Non-enzymatic Degradation of (1→3)(1→4)-β-D-glucan in Aqueous Processing of Oats

Cereal water-soluble β-glucan [(1→3)(1→4)-β-D-glucan] has well-evidenced health benefits and it contributes to the texture properties of foods. These functions are characteristically dependent on the excellent viscosity forming ability of this cell wall polysaccharide. The viscosity is affected by the molar mass, solubility and conformation of β-glucan molecule, which are further known to be altered during food processing. This study focused on demonstrating the degradation of β-glucan in water solutions following the addition of ascorbic acid, during heat treatments or high pressure homogenisation. Furthermore, the motivation of this study was in the non-enzymatic degradation mechanisms, particularly in oxidative cleavage via hydroxyl radicals. The addition of ascorbic acid at food-related concentrations (2-50 mM), autoclaving (120°C) treatments, and high pressure homogenisation (300-1000 bar) considerably cleaved the β-glucan chains, determined as a steep decrease in the viscosity of β-glucan solutions and decrease in the molar mass of β-glucan. The cleavage was more intense in a solution of native β-glucan with co-extracted compounds than in a solution of highly purified β-glucan. Despite the clear and immediate process-related degradation, β-glucan was less sensitive to these treatments compared to other water-soluble polysaccharides previously reported in the literature. In particular, the highly purified β-glucan was relatively resistant to the autoclaving treatments without the addition of ferrous ions. The formation of highly oxidative free radicals was detected at the elevated temperatures, and the formation was considerably accelerated by added ferrous ions. Also ascorbic acid pronounced the formation of these oxidative radicals, and oxygen was simultaneously consumed by ascorbic acid addition and by heating the β-glucan solutions. These results demonstrated the occurrence of oxidative reactions, most likely the metal catalysed Fenton-like reactions, in the β-glucan solutions during these processes. Furthermore, oxidized functional groups (carbonyls) were formed along the β-glucan chain by the treatments, including high pressure homogenisation, evidencing the oxidation of β-glucan by these treatments. The degradative forces acting on the particles in the high pressure homogenisation are generally considered to be the mechanical shear, but as shown here, carbohydrates are also easily degraded during the process, and oxidation may have a role in the modification of polysaccharides by this technique. In the present study, oat β-glucan was demonstrated to be susceptible to degradation during aqueous processing by non-enzymatic degradation mechanisms. Oxidation was for the first time shown to be a highly relevant degradation mechanism of β-glucan in food processing.

Kauran liukoisen ravintokuidun, beetaglukaanin, terveyshyödyt ovat tunnetut. Kauran prosessointi saattaa kuitenkin muuttaa beetaglukaanin terveysvaikutuksia, vaikka toisaalta prosessointi on välttämätöntä kauran kulutuksen mahdollistamiseksi ja lisäämiseksi. Kauran käytön levittäytyminen nestemäisiin välipalatuotteisiin, jolloin kuitumolekyyli on liuenneena veteen prosessoinnin ja säilytyksen aikana, luo uudenlaisia haasteita beetaglukaanin ominaisuuksien hallintaan. Väitöskirjatyössä osoitettiin beetaglukaanin pilkkoutuvan merkittävästi juomatuotteiden valmistukseen liittyvien prosessien aikana. Lisäksi työssä osoitettiin hapettumisen olevan tärkeä ei-entsymaattinen pilkkoutumismekanismi, joka muuttaa beetaglukaanin ominaisuuksia prosessoinnin aikana. Kauran beetaglukaanin terveysvaikutuksista on selkeää tieteellistä näyttöä ja ne ovat virallisesti tunnustettu niin Euroopassa (EFSA, 2009 ja 2010) kuin Yhdysvalloissakin (FDA, 1997, 2003). Beetaglukaaniin liitetyt terveysväittämät ja -puollot koskevat useimmiten veren kolesterolitasojen ja sydän- ja verisuonitautien hallintaa, mutta myös glukoosin imeytymisen ja aterian jälkeistä insuliinituotannon hidastumista. Etenkin glukoosin imeytymisen osalta beetaglukaanin fysiologisen vaikutuksen ajatellaan perustuvan ruokasulan viskositeetin lisääntymiseen ja vähäisesti prosessoituihin tuotteisiin kuten kauraleseeseen. Elintarvikkeen prosessointi saattaa heikentää beetaglukaaniliuosten viskositeettia pilkkomalla molekyyliä tai muuttamalla sen muita ominaisuuksia. Toisaalta prosessointi on välttämätöntä kauran ja beetaglukaanin kulutuksen lisäämiseksi, ja beetaglukaanin pilkkoutuminen on tavoiteltua esimerkiksi kaurajuomissa. Väitöskirjatyössä tutkittiin liukoisen beetaglukaanin ei-entsymaattista pilkkoutumista prosessoinnin aikana. Erityisesti keskityttiin beetaglukaanin hapettumiseen, sillä työn alussa askorbiinihapon havaittiin laskevan huomattavasti beetaglukaaniliuosten viskositeettia. Askorbiinihappo on paljon käytetty hapettumisen estoaine eli antioksidantti, mutta pelkistyskykynsä takia se saattaa myös edistää hapettumista. Paitsi askorbiinihappolisäys, myös kuumennus (120°C) ja korkeapainehomogenointi (300-1000 bar) pilkkoivat liukoista beetaglukaania ja laskivat beetaglukaaniliuosten viskositteettia merkittävästi. Hapettumisen osuutta beetaglukaaniketjun katkeamiseen tutkittiin mm. seuraamalla hapettavien radikaalien syntymistä ja beetaglukaanin funktionaalisten ryhmien hapettumista. Hapetusreaktiot osallistuivat pilkkoutumiseen ja beetaglukaaniketju hapettui merkittävästi, kun sen liuoksia käsiteltiin mehujen pitoisuuksiin verrattavalla määrällä askorbiinihappoa tai kuumennettiin riittävästi. Tutkimuksessa osoitettiin myös, että beetaglukaaniliuosten epäpuhtaudet ja lisätty rauta kiihdyttävät merkittävästi beetaglukaanin hapettumista, pilkkoutumista ja viskositeettimuutoksia kuumennus- ja askorbiinihappokäsittelyissä. Beetaglukaani hapettui myös korkeapainehomogenoinnin aikana, vaikka painekontrolloitu pilkkoutuminen perustuikin ensisijaisesti mekaanisen energian aiheuttamaan hydrolyysiin. Tutkimus osoitti, että beetaglukaani pilkkoutuu elintarvikkeisiin verrattavissa vesiliuoksissa ei-entsymaattisten reaktioiden vaikutuksesta. Polysakkaridien hapettuminen liitettiin ensimmäistä kertaa beetaglukaanin prosessinaikaiseen pilkkoutumiseen ja työ tuotti näin uutta tietoa beetaglukaanin suojaamiseen ja muokkaamiseen prosesseissa. Hapettumismekanismin esittäminen tuo uusia näkökulmia paitsi beetaglukaanipitoisten tuotteiden kehittämiseen, myös ravitsemusmekanismien selvittämiseen.