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Proteomic analysis of barley cultivars
investigation of disulfide interactions and their influence on gluten network formation for bread baking
Julia Füreder
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Chemie
Betreuer*in
Barbara Lieder
DOI
10.25365/thesis.74106
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-28314.56442.202078-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Gerste (Hordeum vulgare) ist eine Kulturpflanze, deren Potential in der heutigen Lebensmittelindustrie nicht komplett ausgenutzt wird, obwohl sie weltweit die am vierthäufigsten angebaute Nutzpflanze ist. Ihre Verwendungszwecke beschränken sich hauptsächlich auf die Tierfutter- und Malzproduktion. Gerste ist eine reichhaltige Quelle an Ballaststoffen wie β-Glucanen, die sich positiv auf unsere Gesundheit auswirken können. Darüber hinaus zeigt Gerste eine gute Anpassungsfähigkeit an ungünstige Anbaubedingungen, was zum Vorteil verwendet werden kann. Aufgrund dieser Vorteile wird erwartet, dass der Einsatz von Gerste in Lebensmitteln in Zukunft zunehmen wird. Eine Möglichkeit, die Einsatzgebiete zu erweitern, wäre die Verwendung in Brot. Dieses Vorhaben steht jedoch aufgrund ihrer ungünstigen Backeigenschaften vor Herausforderungen, die vermutlich auf die unzureichende Ausbildung eines Glutennetzwerks zurückzuführen sind, das entscheidend für die Teigqualität ist. Das vollständige Verständnis der Glutenstruktur ist noch fortlaufend. Es wird angenommen, dass die Basis bei Weizen die Bildung von Disulfidbrücken zwischen hoch- und niedermolekulare Protein-Untereinheiten (HMW/LMW-GS) ist. Um das Proteinprofil von drei Sorten, nämlich PS3, Golden Promise und Wildgerste umfassend zu analysieren, wurde ein Extraktionsprotokoll zur Osborne-Fraktionierung implementiert. Dieses Protokoll trennt Proteine in Albumine, Globuline, Prolamine und Gluteline, auf der Grundlage ihrer Löslichkeit in einer Reihe von Extraktionsmitteln. Der Einfluss der Korngröße auf die Extraktionseffizienz wurde untersucht, erwies sich jedoch als marginal. Darüber hinaus wurde ein Vergleich zwischen drei verschiedenen Methoden zur Quantifizierung durchgeführt, nämlich dem Bradford Assay, der Dumas-Methode und dem Nanodrop. Die Ergebnisse zeigten, dass der Bradford Assay die zuverlässigsten Ergebnisse lieferte. Die Proteinprofile aller drei Kultivare wurden mit 1/2-dimensionaler Gelelektrophorese (1/2D-GE) analysiert. Ein Vergleich der Proteinprofile zeigte Unterschiede zwischen den Sorten, insbesondere in Bezug auf ihr C-Hordein Profil. Darüber hinaus wurden durch den Vergleich von reduzierenden und nicht-reduzierenden Bedingungen während der Probenvorbereitung Proteine identifiziert, die Disulfidbrücken bilden. Bestimmte Proteine, die am Disulfidnetzwerk beteiligt sind, wurden mit Matrix–Assistierte Laser–Desorption–Ionisierung – Flugzeitanalyse Massenspektrometrie (MALDI-ToF MS) untersucht. Folglich kann erwogen werden, dass das Gersten-Glutennetzwerk aus D-Hordeinen besteht, die als strukturelles Rückgrat fungieren, ähnlich wie HMW-GS in Weizen, während B- und γ-Hordeine als monomere Einheiten wie LMW-GS in Weizen fungieren. Es gibt immer noch erhebliche Wissenslücken, warum Gerstenbrot schlechtere Backeigenschaften aufweist. Diese Lücken sind Gegenstand weiterer Forschung.
Abstract
(Englisch)
Barley (Hordeum vulgare) is an underutilized crop in today’s food industry, despite being the fourth most produced crop in the world. Its primary purposes are currently limited to animal feed and malt production. Barley is a rich source of dietary fibre like β-glucans, which can be beneficial for our health. Furthermore, barley shows good adaptability to unfavourable growing conditions, which can be employed to advantage. Due to these benefits, it is anticipated that the use of barley in food products will increase in the future. One way to increase its use would be to incorporate it into bread. This, however, faces challenges due to the unfavourable bread baking properties of barley, which are believed to be caused by the inadequate formation of a gluten protein network, that is crucial for dough quality. The full understanding of the gluten network is still an ongoing process, the foundation in wheat, however, is believed to be disulfide bond formation between high- and low-molecular weight gluten protein subunits (HMW/LMW-GS). To comprehensively analyse the protein composition of three barley cultivars, namely PS3, Golden Promise and Wild Barley, a protocol for Osborne fractionation extraction of barley proteins was established. This protocol separates proteins into albumins, globulins, prolamins and glutelins, based on their solubility in a series of extraction agents. The impact of grain size on the extraction efficiency was examined but found to be only marginal. Furthermore, a comparative analysis was conducted to evaluate three protein quantification methods: the Bradford Assay, the Dumas method, and the Nanodrop. The results indicated that the Bradford Assay yielded the most reliable outcomes. The protein profiles of all three barley cultivars were analysed using 1/2-Dimensional Gel Electrophoresis (1/2D-GE) techniques. A comparison between the protein profiles of the cultivars highlighted differences, particularly in terms of their C-hordein composition. Furthermore, by comparing reducing and non-reducing conditions during the sample preparation process, proteins affected by disulfide bond formation, were examined. Certain protein spots involved in the disulfide network were subjected to Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization – Time of Flight mass spectrometry for protein identification. Consequently, it can be proposed that the barley gluten network comprises D-hordeins, acting as the structural backbone, similar to HMW-GS in wheat, while B- and γ-hordeins function as the monomeric units like LMW-GS in wheat. There remain significant gaps in knowledge as to why barley bread has poor baking properties, which are subject for further research.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Gerste Backeigenschaften Proteomics Massenspektrometrie Lebensmittelchemie
Schlagwörter
(Englisch)
Barley Bread Baking Properties Proteomics Mass Spectrometry Food Chemistry
Autor*innen
Julia Füreder
Haupttitel (Englisch)
Proteomic analysis of barley cultivars
Hauptuntertitel (Englisch)
investigation of disulfide interactions and their influence on gluten network formation for bread baking
Paralleltitel (Deutsch)
Proteomische Analyse von Gerstensorten
Paralleluntertitel (Deutsch)
Untersuchung von Disulfid-Wechselwirkungen und ihr Einfluss auf Gluten Netzwerkbildung zum Brotbacken
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
98 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Barbara Lieder
AC Nummer
AC16924445
Utheses ID
67903
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |