Transcript visc - Di.Pro.Ve.

IL FRUMENTO: UN PO’ DI GENETICA DELLA QUALITA’
Patrizia Vaccino
CRA-SCV, Unità per la Selezione dei Cereali e la Valorizzazione delle
varietà vegetali
S. Angelo Lodigiano (LO)
IL FRUMENTO NEL MONDO
Nel mondo si coltivano circa 220 milioni di ettari di frumento
Argentina; 4.6
North Africa;
4.11
Middle
East; 16.39
Area (mil ha)
Others; 18.16
USA; 19.27
China; 24.32
Australia;
13.65
Canada;
8.27
EU-27;
26.11
South Asia;
39.79
Former Soviet
Union; 48.55
Superficie mondiale (milioni di ettari) coltivata a frumento nella campagna
agraria 2010/11. (Fonte USDA)
…..IN EUROPA
In Europa si coltivano circa 26.11 milioni di ettari di frumento
Area (mil ha)
Bulgaria;
1.13
Others; 4.29
France; 5.43
Romania; 2.15
Germany; 3.23
UK; 1.94
Hungary;
1.01
Spain; 1.94
Poland; 2.41
Denmark;
0.77
Italy; 1.81
Superficie europea (milioni di ettari) coltivata a frumento nella campagna
agraria 2010/11. (Fonte USDA)
…..IN ITALIA
531.000 hectares
BREAD
WHEAT
Organic
farming
Integrated crop
management
DURUM
WHEAT
1.195.000 hectares
4
Il frumento è tra i cereali più
versatili
nel suo utilizzo per
l’alimentazione
Hexaploid wheat
Sweets and
cakes Home-made
12,4% preparations
4,9%
bread
66,3%
pasta
0,6%
expoxt
7,7%
others
8,1%
5
IL GLUTINE
6
PROTEINE DELLA CARIOSSIDE
7
Osborne, 1924
ALBUMINS
GLOBULINS
(water)
(dilute saline)
15 – 25 %
Proteases, lipases, oxidase, amylases, phosphatases
SOLUBLES
GLIADINS
GLUTENINS
(70% ethanol)
(dilute acid or alkali)
75 – 85 %
UNSOLUBLES
GLUTEN PROTEINS
GLUTEN PROTEINS
Monomeric
Aggregative
GLIADINS
GLUTENINS
w-gli
S-poor
prolamins
11%
g-gli
a/b-gli
LMW-GS
S-rich
prolamins
70-80%
HMW-GS
HMW
prolamins
10%
GLIADINS
w-gli
g-gli
a/b-gli
A-PAGE (pH 3.1)
30-80 KDa
GLUTENINS
SDS-PAGE
HMW-GS
60-100 kDa
LMW-GS
30-50 kDa
S-poor prolamins w-gli
NH2
N
PQQPFPQQ
S-rich prolamins
NH2
N
PQQPFPQ
COOH
30-80 KDa
a/b-, g-gli, LMW-GS
A
SH SH
I2
B
SH SH SH SH
I3
C
SH SH
I4
COOH
30-55 KDa
HMW prolamins
x-type
* extra Cys in Dx5
y-type
HMW-GS
PGQGQQ + GYYPTSPQQ + GQQ
NH2
SH
SH SH SH SH*
NH2
83-88 KDa
PGQGQQ +
GYYPTSPQQ
SH SH SH SH SH
67-74 KDa
SH
SH
STRUCTURAL MODEL
MODEL OF GLUTEN STRUCTURE
w-gli
Gli-A617
g, w, (b)-gli
w-gli
Gli-A11
Gli-A4 6
w-gli
2
Glu-B4 13
w-gli
Gli-B5 7
1.4
1D
B-LMW
Glu-B3
1.8
Glu-B2 9 D-LMW
Gld-B6 10
w-gli
Gli-B11
Gli-B3 5,4,8,10
w-gli, B-, D-LMW
Glu-B2 9,13,18
3.07
20.9
Glu-B1
17
HMW
Gli-D1 B-LMW
Glu-D3
HMW
●
2
22
Gli-D5
●
25-36
g, w, (b)-gli
1B
Glu-A1
Gli-A3 3,4,5
1.3
5
GENETIC
CONTROL
w-gli, D-LMW
Gli-A5 7 B-LMW 2,11
Glu-A3
1A
HMW
HMW
Glu-A1
Gli-A3 17
Glu-D4 16
Glu-D1
●
GENETIC CONTROL
GLUTENINS
Glu-A1
Glu-B1
Glu-D1
QUALITY SCORE
BREAD-MAKING QUALITY (BMQ)
 HMW-GS and LMW-GS greatly affect BMQ
 The effects of HMW and LMW alleles are
largely additive
BREAD-MAKING QUALITY (BMQ)
The allelic effects of HMW and LMW are due to
the variation in the QUANTITY and
SIZE DISTRIBUTION of the polymers
The allelic effects are related to the amounts
and/or types of the glutenin subunits
BREAD-MAKING QUALITY (BMQ)
 Gliadins are believed to be important for
viscosity of the dough
AMIDO
amylopectin
72-75%
104-105 unità
107-109 Da
amylose
Granuli “A”
Ø 15-30 mm
Più del 70% in peso di amido
Meno del 10% del n°granuli
Granuli “B”
Ø < 10 mm
Meno del 30% in peso
Più del 90% del n°
unità
25-28% 500-3000
5
6
10 -10 Da
25
AMIDO
Alto livello di organizzazione – gerarchico dei granuli
La struttura di un livello di organizzazione determina quella dei livelli successivi
Grappolo- cluster
Strati concentrici lamelle
26
AMIDO
La struttura può essere disorganizzata/distrutta con trattamenti termici,
chimici, enzimatici
GELATINIZZAZIONE
Passaggio dell’amido dalla struttura cristallina e ordinata alla struttura amorfa,
con le caratteristiche di un gel.
Indispensabile riscaldamento (50-55 °C) in ambiente acquoso
I granuli di amido, idratandosi progressivamente, si gonfiano. Il rigonfiamento
inizia dalle zone amorfe e si diffonde
Amilopectina e amilosio entrano in soluzione formando legami con le molecole
di acqua.
Il risultato si traduce in una diminuzione dell’acqua libera e conseguente
viscosità più o meno consistente della sospensione.
Gelatinizzazione è alla base di numerose determinazioni relative all’amido (det.
enzimatica amido totale, studio proprietà tecnologiche con metodi
viscosimetrici, ecc.)
27
HARDNESS
Soft
Frattura farinosa, amido poco danneggiato e granuli intatti
Medium
Hard
Frattura vitrea, amido molto danneggiato e granuli rotti
Grani soft: minore energia e tempo di macinazione, maggiore resa.
Destinati alla produzione di biscotti e dolci
Grani hard: maggiore energia e tempo di macinazione. L’amido danneggiato
assorbe più acqua, risulta più suscettibile ad attacco enzimatico;
alti livelli di fermentazione, più gas e maggiore volume dei
prodotti.
Destinati alla produzione di pane e prodotti lievitati
28
HARDNESS
E’ dipendente dalle modalità di interazione proteine/amido durante la
maturazione del granello.
Influenza ambientale
 Carattere genetico semplice
 Locus principale (Ha) su cromosoma 5DS
 3 geni: Pin a, Pin b e Gsp-1
 Puroindoline (15 KDa)
 5 domini ricchi in Triptofano, da cui nome “puroindoline”
 Puroindoline: lipid binding proteins
29
HARDNESS
Puroindolina a (Pin a)
Puroindolina b (Pin b)
Nella forma wt: softness
Se almeno una assente o mutata: hardness
Se entrambe assenti (f. duro): very hard
Ad oggi 17 alleli Pin a e 25 alleli Pin b
Le puroindoline, con la Grain Softness Protein, costituiscono il complesso
proteico friabilina, che regola il grado di adesione dei granuli di amido alla
matrice proteica
+ Pin a
Li Y, et al). PLoS ONE 7(11): e50057. doi:10.1371/journal.pone.0050057
- Pin a
30
COS’E’ LA QUALITA’
32
NIT – Near-Infrared Transmittance
Peso ettolitrico
Umidità
Durezza cariosside
Contenuto proteico
35
NIRS – Near-Infrared Reflectance System
Umidità
Durezza cariosside
Contenuto proteico
36
Sfarinato integrale
Farina
Hard
Soft
31/03/2014
37
Farine
38
CENERI
Decreto del Presidente della Repubblica 9 febbraio 2001, n.187
Denominazione
del prodotto (in
Italia)
Umidità max
Ceneri min
Ceneri max
Proteine min
Farina di grano
tenero tipo 00
14,50%
–
0,55%
9,00%
Farina di grano
tenero tipo 0
14,50%
–
0,65%
11,00%
Farina di grano
tenero tipo 1
14,50%
–
0,80%
12,00%
Farina di grano
tenero tipo 2
14,50%
–
0,95%
12,00%
Farina integrale di
grano tenero
14,50%
1,30%
1,70%
12,00%
39
CENERI
31/03/2014
40
CENERI
41
VOLUME DI SEDIMENTAZIONE IN SDS
Rigonfiamento e flocculazione
delle proteine in SDS ed acido
lattico
Volume del sedimento
proporzionale a qualità
Piccole quantità di materiale (5g)
Ottimo test nelle prime fasi del
breeding
CONTENUTO IN GLUTINE
Quantità glutine umido
Quantità glutine secco
Gluten index (GI)
glutine tenace/totale
43
FARINOGRAFO DI BRABENDER
44
FARINOGRAFO DI BRABENDER
45
ALVEOGRAFO DI CHOPIN
46
47
48
49
50
PANIFICAZIONE
FORMAZIONE IMPASTO
51
PANIFICAZIONE
PEZZATURA
RULLATURA
52
PANIFICAZIONE
LIEVITAZIONE
53
PANIFICAZIONE
RULLATURA
LIEVITAZIONE
54
PANIFICAZIONE
55
56
INDICE SINTETICO DI QUALITA’ (ISQ)
Test
alveografico
Classe ISQ
Proteine
(% s.s.)
W
(J 10-4)
Frumenti di Forza (FF)
13,5-14,4
Frumenti Panificabili
Superiori (FPS)
Test
farinografico
P/L
Stabilità
(min)
Falling
number
(s)
Peso
ettolitrico
(kg/hL)
300340
0,7-1,2
13-16
> 250
>75
11.5-12.5
>250
< 0.8
9-11
> 220
>75
Frumenti Panificabili
(FP)
10.0-11.0
170200
< 0.7
5-6
> 220
>75
Frumenti da Biscotto
(FB)
9.0-10.0
80-110
< 0.5
>4
> 220
>75
57
DISTRIBUZIONE SEME CERTIFICATO NELLE
CLASSI QUALITATIVE
(% seme certificato)
58
59
60
AMIDO
amylopectin
72-75%
amylose
25-28%
Granuli “A”
Granuli “B”
61
AMIDO
Basso amilosio - WAXY
Aumenta shelf-life dei prodotti da forno
perché riduce retrogradazione
Produzione di noodles
62
wx
wx-AB
wx-AD
wx-AB
wx-D
wx-B
Wx-A1
wx-A
L’enzima responsabile della
sintesi di amilosio è la
Granule-Bound Starch
Synthase (GBSS-I) o Waxy
protein
wt
Basso amilosio - WAXY
Wx-D1
Wx-B1
GBSS-I
3 Isoforme
• Wx-A1
• Wx-B1
• Wx-D1
chrom. 7AS
chrom. 4AL
chrom. 7DS
63
RVA (Rapid Visco-Analyser)
Misura i cambiamenti subiti dalla viscosità di una sospensione acqua-farina
durante il riscaldamento ed il successivo raffreddamento
64
Profilo RVA
Peak viscosity: viscosità max
Peak time: tempo a cui è raggiunta la visc max
Pasting temperature: T di gelatinizzazione
Breakdown: visc max - visc min
Final viscosity: viscosità finale
Setback (consistenza): viscfin – viscmin
Retrogradazione: viscfin – viscmax
65
PROFILI RVA (Rapid Visco Analyser)
WAXY lines
Not Waxy lines
Salgemma
commercial flour
BHWX14-7
BHWX2-2a
Wx118
Wx70
Wx119
Wx116
L’amido waxy gelatinizza più velocemente ed è più resistente alla
retrogradazione
Caratterizzazione qualitativa – panificazione
CF
BHWX14-7
BHWX2-2a
Wx 116
CAROTENOIDI
Pigmenti fotosintetici
Funzione antiossidante
Provitamina A
Si localizzano principalmente nel germe e nell’endosperma
68
CAROTENOIDI
35
T. monococcum
30
T. turgidum
T. aestivum
N° samples
25
20
15
10
5
0
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
mg/kg ss
10-12
12-14
69
LIPOSSIGENASI
Attività LOX media
T. aestivum ssp spelta
8.94
T. aestivum ssp aestivum
6.18
T. turgidum ssp dicoccum
2.89
T. turgidum ssp durum
2.55
T. monococcum ssp monococcum
0.45
TOCOFEROLI E TOCOTRIENOLI
Vitamina E
45
N° samples
T. monococcum
40
T. turgidum
35
T. aestivum
30
Presenti soprattutto nel germe e
nella crusca
Mantenimento dell’integrità delle
membrane
25
20
15
Funzione antiossidante
10
5
0
20-40
40-60
60-80
mg/kg ss
80-100
100-120
Possibile ruolo in immunità,
riparazione danni DNA e altri
processi metabolici
COMPOSTI FENOLICI
• Acidi fenolici
• Flavonoidi
• Stilbeni
• Coumarine
• Tannini
• Lignani
Prodotti del metabolismo secondario delle piante
Funzioni essenziali per riproduzione e crescita:
-Difesa contro patogeni, predatori
-Contribuiscono al colore
72
COMPOSTI FENOLICI
Nell’ultimo decennio sono fonte di interesse scientifico poiché è
stato provato che sono coinvolti nella riduzione delle patologie
cardiache legate alle coronarie, nella prevenzione del cancro, nel
miglioramento della vista, hanno funzione antiossidante e
antinfiammatoria.
73
COMPOSTI FENOLICI
Sono in corso analisi biochimiche…
4B
…..e molecolari
74
AMIDO RESISTENTE (AR)
Identificato un ventennio fa come un residuo che
interferiva con l’analisi chimica delle fibre, sta assumendo
un ruolo fondamentale nella dieta, poiché si è visto che
contribuisce a tutti quei benefici che venivano ascritti
essenzialmente alla fibra.
Porzione di amido (circa 5%) che non viene assimilato nella
parte superiore del tratto gastrointestinale, arrivando
integro all’intestino crasso, dove viene processato dalla
microflora locale.
75
AMIDO RESISTENTE (AR)
AR ha importanti funzioni fisiologiche:
-Abbassamento Indice Glicemico (IG), che sta emergendo
come valido mezzo per contrastare l’incidenza e severità del
diabete di tipo II.
-Fondamentale per la salute del colon, grazie alla sua
degradazione ad acidi grassi a corta catena (Short Chain
Fatty Acid, SCFA) quali butirrato, propionato ed acetato, che
si ritengono fondamentali per la funzionalità ottimale
dell’intestino.
- Sembra interferire con il metabolismo dei grassi.
76
AMIDO RESISTENTE (AR)
La proporzione di AR consumata può essere
incrementata aumentando il consumo di amidi che siano
naturalmente più resistenti alla digestione, tra questi gli
amidi con elevato contenuto in amilosio.
Sono in corso studi a livello internazionale allo
scopo di costituire nuove varietà di frumento ad
alto amilosio per la sviluppo di alimenti funzionali
a base di frumento
77
Grazie per l’attenzione!
31/03/2014
[email protected]
78
India, Cina
Meridionale,
Filippine, USA
meridionale, Italia
Giappone, Corea, Cina
settentrionale, Brasile,
USA, Egitto, Italia
Differenziazione
pre-domesticazione
Oryza sativa
Oryza glaberrima
Africa
80
Garris et al (2005). Genetics 169, 1631-1638.
81
82
Reg.to CE n. 1234/2007
length
length/width
Tondo
≤ 5,2 mm
<2
Medio
5,2 < l < 6,0 mm
<3
Lungo A
> 6 mm
< 2 < l/w < 3
Lungo B
>6
≥3
83
PERLATURA/CHALKINESS
 Effetti genetici
 Effetti ambientali (elevate temperature notturne
durante la fase di riempimento della cariosside
tendono ad incrementarne la presenza)
 Non uniforme disposizione dell’amido
 Struttura meno ordinata tra gli amiloplasti e granuli di amido
 Presenza di sacche d’aria nell’endosperma
84
PERLATURA/CHALKINESS
Assente
Poco estesa
Centrale, molto estesa
Centro-laterale, poco estesa
Centro-laterale, molto estesa
85
PERLATURA/CHALKINESS
Influenza caratteristiche alla cottura e alla masticazione
Si pensa che gli spazi d’aria nelle cariossidi perlate consentano maggiore
rigonfiamento dei granuli di amido durante la cottura, rendendo la
cariosside più morbida
Può influenzare la resa in riso lavorato per la maggiore vulnerabilità
verso le forze impiegate nella lavorazione
86
QUALITA’
?
87
AMIDO
Amilosio
Amilopectina
+
Amilosio è considerato il principale componente dell’amido in grado di
influenzare il comportamento alla cottura e alla masticazione
10-20%, granello cotto colloso e poco consistente
> 20%, granello cotto poco colloso e con buona consistenza
88
Determinazione amilosio apparente
Metodo colorimetrico
Analisi del complesso amilosio/iodio pH 4,5-4,8 (620 nm)
Classificazione del riso in base alla concentrazione di
amilosio
Amilosio apparente
Waxy
0-2 %
Molto basso
2-10 %
Basso
10-20 %
Intermedio
20-25 %
Alto
> 25 %
89
GELATINIZZAZIONE
Passaggio dell’amido dalla struttura cristallina e ordinata alla struttura
amorfa, con le caratteristiche di un gel.
Indispensabile riscaldamento in ambiente acquoso
I granuli di amido, idratandosi progressivamente, si gonfiano
Amilopectina e amilosio entrano in soluzione formando legami con le
molecole di acqua.
Il risultato si traduce in una diminuzione dell’acqua libera e con una
viscosità più o meno consistente della sospensione
90
RVA (Rapid Visco-Analyser)
Misura i cambiamenti subiti dalla viscosità di una sospensione acqua-farina
durante il riscaldamento ed il successivo raffreddamento
91
Profilo RVA
Peak viscosity: viscosità max
Peak time: tempo a cui è raggiunta la visc
max
Pasting temperature: T di gelatinizzazione
Breakdown: visc max - visc
min
Final viscosity: viscosità finale
Setback (consistenza): viscfin – viscmin.
Caratteristica di ciascun riso, di ricomporre la
struttura amilacea dopo la scomposizione
dovuta alla temperatura. rappresenta un
aspetto importante della qualità
Retrogradazione: viscfin – viscmax
92
All’aumento del contenuto in amilosio corrisponde un aumento proporzionale dei
parametri RVA
Il valore di caduta è una peculiarità discriminante tra le varietà
Elevata viscosità finale è indice di elevato tenore in amilosio
93
Anton
i
PC: 9,1%
Upla
91
PC: 6,7%
Ruolo proteine
Comportamento in cottura: possono limitare perdita di sostanze, incrementando
consistenza e riducendo collosità
Valore nutrizionale: OK per celiachia
Resa alla lavorazione
94
Alkali test
Misura indiretta della temperatura di gelatinizzazione
KOH 1,7%, 23 h, 30°C
95
Tempo di gelatinizzazione
10 min
14 min
Registrazione del n° di granelli
gelatinizzati durante la cottura del riso in
eccesso di acqua.
Dopo 10 min di cottura, a intervalli di 60’,
si prelevano 10 cariossidi e si
comprimono, valutando granelli
gelatinizzati
Grafico con tempo (ascisse) e % granelli
gelatinizzati (ordinate): calcolo del tempo
necessario per gelatinizzare il 90% dei
granelli
19 min
Range riso italiano: 14-24 min
96
Allungamento granello dopo cottura
Macerazione in acqua per 30 min
Cottura per 10 min
Rapporto allungamento:
lungh. media riso cotto/lungh. media
prima di cottura
97
Consistenza (hardness) del riso cotto
Si basa sulla forza di estrusione, attraverso una griglia
forata, del riso lavorato cotto a vapore.
Cottura: 20 g riso + 38 mL acqua, trattamento con vapore
per 20 min, 10 min senza fornire energia
Raffreddamento: circa 2 h
Estrusione
Hardness: forza massima impiegata dal pistone di 7,5 cm2,
azionato a 10 cm/min, per estrudere riso cotto
Cella Ottawa
Osservata correlazione positiva con contenuto
amilosio apparente
98
Stickiness (collosità)
Si determina comprimendo 2 g di riso cotto con pistone cilindrico
(diam 7 cm) a 0,5 cm/min, fino a pressione di 640 g.
Indice di collosità
Lavoro impiegato per distaccare il riso
dalle due superfici
Osservata correlazione negativa con contenuto
in amilosio apparente
99
NIRS
Risone
Integrale
Bianco
Basso amilosio
Medio amilosio
Alto amilosio
31/03/2014
100
Polifenoli
Proantocianidine
Antocianine
Proprietà antiossidanti
Riduzione livelli sierici di LDL e aumento
HDL
Riduzione formazione placche
aterosclerotiche
101
102
Grazie per l’attenzione
Milano
[email protected]
103