se zmínit o údajné citlivosti hnědovaječných slepic na řepku. Zahraniční prameny mnohdy u tohoto typu nosnic poukazují na možný zápach vajec a řepku vylučují. Zkušenosti zpokusů i praxe ukazují, že řepku lze použít i u tohoto typu, avšak někdy dochází k zápachu vajec i bez krmení řepkou,což je zřejmě podmíněno geneticky.

Od naší výzkumné základny bychom měli očekávat určitá jasná doporučení, abychom ve složité ekonomické situaci zbytečně neodmítali to, co jinde běžně používají a svou kvalitou plně odpovídá požadavkům krmivářů (tab. 7). Maximální přípustný obsah nežádoucí látky VTO při 88% sušině je:

pro nosnice 500 mg/kg

pro ostatní 1000 mg/kg

U našich povolených liniových a hybridních řepek se obsah VTO pohybuje v rozmezí 1500-4200 mg/kg b.t.s. (tab. 7).

Tab. 7: Obsahy vinylthiooxazolidonu (VTO) u současných povolených odrůd řepek ve srovnání s jednonulovou řepkou Jet Neuf

Z uvedených výsledků (tab. 7) je zřejmé, že řepkové šroty z povolených liniových a hybridních řepek lze u všech kategorií hospodářských zvířat bez obav použít do 10%.

Třetí skupina (III) - Glukosinoláty obsahující indolovou skupinu nebo benzenové jádro (Sinalbin). Jejich hydrolýzou se tvoří thiokyanáty. V současné době se objevují ve větším množství v semenech nízkoglukosinolátových řepek.

Antinutriční vlastnosti

Není zcela jasné, zda jsou příčinou nutričních nebo toxických problémů. V současné době se studují jejich antikarcinogenní (WATTENBERG, 1975) vlastnosti a jejich funkce v metabolismu růstových hormonů. Potrava je považována za nejvýznamnější faktor podílející se na výskytu rakoviny (DOLL and PETO, 1981), vzhledem k tomu , že člověk přijímá potravou obrovské množství látek, jež proces karcinogeneze výrazně ovlivňují. Značná pozornost je proto věnována přirozeným látkám obsažených v rostlinné stravě ( tzv. fytochemikáliím), neboť velké množství epidemiologických studií dokládá pozitivní vliv zvýšené konzumace ovoce a zeleniny (BLOCK et al., 1992, STEINMETZ and POTTER, 1996). Vynikající jsou zejména výsledky u brukvovitých zelenin v prevenci rakoviny tlustého střeva, konečníku, prsu, žaludku a plic ( VERHOEVEN et al., 1996). Antikarcinogenní účinky brukvovitých zelenin jsou mj. přisuzovány i některým rozkladným produktům glukosinolátů - indolům a isothiokyanátům. V současné době se studuje metabolismus karcinogenů a schopnost biologicky aktivních látek do něho zasáhnout.

Přirozená ochrana rostliny

Tyto glukosinoláty v brukvovitých rostlinách se podílejí, na aktivní obraně a plní funkci fytoalexinů (Takasugi et al., 1986), neboť Griffiths et al.(1994) dokázal, že zvýšená biosyntéza glukosinolátů je spouštěna po napadení některými druhy škůdců. Jedná se o indolové glukosinoláty, které jsou schopné uvolnit auxin v době působení mimořádných vnějších činitelů ( mráz , choroby) na rostlinu. Indolový metabolismus brukvovitých rostlin představuje tedy pro rostlinu nikoliv hlavní, ale jednu z dalších drah vzniku auxinu, zejména v době jeho kritické potřeby. Studium indolových glukosinolátů a jejich metabolismu si vzhledem k jejich malé světelné i tepelné stabilitě, rychlým změnám i během dne, žádá zcela oddělené studium a bude předmětem samostatné a velmi náročné práce.

Použitá literatura

BLOCK, G., PATTERSON, B, and SUBAR, A. ( 1992): Fruit, vegetables and cancer prevention : A review of the epidemiological evidence. Nutr. Cancer, 18, 1 - 29.

DOLL, R. and PETO, R. ( 1981): The causes of cancer: quantificative estimates of avoidable risks of cancer in the United States today. J. Natl. Cancer Inst., 66,1191 - 1308.

FENWICK, G.,R., HEANEY, R., K. and MULLIN, W. J. (1983): Glucosinolates and their breakdown products in food and food and food plants. CRC Critical Reviews in Food Scences and Nutrition 18, 123 - 202.

FIELDSEND, J. , MILFORD, G.F.J. (1994): Changes in glucosinolates during crop development in single and double- low genotypes of winter oilseed , rape (Brassica napus) : I. Production and distri bution in vegetative tissues and developing pods during development and potential role in the recycling of sulphur within crop. Ann.Appl. Biol., 124, 531 -542.

GIAMOUSTARIS,A:, MITHEN,R. (1995) : The effect of modifying the glucosinolate content of leaves of oilseed rape on its interactions with specialist and generalist pests. Ann.Appl. Biol. 126, 347 -363 .

GRIFFITHS, D.W., BIRCH, A.N.E., Mac FARLANE - SMITH, W.H: (1994): Induced changes in the indole glucosinolate content of oilseed and forage rape (Brassica napus ) plant in response to either turnip root fly ( Delia floralis) larval feeding or artificial root damage. J.Sci.Food Agric. 65, 171 -178.

GUIGNARD, L. (1890 a) : Sur la localisation des principes qui fournissent les essences sulfurées des Cruciféres. C.R. hebd. Séances Acad.Sci 111, 249 -252.

GUIGNARD, L. (1890 b) : Sur la localisation des principes actifs das la graine des Cruciféres. C.R. hebd. Séances Acad.Sci 111, 920 -923.

KIRKEGAARD, J.A., MATTHIESSEN,J.N., WONG,P.T.W. et al. (1999): Exploiting the biofumigation potential of Brassicas in farming systems. Proc. 10TH Int. Rapeseed Congr. Canberra, Australia.

SARWAR, M., KIRKEGAARD, J.A., WONG, P. T.W. and DESMARCHELIER, J:M: (1998): Biofumigation potential of brassicas, III In - vitro toxicity of isothiocyanates to soil- borne fungal pathogens. Plant Soil 201, 103 -112.

POTTER, J.D. (1996): Vegetables, fruit and cancer prevention: A review.J. Amer. Diet. Assoc., 96, 1027 - 1039.

TAKASUGI,M., KATSUI,N., and SHIRATA, A. (1986) : Isolation of three novel sulphur - containing phytoalexins from the Chinese cabbage Brassica campestris L. spp. pekinensis. J.Chem. Soc.,1077 -1078.

THOMPSON, K.F. (1983): Breeding Winter Oilseed Rape. In:Advances in Applied Biolog.edit. H. Coaker, s. 1 - 104

VERHOEVEN, D.T.H., GOLDBOHM, R.A., van POPPEL, G. VERHAGEN, H. and van den BRANDT, P.A. (1996): Epidemiological studies on Brassica vegetables and cancer risk. Cancer Epidem. Biomark. Prev., 5, 733 - 748.

VIRTANEN, A. (1963): Final report on investigations on the alleged goitrogenicproperties of milk. Biochem. Institute, Helsinki, s.226.

WALLSGROVE, R., BENETT, R., KIDDLE, G., BARTLET, E., LUDWIG - MUELLER, J. (1999): Glucosinolate biosynthesis and pest disease interactions. Proc. 10th Int.Rapeseed Congr. Canberra, Australia.

ZUKALOVÁ, H., VAŠÁK, J., FÁBRY, A. (1986): Problematika tvorby glukosinolátů v průběhu zrání semen ozimé řepky. Rostl. výroba 32, 971 -980.

Řešeno vrámci grantu NAZV QE1251: Využití produkčního a biologického potenciálu hybridní a geneticky modifikované řepky ozimé sdůrazem na biofumigační účinky glukosinolátů.

Kontaktní adresa

Ing. Helena Zukalová, CSc., Katedra rostlinné výroby, Česká zemědělská univerzita, Praha 6 - Suchdol, 165 21

tel.: 224382539, fax: 224382535

e-mail: zukalova@af.czu.cz