Статья сравнивающая антиоксидантную активность зерен однозернянки, двузернянки и мягкой пшеницы, опубликованная чешскими учеными в 2012 году в журнале Plant, Soil and Environment
АННОТАЦИЯ
Пшеница и злаки в целом широко потребляются во всём мире и вносят существенный вклад в поступление антиоксидантов, оказывающих благотворное влияние на здоровье. В ходе двухлетних полевых экспериментов была изучена антиоксидантная активность (АОА) двух сортов однозернянки, двух сортов двузернянки и трёх сортов яровой пшеницы в 2008 году, а также дополнительно двух сортов яровой пшеницы, трёх сортов однозернянки и трёх сортов двузернянки в 2009 году — с использованием метода DPPH (2,2-дифенил-1-пикрилгидразил). Более высокая АОА зерна наблюдалась у двузернянки (215,4–257,6 мг троллокса/кг сухого вещества) и однозернянки (149,8–255,8 мг троллокса/кг СВ), тогда как у яровых сортов АОА варьировала в диапазоне 195,8–210,0 мг троллокса/кг СВ. Установлена линейная корреляция между содержанием общих полифенолов и АОА (r = 0,739, P ≤ 0,05). Сорта двузернянки и однозернянки демонстрируют высокую антиоксидантную активность и могут служить перспективными источниками данных питательно ценных компонентов зерна.
Ключевые слова: малораспространённые сорта пшеницы; активность по нейтрализации свободных радикалов
ВВЕДЕНИЕ
Злаки могут служить важными источниками антиоксидантных витаминов, ферментов и других биологически активных веществ в питании человека (Ehrenbergerová et al. 2009, Březinová-Belcredi et al. 2010). Пшеница наряду с кукурузой и рисом обеспечивает основную часть поступления углеводов и белков в рационе человека, а также является значимым источником антиоксидантов (Liu 2007) наряду с рядом других источников, в частности хлебом, обогащённым гречихой (tartary buckwheat-enriched bread;Bojňanská et al. 2009, Vogrinčič et al. 2010). Однозернянка (Triticum monococcum L. subsp. monococcum) — диплоидная пшеница, родственная T. turgidum L. и T. aestivum L., — отличается более высоким содержанием белка, каротиноидов и токолов (Hidalgo et al. 2006, Hejtmánková et al. 2010) по сравнению с твёрдой и мягкой пшеницей, являясь тем самым потенциальным продовольственным источником с высокими питательными свойствами (Lavelli et al. 2009). Антиоксидантная активность пшеницы обусловлена антиоксидантами, относящимися к различным группам гидрофильных и липофильных соединений: полифенолам, каротиноидам, фитостеролам и селену.
В настоящее время глобальное продовольственное снабжение становится всё более зависимым лишь от нескольких сельскохозяйственных культур. Три злака обеспечивают более 50% мировой потребности в растительных белках и энергии: кукуруза, рис и пшеница (638, 589 и 556 млн тонн соответственно) (Knudsen et al. 2008). Пшеница является наиболее широко возделываемой продовольственной культурой с мировым производством около 600 млн тонн в год. Исторически пшеница отбиралась
прежде всего по технологическим свойствам: хлебопекарным или бисквитным качествам, что привело к выведению сортов твёрдой хлебопекарной пшеницы (Triticum aestivum L.) с высоким содержанием сильной клейковины либо твёрдой (дурум) пшеницы (T. turgidum L. subsp. durum), пригодной для производства жёлтых макаронных изделий (Guarda et al. 2004). Цельнозерновая мука из однозернянки богата белком, липидами (преимущественно ненасыщенными жирными кислотами), микроэлементами и антиоксидантами — каротиноидами и токолами; при этом белая мука сохраняет бо́льшую часть белка и антиоксидантных соединений (Brandolini and Hidalgo 2011). Разнообразие сельскохозяйственных культур, устойчивое земледелие и спрос на здоровые продукты питания также обусловили в последние десятилетия растущий интерес к двузернянке (Triticum turgidum L. spp. dicoccum) как к культуре с высоким потенциалом по содержанию белка, клетчатки, минеральных веществ и фитохимических соединений в зерне (Arzani 2011).
С целью расширения имеющихся знаний об антиоксидантной активности (АОА) однозернянки и двузернянки настоящее исследование сосредоточено на определении АОА для оценки новых отобранных сортов пшеницы. Задача состояла в изучении генетической изменчивости АОА среди отобранных возделываемых видов пшеницы — однозернянки (T. monococcum L.), двузернянки (T. dicoccum) и современных сортов мягкой (хлебопекарной) пшеницы — с целью повышения питательной ценности хлеба и других пшеничных продуктов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Растительный материал
Зерно яровой однозернянки, двузернянки и обычной мягкой (хлебопекарной) пшеницы было получено из Чешского генного банка Института исследования сельскохозяйственных культур в Праге из урожаев 2008 и 2009 годов. В ходе точных двухлетних полевых экспериментов в 2008 и 2009 годах были выращены два сорта однозернянки (Escana и Schwedisches Einkorn), два сорта двузернянки (Kahler Emmer и Rudico) и три сорта яровой пшеницы (SW Kadrilj, Kärtner Früher и Granny). В 2009 году перечень был расширен за счёт сортов яровой пшеницы Jara и Postoloprtská přesívka 6, трёх сортов однозернянки (T. monococcum ECN 01C0204039, ECN 01C0204040 и ECN 01C0204044) и трёх сортов двузернянки (Horny Tisovnik (Malov), T. dicoccon (Tapioszele) и T. dicoccum № 8909); их основные характеристики подробно описаны в нашей предыдущей работе (Lachman et al. 2011).
Реактивы
Метанол был приобретён у компании Merck KGaA (Германия, Дармштадт); DPPH (2,2-дифенил-1-пикрилгидразил) и троллокс (6-гидрокси-2,5,7,8- тетраметилхроман-2-карбоновая кислота) — у компании Sigma-Aldrich (Германия, Штайнхайм). Все химические вещества и реактивы имели степень чистоты не ниже марки “G.R.”( *Guaranteed Reagent, представляют собой высокочистые вещества (чистота
>=95%), пригодные для аналитической химии, точных исследований и контроля качества.).
Подготовка образцов
Тонко измельчённые образцы пшеницы (около 5,0 г) взвешивали в мерные колбы объёмом 100 мл и растворяли в метаноле. Колбы доводили метанолом до отметки 100 мл. Для определения АОА отбирали аликвоты объёмом 100 мкл.
Определение АОА методом DPPH
Использовался косвенный метод, описанный Roginsky и Lissi (2005). Образец, содержащий антиоксиданты, реагирует с раствором стабильного синтетического радикала, который при этом превращается в бесцветный продукт (метод DPPH). Метанольный раствор DPPH с поглощением (t₀) 0,600 ± 0,01 был приготовлен, после чего к нему добавляли 100 мкл образца. Время реакции составляло 20 мин. Оптическую плотность измеряли при длине волны λ = 515 нм. АОА рассчитывали как снижение оптической плотности по формуле (1):
АОА (%) = 100 – [(At20/At0) × 100] (1)
где At20 — оптическая плотность через 20 мин; At0 — оптическая плотность в момент t = 0.
Рассчитанная АОА выражалась в мг троллокса/кг сухого вещества (СВ). Значения At0 и At20 определяли по стандартной калибровочной кривой (r² ≥ 0,9945). Калибровочные кривые строили с использованием рабочих растворов троллокса в метаноле в диапазоне концентраций 5–25 мкг/мл (LOD = 0,601 мкг/мл, LOQ = 2,000 мкг/мл, RSD = 1,83%). Все образцы анализировали в трёх повторностях.
Статистический анализ
Статистический анализ выполнялся с помощью программного обеспечения Statistica 7.0 (StatSoft) на основе параметрических и непараметрических критериев при уровне значимости α = 0,05. Для статистической оценки результатов применяли многофакторный дисперсионный анализ (ANOVA), тест Тьюки (HSD) и t-критерий.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Антиоксидантная активность
В качестве перспективных сортов были выбраны двузернянки Rudico и Kahler Emmer, однозернянки Escana и Schwedisches Einkorn, а также яровая пшеница SW Kadrilj со следующими средними значениями за 2008–2009 годы: 197,5 ± 12,7; 177,4 ± 2,9; 168,0
± 0,7; 162,9 ± 0,5 и 163,9 ± 4,7 мг троллокса/кг СВ соответственно (рисунок 1). В 2009 году в расширенной выборке из 15 сортов были выявлены высокие значения АОА (рисунок 2). Наиболее высокие значения наблюдались практически исключительно у сортов двузернянки Rudico, Krajova-Horny Tisovnik (Malov) и Kahler Emmer (257,6 ± 25,0; 242,3 ± 1,9 и 217,3 ± 5,2 мг троллокса/кг СВ соответственно), а также у сортов однозернянки T. monococcum ECN 01C0204044, ECN 01C0204039, ECN 01C0204040 и Escana со значениями 255,8 ± 28,8; 233,7 ± 4,0; 231,5 ± 2,7 и 218,5 ± 1,3 мг троллокса/кг СВ соответственно.
Среднее значение АОА в 2009 году (205,8 ± 7,72 мг троллокса/кг СВ) оказалось выше, чем в 2008 году (110,0 ± 0,29 мг троллокса/кг СВ). Это может быть объяснено пониженным количеством осадков в июне 2008 года и выше среднемноголетних значений температурой в вегетационный период (таблица 1). Антиоксидантная активность и содержание антиоксидантов могут быть связаны со стрессовыми факторами погодных условий в период вегетации и продолжительностью солнечного сияния в конкретном году (Kalinová and Vrchotová 2011). На АОА пшеницы также существенно влияет содержание липофильных антиоксидантов — прежде всего токолов и каротиноидов (Hejtmánková et al. 2010).
Сорта пшеницы с высокой АОА представлены главным образом однозернянками (четыре сорта) и двузернянками (три сорта).
Корреляция между содержанием общих полифенолов (ОП) и АОА
Была выявлена корреляция между содержанием общих полифенолов (данные приведены в Lachman et al. 2011) и АОА (r = 0,739; r² = 0,547; r²корр. = 0,529; P ≤ 0,05; рисунок 3). Полученные результаты согласуются с данными о том, что антиоксидантная активность экстрактов из зерновых продуктов коррелирует с содержанием фенольных соединений в этих злаках (Zieliński and Kozłowska 2000).
Оценка АОА двузернянки, однозернянки и яровых сортов
Однозернянка, двузернянка и обычная мягкая (хлебопекарная) пшеница возделывались на территории Чехии вплоть до VI века н.э., после чего были вытеснены мягкой пшеницей. В настоящее время эти виды представлены лишь местными популяциями и дикими формами, хранящимися в коллекциях генетических ресурсов. С целью расширения спектра возделываемых культур была изучена коллекция генетических ресурсов двузернянки и однозернянки Чешского генного банка. Из коллекции были отобраны образцы с поздним сроком созревания, высоким уровнем устойчивости к грибковым заболеваниям и высоким урожайным потенциалом для определения их антиоксидантной активности (их характеристики подробно описаны в нашей предыдущей статье (Lachman et al. 2011).
С точки зрения содержания полифенольных антиоксидантов (Lachman et al. 2011) и АОА, у образцов однозернянки и двузернянки были выявлены значительно более высокие значения по сравнению с испытанными сортами яровой пшеницы. Из статистической оценки сортов, испытанных в 2009 году методом наименьших квадратов (рисунок 4) и критерием Тьюки (HSD) (таблица 2), следует, что сорт Schwedisches Einkorn достоверно отличается от всех остальных анализируемых сортов при P
≤ 0,05. Относительно схожие показатели демонстрируют сорта яровой пшеницы SW Kadrilj, Granny, Jara, Kärtner Früher и Postoloprtská přesívka. Высокую АОА показали сорта двузернянки Rudico и Krajova-Horny Tisovnik (Malov), а также однозернянка T. monococcum 01C0204044. Антиоксидантная активность в 2008 и 2009 годах в среднем по всем анализируемым сортам также достоверно различалась.
Возделываемые диплоидные (однозернянка), тетраплоидные (твёрдая пшеница) и гексаплоидные (мягкая хлебопекарная пшеница) виды и сорта обладают антиоксидантной активностью благодаря содержанию гидрофильных (фенольные соединения, селен) и липофильных (каротиноиды, токоферолы) антиоксидантов. Однозернянка — недооценённый вид пшеницы с высоким содержанием белка, лютеина и токолов, особенно пригодный для производства детского питания и специализированных продуктов (Hidalgo et al. 2008). Генетическая изменчивость содержания антиоксидантов (Leenhardt et al. 2006), первичная переработка — в частности, помол (Liyana-Pathirana and Shahidi 2007), распределение антиоксидантов по фракциям зерна (Hidalgo and Brandolini 2008), а также влияние различных мест выращивания пшеничных культур (Yu and Zhou 2004) являются основными факторами, определяющими антиоксидантные свойства пшеницы (зерновка, отруби, зародыш и эндосперм) и пшеничных продуктов. Как было показано на экстрактах озимой твёрдой пшеницы (Yu et al. 2002), хелатирующая активность и способность к нейтрализации свободных радикалов (по методу DPPH•) зависят главным образом от сорта и образца. Фенольные соединения могут вносить вклад в оба вида активности, тогда как другие химические компоненты могут обусловливать суммарную антиоксидантную активность экстрактов.
Полученные результаты согласуются с данными Liyana-Pathirana and Shahidi (2007), сравнивавших антиоксидантную ёмкость двух сортов пшеницы — Triticum turgidum L. var. durum Canada Western Amber Durum и Triticum aestivum L. Canada Western Red Spring. Значения кислородной радикальной абсорбционной ёмкости (ORAC) фракций T. durum, полученные Liyana-Pathirana and Shahidi (2007), распределялись в следующем порядке: отруби > промежуточные фракции > кормовая мука > цельное зерно > мука.
В наших результатах значения АОА трёх видов пшеницы — мягкой хлебопекарной, твёрдой и однозернянки — убывали в следующем порядке:
однозернянка > твёрдая пшеница (дурум) > мягкая хлебопекарная. Данный порядок отличался от такового для активности липоксигеназы (LOX) цельнозерновой муки из этих трёх видов пшеницы (Leenhardt et al. 2006), где LOX убывала в порядке: мягкая > твёрдая > однозернянка. Активность LOX отрицательно коррелировала с концентрацией каротиноидов (r² = 0,9256; P < 0,0001; df = 8); следовательно, с точки зрения хлебопечения соотношение суммарной концентрации каротиноидов и активности LOX может служить подходящим критерием для селекционных программ (De Simone et al. 2010).
Несмотря на то что факторы окружающей среды играют важную роль в формировании концентрации антиоксидантов в злаках, генетический компонент является определяющим и характеризуется высокими значениями наследуемости. Пшеница — продовольственная культура, обеспечивающая значительную долю поступления антиоксидантных соединений в рационе (Baublis et al. 2000, Miller et al. 2000); однозернянка и твёрдая пшеница (дурум) совместно с новыми образцами мягкой пшеницы могут сыграть важную роль в создании новых генотипов с высоким содержанием каротиноидов и токолов, обладающих синергетическим антиоксидантным эффектом (Hidalgo et al. 2006, Brandolini et al. 2008, Hejtmánková et al. 2010).
Образцы двузернянки показали АОА в 1,43 раза выше, чем у сортов мягкой хлебопекарной пшеницы; у Schwedisches Einkorn — даже в 1,84 раза выше. Сорта пшеницы с высокой АОА представлены главным образом однозернянками (четыре сорта) и двузернянками (три сорта). Высокие значения АОА были выявлены практически исключительно у двузернянок — Rudico, Krajova-Horny Tisovnik (Malov) и Kahler Emmer — и у сортов однозернянки ECN 01C0204044, ECN 01C0204039, ECN 01C0204040 и Escana соответственно.
В заключение следует отметить, что данное исследование подтвердило генотипическую изменчивость антиоксидантной активности образцов однозернянки, двузернянки и яровой мягкой хлебопекарной пшеницы, обусловленную высоким содержанием токолов и каротиноидов (Digesù et al. 2009, Hejtmánková et al. 2010), а также растворимых фенольных соединений (Lachman et al. 2011). Значимая антиоксидантная активность в сочетании с повышенным содержанием белков, токолов, каротиноидов и полифенолов подкрепляет перспективу использования однозернянки и двузернянки в качестве питательно превосходящих зерновых источников.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Arzani A. (2011): Emmer (Triticum turgidum spp. dicoccum) Flour and Breads. In: Preedy V.R., Watson R.R., Patel V.B. (eds): Flour and Breads and their Fortification in Health and Disease Prevention. Elsevier, Academic Press Imprint, Amsterdam, 69–78.
Baublis A., Decker E.A., Clydesdale F.M. (2000): Antioxidant effect of aqueous extracts from wheat based ready-to-eat breakfast cereals. Food Chemistry, 68: 1–6.
Brandolini A., Hidalgo A. (2011): Einkorn (Triticum monococcum) Flour and Bred. In: Preedy V.R., Watson R.R., Patel V.B. (eds.): Flour and Breads and their Fortification in Health and Disease Prevention. Elsevier, Academic Press Imprint, Amsterdam, 79–88.
Hejtmánková K., Lachman J., Hejtmánková A., Pivec V., Janovská D. (2010): Tocols of selected spring wheat (Triticum aestivum L.), einkorn wheat (Triticum monococcum L.) and wild emmer (Triticum dicoccum Schuebl [Schrank]) varieties. Food Chemistry, 123: 1267– 1274.
Hidalgo A., Brandolini A. (2008): Protein, ash, lutein and tocols distribution in einkorn (Triticum monococcum L. subsp. monococcum) seed fractions. Food Chemistry, 107: 444– 448.
Hidalgo A., Brandolini A., Pompei C., Piscozzi R. (2006): Carotenoids and tocols of einkorn wheat (Triticum monococcum ssp. monococcum L.). Journal of Cereal Science, 44: 182–193. Lachman J., Miholová D., Pivec V., Jírů K., Janovská D. (2011): Content of phenolic antioxidants and selenium in grain of einkorn (Triticum monococcum), emmer (Triticum
dicoccum) and spring wheat (Triticum aestivum) varieties. Plant, Soil and Environment, 57:
235–243.
Lavelli V., Hidalgo A., Pompei C., Brandolini A. (2009): Radical scavenging activity of einkorn (Triticum monococcum L. subsp. monococcum) wholemeal flour and its relationship to soluble phenolic and lipophilic antioxidant content. Journal of Cereal Science, 49: 319–321.
Leenhardt F., Lyan B., Rock E., Boussard A., Potus J., Chanliaud E., Remesy C. (2006): Genetic variability of carotenoid concentration, and lipoxygenase and peroxidase activities among cultivated wheat species and bread wheat varieties. European Journal of Agronomy, 25: 170–176.
Liu R.H. (2007): Whole grain phytochemicals and health. Journal of Cereal Science, 46: 207– 219.
Liyana-Pathirana C.M., Shahidi F. (2007): The antioxidant potential of milling fractions from breadwheat and durum. Journal of Cereal Science, 45: 238–247.
Roginsky V., Lissi E.A. (2005): Review of methods to determine chain-breaking antioxidant activity in food. Food Chemistry, 92: 235–254.
Yu L.L., Haley S., Perret J., Harris M. (2002): Antioxidant properties of hard winter wheat extracts. Food Chemistry, 78: 457–461.
Bojňanská T., Frančáková H., Chlebo P., Vollmannová A. (2009): Rutin content in buckwheat enriched bread and influence of its consumption on plasma total antioxidant status. Czech Journal of Food Sciences, 27: S236–S240.
Brandolini A., Hidalgo A., Moscaritolo S. (2008): Chemical composition and pasting properties of einkorn (Triticum monococcum L. subsp. monococcum) whole meal flour. Journal of Cereal Science, 47: 599–609.
Březinová-Belcredi N., Ehrenbergerová J., Fiedlerová V., Běláková S., Vaculová K. (2010): Antioxidant vitamins in barley green biomass. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 58: 11755–11761.
De Simone V., Menzo V., De Leonardis A.M., Ficco D.B.M., Trono D., Cattivelli L., De Vita
P. (2010): Different mechanisms control lipoxygenase activity in durum wheat kernels. Journal of Cereal Science, 52: 121–128.
Digesù A.M., Platani C., Cattivelli L., Mangini G., Blanco A. (2009): Genetic variability in yellow pigment components in cultivated and wild tetraploid wheats. Journal of Cereal Science, 50: 210–218.
Ehrenbergerová J., Belcredi Březinová N., Kopáček J., Melišová L., Hrstková P., Macuchová S., Vaculová K., Paulíčková I. (2009): Antioxidant enzymes in barley green biomass. Plant Foods for Human Nutrition, 64: 122–128.
Guarda G., Padovan S., Delogu G. (2004): Grain yield, nitrogen-use efficiency and baking quality of old and modern Italian bread-wheat cultivars grown at different nitrogen levels. European Journal of Agronomy, 21: 181–192.
Hidalgo A., Brandolini A., Gazza L. (2008): Influence of steaming treatment on chemical and technological characteristics of einkorn (Triticum monococcum L. ssp. monococcum) wholemeal flour. Food Chemistry, 111: 549–555.
Kalinová J., Vrchotová N. (2011): The influence of organic and conventional crop management, variety and year on the yield and flavonoid level in common buckwheat groats. Food Chemistry, 127: 602–608.
Knudsen I., Søborg I., Eriksen F., Pilegaard K., Pedersen J. (2008): Risk management and risk assessment of novel plant foods: Concepts and principles. Food and Chemical Toxicology, 46: 1681–1705.
Miller H.E., Rigelhof F., Marquart L., Prakash A., Kanter M. (2000): Antioxidant content of whole grain breakfast cereals, fruits and vegetables. Journal of the American College of Nutrition, 19: 312S–319S.
Vogrinčič M., Timoracká M., Melicháčová S., Vollmannová A., Kreft I. (2010): Degradation of rutin and polyphenols during the preparation of tartary buckwheat bread. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 58: 4883–4887.
Yu L., Zhou K. (2004): Antioxidant properties of bran extracts from ‘Platte’ wheat grown at different locations. Food Chemistry, 90: 311–316.
Zieliński H., Kozłowska H. (2000): Antioxidant activity and total phenolics in selected cereal grains and their different morphological fractions. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 48: 2008–2016.