projektiasiantuntija Hannu Mäkelä Elintarvikealan koordinaatiohanke Pohjois-Karjalassa Yliopistonkatu 6 (Metla-talo) 80101 Joensuu Sähköposti: hannu.makela@pkamk.fi GSM: 050-375 5170 VILJOJEN LAADUSTA JA TERVEYSVAIKUTUKSISTA 1. JOHDANTO Runsaasti kuituja sisältävä ravinto voi laskea erilaisten teollistuneissa maissa tyypillisten kroonisten sairauksien, kuten hormoniriippuvaisten syöpien, sydän- ja verisuonitautien ja aikuistyypin diabeteksen esiintyvyyttä. Ravintokuiduilla tehdyissä kliinisissä kokeissa kokojyvätuotteiden positiivinen vaikutus on ollut puhtaita komponentteja tehokkaampi. Monessa tapauksessa terveysruokana pidetyillä kuiduilla ei ole havaittu olevan yksiselitteistä ja ravinnon muista komponenteista riippumatonta vaikutusta koehenkilöiden terveyteen ja hyvinvointiin. Kokonaisuuden vaikutus on osasten vaikutusten summaa suurempi. FDA (Food and Drug Administration) myönsi USA:ssa 1990-luvun loppupuolella kauratuotteille ns. funktionaalisen elintarvikkeen statuksen, jota voidaan käyttää myös markkinoinnissa Oppikirjamääritelmän mukaan termillä funktionaalinen elintarvike tarkoitetaan elintarviketta, jolla on positiivinen vaikutus yksilön terveyteen ja suorituskykyyn ja joiden terveysvaikutus on tieteellisesti todistettu. Viljojen terveysvaikutukset johtuvat valtaosaltaan korkeasta kuitupitoisuudesta. AACC (American Association of Cereal Chemistry) määritelmän mukaan ravintokuituja ovat ne kasvien syötävät osat tai näille rinnasteiset hiilihydraatit, jotka eivät sula tai imeydy ihmisen ohutsuolessa ja jotka joko täysin tai osittain fermentoituvat ihmisen paksusuolessa. Ravintokuituihin kuuluvat polysakkaridit, oligosakkaridit, ligniini ja näihin liittyneet kasviperäiset yhdisteet. Ravinnekuitu edistää hyödyllisiä fysiologisia vaikutuksia, joihin kuuluvat laksatiivinen vaikutus ja/ tai veren kolesterolin laskeminen ja/ tai veren glukoosipitoisuuden laskeminen. Määritelmä pitää siten sisällään myös ne biokemialliset yhdisteet, jotka ovat puhtaina esiintyessään ruuansulatuselimistön sulatettavissa, mutta jotka kasvien soluseinärakenteen mutkikkuudesta johtuen ovat hydrolyysiltä suojattuja esim. ligniini- ja selluloosakimppujen ympäröiminä. Menetelmällisistä syistä johtuen esim. frukto- ja galakto-oligosakkaridit sekä polydekstroosi kuuluvat joissakin määritelmissä kuitufraktioon, toisissa taas eivät. 2
Pääasialliset kuitukomponentit ovat hyvin stabiileja yhdisteitä, joiden biologinen aktiivisuus on matala. Ravinnekuitujen terveydelliset vaikutukset voidaan jakaa fysikaalisiin, kuten viskositeetista ja geelin muodostuskyvystä johtuviin ja toisaalta fysiologisiin, biokemiallisiin reaktioihin suoraan vaikuttaviin tekijöihin. Biokemialliset komponentit koostuvat luultavasti erilaisista antioksidatiivisia vaikutuksia omaavista yhdisteistä, kuten vitamiineista, fytiinihaposta ja fytohormoneista. Viljojen antioksidatiivisten yhdisteiden pitoisuus on matala esim. marjoihin ja hedelmiin verrattuna. Vaurauden lisääntymistä näyttää seuraavan kasvava riski sairastua erilaisiin syöpiin, sydän- ja verisuonisairauksiin sekä diabetekseen. Tendenssin selitykseksi tarjotaan yleensä tyydyttyneiden rasvojen ja pitkälle jalostettujen hiilihydraattien osuuden kasvua ruokavaliossa. Veren glukoosi-, insuliini- ja lipidipitoisuuden jyrkkä nousu hyvin pian aterian jälkeen näyttää altistuksen pitkään jatkuessa aiheuttavan insuliiniresistenssiä, mikä puolestaan on yhteydessä sekä sokeritaudin että erilaisten syöpien syntyyn. Viljat runsaasti hitaasti sulavia tai täysin sulamattomia komponentteja sisältävinä loiventavat aterian jälkeistä insuliinipiikkiä ja näin ennaltaehkäisevät monien sairauksien syntyä. 2. JYVÄN YLEISRAKENNE JA KEMIALLINEN KOOSTUMUS Kasvisystemaattisesti jyvä on yksisiemeninen pähkylä, jossa hedelmän seinä ja siemen ovat yhteen kasvaneet. Morfologisesti jyvästä erotetaan hedelmän seinä l. perikarppi, testa l. siemenkuori, aleuronikerros, tärkkelysendospermi ja alkio. Rakenteilla on toisistaan poikkeavat funktiot, mikä heijastuu myös niiden kemialliseen koostumukseen. Länsimaisessa ruokakulttuurissa suositaan ravintoarvoltaan köyhää endospermia, joka puhdistetaan poistamalla jyvästä erilaisilla käsittelyillä terveydellisesti hyödyllisimmät osat. Jyvän kuorikerroksissa soluseinät ovat paksuuntuneet suojaamaan alla olevaa tärkkelystä. Kuorikerroksessa sijaitsevat myös kasvin puolustautumisen kannalta merkittävät fytoaleksiinit, joilla on ravitsemuksellista merkitystä antioksidantteina. Soluseinät koostuvat lähinnä -glukaanista, ksylaaneista, selluloosasta ja ligniinistä, joihin liittyneinä voi olla lisäksi erilaisia vahoja, kutiinia ja suberiinia. Näihin assosioituneena voi olla erilaisia substituentteja, kuten asetyyliryhmiä ja kinnamiinihappoa. 3
2.1 Hiilihydraattipitoisuudet Hiilihydraatteihin luetaan molekyylipainoltaan kevyet sokerit (LMW-sokerit), tärkkelys ja ei-tärkkelystä sisältävät polysakkaridit (non-starch polysaccharides, NSP). Ravintokuiduista puhuttaessa viitataan yleensä ligniinin ja NSP-fraktion muodostamaan osaan hiilihydraateista Jyvämateriaalin kuivajauhatusfraktiot sisältävät erilaisia määriä ravintoaineita. Ravinteiden jakaantuminen kokofraktioiden mukaan on pääosin seurausta siitä, että jyvän pääasiallinen komponentti tärkkelys jauhautuu helposti kuitupitoisen kuoriosan jäädessä partikkelikooltaan suuremmaksi. Esimerkiksi kauralla hienojakoisin, halkaisijaltaan alle 420 m aines sisältää proteiinia keskimäärin 9 %, tärkkelystä 60 % ja -glukaania 1 %. Karkeammassa fraktiossa proteiinia oli 15 %, tärkkelystä 48 % ja - glukaania 5 %. Fenolisia yhdisteitä on 1,5 2,6 kertaa enemmän lese- kuin tärkkelysfraktiossa. Lipidit sen sijaan jakaantuvat tasaisemmin molempien fraktioiden välille. Antioksidatiivinen aktiivisuus on selvästi korkein leseessä, joten suhteellisen edullisilla ja yksinkertaisilla menetelmillä voidaan tuottaa ravitsemuksellisesti laadukasta viljajauhoa. Viljojen funktionaalisesti merkitykselliset kuitupitoisuudet jäävät kuitenkin kauas mm. omena- ja appelsiinimehun valmistuksen yhteydessä syntyvän puristejätteen pitoisuuksista. Kauraleseen kokonaiskuitupitoisuus on n. 24 g/ 100 g (kp), josta liukoista kuitua on n. 3,6 g/ 100 g (kp), kun vastaavat luvut ovat omenalla 60 g/ 100 g (kp) ja 13,8 g/ 100 g (kp). Appelsiini sisältää kuitua yhteensä n. 38 g/ 100 g (kp), josta liukoista kuitua on n. 13,6 g / 100 g (kp). Päärynässä (puristejäte) ja maa-artisokassa (kuorimajäte) liukoista kuitua on kummassakin hieman yli 14 g/ 100 g (kp). Terveyteen oleellisesti vaikuttava päivittäisen kuidun tarve on n. 25-35 g, josta mielellään noin 30 50 % tulisi olla liukoista kuitua. 2.2. - glukaanin rakenne -glukaani on haarautumaton polysakkaridi, joka koostuu (1 3) ja (1 4)- -Dglykopyranosyyliyksiköistä. (1 4)-yksiköt sijaitsevat ketjussa yleensä 2 3 molekyylin ryppäinä, kun taas (1 3)-yksiköt ovat yleensä yksittäisinä molekyyleinä. Viskositeetin nojalla on ilmeistä, että glukaaniketju kiertyy satunnaisesti ja ekstensiivisesti. Ketjun alueet, joissa sijaitsee useampia (1 4)-yksiköitä, hydrolysoituvat entsymaattisesti nopeammin kuin (1 3)-yksiköistä koostuvat sekvenssit. 4
-glukaani kuvataan kirjallisuudessa jokseenkin systemaattisesti haarattomaksi glukoosipolymeeriksi, on siinä silti myös pieniä määriä 2,- 3- ja 6- substituoituja glukoosimolekyylejä, mikä merkitsee ketjun haarautuvan jossakin määrin. Ammoniumsulfaatilla saostettu kaupallinen -glukaani voidaan jakaa viskositeetin perusteella fraktioihin, joiden välillä on merkittäviä eroja mm. (1 3)/ (1 4)-sidosten suhteessa. Geelin muodostuskyky ja viskositeetti kasvaa erityisesti niissä molekyylin osissa, jotka sisältävät suuria määriä (1 4)-sidoksia, sillä näissä osissa tri-/ tetraosyylioligosakkaridi-suhde kasvaa ja näin varsinkin pelkistävissä oloissa molekyylien taipumus muodostaa vetysidoksia nousee. Uuttamalla konsentroitu viljan -glukaani koostuu liukoisuudeltaan kahdesta erilaisesta molekyyliryhmästä. Liukoisemman S-tyypin molekyylimassa on keskimäärin 1000 kd ja heikommin vesiliukoisen G-tyypin noin 1100 kd. Molekyyli hydrolysoituu ensivaiheessa lähinnä triooseiksi ja tetrooseiksi. 3. TUNNETUT TERVEYSVAIKUTUKSET Viljoista ainoastaan kauralla on tehty riittävästi hyvän todistusarvon omaavia epidemiologisia tutkimuksia. Runsaasti kauraa sisältävä ruokavalio ilmeisesti tasoittaa jossakin määrin muun ravitsemuksen haittavaikutuksia ja näin osaltaan ainakin hidastaa patologisten tilojen syntyä. Kaikkien viljojen korkeaan kuitupitoisuuteen liittyvät positiiviset vaikutukset ovat kuitenkin todennäköisesti yhtenevät. 3.1 Veren kolesteroli sekä sydän- ja verisuonitaudit Huolella tehdyssä ravintolisäkokeessa testattiin yksi- ja kymmenprosenttisina pitoisuuksina kauran -glukaanin vaikutusta malonaldehydin erittymiseen koehenkilöiden virtsaan. Malonaldehydi (MDA) on yksi lipidien peroksidaation lopputuotteista, joka on määritettävissä virtsasta. Korkea MDA - pitoisuus merkitsee kiihtynyttä oksidatiivista stressiä, joka puolestaan kytkeytyy korkeaan veren kolesterolipitoisuuteen. Sekä miesten että naisten erittämän MDA:n määrä laski erittäin selvästi kokeen aikana, miehillä kuitenkin oletettavasti ravinnon korkeasta energiasisällöstä johtuen hieman vähemmän. Ero 1 % ja 10 % glukaaniravintolisän välillä virtsan MDA-pitoisuuksissa ei ollut merkitsevä, joten todennäköisesti -glukaani ei sinänsä selitä veren kolesterolin laskua. Selitystä oksidatiivisen stressin laskuun voidaan hakea muista liukoiseen kaurafraktioon kuuluvista yhdisteitä kuten aventramideista, joilla on ilmeisesti antioksidatiivisia vaikutuksia. 5
Rotilla kaura on osoittautunut viljoista tehokkaimmaksi veren kokonaiskolesterolin laskijaksi silloin, kun ravinto sisältää kolesterolia. Pelkästään vehnäkuitua ravintolisänä saaneiden rottien plasman kokonaiskolesteroli oli eräässä kokeessa 3,94 mmol/ l, josta HDL-kolesterolin osuus oli 3,16 mmol/ l. Ohralla vastaavat arvo olivat 2,93 mmol/ l (HDL 2,32 mmol/ l.) ja kauralla 3,06 mmol/ l (HDL 2,44 mmol/ l). Kuidun ja kolesterolilisän kombinoinnin seurauksena plasman kolesteroliarvot kohosivat selvästi kaikissa koeryhmissä. Heikoimmin kolesterolin vaikutuksia puskuroi vehnä (kokonaiskolesteroli 8,14 mmol/ l (HDL 4,22 mmol/ l) ja tehokkaimmin kaura (5,17 mmol/l, HDL 2,63 mmol/l). Pelkästään viljaa saaneiden koe-eläinten maksan LDLja HDL-reseptorien määrä oli kaikilla koejäsenillä suurempi kuin viljaa ja kolesterolia nauttineilla. Erot viljojen välillä eivät olleet tältä osin tilastollisesti merkitseviä. Maksan kokonaiskolesterolipitoisuus oli matalin kauralla (0,79 mmol/ l) ja korkein ohralla (1,18 mmol/ l). Kaura ilmeisesti lisää steroidien eritystä, jolloin plasman kolesterolipitoisuus laskee. Kauran kuitujen kolesterolia laskeva vaikutus on vahvistettu myös ihmisellä useissa tutkimuksissa, mutta vaikutusmekanismi on osin selvittämättä. Paljon kaurakuituja sisältävä ateria kiihdyttää sappihappojen eritystä 93 146 % nauttimista seuraavan vuorokauden aikana ja samalla oleellisesti hidastaa sappihappojen imeytymistä takaisin verenkiertoon ohutsuolen loppuosassa. Tilaan liittyy myös endogeenisen kolesterolin erittymisen laskeminen 14 19 %. Molempien muutosten liittyminen kuidun kolesterolia alentavaan vaikutukseen on todennäköistä. Ruuansulatukseen erittyvät sappihapot palautuvat normaalisti hydrolysoituneessa muodossa verenkiertoon ohutsuolen loppupäässä, josta ne kulkeutuvat maksaan syntetoitaviksi osittain takaisin sappihapoiksi. Kuitupitoinen ravinto kuitenkin hidastaa jollakin tavalla sappihappojen kiertoa, jolloin maksa korvaa suolistosta palautumatta jäävät sappihappojen rakenneosat kiihdyttämällä kolesterolin siirtämistä verenkierrosta maksaan. Kolesterolin tehostuvaa absorptiota maksaan indikoi LDL- ja HDL-reseptorien määrän kasvu maksasolukossa. Toistaiseksi ei tiedetä varmuudella kuinka kuitu hidastaa lipidiabsorbtiota suolistossa, mutta pidetään mahdollisena, että jo pelkästään kuidun korkea viskositeetti hidastaa lipidien emulsifikaatiota, lipolyysiä ja mahdollisesti myös siirtoa ohutsuolesta verenkiertoon, jolloin lipidit eivät ehdi imeytyä suolen toiminnan samalla nopeutuessa. Runsaasti rasvoja sisältävä ateria aiheuttaa terveilläkin henkilöillä verisuonten tilapäisen kyvyttömyyden reagoida suonten tilavuutta ohjaaviin ärsykkeisiin. Normaalisti typpioksidi rentouttaa ja laajentaa suonia ja endoteliini supistaa niitä. 6
Nopeasti verenkiertoon imeytyvät lipidit ilmeisesti häiritsevät signaaliyhdisteiden vapautumista, jolloin veren virtausnopeus ei kykene muuttumaan, mistä seuraa kohonnut verisuonitukoksen riski. Luonteeltaan alustavassa tutkimuksessa verrattiin kauran, vehnän ja -tokoferolin vaikutusta veren virtausnopeuteen rasvaisen aterian jälkeen, jolloin havaittiin kauran ja E-vitamiinin palauttavan verenkiertoelimistön reagointikyvyn vehnää tehokkaammin. Kuukauden mittainen säännöllinen kuitu- tai vitamiinilisän nauttiminen aterian yhteydessä ei tehostanut vaikutusta. Positiivinen efekti lakkasi, kun kuidun nauttiminen lopetettiin. 3.2 Viljat ja keliakia Keliakia eli pysyvä gluteenisensitiivinen enteropatia ilmenee erilaisina vatsa- ja suolistovaivoina. Syynä on elimistön herkkyys viljojen gluteenille. Pitkään jatkuessaan sairaus johtaa aliravitsemukseen ja sen aiheuttamiin tiloihin. Tilan toteaminen on yleensä vaikeaa oireiden moninaisuuden ja osin myös puutteellisen diagnostiikan takia. Perinteisesti keliakia todetaan ohutsuolibiopsialla, nyttemmin myös gluteenin vasta-aineet verestä määrittämällä. Tilan toteamatta jääminen on melko yleistä, jolloin seurauksena voi olla mm. anemiaa, kasvuhäiriöitä, depressioita ja osteoporoosia. Sairaus saattaa puhjeta henkilöillä, joilla on perinnöllisen alttius sairastua ja joiden ruokavalioon kuuluu gluteenipitoista ravintoa. Todennäköisesti sairauden puhkeamiseen vaikuttavat myös toistaiseksi tuntemattomat ympäristötekijät, esim. muun ravinnon koostumus. Ruotsissa havaittiin vuosien 1985 1995 välillä äkillinen oirehtivan keliakian yleistyminen alle 2-vuotiaiden ikäryhmässä, jolloin todettujen tapausten määrä nelinkertaistui aiempaan verrattuna. Vuosikymmeneksi kohonnut sairastavuus laski jokseenkin yhtä jyrkästi kuin oli alkanutkin. Keliakiaepidemiaksi nimitettyyn ilmiöön ei ole toistaiseksi löydetty varmaa selitystä. Geneettisesti stabiilissa populaatiossa selittäväksi tekijäksi tuntuivat jäävän ympäristömuuttujat, joita on lähestyttävä epidemiologisesta näkökulmasta. Ennen ja jälkeen epidemian Ruotsissa noudatettiin yleiseurooppalaista suositusta aloittaa viljaa sisältävien valmisteiden ottaminen ruokavalioon 4 kk:n iästä alkaen mieluummin rintaruokintaan kombinoituna. Samalla noin 75 % imeväisistä oli rintaruokinnassa vähintään puolen vuoden ikään saakka. Aikaa ennen ja jälkeen epidemian luonnehti myös viljatuotteiden melko varovainen käyttö ja kauran suhteellisen suuri osuus viljoista. Vuosina 1985 1995 sen sijaan viljavalmisteita otettiin lasten ravintovalikoimaan mukaan aikaisintaan puolen vuoden iässä, kauran osuus imeväisravinnon viljoista laski merkittävästi, viljojen kokonaiskulutus nousi n. 7
kaksinkertaiseksi ja vain noin 50 % lapsista imetettiin vähintään puolen vuoden ikään saakka. Tilastollisesti merkittävät erot näyttävät siten löytyvän rintaruokintajakson pituuden ja gluteenipitoisen ravinnon nauttimisiän suunnalta. Aineisto antaa myös viitteitä siitä, että nimenomaan ravinnon sisältämällä kauralla saattaa olla sairastumista ennaltaehkäisevä vaikutus, mutta tämän todistaminen edellyttää lisätutkimuksia. Toistaiseksi kauraa pidetään kotimaisista viljalajeista ainoana, joka soveltuu myös keliakiaa sairastavien ravitsemukseen. 4. - GLUKAANIEN IMMUNOSTIMULOIVA VAIKUTUS -glukaanit ovat tärkein rakennekomponentti hiivoissa, sienissä ja viljoista erityisesti ohrassa ja kaurassa. Glukaanien immunostimuloivaa vaikutusta on tutkittu lähes yksinomaan hiivoista ja jossakin määrin muista sienikuntaan kuuluvista organismeista eristetyillä glukaaneilla. Sienten ja kauran glukaanien rakenteellisen yhtäläisyyden vuoksi on hyvin todennäköistä, että sienillä saadut tulokset on ulotettavissa koskemaan myös viljan glukaanien vaikutuksia, vaikka epidemiologiset tutkimukset asiasta toistaiseksi puuttuvatkin. Leivinhiivasta (Saccharomyces cerevisae) eristetty -glukaani hidastaa Leishmania major-bakteerin aiheuttamia soluvaurioita altistetuissa hiirissä. Glukaani toimii ilmeisesti epäspesifisenä retikuloendoteelisolukon aktivoijana, mistä seuraa makrofagien synteesin aktivoituminen ja puolustusjärjestelmän tehostuminen. Epäspesifisyyden vuoksi on todennäköistä, että applikaatiota seuraava puolustuksen tehostuminen auttaa elimistöä taistelemaan myös esim. syöpiä vastaan. Yksi harvoista viljojen -glukaanin immunostimuloivaa vaikutusta selvittäneistä tutkimuksista on tehty kauralla. Kokeessa deksametasonilla immunosupressoidut hiiret altistettiin Eimeria vermiformis-loisen ookysteille ja osalle koe-eläimistä annettiin kaurasta eristettyä -glukaania joko ruuansulatuskanavaan intragastrisesti tai ruiskeena parenteraalisesti ihon alle. Mainittu itiöeläimiin kuuluva loinen aiheuttaa nisäkkäillä, linnuilla ja kaloilla kokkidioosia, johon liittyy voimakkaasti alentunut kasvu ja lisääntynyt kuolleisuus erityisesti vastasyntyneillä ja heikentyneillä eläimillä. Glukaanilla hoidettujen eläinten paino laski selvästi hoitamattomia vähemmän, vakavien fysiologisten oireiden määrä oli vähäisempi eikä kuolleisuus altistuksesta huolimatta lisääntynyt. Altistetuilla, mutta hoitamattomilla hiirillä todettiin sen sijaan voimakasta painon laskua sekä useita erityyppisiä sairauksia. Myös kuolleisuus nousi 50 8
%. Taudin leviämisen kannalta oli lisäksi merkittävää, että fekaalisten ookystien määrä oli -glukaanilla hoidetuilla eläimillä alempi kuin hoitamattomilla. Fysiologisesti ero selittyi immunoglobuliinien määrän kasvuna veren seerumissa. Suolistonäytteissä ei havaittu eroja eri käsittelyjen välillä. Spesifisten anti-sporotsoiittisten (sporotsoiitti = itiöeläinten solujen infektoiva, liikkuva itiö) ja merotsoiittisten (merotsoiitti = itiöeläinten liikkuva kehitysvaihe, joka vapautuu infektoidusta isäntäsolusta) immunoglobuliinien (IgG ja IgA) määrä nousi ainoastaan glukaania saaneilla hiirillä. Tulokset viittaavat siihen, että - glukaanit voivat toimia infektiotautien hoidossa terapeuttisena agenttina, joka moduloi suoraan immunopuolustusjärjestelmää. Vaikutusmekanismin fysiologinen tausta ei ole vielä selvillä. Arvioiden mukaan ravinnon kautta saadut glukaanimolekyylit kulkeutuvat verenkiertoon suolistokanavan epiteelissä sijaitsevien follikkeleihin liittyvien M-solujen kautta. M-solut ovat erikoistuneet makromolekyylien kuljettamiseen suolilumenista epiteelin päällä sijaitsevaan imukudokseen. On huomattava, että esim. sienistä eristetyillä terveysvaikutteisilla - glukaaneilla, lentinaanilla ja schizofyllaanilla ei ole immunopuolustusta stimuloivaa vaikusta oraalisesti annosteltuna, mikä saattaa johtua kauran glukaanin suuremmasta molekyylimassasta ja M-solujen erikoistumisesta nimenomaan makromolekyylien siirtämiseen sekä toisaalta kauran glukaanin korkeasta viskositeetista. Suolikanavan sisällön korkea viskositeetti voi hidastaa esim. ookystien kulkeutumista ja näin vaikuttaa ookystien määrään ulosteessa. On mahdollista, että kauran -glukaani indusoi elimistön puolustusjärjestelmää lisäämällä suoraan puolustukseen osallistuvien solujen tuotantoa. 5. KASVIHORMONIEN VAIKUTUKSET Lignaanit ovat heterogeeninen joukko fenyylipropaanidimeerejä, joita tavataan ligniinien yhteydessä kasvien soluseinissä. Erityisen runsaasti näitä yhdisteitä on viljatuotteissa, marjoissa, hedelmissä, pähkinöissä ja joissakin vihanneksissa. Yleensä yhdiste nimetään kasvin nimestä saadulla johdoksella ja resinoli-päätteellä, kuten männyn pinoresinoli. Biologisesti aktiivinen resinolin diglukosidi muuntuu ihmisen paksusuolessa anaerobisesti tiettyjen bakteerilajien metaboliassa ensin aglukoneiksi, edelleen enterodioliksi ja tämä hapettumalla enterolaktoniksi. Laktonit konvertoidaan viimein maksassa mm. glukuronideiksi ja sulfaateiksi, jotka erittyvät kehosta. Viljoissa yleisimpiä lignaaneja ovat sekoisolarikiresinolin diglykosidi ja matairesinoli, joista ensimmäisen on todettu in vivo - rottakokeissa hidastavan paksusuolensyövän puhkeamista ja in vitro estävän rintasyöpäsolujen migraatiota ja 9
kiinnittymistä eli mahdollisesti ehkäisevän etäpesäkkeiden muodostumista. Hiirikokeilla on todettu enterolaktonien kiihdyttävän koe-eläimiin keinotekoisesti siirrettyjen syöpäsolujen apoptoosinopeutta ja hidastavan syöpäsolujen jakaantumista syövän alkuvaiheessa. Vaikutus kuitenkin lakkasi, mikäli ruokavalioon lisättiin rasvoja. Todennäköisesti rasvat häiritsevät kuitumassan fermentoitumista suolistossa ja siten estävät enterolaktonien synteesin. Enterolaktoneilla ei myöskään havaittu vaikutusta aggressiivisesti kasvavaan syöpäsolukkoon. Useista kasvilajeista löydettyjen sekoisolarikiresinolin ja matairesinolin arveltiin aluksi olevan ainoita bioaktiivisia fytohormoneja, mutta näyttää siltä, että esim. viljoissa on suuri joukko muita resinoleja, jotka muuntuvat enterolaktoneiksi suolistossa. Näiden terveydellinen merkitys saattaa myös olla aiemmin löydettyjä resinoleja suurempi. Sekä enterodioli että enterolaktoni ovat hormonien kaltaisia yhdisteitä, joilla on matala affiniteetti estrogeenireseptoreihin. Enterolaktonien roolista hormoniriippuvaisten syöpien, kuten rinta- ja eturauhassyövän ehkäisijänä on epidemologista näyttöä. Poikkeuksellisen matalat veren enterolaktonipitoisuudet näyttävät olevan yhteydessä kohonneeseen rintasyöpäriskiin. Myös plasman erittäin korkea laktonipitoisuus indikoi kohonnutta riskiä naisilla hieman ennen menopaussia. Kasviperäisten lignaanien prosessointi suolistossa eläinperäisiksi enterolaktoneiksi on verraten hidas prosessi; in vitro-kokeissa vain noin 7 % lignaaneista oli muuntunut enterolaktoniksi 48 h:ssa. Lisäksi ravinnon lignaanipitoisuus vaikuttaa suuresti prosessointinopeuteen. Edelleen suoliston mikrobien lajikirjon tulee olla kasviravintoon sopeutunutta ja bakteerien määrä suolistossa tulee olla riittävä. Kuorituissa jyvissä lignaanipitoisuus on selvästi kokojyvää alhaisempi. Enterolaktoni siirtyy vereen todennäköisesti diffuusion avulla korkeasta pitoisuudesta matalampaan. Toistaiseksi on ollut mahdotonta yksilöidä enterolaktonien vaikutusta ihmisten terveyteen kasviravinnon muiden komponenttien vaikutuksista. Selvää kuitenkin on, että runsaasti kasvikuituja nauttivilla ihmisillä muodostuu mikrobitoiminnan ansiosta runsaasti butyraattia ja enterolaktoneja sekä tapahtuu sappihappojen esteröitymistä, joiden kaikkien on osoitettu olevan yhteydessä alentuneeseen sairastumisriskiin monissa ns. elämäntapasairauksissa. Toistaiseksi nisäkkäiden metaboliassa lignaaneiksi muuttuvat yhdisteet toimivat suoliston mikrobiflooran lajikirjoa ja siten ihmisen elämäntapoja ja sairastumisriskiä kuvaavina biomarkkereina. 10
6. BUTYRAATIN VAIKUTUS Butyraatti on lyhytketjuinen rasvahappo, jota muodostuu paksusuolen mikrobien fermentoidessa kasvimassaa, joka sisältää ei-liukoisia kuituja. -glukaanin kaltaisella liukoisella kuidulla vastaava ominaisuus on selvästi heikompi. Erityisen selvästi suolikanavan butyraattipitoisuus nousee, jos kuiduista suuri osa on sulamatonta, - selluloosan tai arabinoksylaanin kaltaista kuitua. Molemmat yhdisteet liittyvät mekanismiltaan toistaiseksi osin tuntemattomaan paksusuolensyövältä suojaavaan tilaan. Korkea butyraattipitoisuus laskee suolen ph:ta, joka toisaalta laskee suolen seinämälle haitallisten sekundaaristen sappihappojen liukoisuutta ja toisaalta luo fermentoiville bakteereille soveliaan ph-ympäristön. Paksusuolensyövän muodostumisriski on korkein nimenomaan suolen loppuosassa lähellä peräsuolta. On mahdollista, että hitaammin sulava kuitu jakaa fermentointituotteena syntyvän butyraatin tehokkaammin suoliston loppupäähän ja näin antaa tehokkaamman suojan kuin jo aiemmin ruuansulatuskanavassa fermentoituva -glukaani. Paksusuolensyövälle on tyypillistä hajottavien matriksimetalloproteaasien (MMP) runsastuminen erityisesti syöpäsolukossa, mikä ilmeisesti edistää pahanlaatuisten solujen leviämistä tuhoamalla suolistokanavaa suojaavaa matriksia. Byturaatti aktivoi MMP:tä inhiboivat TIMP (tissue inhibitor matrix metalloprotease) entsyymit. Oikeanlaisia kuituja riittävästi sisältävä ravinto voi siten hidastaa jopa akuutissa vaiheessa olevan syövän leviämistä. Kuitupitoinen ravinto suosii asidofiilisiä bakteereita, kuten Bifidobacteriumja Lactobacillus-lajeja, joiden metaboliatuotteet ilmeisesti muodostavat happaman ympäristön. Useat karsinogeenisiä metaboliitteja tuottavat suolistobakteerit eivät kykene elämään runsaasti kasvisravintoa käyttävän eliön suolistossa. Liukenemattomien kuitujen paksusuolensyövältä suojaava vaikutus saattaa osin johtua myös kuidun laksatiivisesta vaikutuksesta, joka on sitä tehokkaampi mitä suurempi on kuidun partikkelikoko. Ravinnon kiertäessä mahdollisimman nopeasti ruuansulatuselimistön läpi paksusuolen epiteeli joutuu olemaan lyhyemmän aikaa kontaktissa jätemateriaalin sisältämien karsinogeenien kanssa. 7. KOKOJYVÄN ANTIOKSIDANTIT Ympäristön normaali taustasäteily hajottaa vesimolekyylejä hydroksyyliradikaaleiksi ja elimistön metabolia tuottaa happiradikaaleja. Vapaat radikaalit aiheuttavat DNA-vaurioita ja siten altistavat erilaisille syöville. Lipidien peroksidaatio on myös osin vapaista 11
radikaaleista johtuvaa. Ateroskleroosilla ja radikaaleilla on ilmeisesti yhteys. Elimistön omat entsyymit, kuten superoksididismutaasi, katalaasi ja glutationiperoksidaasi sitovat osan radikaaleista, mutta tärkeänä suojana toimivat myös ravinnosta saatavat antioksidantit. Viljoista on määritetty joukko antioksidatiivisia yhdisteitä. Vesiliukoisia ovat mm. kinnamiinihappo, bentsoehappo ja erilaiset flavonoidit. Rasvaliukoisia ovat mm. tokoferolit, tokotrienolit ja feruliinihapon alkyyliesterit ja pelkästään kaurasta tavattavat alkaloideihin kuuluvat avenatramidit. Nimenomaisesti kaurasta on lisäksi löydetty E-vitamiinia, fytaattia, fenolisia yhdisteitä, flavonoideja ja kasvisteroleja. Kokojyvätuotteet sisältävät erilaisia antioksidantteja joko saman verran tai hieman enemmän kuin yleisesti käytetyt hedelmät ja vihannekset. Viljan prosessointi näyttää lisäävän biosaatavien antioksidanttien osuutta. Viljoista rukiissa on eniten antioksidantteja, seuraavana tulevat ohra, punainen vehnä, valkoinen vehnä, kaura ja ruskea riisi. Jokaisella viljalajilla jyvän pintakerroksen poistaminen laskee antioksidanttipitoisuudet muutamaan kymmeneen prosenttiin kokojyvän vastaavasta. Puhtaista viljaleseistä puolestaan löydetään jopa 10 kertaa puhtaita endospermijauhoja korkeampia pitoisuuksia. Kauran kiillotusjätteen analysointi on paljastanut, että fenoliset antioksidantit, kuten -kumariinihappo ja ferulaatti sijaitsevat pääosin jyvän kuorikerroksessa, ts. tärkkelyspitoisuudella ja fenolisilla yhdisteillä on negatiivinen korrelaatio. Kolmea erilaista avenantramidia sen sijaan tavataan tasaisemmin myös endospermin pintakerroksista, joskin konsentraatio laskee jyvän keskiosiin päin. Bioaktiivisten yhdisteiden määrät viljoissa ovat kuitenkin melko vähäisiä, eikä niillä yksittäisinä komponentteina luultavasti ole ainakaan keskeistä roolia ihmisen ravitsemuksessa. Pääosa esim. antioksidanteista sijaitsee jyvän kuitupitoisimmissa pintakerroksissa, jolloin esim. jalostuksessa on järkevää keskittyä tuottamaan runsaskuituisempia lajikkeita. 7.1 Tokoferolit ja tokotrienolit E-vitamiini on kokoava yleistermi, jota käytettään molekyyleistä, joiden biologinen aktiivisuus ilmenee samalla tavalla kuin -tokoferolin. Kasveissa tavataan kahdeksan erilaista tokolia, jotka voidaan jakaa tokoferoleihin ja tokotrienoleihin. Päätyypit eroavat toisistaan lähinnä rengasrakenteen substituentteina olevien metyyliryhmien sijainnin ja lukumäärän suhteen. Biologinen aktiivisuus ja samalla tehokkuus antioksidantteina ovat tehokkainta niissä muodoissa, joissa substituentit ovat reaktiivisimpia ts. melko inertin 12
metyyliryhmän tilalla on pelkkä reaktiivinen vetyatomi. Kauran tokolit ovat lähinnä täysin metyloituneita -tokotrienoleja. Uudemman tutkimuksen mukaan kaikista Suomessa viljeltävistä viljoista löydettävät E-vitamiiniekvivalentit ovat lähinnä tokotrienoleja, kaurassa pääosin -tokotrienoli-3-molekyylejä. Tokotrienolit sijaitsevat pääosin endospermin subaleuronaalisessa kerroksessa, tokoferolit taas alkiossa. Absoluuttisina määrinä mitaten kaurassa on tokoferoleja ja tokotrienoleja toiseksi eniten kotimaisista viljoista (3,45 g/ g kp, käsittelemätön) ohran (4,8 g /g kp, käsittelemätön) jälkeen. Tokolien biologinen merkitys on kuitenkin vähäinen, sillä kuumakäsittely denaturoi pääosan molekyyleistä ja jäljelle jäävien muotojen tehokkuus E- vitamiiniekvivalenteiksi muutettuna on viljoista pienin (0,5 IU/ kg), kun vastaava arvo on vehnällä 2,7 IU/ kg, ohralla 0,8 IU/ kg ja rukiilla 5,1 IU/ kg. Käsittelemättömän viljan E- vitamiiniaktiivisuudet vaihtelevat välillä 4,7 IU/ kg (kaura) - 22,0 IU/ kg (ruis), mikä osoittaa viljatokolien olevan verraten labiileja yhdisteitä. Viljoja voidaan silti rajoitukset huomioiden pitää hyvinä ravintoaineina, sillä niistä tavataan lähinnä tokotrienoleja. Trienolien ja ferolien kasvava suhde indikoi antioksidatiivisuuden kasvua. 7.2 Fenolihapot Kauran jyvän fenoliset yhdisteet ovat lähinnä kumariini-, kafeiini- ja feruliinihappoja, jotka ovat pääosin esterisidoksin polysakkarideihin, proteiineihin tai soluseiniin sitoutuneita. Näiden yhdisteiden pitoisuudet vaihtelevat välillä 2,2-2,5 mg/ kg. Täysin elintarvikekäytön ulkopuolelle jäävä jyvän akanaosa sisältää erityisesti -kumaraattia, - hydroksibetsoehappoa ja vaniliinihappoa. Yhdisteiden pitoisuudet ovat endospermin fenolisten yhdisteiden pitoisuuksiin nähden n. 20 kertaiset. Flavonoideja viljoissa on ilmeisesti vain vähän. 7.3 Avenantramidit Rakenteellisesti avenantramidit ovat -kinnamyyliantranilaattialkaloideja ja niitä on kuvattu viittä eri tyyppiä (A E). Reaktiiviset substituentit ovat stabiileimmasta reaktiivisimpaan lueteltuna metoksi -, ja hydroksiryhmiä tai vetyioneja. Antramidit muodostuvat ilmeisesti hydrolysoitumalla mm. hiljattain löydetyistä hydroksi- ja metoksiavenalumiinihapon kaltaisista fenolihapoista jyvän endospermissä ja skutellumissa. Ruostesienillä ja sienten soluseinäkomponenteilla tehtyjen altistuskokeiden perusteella aventramidit lienevät fytoaleksiineja, joita kasvi tuottaa puolustautuakseen. 13
7.4 Fytaatti Viljojen siemenissä on runsaasti fytaattia eli myo-inositolin heksa-cis-fosfaattia, joka toimii sekä fosfaattiryhmien että kivennäisaineiden varastona. Fytaatti hajoaa oksidatiivisesti fosfaateiksi ja jäljelle jäävä vapaa myo-inositoliryhmä käytetään mm. pentoosi- ja uroniditähteiden synteesiin soluseinien rakennusaineeksi. Fytiinihappoa kauran jyvissä on 5,6 12,7 mg/ g. Aiemmin arveltiin fytaattiin sitoutuneiden rauta- magnesium- ja kalsiumionien olevan elimistön käytettävissä, mutta ainakin vehnällä saatujen tulosten mukaan fytaatin alkuaineiden biosaatavuus vaihtelee suuresti lajikkeesta riippuen. Monet pitävät viljojen fytiinihappoa ravitsemukseen haitallisesti vaikuttavana yhdisteenä, sillä se kelatoi erittäin tehokkaasti esim. rautaa ja seleeniä. Kauran fytiinihappopitoisuus on korkea ja samalla jyvän fytaasiaktiivisuus on muihin viljoihin verrattuna erittäin matala. Kaurasta on eristetty fytaasia inhiboiva komponentti, josta toistaiseksi osataan sanoa, että se on todennäköisesti molekyylimassaltaan suuri ja tiukasti jyvän muihin kemiallisiin komponentteihin sitoutunut. Fytaasi-inhibiittorin vuoksi runsaasti kauraa nauttivat ihmiset saattavat kärsiä joidenkin mineraalien puutteesta. Ainakin kanoilla tehdyssä syöttökokeessa nimenomaan kaurakuidut heikensivät jossakin määrin ravintoon lisätyn raudan biosaatavuutta. Syyksi arveltiin nimenomaan kauran vehnää ja maissia suurempaa fytaattipitoisuutta. Esiteollisena aikana vilja kuorittiin ennen jauhamista huhmareessa vähäisessä vesimäärässä, mikä nostaa jyvien lämpötilaa ja kosteutta tasolle, jolla viljojen omat fytaasit aktivoituvat. Aiempia menetelmiä simuloivassa kokeessa havaittiin vehnän, ohran ja rukiin fytiinipitoisuuden laskevan 46 77 %, mutta kauralla ainoastaan 8-26 %, mikä ilmeisesti johtuu kauran fytaasien matalasta optimilämpötilasta (37 C versus 55 C). Veden korvaaminen etikkapuskurilla tehosti fytaatin hajoamista. Tällöin jauhatuksen jälkeen fytaattipitoisuudet olivat kaikissa viljoissa alle 10 % alkuperäisestä. Rottakokeissa fytaatilla on todettu olevan syövän syntyä ehkäisevä tai hidastava vaikutus. Fytatti kykenee sitomaan divalentteja kationeja eli toimimaan antioksidanttina sekä katalysoimaan lipidien peroksidaatiota. Kumpaakaan ominaisuutta sinänsä ei ole vielä kyetty osoittamaan syöpäkasvaimiin vaikuttavaksi. Fytaatti kuitenkin hidastaa pahanlaatuisten solujen muodostumista ja lyhentää syöpäsolujen elinkaarta riippumatta siitä annostellaanko yhdiste ravintoon luonnollisessa muodossa vai puhdistettuna. Vaikutus on toistaiseksi osoitettu in vivo rottakokeissa paksusuolensyövällä 14
ja rintasyövällä. Konsentroidun yhdisteen teho on suurin luonnollisen fytiinihapon puuttuessa ravinnosta. Ihmisen terveyden kannalta todennäköisesti merkittävämpää on ravinnon sisältämien antioksidanttien kyky kelatoida soluille haitallisia happi- ja hydroksyyliradikaaleja kuin se, että fytaatti saattaa jossakin määrin kelatoida myös elimistön tarvitsemia alkuaineita. 8. VILJAN RAVINTEIDEN BIOSAATAVUUS JA PROTEIINIEN LAATU Proteiinien hyödyntämisasteella, biologisella arvolla ja typen sulavuudella on heikko tai kohtalainen negatiivinen korrelaatio (P < 0,05 0,01) ravinnon kokonaiskuitupitoisuuden ja liukoisen -glukaanipitoisuuden kanssa. Sen sijaan muut ravinnon laatua kuvaavat yleisen tason muuttujat (hiilihydraatti-, rasva-, proteiini-, tärkkelys- ja tuhkapitoisuus) eivät korreloi typen saatavuuden kanssa. Hieman yllättäen -glukaanipitoisuudella ja raakaproteiinin sulavuudella on selkeä positiivinen korrelaatio (P < 0,01 0,001) in vitro. Typen hyödyntämisaste mitataan varsinkin in vivo-kokeissa yleensä analysoimalla fekaalisen typen määrä ja vertaamalla sitä ravinnon typpipitoisuuteen. Runsaasti kuituja sisältävästä ravinnosta tällä menetelmällä saadut tulokset sisältävät todennäköisesti jonkinasteisen systemaattisen virheen, sillä kuitupitoinen ravinto lisää voimakkaasti suoliston mikrobiaktiivisuutta ja fekaalisen mikrobimassan määrää, jolloin ulosteen proteiinipitoisuus väistämättä kasvaa. Viljoista erityisesti rukiissa on runsaasti proteinaasi-inhibiittoreita, joiden katsotaan heikentävän viljojen ravitsemuksellista laatua. Ohran endospermissä trypsiiniinhibiittoreita on noin 50 % rukiin vastaavasta (2,9 IU/ g kp) ja kaurassa sekä vehnässä noin 10 % rukiin sisältämästä määrästä. Kauran alkiossa vastaava aktiivisuus on noin 1,1 IU/ g (kp). Rukiin alkiossa aktiivisuus on n. 10-kertainen, ohran n. yhdeksänkertainen ja vehnän n. kolminkertainen kauraan verrattuna. Kaurasta on löydetty yhdeksän erilaista kymotrypsiini- ja neljä trypsiini-inhibiittoria. Ihmisravitsemuksessa proteinaasiinhibiittoreilla ei luultavasti ole sanottavaa merkitystä, sillä osa inhibiittoreista denaturoituu ruuanvalmistuksen yhteydessä ja loput vatsahappojen vaikutuksesta. Kotieläimille inhibiittoreilla sen sijaan voi olla vaikutuksensa. 15