09 Mar Più amido resistente e fibra nella farina per migliorare la salute umana
Studio molto interessante che parte dal concetto di migliorare la salute della popolazione.
AUTORI: Peter R. Shewry; Brittany Hazard, Alison Lovegrove; Cristobal Uauy
PREMESSA
Ridurre la prevalenza delle malattie legate all’alimentazione, inclusi l’obesità e il diabete di tipo 2, è una sfida importante per gli operatori sanitari, i produttori di alimenti e i governi sia nei paesi sviluppati che in quelli in via di sviluppo.
I cereali sono obiettivi chiave per affrontare questa sfida in quanto sono alimenti di base in tutto il mondo e le principali fonti di energia (derivate principalmente dall’amido) e fibre alimentari. Il programma Designing Future Wheat supportato dal Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) del Regno Unito si concentra sulla manipolazione del contenuto e della composizione di amido e fibra per migliorare gli impatti sulla salute, inclusa la riduzione della risposta glicemica e un miglioramento della fermentazione nel colon. Questo lavoro sta contribuendo allo sviluppo di cultivar migliorate da allevatori e alimenti da trasformatori.
Il ruolo del grano nella nutrizione e nella salute
Il grano è stato il raccolto alimentare di base nel Regno Unito e in Europa per millenni e, sebbene il suo contributo alle diete sia diminuito negli ultimi anni con una maggiore prosperità e disponibilità di una gamma più ampia di alimenti, continua a sostenere la nutrizione e la salute della stragrande maggioranza della popolazione.
Ogni anno nel Regno Unito vengono prodotte circa 5,5 milioni di tonnellate di farina di frumento, di cui circa il 45% è farina bianca e il 5% è farina integrale per la panificazione commerciale e circa il 10% è farina per biscotti e torte. Queste cifre dimostrano non solo il continuo predominio del pane bianco, che potrebbe sorprendere molti lettori alla luce della promozione dei benefici per la salute dei prodotti integrali, ma anche la pervasività del grano nel sistema alimentare. Quindi, non sorprende che il pane da solo contribuisca a circa il 10% dell’energia e delle proteine totali e il 20% delle fibre alimentari totali (DF) nel Regno Unito.
La farina bianca viene prodotta mediante macinazione, che separa l’endosperma amidaceo (che rappresenta oltre l’80% del grano intero) dall’embrione e dagli strati esterni (Figura 1). La farina bianca è quindi altamente raffinata, composta per circa l’85% da amido e per il 5% da fibre, contro il 75% e l’11% -15% di questi componenti, rispettivamente, nella farina integrale. Gli alimenti ricchi di amido altamente raffinati tendono ad essere rapidamente digeriti nell’intestino tenue, portando a un forte picco della glicemia, un fattore di rischio del diabete di tipo due (T2D) se si verifica abitualmente. Pertanto, il ruolo del grano nell’aumento del T2D e di altre condizioni avverse associate alla “dieta occidentale” è stato ampiamente dibattuto.
Figura 1
I principali carboidrati nel chicco di grano e nella farina: amido (amilosio e amilopectina) e fibre (arabinoxilano e β-glucano). L’amido si trova nelle cellule dell’endosperma amidaceo. Consiste di due popolazioni di granuli, granuli A grandi con un diametro compreso tra 5 e 40 μm e granuli B a forma di disco e piccoli con diametro <10 μm e quasi sferici, che possono essere digeriti a velocità diverse. Arabinoxylan e β-glucan sono componenti della parete cellulare. La composizione e la struttura dell’amido sono determinate dalle attività delle sintasi dell’amido (SS e GBSS), degli enzimi di ramificazione dell’amido (SBE) e degli enzimi di debranching dell’amido (SDE) e possono essere manipolate dalla sotto-regolazione di questi enzimi.
Il programma “Designing Future Wheat”, finanziato dal Consiglio britannico per la ricerca in biotecnologia e scienze biologiche
L’importanza del grano nella sicurezza alimentare è riconosciuta dal Consiglio britannico per la ricerca in biotecnologie e scienze biologiche (BBSRC) che sostiene il programma Designing Future Wheat (DFW). Il Regno Unito ha una solida base di ricerca sul grano e DFW ha riunito diversi gruppi in un programma integrato di “pre-allevamento” quinquennale (2017-2022) che comprende otto partner con un budget totale di 24 milioni di sterline. Il programma lavora a stretto contatto con gli allevatori, fornendo germoplasma e strumenti (marcatori molecolari) migliorati per facilitare il miglioramento delle colture e con altre parti interessate. Ha una chiara focalizzazione sulle preoccupazioni e le priorità dei consumatori, compreso il ruolo del grano in una dieta sana. Poiché i prodotti a base di farina bianca continuano a essere dominanti, Figura 1 ).
Ridurre la digeribilità dell’amido di frumento nel tratto gastrointestinale
Un obiettivo importante è ridurre la digeribilità dell’amido negli alimenti a base di grano in quanto ciò dovrebbe portare a un rilascio di glucosio più lento e a un aumento più graduale dei livelli di glucosio nel sangue. I tassi di digestione dell’amido e l’assorbimento del glucosio nel tratto gastrointestinale superiore (GI) sono influenzati da una serie di fattori, tra cui le strutture dei polimeri dell’amido, la loro organizzazione in granuli, la presenza di fibre e gli effetti della lavorazione (Figura 2).
Figura 2
Fattori che controllano la digestione e la fermentazione dell’amido nel tratto gastrointestinale umano
La maggior parte degli amidi è facilmente digeribile nel nostro intestino tenue, ma l’amido resistente (RS) resiste alla digestione e raggiunge il colon intatto. È, quindi, un componente di DF (vedi sotto). Nonostante i suoi potenziali benefici per la salute, il consumo generale di RS è basso, probabilmente circa 3 g / giorno. Tuttavia, questo può essere affrontato aumentando i livelli di RS negli alimenti di base ampiamente consumati come il grano.
L’amido è composto da due polimeri del glucosio: l’amilosio (∼20% –30%), che ha lunghe catene con pochi rami, e l’amilopectina (∼70% -80%), che è altamente ramificato (Figura 1). Per la sintesi di amilosio e amilopectina sono necessari tre tipi di enzimi: sintesi dell’amido e sintesi dell’amido legata ai granuli (rispettivamente SS e GBSS), enzimi di ramificazione dell’amido (SBE) ed enzimi di deaminazione dell’amido (DBE). I polimeri di amido formano granuli che hanno strati amorfi e cristallini alternati; l’impaccamento ordinato di catene corte di amilopectina fornisce la cristallinità, mentre sia l’amilopectina che l’amilosio contribuiscono all’amido amorfo. Gli amidi con livelli elevati di amilosio tendono ad avere livelli elevati di RS, mentre altre caratteristiche della struttura del polimero influenzano anche la digeribilità, comprese le dimensioni molecolari, la quantità di ramificazioni e la lunghezza della catena del glucosio.
I livelli di amilosio e RS nel grano possono essere aumentati modificando la biosintesi dell’amido, l’approccio principale è quello di down-regolare SS e SBE (Figura 1). Tuttavia, gli effetti negativi sui componenti della resa, compreso il peso del grano, e sulla qualità del grano rendono difficile lo sviluppo commerciale di queste linee.
Mirare ad altri geni chiave della biosintesi dell’amido o produrre nuove combinazioni di alleli mutanti può offrire un’opportunità per raggiungere livelli elevati di RS riducendo al minimo gli impatti sulla resa e sulla qualità. Fino a poco tempo, questo è stato particolarmente impegnativo nel grano a causa della mancanza di risorse genomiche e della presenza di copie geniche correlate (omeologhi) nei tre genomi (A, B, D) del grano tenero esaploide. Tuttavia, i progressi nelle risorse genomiche del grano, in particolare la cattura dell’esoma e il risequenziamento dei mutanti TILLING del grano, consentono di identificare e combinare mutazioni indotte in diversi geni (inclusi omeologhi) mediante incroci supportati da selezione assistita da marcatori.
Il processo di lavorazione ha anche forti effetti sulla digeribilità dell’amido negli alimenti.
Durante la cottura, l’amido viene gelatinizzato e l’amilosio fuoriesce dalla matrice gonfia di amilopectina del granulo, rendendolo più digeribile. Quando l’amido si raffredda, si verifica la cristallizzazione o la retrogradazione dei polimeri. Le molecole di amilosio si cristallizzano rapidamente per formare strutture più resistenti alla digestione, mentre l’amilopectina retrograda molto più lentamente, rimanendo suscettibile all’idrolisi. Pertanto, comprendere gli effetti della lavorazione sulla digeribilità di nuovi amidi di frumento è fondamentale per fornire più RS ai consumatori. Ad esempio, abbiamo dimostrato che la digeribilità dell’amido nei mutanti di grano duro sbeII diminuisce dopo la lavorazione.
Lo sviluppo di mutanti dell’amido di frumento faciliterà anche gli studi di intervento sugli esseri umani. Sebbene l’Autorità europea per la sicurezza alimentare (EFSA) abbia approvato un’indicazione sulla salute secondo cui la sostituzione dell’amido digeribile con RS (mais ad alto contenuto di amilosio) negli alimenti cotti al forno ad alto contenuto di carboidrati porta a una risposta glicemica inferiore dopo un pasto, i livelli target per RS nell’amido di frumento non sono stati definiti. Inoltre, il comportamento degli amidi di frumento ad alto RS nel tratto gastrointestinale non è stato studiato. La progettazione di studi sull’intervento umano con alimenti complessi è impegnativa, con confronti spesso effettuati tra diversi tipi di alimenti. I nuovi tipi di grano con specifiche modificazioni dell’amido qui descritti, ad esempio, lo sbeII mutanti, consentiranno studi di intervento più precisi per misurare gli effetti sulla digestione e sulla risposta glicemica.
Questi studi, quindi, sosterranno lo sviluppo di indicazioni sulla salute per la RS nel grano e i livelli di assunzione giornaliera raccomandati per alimenti modificati a base di grano, oltre a identificare obiettivi per i coltivatori di grano.
Aumentare il contenuto di fibra alimentare (DF) derivata dalla parete cellulare nella farina
La DF è prevalentemente derivata da alimenti vegetali. È essenziale per la salute, avendo una serie di benefici che includono l’abbassamento della risposta glicemica, l’abbassamento della pressione sanguigna e del colesterolo sierico e la riduzione dell’incidenza di alcuni tipi di cancro. Questi benefici derivano in parte dagli effetti fisici, ma anche dalla fermentazione nel colon per produrre acidi grassi a catena corta (acetato, propionato e butirrato) che hanno effetti benefici. Mentre la fibra solubile viene fermentata principalmente nel colon prossimale, la fibra insolubile viene fermentata principalmente nel colon distale (riducendo gli effetti dannosi della fermentazione proteica). L’aumento del contenuto di fibre sia solubili che insolubili, quindi, migliorerà i benefici per la salute della farina di grano bianco.
L’assunzione raccomandata di DF è di 30 g / giorno per gli adulti. Tuttavia, pochi individui raggiungono questo livello, con l’attuale assunzione di circa 18 g. Circa il 40% dell’assunzione di DF nel Regno Unito proviene dai cereali e circa la metà dal pane (e la metà dal pane bianco) (Figura 3). Aumentare il contenuto di fibre del grano è, quindi, una strategia interessante per fornire benefici per la salute a grandi popolazioni.
Figura 3
Fonti attuali di fibre nella dieta degli adulti del Regno Unito. Il pane integrale contribuisce per circa il 20% e il pane bianco contribuisce alla metà di questo.
La DF comprende oligomeri e polimeri di carboidrati che non vengono digeriti e assorbiti nell’intestino tenue e sono parzialmente o completamente fermentati nel colon. I componenti principali nei tessuti vegetali sono i polisaccaridi della parete cellulare, insieme alla lignina, ove presente. Le pareti cellulari dell’endosperma amidaceo del grano comprendono circa il 70% di arabinoxilano (a volte chiamato pentosano) e il 20% di β-1,3-1,4-D-glucano (β-glucano), con piccole proporzioni di altri polisaccaridi (Figura 1). Questi componenti insieme rappresentano il 2% –3% del peso secco della farina bianca, mentre altri componenti DF (in particolare frutto-oligosaccaridi e amido resistente) insieme rappresentano un ulteriore 2% –3% del peso secco. Quindi, il DF totale rappresenta circa il 5% del peso secco della farina bianca.
Poiché AX forma la metà del DF totale nella farina bianca, questa frazione è stata l’obiettivo principale della ricerca. Un confronto di farine bianche da 150 genotipi di grano ha mostrato un’ampia variazione nel contenuto totale di arabinoxilano (AX), da circa l’1,4% al 2,8% in peso secco, con tra un quarto e la metà del totale solubile. Inoltre, circa il 70% della variazione in AX totale e il 60% di quella in AX solubile potrebbe essere ascritta al genotipo, il che significa che la variazione dovrebbe essere suscettibile di sfruttamento da parte degli allevatori.
Il confronto dei genotipi ha inoltre identificato due cultivar con contenuti insolitamente elevati di AX, la cultivar cinese Yumai 34 e la cultivar francese Valoris. Abbiamo quindi analizzato un incrocio tra queste due cultivar e un incrocio tra Yumai 34 e altre tre cultivar e identificato due regioni cromosomiche che controllano proporzioni sostanziali della variazione di AX totale nella farina; questi sono sul cromosoma 1B da Yumai 34 e sul cromosoma 6B da Valoris. Abbiamo anche sviluppato un marcatore molecolare per la regione del cromosoma 1B e lo abbiamo convalidato in linee ad alto valore AX prodotte mediante allevamento convenzionale. L’uso del marcatore molecolare aggira la necessità di un costoso screening chimico a bassa produttività e consente la selezione di linee ad alto valore AX prima all’interno del processo di selezione (Figura 4).
Figura 4
Aumentare il contenuto di fibre nel pane bianco identificando e sfruttando la variazione genetica in collaborazione con allevatori e trasformatori
Il lavoro attuale si sta concentrando sull’identificazione di ulteriori fonti genetiche di aumento del contenuto sia di AX che di β-glucano, al fine di combinarli con le due regioni cromosomiche discusse sopra (1B e 6B). Gli impatti degli aumenti di questi componenti DF sulla salute umana saranno quindi determinati in collaborazione con scienziati biomedici.
Conclusioni
Il programma DFW sta sviluppando tipi di grano migliori per la salute umana diminuendo la digeribilità dell’amido e aumentando il contenuto di DF (Figura 4). Queste linee di grano offrono anche l’opportunità di esplorare gli effetti sulla salute umana utilizzando studi di intervento. Tuttavia, la loro consegna in prodotti migliorati richiede l’impegno di allevatori, trasformatori e rivenditori, nonché la domanda da parte dei consumatori. Affinché ciò avvenga, è fondamentale che i frumenti “migliorati” abbiano prestazioni agronomiche costanti, buone proprietà di lavorazione e un’elevata accettabilità da parte del consumatore senza aumentare i costi; il programma DFW sta lavorando per garantire che sia così!
Qui sotto lo studio in lingua originale.
Improving starch and fibre in wheat grain for human health
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