Anthokyany pšenic s barevným zrnem

Ing. Marie Eliášová

Doctoral thesis

Anthocyanins of coloured-grain wheat

Abstract:

Anthokyany jsou rostlinná barviva a přirozené antioxidanty, které mají pozitivní účinky na lidské zdraví a uplatňují se v prevenci některých civilizačních chorob. Anthokyany jsou přirozenou složkou potravin a jejich dostatečný příjem ve stravě představuje významný nutriční a zdravotní benefit. Vedle běžných zdrojů anthokyanů ve stravě (ovoce a zelenina) jsou anthokyany ve významných množstvích obsaženy v zrnech obilovin. Konzumace obilovin s obsahem anthokyanů tak může významně přispět ke zdraví populace. Tyto druhy obilovin však v současné době nejsou běžně dostupnou komoditou. Cílem této práce bylo studium genotypů pšenice seté (Triticum aestivum L.), získání nových poznatků o obsahu anthokyanů v těchto obilovinách a zhodnocení jejich potenciálu pro zpracování a potravinářské využití. Anthokyany v obilovinách tvoří tři základní barevné typy – purpurový, modrý a černý. V rámci práce bylo analyzováno celkem 30 genotypů pšenic s barevným zrnem. Vzorky pšenic byly získány ve spolupráci se společností Agrotest fyto s. r. o. v letech 2014 až 2018. V jednotlivých genotypech byl zmapován obsah anthokyanů a jejich skladba, byl ověřován vliv některých parametrů na úroveň syntézy anthokyanů, dále byl sledován vliv skladování pšenice na obsah anthokyanů a vliv různých tepelných úprav na degradaci anthokyanů. Dále byla stanovena míra antioxidační aktivity jednotlivých genotypů. Anthokyany byly identifikovány a kvantifikovány souběžně UHPLC-MS metodou a spektrofotometrickou metodou, pro stanovení antioxidační aktivity byla použita metoda DPPH. Analýzou bylo ověřeno, že obsah a kompozice anthokyanového spektra je v jednotlivých genotypech odlišný. Nejnižší obsahy anthokyanů byly zaznamenány v genotypech s purpurovým zrnem, zatímco modré genotypy obsahovaly až několikanásobně vyšší obsahy anthokyanů (obsahy anthokyanů v černých genotypech dosahovaly středních hodnot). Také kompozice anthokyanového spektra byla pro každý barevný typ významně odlišná. Další analýzy prokázaly, že syntéza anthokyanů a jejich výsledný obsah v zrnu je významně ovlivněn nejen genotypem, ale také ročníkem. Antioxidační aktivita byla u všech zkoumaných vzorků obdobná a mírně narůstala úměrně k zvyšujícímu se obsahu anthokyanů v zrnu. Dalšími experimenty bylo zjištěno, že anthokyany v pšeničném zrnu degradují jednak v průběhu skladování a také při následném tepelném zpracování. Zatímco při skladování byly stabilnější anthokyany modrých genotypů pšenic, při zpracování byly stabilnější naopak anthokyany obsažené v purpurových pšenicích. Jedinou výjimkou bylo vaření, jemuž lépe odolávaly anthokyany modrých pšenic a které bylo jedinou tepelnou úpravou, při níž byl pozorován spíše pozitivní vliv na obsah anthokyanů, neboť u většiny zkoumaných vzorků nedošlo vlivem vaření k úbytku anthokyanů (v některých případech byl obsah anthokyanů po uvaření dokonce vyšší). U ostatních tepelných úprav (pečení, extruze, pufování) byl pozorován jednoznačný úbytek anthokyanů, který byl nejvýraznější v případě pufování. Souhrnně bylo zjištěno, že typ tepelné úpravy je významným faktorem degradace či retence anthokyanů. Ve všech případech byl po tepelném zpracování i přes vyšší míru degradace pozorován nejvyšší reziduální obsah anthokyanů v pšenicích s modrým zrnem. V rámci disertační práce byly získány nové poznatky o genotypech pšenic s barevným zrnem. Bylo zjištěno, že obsah anthokyanů pozitivně ovlivňuje antioxidační aktivitu těchto obilovin, které tak představují významný nutriční a zdravotní benefit oproti obilovinách bez obsahu těchto látek. Skladování a zpracování, které jsou nedílnou součástí využit

Abstract:

í obilovin pro lidskou konzumaci, měly na obsah anthokyanů vesměs negativní vliv, ovšem i poté byly obsahy anthokyanů v hotových výrobcích stále významné. Vyšší potenciál mají v tomto ohledu genotypy s přirozeně vysokým obsahem anthokyanů, u nichž lze i po skladování a zpracování garantovat dostatečně vysoký obsah těchto nutričně významných látek. Genotypy pšenic s barevným zrnem tak jednoznačně prokázaly vysoký potenciál pro spotřebitelské využití a pro výrobu produktů s přidanou nutriční hodnotou.

Abstract:

Anthocyanins are plant pigments and natural antioxidants that have positive effects on human health and are used in the prevention of some diseases of civilization. Anthocyanins are a natural component of food and their adequate intake in the diet have a significant nutritional and health benefit. Besides to common dietary sources of anthocyanins (fruits and vegetables), significant amounts of anthocyanins can be found in cereal grains. Consumption of cereals with anthocyanin content can thus significantly contribute to the health of the population. However, these types of cereals are currently not a commonly available commodity. The aim of this work was to study the genotypes of common wheat (Triticum aestivum L.), to gain new knowledge about anthocyanin content in these cereals and to evaluate their potential for commercial food production. Three colour types of anthocyanin-rich wheat can be distinguished - purple, blue and black. A total of 30 genotypes of coloured-grain wheat were analyzed – wheat samples were obtained in cooperation with Agrotest fyto Ltd from 2014 to 2018. Analyses of individual wheat genotypes included evaluation of anthocyanin content and composition, evaluation of parameters influencing anthocyanin synthesis and evaluation of the effect of storage and thermal treatment on anthocyanin degradation. Furthermore, antioxidant activity of individual genotypes was determined. Anthocyanins were identified and quantified simultaneously by UHPLC-MS method and spectrophotometric method, DPPH method was used to determine antioxidant activity. The analysis showed that the anthocyanin contents and compositions in individual genotypes are different. The lowest anthocyanin content was found in the purple-coloured genotypes, while the blue-coloured genotypes had several times higher contents of anthocyanins (the anthocyanin contents of black-coloured genotypes showed medium values). The anthocyanin composition was significantly different for each colour type. Further analyzes have shown that the synthesis of anthocyanins and their final content in grain is significantly influenced not only by genotype but also by year. The antioxidant activity was similar in all examined samples and slightly increased with increasing content of anthocyanins in the grain. Other experiments have shown that anthocyanins of coloured-grain wheat degrade both during storage and subsequent thermal treatment. While anthocyanins of blue-grain genotypes were more stable during storage, anthocyanins of purple-grain wheat were more stable during processing. The only exception was cooking, which resulted in higher retention of blue-grain anthocyanins. Cooking was also the only thermal treatment with a rather positive effect on anthocyanin content, as most of the samples examined no change or slight increase of anthocyanin amounts. On the contrary, a significant anthocyanin degradation was observed for other heat treatments (baking, extrusion, puffing), from which puffing led to the highest anthocyanin degradation. In summary, it was found that anthocyanin degradation or retention is significantly affected by the type of thermal treatment. In all cases, the highest residual anthocyanin contents after thermal treatment were observed in blue-coloured wheat genotypes, despite their higher degradation rate. New knowledge of coloured-grain wheat genotypes was obtained. It was found that the anthocyanin content affects positively the antioxidant activity of these cereals, which thus represent a significant nutritional and health benefit compared to cereals without these substances. Storage and processing are unavoidable steps of cereal processing before human consumption and both had in general negative effect on the anthocyanin content. Nevertheless, the anthocyanin contents in final products were still significant. Especially genotypes with naturally high anthocyanin content have a greater potential for food production, because a sufficient conten

Abstract:

t of anthocyanins can be guaranteed even after storage and processing. The genotypes of coloured-grain wheat have thus demonstrated a high potential for commercial production of foodstuff with added nutritional value.

Keywords

antioxidanty, spektrofotometrie, stabilita anthokyanů, tepelná úprava, UHPLC-MS

Keywords

anthocyanin stability, antioxidants, spectrophotometry, thermal treatment, UHPLC-MS

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 2. 2021

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Jaromír Lachman, CSc.
• Reader: Petr Martinek, externi, Janette Musilová, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme / field:
Agricultural Specialization / Agricultural Chemistry