Aminosyraprofiler, totalkväveinnehåll och förhållandet mellan beräknad och proteineffektivitet i Manihot esculenta-rot och Dioscorea rotundata-knölskal

Abstract

Tubulösa rötter av maniok och jams är viktiga källor till kolhydrater för människor, alternativa energikällor i djurfoder och stärkelsekelseskällor i småskaliga industrier. Undersökningar av aminosyraprofiler, totalkväveinnehåll och beräknad-proteineffektivitetskvot (C-PER) av knölrotsskal från Manihot esculenta Crantz och Dioscorea rotundata Poir. genomfördes. Aminosyraanalysen utfördes med hjälp av jonbyteskromatografiska metoder. Totalkvävehalten mättes med mikro-Kjeldahl-metoden. C-PER beräknades med hjälp av en regressionsekvation. De koncentrationer av aminosyror som upptäcktes i kassavaskal varierade mellan 0,54 och 6,54 g/100 g protein, medan koncentrationerna av aminosyror i jamsskal låg mellan 0,37 och 6,25 g/100 g protein. Den totala koncentrationen av aminosyror i kassavaskal var inte signifikant () högre än i jamsskal. Poängen för essentiella aminosyror visade att Phe + Tyr och Met + Cys var de mest förekommande respektive begränsande aminosyrorna i kassava- och jamsskal. Det procentuella kväveinnehållet och C-PER i kassava-skalen var signifikant () högre än i yam-skalen. Kassava- och yamskalen var inte källor till proteiner av god kvalitet. Därför bör användningen av kassava- eller jamsskal som djurfoder kompletteras med andra källor som är rika på proteiner av god kvalitet.

1. Introduktion

L-α-Aminosyror är de primära källorna till kväveatomer för biologiska system. De är prekursorer för biosyntesen av kväveföreningar såsom hem, puriner, urea, pyrimidiner, hormoner, neurotransmittorer, biologiskt aktiva peptider och proteiner . Av de över 300 naturligt förekommande aminosyrorna används exakt 20 aminosyror i biologiska system för att bilda stora grupper av proteinmolekyler . Näringsforskare har visat att människor och andra däggdjur saknar förmåga att syntetisera cirka 10 av de 20 L-α-aminosyror som finns i proteiner i tillräckliga mängder för att stödja tillväxt hos spädbarn eller för att upprätthålla välbefinnandet i vuxen ålder. Följaktligen måste kost för människor och boskap innehålla tillräckliga mängder av dessa näringsmässigt viktiga aminosyror, medan de återstående näringsmässigt oviktiga aminosyrorna lätt kan biosyntetiseras från ämnesomsättningsvägar som inbegriper amfiboliska intermediärer . Aminosyror som Leu, Ile, Trp, Lys, Phe och Tyr kallas ketogena eftersom de är prekursorer för syntesen av ketonkroppar, nämligen aceton, acetoacetat och β-hydroxybutyrat, medan Arg, Gln, His, Pro, Ile, Met, Thr, Val, Phe, Tyr, Asp, Asn, Ala, Cys, Gly, Ser och Trp kallas glukogena eftersom de kan metaboliseras till glukos och glykogen. Ile, Trp, Tyr och Phe är dock både ketogena och glukogena, medan Lys och Leu är strikt ketogena .

Den kostmässiga kvantiteten och kvaliteten på proteiner beror på källan till livsmedelsmaterialet. Kostprotein kan uppvisa olika fysiokemiska egenskaper när det gäller deras smältbarhet och biotillgänglighet samt motsvarande biologiska värde . Ur näringssynpunkt definierar proteineffektivitetskvoten (PER) kvoten mellan den mängd protein som konsumeras och motsvarande kroppsvikt som djuret får. Genom att härleda detta beskriver den beräknade proteineffektivitetskvoten (C-PER), som tidigare rapporterats, en användbar parameter för utvärdering av proteinkvaliteten . För det mesta anses animaliskt protein vara överlägset vegetabiliskt protein eftersom det kan upprätthålla en positiv kvävebalans i kroppen genom att tillhandahålla alla essentiella aminosyror även som den enda kvävekällan i fodret . Dessutom är växtproteiner i allmänhet inte lika väl smälta och assimilerade som animaliska proteiner . Studier har dock visat att proteiner från växtprodukter som majsgroddar, sojabönor, vetegroddar och jäst ger ungefär samma andel aminosyror som animaliska proteiner .

Tillsammantaget ger knölrötter av Manihot esculenta Crantz (kassava) och Dioscorea rotundata Poir. (yam) är viktiga källor till kolhydrater i kosten för människor, alternativa energikällor i djurfoder och källor till stärkelse i småskaliga industrier. Okigbo konstaterade i sin rapport att skalen av kassavarot innehåller något mer protein än vad som finns i den stärkelserika parenkymdelen av hela roten. Några kassavabaserade produkter som är kända under sina lokala namn är abacha, fufu, farinha, lio-lio, tapioka och garri. Det tropiska bältet i Afrika producerar mer maniokrötter än resten av världen tillsammans, med en produktionsnivå som 2010 uppgick till över 230 miljoner ton.

En tvärsektion av en maniokrot avslöjar tre distinkta lager . Det yttersta lagret eller det peridermala området av kassavaroten väger ungefär 0,5-2,0 % av den totala våta rotvikten. Den kortikala parenkymet mäter mellan 1 och 2 mm tjockt och innehåller de flesta av de cyanogena glykosider som finns i kassavarot. Det första steget i bearbetningen av maniokrot till olika produkter innebär att det yttre höljet avlägsnas manuellt med hjälp av en kniv.

Yamknölen är vanligtvis cylindrisk till formen och väger 3-5 kg. Formen och storleken kan dock variera på grund av genetiska och miljömässiga faktorer . Även om det finns över 200 arter av jams, är endast 10 arter baslivsmedel i tropikerna. År 2005 producerades 48,7 miljoner ton jams på fem miljoner hektar i cirka 47 länder i världen, varav 97 procent av produktionen skedde i Afrika söder om Sahara . Jams äts ofta kokt, stekt och rostad eller stampad till vit pasta eller mörkbrun pasta som kallas Amala i södra Nigeria, som är en populär lokal delikatess i Yorubas land som görs av jams pulver. Liksom andra knöl- och rotfrukter börjar bearbetningen av yamknölar med att man tar bort det yttre höljet med hjälp av en kniv. Näringssammansättningen och energivärdet hos olika sorters jams har beskrivits på andra ställen. Tvärsnittet av en mogen yamknöl enligt beskrivningen avslöjar en yttre del eller korkig periderm och inre cortex under peridermen, som innehåller en liten mängd lagrad stärkelse. Det meristematiska skiktet består av tunna väggar av celler från vilka groddarna startar. I jordvävnaden finns kärlbuntar och ett stort antal stärkelserika celler. Yamskalen består mestadels av den korkiga peridermen, cortex och det meristematiska skiktet.

En av flera åtgärder för att övervinna de stora utmaningarna för livsmedelsförsörjningen i Nigeria innebär maximalt utnyttjande av livsmedelsgrödor, där de biprodukter och det avfall som genereras under bearbetningsstadiet förvandlas till användbara och konsumtionsdugliga produkter. Inom djuruppfödningen är skal av kassava och yam billiga källor till foder för boskap . Ruminanter smälter fiberinnehållet i skalen med hjälp av mutualistiska mikroorganismer till metan, koldioxid, ättiksyra, propionsyra och smörsyra, som absorberas av djuret (värddjuret) som en viktig energikälla. I de småskaliga jordbruksbaserade industrierna understryker dock kassavaskalens inverkan på miljöföroreningar behovet av att omvandla detta avfall till användbara produkter, vilket bidrar till att öka det livsmedelsmässiga och ekonomiska värdet av kassavarötter och i förlängningen även av yamknölar. Följaktligen genomfördes undersökningar av aminosyraprofilen, totalkväveinnehållet och C-PER i rotknölsskal av M. esculenta och D. rotundata för att fastställa deras kollektiva potential att tjäna som lättillgängliga källor till aminosyror och kvalitetsprotein för att upprätthålla en positiv kvävebalans i kroppen.

2. Material och metoder

2.1. Insamling av kassava- och yamprover

Mogna och friska rötter av sorten ”bitter” kassava (M. esculenta) och sorten ”vit” yam (D. rotundata Poir.) skördades under den våta säsongen, den 16 augusti 2015, från Ofkaja Farm i Uruagu-Nnewi, delstaten Anambra (latitud 6°20′N; longitud 7°00′E), Nigeria, som ligger i regnskogsbältet. Kassavarötterna och yamknölarna transporterades till laboratoriet inom 24 timmar, identifierades och autentiserades av Dr. F. N. Mbagwu vid Herbarium of the Department of Plant Science and Biotechnology, Imo State University, Owerri, Nigeria. Proverna har kupongnummer IMSUH 076 och IMSUH 116 för yamknölar respektive kassavarötter.

2.2. Sköljning och torkning

Kassavarötterna och yamknölarna tvättades under kontinuerlig ström av kranvatten i 5 minuter för att avlägsna jordmaterial och torkades därefter torrt med hjälp av torkpapper. Det yttre höljet på kassavarötterna och yamknölarna avlägsnades manuellt med hjälp av en rostfri kökskniv. Kassava- och yamskalen samlades separat på brickor av rostfritt stål och torkades i ugn (Gallenkamp Oven 300 plus series, England) vid 150 °C i 24 timmar. Proverna värmdes upp vid en sådan temperatur eftersom denaturering av proteiner genom värme främst påverkar vätebindningarna utan att bryta de kovalenta bindningarna i polypeptiden. De torkade skalen kyldes ner till rumstemperatur (°C), maldes till pulver och förvarades i sterila glasburkar med skruvlock tills de används för ytterligare analyser.

2.3. Analys för sammansättning av aminosyror

Analys av aminosyror utfördes med hjälp av jonbyteskromatografi (IEC) enligt beskrivning av Spackman et al. , Ibegbulem et al. och Ibegbulem och Belonwu . Proverna avfettades och syradigererades innan de smältades i aminosyraanalysatorn. I korthet avfettades de torkade skalen av kassava och yam enligt standardmetoder. En mängd (6 g) av de pulveriserade kassavaskalarna vägdes och överfördes till en extraktionshatt. Extraktionen av de fettlösliga ämnena i skalen utfördes med hjälp av en blandning av kloroform och metanol (2:1; v/v) i en Soxhlet-extraktionsapparat. Därefter överfördes 4 g av de avfettade pulveriserade skalen till en glasampull. En volym (8 ml) av 6 N HCl tillsattes till provet och syre uteslöts från provets och syrablandningens närhet genom att gasformigt kväve släpptes in i glasampullen. Ampullen förseglades över en Bunsenbrännarlåga, överfördes till en ugn (Gallenkamp Oven 300 plus series, England), förinställd på 105 ± 5 °C, och fick stå i 22 timmar. Därefter fick ampullen svalna till rumstemperatur, innehållet frigjordes genom att spetsen bröts och filtrerades med hjälp av Whatman-filterpapper nr 52 . Filtratet förångades till torrhet i en varmluftsugn (Gallenkamp Oven 300 plus series, England). Resterna löstes slutligen upp i 5 ml acetatbuffert (pH = 2,0) och förvarades i ett plaströr vid en frystemperatur på -4 °C tills de används för analyser. En volym på 10 μL av digesten fördelades i patronen i Technicon Sequential Multisample (TSM) aminosyraanalysatorn (Technicon Instruments Corporation, New York). Den automatiserade analysen pågick i 76 minuter. Hela förfarandet upprepades för de pulveriserade yam-skalen. Koncentrationen av varje fri aminosyra var proportionell mot den toppyta som markerades av en integrator som var ansluten till TSM-analysatorn.

2.4. Upplösning av Asp, Asn, Glu och Gln-innehållet i provet

Innehållet av Asp och Asn samt Glu och Gln löstes enligt beskrivningen av Ibegbulem och Ibegbulem et al. genom att använda förhållandet 5,3/4,3 för Asp till Asn och 6,3/4,2 för Glu till Gln. Aminosyror som Asp, Asn, Glu och Gln har en genomsnittlig procentuell förekomst på 5,3, 4,3, 6,3 respektive 4,2 i 1150 proteiner med kända aminosyresekvenser (Nelson och Cox, 2008). De uppskattade totala halterna av Glu (Glx) och Asp (Asx) i kassava- och yamskalen var 6,54 respektive 6,00 och 6,25 respektive 5,81.

2,5. Beräkning av aminosyragrupperingar

Beräkningen av total aminosyra (TAA), total essentiell aminosyra (TEAA), total icke-essentiell aminosyra (TNEAA), total sur aminosyra (TAAA) och total basisk aminosyra (TBAA) i ett prov beräknades enligt beskrivningen av Ibegbulem et al. Total glukogen aminosyra (TGAA) beräknades genom att summera koncentrationerna av Arg, Gln, His, Pro, Met, Thr, Val, Asp, Asn, Ala, Cys, Gly och Ser medan de totala ketogena aminosyrorna (TKAA) beräknades genom att summera Lys- och Leu-innehållet i proverna. Trp användes inte i beräkningarna eftersom det normalt förstörs vid sådana kemiska analyser .

2.6. Procentuell andel aminosyra/TAA-förhållande

Detta beräknades som förhållandet mellan koncentrationen av aminosyran och TAA multiplicerat med 100.

2.7. Kemiska poäng för essentiella aminosyror

Poängen för essentiella aminosyror (EAA) för en EAA beräknades som förhållandet mellan koncentrationen av denna EAA (mg/g protein) och den önskade koncentrationen (mg/g protein) i ett referensmatprotein . FAO/WHO/UNU:s aminosyravärden användes som standardreferensvärden.

2.8. Totalkväveinnehåll

Totalkväveinnehållet i kassava- och yamskalen mättes med mikro-Kjeldahl-metoden enligt tidigare beskrivning .

2.9. Beräkning av proteineffektivitetsförhållande

C-PER beräknades med hjälp av den regressionsekvation som beskrivs av Alsmeyer et al. :

2.10. Statistisk analys

Resultaten uttrycktes som medelvärde ± SD, analyserades statistiskt med hjälp av envägs ANOVA och signifikansnivån sattes till . Data analyserades också med hjälp av den procentuella variationskoefficienten (%CV).

3. Resultat

Koncentrationerna av de olika aminosyrorna som påträffades i kassavaskal varierade mellan 0,54 och 6,54 g/100 g protein, medan koncentrationerna i yamskal låg mellan 0,37 och 6,25 g/100 g protein (tabell 1). Dessutom visade resultaten i tabell 1 att kassava- och yamskalen innehöll jämförelsevis höga koncentrationer av Leu respektive Glu, medan koncentrationerna av Met och Cys var relativt låga. Det fanns inga skillnader i aminosyrakoncentrationer mellan kassava- och yamskalen när det gäller Gly och Ala. Däremot var variabiliteten i Ile-koncentrationerna mellan kassava- och yam-skalen relativt mycket hög, vilket framgår av %CV = 29,75. Dessutom var %CV för koncentrationerna av His, Met, Ser, Leu, Pro, Cys och Phe mellan kassava- och yamskalen måttligt höga.

Koncentrationen av totala aminosyror (TAA) i kassavaskalarna var inte signifikant () högre än i yamskalen (tabell 2). Likaså var koncentrationen av totala icke-essentiella aminosyror (TNEAA) i kassava-skalen inte högre än i yam-skalen.

Tabell 2 visade att yamskalen uppvisade relativt lägre koncentrationer av totala essentiella aminosyror (TEAA) än kassavaskalen. Förhållandet mellan TEAA eller TNEAA och TAA, TNEAA och TEAA samt %Gly/TAA mellan kassava- och yam-skalen var signifikant olika (). Förhållandet mellan TAAA och TBAA, TGAA och TKAA samt %Pro/TAA mellan kassava- och yamskalen var dock inte signifikant annorlunda ().

Värdena för TEAA, TKAA och TEAA/TAA-förhållandet i kassava-skalet var signifikant () högre än i yam-skalet, medan TNEAA/TAA och TNEAA/TEAA-förhållandet i yam-skalet var signifikant () högre än i kassava-skalet (tabell 2). De genomsnittliga aminosyrakoncentrationerna i kassava- och yamskalen var i följande ordning beroende på grupp: TGAA > TNEAA > TEAA > TAAA > TBAA > TKAA.

Met + Cys, Ile, Leu och Phe + Tyr essentiella aminosyror i kassava-skal var signifikant () högre än i yam-skal (tabell 3). TEAA-poängen för kassavaskal var signifikant () högre än för yam-skal.

Tabell 4 visade att det procentuella kväveinnehållet (%N) och C-PER-värdet för kassava-skal var betydligt högre än för jamsskal.

4. Diskussion

Förra rapporter hade visat att knölrötter av kassava och jams innehåller relativt låga mängder proteiner som låg inom intervallet 1-4 % . Proteininnehållet i knölrötter kan dock variera avsevärt mellan olika arter och sorter beroende på klimat-, växt- och tillväxtförhållanden samt mognadsgrad vid skörd . Resultatet av aminosyraprofilerna i den aktuella studien (tabell 1) visade att Leu och Glu var de mest förekommande aminosyrorna i kassava- respektive yamskalen. De relativt höga koncentrationerna av Glu i yamskalen överensstämde med tidigare rapporter om fördelningen av aminosyran i två sorter av D. rotundata-knölar under lagring och i mogna M. esculenta-rötter . I tidigare rapporter har man noterat att det totala kväveinnehållet i kassavarötter utgjorde ungefär 50 % av råproteininnehållet, medan de andra 50 % bestod av fria aminosyror, som främst var Glu och Asp, och icke-proteinkomponenter som nitrit, nitrat och cyanogena föreningar . Nivån på skillnaderna i aminosyrainnehållet mellan kassava- och yamskalen var sådan att koncentrationerna av Cys, Met, Phe och Ile uppvisade en tvåsiffrig variabilitet, medan koncentrationerna av Ser, His, Leu och Pro uppvisade en ensiffrig variabilitet, vilket framgår av deras motsvarande procentuella variabilitet (tabell 1). Trots detta var proteinkvaliteten hos kassava-skal bättre än hos yam-skal (tabell 4) på grund av dess högre Pro- och Leu-innehåll (tabell 1) såsom det uttrycks i (1) och definieras av C-PER.

Kvoterna mellan TAAA till TBAA och TGAA till TKAA mellan kassava- och yam-skal (tabell 2) antyder att deras proteiner var mer negativt laddade och att mer än fyra gånger så mycket av innehållet av ketogena aminosyror kan användas för att syntetisera glukos och glykogen. Förhållandena %Pro/TAA och %Gly/TAA visade att kassava- och yam-skalen innehöll globulära proteiner. Fibrösa proteiner som kollagen innehåller 33 % Gly och 13 % Pro, medan globulära proteiner som hemoglobin innehåller 4 % Gly och 5 % Pro .

De aromatiska aminosyrorna var de mest förekommande essentiella aminosyrorna i skalen (tabell 3), men de uppfyllde inte tillräckliga näringsbehov med 20 % respektive 30 % för kassava- och yamskalen. Omvänt visade de nuvarande resultaten att Met + Cys hade den lägsta essentiella aminovärdet i knölrötternas skal av kassava respektive yam, vilket exemplifieras av deras relativt låga nivåer (tabell 1). Detta resultat bekräftade tidigare rapporter. De svavelhaltiga aminosyrorna Met + Cys uppfyllde inte det adekvata näringsbehovet med 69 % respektive 78 % i skal av kassava och yam. Tidigare rapporter visade att Leu hade det lägsta värdet för essentiella aminosyror i värmebehandlade färska palmviner från Raphia hookeri och Elaeis guineensis , medan Thr hade det lägsta värdet för essentiella aminosyror i processledda kakaonibs och prover från bearbetade kakaokakor . Den varierande intermediära ämnesomsättningen, särskilt i knölrötter under lagring eller groddning, kan dock leda till stora variationer i deras aminosyrekoncentrationer och fördelning . Eftersom skalen innehöll alla essentiella aminosyror kan deras innehåll av aminosyror användas för att syntetisera proteiner med påfallande olika egenskaper och aktiviteter till skillnad från palmkärnolja som inte innehöll essentiella aminosyror som Ile, Thr och Val . Korrigeringarna för de svavelhaltiga aminosyrorna i skalen beräknades vara 1/0,31 eller 3,23 gånger och 1/0,22 eller 4,55 gånger proteininnehållet i kassava- respektive yamskal. Närmare bestämt var deras proteininnehåll 20,81 % respektive 7,31 % för kassava- och yamskalen, om deras %N-innehåll (tabell 4) multipliceras med omvandlingsfaktorn 6,25. Detta var indikationer på att kassavaskalarna var av bättre proteinkvalitet än jamsskalen, särskilt eftersom de innehöll fler essentiella aminosyror. Tidigare rapporter har dock visat att yam-arter som D. dumetorum (bitter yam) och D. trifida innehöll jämförelsevis högre proteinkoncentrationer, vilket innebär att de innehöll större mängder TAA jämfört med D. rotundata. För övrigt har man noterat att yam-arter som innehåller relativt höga proteinkoncentrationer var motsvarande rika på alkaloider .

Den högre procentuella andelen kväve i kassava-skal än i yam-skal (tabell 4) kan ha samband med förekomsten av jämförelsevis fler icke-proteinkväveelement som härrör från nitrit, nitrat, cyanogena glykosider och cyanvätesyra (HCN) i kassavarotterna , eftersom de totala aminosyrakoncentrationerna i kassava- och yam-skal inte uppvisade någon signifikant skillnad (tabell 2). C-PER-värdet för kassavaskal var högre än för yamskal, vilket tyder på att det är mer näringsrikt. C-PER-indexen för kassava- och jamsskal var dock lägre än för hela kroppen, köttet och exoskelettet av Sudananautes africanus africanus (västafrikansk sötvattenkrabba) och andra animaliska proteiner . Det lägsta tröskelvärdet för C-PER-index för protein av god kvalitet rapporterades vara 1,50 . Växtproteiner som har noterats vara av god kvalitet i detta avseende är bl.a. protein från jordnötter: C-PER = 2,62 , ärter: C-PER = 1,82 , råa och värmebehandlade frukter av Canarium schweinfurthii (afrikansk elmi): C-PER = 1,69-2,10 , och hirs ogi: C-PER = 1,62 . Resultaten av den aktuella studien innebär därför inte att proteiner från kassava- och yamskal är av god kvalitet på grund av deras C-PER-index. Kassava- och yamskalen var dock bättre proteinkällor än palmkärnolja. Användningen av kassava- eller yamskal som djurfoder kompletteras dock vanligen med andra källor som är rika på proteiner av god kvalitet eller genomgår bioberikning och proteinberikning enligt tidigare beskrivning .

5. Slutsats

Denna studie visade att kassava- och jamsskal har ett relativt lågt proteininnehåll. Aminosyreprofilen i skalen från kassavarötter och yamknölar visade att Leu och Glu var de vanligaste aminosyrorna, medan Met och Cys var de begränsande aminosyrorna. Kassavaskal innehöll högre halter av kväveämnen än jamsskal. C-PER-indexen gjorde inte att proteiner från kassava- och yamskal var av god kvalitet. Följaktligen bör användningen av kassava- eller jamsskal som djurfoder kompletteras med andra källor som är rika på proteiner av god kvalitet eller genomgå biofortifiering och proteinberikning.

Kompletterande intressen

Författarna förklarar att det inte föreligger några intressekonflikter i samband med publiceringen av denna artikel.

Acknowledgments

Författarna är tacksamma för den tekniska hjälp som erbjudits av O. A. K. Emenyonu, Chief Academic Technologist, Department of Biochemistry, Imo State University, Owerri.