Az egészségtudatos táplálkozás egyik fontos pillére az élelmi rostokban gazdag étrend kialakítása. Ezzel a kijelentéssel nehezen lehetne vitába szállni, hiszen a rostok jótékony szerepéről nagyon sok hiteles és még több tudományosan kevésbé igazolt információ érhető el. Az élelmi rostok kémiai, fizikai és szerkezeti szempontból is sokféle makromolekulából és oligomerből állnak, és ebből adódóan táplálkozási és technológiai szerepük is eltérő.
A cikk a BME – Élet és Tudomány – Pro Progressio Alapítvány 2023. évi cikkpályázatára érkezett, oktatói kategóriában.
Mik tehát valójában az élelmi rostok? Milyen molekulákból állnak és hogy határozható meg a mennyiségük? Hogyan befolyásolhatják az élelmiszerek technológiai viselkedését és táplálkozási tulajdonságait? Többek között ezek a kérdések foglalkoztatnak minket, a BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszer-tudományi Tanszéken működő Gabonatudományi és Élelmiszer-minőség Kutatócsoportjában dolgozó kutatókat.
Általános szemlélet szerint élelmi rostoknak azokat az összetevőket nevezzük, melyek az emberi emésztőrendszerben nem bomlanak le. Azonban ez nem azt jelenti, hogy ezek a rostösszetevők egyáltalán nem hasznosulhatnak szervezetünkben, ugyanis a vastagbél mikroflórája bizonyos képviselőiket képes lebontani és a keletkező molekulákat hasznosítani. Jelenleg hivatalosan a következőképpen definiálhatjuk a rostokat a Codex Alimentarius alapján: olyan, legalább három monomeregységgel rendelkező szénhidrát-polimerek, amelyeket az emberi vékonybél nem emészt meg és nem szív fel. Ide tartoznak a nem-keményítő poliszacharidok (cellulóz, hemicellulóz, pektinek, hidrokolloidok – pl. gumik, nyálkák), a rezisztens oligoszacharidok (frukto-oligoszacharidok, galaktooligoszacharidok), a rezisztens keményítő és a lignin. Ezek mennyisége és minősége a növényi eredetű élelmiszerek között nagyon eltérő lehet, mi ezek közül főként a gabonarostokkal foglalkozunk.
Az élelmi rostok csak egy kisebb részét képezik egy gabona teljes összetételének (pl. egy teljes búzaszemben 10-15%, viszont fehér lisztekben már csak 2-3%). A gabonák legjelentősebb élelmirost-összetevői az arabinoxi– lánok (AX), a β-glükánok és az arabinogalaktán-peptidek (AGP). Ezek a molekulák, bár gabonafajonként eltérő mértékben, de főként a gabonák szemtermésének héjában és héjközeli részeiben találhatók, és a mag fizikaikémiai és biokémiai védekező mechanizmusaiban vesznek részt. Az AX-ek olyan poliszacharidok, melyek egy hosszú fő láncból állnak, amelyek elágazásokat tartalmazhatnak. A fő lánc alapeleme a xilózmolekula, míg az elágazások építőelemei az arabinózok.
Ezek a különböző
AX-láncok képesek kémiai kötésekkel összekapcsolódni felurasav-molekulák segítségével. Az AX-eket oldhatóság szerint vízoldható és vízoldhatatlan csoportokra osztjuk. Az oldhatóságot főként a lánchossz, az elágazások száma (így az arabinóz/xilóz arány) és a ferulasavkeresztkötések mennyisége határozza meg. A β-glükán ennél jóval egyszerűbb felépítéssel rendelkezik. Gyakorlatilag egyetlen, elágazásmentes molekula, aminek az alap építőköve a glükóz.
Az egyenes lánc azonban összetettebb struktúrát is felvehet (pl. spirális alakot), amit a glükózmonomerek közötti kötések helyzete határoz meg. A β-glükán nagyrészt vízoldható, azonban a kötések minőségétől függően az oldhatóság csökkenhet, és víz hozzáadásával inkább géles állag alakul ki. Az AGP-k szénhidrátrészének fő lánca galaktózokból áll, amire további galaktóz- és arabinózcsoportok kapcsolódhatnak.
Az így kialakult szénhidrátegységek további peptidekhez (rövidebb fehérjerészek) kötődnek. Ezek a molekulák is oldódnak vízben.
A rostok előnyös élettani hatása közé tartozik többek között a megfelelő béltartalom kialakítása, az elfogyasztott élelmiszer tartózkodási idejének, így a tápanyagok felszívódásának szabályozása. Emellett magas vízfelvételi képességükből eredően teltségérzetet okoznak, ami az éhségérzet csökkentésében, így a testsúly szabályozásában lehet fontos. Az élelmi rostok táplálékul szolgálhatnak a bélflórának (vagyis prebiotikumok), a bélflóra által lebontott rostokból pedig jótékony hatású összetevők (rövid szénláncú zsírsavak) keletkezhetnek. Számos esetben találtak összefüggést a rostfogyasztás és az immunrendszer megfelelő működése között (főként AGP esetén), de a pontos mechanizmusok megállapítása, az ok-okozati összefüggések feltérképezése szervezetünk összetett működése miatt nehéz.
Őrlemény-víz rendszer
A teljes kiőrlésű gabonákból készült termékek fogyasztásával növelhetjük a rostbevitelt, azonban mind az érzékszervi, mind a technológiai tulajdonságokban eltéréseket tapasztalhatunk a fehér lisztből készült termékekhez képest. Gondoljunk csak a teljes kiőrlésű lisztből készült kenyér színére, illatára, ízére, tömörségére, a kenyér bélzetére. Ezek részben az eltérő rosttartalommal hozhatók összefüggésbe, és nem mindig pozitív irányba változtatják meg a termék tulajdonságait.
A sütőipari termékek minőségének meghatározásához elsősorban olyan módszerek érhetők el, melyek az őrlemény-víz rendszert, vagyis a kialakuló tésztarendszert vizsgálják. A tésztaszerkezet kialakulása egy nagyon összetett folyamat, melyben gabonától függően a fő szerepet a fehérjék és a keményítő játssza, de a rostok minőségüktől és mennyiségüktől függően befolyásolhatják ezt a rendszert. A búza esetében mindhárom rost hozzájárulhat a tésztaszerkezet stabilizálásához vízfelvételük és gélképző tulajdonságuk révén. A vízoldható AX-ek segítségével pedig feltételezhetően egy másodlagos hálózat alakul ki a fehérjehálózat mellett. Viszont a vízoldhatatlan AX-ek, illetve nagyobb mennyiségben mind a β-glükán, mind az AGP destabilizálják a tésztaszerkezetet, mivel versengenek a vízért a megfelelő tésztaszerkezetet biztosító fehérjékkel. Búza esetében a vízoldhatatlan AX-ek fizikailag is megbonthatják a fehérjehálózatot. A kenyérkészítés során az élesztők anyagcseréjének következtében szén-dioxid keletkezik, amely gázbuborékok formájában a tésztában marad. Ennek köszönhetjük a kenyér szép, egyenletes pórusokat tartalmazó bélzetét. Ehhez stabil gázbuborékokra van szükség, aminek kritikus eleme a körülöttük lévő víztartalmú folyadékfilm. A vízoldhatatlan AX-ek a vizet elvonják a folyadékfilmtől, így a buborékok szétesnek, összeolvadnak, nem megfelelő bélzet alakulhat ki.
A búzához képest lényegesen kisebb mennyiségben termelt és feldolgozott kisgabonák (pl. zab, rozs, árpa, tönkölybúza stb.) növekvő szerepet töltenek be a tudatos táplálkozásban. Öszszetételükben és az egyes komponensek mennyiségében is jelentősen eltérhetnek a búzától, ami így kedvezőbb táplálkozástani minőséget jelenthet (pl. magasabb élelmirost-tartalom), de ennek megfelelően a technológiai minőségük is jelentősen eltérhet a jól megszokott fehér búzalisztből készült termékekhez képest. A kisgabonák rostösszetételéről és az egyedi rostok technológiai hatásáról azonban nagyon kevés információ érhető el az irodalomban. Így a kutatásaink egyik fő fókusza ez az ismeretanyag bővítése. Ehhez kapcsolódik kutatómunkám is, ugyanis feladatom olyan módszerek kialakítása és alkalmazhatóságának vizsgálata, amivel a különböző rostösszetevők mennyisége és minősége meghatározható.
Vizsgálatok gázfázisban
Az analitikai módszerek egy szerteágazó, dinamikusan fejlődő és sokféle alkalmazásba bevonható területe a kromatográfia. Ez egy olyan analitikai eljárás, ami során egy több molekulából álló keveréket olyan rendszeren vezetünk keresztül, ahol maguk a molekulák egy mozgófázisban vannak jelen, azonban egyedi fizikai-kémiai tulajdonságaiknak megfelelően különböző mértékben kapcsolatba kerülhetnek a rendszerben lévő állófázissal. Az állófázishoz kevésbé kapcsolódó molekulák gyorsabban, míg a jobban kötődő komponensek lassabban haladnak át a rendszeren, így elkülönülnek egymástól.
Amennyiben a mozgófázis gáz halmazállapotú, úgy gázkromatográfiáról (GC), ha pedig folyékony, akkor folyadékkromatográfiáról (LC) beszélhetünk. Azonban egy megbízható analitikai módszer fejlesztése, vagy akár csak adaptálása (már meglévő módszerek alkalmazhatóságának megteremtése saját laborkörülményeink között) nagy kihívást jelent. Rutinszerűen a búza AX.-tartalmát gázkromatográfiával vizsgáljuk. Az elválasztást egy minta-előkészítés előzi meg, ami során a nagy méretű poliszacharidot építőköveire, arabinózra és xilózra bontjuk (hidrolízis), amit aztán GC-vel választunk el egymástól és határozzuk meg a mennyiségüket és azok arányát. Az arabinóz és a xilóz kevésbé illékonyak, azonban megfelelő kémiai átalakítással (származékképzés) illékonyságuk megnő, így elpárologtathatók és GC-vel vizsgálhatók. Az elpárolgott molekulák a mozgófázissal együtt egy nagyon vékony kapillárison mennek keresztül, aminek a belső felülete jelenti ebben az esetben az állófázist.
Az állófázis különböző mértékben kerül kapcsolatba a xilóz- és az arabinózmolekulákkal, így eltérő időben kerülnek ki a kapillárisból. Ezt követően az elválasztott molekulák érzékelőbe (detektorba) jutnak, a mennyiségükkel arányos jelet adnak, végül számítógépes szoftver segítségével számunkra is láthatóvá válnak diagramok (kromatogram) formájában. Kutatómunkám egyik része, hogy ezt felhasználva az AGP-k meghatározására is fejlesszünk módszereket. Az előzőhöz képest a helyzet bonyolultabb, ugyanis az AGP az AX-hez képest kisebb mennyiségben van jelen a gabonákban, így a soklépéses, összetett mintaelőkészítést és az elválasztást úgy kell átalakítani, hogy végül értékelhető jelet kapjunk.
A másik probléma, hogy az AGP építőkövei közül a galaktóz egyéb formában is megtalálható a gabonaőrleményben, például szabadon vagy egy másik szénhidrát, a raffinóz egyik egységeként.
Ezeknek a pontos mennyiségéről azonban nincs információnk. Mindez azt jelenti, hogy további módszerfejlesztés szükséges ahhoz, hogy az AGP menynyiségének a meghatározásakor a más formában jelen lévő galaktózok mennyiségét korrekcióba tudjuk venni.
Vizes oldatban
Folyadékkromatográfiát is alkalmazhatunk a különböző rostok vizsgálatára. Nemcsak a rostok mennyisége és építőköveik aránya lehet informatív a technológiai tulajdonságok tekintetében, hanem azok mérete is. A búza esetében rutinszerűen a vízoldható AX-ek méretének meghatározására méretkizárásos folyadékkromatográfiás módszert alkalmazunk. Ennek a módszernek a könnyebbsége, hogy a mintaelőkészítés során nem kell bonyolult átalakítási lépéseket alkalmaznunk, „csupán” vizes oldattal ki kell oldanunk a mintából. Ezután egy olyan porózus anyaggal töltött oszlopon vezetjük végig az oldatot, ami méret szerint választja el a molekulákat. Az oszlop végén szintén egy detektor segítségével kapunk jelet, amit számítógéppel tudunk értékelni. A molekula mérete könnyen meghatározható, ha olyan molekulákat is végigvezetünk az oszlopon, amelynek a mérete ismert (kereskedelmi forgalomban elérhetők ilyen sztenderd anyagok), így az oszlop áthaladási idejéből kiszámolható az ismeretlen molekulaméret. Kutatómunkám során erre alapozva a β-glükán és az AGP méretének meghatározását is célul tűztem ki. Arra jutottunk, hogy azoknál a gabonáknál, ahol a különböző rostok mennyisége összemérhető (pl. rozs), ott komoly gondot jelenthet, hogy mind oldhatóságban (vízben a β-glükánok és az AGP-k is oldódnak), mind méretben hasonlítanak egymáshoz, vagyis a kromatogramon átfedhetik részben vagy teljesen egymást. Ezért a mintaelőkészítést úgy kell optimalizálni, hogy az adott rost mellől a többi rostösszetevőt eltávolítjuk. Erre jó megoldás a szelektív elbontás, amit például specifikus enzimekkel végzett hidrolízissel valósíthatunk meg, mely a jelenleg folyó munkánk részét is képezi.
A fejlesztéseinkkel célunk olyan módszeregyüttes kialakítása, amivel megbízhatóan mérhetők a kisgabonákban lévő élelmi rostok összetétele, mennyisége és egyes minőségi jellemzői. Ezek alkalmazásával és a kapott eredmények értelmezésével részletesebb képet kaphatunk a kisgabonák rostösszetételéről, egészségtámogató szerepükről, a technológiai tulajdonságaikról és a végtermék minőségét befolyásoló hatásaikról. Ez végső soron elősegíti az egyes alapanyagok célzott felhasználását, a kisgabonák táplálkozási potenciáljának megfelelő hasznosítását, a célzott termékfejlesztést, és az adott termékeknek leginkább megfelelő gabonafajok és fajták megválasztását is támogathatja.
A Kulturális és Innovációs Minisztérium ÚNKP-22-4-II-BME-166 kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból finanszírozott szakmai támogatásával készült. A munka kapcsolódik a 135211 számú OTKA-pályázat és a TKP2021 pályázati program, a BME-EGA-02 számú projekt szakmai célkitűzéseinek megvalósításához.
Forrás: Élet és Tudomány