Cereal β-glucan in aqueous solutions: Oxidation and structure formation

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3684-8
Title: Cereal β-glucan in aqueous solutions: Oxidation and structure formation
Author: Mäkelä, Noora
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Cereal (1→3)(1→4)-β-D-glucan, known as β-glucan, has both technological and physiological functionality related to its ability to increase viscosity in solutions. The viscosity is dependent on the molar mass, concentration and solubility of β-glucan, and thus any degradation during processing and storage may diminish its functionality. Quite recently, chemical oxidation was shown to be one factor leading to the degradation of β-glucan. The present study aimed to investigate the hydroxyl radical-mediated oxidation of cereal β-glucan, including the pathways and reaction products. Additionally, oxidised lipids were tested as a source of radicals in β-glucan oxidation. Finally, the physicochemical properties (e.g. aggregation and gelation) were studied in order to understand the influence of oxidation on functionality. Hydrogen peroxide was shown to be the strongest oxidant, leading to both oxidative degradation and the formation of oxidised groups (e.g. carbonyl groups) within the chain. Additionally, oxidation of reducing end glucose units led to the formation of arabinose and formic acid. With ascorbic acid the oxidation was milder and mostly scission of β-glucan occurred. This difference was also seen in the aggregation behaviour, with very large but densely packed aggregates being formed when oxidising β-glucan with hydrogen peroxide. With ascorbic acid, fewer aggregates were formed and they could not be separated from single oxidised molecules during field-flow fractionation. This finding suggests the formation of cross-links via the oxidised groups in the molecules. The study showed for the first time that cereal β-glucan can be degraded by radicals from lipid oxidation although the oxidative degradation was significantly milder than with hydrogen peroxide. The gelation of cereal β-glucan has been shown to be affected by the molar mass and structure (e.g. the ratio of DP3 and DP4 units) of β-glucan. However, former studies show gelation only at relatively high concentrations. In this study, gelation of barley and oat β-glucans (both native and oxidised) was shown with 1% and 1.5% solutions, respectively, when using optimised dissolution temperatures that resulted in partial solubilisation of β-glucan molecules. The partial dissolution was proposed to enable formation of nucleation cites for gelation. In this study, changes in the structure and physicochemical properties of barley and oat β-glucans due to oxidation were demonstrated. Additionally, gelation of both non-oxidised and oxidised β-glucan was shown at concentrations relevant for food products. The results of this study provide an understanding of the role of oxidation for the stability of β-glucan in processing and storage of foods. The study suggests that gelation of β-glucan could overcome the negative effects of oxidation-related viscosity loss.Viljan (1→3)(1→4)-β-D-glukaanilla on sekä teknologisia että fysiologisia vaikutuksia liittyen sen kykyyn muodostaa viskooseja liuoksia. Viskositeettiin vaikuttavat β-glukaanin moolimassa, pitoisuus ja liukoisuus, ja siten prosessoinnin ja varastoinnin aikana tapahtuva β-glukaanin mahdollinen pilkkoutuminen voi vaikuttaa sen toiminnallisiin ominaisuuksiin. Kemiallisen hapettumisen on hiljattain tutkittu olevan yksi β-glukaanin pilkkoutumiseen johtava tekijä. Tämän työn tavoitteena oli tutkia hydroksyyliradikaalien myötä tapahtuvaa viljan β-glukaanin hapettumista. Lisäksi työssä tutkittiin lipidiradikaalien aikaansaamaa β-glukaanin hapettumista. Tutkimuksen tavoitteena oli myös selvittää hapettumisreaktioiden vaikutuksia fysikaalis-kemiallisiin ominaisuuksiin, kuten aggregoitumiseen ja geeliytymiseen Tutkituista hapetusreagensseista vetyperoksidi oli voimakkain, ja se johti sekä β-glukaanin pilkkoutumiseen että hapettuneiden ryhmien muodostumiseen β-glukaanin rakenteeseen. Lisäksi pelkistävän pään hapettuessa muodostui arabinoosia ja muurahaishappoa. Askorbiinihapolla hapettaessa hapettuminen oli miedompaa ja johti lähinnä β-glukaanin pilkkoutumiseen. Myös aggregoitumiskäyttäytymisessä havaittiin eroja riippuen käytetystä hapetusreagenssista, sillä vetyperoksidilla hapettaessa muodostui pilkkoutumisen ohella suuria, mutta tiiviisti pakkautuneita aggregaatteja, kun taas askorbiinihapolla hapettaessa aggregoituminen oli vähäisempää. Tämän eron aggregoitumisessa esitettiin liittyvän erilaiseen hapettuneiden ryhmien määrään. Tutkimus osoitti ensimmäistä kertaa, että lipidien hapettumisessa muodostuvat radikaalit voivat pilkkoa β-glukaania, vaikka pilkkoutuminen olikin huomattavasti vähäisempää kuin vetyperoksidilla hapettaessa. Viljan β-glukaanin geeliytymisen on osoitettu riippuvan β-glukaanin moolimassasta ja rakenteesta (mm. DP3- ja DP4-yksiköiden suhteellisesta määrästä), ja aiemmat tutkimukset ovat näyttäneet β-glukaanin geeliytyvän vain melko suurina pitoisuuksina. Tässä tutkimuksessa ohran ja kauran β-glukaanien todettiin geeliytyvän jo 1- ja 1,5-prosenttisina liuoksina, kun liuotuslämpötila optimoitiin sellaiseksi, että se mahdollisti β-glukaanin osittaisen liukenemisen. Tämän osittaisen liukenemisen esitettiin johtavan geeliytymisen nukleaatiokohtien muodostumiseen. Tässä työssä esitettiin ohran ja kauran β-glukaanien hapettumisen myötä tapahtuvia muutoksia rakenteellisissa ja fysikaalis-kemiallisissa ominaisuuksissa. Tulokset selventävät, minkälainen merkitys prosessoinnin ja varastoinnin aikaisella hapettumisella voi olla β-glukaanin stabiiliudelle. Lisäksi β-glukaanien osoitettiin geeliytyvän pieninä pitoisuuksina, jona β-glukaani esiintyy elintarvikkeissa. Näin β-glukaanin geeliytyminen voi korvata pilkkoutumisen myötä tapahtuvan viskositeetin alenemisen ja siten olla suotuisaa β-glukaanin toiminnallisuuden kannalta.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3684-8
http://hdl.handle.net/10138/225799
Date: 2017-11-10
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
cerealb-.pdf 1.665Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record