 |
BMe Kutatói pályázat |
|
Oláh György Doktori Iskola
BME VBK / Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék
Témavezető: Dr. Tömösközi Sándor
Búza aleuronban gazdag élelmiszerek és az arabinoxilán oxidáció
A kutatási téma néhány soros bemutatása
Kutatásom témája egy olyan, a kutatócsoportunk közreműködésével fejlesztett, új őrléstechnológiával készült búzaliszt vizsgálata, mely aleuron rétegben dúsított. Ennek az őrleménynek vizsgáltam a tészta- és sütőipari alkalmazhatóságát, valamint azt, hogy használatával mennyire emelhető a táplálkozástanilag fontos komponensek mennyisége. Emellett tanulmányoztam az aleuronban gazdag őrleményből izolált arabinoxilánnak (AX) – mely ebben az őrleményben a legnagyobb arányban megtalálható élelmi-rost komponens – az oxidatív módosítását.
A kutatóhely rövid bemutatása
Kutatásomat a BME ABÉT Tanszékének GEMKUT csoportjában dr.Tömösközi Sándor és a svájci ETH Zürich egyetem Laboratory of Food Biochemistry csoportjában Prof.Laura Nyström témavezetése alatt végeztem. Magyarországi kutatócsoportom szakmai tevékenységének gerincét az élelmiszer-minőséggel, -minősítéssel, -biztonsággal és a gabonavertikummal kapcsolatos oktatás, kutatás-fejlesztés és szolgáltatás alkotja, míg a svájci kutatóműhely élelmiszerek összetételével és táplálkozástani, egészségtámogató hatásaival foglalkozik.
A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása
A napi rendszerességű, megfelelő mennyiségű élelmi-rost bevitel csökkenti bizonyos táplálkozással összefüggő, széles körben elterjed betegség kialakulásának kockázatát (pl.: II-es típusú cukorbetegség, szív és érrendszeri megbetegedések). Élelmiszereink élelmi-rosttal való dúsítása azonban amellett, hogy növeli az élelmiszerek táplálkozástani értékét, rontja a termékek technológiai tulajdonságait és csökkenti a fogyasztói elfogadhatóságot [1]. Ez hátráltatja a rost-bevitel növekedését szélesebb társadalmi körben.
A jelenség jól megfigyelhető az egyik legjelentősebb rostforrás, az alapélelmiszernek számító búza esetében. A búza őrlése során ugyanis az elsődleges cél finomított liszt gyártása. A malomipar a búzakorpát élelmiszeripari szempontból mellékterméknek tekinti és állati takarmányozásra vagy energiaforrásként (égetéssel) használja fel, annak ellenére, hogy az táplálkozástani szempontból rendkívül értékes összetétellel bír és megfelelő technológiával további frakciókra bontható. A korpa részét képező aleuron rétegben található növényi szövetek élelmiszertechnológiai szempontból jobb tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a teljes korpa, és nagy mennyiségben tartalmaznak a teljes kiőrlésű termékek fogyasztásához köthető, pozitív élettani hatásokkal bíró komponenseket. Ennek az értékes frakciónak az élelmiszercélú felhasználása gazdasági szempontból rendkívül kedvező lenne és emellett a teljes búzaszem tápértékének jobb kiaknázását eredményezné [1]. E cél érdekében szükséges olyan új, rostban gazdag alapanyagok kifejlesztése, melyek a búzakorpa kedvező hatású frakcióit tartalmazzák és ezáltal a rostkomponensek élelmiszermátrixba történő beépítése kevésbé rontja a termék fogyasztói elfogadhatóságát [2].
Szükséges emellett az egyes élelmi rostkomponensek egyedi vizsgálata is, mivel az egyes komponensek más-más táplálkozástani és technológiai tulajdonságokkal rendelkeznek. E tulajdonságok enzimes és kémiai eljárásokkal történő módosítása hozzájárulhat a rostokkal kapcsolatos ismeretek bővítéséhez és a komponensek molekuláris szinten történő fejlesztéséhez. Az egyik ilyen eljárás lehet a rostkomponensek oxidációs eljárásokkal történő módosítása. Ez történhet enzimes oxidációval (pl. peroxidázzal), vagy a rendkívül reaktív hidroxilgyökök (•OH) alkalmazásával. A gabonákban található legfontosabb élelmi rost, az AX esetében az enzimes oxidáció keresztkötést létrehozó hatása már ismert [3], azonban a •OH-ös oxidáció AX-ra gyakorolt hatását ez idáig még nem vizsgálták. Egy másik élelmi rostkomponens, a béta-glukán •OH-ös oxidációjakor viszont pozitív eredményeket értek el, például a béta-glukán epesavkötő képességének növelésével, mely magasabb koleszterinszint- csökkentő hatásra utal [4]. A koleszterin nem oxidálható a szervezetben széndioxiddá és vízzé, hanem epesavak formájában képes a széklettel távozni. Az élelmi rostok tehát minél több epesavat képesek megkötni, annál jobban csökkentik a koleszterinszintet [5].
A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések.
Munkám általános célja az, hogy hozzájáruljon piacképes, rostban gazdag gabonaalapú élelmiszertermékek fejlesztéséhez és ahhoz, hogy jobban megértsük a szerkezet-funkció kapcsolatokat AX esetében. Ez utóbbi cél érdekében vizsgáltam az AX oxidatív módosításait.
A kutatásom vázlatos célkitűzései:
az aleuronban gazdag lisztből készült kenyér és tészta termékek minőségének feltárása (tápérték, termékspecifikus vizsgálatok, állomány és érzékszervi tulajdonságok, fogyasztói elfogadhatóság)
•OH-ös oxidáció hatása a búza arabinoxilán szerkezeti tulajdonságaira
-
•OH-ös oxidáció és oxidatív keresztkötés hatása az AX epesavkötő képességére és az AX-liszt keverékek technológiai tulajdonságaira (tésztakialakulás és csirizesedési tulajdonságok).
Módszerek
Modelltermékek jellemzése
Tészta és kenyér modelltermékeket készítettem laboratóriumi eljárásokkal, aleuronban gazdag liszt és hagyományos búzaliszt felhasználásával. A két lisztből keverékeket is készítettem, hogy pontos képet kapjak az új típusú termék adagolásának hatásáról. A modelltermékeket komplex vizsgálati módszerek segítségével elemeztem: mértem a beltartalmi összetételüket (fehérje, zsír, emészthető szénhidrát, hamu, AX-tartalom) és termékspecifikus jellemzőiket (pl.: vízfelvétel a tésztánál), valamint műszeres állományvizsgálatnak (Texture Analyser készülékkel), érzékszervi profilanalízisnek és Penalty Analysis módszerrel a fogyasztói elfogadhatóság meghatározásának vetettem alá őket.
Arabinoxilán (AX) oxidáció
Az AX vizsgálatához aleuronban gazdag lisztből állítottam elő ferulasavas AX izolátumot. A •OH képzést aszkorbinsavas Fenton reakció segítségével végeztem, mely során vas(II)-szulfát, aszkorbinsav és hidrogénperoxid reagensek segítségével reaktív •OH-ök képződnek. Az AX- keresztkötések kialakulását peroxidáz/H2O2 rendszerrel indukáltam, mely már ismert volt az irodalomban. A •OH-ök keletkezését és azok AX-ra gyakorolt hatását elektron paramágneses rezonancia és AX oldat viszkozitásának mérésének segítségével vizsgáltam. •OH-kel oxidált és keresztkötött AX-mintákat készítettem és vizsgáltam szerkezeti (molekulaméret, ferulasav-tartalom, AX-tartalom és A/X arány), egészségtámogató (epesavkötő-képesség) és techno-funkcionális tulajdonságok tekintetében.
Az epesavkötő-képesség vizsgálatát az epesavak dialízismembránon történő áthaladásának kinetikájának elemzésével végeztem (5. ábra) [5]. Az arabinoxilán oxidációjának hatását a techno-funkcionális tulajdonságokra búzaliszt/AX keverékekben vizsgáltam: tésztaképződést (micro-doughLAB) és csirizesedési tulajdonságokat (Rapid Visco Analyser) tanulmányoztam.
Eddigi eredmények
Aleuronban gazdag lisztből készült termékek jellemzése
Rámutattam, hogy az aleuronban gazdag liszt alkalmas kenyér és tészta előállítására liszt javítószer, vagy egyéb adalék alkalmazása nélkül. Az aleuronban gazdag liszt növelte a tészta és kenyér termékek táplálkozástani értékékét azzal, hogy magasabb élelmi-rost és fehérje-tartalmat eredményezett a könnyen emészthető szénhidrát-tartalom kárára. Az eredményeink azt mutatják, hogy az aleuronban gazdag lisztből táplálkozástani szempontból lényegesen előnyösebb termékeket lehet készíteni, mint teljes kiőrlésű búzalisztből (1. Ábra).
1. Ábra Az aleuronban gazdag lisztből készült tészta összetételének összehasonlítása hagyományos fehér tésztával és teljes kiőrlésű tésztával. Megfigyelhető az aleuronban gazdag tészta magas élelmi rost- és fehérjetartalma, valamint alacsony emészthető szénhidráttartalma.
Az aleuronban gazdag lisztből készült tészta főzési és állománytulajdonságainak jellemzése azt mutatta, hogy az aleuronban gazdag liszt adagolása nem eredményez olyan minőségromlást, mely általánosan megfigyelhető a rostban gazdag tészták esetében (alacsony keménység, magas tapadósság és magas főzési veszteség) (2. Ábra). Feltételezésem szerint ez a viselkedés az aleuronban gazdag liszt összetételével magyarázható: a liszt magas fehérje- és nyerszsírtartalma, valamint a kis szemcsemérete a gyártás során olyan folyamatokhoz járul hozzá, melyek kompenzálják a rost beépülésének negatív hatásait. Ezen eredmények alapján megállapítható, hogy az aleuronban gazdag liszt alkalmasabb rostban gazdag tészta előállítására, mint egyéb korpa frakciók, vagy a teljes kiőrlésű liszt. [S1; S7]
2. Ábra Hagyományos tésztalisztből és az aleuronban gazdag lisztből készült tészta főzési veszteségének, tapadósságának és keménységének változása az aleuronban gazdag liszt arányának függvényében.
A vizsgált kenyértermékeknél (3. ábra) az aleuronban gazdag liszt hozzáadása a rostadagolásnál általánosan megszokott gyengébb minőséget eredményezett. Ezért a minőségromlásért feltehetően a rostbeépülés és a rosthoz köthető komponensek (pl. a fanyar ízt eredményező fenolos komponensek) voltak elsősorban felelősek. A kenyérmintákon elvégzett Penalty analysis rámutatott, hogy a túl erős illat és íz, a túl erős keserű íz, valamint a túl enyhe édes íz okozta az aleuronban gazdag lisztből készült kenyér csökkent elfogadhatóságát (3. Ábra). Eredményeim alapján javaslatot tettem termékfejlesztésre: az édes íz hiányának ellensúlyozása természetes, nem-cukor alapú édesítőszerrel vagy a termék minőségének javítására rostmódosítási technikákkal, pl. endoxilanáz enzim alkalmazásával, ígéretes fejlesztési stratégiák lehetnek. [S2]
3. Ábra Aleuronban gazdag búzaliszt (AB) és finomliszt (WB) keverékéből készült laboratóriumi kenyértermékek (bal) és az aleuronban gazdag lisztből készült kenyér fogyasztói elfogadhatóságát nagyban csökkentő tulajdonságok feltárása Penalty analysis-szel (jobb). A jelentős tulajdonságokat a piros kör jelöli.
Az arabinoxilán (AX) oxidációja
A •OH-ös oxidáció AX-ra gyakorolt hatását elsőként tanulmányoztam. Rámutattam, hogy a •OH-ös oxidáció nem eredményez ferulasav dimerizációt, melyről az eddig publikált oxidációs eljárásokkal foglalkozó tanulmányok mindegyike beszámolt [3]. Ennél fogva ez az oxidációs eljárás nem okozza a polimer gélesedését, mely szintén egy általánosan megfigyelt jelenség AX-oxidáció esetén. Gélképződés helyett a •OH-mediált oxidáció az AX vizes oldatában viszkozitás-csökkenést okozott (4. Ábra), amely a polimer oxidatív degradációjára utalt. A depolimerizáció fokozható az oxidáló ágensek koncentrációjának vagy a reakció hőmérsékletének a növelésével. [S3]
4. Ábra A hidroxilgyökös oxidáció hatása arabinoxilán oldatra. A hidroxilgyök képződés intenzitásának (relatív EPR jel) növekedésével csökken a viszkozitás (bal), illetve elveszti az oldat a pszeudoplasztikus jellegét (jobb). Mindkét jelenség arra utal, hogy az oxidáció az arabinoxilán láncok feldarabolását eredményezi.
A •OH-ös oxidáció nem volt hatással az AX epesavkötő képességére, míg a keresztkötések kialakítását eredményező enzimes eljárás szignifikánsan növelte ezt a tulajdonságot, feltehetően az epesav-molekulák diffúzióját gátló gél-szerkezetnek köszönhetően (5. Ábra). Ez az eredmény azt sugallja, hogy keresztkötések kialakításával növelhető az AX koleszterincsökkentő hatása. [S4]
5. Ábra Az epesavkötő-képesség meghatározásának módszere (bal) és az arabinoxilán oxidációjának hatása az epesavkötő-képességre (jobb). A hidroxilgyökös oxidáció (•OH1 és •OH2 kékkel) nem eredményez változást, míg a keresztkötés (POD, feketével) az epesavak membránon történő átjutását lassítja (csökkenti a permeabilitási együtthatót; jobb oldal, belső ábra), tehát növeli az epesavkötő-képességet.
Az AX oxidáció csirizesedésre és tésztakialakulásra gyakorolt hatását az irodalomban eddig nem tanulmányozták. Rámutattam, hogy az AX •OH-ös oxidációja a tészta szignifikánsan alacsonyabb vízabszorpcióját eredményezi a vizsgált AX-liszt modellrendszerben, mint a nem-oxidált AX, feltételezhetően a kisebb molekulaméretének köszönhetően. Ezzel szemben az enzimes oxidáció útján megváltoztatott szerkezetű, keresztkötésekkel rendelkező AX jelentősen növelte a vízabszorpciót a magasabb vízmegkötő-képességű gélszerkezetnek köszönhetően.
6. Ábra Az arabinoxilán enzimatikus keresztkötésének és a hidroxilgyökös oxidációjának hatása a liszt-víz elegy csirizesedés-gélesedés során mért viszkozitására. A módszer a liszt technológiai viselkedését tárja fel.
A •OH-kel oxidált minták alacsonyabb, a keresztkötéssel rendelkező AX magasabb viszkozitásértékeket eredményeztek az RVA mérések során, mint a nem-oxidált AX (6. Ábra). Ezek a különbségek valószínűleg szintén a különböző molekulaméretből és a gél-szerkezetből adódnak. [S4]
7. Ábra A ferulsavas arabinoxilánon végzett oxidatív eljárások (hidroxilgyökös (•OH) és enzimes oxidáció) szerkezetre, epesavkötő-képességre és lisztben betöltött funkcionalitásra gyakorolt hatása.
Várható impakt, további kutatás
Ipari megvalósulás:
Kutatásomhoz kapcsolódóan a közreműködő Gyermelyi Zrt. 2014-ben piacra dobta az aleuronban gazdag lisztből készült tésztatermékeit DiVita néven. Eredményeim alapján folytatódhat a sütőipari termékek fejlesztése.
Tudományos kutatás:
Az oxidáció AX-ra gyakorolt hatásának megértése mellett ezek az eredmények hozzájárulnak az AX komplex élelmiszerrendszerekben betöltött szerepének megéréséhez is, és emellett a módosított AX használatának új lehetőségeit rejthetik magukban. Ez további vizsgálatok tárgyát képezheti. Eredményeimre alapozva célszerű a keresztkötött AX koleszterinszint-csökkentő hatásának in vivo vizsgálata, hiszen a keresztkötés hozzájárulhat az AX egészségjavító hatásának emeléséhez.
Tudományos megjelenés:
Kutatásomról számos hazai és nemzetközi konferencián tartottam előadást, illetve poszter-prezentációt. Munkámat a 12th European Young Cereal Scientists and Technologists Workshop-on “Silver Award” kitüntetéssel ismerték el.
Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény
Kapcsolódó saját publikációk listája (IF: impakt faktor):
[S1.] Bagdi, A., Szabó, F., Gere, A., Kókai, Z., Sipos, L., & Tömösközi, S. (2014). Effect of aleurone-rich flour on composition, cooking, textural, and sensory properties of pasta. LWT – Food Science and Technology, 65, 762–769. - IF: 2.47
[S2.] Bagdi, A., Tóth, B., Lőrincz, R., Szendi, S., Gere, A., Kókai, Z., & Tömösközi, S. (2016). Effect of aleurone-rich flour on composition, baking, textural, and sensory properties of bread. LWT – Food Science and Technology, 65, 762–769. IF: 2.47
[S3.] Bagdi, A., Tömösközi, S., Nyström L. (2016) Hydroxyl radical oxidation of feruloylated arabinoxylan. Carbohydrate Polymers, Accepted, Under publication - IF: 4.22
[S4.]Bagdi, A., Tömösközi, S., Nyström L. (2016) Structural and functional characterization of oxidized feruloylated arabinoxylan from wheat. Food Hydrocolloids, 63, 219-225. - IF: 3.86
[S5.] Új típusú, funkcionális komponensekben gazdag búzaőrlemény összetételi és reológiai jellemzése. Lőrincz Réka, Bagdi Attila, Szendi Szilvia, Bucsella Blanka, Tömösközi Sándor; Élelmiszer Tudomány Technológia, LXVI. évfolyam 2012. 3. szám, 5–12.o. IF: -
[S6.] Egy különleges malomipari termék az egészségtámogatás szolgálatában. Bucsella Blanka, Bagdi Attila, Szendi Szilvia, Tömösközi Sándor Magyar Gasztroenterológia 2012. július 1. különszám 8–13.o. IF: -
[S7.] Új fejlesztésű, piaci bevezetés előtt álló egészségtámogató komponensekben gazdag búzaőrlemény összetételi jellemzése. Szendi Szilvia, Bucsella Blanka, Bagdi Attila, Tóth Béla, Tömösközi Sándor – Élelmiszer – Tudomány Technológia LXVIII.:(3) pp. 15–23. (2014) IF: -
Linkgyűjtemény:
Az EUFIC ismeretterjesztő anyaga az élelmi rostokról.
A szabad gyökök mérésének módszere: elektronparamágneses rezonancia a wikipédián.
Érzékszervi minősítés (dr. Kókai Zoltán, dr. Sipos László) c. könyv a Tankönyvtárban.
Hivatkozások listája:
[1] Rakha, A. (2013). (First edit., pp. 211–230). Cambridge: Woodhead Publishing Limited.