Актуальные проблемы селекции ячменя

В последнее время в ряде стран резко возрос интерес к здоровому питанию, основанному на включении в диету так называемых функциональных продуктов. Особенно это касается растворимых пищевых волокон из зерновых культур.

Главным растворимым компонентом пищевых волокон зерновых культур являются (1,3;1,4)-β-D-глюканы. Это обобщенный термин, который служит для обозначения высокомолекулярных полимеров глюкозы, связанной β(1-3) и β(1-4) гликозидными связями.

Полисахариды бета-глюканы распространены исключительно в растениях семейства Мятликовые и найдены в составе клеточных стенок ячменя, овса, пшеницы, ржи, кукурузы, риса, сорго (1). Кроме того, для клеточных стенок злаков характерны высокие уровни гетероксиланов и незначительное количество либо отсутствие вовсе целлюлозы и пектина. У семян злаков стенки клеток алейронового слоя и эндосперма состоят главным образом из (1,3;1,4)-β-D-глюканов и арабиноксиланов. Например, клетки крахмалистого эндосперма зрелого зерна ячменя окружены тонкими стенками, содержащими приблизительно 70% бета-глюканов, 25% арабиноксиланов, 2% целлюлозы и 2% глюкоманнанов (2). Полисахариды бета-глюканы формируют внутренний слой стенок эндосперма ячменя (3).

Удаление внешних слоев, включая пленку, с зерновок злаков понижает содержание нерастворимых пищевых волокон, белка, золы и свободных липидов, но увеличивает концентрацию крахмала и бета-глюканов (4). Голозерные или лишенные оболочек зерна содержат 11-20% общих пищевых волокон и 3-10% растворимых (5).

По содержанию бета-глюканов ячмень и овес являются рекордсменами среди культурных зерновых злаков (6). Величина этого показателя качества зерна у пшеницы, ячменя, овса, ржи в целом зерне составляет соответственно: 0,6; 4,2; 3,9; 2,5%; а в отделенном эндосперме - 0,3; 4,1; 1,8; 1,7% в расчете на сухую биомассу (7).

Целое зерно ячменя в среднем содержит 3-9% бета-глюканов (8,9). Однако существуют интересные мутанты ячменя с низким уровнем крахмала и повышенным накоплением бета-глюканов, полностью или частично компенсирующим потерю крахмала.

Молекулы бета-глюканы являются линейными гомополисахаридами, в состав которых входят остатки D-глюкопиранозы, связанные β-1-4 связями и организованные в блоки единиц, которые разделены отдельными β-1-3 связями (10). Хотя большинство сегментов в этих блоках являются тримерами и тетрамерами, в полимерных цепях обычно присутствуют более длинные блоки (11). Различия в химическом строении и структуре бета-глюканов включают отношение тримеров к тетрамерам, количество длинных целлюлозных олигомеров и отношение связей β(1-4)/β(1-3) (12).

Относительное количество трисахаридов в бета-глюканах ячменя составляет 52-69%, тетрасахаридов – 25-33%, отношение трисахариды/тетрасахариды равно 1,8-3,5. Величина этого отношения определяется химической структурой зерновых бета-глюканов. Для каждого вида злаков оно имеет свое значение и по диагностической ценности может быть сопоставимо с индивидуальной характеристикой отпечатков пальцев (13).

Отношение трисахариды/тетрасахариды бета-глюканов, во-первых, выше у сортов ячменя с низким содержанием амилозы (так называемые вакси формы), чем у сортов с нормальным уровнем этой составляющей крахмала, во-вторых, выше в клеточных стенках алейронового слоя по сравнению с эндоспермом (11).

Различия в отношении трисахариды/тетрасахариды обусловлены не только генотипом, но и зависят от внешних условий, складывающихся в период формирования и созревания семян зерновых злаков (14).

Молекулярный вес бета-глюканов ячменя выражается шести- семизначными числами, 31-2700х10³. На различия в величине этой важной характеристики влияет ряд факторов: сорт, внешняя среда выращивания растений, а также конкретные методики выделения, очистки и измерения (10, 15). Молекула бета-глюканов представляет собой изогнутую цепь, модель которой описывается цилиндром, имеющим длину равную 3,5-3,8 нм и диаметр около 0,45 нм (16).

Пути биосинтеза ряда полисахаридов (крахмала, целлюлозы, гликогена) изучены довольно хорошо, но реакции образования бета-глюканов и процесс их аккумуляции в стенках клеток эндосперма еще недостаточно поняты. Найдено, что биосинтез клеточных стенок в течение формирования зерна связан с морфологическими изменениями созревающего зерна (17).

Исследования показывают, что молекулярное строение и структурная организация бета-глюканов и арабиноксиланов зерна овса и ячменя являются важными детерминантами их физических свойств, таких как растворимость в воде, вязкость (способность к гелеобразованию), переваримость. Все это обусловливает функциональность указанных полисахаридов и их физиологические функции в желудочно-кишечном тракте человека (13,15). Зарегистрированы отличия в величине вязкости фракций бета-глюканов, экстрагированных водой при температурах 45^оС и 90^оС. Это подтверждено различиями в молекулярном весе среди выделенных полисахаридов, полученных из разных сортов ячменя (14).

Было доказано, что (1,3;1,4)-β-D-глюканы, способствуют снижению уровня холестерина и сахара в крови, уменьшают риск сердечно-сосудистых заболеваний и диабета, являются эффективными средствами в предотвращении и лечении ряда серьезных болезней человека, включая рак кишечника, помогают снижению избыточного веса, поддерживая чувство насыщения, укрепляют иммунную систему, обладая антимикробными свойствами (18).

Пища, полученная на основе злаков с низким содержанием крахмала и повышенным уровнем бета-глюканов, может иметь важное значение в низкокалорийном питании людей (19). В этом плане уже созданы 6 линий ячменя, которые, благодаря высокому содержанию растворимых и нерастворимых пищевых волокон и низкой энергетической составляющей, рассматриваются в качестве возможных растений - кандидатов для производства функциональной пищи (20).

Механизмы, посредством которых растворимые пищевые волокна, такие как бета-глюканы, вызывают снижение уровня холестерина и глюкозы в крови до конца не выяснены и активно обсуждаются в литературе. Большинство общих гипотез базируется на предполагаемом влиянии повышенной вязкости содержимого желудочно-кишечного тракта на уменьшение поглощения холестерина, желчных кислот и их метаболитов (21,22). Кроме того, указанные полисахариды, замедляя процесс всасывания питательных веществ, в первую очередь углеводов, уменьшают гипергликемию и секрецию инсулина. Последнее оказывает положительное воздействие на состояние здоровья больных диабетом 2-го типа и также вносит определенный косвенный вклад в снижение уровня холестерина в крови (21,22).

В клинических исследованиях, выполненных с участием более чем 400 пациентов, были продемонстрированы позитивные результаты включения бета-глюканов и цельнозерновых продуктов, приготовленных из ячменя, в диету больных. Наблюдаемый эффект выражался в уменьшении уровня глюкозы (23), общего холестерина (24), липопротеида низкой плотности и триглицеридов в крови (25). На 90 добровольцах - мужчинах и женщинах - показано, что употребление в пищу ячменных бета-глюканов в течение 6 недель способствовало существенному снижению веса тела (26).

Для того, чтобы разнообразить диету, обогащенную пищевыми волокнами, сегодня ведется поиск нетрадиционных подходов к созданию зерновых пищевых продуктов, например, исследуется возможность добавления бета-глюканов в йогурт (27) или в пшеничную муку при выпечке хлеба (28,29). Кроме того, учитывается полезность продуктов, изготовленных из зерна других культур, таких как рожь и овес. В экспериментах на грызунах показано, что активность бета-глюканов, полученных как из зерна ячменя, так и овса, в снижении холестерина в крови была приблизительно равной (30).

Но вместе с тем следует отметить что, в некоторых работах сообщается об отсутствии существенных физиологических эффектов от употребления пищи, обогащенной бета-глюканами ячменя. Так, в клинических исследованиях у мужчин с высоким содержанием холестерина не было доказано уменьшения риска сердечно-сосудистых заболеваний (31), а также не всегда непосредственно демонстрировалось влияние вязкости бета-глюканов на снижение уровня холестерина (32).

Кроме рассмотренной выше положительной роли, которую играют полисахариды клеточных стенок эндосперма злаков в пище человека, бета-глюканы часто выступают как негативный фактор в усвоении питательных веществ при кормлении нежвачных животных. Дело в том, что высокая вязкость полисахаридов способствует образованию слизей, затрудняющих пищеварение и процесс ассимиляции питательных веществ из желудочно-кишечного тракта. Все это сопровождается снижением темпов привеса домашних животных и ухудшением их внешнего вида (17,33).

Еще одно специфическое влияние большого количества бета-глюканов клеточных стенок эндосперма злаков связано с процессом получения солода, необходимого для приготовления пива. В процессе соложения ячменя и затирания бета-глюкан частично расщепляется под действием ферментов, относящихся к группе гемицеллюлаз. Результатом воздействия всего комплекса этих ферментов является цитолитическое расщепление солода. В ходе соложения происходят два основных процесса цитолиза ячменя:

1. высвобождение высокомолекулярного бета-глюкана из комплексных соединений с белками и другими веществами;

2. расщепление бета-глюкана с высокой молекулярной массой на низкомолекулярный бета-глюкан, в том числе и на глюкозу.

Для технологии пивоварения необходимо, чтобы солод (сусло) содержал как можно меньше бета-глюкана, то есть чтобы произошло полное расщепление этого полисахарида. При неполном его расщеплении негативное влияние бета-глюкана проявляется в повышении вязкости сусла и пива, снижении выхода сусла, плохой фильтруемости пива. Связанные с повышенным уровнем бета-глюкана проблемы показывают, насколько важно содержание бета-глюкана для оценки качества солода и для прогнозируемости поведения данного сырья в процессе производства пива.
Таким образом, благодаря высокому содержанию растворимых пищевых волокон – бета-глюканов – в клеточных стенках эндосперма зерно ячменя рассматривается сегодня как перспективный пищевой продукт, способствующий уменьшению риска сердечно-сосудистых заболеваний. Сильное выражение этого признака культуры – повышенный уровень бета-глюканов в зерне - снижает два других важных ее качества: кормовое и пивоваренное. Поэтому, в современных условиях селекция ячменя должна вестись не только на урожайность, но и на химический состав зерна. В производстве должны быть ценные сорта, пригодные для продовольственных, кормовых и пивоваренных целей.

Литература

1.Fincher G.B., Stone B.A. Cell walls and their components in cereal grain technology. In: Pomeraz Y. (Ed.), Advances in Cereal Science and Technology. American Association of Cereal Chemists, St. Paul, 1986, 207-295.

2.Fincher G.B. Morphology and chemical composition of barley endosperm cell walls. Journal of the Institute of Brewing, 1975, 81: 116-122.

3.Bamforth C.W., Kanauchi M. A simple model for the cell wall of the starchy endosperm in barley. Journal of the Institute of Brewing, 2001, 107: 235-240.

4.Quinde Z., Ulrich S.E., Baik B.K. Genotypic variation in colour and discolouration potential of barley-based food products. Cereal Chemistry, 2004, 81: 752-758.

5.Fastnaught C.E. Barley fibre. In: Cho S., Dreher M. (Eds.), Handbook of Dietary Fibre. Marcel Dekker, New York, 2001, 519-542.

6.Gajdosova A., Petrulakova Z., Havrlentova M et al. The content of water-soluble and water-insoluble β-D-glucans in selected oats and barley varieties. Carbohydrate Polymers, 2007, 70: 46-52.

7.Henry R.J. Pentosan and (1-3,1-4)-β-glucan concentrations in endosperm and wholegrain of wheat, barley, oats, and rye. Journal of Cereal Science, 1987, 6: 253-258.

8.Aman P., Newman C.W. Chemical composition of some different types of barley grown in Montana, USA. Journal of Cereal Science, 1986, 4: 133–141.

9.Xue Q., Wang L., Newman C.W. et al. Influence of the hulless, waxy starch and short-awn genes on the composition of barley. Journal of Cereal Science, 1997, 26: 251-257.

10.Woodward J. R., Phillips D. R., Fincher G. B. Water-soluble (1→3), (1→4)-β-d-glucans from barley (Hordeum vulgare) endosperm. I. Physicochemical properties. Carbohydrate Polymers, 1983, 3: 143-156.

11.Wood P.J., Weisz J., Blackwell B.A. Structural studies of (1-3)(1-4)-β-D-glucans by ¹³C-nucleaar magnetic resonance spectroscopy and by rapid analysis of cellulose-like regions using high-performance anion-exchange chromatography of oligosaccharides released by lichenase. Cereal Chemistry, 1994, 71: 301-307.

12.Izydorczyk M.S., Macri L.J., MacGregor A.W. Structure and physicochemical properties of barley non-starch polysaccharides – I. Water-extractable β-glucans and arabinoxilans. Carbohydrate Polymers, 1998, 35: 249-258.

13.Vaikousi H., Biliaderis C.G., Izydorczyk M.S. Solution flow behavior and gelling properties of water-soluble barley (1→3,1→4)-β-glucans varying in molecular size. Journal of Cereal Science, 2004, 39: 119-137.

14.Storsley J.M., Izydorczyk M.S., You S. et al. Structure and physicochemical properties of β-glucans and arabinoxilans isolated from hull-less barley. Food Hydrocolloids, 2003, 17: 831-844.

15.Lazaridou A., Biliaderis C.G. Molecular aspects of cereal β-glucan functionality: Physical properties, technological applications and physiological effects. Journal of Cereal Science, 2007, 46: 101-118.

16.Gomez C., Navarro A., Manzanares P. et al. Physical and structural properties of barley (1-3),(1-4)-β-D-glucan. Part II. Viscosity, chain stiffness and macromolecular dimensions. Carbohydrate Polymers, 1997, 32: 17-22.

17.Brown G.D., Gordon S. Immune recognition. A new receptor for beta-glucans. Nature, 2001, 413: 36–37.

18.Rudi H., Uhlen A.K., Harstad O.M. et al. Genetic variability in cereal carbohydrate compositions and potentials for improving nutritional value. Animal Feed Science and Technology, 2006, 130: 55-65.

19.Munck L., Moller B., Jacobsen S. et al. Near infrared spectra indicate specific mutant endosperm genes and reveal a new mechanism for substituting starch with (1→3,1→4)-β-glucan in barley. Journal of Cereal Science, 2004, 40: 213-222.

20.Fincher G.B. Cereal cell wall polysaccharides in food, feed and fibre. 30^th Nordic Cereal Congress, Book of Abstracts. Copenhagen, 2009, 28.

21.Bell S., Goldman V.M., Bistrian B.R. et al. Effect of β-glucan from oats and yeast on serum lipids. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 1999, 39: 189-202.

22. Dikeman C.L., Fahey G.C. Viscosity as related to dietary fiber. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2006, 46: 649-663.

23.Behall K.M., Scholfield D.J., Hallfrisch J. Barley β-glucan reduces plasma glucose and insulin responses compared with resistant starch in men. Nutrition Research, 2006, 26: 644-650.

24. McIntosh G.H., Whyte J., McArthur R. et al. Barley and wheat foods: influence on plasma cholesterol concentrations in hypercholesterolemic men. American Journal of Clinical Nutrition, 1991, 53: 1205–1209.

25.Talati R., Baker W.L., Pabilonia M.S. et al. The effects of barley-derived soluble fiber on serum lipids. Annals of Family Medicine, 2009, 7: 157-163.

26. Smith K.N., Queenan K.M., Tomas W. et al. Physiological effects of concentrated barley β-glucan in mildly hypercholesterolemic adults. Journal of the American College of Nutrition, 2008, 27: 434-440.

27.Nilsen M.S., Jespersen B.M., Engelsen S.B. Cereal β-glucans – from raw material through processing and product development to health effects. 30^th Nordic Cereal Congress, Book of Abstracts. Copenhagen, 2009, 29.

28. Holtekjolen A.K., Olsen H.H.R., Fargestad E.M. et al. Variations in water absorption capacity and baking performance of barley varieties with different polysaccharide content and composition. Food Science and Technology, 2008, 41: 2085-2091.

29. Izydorczyk M.S., Chornick T.L., Paulley F.G. et al. Physicochemical properties of hull-less barley fibre-rich fractions varying in particle size and their potential as functional ingredients in two-layer flat bread. Food Chemistry, 2008, 108: 561-570.

30. Delaney B., Nicolosi R.J., Wilson T.A. et al. β-glucan fractions from barley and oats are similarly antiatherogenic in hypercholesterolemic Syrian Golden Hamsters. The Journal of Nutrition, 2003, 133: 468-475.

31.Keogh G.F., Cooper G.J.S., Mulvey T.B. et al. Randomized controlled crossover study of the effect of a highly β-glucan-enriched barley on cardiovascular disease risk factors in mildly hypercholesterolemic men. American Journal of Clinical Nutrition, 2003, 78: 711-718.

32. Wood P.J. Cereal β-glucans in diet and health. Journal of Cereal Science, 2007, 46: 230-238.

33. Bedford M.R., Classen H.L., Campbell G.L. The effect of pelleting, salt and pentosanase on the viscosity of intestinal contents and the performance of broilers feed rye. Poultry Science, 1991, 70: 1571-1577.