Oláh György Doktori Iskola 

BME Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar, Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

Témavezető: Dr. Tömösközi Sándor

Gluténmentes termékek minőségének javítása

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Az arabinoxilánok a hemicellulózok, azon belül is a pentozánok közé tartozó poliszacharidok, melyek elsősorban a gabonafélék (főként rozs és búza) szemtermésében előforduló sejtfalalkotók [1]. Táplálkozástani szempontból jelentős szerepük van, mint élelmi rost és bioaktív összetevő [2]. Egyedülálló tulajdonságuk, hogy oxidatív közegben molekulák közötti keresztkötések kialakítására képesek, így alkalmasak lehetnek térhálós szerkezet létrehozására [3]. Munkám során ennek lehetőségét vizsgáltam gluténmentes modellrendszerekben a hiányzó sikérváz részleges pótlására.

A kutatóhely rövid bemutatása

Munkámat a BME ABÉT Gabonatudományi és Élelmiszerminőség Kutatócsoportjában Dr. Tömösközi Sándor témavezetésével végeztem. A csoport fő kutatási tevékenységei közé tartozik a növényi (gabona-) összetevők (főként fehérjék, szénhidrátok és rostok) összetételének és funkcionális tulajdonságainak vizsgálata, az allergénanalitika és referenciaanyag-fejlesztés, továbbá mérőműszerek és értéknövelt élelmiszeripari termékek fejlesztése.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A búza évezredek óta képezi az emberi táplálkozás alapját. Sokoldalú felhasználása a magban található sikérképző fehérjékhez kötődnek. A sikérfehérjék víz hozzáadása és mechanikai munka (dagasztás) hatására egy komplex, egyéb lisztösszetevőket is magába foglaló térhálós szerkezetet, ún. sikérhálót hoznak létre, melynek eredményeként egyszerre rugalmas és nyújtható, gázvisszatartó képességgel rendelkező tészta alakul ki. A búza és a hasonló fehérje-összetételű gabonák, mint pl. a rozs, árpa vagy tritikálé fogyasztása a népesség közel 1%-a számára különböző rendellenességek (pl.: cöliákia vagy allergia) miatt nem lehetséges. Esetükben jelenleg kizárólag a kórképet kiváltó gluténfehérjéktől mentes diéta jelent megoldást [4]. Mivel a búza szerepe táplálkozásunkban kiemelt jelentőségű, így egyes fogyasztók számára a gluténmentes diétára való áttérés nem egyszerű. A gluténmentes lisztek (pl. rizs, kukorica) hidratálása során a búzatészta szerkezetére jellemző anyagi rendszer nem alakul ki. Ezért a tészta technológiai viselkedését (viszkozitás, sütőipari termékeknél gázvisszatartás, stb.) és a végtermék-tulajdonságok javítását általában különféle keveréklisztek, illetve hidrokolloidok alkalmazásával valósítják meg. Bár napjainkban a gluténmentes sütőipari termékeknek  széles köre áll rendelkezésre, többségük  még mindig elmarad a búzatermékek táplálkozástani értékétől, technológiai és érzékszervi tulajdonságaitól, így a jobb minőségű termékek iránti igény továbbra is jelentős [5].

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A tápérték-javításnak és a sikérszerkezet részleges helyettesítésének egy lehetséges megoldása lehet a gluténmentes alapanyagok dúsítása keresztkötések kialakítására képes élelmi rostokkal, ún. arabinoxilánokkal (AX), melyek térhálósítása elősegíthető enzimreakciókon alapuló oxidatív közeg kialakításával. A piranóz-2-oxidáz (POx) jobb hatásfoka és szélesebb szubsztrátspecifitása révén ígéretes alternatíva lehet a kémiai oxidálószerekkel, valamint a szélesebb körben alkalmazott, hasonló működésű glükóz-oxidázzal szemben. A POx számos mono- és diszacharid oxidációját katalizálja, mely során dikarbonil-származékok és H₂O₂ keletkezik. A H₂O₂-képződés által az AX-ok feruloil csoportjai oxidálódhatnak, és ezáltal keresztkötést létesíthetnek az egyes molekulák között (1. ábra).

 

1. ábra: Az AX-térháló kialakulásának feltételezett mechanizmusa

 

Munkám célja a rostadagolásnak és az enzimes kezelésnek a gluténmentes tészta/szuszpenzió reológiai tulajdonságaira, valamint a makromolekulák szerkezetére és a mikromorfológiai tulajdonságokra gyakorolt hatásának vizsgálata volt. Ezen kívül célom volt megvizsgálni a kezeléseknek a végtermék-minőségre gyakorolt hatását egyszerű élesztős, valamint kovászos próbatermékekben.

Munkám során arra kerestem a választ, hogy az általunk alkalmazott körülmények között lejátszódik-e az AX-molekulák térhálósodása, és ennek hatása milyen mértékben és milyen jelleggel mutatkozik meg a gluténmentes modellmátrixok, illetve a végtermékek tulajdonságaiban.

Módszerek

Alapanyagok és jellemzésük

A kísérletek során hajdina- és kölesőrleményeket használtunk modellalapanyagként; az adagolásokat kísérleti, a BOKU egyetemen előállított arabinoxilán (AX) -izolátum és piranóz-oxidáz enzim alkalmazásával hajtottuk végre. A lisztek kémiai összetételét (nedvesség, hamu, fehérje, zsír, élelmi rost) szabványos módszerekkel határoztuk meg. A lisztek és az izolátum AX-tartalmát gázkromatográfiás módszerrel mértük meg.

 

Reológiai tulajdonságok vizsgálata

A reológia az anyagok folyási és deformációs tulajdonságainak leírásával foglalkozó tudományág. A reológiai viselkedést a rendszert alkotó molekulák közötti kölcsönhatások határozzák meg. Ezek tanulmányozására számos, főként tapasztalati elven alapuló mérőműszert fejlesztettek ki az élelmiszer- illetve gabonavizsgálatok területén [6].

A köles- és hajdinaliszt-alapú tésztamodellrendszerek dagasztási, valamint viszkózus tulajdonságainak vizsgálatára micro-doughLAB, gyors viszkoanalizátor (RVA) és Mixolab méréstechnikákat alkalmaztunk. Ezen műszerek a dagasztókarra, illetve a keverőlapátra gyakorolt ellenállást mérik az idő függvényében. A mérési pontok ábrázolásával kirajzolódik az adott mintára jellemző profil, valamint meghatározhatók a görbék jellegzetes paraméterei.

 

Molekuláris és mikromorfológiai vizsgálatok

Az AX-ok, fehérjék és a keményítőmolekulák méreteloszlásának vizsgálatát méretkizárásos nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiával (SE-HPLC) határoztam meg. A kezelések szabad ferulasav-tartalomra gyakorolt hatását spektrofotometriás módszerrel vizsgáltam. A tészták mikromorfológiai szerkezetének vizsgálatára pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) technikát alkalmaztam, ami előtt a mintákat fagyasztva szárítottam.

 

Végterméktesztek

A próbasütés közvetlen információt szolgáltat a végtermék érzékszervi és technológiai tulajdonságairól. Ezen mérések jellemzően nagy mintaigényűek, esetünkben azonban az AX-izolátum és -enzim csak korlátozott mennyiségben állt rendelkezésre, ezért a vizsgálatok elvégzésére a búzaliszthez általam kidolgozott mikromódszert adaptáltam gluténmentes termékek előállítására. Mivel a gluténmentes cipók a sikérváz hiányában tömörebbek és laposabbak, így a szükséges lisztmennyiséget 10 g-ról 15 g-ra növeltem, hogy már értékelhető felületű bélzet alakulhasson ki. A mérést egyszerű élesztős eljárással, valamint gluténmentes szárított kovász hozzáadásával is elvégeztem. A szakirodalom alapján rozskenyerekben a kovász által biztosított alacsonyabb pH kedvez az AX-molekulák közötti keresztkötések kialakulásának. Ezen kívül számos egyéb pozitív hatása (fehérjék oldhatóságának növekedése, íz és aromaanyagok képződése, puhább bélzet, stb.) lehet a kovászos technológiának. A próbacipók jellemzésére meghatároztam a sütési veszteséget (sütés során veszített vízmennyiség %-ban kifejezve) és a térfogatot. Ezen kívül vizsgáltam a bélzetkeménységet állománymérő műszer segítségével. A cipókról és azok keresztmetszetéről felvételeket is készítettem, melyeket digitális képelemző szoftverrel értékeltem.

 

Eddigi eredmények

Az alapanyagok jellemzése

A vártnak megfelelően a fehér lisztek kémiai szempontból egyszerűbb anyagi rendszerek, amelyek főleg a magbelsőt tartalmazzák. Ennek köszönhetően jelentősen alacsonyabb rost- és/vagy AX-tartalommal, tehát kevesebb reaktív csoporttal jellemezhetők, mint a teljes őrlemények (2. ábra).

 

 2. ábra: Köles- és hajdinaőrlemények beltartalmi összetétele

 

A modelltészták reológiai tulajdonságainak vizsgálata

Az AX-adagolás a legtöbb esetben a tészta konzisztenciájának jelentős csökkenését idézte elő. A hozzáadott AX-et tartalmazó rendszerek enzimes kezelése során magasabb konzisztenciát mértem, mint a kezeletlen AX-adagolt tészták esetén. Mindez az AX-molekulák közötti keresztkötések kialakulására utalt. Megfigyeltem azonban, hogy az oxidatív közeg létrehozása AX hozzáadása nélkül is változást okozott a tészták tulajdonságaiban (3. ábra).

 

3. ábra: Fehérhajdinaliszt-alapú tészták konzisztenciája micro-doughLAB-bal mérve

 

Az enzimtevékenység alatt keletkező H₂O₂ nem specifikusan hat az egyes lisztalkotókra, így indukálhatja például a fehérjék közötti kötések kialakulását, de nem zárható ki az AX-fehérje-kölcsönhatások létrejötte sem az AX-molekula ferulasav-csoportjai és fehérjék tirozilcsoportjai között.

A viszkózus tulajdonságokban is jelentős változásokat észleltem az AX-adagolás és az enzimkezelés hatásaként, melyek harmonizáltak a korábbi eredményekkel (4. ábra). A POx mind az AX-et tartalmazó, mind az AX-et nem tartalmazó rendszerekben alkalmazva a legtöbb esetben hatással volt a viszkózus viselkedésre. Ez utóbbiak esetében a keményítő oxidációját feltételeztem [7].

4. ábra: Fehérkölesliszt-alapú vizes szuszpenziók RVA-módszerrel változó hőmérsékleten mért viszkozitása

 

Molekuláris és mikromorfológiai tulajdonságok vizsgálata

 

A reológiai vizsgálatok eredményeinek alátámasztására további vizsgálatokat végeztem el. Ezek eredményei alapján megállapítható, hogy növekedés zajlott le az AX-molekulák méretében, melyet a szabadferulasav-tartalom enzimkezelés hatására bekövetkező csökkenése is alátámasztott (5. ábra).

5. ábra: Az AX méreteloszlásának és a szabadferulasav-tartalmának vizsgálata fehérkölesliszt-alapú tésztákban

 

Az enzimkezelés hatására az oldható fehérjefrakciók mennyisége is szignifikánsan csökkent, mely aggregátumok vagy makromolekula-komplexek képződésére utalt (6. ábra).

6. ábra: Fehérkölesliszt-alapú tészták oldható és oldhatatlan fehérjefrakcióinak SE-HPLC-kromatogramjai

 

A keményítőmolekulák méreteloszlásában is méretnövekedést mutattam ki, ami a keményítőmolekulák oxidációját erősítette meg (7. ábra).

 

7. ábra: Fehérkölesliszt-alapú tészták keményítő-kromatogramjai

 

A tészták mikromorfológiai szerkezete is módosult, mely során az enzimkezelés hatására az AX mintegy kötőanyagként jelenik meg a keményítőszemcsék közötti térben (8. ábra).

 

8. ábra: Fehérkölesliszt-alapú tészták mikromorfológiai szerkezetének SEM-felvételei

 

Összefoglalva, a fehérjék és a keményítőmolekulák módosulása, valamint azok AX-molekulákkal esetlegesen kialakított kölcsönhatása is szerepet játszhatott a reológiai tulajdonságokban tapasztalt változásokban.

 

Végterméktesztek eredményei

Az AX hatására csökkent a sütési veszteség, ami az oldható AX-molekulák vízmegkötő képességének köszönhető. Ezzel párhuzamosan a cipók bélzete is puhább lett. A kovászos rendszerekben a fajlagos térfogat az AX hatására csökkent, míg az élesztős cipók esetén nem, vagy csak kis mértékben változott. Az eredmények alapján bizonyítottam, hogy az AX és enzimkezelés hatása a végtermékek minőségében is megjelenik (9. ábra).

 

9. ábra: Élesztős és kovászos kölescipók bélzetszerkezete, sütési vesztesége, fajlagos térfogata és keménysége

 

Várható impakt, további kutatás

A kutatómunka partnerintézményünkkel, a bécsi BOKU (University of Natural Resources and Life Sciences) egyetemmel közös OTKA (ANN 114554) projekt keretében valósult meg, és tervezzük a munka folytatását egy következő pályázati ciklusra. A bemutatott eredményekből két közös cikkünk jelent meg a Food Hydrocolloids (IF: 5,832, Q1) nevű folyóiratban, amely a szakterület legrangosabb folyóiratai közé tartozik. A kutatás folytatásában szeretném feltérképezni a végtermékekben lejátszódó molekuláris folyamatokat is, valamint további gluténmentes alapanyagokkal is elvégezni a kísérleteket. A kapott további eredményeket hasonló színvonalú folyóiratban tervezem publikálni.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája

[S1] Németh, R., Bender, D., Jaksics, E., Calicchio, M., Langó, B., D’Amico, S., Török, K., Schoenlechner, R., Tömösközi, S., 2019. Investigation of the effect of pentosan addition and enzyme treatment on the rheological properties of millet flour based model dough systems. Food Hydrocolloids. 94, 381–390. IF: 5,832

[S2] Bender, D., Nemeth, R., Cavazzi, G., Turoczi, F., Schall, E., D’Amico, S., Török, K., Lucisano, M., Tömösközi, S., Schoenlechner, R., 2018. Characterization of rheological properties of rye arabinoxylans in buckwheat model systems. Food Hydrocolloids. 80, 33–41. IF: 5,832

[S3] Langó, B., Fehér, A. G., Bicskei, B. Z., Jaksics, E., Németh, R., Bender, D., D’Amico, S. Schoenlechner, R., Tömösközi, S. (2018). The Effect of Different Laboratory-scale Sample Preparation Methods on the Composition of Sorghum (Sorghum bicolor L .) and Millet (Panicum miliaceum L.) Milling Fractions. Periodica Polytechnica Chemical Engineering, 62(4), 426–431. https://doi.org/10.3311/PPch.12846, IF: 0.877

[S4] Tömösközi, Sándor, Németh, Renáta, Roznár, Petra, Denisse, Bender, Jaksics, Edina, Turóczi, Fanni, Török, Kitti, Regine, Schönlechner (2018). A sikérfehérjéket nem tartalmazó (gluténmentes) termékek táplálkozási és technológiai minőségének fejlesztése. Magyar Kémiai Folyóirat – Kémiai közlemények (1997-) 124: 3 pp. 101-107, 7 p. http://doi.org/10.24100%2FMKF.2018.03.101, IF: 0

[S5] Bender, D., Nemeth, R., Wimmer, M., Götschhofer, S., Biolchi, M., Török, K., Tömösközi, S., D’Amico, S., Schoenlechner, R. (2017). Optimization of Arabinoxylan Isolation from Rye Bran by Adapting Extraction Solvent and Use of Enzymes. Journal of Food Science, 00(0), 1–7. IF: 1,815

[S6] Bender, D., Schmatz, M., Novalin, S., Nemeth, R., Chrysanthopoulou, F., Tömösközi, S., Török, K., Schoenlechner, R., Amico, S. D. (2017). Chemical and rheological characterization of arabinoxylan isolates from rye bran. Chemical and Biological Technologies in Agriculture, 4(14), 1–8. IF:0

 

Linkgyűjtemény

 

Gluténfehérjékhez kötődő rendellenességek

Gluténmentes élelmiszerek szabályozása

Gluténmentes étrend: tények és tévhitek

 

Hivatkozások listája

 

[1] Buksa, K., Praznik, W., Loeppert, R., & Nowotna, A. (2016). Characterization of water and alkali extractable arabinoxylan from wheat and rye under standardized conditions. Journal of Food Science and Technology, 53(3), 1389–1398.

[2] Mendis, M., & Simsek, S. (2014). Arabinoxylans and human health. Food Hydrocolloids, 42(P2), 239–243.

[3] Decamps, K., Gryp, G., Joye, I. J., Courtin, C. M., & Delcour, J. A. (2014). Impact of pyranose oxidase from Trametes multicolor, glucose oxidase from Aspergillus niger and hydrogen peroxide on protein agglomeration in wheat flour gluten-starch separation. Food Chemistry, 148, 235–239.

[4] Lebwohl, B., Ludvigsson, J. F., & Green, P. H. R. (2015). Celiac disease and non-celiac gluten sensitivity. BMJ, 351, h4347.

[5] Pellegrini, N., & Agostoni, C. (2015). Nutritional aspects of gluten-free products. Journal of the Science of Food and Agriculture, 95(12), 2380–2385.

[6] Dap, T., Poji, M., Hadna, M., & Torbica, A. (2011). The Role of Empirical Rheology in Flour Quality Control. In I. Akyar (Ed.), Wide Spectra of Quality Control (pp. 335–360).

[7] Pereira, J. M., Evangelho, J. A., Moura, F. A., Gutkoski, L. C., Zavareze, E. R., & Dias, A. R. G. (2017). Crystallinity, thermal and gel properties of oat starch oxidized using hydrogen peroxide. International Food Research Journal, 24(4), 1545–1552.