RICERCA ITALIANA     

CARATTERISTICHE FUNZIONALI DI GERMOPLASMA DI FRUMENTO

Università degli Studi di Firenze

Abstract

L’alimentazione come noto ha un ruolo molto importante nel determinare lo stato di salute dell’uomo. L’esistenza di una associazione tra il consumo dei cereali integrali e la riduzione di malattie croniche, come quelle cardiovascolari e il cancro, evidenzia le proprietà funzionali di questi alimenti. Tali effetti benefici sono attribuiti alla presenza, nella granella intera di frumento, di sostanze fitochimiche che complementano quelle già scoperte nella frutta e negli ortaggi. Il frumento è, tra i cereali da granella, quello di maggiore importanza per l’alimentazione dell’uomo. Ciò nonostante, scarse sono le conoscenze circa la composizione dei profili fitochimici, del contenuto totale in polifenoli e dei carotenoidi, e dell’attività antiossidante di differenti varietà di frumento; caratteristiche queste, dalle quali dipende l’esistenza dell’associazione tra le proprietà nutrizionali del frumento e dei prodotti da esso derivati (pane e pasta) e i benefici per la salute. L’obiettivo di questa ricerca è quello di analizzare la variabilità genetica dei profili fitochimici di una collezione di frumento tenero e duro costituita da vecchie e da nuove varietà. In particolare per il frumento tenero saranno utilizzate sia varietà derivate direttamente da quelle locali (landraces), sia quelle ottenute da selezione genealogica e da incrocio (vecchie varietà) che varietà di nuova costituzione iscritte al Registro Nazionale Varietale. Mentre per il frumento duro saranno impiegate sia varietà locali provenienti dalla regione Sicilia che nuove varietà iscritte al Registro Nazionale Varietale. Particolare interesse riveste anche la caratterizzazione di queste accessioni di frumento sulla base delle loro caratteristiche macronutrizionali e del contenuto in macro e micro elementi e come queste possano essere correlate con la presenza di molecole biologicamente attive.
Sulla base del particolare contenuto in queste molecole riscontrato in alcune delle varietà di frumento analizzate, verrà avviata una prova di valutazione in vivo per studiare gli effetti funzionali del pane e della pasta sia su un campione di individui a rischio di malattie cardiovascolari che su un campione di pazienti con accertate malattie cardiovascolari.
Oltre a valutare le proprietà funzionali verrà effettuata anche una valutazione della variabilità genetica esistente tra queste varietà mediante marcatori basati sui profili elettroforetici delle proteine di riserva e sull’analisi del polimorfismo dei singoli nucleotidi (SNP) ritrovati su sequenze nucleotidiche dei geni coinvolti nel controllo dell’espressione di alcuni metaboliti secondari presi in considerazione. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Concetta Vazzana Università degli Studi di FIRENZE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il programma ha come scopi quelli di:
1) analizzare la variabilità genetica del contenuto di molecole biologicamente attive esistente in collezioni rappresentative di germoplasma di frumento, sia tenero che duro, costituito da varietà locali e da vecchie e nuove varietà;
2) comprendere i meccanismi fisiologico-molecolari correlati alla sintesi di alcune classi di composti funzionali quali lignani e acido ferulico
3) valutare le caratteristiche macronutrizionali delle accessioni di frumento tenero e duro e come queste possano essere correlate con il contenuto in molecole biologicamente attive;
4) valutare il contenuto di macro e micro elementi e sua correlazione con i metaboliti secondari;
5) verificare la connessione tra potere antiradicalico e antiossidante delle farine e della semola e la complessa composizione in metaboliti secondari;
6) esplorare le potenzialità delle qualità funzionali dei frumenti;
7) verificare mediante test in vivo i benefici di una dieta a base di cereali integrali ottenuti da varietà con particolari livelli di molecole bioattive;
8) individuare le componenti genetiche e ambientali che controllano le qualità funzionali in frumento tenero e duro;
9) identificare geni utili da utilizzare in futuri programmi per la valutazione di collezioni più ampie sia di frumenti teneri e duri che di progenitori selvatici in funzione delle caratteristiche qualitative funzionali;
10) contribuire al mantenimento della biodiversità dei cereali attraverso la coltivazione di varietà locali per l’ottenimento di prodotti tipici con caratteristiche qualitative funzionali;
11) verificare l’attendibilità di metodi rapidi di analisi per valutare le proprietà antiossidanti e chelanti delle farine e dei prodotti da esse ottenuti, da applicare come possibili metodi per la tracciabilità e la rintracciabilità;
12) fornire utili indicazioni per futuri programmi di miglioramento genetico;
13) dare nuove opportunità produttive sia al settore agricolo che a quello della trasformazione (pasta e prodotti da forno). <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Nell’agricoltura nazionale i cereali occupano un posto di rilievo sia per quanto concerne il loro consumo annuo che per la domanda da parte dell’industria della trasformazione. Nonostante ciò la coltivazione del frumento tenero e duro, in termini di superfici coltivate, ha subito negli anni un notevole ridimensionamento, in particolare il frumento tenero, che è passato dai 3,5 milioni di ha del 1957 ai 603 mila ha del 2005 (ISTAT 1957; 2005). L’entrata in vigore della nuova PAC, dal gennaio 2005, con il disaccoppiamento, ha fatto registrare un’ulteriore riduzione soprattutto per il frumento duro, trend negativo che si prevede continuerà anche negli anni a seguire. Questo ha comportato una notevole riduzione del prodotto nazionale con un incremento delle importazioni, particolarmente marcato negli ultimi dieci anni. Parallelamente quasi il 50 % della superficie coltivata a frumento tenero in Italia è stato seminato con sole 3 varietà e l’80 % con sole 15 varietà. Le rese unitarie al contrario sono invece aumentate dal dopoguerra ad oggi da 2,0 a 3,7 t/ha, incremento dovuto principalmente all’utilizzo di varietà selezionate per un tipo di agricoltura ad alto input energetico. L’affermarsi, soprattutto negli ultimi 50 anni, di poche varietà selezionate, ha favorito il processo di erosione genetica con la perdita di geni utili e di geni con potenzialità inespresse portando a un restringimento della base genetica del genere Triticum.
In questo contesto nazionale le aziende produttrici di frumento devono cercare di recuperare competitività nei confronti della concorrenza cerealicola internazionale sia attraverso l’impiego di agrotecniche più efficienti che soprattutto attraverso l’utilizzo di varietà di qualità superiori accertate. Le istituzioni di ricerca, pubblica e privata, dovrebbero pertanto fornire un contributo importante nel rilancio della filiera cerealicola e renderla competitiva in campo sia nazionale che internazionale. Un aspetto quindi interessante è quello di cercare di valorizzare le varietà di frumento tenero e duro in funzione del loro contenuto in sostanze funzionali.
Numerose sono le ricerche che confermano l’appartenenza dei cereali alla categoria di alimenti che, nel contesto di una dieta equilibrata, possono avere un’azione protettiva sulla salute dell’uomo e fornire quindi un importante contributo nel determinare una dieta salutare. A tal proposito si ricorda che le linee guida nazionali sulla nutrizione mettono i cereali e i prodotti derivati alla base della piramide alimentare (INRAN 2003). Questa importante funzione che i cereali, nel caso specifico il frumento, possono svolgere nella moderna alimentazione, è dovuta all'insieme dei loro componenti.
Studi epidemiologici hanno correlato l’assunzione del grano integrale e di prodotti a base di farine integrali con la riduzione delle malattie croniche come quelle cardiovascolari (Thompson, 1994; Jacobs et al., 1998), il diabete (Meyer et al., 2000) e il cancro (Thompson, 1994; Smigel, 1992; Nicodemus et al., 2001). Questi benefici effetti salutari sono stati in parte attribuiti alla particolare presenza nella cariosside del frumento di sostanze fitochimiche. Alcuni lavori scientifici evidenziano il ruolo protettivo dei cereali nella dieta dell’uomo (Morris et al., 1977). Più recentemente è stata dimostrata l’importanza dell’uso dei cereali nel ridurre l’incidenza delle malattie coronariche (Rimm et al., 1996; Pietinen et al., 1996). Alcuni studi condotti da U.S. Nurses’ Health Study hanno evidenziato che donne alimentate con una dieta ricca in fibre di cereali, mostravano un rischio di malattie coronariche inferiore al 34% (Wolk et al., 1999). Questa correlazione inversa non era osservata quando la dieta risultava ricca di fibra di origine vegetale, dato questo particolarmente interessante. Negli ultimi tempi l’interesse della ricerca verso i benefici effetti derivanti dall’assunzione di prodotti a base di frumento, risulta essere sempre più focalizzato allo studio dell’importanza dei fitochimici introdotti attraverso l’uso di cereali e varietà differenti. A tal proposito, è da rilevare un rinnovato interesse per i grani antichi e in particolare verso le loro possibili proprietà nutraceutiche (Adom et al. 2003). I recenti programmi di miglioramento genetico del frumento sono stati per lo più indirizzati a incrementarne le produzioni, favorirne la resistenza a diverse patologie e a migliorarne le caratteristiche tecnologiche, trascurandone il valore nutrizionale. Le ricerche che cercheranno di caratterizzare la composizione fitochimica delle varietà di frumento potrebbero quindi rappresentare nuove opportunità per il miglioramento genetico del genere Triticum. Ciò consentirebbe di ottenere nuovi prodotti commerciali capaci di differenziarsi per il particolare valore aggiunto legato alle caratteristiche nutrizionali intrinseche in grado di conferire al prodotto proprietà salutistiche.
La caratterizzazione del profilo fitochimico dei cereali deve quindi essere basata sulla quantificazione di alcuni metaboliti secondari responsabili delle proprietà funzionali degli alimenti a base di frumento. Occorre inoltre precisare che le normali tecniche di lavorazione dei frumenti per l’ottenimento delle farine e delle semole portano all’eliminazione (abburattatura) dei tegumenti esterni della cariosside, dell’embrione, dello scutello e di parte dello strato aleuronico prima della macinazione con mulino a cilindri, con conseguente perdita di elementi e di gran parte di questi importanti metaboliti:
a) flavonoidi - prodotti del metabolismo secondario delle piante (Harborne e Williams, 2000) coinvolti nella funzione immunitaria, nell’espressione genica, nel flusso sanguigno capillare e cerebrale, nell’aggregazione delle piastrine, nelle funzioni epatiche, nell’attività enzimatica e nel metabolismo del collagene, dei fosfolipidi, del colesterolo e dell’istamina. Essi inoltre proteggono dall’ossidazione l’LDL-colesterolo, promuovono la vasodilatazione e la sintesi degli eicosanoidi (Harborne and Williams, 2000).
b) polifenoli - noti per essere agenti riducenti, la cui principale proprietà è la capacità di funzionare da antiossidanti (Rice-Evans et al, 1997). Oltre al potere antiradicalico, alcuni polifenoli presentano un potere chelante nei confronti di diversi ioni metallici e in particolare dello ione Fe2+. La chelazione di questo ione impedisce che avvenga la reazione di Fenton che coinvolge oltre allo ione Fe2+ anche l’acqua ossigenata portando alla formazione di radicali idrossilici (Strlc et al., 2002). La composizione della miscela dei polifenoli presente nel frumento è stata studiata solo parzialmente ed in alcune varietà (Adom et al., 2003), mentre la conoscenza delle caratteristiche fitochimiche di questi vegetali riveste una grande importanza alla luce del consumo quotidiano che ne viene fatto.
c) tocoferoli e tocotrienoli - antiossidanti lipofilici meglio conosciuti come vitamina E (Grams, 1970; Holasová, 1997; Peterson and Wood, 1997). I tocoferoli sono principalmente localizzati nel germe, mentre i tocotrienoli sono stati rilevati in altre parti della cariosside (Morrison et al., 1982; Balz et al., 1992; Holasová al., 1995; Holasová, 1997). Nonostante l’elevata presenza di queste sostanze nelle cariossidi dei cereali, la loro funzione nelle piante è poco conosciuta. Uno studio condotto su cultivar di orzo ha evidenziato che i tocoferoli sono accumulati prevalentemente (circa 80 %) nella parte vitale della granella (germe o embrione), mentre i tocotrienoli sono localizzati a livello dell’endosperma e del pericarpo (Falk et al., 2004).
d) folati - altro gruppo di composti essenziali comprendenti tutti i derivati dell’acido tetraidrofolico (THF), una vitamina B idrosolubile, presenti in modo naturale in molti alimenti vegetali e aventi una elevata attività biologica (Gregory 1989). Essi sono coinvolti, come coenzimi, in molte funzioni metaboliche quali la biosintesi di acidi nucleici e aminoacidi, e specificatamente nelle piante, nella formazione di lignina e nella fotorespirazione (Scott et al., 2000; Hanson and Roje 2001). I vegetali sono stati indicati come la maggiore fonte di folati nella dieta dell’uomo, il cui organismo non è in grado di sintetizzarli (Leichter et al., 1978; Mullin et al., 1982). Il processo di cottura può però distruggere la grande maggioranza dei folati presenti nei cibi.
Le cellule di aleurone, insieme col germe, contengono i nutrienti essenziali delle cariossidi di frumento necessari per la crescita e sviluppo dell'embrione (Clysedale 1994; Saxelby e Venn Brown 1980). Abbastanza recente è la scoperta di un processo di macinazione che consente di isolare lo strato di cellule di aleurone e ottenerne farina (Stenvert 1995, 1997), caratterizzata da una elevata presenza in folati (400-600 µg/100 g di peso umido). Questo contenuto naturale di folati è più alto di quello rilevato nella crusca di grano, nella frutta e negli ortaggi (20-200 µg/100 g di peso umido) (Bailey 1995; Subar et al., 1989) ed è comparabile con i livelli di folati e di acido folico presenti nella farina fortificata e nei cereali artificialmente arricchiti (Crane et al., 1995).
Al fine di valutare le proprietà delle farine, oltre alla composizione quali-quantitativa della miscela dei polifenoli, è importante anche la misura diretta dell’attività antiradicalica e chelante, poiché sono coinvolte diverse classi di composti.
e) derivati degli acidi fenolici - presenti in ragguardevoli quantità nella cariosside di frumento. Il più abbondante è l'acido ferulico, la cui concentrazione varia da 4 a 8 mg per 100 g di farina integrale di frumento (Mazza, 1998). Tale composto è noto per le sue proprietà anti-ossidanti, anti-infiammatorie e anti-tumorali (Adom et al., 2005).
f) lignani - composti bisfenolici non steroidei e rappresentano uno dei principali precursori della lignina. Tali composti si trovano prevalentemente nei tessuti già lignificati o in via di lignificazione (paglia, crusca di cereali, tegumenti lignificati del seme di dicotiledoni, baccelli). Il contenuto in lignani della farina integrale di frumento tenero e duro è mediamente pari a 20-40 mg per 100 g s.s. Tra i principali lignani meritano menzione il pinoresinolo, il lariciresinolo e il secoisolariciresinolo. Essi rivestono una particolare importanza proprio per le loro numerose attività biologiche tra le quali quella batterio-statica, anti-mitotica ed anti-virale e di particolare rilievo quella anti-ossidante (Gottlieb and Yoshida, 1989).
g) carotenoidi - presenti nella farina integrale di frumento tenero e duro in misura pari a 0,1-0,5 mg per 100 g s.s. I principali carotenoidi presenti nella cariosside di frumento sono la luteina, la zeaxantina e la β-criptoxantina (Adom et al. 2005). Le loro spiccate proprietà anti-ossidanti sono determinate dalla caratteristica struttura polienica (alternarsi di legami singoli e doppi) che permette loro di assorbire l'energia in eccesso di altre molecole instabili (radicali liberi). La luteina svolge un'azione particolarmente efficace nella protezione della regione maculare della retina e nella prevenzione della cataratta. Altri effetti benefici dei carotenoidi includono il potenziamento del sistema immunitario, la protezione dai raggi solari, l'inibizione di alcuni tipi di tumori e la prevenzione di alcune malattie degenerative e cardiovascolari.
L’ambiente di produzione, così come la cultivar, sono componenti importanti in grado di influenzare le caratteristiche tecnologiche e nutrizionali della granella; successivamente tutti i processi di trasformazione, il grado di raffinazione, lo stoccaggio e nel caso specifico del pane la fermentazione e i trattamenti termici, sono elementi importanti in grado di modificare il contenuto finale in metaboliti secondari e anche la loro biodisponibilità (Dietrych-Szostak e Oleszek, 1999; Liukkonen et al., 2003; Falk et al., 2004; Ekinci, 2005; Gujska e Majewska, 2005). Riuscire ad ottenere alimenti arricchiti in modo naturale di componenti con accertata attività funzionale e studiare l’effetto dell’ambiente di coltivazione e delle caratteristiche varietali sul loro contenuto costituisce un approccio importante per una futura valorizzazione e qualificazione delle produzioni cerealicole nazionali. Pertanto, l’obiettivo della ricerca è quello di valutare il contenuto di questi metaboliti secondari in vecchie varietà di frumento tenero e duro largamente diffuse in passato, sottoposte pertanto ad una minore attività selettiva e quindi dotate di un’ampia variabilità genetica, al fine di evidenziare connessioni tra le varie molecole di metaboliti secondari e come queste possono essere modificate sia dal contenuto di micro e macroelementi che dall’ambiente di coltivazione. Queste informazioni sono indispensabili per valutare le potenzialità produttive e funzionali del genere Triticum e per avviare nuovi programmi di selezione finalizzati a migliorare non solo le caratteristiche produttive dei cereali, ma anche il contenuto di molecole biologicamente attive.
Inoltre, per poter tutelare il consumatore attraverso la tracciabilità del prodotto utilizzato, è importante poter effettuare la caratterizzazione delle farine e dei prodotti derivati in funzione del potere antiossidante e chelante in tempi rapidi. Quindi, una ricerca di nuovi metodi di analisi, basati su metodi elettrochimici e biosensori, consentirà di ottenere informazioni interessanti e disponibili in breve tempo.
Infine per rivitalizzare la coltivazione del frumento tenero e duro, nell'ambito della realtà produttiva italiana, è necessario non solo immaginare per queste colture un utilizzo come piante funzionali, ma cercare di correlare gli aspetti salutistici alla tipicità. Il frumento tenero e duro, fortemente legati alla millenaria tradizione nazionale del pane e della pasta, possono essere a tutti gli effetti considerati prodotti tipici italiani. Tale tipicità è poi ben evidenziata dai numerosi genotipi, frutto della selezione operata nel nostro paese. Molti di questi genotipi di frumento tenero e duro, per varie motivazioni, oggi non sono più coltivati. Tuttavia essi costituiscono un ampio bacino genetico di biodiversità del genere Triticum per uno studio mirato all'identificazione di genotipi con parametri qualitativi di pregio (proprietà funzionali e salutistiche). Tale indagine, affiancata da studi agronomici, di qualità tecnologica e dell'attitudine panificatoria dei frumenti di vecchia costituzione, garantirebbe un plusvalore sia alle produzioni cerealicole che ai prodotti derivati (pane, pasta e prodotti da forno). <<<