1. ÚVOD 1.1 Botanická a biologická charakteristika Taxonomicky se ječmen (Hordeum L.) řadí do říše rostlin, čeledi lipnicovité (Poaceae) (Vaculová, 1999). Ječmen rozdělujeme podle počtu chromozomů na diploidní (n = 14), tetraploidní a hexaploidní. Všechny kulturní odrůdy ječmene patří do jediného diploidního druhu Hordeum vulgare L. (ječmen setý), který se dále dělí na konvariety (Zimolka, 2006). Kulturní ječmen je jednoletá plodina pěstovaná jako jarní nebo ozimá forma. Charakteristikou kulturního ječmene je přítomnost tří jednokvítkových klásků na každém článku vřetene klasu, přičemž u víceřadého ječmene (subsp. vulgare) jsou vyvinuty všechny kvítky a u dvouřadého ječmene (var. distichon) je vyvinut jen kvítek prostřední. Bezpluchý ječmen se liší od pluchatého tím, že nesrůstají obalové vrstvy zrna a proto se zrno při sklizni uvolňuje z pluch (Vaculová, 1999).
1.2 Původ a historie pěstování ječmene Ječmen je druhou nejstarší obilninou na světě. Za oblast původu ječmene je považována Asie (Zimolka, 2006). V České republice je pěstování ječmene historicky spojeno s využitím produkce pro výrobu sladu a piva, ječmen je také nezastupitelným krmivem (Ehrenbergerová et al., 2006a). Na našem území je prokázáno pěstování ječmene už asi 500 let př. n. l., a to mnoha archeologickými nálezy, které svědčí o jeho zastoupení spolu s pšenicí a boby. V této době byl ječmen pěstován jako chlebovina. Více se u nás začal pěstovat ječmen zavedením čtyřhonných osevních postupů. Pěstování ječmene významně ovlivnily obě světové války. První válka na čas přerušila období rozkvětu českého ječmenářství. V období mezi dvěmi světovými válkami vzrostl zájem o povznesení a obnovení slávy československého sladovnického ječmene. Na konci 30.let 20.století přišla druhá světová válka a v českých zemích byly zaváděny méně kvalitní odrůdy a sladovnický průmysl byl postupně likvidován. Obrat k lepšímu nastal až v druhé polovině 40. let (Zimolka, 2006).
1.3 Pěstování ječmene V současnosti je ječmen čtvrtou nejrozšířenější obilninou na světě po rýži, pšenici a kukuřici. Ječmen jarní nemá příliš vyhraněné požadavky na prostředí, proto jej lze pěstovat i ve velmi odlišných podmínkách. Nejnáročnější na agroekologické podmínky
8
je ječmen sladovnický. Nejlepší sladovnický ječmen se pěstuje v oblasti řepařské, kde převažují půdy černozemního a hnědozemního typu. V ČR jde o Polabí a Hanou. Pro zařazení do osevního postupu má u jarního ječmene velký význam předplodina, která ovlivňuje výnos a sladovnickou hodnotu zrna. Ječmen je v osevním postupu zařazován po okopaninách (cukrovka, brambory), které jsou jako předplodina nejvhodnější. Dále ho lze zařadit po kukuřici na zrno a na siláž nebo jako druhou obilninu. Ječmen jarní se má vysévat, co nejdříve na jaře, jakmile to počasí a stav půdy dovolí. Doporučené výsevky ječmene jarního se mírně liší podle výrobních oblastí a udává se rozmezí 4,0 – 4,5 MKS/ha. Při organizování sklizně ječmene jarního je důležité správné určení termínu. Špatným postupem při sklizni může dojít k velkým ztrátám na výnosu a může utrpět i technologická hodnota zrna. Sklízí se v plné zralosti, kdy již ustala asimilační činnost, zárodek obilky je plně vyspělý a zásobní látky v obilce jsou ve správném poměru. Optimální sklizňová vlhkost zrna se pohybuje okolo 15 % (Zimolka, 2006).
1.4 Užitkové směry ječmene Podle užitkových směrů v současnosti rozdělujeme ječmen na sladovnický, krmný, průmyslový, potravinářský a pícninářský. U nás se za sladovnický ječmen označuje hlavně ječmen jarní. O zařazení ječmene mezi sladovnický rozhodují požadavky zpracovatelů. Za sladovnický ječmen se považují odrůdy s bodovým hodnocením ukazatele sladovnické jakosti (USJ) vyšším než čtyři body. Mezi nejdůležitější kritéria jakosti patří obsah bílkovin (N- látek), podíl předního zrna, obsah β-glukanů a další. Potravinářský ječmen se používá k výrobě funkčních potravin, kde se uplatňuje hypocholesterolemický účinek β-glukanů, α-tokotrienolů a aktivních antioxidantů obsažených v zrnu ječmene. Tyto potraviny mají význam v prevenci kardiovaskulárních a dalších civilizačních onemocnění. Vhodné jsou odrůdy s vysokým obsahem βglukanů a vyšším obsahem dietní vlákniny. Tradičně se využívá ječmen jarní jako krycí plodina pro výsev víceletých pícnin (vojtěšky, jetele a jetelotrav). V zrnu ječmene krmného je požadován vysoký obsah bílkovin, esenciálních aminokyselin a škrobu a nižší obsah β-glukanů (Zimolka, 2006). U nás je obilí zdrojem přístupné energie pro zvířata. Hlavním energetickým donorem v zrně je zásobní polysacharid škrob, dále volné cukry a tuk. Strukturální polysacharidy, celulóza a hemicelulóza (hrubá vláknina), nebo β-D-glukany a arabinoxylany, které
9
tvoří rozpustnou, tzv. dietetickou vlákninu, vážou mnohé živiny a tím snižují dostupnost přijímané energie (Vaculová, 1994).
1.5 Význam ječmene ve výživě člověka Nárůst civilizačních chorob způsobených nevhodným stravováním a důrazná varování v podobě zdravotnické osvěty přiměly některé spotřebitele k tomu, aby začali vyhledávat výrobky s příznivým vlivem na své zdraví. A právě proto zažívá ječmen renesanci v humánní výživě a ve vyspělých zemích se využívá k výrobě tzv. funkčních potravin pro cenné složky zrna (nutriceutika) (Ehrenbergerová et al., 2006b). Základním požadavkem na zvýšení zdravotně preventivního účinku ječného zrna je akumulace co největšího obsahu potravinové vlákniny v zrně. Její obsah může být ovlivněn průběhem počasí, lokalitou a vlivem agrotechnických postupů, hlavní roli má však výběr odrůdy (Ehrenbergerová et al., 1997, Ehrenbergerová et al., 1999). I když nesladovnické odrůdy ječmene mají obecně vyšší obsah β-glukanů než ostatní obilniny, jsou ve světě šlechtěny speciální potravinářské odrůdy, u kterých je vyšší obsah βglukanů geneticky podmíněn.
Přehled současných způsobů zpracování a možností využití zrna ječmene v lidské výživě (Bhatty, 1992): Mouka: chléb, čajové pečivo, sušenky, koláče, placky, dia pečivo obohacené vlákninou, extrudované výrobky Krupice:instantní kaše, pečivo, saláty Pražený ječmen: sušenky, koláče, náhražky kávy Celé zrno: náhražka rýže, saláty s ovocem a zeleninou Modifikované škroby: mléčné výrobky Otruby: RTE cereální výrobky, křehké chlebíčky, sušenky Vločky: koláče, kaše, cereální směsi, pečivo Nápoje z nezralých zrn ječmene – ve směsi s nápoji mléčného typu, vyrobenými z ostatních obilnin (zejména ovsa). Slad a sladové výtažky: cukrovinky, náhražky čaje a kávy Kroupy: polévky, masné výrobky β−glukany: tukové náhražky do mléčných a masných výrobků, přísada do cereálních β− výrobků.
10
2.
CÍL PRÁCE
Cílem bakalářské práce bylo sestavení literární rešerše o výskytu, zastoupení neškrobových polysacharidů v zrnu ječmene jarního, jejich účincích a biologickém působení. Cílem bylo též stanovení obsahu β-glukanů a arabinoxylanů a posouzení jejich variability v zrnu ječmene jarního.
11
3. LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Chemické složení zrna ječmene Ječné zrno obsahuje 80 – 88 % sušiny a 12 – 20 % vody. Největší podíl na hmotnosti zrna mají organické látky, z nich největší podíl patří sacharidům (74 – 84 %). Dále obsahuje ječné zrno více bílkovin (8,1 – 18 %), v menší míře tuk (2 - 3 až 5 %), vitamíny skupiny B, vitamin C (Zimolka, 2006). Ječmen obsahuje také antioxidační látky a látky polyfenolické povahy (Ehrenbergerová et al., 2000). Obsah sacharidů a bílkovin v zrnu ječmene může být ovlivňován agroekologickými podmínkami v roce pěstování, druhem obilniny a je rozdílný také u odrůd (Zimolka, 2006).
3.1.1
Sacharidy
Sacharidy jsou organické látky a tvoří až 80 % hmotnosti ječného zrna (Belcrediová et al., 2006). Základním polysacharidem je škrob, jehož obsah v zrně může kolísat od 48 – 72 %, v průměru se udává 65 % (Vaculová, 1999). Škrob je rezervní polysacharid a zásobárna živin pro klíček během jeho klíčení. Je uložen v cytoplazmě rostlinných buněk v nerozpustných škrobových granulích v tzv. škrobových zrnech, které mají geneticky daný tvar a rozměr. Nejstabilnější jsou velké škrobové granule typu A, nejméně stabilní jsou granule typu B (Velíšek, 1999). Škrobové granule se vytváří postupně během zrání obilky. Ve studené vodě jsou nerozpustné a při zvyšování teploty mazovatí (Ehrenbergerová, 2006). Ve zralém zrnu je škrob zastoupen pouze v endospermu, ale není zde rozmístěn pravidelně (Hubík a Mareček, 2002). Ječný škrob je složen ze dvou složek a to z amylózy a z amylopektinu. Jejich vzájemný poměr významně určuje technologické vlastnosti škrobu. Obě frakce škrobu jsou z chemického hlediska tvořeny stejně a to molekulami glukózy. Amylóza se skládá z dlouhých řetězců glukózových zbytků, spojených α-1,4 glykosidickou vazbou. Větvení řetězců je mnohem menší než u amylopektinu a řetězce jsou prostorově tvarovány lineárně do šroubovice. Ve vodě se rozpouští za studena bez vzniku mazu a jódem se barví modře. Amylopektin pouze bobtná a není schopen tvořit roztok. Jódem se barví červeně až červenofialově. Řadí se mezi vysokomolekulární sacharidy (Ehrenbergerová, 2006). V zrnu ječmene se běžně vyskytuje 25 % amylózy a 75 % amylopektinu. Pro potravinářské účely byly vyšlechtěny bezpluché ječmeny s tzv. waxy typem škrobu, u kterých je obsah amylózy snížen až na 1-3 % a naopak typy s vysokým obsahem, až do 45 % (Vaculová, 1999).
12
Škrob obsahuje i minerální látky, především kyselinu fosforečnou, a vysokomolekulární mastné kyseliny (Prugar, 2002). Zvláštní postavení má tzv. rezistentní škrob (nepřístupný enzymovému rozkladu), jemuž se připisuje příznivý účinek v prevenci onemocnění tlustého střeva. Další sacharidové složky s největší zásluhou na rozšíření zájmu o konzumaci ječného zrna jsou tzv. neškrobové polysacharidy (10-14 %): celulóza, hemicelulózy, gumovité látky a lignin, které jsou hlavní součástí vlákniny potravy a tvoří také hlavní stavební komponenty buněčných stěn. Z celkového obsahu dieteticky příznivé vlákniny, což je 15 - 24,1 % hmotnosti zrna ječmene, připadá na neškrobové polysacharidy asi 86 % a z toho je přibližně 56 % (1→3), (1→4) β-glukanů a 23 % arabinoxylanů (Vaculová, 1999). V mnohem menší míře jsou obsaženy v zrnu ječmene nízkomolekulární sacharidy. Jedná se o sacharózu (1-2 %) a rafinózu (0,3-0,5 %) v klíčcích, maltózu, glukózu a fruktózu, které jsou přítomny v endospermu (Němejc, 2001). Maltóza je složena ze dvou molekul glukózy, sacharóza je tvořena molekulou glukózy a fruktózy a jejich směs se označuje jako invertní cukr. Posledním produktem hydrolýzy škrobu je maltóza, která se u narušeného škrobu vyskytuje ve větším podílu. K narušení škrobu dochází hlavně při tzv. porůstání zrna, tj. při předčasném klíčení za vlhka, při deštivém počasí před sklizní a v době sklizně nebo při nevhodném skladování. Na předčasné hydrolýze škrobu se podílí hlavně α-amyláza, během klíčení je však tento proces přirozený. Celulóza je podobně jako škrob složena z řetězců glukózových jednotek. Tvoří velmi pevná vlákna, která jsou spolu s dalšími neškrobovými polysacharidy stavebním materiálem pro rostlinu. Její hlavní funkcí je ochrana proti mechanickému poškození semen, tzn. že ochraňuje zrno do značné míry i proti pronikání vlhkosti a nežádoucích mikroorganismů. Proto je obsažena hlavně ve vnějších obalových vrstvách obilky, pluše, ale i v klíčku. Ve vodě je špatně rozpustná a enzymaticky těžko štěpitelná. Lignin se vyskytuje jako inkrustační složka celulózy v obalových vrstvách ječného zrna, kde vyztužuje a zpevňuje buněčné stěny. Gumovité látky jsou tvořeny v podstatě β-glukany a arabinoxylany a tvoří s vodou koloidní, vysoce viskózní roztoky (Ehrenbergerová, 2006). O struktuře, výskytu a o funkci neškrobových polysacharidů bude pojednáno dále. 3.1.1.1
β-glukany - heteroglukany
β-glukany patří mezi neškrobové polysacharidy a nachází se v buněčných stěnách vyšších rostlin a ve větším množství v semenech některých obilovin, např.ječmen, oves. 13
β-glukany se nazývají také β-(1→3), (1→4)-D-glukany nebo β-glukany se smíšenými vazbami. Typické jsou pro ječmen β-glukany s dvěma nebo více sousedícími (1→4) vazbami (Belcrediová et al., 2006, Fincher and Stone, 2004). β-glukany tvoří molekuly glukózy vázané vazbami β-(1→3) zastoupené ze 30 % a β-(1→4), která je zastoupena ze 70 % (Havlová, 2001).Vyšší houby (plísně a kvasinky) syntetizují příbuzné polymery, které se nazývají β-glukany, β-(1→3), (1→6)-D-glukany nebo β-glukany se smíšenými vazbami (Belcrediová et al., 2006). Rozpustnost β-glukanů ve vodě závisí nejvíce na jejich struktuře, která souvisí s původem. U obilovin klesá v řadě oves > ječmen > pšenice. Čím více je v molekule vazeb (1→4), tím nižší je rozpustnost polymerů. Rozpustnost β-glukanů se s zvyšuje s rostoucí teplotou. β-glukany vázané na proteiny jsou nerozpustné a jsou tudíž částečně rozpustnou a zčásti nerozpustnou vlákninou potravy (Velíšek, 1999). Během sladování a rmutování se β-glukany částečně štěpí působením enzymů. Výsledek působení enzymů se jeví jako cytologické rozluštění sladu. Při sladování jde o dva základní postupy při cytolýze ječmene: 1. uvolnění vysokomolekulárních β-glukanů z komplexu s bílkovinami a jinými sloučeninami 2. štěpení
β-glukanů
s vysokou
molekulovou
hmotností
na
β-glukany
nízkomolekulární, příp. až na glukózu. Pro technologii výroby piva se požaduje, aby obsah β-glukanů ve sladu byl co nejnižší, proto musí dojít k dokonalému rozštěpení těchto polysacharidů. Při nedokonalém rozštěpení se projeví negativní vliv β-glukanů zvýšením viskozity sladiny a piva, snížením varního výtěžku, špatnou filtrovatelností piva a prodlouženou dobou scezování (Havlová, 2001). Kromě β-glukanů i arabinoxylany ovlivňují rychlost filtrace piva. Proto je pro zajištění dobré filtrovatelnosti nutné sledovat a zajistit nízký obsah βglukanů, ale i arabinoxylanů (Mikyška et al., 2003). Nedegradované β-glukany mohou působit při výrobě piva mnoho problémů. Brání sedimentaci pevného podílu v mladině, komplikují filtraci piva, tvoří zákaly a sraženiny v pivu, neboť vznikají agregáty beta-glukanů a to mezi sebou nebo i s jinými polymery (proteiny, polyfenoly) (Velíšek, 1999, Lu and Li, 2005). Ve sladovnickém ječmeni se jejich obsah mění podle klimatických podmínek a dle doby skladování a pohybuje se od 0,2 do 1 % (Velíšek). Hladinu β-glukanů v ječmeni může ovlivnit mnoho různých
14
faktorů, jako odrůda, pěstební místo, předplodina a určitou roli mají i vegetační podmínky (Ehrenbergerová et al., 2006b). Obsah β-glukanů ve sladu může ovlivnit vhodná volba podmínek při sladování, např. změna technologie máčení, teplota při klíčení, délka vedení a technologie hvozdění (Havlová, 2001). 3.1.1.2 Heteroxylany – arabinoxylany Heteroxylany jsou hlavními polysacharidy primárních buněčných stěn jednoděložných rostlin a signifikovaných buněk jednoděložných i dvouděložných rostlin, které mají jako složky potravy velký význam. Arabinoxylany patří také mezi neškrobové polysacharidy (hemicelulózy). Hlavní řetězec heteroxylanů je tvořen D-xylanopyranosovými jednotkami vzájemně vázanými vazbami β-(1→4) (Dervilly – Pinel et al., 2001). Terminální jednotkou je αL-arabinofuranóza. Většina xylózových jednotek řetězce není substituována, jen některé jsou substituovány α-L-arabinofuranózou, která je vázána vazbami (1→3), někdy i vazbami (1→2). Xylóza bývá substituována také dvěma molekulami arabinofuranózy (na C-2 a C-3), která tvoří i krátké postranní řetězce spojené pomocí vazeb (1→2), (1→3) nebo (1→5). Tyto heteroxylany se nazývají arabinoxylany (starší název pentózany). Název není příliš logický, protože kromě xylózy a arabinózy obsahují i Dglukózu a někdy i další minoritní stavební složky např. D-glukuronovou kyselinu a její 4-O-methylderivát, D-galaktózu. Průměrný obsah xylózy je 52-60 %, arabinózy 36-46 % a D-glukózy 1,5-4,8 % (Velíšek, 1999). Arabinoxylany mohou tvořit asi 1,5 % hmotnosti ječného endospermu, ale jejich schopnost vytvářet vysoce viskózní roztoky může velmi ovlivnit technologické využití ječmene (Hubík a Mareček, 2002). Stěny buněk endospermu většiny obilovin obsahují 60-70 % arabinoxylanů, stěny buněk ječmene jen 20 % (Velíšek, 1999). V menší míře se nachází arabinoxylany též v pluše a pravděpodobně i ve zbytcích buněčných stěn (Havlová, 2001). Arabinoxylany mají vysokou schopnost vázat vodu, a to 15-100 g vody na 1 g sušiny. Některé frakce arabinoxylanů jsou ve vodě rozpustné a tvoří velmi viskózní disperze. Rozdíly v rozpustnosti jsou závislé na stupni větvení. Více větvené molekuly jsou rozpustnější. V přítomnosti oxidačních činidel vznikají měkké elastické gely, při jejichž vzniku hraje klíčovou roli kyselina ferulová, která je vázaná v molekule arabinoxylanů (Velíšek, 1999).
15
Důležitými složkami pšeničné a žitné mouky jsou rozpustné arabinoxylany, které mají velký vliv na absorpci vody moukou a na distribuci vody v těstě, na viskozitu a jeho rheologické vlastnosti. Též další žádoucí pekařské vlastnosti mouky souvisí s přítomností arabinoxylanů, tj. větší objem chleba a kynutého pečiva jako důsledek zadržování oxidu uhličitého, snížení rychlosti retrogradace škrobu a tím také stárnutí chleba a pečiva, také mají vliv na žádoucí organoleptické vlastnosti kůrky chleba. Arabinoxylany ve vodě nerozpustné zhoršují pekařské vlastnosti mouky (Velíšek, 1999, Revanappa et al., 2006). Obsah arabinoxylanů nelze ovlivnit technologií máčení klíčení, určité korekce obsahu rozpustných arabinoxylanů ve sladu je možné dosáhnout na hvozdě (Mikyška et al., 2003). Viskozitu extraktu, filtraci a tvorbu jistých typů zákalů piva mohou ovlivnit nerozložené arabinoxylany extrahované ze sladu (Ehrenbergerová et al., 2002). Kromě ječmene byly arabinoxylany nalezeny nejen v dalších obilovinách (pšenice, oves a žito), ale i v zelenině (ořechy, maniok jedlý) (Němejc, 2001, Lu and Li, 2005, Dornez et al., 2007, Taylor et al., 2006).
3.1.2
Lipidy
Lipidy jsou tuky rozpustné v éteru, nikoliv ve vodě, a jsou složeny především z triacylglycerolů (triglyceridů). Jsou obsaženy v aleuronové vrstvě, pluchách a nejvíce je jich v klíčku (2 – 9 %). Obsah lipidů v ječném zrnu závisí na odrůdě a pěstebních podmínkách. Lipidy se vyskytují ve formě volné, jsou však vázány i na jiné složky, např. lipoproteidy, glykolipidy, estery fosfolipidů s cukernými sloučeninami. Ve volné formě jsou přítomny převážně nenasycené mastné kyseliny, které snadno podléhají oxidaci (žluknutí) především v mouce, a zvýšení kyselosti. Skladbou mastných kyselin se ječný tuk podobá olivovému oleji (Ehrenbergerová, 2006). Významně je zastoupena kyselina palmitová (16,4 – 20,5 %) a nenasycené mastné kyseliny – olejová (16,6 – 22,5 %), kyselina linolová (51,9 – 56,8 %) a linolenová (3 – 7 %). Kyseliny linolová a linolenová jsou prekurzory tzv. omega-3 mastných kyselin, známých jako preventivní faktor některých kardiovaskulárních chorob (Vaculová, 1999). Mezi sloučeniny lipidů se řadí také tzv. hořké látky ječného zrna – hořké pryskyřice, vyskytující se v pluchách, které mají typickou svíravou chuť a antiseptické účinky (Ehrenbergerová, 2006).
3.1.3
Dusíkaté látky
Dusíkaté látky tvoří významnou složku organických látek zrna ječmene. Jejich obsah je velmi ovlivňován agroekologickými podmínkami během pěstování a odrůdou. Tvorba 16
dusíkatých látek je založena na příjmu dusíku z půdy a na obsahu organických kyselin, které vznikají jako meziprodukty při štěpení sacharidů. Dusíkaté látky rozdělujeme na : o dusíkaté látky typu bílkovin a jejich štěpných produktů - aminokyseliny, peptidy, peptony a pravé bílkoviny(proteiny), albuminy, o dusíkaté látky nebílkovinné povahy – dusíkaté báze, složky fosfatidů, malé množství amidů a amonných solí, nejsou složkami bílkovin (Ehrenbergerová, 2006). Z hlediska mlýnsko-pekárenských technologií, ale i z hlediska nutriční a krmné hodnoty mají dusíkaté látky velmi výraznou roli (Prugar, 2002). Obsah dusíkatých látek v zrnu ječmene se pohybuje mezi 9,5 – 11,9 % (McGregor et al., 1993). Aminokyseliny jsou nejjednodušší dusíkaté sloučeniny. Pro lidskou výživu jsou nejvýznamnější esenciální aminokyseliny: valin, leucin, isoleucin, threonin, tryptofan, methionin, lyzin a fenylalanin, které lidský organismus není schopen syntetizovat a je odkázán na jejich příjem z potravy rostlinného i živočišného původu. Bílkoviny lze rozdělit podle několika hledisek. Dle morfologického původu se rozdělují na bílkoviny endospermu, aleuronové vrstvy a zárodku (pocházející z klíčku), podle biologické funkce na bílkoviny metabolicky aktivní a zásobní, dále se rozdělují na nízko a vysokomolekulární. Podle chemického složení se dělí na jednoduché bílkoviny a komplexní proteidy. Dle fyzikálně – chemických vlastností a rozpustnosti v různých rozpouštědlech se rozlišují na : 1. Albuminy (leukosiny) – rozpustné ve vodě, během sladování se silně štěpí, 2. Globuliny (edestiny) – rozpustné v roztocích solí, význam se přisuzuje βglobulinu, 3. Prolaminy (u ječmene hordeiny) – rozpustné v 70 % etanolu, tvoří největší podíl bílkovin ječného zrna, během sladování se silně štěpí, 4. Gluteliny (gluteniny) – z části rozpustné ve zředěných roztocích kyselin a zásad, nachází se hlavně v aleuronové vrstvě Bílkoviny mají molekuly obrovských rozměrů a jsou tvořeny řetězci aminokyselin spojených
peptidovou vazbou. Dojde-li k porušení struktury bílkovin, dochází ke
ztrátě biologické funkce a k denaturaci fyzikálními či chemickými zásahy. V potravinářství
a
kulinářství
je
příkladem
(Ehrenbergerová, 2006).
17
tepelná
denaturace
bílkovin
3.1.4
Vitamíny a minerální látky
Vitamíny se vyskytují především v aleuronových a obalových vrstvách zrna a zárodku. Nejvíce je v ječném zrně zastoupena skupina vitaminu B: thiamin, riboflavin a pyridoxin, biotin, kyselina pantotenová, niacin, kyselina listová, dále vitamín C, karotenoidy a provitamín D. Z antioxidačních a lipofilních vitamínů je v zrnu ječmene (nejvíce ze všech obilovin) zastoupen vitamín E a jeho izomery (Ehrenbergerová, 2006), tokoferoly a tokotrienoly, nejvíce z nich α-tokotrienol, které jsou v současnosti nejsledovanější skupinou vitaminů v zrnu ječmene (Březinová Belcredi et al., 2006). Zajímavé je, že tokoferoly se nachází převážně v obalových vrstvách, tokotrienoly v endospermu (Vaculová, 1999). Významné jsou také poznatky o obsahu kyseliny listové v zrnu ječmene, která je důležitá pro správnou tvorbu krve, i poznatky o kyselině fytové a fytátech, důležitých pro syntézu nukleových kyselin a fosfolipidů. Obsah minerálních látek (popelovin) v sušině se uvádí okolo 2 %. Nejvyšší koncentrace popelovin je v obalových vrstvách obilky, nejnižší v endospermu. Nejvíce zastoupené prvky jsou fosfor, draslík, křemík a hořčík, v menší míře jsou obsaženy v zrnu ječmene vápník, železo, hliník, sodík a molybden. Pro činnost řady enzymů a technologii výroby piva mají význam i stopové prvky, zinek, mangan, měď, selen a bór, přítomné v obilce.
3.1.5
Enzymy a ostatní složky zrna
Enzymy v zrnu jsou důležité pro metabolismus vytvářející se rostliny, pro potravinářství a pro sladovnictví. Z chemického hlediska jsou enzymy bílkovinné makromolekuly, které katalyzují různé typy chemických reakcí. Podle typy reakce, kterou katalyzují jsou enzymy klasifikovány a pojmenovány. Oxidoreduktázy katalyzují oxidačně-redukční reakce a mají význam při dozrávání, sladování a klíčení zrna. Jsou spjaty s procesy dýchání obilek a kvašení při výrobě piva. Jde o lipoxygenázu, katalázu, superoxiddismutázu a peroxidázu. Transferázy jsou činné během dozrávání ječmene, v období posklizňového klidu a při klíčení. Hydrolázy mají význam v technologii sladování i v dalším procesu výroby piva. Patří sem fosfatázy a amylázy. Lyázy a izomerázy se podílí na metabolismu uhlíku, dusíku a lipidů. Ligázy jsou důležité při biosyntéze škrobu, bílkovin a aminokyselin. Hydrolázy a β-glukanáza mají význam při depolymeraci ječného β-glukanu v průběhu sladování a rmutování. Zvýšenou aktivitou β-glukanázy a hemiceluláz lze negativní působení β-glukanů do určité míry ovlivnit. Aktivita β-glukanázy stoupá při klíčení obilky v půdě i během
18
sladování (Ehrenbergerová, 2006). V zrnu ječmene se vyskytují také látky inhibiční povahy a látky fenolické, které v lidské výživě vykazují potenciální antikarcinogenní účinky. Mezi látky inhibiční povahy patří inhibitory enzymů proteázy, trypsinu, chymotrypsinu a serinu. Hydrolyzované třísloviny, proanthokyanidiny a alkylresorciny náleží mezi fenolické látky (Vaculová, 1999).
3.2 Význam dietní vlákniny pro člověka Celková dietní vláknina ječmene je tvořena z 86 % neškrobovými polysacharidy. Z toho je 56 – 59 % β-glukanů, 23 – 26 % arabinoxylanů, 15 % celulózy a 6 % ligninu. Vysoký obsah celkové i rozpustné vlákniny mají potraviny z ječmene (McGregor et al., 1993). O chemickém složení a vlastnostech složek dietní vlákniny bylo pojednáno v části věnující se sacharidům. Zrno ječmene obsahuje 15 – 24 % dieteticky příznivé vlákniny (Ehrenbergerová, 2000). Podle specialistů by se měla spotřeba vlákniny pohybovat kolem 30 g na osobu a den, z toho by polovinu uhradily právě obiloviny. Dosavadní spotřeba vlákniny je však jenom 20 – 25 g na osobu a den (Němejc, 2001). Dietní vláknina zvyšuje viskozitu žaludku a střev, zpomaluje promíchávání jejich obsahu, omezuje přístup pankreatických lipáz a amyláz k substrátům, a tím adsorpci živin, váží se minerální látky (ionty vápníku, železa, mědi a zinku) a modifikuje se tím jejich dostupnost. Zrno ječmene neobsahuje cholesterol a má nízký obsah tuku, na rozdíl od ovsa (Ehrenbergerová, 2006). V níže uvedené tabulce je vidět, že v ječmeni je nejvyšší obsah celkových (4,95 %) i ve vodě rozpustných (3,28 %) β-glukanů (Ehrenbergerová, 2006). Během zpracování zrna, pečení a vaření se obsah β-glukanů ani jejich fyziologické funkce nesnižují (McGregor et al.,1993). Po zpracování zrna byly ztráty obsahu β-glukanů ve výši 5 % (Bhatty, 1992). Jedním ze zdravotně preventivních účinků dietní vlákniny je snižování hladiny LDLcholesterolu (hypocholesterolemický účinek). Předpokládá se, že největší vliv na snižování krevních lipidů by měly vykazovat waxy odrůdy ječmene s geneticky determinovaným vyšším obsahem β-glukanů (Bhatty, 1999). Na rozdíl od ostatních obilovin má ječná dieta vliv i na inhibici hyperglykémie, neboli diabetu, která se projevuje nedostatkem inzulinu či jeho nefunkčním využití v organismu s vážnými chronickými a akutními zdravotními komplikacemi až ohrožením života (Velíšek,
19
1999). Hypoglykemická účinnost se uvádí jako glykemický index (GI), který je vyjádřením poměru hladiny glukózy po jídle k standardní hladině glukózy v krvi (Bhatty, 1999). Tab.1: Obsah složek celkové a rozpustné vlákniny v zrně obilnin v % (Ehrenbergerová, 2006) Beta-glukany Druh
Arabinoxylany
celkové rozpustné celkové rozpustné
Ječmen
4,95
3,28
6,47
0,55
Oves
3,83
2,42
8,69
0,57
Pšenice
0,74
0,65
7,53
1,34
Žito
2,15
0,77
9,65
2,95
Na snížení glykemického indexu má vliv rozpustná vláknina a β-glukany, které dokáží ve střevech oddálit absorpci a trávení škrobu a tak zamezit vzestupu hladiny glukózy v krvi (Štěrba et al., 2000). Existuje vysoká souvislost mezi stravou obsahující vysoký podíl vlákniny a nízkým výskytem rakoviny a nemocí zažívacího traktu (Havlová et al., 2000). Vláknina je protektivním materiálem při zácpě, gastrických vředech, hemeroidech, ale také rakovině střev a konečníku aj. chorobách. Nejvyšší antikarcinogenní účinnost vykazují β-1,3-D– glukany se stupněm větvení 0,20 – 0,33 (Velíšek, 1999). Je důležité zmínit se také i o negativních stránkách zvýšené konzumace vlákniny. Jedná se především o riziko kontaminace obalových částí zrna těžkými kovy (olovo, kadmium, rtuť), radioaktivními prvky a rezidui pesticidů, které byly použity v průběhu pěstování nebo zpracování suroviny (Prugar, 1999).
20
4. MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ 4.1 Metodika polního pokusu Polní pokus byl založen na pozemku Školního zemědělského podniku MZLU v Žabčicích u Brna. Výsev byl proveden 31. března 2005 ve sponu 10 x 15 cm. Vyseto bylo jedno opakování a od každé odrůdy bylo vyseto 10 řádků po deseti zrnech. Výjimku tvořily odrůdy Wabet, Wanubet, Washonubet a Krona, které byly vysety po dvanácti řádcích z důvodu nízké vzcházivosti. . Sklizeň ječmene byla uskutečněna 25. července 2005.
4.2 Pokusná lokalita a její charakteristika 4.2.1
Školní zemědělský podnik MZLU
Pro tento pokus jsme použili prostory Školního zemědělského podniku MZLU v Žabčicích. Nachází se v kukuřičné výrobní oblasti a v nadmořské výšce 185 m.n.m. Pozemky jsou většinou rovinatého charakteru.
4.2.2
Půdní podmínky
Půdy Školního zemědělského podniku se řadí mezi půdy těžké, neutrální až slabě kyselé s nedostatkem humusu. Podle morfogenetického klasifikačního systému lze půdu označit jako fluvizem glejovou (FMG) s obsahem 63 % jílnatých částic v Au horizontu (Ehrenbergerová et al., 1999). Půdní profil je zde pod stálým vlivem podzemní vody, která se nachází v hloubce 180cm. V období s nedostatkem vláhy půda vysychá a vznikají tak velké trhliny. Ornice je hlinitá až jílovitohlinitá, spodina je jílovitohlinitá až jílovitá. Těžká spodina způsobuje špatnou vodopropustnost, proto se zadržená půdní vláha kapilárním zdvihem dostává až k vrchovým vrstvám (Brtníková, 2003).
4.2.3
Klimatické podmínky
Školní zemědělský podnik Žabičce leží v pásmu mírně teplé a mírně suché oblasti. Oblast, pod kterou pozemek spadá, lze charakterizovat jako mírně suchou, teplou, s kratším slunečním svitem v době vegetace a s mírnou zimou. Podle dlouhodobého průměru (1901 – 1990) byla průměrná teplota za vegetační období 13,1°C, přičemž průměrná roční teplota byla 9,2°C. Nejteplejším měsícem dle dlouhodobého průměru byl červenec s průměrnou teplotou 19,4°C a nejchladnějším měsícem byl únor s průměrnou teplotou -1,99°C. Trvání slunečního svitu se pohybuje mezi 1800 – 2000 21
hodin za rok. Průměrný roční úhrn srážek byl podle dlouhodobého průměru 508,85 mm. Na srážky byl nejchudší měsíc březen (5,80 mm) a naopak nejbohatší byl měsíc červenec s úhrnem srážek 103,1 mm.
4.3 Charakteristika odrůd a linií K této práci byly použity rodičovské materiály jarního ječmene, které lze rozdělit na: *
donory zvýšeného obsahu β-glukanů – americké odrůdy nízké výnosové úrovně Wabet, Wanubet a Washonubet
*
donory vysoké výnosové úrovně s nízkým podílem β-glukanů v sušině – odrůdy Krona a Kompakt
Kompakt – pluchatá, poloraná odrůda, nízkého vzrůstu se středně velkým zrnem, velmi dobrou výtěžností předního zrna a vysokou jakostí. Nesnáší setí po obilovině. Upřednostňována českými sladaři pro výrobu sladu. Nevýhodou je nízká odolnost proti poléhání v intenzivních podmínkách. Udržovatel: Hordeum s.r.o Sládkovičovo, SK, registrována v roce 1995 Krona – pluchatá, polopozdní odrůda,s velmi dobrou výtěžností předního zrna. Velkou výhodou je odolnost proti napadení padlím travním. Udržovatel: Semundo Saatzucht, GmbH, Rellingen (D), registrována v roce 1995 Tolar – odrůda polopozdní s nízkým až středním vzrůstem. Proti hnědé skvrnitosti a rzi ječné je dobře odolná. Má vysoký a stabilní výnos. Udržovatel: Saatzucht J. Braun Vebr, D, registrována v roce 1997 PANT SELECT, spol. s.r.o., Hrubčice Amulet – poloraná odrůda nízkého typu, zrno této odrůdy je velké, výtěžnost předního zrna je vysoká. Výhodou je odolnost proti poléhání. Udržovatel: SELGEN, a.s., ŠS Strupice, registrována v roce 1995 Wabet – pluchatá odrůda Wanubet – bezpluchá odrůda Washonubet - bezpluchá odrůda Tři posledně jmenované odrůdy jsou genetickými donory zvýšeného obsahu β-glukanů i tokolů, s waxy (voskovým) endospermem. Mají nižší výnos drobnějšího zrna. Dále jsou náchylné k poléhání a houbovým chorobám. Odrůdy byly získány od Dr. Newmana z Univerzity v Montaně v USA. Význam jednotlivých předpon:
wa – voskový endosperm
22
sho – zkrácená osina nu - bezpluchost Nordus – poloraná odrůda s vysokou výtěžností předního zrna, špičkové sladovnické kvality, vysoce odolná proti poléhání a lámání stébla Udržovatel: NORDSAAT Saatzuchtgesellschaft mbH, SRN, registrována v roce 1998 Kompakt x Wabet – pluchatá linie Krona x Wanubet – bezpluchá linie Wabet x Kompakt – pluchatá linie Wabet x Washonubet – bezpluchá linie Wanubet x Krona – bezpluchá linie Kompakt x Krona – pluchatá linie Krona x Kompakt – pluchatá linie Tyto linie byly nakříženy na Ústavu pěstování a šlechtění rostlin MZLU v Brně, v rámci řešeného grantového projektu GA ČR. KM 1771 – bezpluchá linie, KM linie vyšlechtila Ing. Kateřina Vaculová, ZVÚ Kroměříž, spol. s.r.o. KM 1057 – bezpluchá linie, významný obsah dusíkatých látek a lysinu KM 2387 – bezpluchá linie KM 1910 – bezpluchá linie, má drobnější zrno a zlepšenou HTZ KM 2084 – bezpluchá linie se světlým zrnem a s vysokou HTZ. Také má zvýšený obsah nutričně významných látek v zrnu. KM 2283 – bezpluchá linie, průměrná HTZ, horší podíl středního zrna, má průměrný až vyšší obsah škrobu a také zvýšený obsah β-glukanů v zrně. KM 2092 – linie bezpluchá, má nižší až střední HTZ, průměrný výnos zrna, zvýšený obsah dusíkatých látek v zrnu KM 2001 – bezpluchá linie s drobnějším zrnem a s nižším až středním HTZ KM 2074 – bezpluchá linie, vyšší obsah dusíkatých látek v zrně a vysokou HTZ
4.4 Metody stanovení 4.4.1
Stanovení obsahu arabinoxylanů
Vážková metoda byla jednou z prvních metod na stanovení arabinoxylanů. Princip této metody spočívá v působení zředěné kyseliny chlorovodíkové, kdy vzniká furfural a ten se vysráží roztokem floroglucinolu v kyselině chlorovodíkové. Vzniklý roztok se zbarví
23
žlutě a později přejde až do tmavě zelené barvy. Vzniklá sraženina se nechá stát do dalšího dne, poté se zfiltruje, promyje vodou, vysuší a stanoví vážkově. Kapilární elektroforéza je další metoda na stanovení arabinoxylanů především v rostlinných materiálech. Stanovuje se obsah arabinoxylanů v podobě jejich monosacharidových složek, arabinózy a xylózy. Z rostlinného materiálu se izolují hemicelulózy a poté se hydrolyzují kyselinou trifluoroctovou (Sukupová, 2002). Pro stanovení arabinoxylanů byla dále vypracována spektrofotometrická metoda podle Douglase. Autor modifikoval metodu podle Cracknella et al. (Havlová, 2001). Pro analýzu vzorků k této práci byla použita metoda dle Douglase. Metoda je založena na reakci vodného roztoku vzorku ječné mouky s kyselým reakčním činidlem. Ke stanovení se navažuje 5mg vzorku. Reakční směs se skládá z koncentrované kyseliny chlorovodíkové, koncentrované kyseliny octové, roztoku floroglucinolu a roztoku glukózy. Roztok floroglucinolu se připraví smícháním přesné navážky floroglucinolu s etanolem. Reakční směs se společně se vzorkem vaří 25 minut ve vodní lázni. Během vaření musí být vzorky dvakrát důkladně promíchány. Vzniká červenooranžové zbarvení, jehož intenzita se po ochlazení vzorku rychle změří spektrofotometricky při vlnové délce A552 a A510 nm. Absorbance se měří proti slepému pokusu, který je připravován spolu se vzorky (Sukupová, 2002). Výhodou metody je nenáročnost na instrumentaci, jednoduchost a dobrá reprodukovatelnost.
4.4.2
Stanovení obsahu β-glukanů
Pro stanovení hladiny β-glukanů v zrně ječmene, sladu a sladině se má použít vhodná metoda, aby se získaly přesné výsledky. Platí, že použitá metoda by měla splnit kritéria přesnosti. Dále je důležitá rychlost a jednoduchost metody, aby bylo umožněno provést několik desítek analýz za den. Na kvantitativní stanovení β-glukanů je popsána řada metod, které jsou založeny na různých principech. Jde především o srážecí, enzymatické, fluorimetrické metody a metody fluorimetrické s aplikací FIA (Flow Injection Analysis). Metoda FIA je calcofluorová metoda aplikovaná na automatický systém (Havlová, 2001). Je založena na vzniku komplexu vysokomolekulárních β-glukanů a barviva Calcofluor White M2R New, jenž se projeví zvýšením fluorescenční intenzity barviva a ta je změřena spektrofluorimetrem. Při stanovení β-glukanů v ječmeni a ve sladu se vzorek podrobí kyselé hydrolýze pomocí kyseliny sírové (Soukupová, 2002). Ke
24
zpřesnění metody byla využita technika průtokové injekční analýzy (FIA). Její princip spočívá ve vstřikování vzorku do tekoucího nosného proudu pufru a činidla. Vzorek (reaguje s činidlem) je při průchodu kapilárou rozptýlen v nosném proudu činidel a vytváří koncentrační gradient. Reakční produkt je kvantitativně měřen v průtokovém detektoru a jeho signál zaznamenává počítačová technika (Havlová, 2001). Ve Výzkumném ústavu pivovarském a sladařském v Brně se rutinně požívá metoda FIA a k stanovení β-glukanů v našich vzorcích jsem použila tuto metodu. Ke stanovení se používá i metoda Biocon, která je založena na používání bakteriálního enzymu lichenázy, což je (1→3), (1→4)-β-D-glukan-4-glukanohydroláza (EC 3.2.1.73). Producentem lichenázy je bakterie Bacillus subtilis. Tento enzym štěpí pouze vazbu (1→4)-β-3-substituovaných-D-glukopyranosylových zbytků a je proto velmi specifický pro ječmen. Po extrakci a degradaci β-glukanů působením lichenázy až na oligomery jsou oligomery dále štěpeny β-glukosidázou na glukózu. Ta je stanovena enzymaticky (Prýma, 2000).
4.5 Metodika přípravy vzorků zrna Z posklizňově ošetřeného zrna, tj. vysušeného a přetříděného na sítě 2,2 mm, byly odebrány vzorky a homogenizovány na laboratorním mlýnku. Analýzy těchto vzorků obilek na obsah β-glukanů a arabinoxylanů byly provedeny ve Výzkumném ústavu pivovarském a sladařském Brno. Koncentrace beta-glukanů a arabinoxylanů byly přepočteny na 100 % sušinu. Ta byla u každého vzorku obilek stanovena individuálně obvyklou laboratorní metodou.
4.6 Přístroje a chemikálie použité při vlastním stanovení 4.6.1
Stanovení obsahu β-glukanů
4.6.1.1 Přístroje a zařízení ● Mlýnek laboratorní SUPER JOLLY SJ 500: o Výrobce: firma Mezos s.r.o. ● Analytické váhy SCALTEC SBC 52: o Výrobce: firma Scaltec ● Analytické váhy SARTORIUS R 2000: o Výrobce: firma Sartorius GMBH Göttingen ● PVK 01 s PC: 25
o Výrobce: firma LABECO, ČR ● Vodní lázeň EL – 20R: o Výrobce: Kavalier Votice, ČR ● Centrifuga chlazená 3K 30: o Výrobce: firma Sigma, USA ● Fluorescenční detektor – sestava FIA, FL 2000: o Výrobce: firma Villa s.r.o., Spišská Nová Ves, Specha – Physics Analytical
4.6.1.2 Chemikálie ● Destilovaná voda ● Glycin p.a., c = 0,2 mol/l, pH, G-7126 o Výrobce: firma Sigma, USA ● Calcofluor p.a.. c = 2,5*10-3mol/l, F-3397: o Výrobce: firma Sigma, USA ● Standard β-glukan – Barley Beta-glucan 4,6 % o Výrobce: firma Megazym ● Kyselina sírová p.a., c = 0,075 mol/l: o Výrobce: ONEX ČR
4.6.2 4.6.2.1
Stanovení obsahu arabinoxylanů Přístroje a zařízení ● Mlýnek laboratorní SUPER JOLLY SJ 500: o Výrobce: firma Mezos s.r.o. ● Analytické váhy SCALTEC SBC 52: o Výrobce: firma Scaltec ● Vodní lázeň EL – 20R: o Výrobce: Kavalier Votice, ČR ● Ultrazvuková lázeň TESON 4: o Výrobce: Tesla, ČR ● Spektrofotometr CARY IE:
Výrobce: firma Varian Australia
4.6.2.2 Chemikálie 26
● Destilovaná voda ● Kyselina octová AR, glaciál (ledová koncentrovaná( A-6283): o Výrobce: firma Sigma, USA ● Kyselina chlorovodíková AR, koncentovaná (35 %): o Výrobce: Lachema a.s., Neratovice ● Roztok phloroglucinolu (1,3,5-trihydroxybenzen), P-8270: o Výrobce: firma Sigma, USA ● D-(+)-glukóza (dextrose, com sugar), G-8270: o Výrobce: firma Sigma, USA ● D-(+)-xylóza, X-3877: o Výrobce: firma Sigma, USA ● Etanol
4.7 Metodika zpracování experimentálních výsledků Veškeré získané experimentální údaje byly zpracovány ve statistickém programu STATISTICA.cz verrze 7 jednofaktorovou analýzou variance. Významnost rozdílů mezi průměrnými hodnotami odrůd byla testována na 5 % hladině průkaznosti LSD testem (Fischerův test). Vztahy mezi znaky byly stanoveny pomocí Pearsonova korelačního koeficientu r na hladině průkaznosti P = 0,05.
27
5. VÝSLEDKY PRÁCE A DISKUSE 5.1 Vyhodnocení obsahu β-glukanů Z tabulky analýzy variance (tab. 2) je patrné, že odrůdy a linie byly
statisticky
významným zdrojem variability zkoumaných hodnot β-glukanů. Proto byl dále použit LSD test pro zjištění významnosti rozdílů mezi jednotlivými odrůdami a liniemi. Obsah β-glukanů byl vyjádřen v procentech sušiny vzorku. Tab. 2: Tabulka analýzy variance beta-glukanů Zdroj variability Odrůdy a linie Chyba Celkem
d.f. 23 24 47
Vysvětlivky: * **
MS 3,873 ** 0,016
P = 0,05 P = 0,01
Z testovaných odrůd měla linie KM 2074 nejvíce β-glukanů (8,28 % - tab. 3) a statisticky významně se lišila od všech ostatních odrůd a linií s výjimkou odrůdy Krona, která obsahovala průměrně 8,14 % β-glukanů. Odrůda Wabet, linie Kompakt x Wabet a odrůda Krona se od sebe navzájem statisticky průkazně nelišily a jejich hodnoty se pohybovaly v rozmezí 7,96 – 8,14 %. Statisticky významně se od ostatních linií a odrůd lišila linie Wanubet x Krona, u níž činil obsah β-glukanů 7,03 % a linie KM 2387, která obsahovala 6,71 % β-glukanů. Mezi liniemi KM 2283 a KM 1771 nebyl nalezen průkazný rozdíl, neboť u těchto linií byl stanoven stejný průměrný obsah β-glukanů 6,43 %. Odrůda Wanubet (5,97 %) se svým obsahem β-glukanů statisticky průkazně nelišila od linie Wabet x Washonubet (5,82 %). Linie KM 2084 obsahovala 5,53 % β-glukanů a statisticky se průkazně nelišila od linií KM 2092 (5,60 %) a KM 1057 (5,67 %). Statisticky průkazně se nelišily linie Krona x Kompakt ( 4,98 %), Wabet x Kompakt (4,92 %) a odrůdy Washonubet (4,81 %) a Tolar (4,78 %) a tvořily homogenní skupinu. Nalezen nebyl statisticky průkazný rozdíl ani mezi odrůdami Washonubet, Tolar a Nordus (4,72 %) a linií Kompakt x Krona, kde byla stanovena hladina β-glukanů 4,55 %. Od ostatních odrůd a linií se průkazně lišily nižšími obsahy β-glukanů linie KM 2001 (4,27 %), Krona x Wanubet (4,21 %) a KM 1910 (4,04 %) a odrůda Kompakt, u
28
které byl obsah β-glukanů 4,20 % a tvořily tak jednu homogenní skupinu. Linie KM 1910 se statisticky průkazně nelišila také od odrůdy Amulet (3,91 %). U níž byl stanoven nejnižší obsah β-glukanů a kromě linie KM 1910 se tímto nejnižším množstvím lišila od celého souboru. Rozdíl mezi nejvyšším a nejnižším obsahem činil 4,37 %, což je poměrně velká odrůdová diference. Tab. 3: Průměrný obsah β-glukanů v % - rok 2005 Odrůdy a linie
n
Amulet KM 1910 Kompakt Krona x Wanubet KM 2001 Kompakt x Krona Nordus Tolar Washonubet Wabet x Kompakt Krona x Kompakt KM 2084 KM 2092 KM 1057 Wabet x Washonubet Wanubet KM 1771 KM 2283 KM 2387 Wanubet x Krona Wabet Kompakt x Wabet Krona KM 2074
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
Průměrný obsah (%) 3,91 4,04 4,20 4,21 4,27 4,55 4,72 4,78 4,81 4,92 4,98 5,53 5,60 5,67 5,82 5,97 6,43 6,43 6,71 7,03 7,96 8,00 8,14 8,28
Významnost rozdílu a ab b b b c cd cde cde de de f fg fg gh h i i j k l l lm m
Vysvětlivky: průměrné obsahy označené různými písmeny jsou od sebe statisticky významně odlišné (P = 0,05)
5.2 Vyhodnocení obsahu arabinoxylanů Z tabulky analýzy variance (tab. 4) je patrné, že odrůdy a linie byly
statisticky
významným zdrojem variability zkoumaných hodnot arabinoxylanů. Proto byl dále
29
Tab.4: Tabulka analýzy variance arabinoxylanů Zdroj variability Odrůdy a linie Chyba Celkem
d.f. 23 48 71
Vysvětlivky: * **
MS 5,949 ** 1,079
P = 0,05 P = 0,01
použit test LSD pro zjištění rozdílů mezi jednotlivými odrůdami a liniemi. Obsah arabinoxylanů byl vyjádřen v procentech sušiny vzorku. V tabulce 5 jsou uvedeny průměrné obsahy arabinoxylanů u jednotlivých odrůd a linií s vyznačením významnosti rozdílů. Tab. 5: Průměrný obsah arabinoxylanů v % - rok 2005 Odrůdy a linie Kompakt x Wabet Krona x Kompakt KM 2387 Wabet x Kompakt Tolar KM 1057 KM 1771 Washonubet KM 2092 Krona x Wanubet Nordus KM 2084 Kompakt x Krona Wanubet KM 2074 KM 2001 Wanubet x Krona Wabet x Washonubet Krona Wabet KM 1910 KM 2283 Kompakt Amulet
Průměrný obsah (%) 3,32 3,66 5,17 5,22 5,53 5,66 5,77 5,84 6,08 6,47 6,51 6,53 6,59 6,60 6,65 6,78 6,94 7,04 7,07 7,61 7,88 8,09 9,14 9,27
n 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
Významnost rozdílu a ab bc bc cd cd cd cd cde cdef cdef cdef cdef cdef cdef cdef def def def efg fg fg g g
Vysvětlivky: průměrné obsahy označené různými písmeny jsou od sebe statisticky významně odlišné (P = 0,05)
30
Nejnižší obsah arabinoxylanů byl zjištěn u linie Kompakt x Wabet (3,32 % - tab.5), která se tímto obsahem významně lišila od ostatních odrůd a linií ze zkoumaného souboru. Mezi liniemi Kompakt x Wabet (3,32 %) a Krona x Kompakt (3,66 %) nebyl nalezen statisticky průkazný rozdíl. Mezi liniemi Krona x Kompakt, KM 2387 (5,17 %) a Wabet x Kompakt (5,22 %) rovněž nebyl zjištěn žádný průkazný rozdíl. Odrůdy Nordus (6,51 %), Krona (7,07 %) a Wanubet (6,60 %) a a linie Krona x Wanubet (6,47 %), KM 2084 (6,53 %), Kompakt x Krona (6,59 %), KM 2074 (6,65%), KM 2001 (6,78 %), Wanubet x Krona (6,94 %) a Wabet x Washonubet (7,04 %) tvořily jednu homogenní skupinu, a proto mezi nimi nebyl stanoven průkazný rozdíl. Mezi odrůdami Nordus, Tolar (5,53 %), Wanubet (6,60 %), Washonubet (5,84%), a liniemi Krona x Wanubet, KM 2084, Kompakt x Krona, KM 2074, KM 2001, KM 1057 (5,66 %), KM 1771 (5,77 %) a KM 2092 (6,08 %) se nenašel statisticky průkazný rozdíl. Odrůdy Kompakt a Amulet (9,14 – 9,27 %) se svými vysokými hodnotami významně lišily od celého souboru s výjimkou linií KM 1910 (7,88 %), KM 2283 (8,09 %) a odrůdy Wabet (7,61 %). Nejvyšší obsah arabinoxylanů měla odrůda Amulet (9,27 %). Rozdíl mezi nejvyšším a nejnižším obsahem arabinoxylanů byl 5,95 %.
5.3
Diskuse
Ve zkoumaném souboru byly zjištěny statisticky významné rozdíly mezi odrůdami jak v obsahu arabinoxylanů, tak i v obsahu beta-glukanů. Do souboru byly zařazeny tři waxy odrůdy americké provenience Wabet, Wanubet a Washonubet, které jsou známé jako donory vysokého obsahu β-glukanů. Ehrenbergerová et al. (2006a, 2006b) uvedli, že významně vyšší obsah β-glukanů než ostatní odrůdy a linie měly waxy odrůdy Wanubet, Wabet a Washonubet (7,57, 6,90, 6,77 %) a linie Wabet x Washonubet (7,03 %) a Wanubet x Krona (6,38 %). Stejní autoři dále uvedli, že významně nižší obsah βglukanů měly sladovnické odrůdy Kompakt (4,03 %), Krona (4,3 %) a linie Krona x Wanubet (4,32 %). V této práci se však sladovnická odrůda Krona (8,14 %) velmi významně lišila svým vysokým obsahem β-glukanů od všech ostatních odrůd a linií s výjimkou linie KM 2074 (8,28 %). Dá se usuzovat, že tento výjimečně vysoký obsah β-glukanů u odrůdy Krona mohl být způsoben vyšší průměrnou teplotou za vegetační období, a zejména v době tvorby obilek v roce 2005, a bude nutné jej ověřit v dalších letech. Naopak vlhké a deštivé ročníky mají na syntézu β-glukanů negativní vliv. Nižší hodnoty β-glukanů vykazovaly tradičně sladovnické odrůdy Amulet (3,91 %) 31
a Kompakt (4,2 %). Nižší obsah β-glukanů je důležitý pro dosažení vyššího ukazatele sladovnické jakosti odrůdy ječmene. U ječmene je nejvyšší obsah β-glukanů ze všech cereálií (Jeroch a Daenicke, 1995). Ze zkoumaného souboru v této práci dosahovaly nejvyšších obsahů arabinoxylanů sladovnické odrůdy Amulet, Kompakt a linie KM 2283 a KM 1910 (9,27, 9,14, 8,09, 7,88 %). Nejnižších obsahů arabinoxylanů dosahovaly ze zkoumaného souboru linie Kompakt x Wabet (3,32 %) a Krona x Kompakt (3,66 %). Henry (1986) ve své práci uvedl, že obsah arabinoxylanů ovlivnila odrůda a prostředí. Belcrediová et al. (2006) uvedli, že k dalšímu potravinářskému zpracování by doporučili waxy odrůdy Wanubet a Wabet a linii Wabet x Washonubet a Kompakt x Wabet, neboť měly jak vyšší obsah β-glukanů (6,25 – 7,47 %) tak arabinoxylanů (6,22 – 8,39 %). V souboru odrůd a linií použitých k této práci se jako nejvhodnější pro další potravinářské zpracování rovněž ukázaly linie Wabet x Washonubet, KM 2283 a odrůdy Wanubet, Wabet a Krona, které měly vyšší obsah jak β-glukanů (5,82 – 8,14 %) tak i arabinoxylanů (7,04; 8,09; 6,60, 7,96; 7,07 %). V rámci odrůd nebyla prokázána korelace mezi arabinoxylany a β-glukany, neboť r = 0. Stejné poznatky uvádí i Ehrenbergerová et al. (2006b). Výsledky této práce svědčí o velké variabilitě obsahu β-glukanů (3,91 – 8,28 %) i arabinoxylanů (3,32 – 9,27 %). Variabilitu významně ovlivnily odrůdy a linie, což je potvrzeno mnoha autory. Průměrný obsah arabinoxylanů v zrnu ječmene v roce 2005 byl 6,48 %. Ehrenbergerová (2006) uvedla, že obsah arabinoxylanů v souboru ječmene byl 6,47 %. Lehtonen a Aikasalo (1987) stanovili koncentrace arabinoxylanů u odrůd ječmene dvouřadého v rozmezí 6,7 – 9,8 %. Výše uvedené hodnoty arabinoxylanů v naší práci se jejich výsledkům velmi přibližovaly. Průměrný obsah β-glukanů ze zkoumaného souboru v roce 2005 byl 5,71 %. Belcrediová et al. (2006) uvedli, že obsah β-glukanů byl v roce 2003 5,97 % a v roce 2004 dosáhl 5,31 %. Výsledky této bakalářské práce se shodují s výsledky uvedených autorů prakticky v obou letech.
32
6. ZÁVĚR Cílem této bakalářské práce bylo prakticky stanovit obsah a porovnat variabilitu obsahu neškrobových polysacharidů, tedy β-glukanů a arabinoxylanů (dříve pentozanů), v zrnu ječmene jarního. β-glukany a arabinoxylany jsou důležitou součástí dietní vlákniny, která má pozitivní vliv na funkce lidského organismu. Dietní vláknina snižuje hladinu LDL – cholesterolu, hyperglykémii, zabraňuje výskytu rakoviny a nemocí trávicího traktu. A proto se ječné zrno ve světě (USA, Austrálie) využívá k výrobě tzv. funkčních potravin. Ječné zrno obsahuje 15 – 24 % dieteticky příznivé vlákniny, má nízký obsah tuku a na rozdíl od ovsa neobsahuje cholesterol. Celková dietní vláknina ječmene je tvořena z 86 % neškrobovými polysacharidy. Z toho se uvádí 56 – 59 % β-glukanů, 23 – 26 % arabinoxylanů, 15 % celulózy a 6 % ligninu Ke stanovení byly použity linie a odrůdy, které byly vypěstovány na pozemku Školního zemědělského podniku MZLU v Žabčicích v roce 2005. Do zkoumaného souboru byly zařazeny sladovnické odrůdy Kompakt, Krona, Tolar, Amulet a Nordus. Dále odrůdy amerického původu Wabet, Wanubet a Washonubet, které mají waxy (voskový) endosperm a jsou známy také jako donory β-glukanů. Dále byly do zkoumaného souboru zařazeny linie Kompakt x Wabet, Wabet x Kompakt, Wabet x Washonubet, Krona x Wanubet, Wanubet x Krona, Kompakt x Krona a Krona x Kompakt, které byly vytvořeny na Ústavu pěstování a šlechtění rostlin v Brně. Do souboru náležely ještě linie vytvořené v Zemědělském výzkumném ústavu Kroměříž s.r.o. Jednalo se o linie KM 1771, KM 1057, KM 2387.292, KM 1910, KM 2084, KM 2283, KM 2092, KM 2001 a KM 2074. β-glukany byly stanoveny fluorimetrickou metodou aplikovanou na automatický systém, tzv. metodou FIA, a arabinoxylany spektrofotometrickou metodou modifikovanou
podle
Douglase.
Stanovení
byla
provedena
za
odborného
vedenív analytické laboratoři VÚPS, Sladařský ústav Brno, kde jsou neškrobové polysacharidy rutinně stanovovány v obilkách i sladu. Nejvyšší obsah β-glukanů byl zjištěn u linie VKM 2074 (8,28 %), Kompakt x Wabet (8,00 %) a sladovnické odrůdy Krona (8,14 %). Nejnižší obsah β-glukanů ze zkoumaného souboru byl stanoven u sladovnické odrůdy Amulet (3,91 %) a linie KM 1910 (4,04 %). Nejvyšší obsah arabinoxylanů měla odrůda Amulet (9,27 %). Vyšší obsah dále měly linie KM 1910, KM 2283 (7,88, 8,09 %) a odrůda Kompakt (9,14 %). Nejnižší obsah arabinoxylanů byl stanoven u linií Kompakt x Wabet (3,22 %) a Krona x Kompakt (3,66 %). Ve zkoumaném souboru byly nalezeny statisticky významné rozdíly 33
mezi odrůdami a liniemi v obsahu β-glukanů a arabinoxylanů, ale nebyla prokázána korelace mezi arabinoxylany a β-glukany. Nejvhodnější pro další potravinářské zpracování byly linie Wabet x Washonubet, KM 2283 a odrůdy Wanubet, Wabet a Krona, které měly vyšší obsah jak β-glukanů (5,82 – 8,14 %) tak i arabinoxylanů (6,60 – 8,09 %). Pro sladovnické účely se jevily jako nejvhodnější linie Krona x Kompakt, Wabet x Kompakt a odrůda Tolar, které měly nižší obsah jak arabinoxylanů (3,66 - 5,53 %) tak i β-glukanů (4,78 - 4,98 %).
34
7. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY BELCREDIOVÁ, N., EHRENBERGEROVÁ, J., HAVLOVÁ, P. Neškrobové polysacharidy v zrnu ječmene. In MZLU pěstitelům. Žabčice: MZLU Brno, 2006. s. 15 17. BHATTY, R.S. Beta-glucan content of viscosities of barleys and their roller-milled flour and bran products. Cereal chemistry, 1992, roč. 69, č. 5, s. 469-471, ISSN 00090352 BHATTY, R.S. The potential of hull-les barley. American Association of Cereal chemists, 1999, roč.76, č.5, s.589-599 BRTNÍKOVÁ, Helena. Nutriční složky obilek bezpluchého ječmene s ohledem na jejich vužití pro výrobu funkčních potravin. MZLU Brno, 2003. 59 s. Vedoucí diplomové práce Doc. Ing. Jaroslava Ehrenbergerová, CSc. BŘEZINOVÁ BELCREDI, N., EHRENBERGEROVÁ, J., PRÝMA, J. Obsah vitamínu E v zrnu jarního ječmene. Ječmenářská ročenka 2007. Praha : Výzkumný ústav pivovarský a sladařský a.s., 2006, s. 264 – 271.
DERVILLY - PINEL, G., et al. Water-extractable Arabinoxylan from Pearled Flours of Wheat, Barley, Rye and Triticale. Evidence for the presence of Feruic Acid Dimers and their Involvement in Gel Formation. Journal of Cereal Science. 2001, vol. 34, no. 1, s. 207-214.
DORNEZ, E., et al. Effects of genotype, harvest year and genotype-by-harvest year interactions on arabinoxylan, endoxylanase activity and endoxylanase inhibitor levels in wheat kernels. Journal of Cereal Science. 2008, vol. 47, s. 180-189.
EHRENBERGEROVÁ, J., BELCREDIOVÁ, N., HAVLOVÁ, P.,
PRÝMA, J.,
VACULOVÁ, K., VEJRAŽKA, K. Barley Grain as a Source of Natural Antioxidants and Nutraceutics Beneficial to Health. In Proceedings of 3rd International Congress
35
Flour - Bread '05 and 5th Croatian Congress of Cereal Technologists. Osijek: Faculty of Food Technology, 2006a, s. 188 – 194 . ISBN 953-7005-09-5. EHRENBERGEROVÁ, J., et al. Výnosové prvky a jejich vztahy k jakostním ukazatelům zrna bezpluchého jarního ječmene. Rostlinná výroba. 1999, roč. 45, č. 2, s. 53-59.) EHRENBERGEROVÁ, J., BELCREDIOVÁ, N., HAVLOVÁ, P., ROŽNOVSKÝ, J., VEJRAŽKA, K., VACULOVÁ, K. Effect of weather conditions and genotype on the content of non-starch polysaccharides in spring barley breeding. In Vereinigung der Pflanzenzüchter und Saatgutkaufleute Österreichs. Irdning: 2006b, s. 25—29 EHRENBERGEROVÁ, J., NĚMEJC, R. V., VACULOVÁ, K., PSOTA, V. Bezpluchý ječmen pro humánní výživu. In MZLU Pěstitelům. Žabčice: MZLU Brno 2000. s. 59-62. EHRENBERGEROVÁ, J. Chemické složení zrna ječmene. str. 25 – 35. In Zimolka Ječmen – formy a užitkové směry v ČR. vyd. Praha 5 - Smíchov : Profi Press, s.r.o., 2006. 200 s. ISBN 80-86726-18-5
EHRENBERGEROVÁ, J. Ječmen potravinářského typu. str. 171 – 177. In Zimolka Ječmen – formy a užitkové směry v ČR. vyd. Praha 5 - Smíchov : Profi Press, s.r.o., 2006. 200 s. ISBN 80-86726-18-5
EHRENBERGEROVÁ, J., VACULOVÁ, K., ZIMOLKA, J. Jakost zrna bezpluchého jarního ječmene z odlišných způsobů pěstování. Rostlinná výroba. 1997, roč. 43, č. 12, s. 585-592. EHRENBERGEROVÁ, J., HAVLOVÁ, P., ŠERHANTOVÁ, V. Variabilita obsahu pentosanů a beta-glukanů v obilkách odlišných genotypů jarního ječmene. In HOLASOVÁ, M., FIEDLEROVÁ, V., ŠPICNER, J. XXXIII. Symposium o nových směrech výroby a hodnocení potravin. Praha: VUPP, Praha, 2002, s. 186--189. ISBN 80-902671-5-7.
36
FINCHER, G. B., STONE, B.A. Chenistry of non-starch polysaccharides. In CABALLERO, B., TRUGO, L., FINGLAS, P. Encyclopedia of Food Science and Nutrition. Academic Press, 2003. p. 206 – 218. ISBN 978-0-12-22-7055-0.,
HAVLOVÁ, P. β-glukany a jejich význam pro pivovarství. Kvasný průmysl, 2001, roč. 47, č. 6, s. 174-175, ISSN 0023-5830 HAVLOVÁ, P., MIKULÍKOVÁ, R., PRÝMA, J. Nové směry sladařské analytiky. Kvasný průmysl. 2001, roč. 47, č. 6, s. 164-168, ISSN 0023-5830 HENRY, R.J. Genetic and environmental variation in the pentosan nand beta-glucan contents of barley, and thein relation to malting duality. Journal of Cereal Science, 1986, roč. 4, č. 3, s.269-277 HUBÍK, K., MAREČEK, J. Kvalita ječmene. Farmář, 2002, roč. 8, č. 5, s. 24-25, ISSN 1210 9789 JEROCH, H., DAENICKE, S. Barley in poultry Frediny: a review. World’s Poultry Sci. J., 51, s. 271 – 291 LEHTONEN, M., AIKASALO, R. Pentosans in barley varieties. Cereal chemistry, 1987, roč. 64, č. 2. s. 133-134. ISSN 0009-0352 LU, J, LI, Y. Effects of arabinoxylan solubilization on wort viscosity and filtration when mashing with grist containing wheat and wheat malt. Food Chemistry . 2006, vol. 98, no. 1, s. 164-170. McGREGOR, A. W., BHATTY, R.S. Barley: Chemistry and Technology. Američan Association of Ceresů Chemists, St.Paul, Minnesota, USA, 1993, s. 29, 420, ISBN 0913250-80-5 MIKYŠKA, A., HAŠKOVÁ, D., POLEDNÍKOVÁ, M. Pivovarské vlastnosti nových odrůd ječmene : 20. pivovarsko-sladařské dny, souhrny přednášek 9.10.2003. Kvasný průmysl. 2003, roč. 49, č. 9, s. 239. NĚMEJC, R. V. Genetické zdroje zlepšené nutriční kvality ječmene . Brno, 2001. 142 s. MZLU Brno. Vedoucí dizertační práce Doc.Ing.Jaroslava Ehrenbergerová, CSc.
37
PRUGAR, J. Obiloviny ve výživě. Výživa a potraviny. 1999, roč. 54, č. 4, s. 22-23. ISSN 1211-846X PRUGAR, J. Obiloviny ve výživě. Výživa a potraviny. 2002, roč. 57, č. 3, s. 46. ISSN 1211-846X PRUGAR, J. Obiloviny v naší výživě. Výživa a potraviny. 2002, roč. 57, č. 5, s. 74-75. ISSN 1211-846X PRÝMA , J., HAVLOVÁ, P., ŠUSTA, J., MIKULÍKOVÁ, R., EHRENBERGEROVÁ, J., NĚMEJC, R. Zdravotně významné látky v ječmeni a pivu. Kvasný průmysl. 2000, roč. 46, č. 12, s. 350-352, ISSN 0023-5830 REVANAPPA, S:B, BHAGWAT, S.G, SALIMATH, P.V. Studies on pentosans in Indian wheat (Triticum aestivum) varieties in relation to chapati making quality. Food Chemistry . 2007, vol. 104, s. 896-902. SUKUPOVÁ, V. Stanovení pentosanů v ječmeni, sladu a sladině a porovnání s obsahem beta-glukanů Brno, 2002. Vysoké učení technické v Brně. Diplomová práce ŠTĚRBA , Z, MOUDRÝ, J, RAUS, A. Vliv odrůdy a stanoviště na obsah beta-glukanů v zrně nahého ovsa. In Sborník referátů z X.konference : Zamyšlení nad rostlinnou výrobou. Praha, 5.-6.12.2000. s. 354-357 TAYLOR, J.R.N, SCHOBER, T.J, BEAN, S.R. Novel food and non-food uses for sorghum and millets. Journal of Cereal Science. 2006, vol. 44, s. 252-271. VACULOVÁ, K. Krmná hodnota obilovin pro monogastry. Zemědělský výzkumný ústav Kroměříž, 1994
VACULOVÁ, K. Ječmen (Hordeum L.) bezplucchý. Výživa a potraviny, 1999, r. 54, č. 4, s. 108 – 110, ISSN 1211-846X
VACULOVÁ, K. Netradiční využití ječmene pro přímou lidskou výživu. Farmář, 1999, r. 5, č. 10, s. 16 – 18, ISSN 1210 9789
38
VELÍŠEK, J. Chemie potravin 1. 1. vyd. Tábor : OSSIS, 1999. ISBN 80-902391-3-7.
VÚPS a.s., Brno. Stanovení arabinoxylanů spektrofotometrickou metodou podle Douglase, pracovní postup, 2006
VÚPS a.s., Brno. Stanovení β-glukanů metodou FIA, pracovní postup, 2006
ZIMOLKA, J., et al. Ječmen - formy a užitkové směry v ČR.,1. vyd. Praha 5 - Smíchov : Profi Press, s.r.o., 2006. 200 s. ISBN 80-86726-18-5.
39
8. SEZNAM PŘÍLOH Graf č.1: Obsah β-glukanů ve sledovaných odrůdách a liniích ječmene jarního za rok 2005 Graf č.2: Obsah arabinoxylanů ve sledovaných odrůdách a liniích ječmene jarního za rok 2005 Graf č.3: Srovnání obsahu β-glukanů a arabinoxylanů ve vybraných odrůdách a liniích ječmene jarního za rok 2005
40
41
