vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2023-4-45-52vir-nw-1728Research ArticleИЗУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ РАСТЕНИЙSTUDYING AND UTILIZATION OF PLANT GENETIC RESOURCESВесовой метод определения растворимых β-глюканов в зерне ячменяWeight method for determination of soluble β-glucans in barley grainhttps://orcid.org/0000-0003-3274-7662ПоповВ. С.PopovV. S.

Виталий Сергеевич Попов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник 

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44 

Vitaliy S. Popov, Cand. Sci. (Engineering), Senior Researcher 

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000 

v.popov@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2938-1014КонаревА. В.KonarevA. V.

Алексей Васильевич Конарев, доктор биологических наук, главный научный сотрудник 

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Alexey V. Konarev, Dr. Sci. (Biology), Chief Researcher 

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000 

a.konarev@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3990-6526КовалеваО. Н.KovalevaO. N.

Ольга Николаевна Ковалева, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник 

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

 

Olga N. Kovaleva, Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher 

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000 

o.kovaleva@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4920-3904КоньковаН. Г.KonkovaN. G.

Нина Григорьевна Конькова, научный сотрудник 

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

 

Nina G. Konkova, Researcher 

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000 

ninakonkova.1@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2762-2777ХореваВ. И.KhorevaV. I.

Валентина Ивановна Хорева, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник 

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Valentina I. Khoreva, Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher 

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000 

horeva43@mail.ruФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. ВавиловаРоссияN. I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian Federation20231001202418444552Copyright © Попов В.С., Конарев А.В., Ковалева О.Н., Конькова Н.Г., Хорева В.И., 20242024Попов В.С., Конарев А.В., Ковалева О.Н., Конькова Н.Г., Хорева В.И.Popov V.S., Konarev A.V., Kovaleva O.N., Konkova N.G., Khoreva V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://elpub.vir.nw.ru/jour/article/view/1728Актуальность

Актуальность. Ячмень (Hordeum vulgare L.) является важным источником питательных веществ, таких как крахмал, белок и различные пищевые волокна. β-Глюканы представляют собой растворимые волокна, в большом количестве присутствующие в зерновках овса и ячменя; они вызывают все больший интерес благодаря своим функциональным и биологически активным свойствам. В связи с повышенным интересом к β-глюканам как к биологически активной добавке и функциональному компоненту пищи существует потребность в удобном, недорогом и доступном методе количественного определения данных веществ.

Материалы и методы

Материалы и методы. В статье приводится обзор существующих методов определения и способов выделения β-глюканов из зерновых культур: ИК-спектроскопия, ферментативный , колориметрический , щелочно-ферментативный . Показаны их достоинства и недостатки. Среди недостатков рассмотренных методов необходимо отметить высокую стоимость реактивов и оборудования, длительность выполнения, трудоемкость.

Результаты

Результаты. В данном исследовании приводится разработка весового метода для выделения и количественного определения β-глюканов в зерне пленчатого и голозерного ячменя. За основу взят модифицированный и адаптированный для ячменя щелочной метод, разработанный нами ранее для овсяного зерна. Количество β-глюканов в зерне исследованных образцов ячменя составило от 4,12 ± 0,23% до 5,34 ± 0,31% для голозерных сортов и от 3,57 ± 0,18% до 4,29 ± 0,32 % для пленчатых.

Заключение

Заключение. На основе проведенного исследования подобраны оптимальные условия выделения и количественного определения β-глюканов в зерне ячменя: установлены режимы центрифугирования, температура и соотношение экстрагирующих веществ, их концентрация, порядок осаждения и сушки. Основным преимуществом описанного метода является его доступность и практичность при проведении массового анализа, в том числе при изучении коллекции зерновых культур.

Background

Background. Barley (Hordeum vulgare L.) is an important source of nutrients, such as starch, protein, and various dietary fibers. β-Glucans are soluble fibers found in high amounts in oat and barley grain, so they are becoming increasingly interesting due to their numerous functional and bioactive properties. The increased interest in β-glucans as a dietary supplement and a functional component of food calls for a convenient, inexpensive and affordable method for quantitative determination of these compounds.

Materials and methods

Materials and methods. An overview is given on the existing techniques for determining and isolating β-glucans in cereals: IR spectroscopy, enzymatic, colorimetric, and alkaline-enzymatic methods. Their advantages and disadvantages are shown. The disadvantages of the methods considered include high costs of reagents and equipment, duration of performance, and labor intensity.

Results

Results. This study promotes the weight method for isolation and quantitative determination of β-glucans in the grain of covered and naked barley. It is based on the modified alkaline method adapted to barley; we developed it earlier for oat grain. The amount of β-glucans in the grain of the studied barley accessions ranged from 4.12±0.23% to 5.34 ± 0.31% for naked cultivars, and from 3.57 ± 0.18% to 4.29 ± 0.32% for covered ones.

Conclusion

Conclusion. Based on the conducted research, optimal conditions for the isolation and quantitative determination of β-glucans from barley grain were selected: centrifugation modes, temperature and extraction ratio, concentration of compounds, precipitation and drying procedures. The main advantage of the described method is its accessibility and practical applicability when conducting mass analysis, including studying a collection of cereal crops.

β-глюканыHordeum vulgare L.некрахмальные полисахаридыголозерный ячменьпленчатый ячменьщелочной методβ-glucansHordeum vulgare L.nonstarch polysaccharidesnaked barleycovered barleyalkaline methodСтатья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в соответствии с соглашением № 075-15-2020-911 от 16.11.2020 о предоставлении гранта в виде субсидий из федерального бюджета РФ. Грант предоставлен для государственной поддержки создания и развития Научного центра мирового уровня «Агротехнологии будущего». Авторы благодарят рецензентов за их вклад в экспертную оценку этой работы.The study was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under Agreement No. 075-15-2020-911 dated November 16, 2020, on providing a grant in the form of subsidies from the Federal Budget of the Russian Federation. The grant was provided as governmental support for the establishment and development of the World-Class Scientific Center “Agrotechnologies for the Future”. The authors thank the reviewers for their contribution to the peer review of this work.ReferencesBechtel D.B., Abecassis J., Shewry P.R, Evers A.D. Development, structure, and mechanical properties of the wheat grain. In: P.R. Shewry, K. Khan (eds). Wheat: Chemistry and Technology. 4th ed. St. Paul, MN: American Association of Cereal Chemists; 2009. p.51-95. DOI: 10.1016/B978-1-891127-55-7.50010-0Bechtel D.B., Abecassis J., Shewry P.R, Evers A.D. Development, structure, and mechanical properties of the wheat grain. In: P.R. Shewry, K. Khan (eds). Wheat: Chemistry and Technology. 4th ed. St. Paul, MN: American Association of Cereal Chemists; 2009. p.51-95. DOI: 10.1016/B978-1-891127-55-7.50010-0Blakeney A.B., Flinn P.C. Determination of non-starch polysaccharides in cereal grains with near-infrared reflectance spectroscopy. Molecular Nutrition and Food Research. 2005;49(6):546-550. DOI: 10.1002/mnfr.200500038Blakeney A.B., Flinn P.C. Determination of non-starch polysaccharides in cereal grains with near-infrared reflectance spectroscopy. Molecular Nutrition and Food Research. 2005;49(6):546-550. DOI: 10.1002/mnfr.200500038Chang H.C., Huang C.N., Yeh D.M., Wang S.J., Peng C.H., Wang C.J. Oat prevents obesity and abdominal fat distribution, and improves liver function in humans. Plant Foods for Human Nutrition. 2013;68(1):18-23. DOI: 10.1007/s11130-013-0336-2Chang H.C., Huang C.N., Yeh D.M., Wang S.J., Peng C.H., Wang C.J. Oat prevents obesity and abdominal fat distribution, and improves liver function in humans. Plant Foods for Human Nutrition. 2013;68(1):18-23. DOI: 10.1007/s11130-013-0336-2Dikeman C.L., Fahey G.C. Viscosity as related to dietary fiber: a review. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2006;46(8):649-663. DOI: 10.1080/10408390500511862Dikeman C.L., Fahey G.C. Viscosity as related to dietary fiber: a review. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2006;46(8):649-663. DOI: 10.1080/10408390500511862Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П., Перуанский Ю.В., Луковникова Г.А., Иконникова М.И. Методы биохимического исследования растений / под ред. А.И. Ермакова. 3-е изд. Ленинград: Агропромиздат; 1987.Ermakov A.I., Arasimovich V.V., Yarosh N.P., Peruanskiy Yu.V., Lukovnikova G.A., Ikonnikova M.I. Methods of biochemical research in plants (Metody bio khimicheskogo issledovaniya rasteniy). A.I. Ermakov (ed.). 3rd ed. Leningrad: Agropromizdat; 1987. [in Russian]Faure A.M., Koppeno W.H., Nyström L. Iron(II) binding by cereal beta-glucan. Carbohydrate Polymers. 2015;115:739-743. DOI: 10.1016/j.carbpol.2014.07.038Faure A.M., Koppeno W.H., Nyström L. Iron(II) binding by cereal beta-glucan. Carbohydrate Polymers. 2015;115:739-743. DOI: 10.1016/j.carbpol.2014.07.038Gajdošová A., Petruláková Z., Havrlentová M., Červená V., Hozová B., Šturdík E. et al. The content of water-soluble and water-insoluble β-D-glucans in selected oats and barley varieties. Carbohydrate Polymers. 2007;70(1):46-52. DOI: 10.1016/j.carbpol.2007.03.001Gajdošová A., Petruláková Z., Havrlentová M., Červená V., Hozová B., Šturdík E. et al. The content of water-soluble and water-insoluble β-D-glucans in selected oats and barley varieties. Carbohydrate Polymers. 2007;70(1):46-52. DOI: 10.1016/j.carbpol.2007.03.001Гематдинова В.М., Канарский А.В., Канарская З.А., Сметанская И.И. Влияние щелочной и ферментативной обработки зерна овса и овсяных отрубей на выход бета-глюкана. Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2017;79(3):164-168. DOI: 10.20914/2310-1202-2017-3-164-168Gematdinova V.M., Kanarskii A.V., Kanarskaya Z.A., Smetanskaya I.I. The fluence of alkaline and enzymatic processing of oat grain and oat bran on the yield of beta-glucan. Proceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies. 2017;79(3):164-168. [in Russian]. DOI: 10.20914/2310-1202-2017-3-164-168Harland J. Authorised EU health claims for barley and oat beta-glucans. In: M.J. Sadler (ed.). Foods, Nutrients and Food Ingredients with Authorised EU Health Claims 1st ed. Cambridge: Woodhead Publishing; 2014. p.25-45. DOI: 10.1533/9780857098481.2.25Harland J. Authorised EU health claims for barley and oat beta-glucans. In: M.J. Sadler (ed.). Foods, Nutrients and Food Ingredients with Authorised EU Health Claims 1st ed. Cambridge: Woodhead Publishing; 2014. p.25-45. DOI: 10.1533/9780857098481.2.25Конарев А.В., Лоскутов И.Г., Шеленга Т.В., Хорева В.И., Конарев Ал.В. Генетические ресурсы растений – неисчерпаемый источник продуктов здорового питания. Аграрная Россия. 2019;(2):38-48. DOI: 10.30906/1999-5636-2019-2-38-48Konarev A.V., Loskutov I.G., Shelenga T.V., Horeva V.I., Konarev Al.V. Plant genetic resources as an inexhaustible source of healthy food products. Agrarian Russia. 2019;(2):38-48. [in Russian]. DOI: 10.30906/1999-5636-2019-2-38-48Ковалева О.Н., Иванова Н.Н., Хорева В.И., Теплякова С.Б., Потокина Е.К. Каталог мировой коллекции ВИР. Выпуск 851. Ячмень. Агробиологическая характеристика образцов ячменя и результаты молекулярного тестирования аллелей генов фотопериодической реакции PPD и генов яровизации VRN. Санкт-Петербург: ВИР; 2017.Kovaleva O.N., Ivanova N.N., Khoreva V.I., Teplya kova S.B., Potokina E.K. Catalogue of the VIR global collection. Issue 851. Barley. Agrobiological characterization of barley accessions and results of molecular testing of alleles of PPD photoperiodic reaction genes and VRN vernalization genes. St. Petersburg: VIR; 2017. [in Russian]Красильников В.Н., Барсукова Н.В., Попов В.С. Бета-глюканы овса в функциональном и лечебном питании. Проблемы экономики и управления в торговле и промышленности. 2014;2(6):78-83.Krasilnikov V.N., Barsukova N.V., Popov V.S. Roles of oat beta-glucans in functional and dietetic food. Problemy ekonomiki i upravleniya v torgovle i promyshlennosti = Problems of Economics and Management in Trade and Industry. 2014;2(6):78-83. [in Russian]Lee C.J., Horsley R.D., Manthey F.A., Schwarz P.B. Comparison of β-glucan content of barley and oat. Cereal Chemistry. 1997;74(5):571-575. DOI: 10.1094/CCHEM.1997.74.5.571Lee C.J., Horsley R.D., Manthey F.A., Schwarz P.B. Comparison of β-glucan content of barley and oat. Cereal Chemistry. 1997;74(5):571-575. DOI: 10.1094/CCHEM.1997.74.5.571Loskutov I.G., Polonskiy V.I. Content of β-glucans in oat grain as a perspective direction of breeding for health products and fodder (review). Agricultural Biology. 2017;52(4):646-657. DOI: 10.15389/agrobiology.2017.4.646engLoskutov I.G., Polonskiy V.I. Content of β-glucans in oat grain as a perspective direction of breeding for health products and fodder (review). Agricultural Biology. 2017;52(4):646-657. DOI: 10.15389/agrobiology.2017.4.646engMcCleary B.V., Codd R. Measurement of (1→3),(1→4)-β-D-glucan in barley and oats: A streamlined enzymic procedure. Journal of Science Food and Agriculture. 1991;55(2):303-312. DOI: 10.1002/jsfa.2740550215McCleary B.V., Codd R. Measurement of (1→3),(1→4)-β-D-glucan in barley and oats: A streamlined enzymic procedure. Journal of Science Food and Agriculture. 1991;55(2):303-312. DOI: 10.1002/jsfa.2740550215Полонский В.И., Сурин Н.А., Герасимов С.А., Липшин А.Г., Сумина А.В., Зюте С.А. Оценка образцов ячменя на содержание β-глюканов в зерне и другие ценные признаки в условиях Восточной Сибири. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2021;182(1):48-58. DOI: 10.30901/2227-8834-2021-1-48-58Polonskiy V.I., Surin N.A., Gerasimov S.A., Lipshin A.G., Sumina A.V., Zute S.A. Evaluation of barley genotypes for the content of β-glucans in grain and other valuable features in Eastern Siberia. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2021;182(1):48-58. [in Russian]. DOI: 10.30901/2227-8834-2021-1-48-58Попов В.С., Перчук И.Н., Хорева В.И. Гравиметрический метод количественного определен растворимых β-глюканов в зерне овса. Биотехнология и селекция растений. 2021;4(1):5-12. DOI: 10.30901/2658-6266-2021-1-o1Popov V.S., Perchuk I.N., Khoreva V.I. A gravimetric method for the quantitative determination of soluble β-glucan content in oat grain. Plant Biotechnology and Breeding. 2021;4(1):5-12. [in Russian] DOI: 10.30901/2658-6266-2021-1-o1Regand A., Chowdhury Z., Tosh S.M., Wolever T.M.S., Wood P. The molecular weight, solubility and viscosity of oat beta-glucan affect human glycemic response by modifying starch digestibility. Food Chemistry. 2011;129(2):297-304. DOI: 10.1016/j.foodchem.2011.04.053Regand A., Chowdhury Z., Tosh S.M., Wolever T.M.S., Wood P. The molecular weight, solubility and viscosity of oat beta-glucan affect human glycemic response by modifying starch digestibility. Food Chemistry. 2011;129(2):297-304. DOI: 10.1016/j.foodchem.2011.04.053Саломатов А.С. Получение β-глюкана из ячменя методом кислотной экстракции. Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2015;6(128):130-134.Salomatov A.S. Acidic extraction of β-glucan from barley. Bulletin of Altai State Agricultural University. 2015;6(128):130-134. [in Russian]Shewry P.R., Piironen V., Lampi A.M., Nyström L., Li L., Rakszegi M. et al. Phytochemical and fiber components in oat varieties in the health grain diversity screen. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2008;56(21):9777-9784. DOI: 10.1021/jf801880dShewry P.R., Piironen V., Lampi A.M., Nyström L., Li L., Rakszegi M. et al. Phytochemical and fiber components in oat varieties in the health grain diversity screen. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2008;56(21):9777-9784. DOI: 10.1021/jf801880dSkendi A., Biliaderis C.G., Lazaridou A., Izydorczyk M.S. Structure and rheological properties of water soluble β-glucans from oat cultivars of Avena sativa and Avena bysantina. Journal of Cereal Science. 2003;38(1):15-31. DOI: 10.1016/S0733-5210(02)00137-6Skendi A., Biliaderis C.G., Lazaridou A., Izydorczyk M.S. Structure and rheological properties of water soluble β-glucans from oat cultivars of Avena sativa and Avena bysantina. Journal of Cereal Science. 2003;38(1):15-31. DOI: 10.1016/S0733-5210(02)00137-6Tikanoja S., Suoniemi-Kähärä A., Otama L. Method for determining the concentration of beta-D-glucan. Finland; patent number: EP2810051A1; 2014.Tikanoja S., Suoniemi-Kähärä A., Otama L. Method for determining the concentration of beta-D-glucan. Finland; patent number: EP2810051A1; 2014.Wood P.J. Oat and rye beta-glucan: properties and function. Cereal Chemistry. 2010;87(4):315-330. DOI: 10.1094/CCHEM-87-4-0315Wood P.J. Oat and rye beta-glucan: properties and function. Cereal Chemistry. 2010;87(4):315-330. DOI: 10.1094/CCHEM-87-4-0315Wood P.J., Beer M.U. Functional oat products. In: G. Mazza (ed.). Functional Foods: Biochemical and Processing Aspects. Lancaster, PA: Technomic Publishing Co.; 1998. p.1-37.Wood P.J., Beer M.U. Functional oat products. In: G. Mazza (ed.). Functional Foods: Biochemical and Processing Aspects. Lancaster, PA: Technomic Publishing Co.; 1998. p.1-37.Zhu F., Du B., Xu B. A critical review on production and industrial applications of beta-glucans. Food Hydrocolloids. 2016;52(2):275-288. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2015.07.003Zhu F., Du B., Xu B. A critical review on production and industrial applications of beta-glucans. Food Hydrocolloids. 2016;52(2):275-288. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2015.07.003

The authors declare that there are no conflicts of interest present.