Occurrence and properties of steryl ferulates and glycosides in wheat and rye

Cereal kernels are known to contain a number of minor components that possess beneficial health attributes. In this thesis rye and wheat were studied as sources of steryl ferulates and steryl glycosides and their behaviour in processing were evaluated. Further, enzymatic hydrolysis of these conjugates was studied, as well as the capacity of steryl ferulates to inhibit lipid oxidation at different temperatures. Steryl ferulates were shown to have a strong positive correlation with dietary fibre contents in milling fractions from the outer parts of the kernels obtained from a commercial scale mill. Highest contents of steryl ferulates were found in the bran in both cereals, with the content decreasing once moving towards the inner parts of the kernel. Variation in the contents of steryl ferulates was higher in wheat fractions than rye fractions. Steryl glycosides, on the other hand, had either negative or no correlation with dietary fibre, and the range of the steryl glycoside contents was much narrower than that of steryl ferulates in both cereals. There were significant differences in the sterol compositions of these steryl conjugates when compared with each other or with the total plant sterols in the corresponding fractions. Properties of steryl ferulates and steryl glycosides were evaluated after common processing methods and in enzymatic hydrolysis. Thermal and mechanical processing had only minor or no effects on the contents of steryl conjugates from rye and wheat bran. Enzymatic treatments on the other hand caused some changes, especially in the contents of glycosylated sterols. When steryl ferulates extracted from rye or wheat bran were subjected to enzymatic treatments by steryl esterase, significant differences in the rates of hydrolysis were observed between steryl ferulates from different sources with differing sterol compositions. Further, differences were also observed between enzymes from different sources. Steryl glycosides were shown to be hydrolysed by β-glucosidase (cellobiase) from A. niger, but less with β-glucosidases from other sources. Steryl ferulates showed good antioxidant activity at both moderate and high temperatures. In bulk and emulsion systems of methyl linoleate at 40°C steryl ferulates extracted from rye and wheat bran inhibited hydroperoxide formation much more effectively than synthetic steryl ferulates or those extracted from rice (γ-oryzanol), demonstrating that the sterol composition has an effect on the activity. At cooking (100°C) and frying temperatures (180°C) sitostanyl ferulate was shown to inhibit polymer formation significantly and, especially at 100°C, comparably to α-tocopherol. The rate of antioxidant degradation was slower for sitostanyl ferulate, showing higher heat stability than α-tocopherol. When evaluated as a mixture, no synergistic effect was observed between these two antioxidants. The data presented in this thesis provides information that may henceforth be applied when evaluating the intakes of steryl conjugates from cereal sources, as well as their possible influences as minor bioactive components. Wheat and rye both are good sources of steryl ferulates and steryl glycosides and, especially with steryl ferulates, what may be lost out to some other cereals on quantity is compensated with quality of the sterol composition.

Cereal alkylresorcinols as dietary biomarkers-absorption and occurrence in biological membranes

Several studies link the consumption of whole-grain products to a lowered risk of chronic diseases, such as certain types of cancer, type II diabetes, and cardiovascular diseases. However, the final conclusions of the exact protective mechanisms remain unclear, partly due to a lack of a suitable biomarker for the whole-grain cereals intake. Alkylresorcinols (AR) are phenolic lipids abundant in the outer parts of wheat and rye grains usually with homologues of C15:0- C25:0 alkyl chains, and are suggested to function as whole-grain biomarkers. Mammalian lignan enterolactone has also previously been studied as a potential whole-grain biomarker. In the present work a quantified gas chromatography-mass spectrometry method for the analysis of AR in plasma, erythrocytes, and lipoproteins was developed. The method was used to determine human and pig plasma AR concentrations after the intake of whole-grain wheat and rye products compared to low-fibre wheat bread diets to assess the usability of AR as biomarkers of whole-grain intake. AR plasma concentrations were compared to serum ENL concentrations. AR absorption and elimination kinetics were investigated in a pig model. AR occurrence in human erythrocyte membranes and plasma lipoproteins were determined, and the distribution of AR in blood was evaluated. Plasma AR seem to be absorbed via the lymphatic system from the small intestine, like many other lipophilic compounds. Their apparent elimination half-life is relatively short and is similar to that of tocopherols, which have a similar chemical structure. Plasma AR concentrations increased significantly after a one- to eight-week intake of whole-grain wheat and further on with whole-grain rye bread. The concentrations were also higher after habitual Finnish diet compared to diet with low-fibre bread. Inter-individual variation after a one-week intake of the same amount of bread was high, but the mean plasma AR concentrations increased with increasing AR intake. AR are incorporated into erythrocyte membranes and plasma lipoproteins, and VLDL and HDL were the main AR carriers in human plasma. Based on these studies, plasma AR could function as specific biomarkers of dietary whole-grain products. AR are exclusively found in whole-grains and are more suitable as specific biomarkers of whole-grain intake than previously investigated mammalian lignan enterolactone, that is formed from several plants other than cereals in the diet. Plasma AR C17:0/C21:0 -ratio could distinguish whether whole-grain products in the diet are mainly wheat or rye. AR could be used in epidemiological studies to determine whole-grain intake and to better assess the role of whole-grains in disease prevention.

Aspergillus niger -proliiniendopeptidaasi prolamiinien eliminoinnissa

Tutkielman kirjallisuusosassa perehdyttiin vehnän, rukiin ja ohran, eli Triticeaeprolamiinien erityisasemaan keliakianäkökulmasta tarkasteltuna ja prolamiinien hydrolyysiin proliinispesifeillä entsyymeillä. Lisäksi tarkasteltiin prolamiinien immunologisia määritysmenetelmiä. Keliakiassa haitalliset gluteenipeptidit sisältävät runsaasti proliinia ja ovat hankalia pilkkoa muilla kuin proliinispesifeillä peptidaaseilla. Suurin osa immunologisen reaktion aiheuttavista gluteenilähtöisistä peptideistä voidaan pilkkoa idätetyn viljan endogeenisilla entsyymeillä happamissa olosuhteissa, mutta jäljellejäävä prolamiinipitoisuus ylittää edelleen gluteenittomille tuotteille sallitun rajan. Kokeellisen työn tavoitteena oli eliminoida happamalla mallasinkubaatiolla valmistettujen vehnä-, ohra- ja ruismallasautolysaattien sisältämä jäännösprolamiini Aspergillus niger -homeen tuottamalla proliinispesifillä endopeptidaasilla (AN-PEP) siten, että hydrolysaattia voitaisiin käyttää gluteenittomissa leivontasovelluksissa. Proteiinien hydrolyysiä tarkkailtiin kokoekskluusiokromatografialla (SEC), vapaan aminotypen (FAN) muodostumisena ja SDS-PAGE-elektroforeesilla. Jäännösprolamiinien pilkkoutumista seurattiin immunologisella R5-ELISA-menetelmällä. AN-PEP-inkubaatiolla saatiin aikaan voimakasta prolamiinien pilkkoutumista; mallasautolysaattien jäännösprolamiinista pilkkoutui yli 96 %. SEC- ja FAN-analyysien perusteella inkubaatioaikaa kannatti jatkaa yli 4 h, jolloin polypeptidit pilkkoutuivat edelleen pienemmiksi hydrolyysituotteiksi. Vehnä- ja ruismallashydrolysaattien prolamiinipitoisuuden todettiin laskevan 22 h inkubaation aikana alle tason 100 mg/kg R5-ELISA-menetelmällä määritettynä. Matalimmat prolamiinipitoisuudet saavutettiin AN-PEP-pitoisuudella 35 ?l / g mallasautolysaattia. Codex Alimentarius -komission säädöksen mukaan keliakiaruokavalioon soveltuvat ns. erittäin vähägluteeniset tuotteet saavat sisältää gluteenia enintään 100 mg/kg. Erityisesti AN-PEP-käsiteltyä ruismallasraaka-ainetta voitaisiin mahdollisesti käyttää tuomaan rukiista aromia gluteenittomiin leipiin. Ennen kuin mallashydrolysaatit ovat valmiita kaupallisiin sovelluksiin, on tarkasteltava niiden todellisia mahdollisuuksia parantaa elintarvikkeiden makua ja aromia sekä todettava uuden teknologian turvallisuus keliaakikoille.

Ruismallasuute vähägluteenisessa kauraleivonnassa

Tutkielman kirjallisuuskatsauksessa tarkasteltiin kauran leivontateknologisia ominaisuuksia, entsyymiaktiivista leivontaa ja ruismaltaan hyödyntämistä vähägluteenisessa leivonnassa. Kokeellisessa osiossa tutkittiin ruismallashapantaikinasta valmistetun uutteen vaikutusta kaurataikinan viskositeettiin ja kauraleivän ominaisuuksiin. Työn tarkoituksena oli kehittää maultaan ja rakenteeltaan onnistunut rukiinmakuinen kauraleipä. Ruismaltaan entsyymien annettiin pilkkoa keliaakikolle haitallisia rukiin prolamiineja hapantaikinaprosessissa. Hapantaikinasta erotettiin uute sentrifugoimalla. Leivontakokeisiin käytettiin entsyymiaktiivista ja kuumentamalla inaktivoitua uutetta. Uutteella korvattiin taikinavettä 15, 25 ja 30 % (taikinan painosta). Leivonta toteutettiin miniatyyrikoossa, vuokaleivontana 20 g:n taikinapaloja käyttäen. Taikinoiden viskositeetti mitattiin tarkoituksena seurata beetaglukaanin hydrolyysiä. Rukiin makua mitattiin koulutetun raadin avulla. Happaman uutteen lisäys laski taikinan pH-arvoa noin 5,8:sta noin 4,4:ään. Entsyymiaktiivisen uutteen lisäys laski taikinan viskositeettia ja inaktivoitu uute puolestaan kasvatti sitä. Leipien sisus tiivistyi, jolloin mitatut sisuksen kovuudet kasvoivat uutteen lisäyksen myötä. Uutelisäys paransi leipien makua ja aromia. Uutteen vaikutuksesta leipien huokoset olivat pienempiä ja ne jakaantuivat tasaisemmin leipämatriisiin. Jos uutetta käytettiin inaktivoituna, leipien murenevuus kasvoi. Tutkimuksessa kehitetyn teknologian avulla oli mahdollista valmistaa hyvänlaatuinen, rukiinmakuinen kauraleipä myös ilman että uutteen entsyymit inaktivoitiin keittämällä. Tähän vaikutti ilmeisesti taikinan alhainen pH, joka inhiboi alfa-amylaasia, ja kauratärkkelyksen korkea liisteröitymislämpötila, jolloin entsyymien inaktivoituminen paiston aikana tapahtui ennen kuin tärkkelys tuli alttiiksi liialliselle pilkkoutumiselle. Tämä mahdollistaa uutteen käytön osana leivontaprosessia ilman inaktivointia. Hapantaikinafermentaatio osana gluteenitonta leivontaa havaittiin toimivaksi yhdistelmäksi, sillä se paransi leivän väriä, makua ja rakennetta. Myös leivän homeeton aika parani jo vähäisenkin uutelisäyksen vaikutuksesta. Näyttää siltä, että tämän teknologian avulla on mahdollista tuoda esille pitkään kaivattua rukiin makua vähägluteenisten kauraleipien valikoimassa. Laskennallisesti ja aiempiin tuloksiin tukeutuen, voitiin päätellä, että leivän prolamiinipitoisuudessa on mahdollista päästä tasolle 63,5 mg/kg, mutta jatkokehityksen avulla päästäisiin luultavasti vielä parempiin tuloksiin.