Úvod / Informácie / Rastlinná výroba / Obilniny

Charakteristika bielkovinového komplexu zrnín z hľadiska posúdenia výživnej kvality

06-04-2016
prof. Ing. Ivan Michalík, DrSc.; prof. RNDr. Mária Bauerová, PhD. | ivmichalik@gmail.com
Univerzita Konštantína Filozofa v Nitre
(zdroj: Naše pole 1/2016, str. 30-31; Naše pole 2/2016, str. 36-38)

Cieľom predmetného príspevku je poskytnúť pestovateľom základne informácie o frakčnej skladbe bielkovinového komplexu zrna jednotlivých druhoch zrnín z ohľadom na hodnotenie výživnej a technologickej kvality úrody.

Hospodársky význam zrnín je predovšetkým daný obsahom bielkovín a polysacharidov, ich obsah zodpovedá za úrodu, výživnú a technologickú kvalitu plodín.  Vo výžive ľudí zrniny v celosvetovom rozsahu dotujú minimálne 50 % potreby bielkovín a energie. Obsah zásobných látok významné  determinuje hmotnosť sušiny zrna a tým  určuje aj hodnotu HTZ a výšku úrody. Hmotnosť sušiny je v negatívnej korelácii s obsahom vody, preto počas dozrievania zrna dochádza ku prudkému  nárastu sušiny a úbytku vody, čo predikuje aj stupeň zrelosti zrna a nástup fázy dormáncie. Podiel škrobu na hmotnosti zrna obilnín je  v rozmedzí 65-75 %, naproti tomu obsah bielkovín iba 10-12 %. Podiel bielkovín v zrne strukovín v porovnaní so zrnom obilnín narastá a predstavuje v závislosti od druhovej skladby okolo 20-40 % a obsah škrobu cca 50 - 60 %. Okrem toho zrniny sú významným zdrojom bioanorganických látok (najmä Ca, Mg, Zn a ďalších), ale aj látok s antinutričnými vlastnosťami (fytáty, lektíny, kondenzované taniny, purotioniny a ďalšie). V zrne strukovín ide o  prítomnosť a aktivitu trypsín inhibítora a alergénnych globulínových bielkovín subfrakcie 2S a 7S. Procesy zodpovedne za syntézu škrobu v najväčšej miere rozhodujú o úrode zrna. Medzi obsahom škrobu a bielkovín platí negatívna korelácie, ktorá je podmienená  tým, že syntéza ako škrobu, tak aj bielkovín sa uskutočňuje zo spoločných fotosyntézou vytvorených primárnych produktov.

Fyziologicko-biochemicke zákonitosti tvorby škrobu a bielkovín a ich utilizácia vo forme zásobných látok v endosperme zrna sú regulované predovšetkým endogénnymi geneticky programovanými procesmi ontogenézy, ktoré sú však modulované aj  klimatickými a pestovateľskými podmienkami. V tomto smere aplikácia hnojenia dusíkom vo fáze po odkvitnutí (hnojenie na kvalitu) môže významné ovplyvniť finálne procesy formovania zrna a tvorbu zásobných bielkovín. Vychádzame z presvedčenia, že pestovateľ  môže cielené ovplyvňovať  tvorbu zásobných látok a tým i hospodársku úrodu a jej kvalitu.

Zdrojom rastlinných bielkovín vo výžive ľudí a HZ monogastrov  sú predovšetkým  endospermové bielkoviny zrnín (obilniny, pseudo obilniny, strukoviny). V závislosti od  botanického druhu zrniny sa výrazne líšia obsahom bielkovín a najmä komponentným  zložením bielkovinového komplexu. Vo všeobecnosti  je možne konštatovať, že bielkovinový komplex je zložený z frakcie cytoplazmatických bielkovín (frakcia albumínov a globulínov) a  typicky zásobných bielkovín (frakcia prolamínov a glutelínov). Frakcionácia bielkovinového komplexu zrna pšenice bola po prvý krát bola uskutočnená Osborne v roku 1907 (Michalik,I.: Agriculture (Poľnohospúodárstvo), 48, 2002(7), 333-341) a umožňuje charakterizovať druhy plodín a  úroveň N-výživy porastu. Naproti tomu neumožňuje odlíšiť rozdiely medzi odrodami v rámci druhu. Cytoplazmatické bielkoviny sú prednostne lokalizované v zárodku a sú katalyticky aktívne, dobre rozpustné vo fyziologických roztokoch a ľahko hydrolyzovateľne proteolytickými enzýmami, čo predurčuje ich dobru stráviteľnosť. Aminokyselinovým zložením, najmä zastúpením esenciálnych aminokyselín (EAA), sa  vyrovnávajú  živočíšnym bielkovinám. Prevažná časť bielkovinového komplexu (BK) zrna obilnín je reprezentovaná typicky zásobnými bielkovinami, ktoré sú lokalizované v endosperme  a vyznačujú sa unikátnou schopnosťou tvoriť charakteristickú nadmolekulárnu štruktúru pšeničného lepku. Jednotlivé druhy plodín vykazujú špecifickú skladbu BK zrna, čo potvrdzujú aj výsledky uvedené v Tab 1. V  prípade obilnín najväčší podiel (okolo  60-70% celkového obsahu bielkovín) pripadá na frakcie prolamínov a glutelínov (tzv. lepkové bielkoviny - glutén), ktoré určujú pekársku kvalitu muky. Naproti tomu podiel frakcie albumínov a globulínov  neprevyšuje 30%. Zrno strukovín na rozdiel od obilnín sa líši tým, že  dominantnou  frakciou zásobných bielkovín sú globulíny s podielom  okolo 70-90 %.  Frakcia prolamínov u väčšiny strukovín nie je prítomna a obsah glutelínov je  významné redukovaný a nepresahuje 10%.

Frakcie bielkovín sa vyznačujú spoločnými vlastnosťami, najmä skladbou aminokyselín, avšak táto vlastnosť nie je absolútna. Je to dané tým, že bielkoviny sú združene do  jednotlivých frakcií BK nie podľa skladby aminokyselín, ale  na základe rozdielnej  rozpustnosti v jednotlivých rozpúšťadlách.

Tab.1: Skladba bielkovinového komplexu zrna rôznych plodín (priemerne hodnoty)

Druh
Frakcie (% podiel)
Albumíny
Globulíny
Prolamíny
Glutelíny
Pšenica
16
12
28
23
Raž
21
12
27
20
Jačmeň
12
13
34
27
Kukurica
9
5
28
38
Ovos
8
31
14
32
Pohánka
18
43
5
16
Cirok
5
6
47
29
Proso
12
8
13
55
Sója
6
73
-
5
Hrach
10
86
-
5
Šošovica
8
86
-
5

Solubilita bielkovín je závislá ako od aminokyselinovej skladby, sekundárnej a terciárnej štruktúry, tak i od prítomnosti ďalších minerálnych a organických látok odlišnej polarity, ktoré s bielkovinami vytvárajú stabilne komplexy.

Z výsledkov analýzy frakčnej skladby 27 odrôd svetového sortimentu ozimnej pšenice (dopestovanej v rovnakých agroekologických podmienkach Slovenska) vyplýva, že priemerný podiel frakcie albumínov a globulínov je iba okolo 25%,  zatiaľ kým na frakciu prolamíny + glutelíny pripadá  60 – 70 % (Tab. 2). Variabilita rozdielov vo frakčnej skladbe bielkovín jednotlivých genotypov pšenice  podľa hodnôt variačného koeficientu(v%) je nízka a pohybuje sa iba v rozmedzí 4-6%.

Tab. 2:  Variabilita hodnôt skladby bielkovinového komplexu 27 odrôd svetového sortimentu ozimnej pšenice (Michalík a kol., 1994,  Michalík a kol., 2010)

Parameter
Frakcie bielkovinového komplexu (%)
albumíny + globulíny
prolamíny
glutelíny
N- zvyšok
priemer
25,01
34,50
27,10
9,04
min.
21,36
31,38
24,64
8,16
max.
27,99
37,39
30,69
10,23
v (%)
6,11
3,82
5,26
6,18

Genetické typy v rámci druhu Triticale (Pšenica letná, Špaldová, Jedno- a  Dvoj- zrnová, Kamut a iné) sa síce líšia pekárskou kvalitou, avšak vykazujú minimálne rozdiely v skladbe bielkovinového komplexu (Tab. 3).

Tab. 3:  Variabilita frakčnej skladby bielkovinového komplexu zrnín (Michalík a kol.,2006)

 

 

N-látky
% zastúpenie jednotlivých frakcií
Plodina
(%)
alb + glo
prolamíny
glutelíny
N-zvyšok
Obilniny:

 

 

 

 

 

Pšenica letná, Samanta

10,40
21,63
38,58
33,02
6,77

Pšenica letná, Šárka

10,56
24,12
36,64
31,63
7,62

Pšenica letná, Nela

10,88
23,27
37,71
32,41
6,62

Pšenica špaldová

11,19
23,84
43,71
27,46
4,99

Pšenica jednozrnová

12,23
24,59
45,82
24,87
4,71

Pšenica dvojzrnová

13,20
26,66
43,04
25,45
4,84

Pšenica Kamut

12,63
25,15
44,14
25,64
5,07

Pšenica: x ± s (%)

11,58 ± 1,02
24,18 ± 1,45
41,38 ± 3,37
28,64 ± 3,32
5,80 ± 1,08

ν (%)

8,77
6,00
8,13
11,59
18,68

Raž, Selgo

6,70
39,86
31,08
16,77
12,29

Raž, Rapid

7,03
40,32
28,80
19,87
11,02

Ovos nahý

12,27
48,14
14,16
33,03
4,67

Tritikale

8,56
31,64
34,65
28,10
5,61

Obilniny: x ± σ (%)

10,51 ± 2,11
29,93 ± 8,46
36,21 ± 8,72
27,11 ± 5,12
6,75 ± 2,51

ν (%)

20,04
28,27
24,08
18,90
37,14
Pseudoobilniny:
 
 
 
 
 

Cirok zrnový, GK Zsófia

10,40
6,95
37,87
14,99
40,19

Cirok cukrový

9,83
7,86
43,45
16,66
32,03

Proso siate

9,59
13,04
6,67
12,68
67,62

Bár vlašský, Ciernoklas

12,39
11,06
37,83
8,09
43,03

Quinoa

9,19
64,59
4,73
18,48
12,20

Láskavec, K 433

17,27
56,17
3,27
21,53
19,03

Rosička krvavá

8,80
13,64
11,30
63,77
22,60

Ježatka obilná

8,48
12,00
7,64
11,00
69,36

Pohánka lúpaná

6,73
50,00
6,24
18,72
25,04

Pseudoobilniny:

x ± σ (%)

10,30 ± 2,85
26,15 ± 22,13
17,67 ± 15,80
20,66 ± 15,74
36,79 ± 19,28

ν (%)

27,70
84,64
89,43
76,21
52,40

Zrniny: x ± σ (%)

10,42 ± 2,47
28,23 ± 16,23
27,87 ± 15,47
24,21 ± 11,67
20,27 ± 19,85

ν (%)

23,74
57,48
55,51
48,23
97,95

Zrno raže a triticale skladbou bielkovín sa významné  približuje zrnu pšenice. Naproti tomu pre zrno ovsa  je charakteristicky nízky podiel  prolamínovych bielkovín (okolo 15%)  a dvoj násobné vyšší podiel frakcie cytoplazmatických bielkovín (okolo 50%) v porovnaní zo zrnom pšenice. V dôsledku  uvedeného zrno ovsa ma  neporovnateľne vyššiu výživnú kvalitu ako zrno pšenice.

Skupina  botanicky rozdielnych plodín (Tab. 3) označovaných ako pseudoobilniny  sa líši frakčnou skladbou bielkovín, ktoré  môžeme diferencovať nasledovne:

  1. plodiny s nízkym  podielom cytoplazmatických bielkovín a naproti tomu vysokým podielom lepkových bielkovín:  cirok,  bár vlašsky,
  2. pseudoobilniny z vysokým podielom cytoplazmatických bielkovín(>50%) a nízkym podielom prolamínov (< 10%): láskavec, pohánka lúpaná, quinoa. I napriek tomu, že uvedené plodiny patria do skupiny obilnín, eventuálne pseudoobilnín ich skladba bielkovín  je podobná strukovinám. Tieto obilniny sa vyznačujú vysokou výživnou kvalitou.
  3. osobitnú skupinu tvorí zrno rosičky  krvavej, ktoré je charakteristické  vysokým podielom glutelinových bielkovín (> 60%).

Cielenou dusíkatou výživou je možne  významne ovplyvniť formovanie bielkovinového komplexu zrna. V tomto smere osobitne je efektívne hnojenie  dusíkom v dávke cca 30-40 kg N/ha v rastovej fáze pred kvitnutím, alebo po ukončení  kvitnutia. Zvýšenie obsahu bielkovín ako dôsledok doplňujúceho dusíkatého hnojenia sa prioritne prejavuje vo zvýšení podielu prolaminovych bielkovín. Aplikovaný dusík ku koncu vegetácie je na 90 % utilizovany v klase. Analogicky i dusík skôr prijatý a akumulovaný vo vegetačnej hmote je v značnej miere odtransportovaný do klasu. Klas predovšetkým v dobe dozrievania a formovania zrna plný funkciu „sinku“.

Z viacročných výsledkov  poľných pokusov s ozimnou pšenicou vyplýva, že  opakovanou aplikáciou dusíka je možne obsah bielkovín v zrne obilnín zvýšiť skoro dvojnásobné. Vegetačný ročník rozdielnymi podmienkami mobilizácie prístupných zdrojov dusíka podmieňuje režim dusíkatej výživy a tým i  obsah a zloženie bielkovinového komplexu (Obr. 1). Je pozoruhodne, že rozdiely v obsahu bielkovín medzi ročníkmi sú väčšie ako rozdiely medzi jednorazovými dávkami aplikovaného dusíka v rozsahu 0 -  150 kg/ha. Optimalizácia dusíkatej výživy je významný faktor tvorby BK zrnín.

Obr. 1: Vplyv diferencovanej dusíkatej výživy a ročníka na obsah bielkovín (Michalík, I. 2001)

Obr. 1: Vplyv diferencovanej dusíkatej výživy a ročníka na obsah bielkovín (Michalík, I. 2001)

Syntéza zásobných bielkovín v zrne sa uskutočňuje po celu dobu formovania zrna. Existujú experimentálne dôkazy o tom, že tvorba bielkovín sa realizuje i vo fáze, kedy už bola ukončená syntéza škrobu, preto doplňujúce hnojenie dusíkom (v čase formovania klasu) sa nemusí prejaviť na zvýšení úrody, avšak stimuluje tvorbu bielkovín.Pestovateľ môže pozitívne ovplyvňovať obsah celkových bielkovín a lepku, nemusí sa to však adekvátne priaznivo prejaviť na zvýšenie pekárskej kvality muky.

Lepkové bielkoviny (glutén), ktoré rozhodujú o technologickej kvalite zrna sú zložené z frakcie monomérnych gliadínov (alfa, beta, gama a omega gliadíny) a agregovaného gluténu reprezentovaného LMW a HMW podjednotkou gluténu. Pritom pekárska kvalita je predovšetkým determinovaná komponentnou skladbou vysokomolekulárnych gluténinových podjednotiek (HMW-gluténinu), ktorých syntéza je prísne geneticky podmienená. I napriek nárastu absolútneho obsahu jednotlivých komponentov zásobných bielkovín, ich relatívne zloženie sa nemení. Preto nezávislé od zvýšenia obsahu lepku a komponentov HMW-gluteninovych subjednotiek hodnota tzv. Glu-score (Glu-hodnotenie)  pre jednotlivé genotypy je konštanta, ktorá nie je ovplyvniteľná podmienkami pestovania. Hodnota Glu-hodnotenia je integrálnou hodnotou, ktorá vyjadruje expresiu génov syntézy komponentov HMW, ktoré významné ovplyvňujú pekársku kvalitu tým, že ju zlepšujú alebo zhoršujú.

 Za rozhodujúce fyzikalno-mechanické vlastnosti lepku ako je viskozita a elasticita zodpovedá minimálne 100 individuálnych bielkovín reprezentujúcich frakciu prolaminov a glutelinov, ktoré sú združené do génovych blokov. Pre zásobne bielkoviny je charakteristicky polymorfizmus čo sa prejavuje vo vysokej štruktúrnej rozmanitosti jednotlivých komponentov. Dvojrozmernou elektroforetickou separáciou bielkovinového komplexu zrna pšenice Lookhartovi (1991) sa podarilo izolovať okolo 1270 subfrakcii (Obr. 2). Je žiaduce si uvedomiť, že

celkový obsah lepku nevyjadruje technologickú kvalitu. Iba komponentné zloženie bielkovín a najmä HMW subfrakcie a výsledky bodového hodnotenia vo forme Glu-score predikuje pekársku kvalitu zrna a muky. Zatiaľ pri hodnotení potravinárskej kvality pšenice na Slovensku sa nevyužívajú informácie  Glu-hodnotenia. Pre potravinársku kategóriu kvality na úrovni triedy štandard - elite platí komplex nasledovných záväzných ukazovateľov: obsah mokrého lepku (25-30%), sedimentačný–SDS test (45-55 ml), číslo poklesu (220-250 sekúnd), objemová hmotnosť (760-800 g/l) a ďalšie hodnoty.

Obr. 2: Elektroforetická mapa bielkovinového komplexu zrna pšenice (podľa Lookharta, 1991)

Obr. 2: Elektroforetická mapa bielkovinového komplexu zrna pšenice (podľa Lookharta, 1991)

Jednotlivé frakcie bielkovinového komplexu  okrem solubility sa  vyznačujú podobnou skladbou aminokyselín. Preto frakčná skladba bielkovín zrna do značnej miery predukuje  aj výživnú kvalitu  zdrojov bielkovín (Tab. 3). Pre frakcie albumínových a globulínových bielkovín je charakteristicky vysoký obsah a podiel esenciálnych aminokyselín (EAA), ktorý sa približuje štandardu FAO. Naproti tomu pre  frakciu prolamínových a čiastočne aj  glutelínových bielkovín je charakteristické nízky obsah a nevyrovnané  zastúpenie esenciálnych aminokyselín najmä lyzínu a vyznačujú sa aj nedostatočnou stráviteľnosťou. V dôsledku uvedeného  bielkoviny  obilnín na rozdiel od strukovín a najmä živočíšnych  bielkovín nie sú biologicky plnohodnotne a neposkytujú nevyhnutne zdroje EAA vo výžive monogastrov (Tab. 4). V dôsledku uvedeného vo výkrme  zvierat spôsobuje  vysokú spotrebu krmiva  na jednotku prírastku hmotnosti, čo  negatívne vplýva na ekonomiku výroby živočíšnych produktov.   

Vo všeobecnosti sa vychádza z poznania, že zrno pšenice  vykazuje deficit najmä lyzínu, zrno kukurice lyzínu a tryptofanu. Naproti tomu bielkoviny niektorých strukovín  majú deficit tryptofanu a sírnych AA, najmä metionínu. Uvedené EAA patria medzi limitujúce, ktoré rozhodujú o úrovni dusíkatej výživy monogastrov.

Tab. 4: Priemerný obsah EAA  jednotlivých frakcií bielkovinového komplexu zrna obilnín (pšenica, jačmeň, raž, kukurica, cirok)

Aminokyseliny
Frakcie bielkovín v % v bielkovine (g AA/100 g bielkoviny)
Etalon
WHO+FAO
Albumíny
Globulíny
Prolamíny
Glutelíny
Lys
4,42
4,20
0,58
2,64
5,5
Met
2,30
1,23
1,06
1,84
1,7
Val
6,18
1,10
1,06
1,84
5,0
Leu
7,35
7,45
11,18
8,98
7,0
Ile
3,92
3,35
2,81
3,62
4,0
Thr
4,86
2,76
2,20
3,66
4,0
Phe
4,76
4,40
5,86
4,58
2,6
Trp
2,22
1,10
0,50
1,08
1,0

Je pozoruhodne, že prípade bielkovín živočíšneho pôvodu sa čiastočne prejavuje mierny deficit (nevýznamné limitujúce) vo výžive ľudí, najmä týchto EAA:  valin (hovädzie mäso), metionín a cystein (bravčové mäso, mlieko), tryptofan (hydina a ryba).

Tab. 5: Priemerný obsah EAA (% v bielkovine) v zrne rôznych plodín (Rjadčikov, 1978)

AA
Pšenica
Kukurica
Cirok
Ovos
Jačmeň
Ryža
Raž
Hrach
Sója
Štand. FAO
Lys
2,6
2,5
2,5
4,2
3,2
3,5
3,8
6,5
6,6
5,5
Met
1,7
2,1
1,6
2,5
1,7
2,9
1,7
1,4
1,4
1,7
Val
4,6
4,4
5,2
5,3
5,4
6,5
5,3
4,5
5,4
5,0
Ile
3,4
2,7
5,6
3,9
3,5
4,6
3,5
5,0
5,3
4,0
Leu
6,9
11,2
12,7
7,4
7,2
8,0
7,5
6,5
7,9
7,0
Thr
2,6
3,2
2,7
3,3
2,9
3,5
3,2
3,8
3,8
4,0
Phe
4,3
4,1
4,3
5,3
5,1
5,2
1,3
5,2
4,8
5,1
2,6
Trp
1,3
0,6
0,9
1,9
1,2
1,6
0,8
1,3
1,0

Výsledky testovania výživnej kvality rastlinných bielkovín na laboratórnych zvieratách potvrdili nízku výživnú kvalitu zásobných bielkovín obilnín typu prolaminov (Michalík, Karlubík,1988). Z týchto výsledkov vyplýva, že gliadiny  neumožňujú zabezpečiť potreby monogastrov na obsah bielkovin a zdroje esenciálnych aminokyselin. Príčinou nízkeho obsahu a zastúpenia EAA vo frakciách zásobných bielkovín je spôsobená nízkou frekvenciou výskytu lyzínu v molekule gluténu, kde na  jeden zvyšok lyzínu  pripadá iba 3 zvyšky arginínu, avšak až 63 zvyškov kys. glutamovej + glutamínu  a 27 zvyškov prolínu. V prípade frakcie gliadinov výskyt väzieb s lyzínom a arginínom  je ešte menej priaznivý, kde na jednu molekulu lyzinu pripadá 71 molekúl kys. glutámovej + glutaminu a 28 molekúl prolinu (Michalík, Peťovský, 1995). Nízka frekvencia výskytu väzieb  tvorených zvyškami lyzínu a arginínu  je príčinou  nízkej miery hydrolýzy a stráviteľnosti zásobných bielkovín trypsinom, ktorý prednostne štepí väzbu tvorenú lyzínom a arginínom. Pričom väzba Glu-Pro je rezistentná voči trypsínu.

Na  záver treba konštatovať, že produkcia bielkovín a  aminokyselín na jednotku plochy  je závislá od úrody zrna a frakčnej skladby bielkovín pestovaných plodín. Preto aj diferencovanou dusíkatou výživou je možne čiastočne ovplyvniť ako  produkciu bielkovín, tak aj aminokyselín. Avšak aminokyselinová skladba bielkovín (podiel v %) je prísne geneticky podmienený a nepodlieha zmene podmienkami pestovania. Rozdiely aminokyselínovej skladby jednotlivých druhov plodín sú viazané genetický determinovanými rozdielmi inkorporácie  individuálnych aminokyselín do bielkovín v procesu génovej expresie a najmä transláčnej reakcie. Frekvencia inkorporácie  AA do tvoriaceho sa polypeptidu v procese translácie je daná iba frekvenciou tripletov (kodónov), kódujúcich jednotlivé AA na molekule mRNA. Preto názory na možnosti zvýšenia obsahu esenciálnych aminokyselín v zrne ich exogénnou aplikáciou vo forme foliárneho hnojiva sú vedecky nesprávne. Naproti tomu celkový obsah bielkovin ako i zásobných bielkovín v zrne je v značnej miere závislý od podmienok dusíkatej výživy porastu, čo potvrdili aj výsledky znázornené na Obr. 1. Vysvetlenie tohto fenoménu je dané konštitučným typom regulácie  transkripcie génov pre syntézu zásobných bielkovín.