Structure and functional properties of non-digestible polysaccharides from different cereal cultivars

Abstract

The structure and composition of arabinoxylans (AX) from different flours of Greek wheat cultivars of varying bread-making quality were examined. There were notable differences in molecular weight, arabinose-to-xylose ratios, ferulic acid content, and the un-, di-, and mono-substituted xylose residues among the arabinoxylan isolates. Furthermore, the relatively high amount of trans to cis ferulic acid content may reflect the effect of cultivation conditions on the molecular characteristics of the arabinoxylans. Using 2D NMR spectroscopy it was feasible to identify the spin sequence of individual monosaccharide residues and elucidate their structure, despite the extensive overlapping of 1H and 13C resonances. Differences in the solution behavior of arabinoxylans such as the critical concentration values (c* and c**), viscosity, shear thinning properties as well as the gelling ability could not be fully explained by differences in molecular size and structure of the isolated polysaccharides. Copper ions (Cu2+) were able to increase the viscosity of AX solutions and form a thermoreversible gel network structure. The gel strength was dependent on the concentration of copper ions and curing temperature. Generally, gelation with copper ions differs from that in the presence of the peroxidase/H2O2 system. The addition of low levels of β-glucan (BG) in AX solutions impaired the gelling ability of the AX/BG system, whereas the opposite was observed at higher levels. Moreover, the higher the molecular weight of BG the lower the gelling ability of the mixture in the presence of the peroxidase/H2O2 system. The gelling ability and melting temperature increased with increasing BG/AX ratio. The effect of adding two barley β-glucan isolates (BG1 and BG2) on wheat dough rheological properties and baking performance of two wheat flours with different breadmaking quality was studied. The mechanical spectra and creep-recovery analysis data of optimally developed doughs, revealed that the rheological behaviour of β-glucan-enriched doughs depends on concentration and the molecular weight of the added polysaccharide as well as on the flour type used. The addition of appropriate levels of β-glucans and water in the poor breadmaking cultivar doughs could yield similar viscoelastic responses to those observed by a non-fortified dough of a good breadmaking quality flour. The farinograph water absorption of doughs, the moisture content and water activity of the breads increased, whereas firmness decreased, crumbs got darker and their structure became coarser with increasing the β-glucan content. Generally, the high molecular weight β-glucan preparation (BG2 ~2.03?105 Da) was more effective in increasing the specific bread volume and reducing the crumb firmness, especially when used to fortify the poor breadmaking quality flour. The results further pointed to the requirement for optimization of the fortified doughs (level and molecular size of the β-glucan) to maximize bread quality attributes (e.g. loaf volume, texture, and staling events)

Εξετάστηκε η δομή και η σύνθεση απομονωθέντων αραβινοξυλανών (AX) από ελληνικά άλευρα σίτου που ποικίλουν στην αρτοποιητική τους ικανότητα. Παρατηρηθήκαν μεγάλες διαφορές στο μοριακό βάρος, στην αναλογία αραβινόξη/ξυλόζη, στην περιεκτικότητα του φερουλικού οξέος, και των μη-, των διπλο- και των μονο- υποκαταστημένων υπολειμμάτων ξυλόζης. Επιπλέον, η πολύ υψηλή τιμή της αναλογίας trans/cis φερουλικό οξύ, που βρέθηκε στις απομονωμένες αραβινοξυλάνες, υπογραμμίζει την επίδραση των καλλιεργητικών συνθηκών στα μοριακά χαρακτηριστικά αυτών των πολυσακχαριτών. Χρησιμοποιώντας 2D NMR φασματοσκοπία ήταν εφικτό να προσδιοριστεί η αλληλουχία των κορυφών συντονισμού (1H και 13C) των μεμονωμένων υπολειμμάτων μονοσακχαριτών και να διευκρινιστεί η δομή τους, παρά την εκτενή επικάλυψη ορισμένων εξ’ αυτών. Οι διαφορές στις φυσικοχημικές ιδιότητες των διαλυμάτων αραβινοξυλανών, όπως οι κρίσιμες τιμές συγκεντρώσης (c* και c **), το ιξώδες, η ψευδοπλαστική ροή και η δυνατότητα πήξης, δεν μπορούν να εξηγηθούν πλήρως από τις διαφορές στο μοριακό βάρος ή/και τη δομή των απομονωθέντων πολυσακχαριτών. Η παρουσία ιόντων χαλκού αύξησε το ιξώδες των διαλυμάτων αραβινοξυλάνης και σχημάτισε θερμοαντιστρεπτές πηκτές. Η σταθερότητα των πηκτών βρέθηκε να εξαρτάται από τη συγκέντρωση των ιόντων χαλκού και τη θερμοκρασία αποθήκευσης. Γενικά, ο σχηματισμός πηκτής παρουσία ιόντων χαλκού διαφέρει από αυτόν παρουσία του συστήματος υπεροξειδάση/H2O2. Η προσθήκη χαμηλών επιπέδων β-γλυκανών (BG) ελαττώνει τη δυνατότητα πήξης του μικτών συστημάτων AX/BG, ενώ το αντίθετο παρατηρείται σε υψηλά επίπεδα. Όσο υψηλότερο είναι το μοριακό βάρος της BG, τόσο χαμηλότερη είναι η δυνατότητα πήξης του μίγματος παρουσία του συστήματος υπεροξειδάση/H2O2. Επιπλέον, η δυνατότητα πήξης και η θερμοκρασία τήξης αυξάνονται με την αύξηση της αναλογίας BG/AX. Η προσθήκη χαμηλών επιπέδων β-γλυκάνης (BG) εξασθένισε τη δυνατότητα πήξης του μικτού συστήματος AX/BG, ενώ το αντίθετο παρατηρήθηκε σε υψηλότερα επίπεδα. Επιπλέον, μελετήθηκε η επίδραση προσθήκης δύο δειγμάτων β-γλυκάνης από κριθάρι με διαφορετικά μοριακά βάρη (BG1: ~105, BG2: ~2.03?105 Da) σε δύο άλευρα σίτου με διαφορετική αρτοποιητική ικανότητα. Τα μηχανικά φάσματα και τα δεδομένα της ανάλυσης ερπυσμού-επανάκτησης της παραμόρφωσης της βέλτιστα αναπτυγμένης ζύμης, και η ρεολογική συμπεριφορά της ζύμης εμπλουτισμένης με β-γλυκάνες βρέθηκαν να εξαρτώνται από τη συγκέντρωση και το μοριακό βάρος του πολυσακχαρίτη καθώς επίσης και από τον τύπο αλεύρου που χρησιμοποιήθηκε. Η προσθήκη κατάλληλων επιπέδων β-γλυκανών και νερού στις ζύμες του αλεύρου της ποικιλίας με φτωχή αρτοποιητική ικανότητα θα μπορούσε να παράγει ζυμάρι με παρόμοιες ιξωδοελαστικές ιδιότητες με εκείνες που παρατηρούνται σε ένα μη-εμπλουτισμένο ζυμάρι που προέρχεται από αλεύρι καλής αρτοποιητικής ικανότητας. Η απορρόφηση νερού των αλεύρων, όπως προσδιορίστηκε σε φαρινογράφο, η υγρασία και η δραστηριότητα νερού των ψωμιών αυξήθηκε, ενώ η συνεκτικότητα μειώθηκε, η ψίχα έγινε σκουρόχρωμη και πιο αδρόϋφη με την αύξηση της ποσότητας β-γλυκανών. Γενικά, η προσθήκη της BG2 ήταν περισσότερο αποτελεσματική όσον αφορά την αύξηση του ειδικού όγκου του ψωμιού και τη μείωση της συνεκτικότητας της ψίχας, ειδικά όταν προστίθεται στο αλεύρι με τη φτωχή αρτοποιητική ικανότητα. Τα αποτελέσματα τονίζουν την ανάγκη για περαιτέρω βελτιστοποίηση των εμπλουτιζόμενων ζυμαριών (επίπεδο και μοριακό βάρος των β-γλυκανών) για να βελτιστοποιηθούν οι ποιοτικές ιδιότητες του ψωμιού (αύξηση όγκου ψωμιού, λεπτόϋφη ψύχα, και πιο αργός ρυθμός μπαγιατέματος), ώστε να παραχθούν λειτουργικά αρτοσκευάσματα με ικανοποιητικά οργανοληπτικά χαρακτηριστικά.