DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2023.1326716
تاريخ النشر: 2024-01-09
المؤلف: Banafsheh Khaleghdoust وآخرون
الموضوع الرئيسي: تركيب الغذاء وخصائصه
نظرة عامة
تبحث الدراسة في العوامل التي تؤثر على محتوى β-glucan في القمح والشعير، مع التأكيد على أهمية هذا الألياف الغذائية لصحة الإنسان وجودة الغذاء. تفترض الدراسة أن الظروف الجوية السنوية، وتسميد النيتروجين، وأنظمة الزراعة تؤثر بشكل كبير على مستويات β-glucan. من خلال تحليل عينات الدقيق من الشعير الربيعي والقمح الشتوي على مدى عدة سنوات، تشير النتائج إلى أن الظروف الجوية تؤثر بشكل أساسي على محتوى β-glucan، بدلاً من تسميد النيتروجين. على وجه الخصوص، ترتبط درجات الحرارة المنخفضة خلال مرحلة التفرع ودرجات الحرارة المرتفعة خلال فترة ملء الحبوب إيجابياً بمستويات β-glucan، بينما تؤثر الأمطار الزائدة خلال الإزهار وملء الحبوب سلباً على محتواه.
تشير النتائج إلى أن β-glucan يمكن الحصول عليه بشكل فعال من أنظمة الزراعة العضوية ومنخفضة المدخلات، مما يتحدى الفكرة القائلة بأن معدلات الأسمدة المعدنية الأعلى تعزز محتوى الألياف الغذائية. بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على دور الجينوتيب وموقع الزراعة، حيث يظهر نوع الشعير “أني” محتوى β-glucan أعلى بكثير مقارنةً بالأنواع الأخرى. تؤكد هذه الرؤى على الحاجة إلى استراتيجيات تكيفية في الممارسات الزراعية لتحسين مستويات β-glucan في الحبوب، مع الأخذ في الاعتبار التغيرات التي تسببها العوامل البيئية وتقنيات إدارة المحاصيل. يتم تشجيع الأبحاث المستقبلية لتطوير نماذج يمكن أن توفر معلومات في الوقت المناسب للصناعة من أجل تحسين إدارة جودة المحاصيل.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية الحبوب كمصدر رئيسي للسعرات الحرارية والبروتين في نظم غذاء الإنسان والحيوانات، وخاصة في أوروبا. بينما يتم استهلاك القمح بشكل أساسي كغذاء، تم استخدام الشعير تقليديًا كعلف للحيوانات وللتخمير. ومع ذلك، ظهر اهتمام حديث بالشعير كمكون غذائي بسبب محتواه العالي من β-glucan، وهو ألياف قابلة للذوبان مرتبطة بفوائد صحية متعددة، بما في ذلك تحسين تنظيم سكر الدم وتقليل مستويات الكوليسترول. تؤكد الورقة على الحاجة إلى أنظمة إنتاج خالية من النفايات، داعية إلى تعزيز قيمة المحاصيل الحبوب بما يتجاوز استخداماتها التقليدية.
يناقش المؤلفون تركيب الألياف الغذائية في الحبوب، مشيرين إلى أن الأرابينوكسيلان وβ-glucans تشكل أجزاءً كبيرة من إجمالي محتوى الألياف في القمح والشعير الكامل. كما يحددون العوامل التي تؤثر على محتوى β-glucan، بما في ذلك توفر النيتروجين في التربة، والظروف البيئية، وتنوع الجينوتيب. تهدف الدراسة إلى تقييم تأثير الأسمدة العضوية مقابل المعدنية على مستويات β-glucan في القمح الشتوي والشعير الربيعي على مدى ثماني سنوات، مع فحص تأثير الظروف الجوية خلال مراحل النمو الحرجة. تفترض الدراسة أن الحبوب من المعالجات المخصبة بشكل مكثف ستظهر محتوى أعلى من β-glucan مقارنةً بتلك من المعالجات العضوية، وأن تنوع الجينوتيب سيؤثر بشكل أكبر على مستويات β-glucan.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تقييم محتوى β-glucan في نوعين من الحبوب، القمح الشتوي (نوع “فريديس”) والشعير الربيعي (نوع “أني”)، كجزء من تجربة ميدانية أكبر حول أنظمة الزراعة التي أجريت في جامعة إستونيا للعلوم الزراعية. تم جمع الحبوب من تجربة دوران المحاصيل طويلة الأجل من 2014 إلى 2021، والتي شملت معالجات عضوية وتقليدية مختلفة. تضمنت المعالجات العضوية ممارسات إدارة مختلفة مثل التحكم العضوي، والمحاصيل الغطاء كسماد أخضر، وروث الأبقار المتحلل، بينما تنوعت المعالجات التقليدية في معدلات تطبيق النيتروجين (N0 إلى N3) وشملت التسميد المعدني.
تم تحليل محتوى β-glucan باستخدام مجموعة اختبار β-glucan ذات الروابط المختلطة، وفقًا لطريقة معترف بها من قبل جمعية الكيميائيين التحليليين الرسميين الدولية (AOACI) والجمعية الأمريكية لكيميائي الحبوب الدولية (AACCI). تم إعداد العينات عن طريق تعليق وترطيب 100 ملغ من الحبوب في محلول فوسفات الصوديوم، تلاها تفاعلات إنزيمية لإنتاج الجلوكوز، الذي تم قياسه باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية-المرئية عند 510 نانومتر. تم الإبلاغ عن النتائج كقيم متوسطة مع انحرافات معيارية، مما يوفر رؤى حول مستويات β-glucan في كل من القمح والشعير عبر معالجات وأنواع مختلفة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن السنة، وخاصة الظروف الجوية، تؤثر بشكل كبير على محتوى β-glucan في حبوب الشعير والقمح، مع معامل ارتباط قدره $R = 0.64$ (p < 0.001) للشعير و$R = 0.62$ (p < 0.001) للقمح. كشفت تحليل التباين أن 90% من التباين في محتوى β-glucan نُسب إلى السنة، بينما شكلت معالجة النيتروجين (N) فقط 2%. تراوح متوسط محتوى β-glucan لشعير الربيع "أني" بين 3.74 إلى 5.60 غرام لكل 100 غرام، وللقمح الشتوي "فريديس"، تراوح بين 0.40 إلى 0.57 غرام لكل 100 غرام عبر سنوات التجربة المختلفة. من الجدير بالذكر أن دورة المحاصيل الثانية (2018-2021) كانت أكثر دفئًا، مما أدى إلى مستويات أعلى من β-glucan لكل من الشعير (4.41 إلى 5.12 غرام لكل 100 غرام) والقمح (0.49 إلى 0.56 غرام لكل 100 غرام) مقارنة بالدورة الأولى (2014-2017). بالإضافة إلى ذلك، وجدت الدراسة أن محتوى β-glucan في القمح يرتبط سلبًا مع الأمطار خلال يونيو ويوليو، فترات الإزهار وملء الحبوب، ويرتبط إيجابًا مع درجة حرارة الهواء خلال فترة ملء الحبوب ($R = -0.23$, $p < 0.05$; $R = -0.35$, $p < 0.01$; $R = 0.28$, $p < 0.05$). بالنسبة للشعير "أني"، لوحظت ارتباطات سلبية مع الأمطار في يونيو ($R = 0.67$, $p < 0.001$) ويوليو ($R = 0.85$, $p < 0.001$)، وكذلك مع درجة حرارة الهواء في مايو ($R = 0.48$, $p < 0.01$). في المقابل، أظهرت تحليل بيانات ثماني سنوات أنه لم يؤثر نظام إنتاج المحاصيل أو معالجات N بشكل كبير على محتوى β-glucan، الذي تراوح بين 4.55 و4.80 غرام لكل 100 غرام للشعير و0.51 إلى 0.56 غرام لكل 100 غرام للقمح عبر معالجات N المختلفة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تأثر محتوى β-glucan في حبوب الشعير والقمح بشكل كبير بالعوامل البيئية، وخاصة الظروف الجوية خلال مراحل النمو الحرجة. كشفت التحليلات أن درجات الحرارة المنخفضة خلال مراحل التفرع وإطالة الساق ترتبط إيجابياً بمستويات أعلى من β-glucan، بينما تؤثر زيادة الأمطار خلال الإزهار وملء الحبوب سلبًا على تركيز β-glucan. على وجه الخصوص، أظهر نوع الشعير “أني” أعلى محتوى من β-glucan، تراوح بين 3.53 إلى 5.85 غرام لكل 100 غرام، بينما أظهر نوع القمح “أدا” أدنى المستويات، حوالي 0.32 إلى 0.63 غرام لكل 100 غرام. لم تجد الدراسة تأثيرًا كبيرًا لتسميد النيتروجين المعدني العالي على محتوى β-glucan، مما يشير إلى أن أنظمة الزراعة العضوية أو منخفضة المدخلات يمكن أن تنتج بشكل فعال حبوبًا بمستويات β-glucan المرغوبة.
بالإضافة إلى ذلك، سلطت الأبحاث الضوء على أهمية الجينوتيب والموقع في تحديد محتوى β-glucan، مع ملاحظات كبيرة على التباينات بين أنواع الشعير والقمح المختلفة. تشير النتائج إلى أن تحسين جودة الحبوب، وخاصة الفوائد الصحية المتعلقة بإدارة الكوليسترول، يتطلب نهجًا متعدد الأبعاد يأخذ في الاعتبار الظروف البيئية، واختيار الجينوتيب، وممارسات الإدارة. يجب أن تستكشف الأبحاث المستقبلية المزيد من تفاعلات الجينوتيب والبيئة لتعزيز فهمنا لكيفية تحقيق تركيزات أعلى من β-glucan في الحبوب تحت ظروف مناخية متغيرة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2023.1326716
Publication Date: 2024-01-09
Author(s): Banafsheh Khaleghdoust et al.
Primary Topic: Food composition and properties
Overview
The research investigates the factors influencing the β-glucan content in wheat and barley, emphasizing the importance of this dietary fiber for human health and food quality. The study hypothesizes that annual weather conditions, nitrogen fertilization, and cropping systems significantly affect β-glucan levels. Analyzing flour samples from spring barley and winter wheat over several years, the results indicate that weather conditions predominantly influence β-glucan content, rather than nitrogen fertilization. Specifically, lower temperatures during tillering and higher temperatures during the grain filling period correlate positively with β-glucan levels, while excessive precipitation during flowering and grain filling negatively impacts its content.
The findings suggest that β-glucan can be effectively sourced from both organic and low-input agricultural systems, challenging the notion that higher mineral fertilizer rates enhance dietary fiber content. Additionally, the study highlights the role of genotype and growing location, with the barley variety “Anni” exhibiting significantly higher β-glucan content compared to others. These insights underscore the need for adaptive strategies in agricultural practices to optimize β-glucan levels in cereal grains, considering the variability introduced by environmental factors and crop management techniques. Future research is encouraged to develop models that can provide timely information to the industry for better crop quality management.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of cereals as a primary source of calories and protein in human and livestock diets, particularly in Europe. While wheat is predominantly consumed as food, barley has traditionally been used for animal feed and brewing. However, recent interest has emerged in barley as a nutraceutical ingredient due to its high β-glucan content, a soluble fiber linked to various health benefits, including improved blood glucose regulation and reduced cholesterol levels. The paper emphasizes the need for zero-waste production systems, advocating for the valorization of cereal crops beyond their traditional uses.
The authors discuss the composition of dietary fibers in cereals, noting that arabinoxylans and β-glucans constitute significant portions of the total fiber content in whole grain wheat and barley. They also outline the factors influencing β-glucan content, including soil nitrogen availability, environmental conditions, and genotype variations. The study aims to assess the effects of organic versus mineral fertilizers on β-glucan levels in winter wheat and spring barley over eight years, while also examining the impact of weather conditions during critical growth stages. The hypothesis posits that grains from intensively fertilized treatments will exhibit higher β-glucan content compared to those from organic treatments, and that genotype variation will further influence β-glucan levels.
Methods
In this study, the β-glucan content of two cereal grains, winter wheat (variety “Fredis”) and spring barley (variety “Anni”), was evaluated as part of a larger field experiment on cropping systems conducted at the Estonian University of Life Sciences. The grains were collected from a long-term crop rotation experiment from 2014 to 2021, which included various organic and conventional treatments. Organic treatments involved different management practices such as organic control, cover crops as green manure, and composted cattle manure, while conventional treatments varied in nitrogen application rates (N0 to N3) and included mineral fertilization.
The β-glucan content was analyzed using a Mixed-linkage β-glucan assay kit, following a method recognized by the Association of Official Analytical Chemists International (AOACI) and the American Association of Cereal Chemists International (AACCI). Samples were prepared by suspending and hydrating 100 mg of grain in a sodium phosphate buffer, followed by enzymatic reactions to produce glucose, which was quantified using a UV-Vis spectrophotometer at 510 nm. The results were reported as mean values with standard deviations, providing insights into the β-glucan levels in both wheat and barley across different treatments and varieties.
Results
The results of the study indicate that the year, specifically weather conditions, significantly affects the β-glucan content in barley and wheat grains, with a correlation coefficient of $R = 0.64$ (p < 0.001) for barley and $R = 0.62$ (p < 0.001) for wheat. The variance analysis revealed that 90% of the variance in β-glucan content was attributed to the year, while nitrogen (N) treatment accounted for only 2%. The mean β-glucan content for spring barley "Anni" ranged from 3.74 to 5.60 g per 100 g, and for winter wheat "Fredis," it ranged from 0.40 to 0.57 g per 100 g across different trial years. Notably, the second crop rotation (2018-2021) was warmer, resulting in higher β-glucan levels for both barley (4.41 to 5.12 g per 100 g) and wheat (0.49 to 0.56 g per 100 g) compared to the first rotation (2014-2017). Additionally, the study found that the β-glucan content in wheat negatively correlated with precipitation during June and July, the flowering and grain filling periods, and positively correlated with air temperature during the grain filling period ($R = -0.23$, $p < 0.05$; $R = -0.35$, $p < 0.01$; $R = 0.28$, $p < 0.05$). For barley "Anni," negative correlations were observed with precipitation in June ($R = 0.67$, $p < 0.001$) and July ($R = 0.85$, $p < 0.001$), as well as with air temperature in May ($R = 0.48$, $p < 0.01$). In contrast, the analysis of eight years of data indicated that neither the crop production system nor N treatments significantly influenced the β-glucan content, which varied between 4.55 and 4.80 g per 100 g for barley and 0.51 to 0.56 g per 100 g for wheat across different N treatments.
Discussion
In this study, the β-glucan content in barley and wheat grains was significantly influenced by environmental factors, particularly weather conditions during critical growth stages. The analysis revealed that lower temperatures during the tillering and stem elongation phases positively correlated with higher β-glucan levels, while increased precipitation during flowering and grain filling negatively impacted β-glucan concentration. Specifically, the barley variety “Anni” exhibited the highest β-glucan content, ranging from 3.53 to 5.85 g per 100 g, while the wheat variety “Ada” showed the lowest levels, approximately 0.32 to 0.63 g per 100 g. The study found no significant effect of high mineral nitrogen fertilization on β-glucan content, suggesting that organic or low-input farming systems could effectively produce grains with desirable β-glucan levels.
Additionally, the research highlighted the importance of genotype and location in determining β-glucan content, with significant variations observed between different barley and wheat varieties. The findings indicate that optimizing cereal grain quality, particularly for health benefits related to cholesterol management, requires a multifaceted approach that considers environmental conditions, genotype selection, and management practices. Future research should further explore genotype-environment interactions to enhance our understanding of how to achieve higher β-glucan concentrations in cereal grains under changing climatic conditions.