Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta
Ústav pěstování a šlechtění rostlin
Variabilita obsahu neškrobových polysacharidů u odrůd jarního ječmene
Bakalářská práce
Vedoucí práce:
Vypracovala:
Prof. Ing. Jaroslava Ehrenbergerová, CSc.
Eva Klímová
Brno 2010 1
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Variabilita obsahu neškrobových polysacharidů u odrůd jarního ječmene“ vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne ……………………………. podpis autora.……………………………
2
Poděkování Děkuji vedoucí mé bakalářské práce Prof. Ing. Jaroslavě Ehrenbergerové, CSc. za odborné rady, pomoc a vstřícnost při zpracování a hodnocení bakalářské práce. Současně bych ráda vyjádřila poděkování Ing. Natálii Březinové Belcredi, Ph.D. za pomoc a ochotu s praktickým zpracováním výsledků při řešení bakalářského úkolu.
Práce byla zpracována v rámci řešení projektu MŠMT 1MO570 „Výzkumné centrum pro studium obsahových látek ječmene a chmele“. 3
ABSTRAKT Cílem mé bakalářské práce bylo stanovit variabilitu obsahu neškrobových polysacharidů v zrnu ječmene jarního, osmi odrůd a čtyř linií vyprodukovaného v roce 2007 a 2008. Jednalo se o odrůdy Bojos, Prestige, Amulet, Sebastian, Tolar, Jersey, Malz, Merlin a linie KM 1057, KM 1910, KM 2283 a KM 2084. Ve vzorcích zrna jarního ječmene byly zjišťovány hodnoty obsahu beta-glukanů a arabinoxylanů. Na sledování hladiny β-glukanů v zrnu jsem využila metodu FIA (Flow Injection Analysis). Pro zjištění hodnot arabinoxilanů byla použita metoda dle Douglase.
Vliv faktorů na obsah beta-glukanů a arabinoxylanů byla hodnocena analýzou variance. Významnost rozdílů mezi průměrnými hodnotami odrůd a linií byla testována na 5 % hladině průkaznosti LSD testem.
Obsah beta-glukanů v zrnu se pohyboval v rozmezí 6,08 – 2,78 %. Nejvyšší obsah beta-glukanů měla odrůda Merlin a linie KM 2084. Hodnota nejnižšího obsahu betaglukanů byla zjištěna u odrůdy Bojos (3,31 %) a linie KM 1057 s (2,78 %). U arabinoxylanů se hodnoty pohybovaly v rozmezí 3,66 - 5,46 %. Největší zastoupení arabinoxylanů v zrnu měla odrůda Sebastian (5,14 %) a linie KM 1057 (5,46 %). Nejmenší hodnotu měla odrůda Merlin (3,66 %) a linie KM 1910 (3,67 %).
Klíčová slova: ječmen jarní, beta-glukany, arabinoxylany, chemické ošetření
4
ABSTRACT The goal of this work was to determine the variability of non-starch polysaccharides in grain of spring barley varieties and four of eight lines produced in 2007 and 2008. It was a variety Bojos, Prestige, Amulet, Sebastian, Tolar, Jersey, Malz, Merlin and the line KM 1057, KM 1910, KM 2283 and KM 2084th Grains in samples of spring barley were evaluated on the content of beta-glucans and arabinoxylans. To monitor levels of β-glucan in the grain I used the method of the FIA (Flow Injection Analysis). To determine the values arabinoxilanů method was used by Douglas.
Influence factors on the content of beta-glucans and arabinoxylans were evaluated vatiance analysis. The significance of differences between the average values of varieties and lines were tested at 5% level of evidence supporting the LSD test.
Beta-glucan content in grain ranged from 6.08 to 2.78%. The highest content of betaglucans have a variety Merlin line KM 2084th Of the lowest content of beta-glucan was found in a variety Bojos (3.31%) and line with 1057 KM (2.78%). The arabinoxylans are the values ranged from 3.66 to 5.46%. The largest representation in the grain arabinoxylans had a variety Sebastian (5,14%) and line KM 1057 (5,46%). Variety had the lowest value of Merlin (3,66%) and line KM 1910 (3.67%).
Keywords: spring barley, beta-glucans, arabinoxylans, chemical treatment
5
OBSAH PROHLÁŠENÍ.............................................................................................................. 2 1 ÚVOD............................................................................................................................ 8 1.1 Ječmen- původ a historie pěstování ........................................................................ 8 1.2 Botanická a biologická charakteristika ................................................................... 9 2 LITERÁRNÍ PŘEHLED ............................................................................................. 12 2.1 Chemické složení zrna ječmene............................................................................ 12 2.2 Pěstovaní ječmene................................................................................................. 13 2.3 Užitkové směny ječmene ...................................................................................... 14 2.3.1 Sladovnické využití ječmene ......................................................................... 14 2.3.2 Krmivářské využití ječmene .......................................................................... 15 2.3.3 Průmyslové využití ječmene.......................................................................... 15 2.3.4 Potravinářské využití ječmene ....................................................................... 16 2.3.5 Význam ječmene ve výživě člověka.............................................................. 17 2.4 Sacharidy .............................................................................................................. 19 2.5 β-glukany ............................................................................................................. 20 2.6 Arabinoxylany ..................................................................................................... 23 2.7 Celulóza ................................................................................................................ 24 2.8 Ostatní cukry......................................................................................................... 25 3 CÍL PRÁCE ................................................................................................................. 26 4 MATERÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ ................................................................. 27 4.1 Metodika polního pokusu ..................................................................................... 27 4.1.1 Školní zemědělský podnik ............................................................................. 27 4.2 Půdní a klimatické podmínky ............................................................................... 27 4.3 Seznam odrůd a linií ............................................................................................. 28 4.4 Metody stanovení.................................................................................................. 29 4.4.1 Metody stanovení β-glukanů ......................................................................... 29 4.4.2 Metody stanovení arabinoxylanů................................................................... 30 4.5 Metoda přípravy vzorku zrna................................................................................ 31 4.6 Přístroje a chemikálie použité při analýze ............................................................ 31 4.6.1 Stanovení obsahu β-glukanů .......................................................................... 31 4.6.2 Stanovení obsahu arabinoxylanů ................................................................... 32
6
4.7 Metodika zpracování výsledků ............................................................................. 33 5 VÝSLEDKY PRÁCE A DISKUZE ............................................................................ 34 5.1 Vyhodnocení obsahu β-glukanů ........................................................................... 34 5.2 Vyhodnocení obsahu arabinoxylanů..................................................................... 37 5.3 Diskuze ................................................................................................................. 40 6 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 42 7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ......................................................................... 44
7
1 ÚVOD
1.1 Ječmen- původ a historie pěstování Ječmen se řadí mezi obilniny, které patří botanicky do čeledi lipnicovitých (Poaceae). Obilniny jsou v podstatě ušlechtilé trávy, které ve svých semenech obsahují důležité živiny, jak pro živočichy, tak i pro člověka. Proto jsou pěstovány pro svoji vysokou výživovou hodnotu. Ječmen, je jedna z nejstarších kulturních plodin, která člověka provází již tisíce let.
Dějiny
pěstování
ječmene
sahají
do
počátku
uvědomělého
zemědělství, kdy ho člověk spolu s pšenicí využíval jako druhou nejstarší obilninu. Historické studie prokazují jeho pěstování ječmene již od 5. století př. n. l. Za oblast původu ječmene je považována Asie (Zimolka, 2006). K jeho
zkulturnění
došlo
pravděpodobně
v oblasti
Úrodného
půlměsíce, to je v oblasti dnešního Blízkého a Středního východu (Dostálek, 2007)
Ječmen, je asi 3000 let stará obilnina, kterou pěstovaly starověké národy jako poživatinu. Významnou roli hrál ječmen u starých Římanů a Řeků. Ječná kaše byla běžným jídlem, ale sloužila i jako oběť bohům. Ječné odvary posilovaly staré a nemocné lidi, při sportovních kláních, nebo se užívaly jako náhradní výživa kojenců.
V našich zemích je prokázáno pěstování ječmene v době asi 500 let př. n. l., ječmen v té době byl pěstován jako chlebovina. V počátcích rozvoje pivařství u nás dlouho převládala pšenice jako surovina pro sladování a vaření piva. Jak postupně vzrůstala výroba piva (17. století), byla pšenice vytlačována ze sladovnictví a přešlo se na vaření piva 8
z ječného sladu (Zimolka, 2006). Ačkoliv je jeho pěstování starší než pěstování pšenice, jsou dnes plochy ječmene menší než osevní plocha pšenice. Ale i tak zůstává ječmen druhou nejrozšířenější obilninou. Pěstuje se nejenom pro využití ve sladovnickém průmyslu, ale zejména pro krmné účely, kdy se nepřímo podílí na výživě obyvatelstva, přímo pro lidskou výživu se spotřebovává menší množství (Šašková, 1993). Zásluhou Emanuela Proskowetze staršího se přišlo k poznání, že importované ječmeny nemohou nahradit domácí krajové ječmeny, proto přistoupil k výběrovému šlechtění hanáckých ječmenů (Zimolka, 2006). Shromáždil na Moravě 20 místních proveniencí ječmene a porovnával je s tehdy pěstovanou zahraniční odrůdou Chevalier. Roku 1882 vyšlechtil první známou domácí odrůdu Kvasický hanácký, která se proslavila u nás, ale i v celé západní a severní Evropě, především v Dánsku a Švédsku (Ehrenbergerová, 1996).
1.2 Botanická a biologická charakteristika Ječmen je velmi odolnou rostlinou snášející i drsné klimatické podmínky. Svou odolnost a vitalitu přenáší i do potravin, které se z něj vyrábějí.
Ječmen jarní řadíme taxonomicky do říše rostlin, rodu Hordeum, oddělení
semenných
krytosemenných
rostlin
(Spermatophyta),
(Angiospermae),
pododdělení jednoděložných
třídy
(Monocytyledonae), a do čeledi lipnicovitých (Poaceae) (Kosař et al., 2000). Všechny kulturní odrůdy ječmene patří do jediného ploidního druhu (n=14) Hordeum vulgare L., ječmen setý, který se dále člení na convariety (Zimolka, Milotová, 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
9
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). Ječmen setý je kulturní, jednoletá, jarní nebo ozimá obilnina, mající tři formy. Ječmen setý víceřadý, který má tři plodné klásky a zralý klas, má tedy šest řad obilek. Podle uspořádání obilek je klas čtyřhranný nebo hvězdicovitý. Druhou formou je ječmen setý, dvouřadý jarní, který se pěstuje pro sladovnické účely i když 2/3 jeho produkce je zkrmováno, neboť na slad se vybírají jen nejkvalitnější odrůdy a partie zrna. Třetí formou je ječmen setý, přechodný. Plodné klásky jsou ve středu, postraní jsou plodné částečně nebo vůbec. Klas rostliny je tvořen dvěma řadami pluchatých obilek zakončených osinou. Stavbou je mělce kořenící, s dutým stéblem velikosti 50-100 cm z 5-8 hladkých článků. Jedna rostlina mívá 2-6 stébel (Šašková, 1993). Listy má ječmen pravotočivé a jsou umístěny nad sebou ve dvou řadách. Pochva obepínající stéblo vyrůstá z horní části kolénka. V místě, kde pochva přechází v čepel, je zakončena blanitým jazýčkem (ligula), který je téměř rovný a po stranách vybíhá v dlouhá ouška (auriculy), jež se vzájemně překrývají. Podle jazýčku a oušek se ječmen velice snadno odliší od ostatních obilních druhů ještě před vytvořením klasu či laty (Zimolka, Milotová 2006). Květenstvím je klas, tvořený pevným vřetenem dělícím se na jednotlivé články, ke kterým přisedají tři jednokvěté klásky. Rostlina je samosprašná, obilky jsou obaleny dvěma trvalými obaly, pluchou a pluškou. Výjimkou jsou nahé odrůdy, u nichž obaly s pluchou nesrůstají (Šašková, 1993). Obilka patří mezi plody suché, nepukavé. U ječmene je podlouhlého vejčitého na obou koncích zašpičatělého tvaru (Kosař et al., 2005). Obilka (zrno) je složena ze tří částí: obalů, endospermu a zárodku. U odrůd ječmene pěstovaných v naší oblasti je barvy světle žluté. Může však být i oranžová, hnědá, fialová až černá. U pluchatého ječmene je obilka na hřbetní straně kryta pluchou, která svými okraji překrývá menší plušku. Plucha spolu s pluškou chrání obilku před vnějšími vlivy.
10
Při vaření piva ve varně se využívá filtračních vlastností pluch, které tvoří podstatný podíl mláta. Vnitřní endosperm je tvořen tenkostěnnými buňkami, do kterých se mj. ukládá převážně zásobní škrob, na jehož poměru k ostatním složkám endospermu (zejména dusíkatým látkám) závisí moučnatost či sklovitost (Zimolka, Milotová 2006).
11
2 LITERÁRNÍ PŘEHLED
2.1 Chemické složení zrna ječmene Plně vyzrálá ječná obilka obsahuje 12 – 14 % vody. Nižší procento je nepřijatelné, neboť voda je součástí buněčné protoplazmy a její nižší obsah by měl negativní vliv na technologickou jakost. Naopak vyšší procento
vlhkosti
by
způsobilo
problémy
při
skladování
(Ehrenbergerová, 2006).
Průměrné zastoupení chemických složek zrna uvádí následující tabulka.
Látka
Procento v obilce
Sacharidy Škrob
60 – 65
-
amylóza 17 – 24 % škrobu
-
amylopektin 76 – 83 % škrobu
Nízkomolekulární sacharidy Sacharóza
1–2
Ostatní cukry
1
Rafinóza
0,3 – 0,5
Maltóza
0,1
Glukóza
0,1
Fruktóza
0,1
Neškrobnaté polysacharidy Hemicelulózy -
β-glukany
3,3 – 4,9
-
pentozany
9,0
12
-
celulóza
4–7 3,5
Tuky Fosfáty Fytin
0,9 0,1 – 0,6
Polyfenoly
9,5 – 11,9 (7 – 18)
Dusíkaté látky Rozpustné dusíkaté látky
1,9
Albuminy a globuliny
3,5
Hordeidy (prolaminy)
3–4
Gluteliny
3–4 2
Minerální látky
(Mac Gregor et al., 1993)
2.2 Pěstovaní ječmene Ječmen je ve vztahu na osevní plochu čtvrtou nejrozšířenější plodinou na světě. Severní hranice osevní plochy ječmene sahá až za polární kruh (Norsko, Sibiř). V Tibetu a v Andách je ječmen pěstován v nadmořských výškách přesahujících 4000 metrů. V Česku se nejkvalitnější odrůdy ječmene pěstují na Hané, zejména v okolí Vyškova a také v okolí Mělníka. Ječmenářství bylo významnou součástí českého zemědělství již v dobách Rakousko-Uherska a jeho úroveň se udržela i po roce 1918 v novém československém státě. Po celé dvacáté století ovlivňovaly produkci sladovnického ječmene původní odrůdy vzniklé na bázi hanáckých vysoce jakostních odrůd. V současné době jsou ale na našich polích pěstovány také zahraniční odrůdy. Je to způsobeno, kromě určitého omezení českého šlechtění ječmene, i silným vlivem globalizace, která zasáhla pivovarství a sladařství a následně tedy i ječmenářství.
13
Kvalita ječmene jako suroviny se odráží při jeho zpracování a využití v oblasti sladovnické, krmivářské a potravinářské. Využívá se rovněž v lihovarnictví k výrobě tradičních lihových nápojů, perspektivně se s ním počítá i jako se zdrojem obnovitelné energie pro výrobu bioethanolu v rámci tzv. lihobenzinového programu. Nabízí se jeho využití i k produkci škrobu. Kvalita ječmene je v mnoha případech ovlivněna geneticky a jen málo prostředím, pokud je řízena jedním nebo několika geny, což je pravidlem u některých znaků (např. osinatost, zakrslost, dormance, rezistence k některým chorobám). U znaků sladovnické kvality i výnosu zrna, které mají komplexní charakter a jsou řízeny mnoha geny, je však vliv prostředí vyšší (Psota, Ehrenbergerová, 2008).
2.3 Užitkové směny ječmene Mnohostrannost využití ječmene vyžaduje produkci suroviny (zrna, biomasy) vyhovující specifickým požadavkům na parametry kvality a další vlastnosti, odpovídající monotyp rostliny a optimální organizaci porostu. Různorodost využití produkce předpokládá i šlechtění vhodných odrůd, které uvedené požadavky splňují. V současné době lze ječmen rozdělit podle užitkových směrů na: sladovnický, krmný, průmyslový, potravinářský, pícninářský (Zimolka, 2006).
2.3.1 Sladovnické využití ječmene U nás převažuje jarní, jinde zejména v západní Evropě, i ozimá forma dvouřadého i víceřadého ječmene. Na sladovnickou kvalitu mají zpracovatelé řadu požadavků, které rozhodují o zařazení ječmene do kategorie sladovnický anebo nesladovnický. Za sladovnický ječmen se se považují odrůdy s bodovým ohodnocením ukazatele jakosti (UJS) vyšším než čtyři body, horní hranice je devět bodů. Z hlavních kritérií
14
jakosti je na prvním místě obsah bílkovin (N-látek), podíl předního zrna, obsah β-glukanů (neškrobových polysacharidů) vysoká klíčivost a další. Sladovnická jakost zrna je 2/3 ovlivněna vnějšími podmínkami (půda, počasí, agrotechnika), zbytek tvoří vliv odrůdy. Požadavky na sladovnický ječmen uvádí ČSN 46 1100-5, která byla novelizována v roce 2006 (Zimolka, 2006).
Při posuzování kvality ječmene využíváme tedy v ČR Ukazatele sladovnické jakosti (USJ) - nejdůležitější z nich jsou obsah extraktu a aktivita enzymů. Mezi USJ patří hodnocení bílkovin obsažených v obilce, které provádíme Kjeldahlovou metodou, určení relativního extraktu při 45 C, friabilita, Kolbachovo číslo (podíl dusíkatých látek, které při rmutování přejdou ze sladu do sladiny), obsah β-glukanů a v poslední době i čirost sladiny (Chloupek, 2005).
2.3.2 Krmivářské využití ječmene Ječmen je jedna ze čtyř hlavních krmivářských obilnin světa (kukuřice, ječmen, oves a pšenice), která se všeobecně používá jako krmivo pro dobytek. Zrno lze použít jako hlavní zdroj energie, bílkovin a kromě toho vláknina je zdrojem krmné vlákniny pro přežvýkavce. Používání ječmene jako krmiva pro dobytek v různých zemích se pohybuje mezi 47 až 90 %. (MacGregor, Bhatty 1993). Patří sem ječmeny víceřadé i dvouřadé, formy ozimé i jarní, pluchaté i bezpluché. V zrnu je požadován vysoký obsah bílkovin a esenciálních aminokyselin, nižší obsah β-glukanů a vysoký obsah škrobu. Požadavky uvádí norma ČSN 46 1200-3 (Zimolka, 2006).
2.3.3 Průmyslové využití ječmene Nesladovnické využití ječmene zahrnuje jeho aplikaci jako krmiva, potraviny a v jiných odvětvích průmyslu než sladařství. Tato
15
terminologie je poměrně nová a odráží rychle vzrůstající zájem o zlepšování ječmene pro krmné a potravinářské účely. Ječmen obsahuje zrovna tolik, ne-li více, celkové vlákniny (TDF – total dietary fiber) a rozpustné vlákniny (SF – soluble dietary fiber) jako oves v důsledku svého vysokého obsahu β-glukanů (Ranhotra aj., 1991) V současné době se neustále zvětšují pěstební plochy ječmene, určených jak pro potravinářství, tak ke krmení hospodářských zvířat a v posledních letech i k průmyslovému využití.
2.3.4 Potravinářské využití ječmene Zrno obilnin patří mezi důležitou potravinu a z důvodu vyššího obsahu dietní vlákniny se v poslední době specialisté na výživu lidí obrací především na ječmen a také oves. Ječné zrno obsahuje až 80 % polysacharidů, ale hlavních důvodem je vyšší obsah rozpustných neškrobových polysacharidů beta-glukanů a arabinoxylanů. Tyto dvě složky jsou důležitou součástí rozpustné vlákniny. Hlavním úkolem vlákniny je podpora střevní funkce, vázat rakovinotvorné látky, toxiny, cholesterol a usnadňování jejich vyloučení z těla. Β-glukany resp. β-(1→3), (1→4)-D-glukany se smíšenými vazbami se nacházejí v buněčných stěnách vyšších rostlin a ve větším množství v semenech některých obilovin (ječmen, oves). Příbuzné polymery, které se také nazývají β-glukany nebo β-(1→3), (1→6)-D-glukany nebo βglukany se smíšenými vazbami, syntetizují také vyšší houby, plísně a kvasinky. Pro ječmen jsou typické β-glukany s dvěma nebo více sousedícími (1→4) a (1→3) vazbami. Hlavní řetězec arabinoxylanů (starší název pentozany) je tvořen D-xylanopyranosovými jednotkami vzájemně vázanými vazbami β(1→4). Vyskytují se především v buněčných stěnách aleuronových buněk a ve škrobovém endospermu. Oba uvedené fytonutrienty se kladně uplatňují ve zdravotně preventivní výživě lidské populace, především s ohledem na civilizační choroby.
16
Zejména je znám jejich hypocholesterolemický efekt a antikancerogenní účinek.
V pivovarském
průmyslu
není
žádoucí
jejich
vysoká
koncentrace v zrnu ani ve sladu, rovněž tak partie ječmene používané ke krmení monogastrů, neboť snižují konverzi krmiva a vyvolávají i případné poruchy trávení (Belcrediová et al., 2006).
2.3.5 Význam ječmene ve výživě člověka Neustále se zvyšující péče o zdraví vede ke zvýšenému zájmu o potraviny zdravé výživy. Potraviny a potravinové suroviny jsou posuzovány kromě jiných hledisek podle toho, zda a kolik obsahují nutričně cenných látek. Ječmen a produkty jeho zpracování jsou zdrojem řady chemických sloučenin, o jejichž pozitivním působení na lidský organismus není pochyb – jedná se zejména o látky a antioxidačními účinky, vitamíny a určité formy dietetické vlákniny. Pro potravinářské účely se perspektivně nejlépe uplatní speciální odrůdy s geneticky podmíněným zvýšeným obsahem potravinové vlákniny (zejména rozpustných β-glukanů) (Prýma, et al., 2003). V českých a moravských zemích se odedávna používaly ječné kroupy minimálně při přípravě zabijačkových specialit a vánoční kuby, jako typický potravinářský produkt z ječmene. Kroupy byly rovněž využívány k přípravě odvarů pro léčení nemocných lidí a k posílení rekonvalescentů a starších osob. V současnosti se pro přímý konzum v podobě upraveného ječného zrna spotřebuje v ČR pouze kolem 0,5 – 0,6 % jeho produkce, což je asi 10,7 – 12,8 tis. tun ječmene. V málo civilizovaných zemí je spotřeba ječmene pro lidskou přímou spotřebu vysoká. Např. v Maroku 68,3 kg na osobu ročně, v Etiopii 19 kg, podobně je tomu v Alžíru, Afganistanu, Iráku aj. a výskyt tzv. civilizačních chorob je v těchto zemích velmi nízký. V současnosti zaznamenává využívání zrna ječmene v potravinářství renesanci, a ta je nejvíce patrná především ve vyspělých zemích světa. V nich se ječmen používá pro výrobu tzv. funkčních potravin, obsahujících účinné složky – nutriceutika. Jedná se o potraviny, které 17
poskytují konzumentovi kromě běžných živin něco navíc, tzn. podporují jeho fyziologické funkce, jsou zdraví prospěšné (Ehrenbergerová, 2006). Nesladovnické odrůdy ječmene mají většinou vyšší obsah β-glukanů než ostatní obilniny, jsou ve světě šlechtěny speciální potravinářské odrůdy, u kterých je vyšší obsah β-glukanů geneticky podmíněn. V současné době je již od roku 2009 registrována v ČR první bezpluchá nesladovnická odrůda jarního ječmene AF Lucius.
Přehled možných způsobů zpracování a využití zrna ječmene v lidské výživě (Bhatty, 1992).
MOUKA: chléb, čajové pečivo, sušenky, koláče, placky, dia pečivo, nápoje obohacené vlákninou, extrudované výrobky OTRUBY: cereální výrobky, křehké chlebíčky, sušenky VLOČKY: koláče, kaše, cereální směny, pečivo SLAD A SLADOVÉ VÝTAŽKY- cukrovinky, náhražky čaje a kávy KROUPY: polévky, masné 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 BETA-GLUKANY – tukové náhražky do mléčných, masných výrobků, přísada do cereálních výrobků NÁPOJE Z NEZRALÝCH ZRN JEČMENE: ve směsi s nápoji mléčného typu, vyrobených z ostatních obilnin (zejména ovsa)
Vzhledem k rozložení požadovaných živin zrna má svůj význam i zvýšený příjem klasických mlýnských výrobků, tedy ječných krup nebo mouky (Ehrenbergerová, 1996).
18
Ječný slad, respektive výtažky z ječného sladu se používají na farmaceutické výrobky obsahující především vitamíny skupiny Bkomplexu, železa a enzymů (peptidáz). Z dalších možností ječmene je použití ve škrobárenství a výroba vloček pro lidskou výživu. V současné době dochází k vzestupu využívání ječmene v lidské výživě, neboť se prokázalo, že ječná dieta snižuje hladinu cholesterolu v krvi. Potřeba celkového zvýšení příjmu potravinové vlákniny obrátila ječmen mezi perspektivní suroviny pro výrobu potravin se zdravotně perspektivním účinkem (Vaculová, 1999). Ječmen je tedy obilovina schopná dodat sílu a doplnit energii. Je vysoce výživná a zároveň snadno stravitelná.
2.4 Sacharidy Sacharidy jsou organické látky a tvoří až 80 % hmotnosti ječného zrna (Belcrediová et al., 2006). Skupinu látek organických představují v zrnu ječmene především polysacharidy, z nichž má největší význam škrob. Obsah škrobu v sladovnických odrůdách je asi 60-65% v sušině. Škrob je rezervní polysacharid a zásobárna živin pro klíček během jeho klíčení. Je uložen v cytoplazmě rostlinných buněk v nerozpustných škrobových granulí v tzv. škrobových zrnech, které mají geneticky daný tvar a rozměr. V zrnu je dále celulóza (3,5-7 %), hemicelulóza a lignin (2 %), pentozany a β-D-glukany.
Z nízkomolekulárních
sacharidů
jsou
zastoupeny především sacharóza (do 1,8 %), rafinóza (0,5 %) a invertní cukr (0,3 - 0,4 %) (Lekeš, 1985). Hlavními komponenty většiny přírodních škrobů je amylóza a amylopektiny. Amylóza je nevětvený polymer, mající jako základní stavební jednotku maltózu. Amylopektin se skládá ze 40-70 krátkých řetězců α-D-glukózových jednotek. Zastoupení je u většiny přírodních škrobů skoro stejné, tj. 75 % amylopektinu
a
25
%
amylózy
19
(Ehrenbergerová,
1996).
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). Do
skupiny
polysacharidových
látek
patří
dále
β-glukany
(Ehrenbergerová, 1996). Ačkoliv jsou polysacharidy hlavními složkami buněčných stěn, stavebních
proteinů
včetně
glycinových
bílkovin,
treoninových
glykoproteinů hydroxy-prolinových glykoproteinů, mohou tvořit druhou síť vláken v matrixové fázi (MacGregor, Bhatty, 1993).
Ze studií vyplývá, že nejvíce zastoupenou složkou buněčných stěn z vybraných tkání ječného zrna jsou arabinoxylany a že (1→3), (1→4)β-glukany představují více než 95 % hmotnosti buněčných stěn. Obilka ječmene je ve své podstatě sacharido-proteinový komplex. 80 až 88 % obilky tvoří sušina (organické a anorganické látky) a 12 až 20 % voda. Sklizený sladovnický ječmen obsahuje v posklizňové zralosti v aktivní nebo latentní formě velké množství enzymů a prekurzorů enzymů (Havlová, 1999).
2.5 β-glukany 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 (Belcrediová et al., 2006). (1→3),(1→4)-β-glukany ječného zrna jsou složeny z lineárních řetězců β- glykosylových zbytků polymerizovaných článkováním typu (1→3) a (1→4). Není však možné přidělit (1→3), (1→4)-β-glukanům ječmene jednoduchou strukturu, protože jsou zahrnuty, co do jejich velikosti, solubility
a
molekulové
struktury
do
skupiny
heterogenních
polysacharidů (MacGregor, Bhatty, 1993). Rozpustnost β-glukanů závisí nejvíce na jejich struktuře, která souvisí s původem. Čím více je v molekule vazeb (1→4), tím nižší je
20
rozpustnost polymerů. Rozpustnost β-glukanů se zvyšuje s rostoucí teplotou. Β-glukany vázané na proteiny jsou nerozpustné a jsou tudíž částečně rozpustnou a z části nerozpustnou vlákninou potravy (Velíšek, 1999). Fyzikální a chemické vlastnosti jedné subpopulace (1→3,1→4)-βglukanové skupiny byly určeny čištěním 40 °C extraktu etanolem inaktivované ječné mouky při srážení s 30 % sulfidem amonným. Většina problémů u ječmene způsobených v krmivářství, sladařství a pivovarství je spojena se snadnou tvorbou vysoce viskózních vodných roztoků z polysacharidů. Přesná definice chemických a fyzikálních vlastností (1→3, 1→4)–βglukanů umožnila vysvětlení jejich chování v roztocích a tímto také objasňuje určité problémy zahrnuté do komerčního využití ječmene (MacGregor, Bhatty, 1993).
Během sladování a rmutování ječmene se β-glukany štěpí působením enzymů náležících do skupiny hemicelulos. Výsledek působení celého komplexu těchto enzymů se jeví jako cytolycké 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, případně až na glukosu. Na katabolismu β-glukanů se podílí celý komplex enzymů zejména βglukanosou. Počáteční rozpad buněčných stěn je katalyzován kyselou karboxidasou nazvanou β-glukan solubilasa, která uvolňuje β-glukan do roztoku (Havlová, 1999). Hladinu β-glukanů v ječmeni může ovlivnit mnoho různých faktorů, jako odrůda, pěstební místo, předplodina a určitou roli mají i vegetační podmínky (Ehrenbergerová et al., 2006b). Vyšší obsah β-glukanů v pivovarských surovinách způsobuje zvýšení viskozity sladiny piva, snížení varního výtěžku, prodlouženou dobu zcezování a špatnou filtrovatelnosti piva (Havlová, 1999).
21
Jako přímý důsledek poznatků, že β-glukany mají nepříznivý vliv na určité procesy ve sladařském a pivovarském průmyslu. Bylo vynaloženo značné úsilí směřující k určení hladin β-glukanů jak ve vzorcích krmivářského, tak i sladovnického ječmene a nových linií. Výsledky mnoha analýz obsahu β-glukanů různých odrůd ječmene, které byly vypěstovány za odlišných podmínek vnějšího prostředí. Výsledky jsou porovnány v následující tabulce.
Odrůdy a místo sklizně
Rozmezí β-glukanů (%)
Australské a ostatní sladovnické
3,64 – 6,44 (5,2)
odrůdy
4,03 – 5,25 (4,54) 3,8 – 4,81 (4,43)
Britské sladovnické odrůdy
6,13 – 10,7 (7,65) 3,07 – 4,56 (3,75) 3,33 – 4,03 3,03 – 5,04 (4,03)
Kanadské a západoamerické odrůdy
3,05 – 5,95 (4,4)
Finské dvouřadé odrůdy
3,5 – 5,3 (4,47)
Finské šestiřadé odrůdy
2,8 – 5,6 (4,4)
Severoamerické sladovnické odrůdy
4,6 – 8,2 (6,5)
Severoamerické krmné odrůdy
5,1 – 7,2 (6,1)
Skandinávské sladovnické a ostatní
2,0 – 6,35 (4,5)
odrůdy
3,0 – 5,6 (4,4)
(MacGregor, Bhatty, 1993).
22
2.6 Arabinoxylany Dalšími podstatnými necelulózovými polysacharid v zrnu ječmene jsou arabinoxylany. Ačkoliv se hojně vyskytují především v buněčných stěnách aleuronových buněk a ve škrobovém endospermu, nachází se také ve slupce. A pravděpodobně i ve zbytcích buněčných stěn, které vytváří další mateřská pletiva obklopující zrno. Tyto polysacharidy jsou složeny především z pentóz: arabinózy a xylózy a proto se i často uvádí jako pentozany, případně se přesněji označují jako heteroxylany. Obilné arabinoxylany někdy obsahují hexózy a ferulové kyseliny, ale spíše jen jako méně zastoupené složky. Buněčné stěny ječného endospermu obsahují xylany velice málo, tedy pokud vůbec nějaké, zbytky ferulových kyselin (MacGregor, Bhatty, 1993) a proto tedy řadíme arabinoxylany mezi polysacharidy. Arabinoxylany buněčných stěn ječmene tvoří stejně jako (1→3),(1→4) β-glukany skupinu polysacharidů v níž se navzájem liší ve velikosti molekul, monosacharidovém složení, struktuře a rozpustnosti. Ječné arabinoxylany mají obecně (1→4)-β-xylopyranozylovou kostru, jež nese jednotlivé α – L- arabinofuranozylové zbytky, většinou přes C(O)3, ale také i přes C(O)2 xylozilové zbytky mohou být substituovány i dvakrát (MacGregor, Bhatty, 1993). 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). Molekulární hmotnost obilných arabinoxylanů jsou všeobecné nižší, než (1→3)(1→4)-β-D-glukanů.
Rozpustné
schopnosti
obilných
arabinoxylanů se podobají (1→3),(1→4)-β-glukanům, tedy pokud mají oba polysacharidy rozšířenou stavbu, mají velké (1→3)(1→4)-βglukany omezenou schopnost vytvářet molekulová seskupení vzhledem k jejich neobvyklému rozmístění pružných „smyček“ poskytovaných (1→3)-β-články.
23
Ve většině arabinoxylanových rozborů jsou nejdříve hydrolyzovány polysacharidy na původní monosacharidy, obvykle v kyselém prostředí. Samotná uvolněná arabinóza a xylóza jsou objektem rozkladu v kyselinách za horka, a to představuje hlavní zdroj omylů v analýzách, jestliže nebyly přesně určeny obnovy cukrů a ve stanoveních korigovány ztráty (MacGregor, Bhatty, 1993). 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). Obsah arabinoxylanů nelze ovlivnit technologií máčení klíčení, určité korekce obsahu rozpustných arabinoxylanů ve sladu je možné dosáhnout na hvozdě (Mikyška et al., 2003). Arabinoxylany můžeme najít i v dalších obilovinách např: žito, pšenice i oves.
2.7 Celulóza Celulóza je (1→4)-β-glukan obsahující více než několik tisíc βglukopyranozylových zbytků. Celulózové řetězce mají natažené obdélníkové utváření, ve kterém vodíkové vazby mezi přiléhajícími glukozylovými
zbytky
vydávají
(MacGregor, Bhatty, 1993).
24
molekuly
relativně
nepoddajně
2.8 Ostatní cukry Ječná zrna obsahují také jisté množství jednoduchých cukrů. Většina těchto sacharidů se nachází velmi malé množství, a tak je složité je určit s vysokou přesností.
Nižší sacharidy ječného zrna ječmene
Sacharid
Množství
Glukóza
0,02 - 0,11
Fruktóza
0,03 - 0,2
Sacharóza
0,74 – 1,9
Maltóza
0,1
Glukodifruktóza
0,03 – 0,25
Rafinóza
0,16 – 0,56
Fruktany
0,3 – 0,78
(MacGregor, Bhatty, 1993).
25
3 CÍL PRÁCE
Cílem bakalářské práce bylo arabinoxylanů
v
obilkách
stanovit obsah beta-glukanů a
současně
registrovaných
odrůdách
sladovnického pluchatého typu ječmene a v bezpluchých liniích a posouzení variability těchto látek. Cílem též bylo i sestavení literárního přehledu o výskytu a zastoupení neškrobových polysacharidů v zrnu ječmene jarního.
26
4 MATERÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ
4.1 Metodika polního pokusu Polní pokusy byly založeny na pozemcích Školního zemědělského podniku v Žabčicích Mendelovy univerzity v Brně. Bylo vyseto vždy osm odrůd a čtyři linie, v roce 2007 a v roce 2008, v pokusech s náhodným rozmístěním variant ve třech opakováních.
4.1.1 Školní zemědělský podnik Historie Školního zemědělského podniku Žabčice sahá ke vzniku Československa. Současnou podobu získal nařízením rektora Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně, když ke dni 1. 1. 2001 byly sloučeny do té doby samostatně hospodařící podniky v Žabčicích a v Lednici na Moravě. Hlavním posláním je účelová činnost, která zajišťuje materiální a praktické zázemí pro výuku a praxi studentů, diplomové a doktorské práce, výzkumnou činnost a také grantové projekty (Měřínský, 2007).
4.2 Půdní a klimatické podmínky Lokalita Žabčice se nachází v rovinném terénu, který spadá do kukuřičné výrobní oblasti subtypu ječmeného. Nadmořská výška se pohybuje kolem 185 m. n. m. Pozemek, do které pozemek spadá, můžeme charakterizovat jako oblast mírně suchou, teplou s kratším slunečním svitem. Nejteplejším měsícem je červenec a nejchladnějším únor.
27
Půdy Školního zemědělského podniku se řadí mezi půdy těžké, neutrální až slabě kyselé s nedostatkem humusu. Půdní profil je zde pod stálým vlivem podzemní vody, která se nachází v hloubce 180 cm (Brtníková, 2003). Průměrný roční úhrn srážek je 518,2 mm, za vegetační období pak 266,7 mm. Průměrná dlouhodobá roční teplota je 9,3 C (Ostřížek, 2006).
4.3 Seznam odrůd a linií Pro analýzu bylo použito zrno ze souboru osm odrůd a čtyř linií. V rámci polních pokusů na lokalitě Žabčice byla použita pěstební technologie s omezenými chemickými vstupy (pouze herbicidy a hnojení N) – tzv. neošetřené varianty pokusu spolu s technologií konvenční, tj. s chemickými vstupy (mořené osivo, minerální hnojení a pesticidy, vč. fungicidů) – tzv. ošetřené varianty.
AMULET - je poloraná, nízká odrůda, vyznačující se výbornou odolností proti poléhání. Vyhovují ji nejen úrodné půdy, ale i na méně úrodných půdách dává dobré výnosy. Její předností je vysoká tolerance ke zvýšené půdní kyselosti.
BOJOS – polopozdní sladovnická odrůda vhodná pro výrobu českého piva. Odrůda byla vyšlechtěna firmou Plant Select
JERSEY – patří k nejvýnosnějším odrůdám, výška se pohybuje kolem 70 cm. Obsahuje v sobě gen Mlo a tím je chráněna před padlím travním.
KM 1057- bezpluchá polopozdní linie, kromě zvýšeného obsahu sledovaných fytonutrientů vyznačuje i lepší výnosovou schopností a vyšší hmotností zrna
28
KM 1910- bezpluchá linie a drobnějším zrnem
KM 2084 – bezpluchá linie se světlým zrnem, linie má významně zvýšený obsah nutričně cenných látek v zrnu
KM 2283 – bezpluchá linie
MALZ – polopozdní sladovnická, vznikla křížením a je v hodná pro výrobu piva
MERLIN – bezpluchá kanadská odrůda dvouřadého ječmene typu waxy
PRESTIGE – poloraná sladovnická odrůda s velkým podílem předního zrna
SEBASTIAN – polopozdní sladovnická odrůda vhodná pro výrobu českého piva. Zrno je středně velké, podíl středního zrna vysoký. Kratší odrůda s nižším obsahem dusíkatých látek.
TOLAR – polopozdní sladovnická odrůda vhodná pro výrobu piva českého typu. Ve všech oblastech má výnos předního zrna nízký s vyšším obsahem dusíkatých látek.
4.4 Metody stanovení
4.4.1 Metody stanovení β-glukanů Pro stanovení hladiny β-glukanů v zrně ječmene, sladu a sladině se má použít vhodná metoda, aby se získaly přesné výsledky. Na kvantitativní stanovení β-glukanů je popsána řada metod, které jsou založeny na
29
různých principech. Na sledování hladiny β-glukanů v ječmeni, ve sladu a v pivu byla vyvinuta metoda FIA (Flow Injection Analysis), jejíž princip spočívá ve vstřikování vzorku do tekoucího nosného proudu tlumivého roztoku a činidla. Metodu FIA, lze také použít pro stanovení aktivity β- glukanasy, která je založena ne měření reziduálních βglukanů v testovacím roztoku extraktu sladu (jako zdroje enzymu) a standardu β-glukanu, v závislosti na čase při teplotě 40 C. Výhodou metody je její časová nenáročnost (Havlová, 1999). Fluorochrom Calcofluor vytváří v roztoku s vysokomolekulárními betaglukany komplexy, které vykazují zvýšení fluorescenční intenzity tohoto barviva. Vzniklý barevný komplex je detekován fluorescenčním detektorem. Ve výzkumném ústavu pivovarnickém a sladařském v Brně se používá zmiňovaná metoda FIA ke stanovení obsahu β-glukanů, kterou jsem stanovovala obsah beta-glukanů i já.
4.4.2 Metody stanovení arabinoxylanů
Pro analýzu vzorků k této práci jsem použila metodu dle Douglase. Metoda je založená na reakci vodného roztoku vzorku ječné mouky s kyselým reakčním činidlem. Reakční směs se skládá z koncentrované kyseliny chlorovodíkové, koncentrované kyseliny octové, roztoku floroglucinolu a roztoku glukózy (Sukupová, 2002). Ke stanovení se navažuje 5 mg vzorku do zkumavek, do nichž se dále přidává 2 ml destilované vody a 10 ml čerstvě připraveného extraktu. Extrakční roztok, taky nazývaný jako pracovní roztok se připravuje smícháním kyseliny octové AR SIGMA - ALDRICH v množství 110 ml. Dále do pracovního roztoku patří 2 ml koncentrované kyseliny chlorovodíkové. Dále je potřeba navážit 2 g phloroglucinolu SIGMAALDRICH a 8 g ethanolu. Tyto dvě chemikálie společně smícháme a pomocí ultrazvukového zařízení zcela rozpustíme, aby vznikl slámově žlutý roztok, ze kterého použijeme 5ml do pracovního roztoku. Poslední
30
složkou do extrakčního roztoku je 1,75 % roztok glukosy, který vzniká sloučením 1, 75 g glukozy a 98, 25 ml vody. Zkumavky, které obsahují vzorek s pracovním roztokem zazátkujeme a umístíme do vařící vodní lázně na 25 minut. Čas se musí přesně měřit na sopkách, aby výsledky analýzy nebyly negativně ovlivněny. Vzniká červenorůžové zbarvení vzorků. Po varu zkumavky rychle ochladíme pod tekoucí vodou a změříme absoranci při 552 nm a510 nm. Ve vodní lázni nesmí být větší počet zkumavek, aby doba chlazení a vlastního měření byla pokud možno konstantní.
4.5 Metoda přípravy vzorku zrna Z posklizňově ošetřeného přetříděného zrna ječmene byly odebrány vzorky a homogenizovány na laboratorním mlýnku. Analýzy po oba dva roky jsem prováděla ve Výzkumném ústavu pivovarnickém a sladařském v Brně. Koncentrace arabinoxylanů i beta-glukanů jsem přepočítala na 100% sušinu, která byla u každého vzorku stanovena klasickou laboratorní metodou.
4.6 Přístroje a chemikálie použité při analýze
4.6.1 Stanovení obsahu β-glukanů
4.6.1.1 Přístroje a zařízení čerpadlo Gilson s PC software Clarity fluorescenční detektor váha s přesností na 0,01 g analytické váhy s přesností na 0,0001 g chlazená centrifuga
31
ultrazvuková lázeň vodní lázeň pH metr mlýnek na homogenizaci vzorku zkumavky s teflonovou šroubovací zátkou nálevky, průměr cca 70 mm rotační míchadlo kádinky o objemu 25 ml odměrné baňky o objemu 50, 100, 500 a 1000 ml pipeta 5, 10, 20, 30, 50 ml nálevky na filtrát dávkovací pipeta 10 ml
4.6.1.2 Chemikálie, roztoky, materiály deionizovaná voda skládané filtry, průměr 320 mm glycin p.a., c = 0,2 M, pH 10 calcofluor p.a., c = 2,5 . 10 -3 M standard beta-glukan hydroxid sodný p.a., c = 2 M kyselina sírová p.a., c = 0,075 M
4.6.2 Stanovení obsahu arabinoxylanů
4.6.2.1 Přístroje a zařízení laboratorní mlýnek na homogenizaci vzorku analytické váhy s přesností na 0,0001 vodní lázeň ultrazvuková lázeň spektrofotometr 32
pipeta 5, 10, 20, 30, 50 ml kádinky zkumavky s teflonovou šroubovací zátkou
4.6.2.2 Chemikálie destilovaná voda kyselina octová AR kyselina chlorovodíková AR roztok phloroglucinolu (1,3,5- trihydroxybenzen) D-(+)-glukóza D-(+)-xylóza etanol
4.7 Metodika zpracování výsledků Získaná data byla zpracována ve statistickém programu třífaktorovou analýzou variance. Významnost rozdílů mezi průměrnými hodnotami odrůd a linií byla testována na 5 % hladině průkaznosti Fischerovým testem.
33
5 VÝSLEDKY PRÁCE A DISKUZE
5.1 Vyhodnocení obsahu β-glukanů Obsah β-glukanů byl vyjádřen v procentech sušiny vzorku. Z tabulky analýzy variance (tab. 1) je patrné, že odrůdy a linie byly statisticky významným zdrojem variability zkoumaných hodnot βglukanů.
Tab 1: Tabulka analýzy variance beta-glukanů v letech ( 2007 a 2008)
Zdroj variability Odrůda Ošetření Rok Interakce: Odrůda*Ošetření Odrůda*Rok Ošetření*Rok Odrůda*Ošetření*Rok Chyba
Stupně volnosti 11 1 1
MS 8,289 *** 3,596 *** 40,482 ***
11 11 1 11 48
0,376 *** 0,424*** 12,921*** 0,973*** 0,021
Vysv: ***P≤ 0,001
Z testovaných odrůd a linií měla největší obsah β-glukanů odrůda Merlin (6,08 – tab. 2) a statisticky významně se lišila od všech ostatních odrůd a linií. Linie KM 2084 a linie KM 2283 se od sebe navzájem statisticky průkazně lišily, linie KM 2083 měla v průměru 5,2 % betaglukanů. Odrůda Tolar (3,97 %) se svým obsahem β-glukanů statisticky průkazně nelišila od odrůdy Jersey (4,02 %) a linie KM 1910 s hodnotou 4,10 %. Mezi odrůdami Sebastian (3,73 %) a Amulet (3,70 %) nebyl rovněž nalezen statisticky významný rozdíl. U linií KM 2084, KM 2283 a KM 1910 se průměrné hodnoty obsahu β-glukanů se pohybovaly 6,08 – 3,70%, přičemž čtvrtá linie KM 1057 (2,78 %) s nejnižším množství 34
beta-glukanů se statisticky průkazně lišila od všech ostatních linií v souboru. Mezi odrůdami Prestige a Bojos nebyl také nalezen statisticky významný rozdíl (3,34 – 3,31 %). Z hlediska tohoto nízkého obsahu beta-glukanů se jevily jako nejvhodnější sladovnické odrůdy ze souboru pro výrobu sladu Rozdíl mezi nejvyšším a nejnižším průměrným obsahem činil 3,3 % což je poměrně velká odrůdová diference, rozpětí hodnot byli od 2,78- 6,08 %. Výsledky analýzy tab. 2
Tab. 2: Průměrné obsahy beta-glukanů v zrnu odrůd (přes roky, ošetření)
odrůda / linie KM 1057 Bojos Prestige Amulet Sebastian Tolar Jersey KM 1910 Malz KM 2283 KM 2084 Merlin
BG % významnost v rozdílů sušině 2,78 a 3,31 b 3,34 b 3,7 c 3,73 c 3,97 d 4,02 d 4,1 d 4,68 e 5,27 f 5,75 g 6,08 h
Vysv.: odlišná písmena znamenají statisticky rozdílné průměrné hodnoty (P = 0,05)
35
Tab. 3 Průměrné obsahy beta-glukanů
varianty
BG % významnost v sušině rozdílů ošetřené 4,03 a neošetřené 4,42 b
Vysv.: odlišná písmena znamenají statisticky rozdílné průměrné hodnoty (P = 0,05)
Vzhledem k tomu, že i chemické ošetření mělo významný vliv na obsah beta-glukanů, testovaly jsme rozdíly mezi ošetřenými a neošetřenými variantami. Rozdíly mezi obsahy β-glukanů v ošetřených a neošetřených odrůdách a linií byly statisticky významné. V ošetřených zrnech byl obsah β-glukanů (4,03 %) významně nižší jak u zrn neošetřených (4,43 %) (tab 3).
Tab. 4 Průměrné obsahy beta-glukanů za roky
rok 2008 2007
BG % významnost v sušině rozdílů 3,58 a 4,88 b
Vysv.: průměrné obsahy označené různými písmeny jsou od sebe statisticky významně odlišné (P = 0,05)
Průměrné hodnoty beta-glukanů v roce 2007 byly statisticky významně vyšší (4,88 %) ve srovnání s rokem 2008 (tab 4). Rozdíl mezi rokem 2008 a 2007 byl 1,3 %. .
36
5.2 Vyhodnocení obsahu arabinoxylanů Obsah arabinoxylanů byl vyjádřen v procentech sušiny vzorku. Z tabulky analýzy variance (tab. 5) je patrné, že odrůdy a linie byly statisticky významným arabinoxylanů.
zdrojem
V tabulce
6
variability zkoumaných
jsou
uvedeny
průměrné
hodnot obsahy
arabinoxylanů u jednotlivých odrůd a linií s vyznačením významnosti rozdílů.
Tab. 5: Tabulka analýzy variance arabinoxylanů
zdroj proměnlivosti odrůda ošetření rok odrůda*ošetření odrůda*rok ošetření*rok odrůda*ošetření*rok Chyba
stupně volnosti 11 1 1 11 11 1 11 96
Vysv: ***P≤ 0,001
37
MS 4,783*** 3,309*** 0,001 1,252*** 0,964*** 0,012 0,590*** 0,1
Tab. 6: Průměrný obsah arabinoxylanů v % - rok 2005
odrůda / linie Merlin KM 1910 KM 2084 KM 2283 Bojos Prestige Jersey Malz Amulet
ARAB. % v sušině 3,66 3,67 3,73 3,73 4,44 4,54 4,68 4,72 4,78
významnost rozdílů a a a a b bc bc c c
Tolar
5,06
d
Sebastian
5,14
d
KM 1057
5,46
e
Vysv.: průměrné obsahy označené různými písmeny jsou od sebe statisticky významně odlišné (P = 0,05)
Statisticky významně vyšší obsah arabinoxylanů byl zjištěn u linie KM 1057 (5,46 %) oproti celému souboru odrůd (3,66 - 5,14 %). Statisticky významně nižší obsah měla odrůda Merlin (3,66 %), která se s nízkým obsahem beta- glukanů významně nelišila od všech KM linií (3,73 – 3,67 %) rovněž s nižšími hodnotami. Odrůda Merlin (3,66 %), linie KM 1910 (3,67 %), KM 2084 (3,73 %) a KM 2283 (3,73 %), tvořily jednu homogenní skupinu, a proto mezi nimi nebyl stanoven průkazný rozdíl, lišily se tak od dalších odrůd a linie KM 1057. Mezi odrůdami Sebastian (5,14 %) a Tolar (5,06 %) nebyl zjištěn průkazný rozdíl, stejně jako u odrůd Amulet (4,78 %) a Malz (4,72 %), Jersey (4,68 %) a Prestige (4,54 %), které se již od prvních dvou jmenovaných odrůd statisticky významně lišily. Rozdíl mezi nejvyšším a nejnižším obsahem arabinoxylanů činil 1,8 %, což značí poměrně velkou odrůdovou diferenci.
38
Tab 7: Průměrné obsahy arabinoxylanů
ARAB. významnost % rozdílů v sušině neošetřeno 4,32 a ošetřeno 4,62 b ošetření
Vysv.: odlišná písmena znamenají statisticky rozdílné průměrné hodnoty (P = 0,05)
Z analýzy variance je patrné, že i způsoby ošetření měly významný vliv na variabilitu hodnot. Statisticky významně vyšší obsah měla ošetřená varianta polních pokusů (4,62 %) ve srovnání s neošetřenými variantami pokusu (4,32 %), tedy tomu bylo opačně než u beta-glukanů. Tab 8: Průměrné obsahy arabinoxylanů za roky
rok
ARAB. %v sušině
významnost rozdílů
2008
4,46
a
2007
4,47
a
Vysv.: odlišná písmena znamenají statisticky rozdílné průměrné hodnoty (P = 0,05)
Roky pěstování byly statisticky významným zdrojem variability, proto mezi nimi nebyly statisticky významné rozdíly, růměrné hodnoty se v podstatě nelišily.
39
5.3 Diskuze Výsledky mé práce na téma Variabilita obsahu neškrobových polysacharidů u odrůd jarního ječmene ukázaly, že ve zkoumaném souboru byly zjištěny statisticky významné rozdíly mezi odrůdami a liniemi jak v obsahu beta-glukanů, tak i v obsahu arabinoxylanů. V práci jsou použita data, která byla získaná analýzami souboru odrůd a linií ze zrna sklízených rostlin vypěstovaných na pozemku MENDELU v Žabčicích v letech 2007 a 2008. Obsah beta-glukanů v roce 2007 byl v průměru odrůd 4,88 % a v roce 2008 3,58 %. U arabinoxylanů byly výsledky v obou letech podobné, v roce 2007 byl obsah 4,47 % a v roce 2008 dosáhly průměrné hodnoty 4,46 %, nebyl tedy zjištěn rozdíl v průměrných hodnotách jak u předchozích beta-glukanů. Jak ukázalo statistické zhodnocení betaglukanů, jedním z faktorů majících vliv na jejich obsah v zrnu byl způsob ošetření porostu, v obou letech byly hodnoty vyšší u neošetřených vzorků. Průměrný obsah arabinoxylanů byl významně vyšší z chemicky neošetřených variant. Nižší obsahy beta-glukanů byly stanoveny u sladovnické odrůdy Amulet (3,7 %), Sebastian (3,73 %) a Prestige (3,34 %). Nejvyšší obsah betaglukanů měla bezpluchá odrůda Merlin (6,08 %). Podobných výsledků dosáhly i Belcrediová, et al. (2006), i když u jiného souboru odrůd, kdy hodnoty β-glukanů
byly v rozmezí od 4,98 do 5, 97 % a u
arabinoxylanů od 6,46 do 8, 04 %.
Variabilitu beta-glukanů i arabinoxylanů významně ovlivnily odrůdy a linie, což potvrzuje více autorů např. Ehrenbergerová, 2006, jedná se tedy do značné míry o odrůdové vlastnosti. Autorky Březinová et al. 2009 uvádějí, že pro potravinářské využití byly vhodné linie Wabet x Washounubet, KM 2283, které měly nejvyšší obsah jak beta-glukanů (5,82 – 8,14 %), tak arabinoxylanů (6,60 – 8,09 %). Pro sladovnické účely se jevila jako nejvhodnější odrůda Tolar, vhodná pro výrobu
40
českého piva, s nejnižším obsahem beta-glukanů (4,78 – 4,98 %) i arabinoxylanů (3,66 – 5,53 %).
41
6 ZÁVĚR
Cílem této práce bylo sestavení literárního přehledu o výskytu a zastoupení neškrobových polysacharidů v zrnu ječmene jarního. Dalším cílem bylo prakticky stanovit obsah a porovnat variabilitu obsahu neškrobových polysacharidů v zrnu jarního ječmene. Stanovila jsem obsah beta-glukanů a arabinoxylanů, které jsou ze skupiny neškrobových polysacharidů mimořádně důležité pro zdravý lidský organismus, protože jsou součástí dietní vlákniny. Industriální způsob přípravy potravin vede v poslední době k dramatickému snížení vlákniny v potravě. Lékaři varují, že nedostatek dietní vlákniny v potravě má za následek nejen zvýšený výskyt kolorektálního karcinomu, ale také obstipaci a další vážná onemocnění. Dietní vláknina snižuje také hladinu cholesterolu v krvi. Proto se dnes ječné zrno využívá k výrobě tzv. funkčních potravin. Ke stanovení obsahů jsem použila zrna odrůd a linií vypěstované na školním pozemku v Žabčicích. Analýzy jsem prováděla v jak v roce 2007 tak i v roce 2008 ve Výzkumném ústavu pivovarnickém a sladařském v Brně. Pracovala jsem se souborem odrůd a linií Ze sladovnických odrůd jsem analyzovala Amulet, Bojos, Tolar, Sebastian, Prestige, Jersey, Malz a nesladovnickou bezpluchou kanadskou odrůdu Merlin. Z bezpluchých linií vytvořených v Zemědělském výzkumném ústavu Kroměříž s.r.o. jsem použila linie KM 2084, KM 2283, KM 1910 a KM 1057. Neškrobové polysacharidy byly zjišťovány chemickou analýzou. Betaglukany byly stanoveny fluorimetrickou metodou nazývanou FIA. Arabinoxylany (dříve petosany) byly stanoveny spektrofotometrickou metodou dle Douglase. Nejvyšší obsah beta-glukanů za odrůd měla odrůda Merlin s hodnotou 6,08 % a nejnižší hodnoty dosáhla odrůda Bojos (3,31 %) což dokazuje její vhodnost pro výrobu Českého piva, kde je požadován nízký obsah beta-glukanů. Kanadská odrůda bezduchého typu Merlin s nejvyšším obsahem beta-glukanů by byla
42
vhodná pro výrobu potravin, avšak v našich podmínkách poskytovala nízké výnosy zrna. Dalších vyšších hodnot dosáhla linie KM 2084 (5,75 %), které se tak hodí pro výrobu zdravotně preventivních funkčních potravin a naopak nejnižší hodnotu beta-glukanů měla linie KM 1057, která s hodnotou 2,87 % patřila mezi nejnižší i v celém souboru a tak ji lze doporučit pro krmení hospodářských zvířat. V analýze jsem použila jak vzorky odrůd chemicky ošetřených za vegetace,
tak
i
bez
ošetření.
Průměrné
obsahy
beta-glukanů
v neošetřených zrnech byly vyšší než v zrnech ošetřených, naopak vzorky ošetřené měly větší obsah arabinoxylanů v zrnech než vzorky neošetřené. Linie KM 1057 s obsahem arabinoxylanů 5,46 % měla největší procentuální zastoupení v zrnu a proto se hodí pro výrobu zdravotně funkčních potravin. Největší obsah arabinoxylanů měla odrůda Sebastian s hodnotou 5,14 %. Nejnižší hodnotu měla linie KM 1910 (3,67 %) a odrůda Merlin (3,66 %). V souborech jsem zjistila statisticky významné rozdíly mezi odrůdami a liniemi v obsahu beta-glukanů i arabinoxylanů, lze tedy pro výrobu sladu i výrobu funkčních potravin vybrat vhodnou odrůdu či linii podle požadované úrovně sledovaných polysacharidů.
43
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.
BELCREDI, N., EHRENBERGEROVÁ, J., PRÝMA, J., HAVLOVÁ, P., Antioxidanty v zrnu ječmene jarního. In HOLASOVÁ, M., a kol.: Sborník souhrnů sdělení XXXVII. Symposium o nových směrech výroby a hodnocení potravin. Praha: Výzkumný ústav potravinářský Praha, 2006, s. 414-417.
BHATTY, R.S., The potential of hull-les barley. American Association of Cereal chemists, 1999, roč. 76, č. 5, s. 589- 599.
BŘEZINOVÁ,
BELCREDI,
N.,
EHRENBERGEROVÁ,
J.,
MACUCHOVÁ, S., FEČKOVÁ, E., VACULOVÁ, K.: The presence of non-starch polysaccharides in barley grain. Starch 2009, sv. 61, s 49.
BRTNÍKOVÁ, Helena. Nutriční složky obilek bezpluchého ječmene s ohledem na jejich využití pro výrobu funkčních potravin. MZLU Brno, 2003, 59 s.
DOSTÁLEK, P.: Z historie ječmene, Biopotraviny, 2007, s. 13-14.
EHRENBERGEROVÁ, J. BŘEZINOVÁ, BELCREDI, N., PSOTA, V., HRSTKOVÁ, P., CERKAL, R., NEWMAN, C. V.: Plant foud hum nutr. Changes caused by genotype and environmental conditions in betaglucan kontent of spring barley fordietetically beneficial human nutrition, 2008, doi 10.1007/s 111 30-009-0113-4
44
EHRENBERGEROVÁ, J.: Ječmen potravinářského typu. s. 171-177. In ZIMOLKA, J., a kol.: Ječmen- formy a užitkové směry v České republice. Praha Profi Press, 2006. 200 s.
EHRENBERGEROVÁ, J.: Chemické složení zrna ječmene. s. 25-36. In ZIMOLKA, J., a kol.: Ječmen- formy a užitkové směry v České republice. Praha Profi Press, 2006. 200 s.
EHRENBERGEROVÁ, J.: Perspektivy nesladovnického typu ječmene, Habilitační práce, MZLU Brno, 1996, 93. s.
HAVLOVÁ, P.: Hydrolytické a oxidoredukční enzymy ječného a, ÚZPI 1999. 43 s., studijní zpráva.
HUBÍK, K., MAREČEK, J., Kvalita ječmene. Farmář, 2002, roč. 8, č. 5, s. 24-25.
CHLOUPEK, O., PROCHÁZKOVÁ, B., HRUDOVÁ, E.: Kvalita rostlin, MZLU Brno, 2005, 178 str.
KOSAŘ, K., PSOTA, V., HAVLOVÁ, P., ŠUSTA, J.: Sladovnický ječmen. S. 30-75. In KOSAŘ, K., PROCHÁZKA, S.: Technologie výroby sladu a piva. Praha, 2000, 398 s.
KOSAŘ, M.: Posklizňové dozrávání sladovnického ječmene DIP, MZLU Brno, 2005, 44 s.
LEKEŠ, J., et. al.: Ječmen- vývoj ječmene, introdukce k nám. Státní zemědělské nakladatelství Praha, 1985. 306 s.
MACGREGOR, A.W., R.S. BHATTY, Barley: Chemistry and technology, 1993, St. Paul, Minesota, USA. s. 220.
45
MĚŘÍNSKÝ, R., Školní zemědělský podnik Žabčice. IN MZLU pěstitelům, Žabčice, 2006, s. 11-13.
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.
PRUGAR, J., et. al., Kvalita rostlinných produktů na prahu 3. tisíciletí, Výzkumný ústav pivovarský a sladařský, a. a., Praha, 2008, 327 s.
PSOTA, V.: Hodnocení sladovnického ječmene. s. 145-158. In ZIMOLKA, J., a kol.: Ječmen. Formy a užitkové směry v České republice. Praha Profi Press, 2006. 200 s.
PSOTA, V., EHRENBERGEROVÁ, J.: Ječmen. S. 116-132. In PRUGAR, J.: Kvalita rostlinných produktů na prahu 3. tisíciletí. Praha Výzkumný ústav pivovarský a sladařský ve spolupráci s Komisí jakosti rostlinných produktů ČAZV, 2008. 327 s.
SUKUPOVÁ, V.: Stanovení pentozanů v ječmeni, sladu a sladině a porovnání s obsahem beta-glukanů Brno, 2002. Vysoké učení technické v Brně, Diplomová práce.
ŠAŠKOVÁ, D.: Trávy a obilí, Artia/Granit, Praha, 1993. 64 s.
VACULOVÁ, K.: Netradiční využití ječmene pro přímou lidskou výživu, Farmář, 5 (10), 1999a. s. 16-18
VELÍŠEK, J.: Chemie potravin I., OSSIS, Tábor, 1999, 352 s.
ZIMOLKA, J., et al.: Ječmen- formy a užitkové směny v České republice. Praha Profi Press, 2006. 200 s.
46
ZIMOLKA, J., MILOTOVÁ, J.: Botanická a biologická charakteristika ječmene jarního. S. 15-25. In ZIMOLKA, J., a kol.: Ječmen- formy a užitkové směny v České republice. Praha Profi Press, 2006.
47
