Glutine di alcune varietà di grano: studio comparativo

La conoscenza della composizione del glutine del grano tenero, duro e farro è rilevante per la riuscita dei prodotti finali da forno (sopratutto salati) e/o per la produzione di pasta. Le caratteristiche del glutine sono altresì fondamentali se lo scopo è la realizzazione di prodotti idonei per persone geneticamente predisposte alla celiachia, per quelle sensibili al glutine non celiache e, estensivamente, per coloro che soffrono di infiammazioni intestinali. Per tutte queste persone è importante realizzare prodotti che siano il più possibile digeribili e tollerabili. Tra tutti i grani conosciuti il grano monococco è quello che viene considerato il più adatto per tale scopo.
Lo studio “Comparative Study on Gluten Protein Composition of Ancient (Einkorn, Emmer and Spelt) and Modern Wheat Species (Durum and Common Wheat). Sabrina Geisslitz et al. Published: 12 September 2019 in Foods (MDPI)” analizza alcune caratteristiche del glutine di alcuni grani (300) evidenziandone le differenze; analizza, inoltre, l’effetto su di essi dell’uso di fertilizzanti azotati nella coltivazione.

Il motivo dell’interesse nella ricerca di varietà di farro monococco, farro dicocco e farro spelta:
I grani “antichi” monococco (Triticum monococcum L., diploide), farro (T. dicoccum L., tetraploide) e farro (T. aestivum ssp. spelta, esaploide) sono stati coltivati in quantità molto ridotte rispetto al “moderno” specie di frumento frumento tenero (T. aestivum L., esaploide) e frumento duro (T. durum L., tetraploide) nel XX secolo. Le ragioni della scarsa coltivazione dei grani antichi sono le rese in granella inferiori del 30-60%, la presenza di lolla e le scarse proprietà di panificazione rispetto al grano tenero. Tuttavia, i grani antichi sono stati riscoperti negli ultimi 20 anni, poiché un numero crescente di consumatori associa il loro consumo a benefici sensoriali e per la salute dovuti al loro contenuto relativamente più elevato, ad esempio, di acido ferulico, vitamine, alchilresorcinoli e luteina.
Il grano tenero è il più adatto alla panificazione, perché la farina forma un impasto viscoelastico con un’elevata capacità di trattenere i gas quando viene mescolata con l’acqua. Al contrario, le farine di grani antichi producono impasti più morbidi con bassa elasticità e alta estensibilità a causa della scarsa qualità del glutine. Quest’ultima caratteristica si traduce in un glutine meno “forte” [1] e, quindi più digeribile. Inoltre il farro monococco e il farro dicocco non contengono la frazione di glutine (33mer” : Quantitation of the immunodominant 33-mer peptide from α-gliadin in wheat flours by liquid chromatography tandem mass spectrometry. Kathrin Schalk et al. 2017. Scientific Reports.) che è considerata quella che maggiormente attiva la risposta immunitaria nei soggetti celiaci oltre ad essere trale meno digeribili. Quest’ultima caratteristica fà si che questi grani, sopratutto il farro monococco [2] (più propriamente grano monococco) siano candidati principali per diminuire l’esposizione alla celiachia nei soggetti geneticamente predisposti.
In evidenza nello studio:
……omissis. Il contenuto proteico totale è stato ugualmente influenzato dalla localizzazione dell’area di coltivazione e dalle specie di grano, tuttavia, il contenuto di gliadina, glutenina e glutine è stato influenzato più fortemente dalle specie di grano che dalla localizzazione. Farro monococco (più propriamente grano monococco), farro dicocco e farro spelta avevano un contenuto proteico e di glutine più elevato rispetto al grano tenero in tutte e quattro le località scelte per la coltivazione. Tuttavia, il grano tenero aveva un contenuto di glutenina più elevato rispetto a farro monococco, farro dicocco e farro spelta, con conseguente aumento dei rapporti di gliadine rispetto a glutenine dal grano tenero (< 3,8) a farro spelta, farro dicocco e farro monococco (fino a 12,1). Con la consapevolezza che i contenuti di glutenina sono predittori adatti per ottenere un prodotto finale con un buon volume, sono state identificate cultivar che hanno questa caratteristica più accentuata. Infine, farro spelta, farro dicocco e farro monococco hanno una produttività con uso di fertilizzanti azotati (azoto singolo come fattore di input) più elevata rispetto al grano tenero e al grano duro, il che li rende colture promettenti per un’agricoltura più sostenibile.

….omissis. È generalmente accettato che le proteine del glutine siano uno dei fattori più importanti che determinano la qualità panificabile delle farine di frumento. Le proteine del glutine sono proteine di riserva e vengono classificate in gliadine (GLIA) solubili in alcool acquoso e glutenine (GLUT) solubili in alcool acquoso solo dopo riduzione dei legami disolfuro. Non solo la quantità, ma il rapporto tra GLIA e GLUT (GLIA/GLUT) ha dimostrato di essere responsabile di una buona qualità di panificazione. GLIA/GLUT del grano tenero è tipicamente 1,5–3,1 [12,13], ma uno studio recente ha mostrato che il GLIA/GLUT dei grani antichi era molto più alto (farro: 2,8–4,0; farro: 3,6–6,7; monococco: 4,2– 12.0).

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Quantificazione del contenuto di GLIA, GLUT, glutine e proteine totali
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Come previsto, il frumento tenero presentava il contenuto proteico più basso (media 96,1 mg/g) rispetto alle altre quattro specie di frumento e il grano duro quello più elevato (media 120,7 mg/g).
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In accordo con il contenuto proteico, il frumento tenero presentava il GLIA (media 41,2 mg/g) e il contenuto di glutine (media 80,4 mg/g) più bassi rispetto agli altri quattro frumenti.
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Il contenuto di GLUT è diminuito significativamente passando dal frumento tenero (media 16,6 mg/g) e dal farro (media 19,0 mg/g) al farro (media 10,3 mg/g), al grano duro (media 16,0 mg/g) e al farro (media 12,8 mg /g) in mezzo.
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Di conseguenza, le differenze nei contenuti di GLIA e GLUT hanno portato a differenze significative nei rapporti GLIA/GLUT. È stata osservata una significativa tendenza all’aumento per GLIA/GLUT delle cinque specie di frumento. Il frumento tenero aveva il GLIA/GLUT più basso (media 2,5) e il farro il più alto (media 6,5) con il farro (media 3,3), il grano duro (media 4,0) e il farro (media 4,9) in mezzo.
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Di solito il contenuto di glutine corrisponde all’80-90% [3] del contenuto proteico, ma qui era compreso tra il 60 e l’80%. Uno dei motivi della minore proporzione è che sono state analizzate le farine integrali e quindi erano presenti più proteine della frazione ALGL (frazioni di albumine/globuline) che nella farina bianca. Ciò ha confermato il nostro studio precedente, in cui l’ALGL corrispondeva al 17-32% del contenuto proteico totale e il glutine al 68-83%. Le variazioni nei contenuti di proteine, glutine, GLIA e GLUT osservate nel campione sono conformi alle aspettative, poiché è noto che i contenuti sono influenzati da specie e cultivar, nonché dalle condizioni di crescita.

….omissis. Efficienza nella resa proteica. Dato che nel frumento sono importanti non solo rese elevate in chicchi, ma anche alti contenuti proteici, l’efficienza della resa proteica è stata calcolata come rapporto della resa proteica, che è il prodotto del contenuto proteico e della resa in granella e della quantità di fertilizzante. È stato notevole che i grani antichi farro spelta, farro dicocco e farro monococco avessero una maggiore efficienza nella resa proteica rispetto ai grani moderni grano tenero e grano duro. Pertanto, per quanto riguarda solo la resa in granella o la resa in proteine, sembra che i grani antichi abbiano un potenziale migliore per utilizzare l’azoto in modo più efficiente rispetto ai grani moderni, sottolineando il loro potenziale come colture alternative per un’agricoltura sostenibile. I trattamenti agronomici, inclusa la fertilizzazione, sono stati eseguiti secondo le pratiche standard per i singoli siti basate sulla quantità minima di azoto richiesta e sull’esperienza locale, come è comune ed è stato riportato in precedenza. In questo modo le quantità di concime sono state adeguate alle rispettive esigenze delle specie di frumento ed hanno evitato l’allettamento di farro spelta, farro dicocco e farro monococco (frumento tenero e grano duro, 95–125 kg/ha; farro spelta, 60–95 kg/ha; farro dicocco e farro monococco, 0–75 kg/ha), pur garantendo una buona comparabilità dei campioni come dimostrato in precedenza.
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Indipendentemente dal luogo di coltivazione, il frumento tenero generalmente presentava il contenuto totale di proteine, GLIA e glutine più basso e il GLIA/GLUT più basso rispetto alle altre quattro specie di frumento. Il contenuto proteico di farro spelta, frumento duro, farro dicocco e farro spelta non differiva nettamente, poiché l’ubicazione di coltivazione aveva maggiore influenza su farro dicocco e farro monococco che su frumento tenero, farro spelta e frumento duro.

…..omissis. In generale, il farro spelta presentava il contenuto di glutine più elevato, ma non è stata osservata alcuna differenza nel glutine. Il GLIA/GLUT è stato influenzato dal luogo di coltivazione, come già riportato a causa delle condizioni ambientali (temperatura) e della quantità e del tempo della fertilizzazione.

….omissis. Abbiamo identificato una varianza genetica significativa per quasi tutte le specie di grano per quanto riguarda il contenuto di proteine, glutine, GLUT e GLIA, nonché il rapporto GLIA/GLUT, indicando che esistono cultivar all’interno di ciascuna specie di grano con diverse espressioni dei rispettivi tratti. Questo è un prerequisito per incrociare grani che qui è stato soddisfatto

….omissis. Infine, un basso contenuto di GLIA/GLUT e un alto contenuto di GLUT sono importanti per una buona qualità di panificazione. Sembra essere molto promettente selezionare grani con GLIA/GLUT ridotto una ottenere buona qualità di panificazione. Sembra essere molto promettente selezionare grani con contenuti di GLIA/GLUT ridotti e alti in GLUT nell’ulteriori incroci di farro spelta, farro dicocco e farro monococco.

…..omissis. Conclusioni
Il metodo Bradford, adattato per le proteine del grano, è uno strumento adatto per quantificare le proteine legate alla qualità e le frazioni proteiche di frumento tenero, farro spelta, frumento duro, farro dicocco e farro monococco. Il metodo è di facile utilizzo e consente l’analisi di routine di un elevato numero di campioni in breve tempo. Inoltre, come materiale di riferimento per la calibrazione abbiamo utilizzato frazioni isolate di GLIA e GLUT dal grano tenero, adatte a tutte e cinque le specie di grano. Ciò ha compensato un grande svantaggio del saggio Bradford, poiché l’assorbanza e il legame del colorante dipendono dalla sequenza amminoacidica delle proteine analizzate.

Per la prima volta sono stati analizzati il contenuto proteico e di glutine e la composizione proteica del glutine (GLIA e GLUT) di 15 cultivar ciascuna di frumento tenero, farro spelta, frumento duro, farro dicocco e farro monococco coltivate in quattro diverse località in Germania. A nostra conoscenza, questo è il primo studio che mette a confronto le cinque specie di grano coltivate in quattro località. Pertanto, questo studio rappresenta un solido set di dati per tutte e cinque le specie di grano che mostra l’effetto delle specie di frumento, ma anche gli effetti di diverse localizzazioni sul contenuto di proteine e glutine e sulla composizione proteica del glutine.

I principali parametri proteici correlati alla qualità della panificazione sono un elevato contenuto di GLUT e un rapporto GLIA/GLUT relativamente basso. Ciò consente l’identificazione di cultivar all’interno di specie di grano per ottenere un prodotto finale con un buon volume indipendentemente dal luogo di coltivazione. Per migliorare l’impasto e le proprietà di panificazione del farro monococco e del farro dicocco, i programmi di coltivazione dovrebbero selezionare un basso contenuto di GLIA/GLUT e un alto contenuto di GLUT. Inoltre, il grano tenero aveva il contenuto di proteine, glutine e GLIA più basso, il che è in realtà contrario alle aspettative dei consumatori che in genere pensano che i grani antichi abbiano un contenuto di glutine inferiore. Un effetto collaterale dell’aumento della coltivazione di farro spelta, farro dicocco e farro monococco è il loro PFP azotato più elevato rispetto al grano tenero. Questo rende questi grani antichi colture interessanti per un’agricoltura più sostenibile.

Parole chiave: qualità della panificazione; gliadina; glutenina
Riferimenti:

[1] Perchè il glutine del monococco è meno forte di quello del grano duro e del grano tenero: la struttura del glutine è composta da glutenine che formano una struttura chiamata macropolimero (lo scheletro del glutine) che ingloba le gliadine. Le glutenine sono collegate tra loro da legami disolfuro che sono molto resistenti alla scissione. Il monococco ha più gliadine che glutenine rispetto agli altri grani, ha, quindi, uno “scheletro” meno sviluppato che rende il suo glutine meno “forte” . La maggiore presenza di gliadine rende, inoltre, gli impasti viscosi e soffici.

[2]“ Recent studies suggested that gliadin proteins from the ancient diploid einkorn wheat Triticum monococcum retained a reduced number of immunogenic peptides for celiac disease patients because of a high in vitro digestibility with respect to hexaploid common wheat. In this study, we compared the immunological properties of gliadins from two Triticum monococcum cultivars (Hammurabi and Norberto-ID331) with those of a Triticum durum cultivar (Adamello). Gliadins were digested by mimicking the in vitro gastrointestinal digestion process that includes the brush border membrane peptidases. Competitive ELISA, based on R5 monoclonal antibody, showed that gastrointestinal
digestion reduced the immunogenicity of Triticum monococcum gliadins; conversely, the immunogenic potential of Triticum durum gliadins remained almost unchanged by the in vitro digestion. The immune stimulatory activity was also evaluated by detecting the IFN-γ production in gliadin-reactive T-cell lines obtained from the small intestinal mucosa of HLA-DQ2+ celiac disease patients. Interestingly, gastrointestinal digestion markedly reduced the capability of Triticum monococcum gliadins (p < 0.05) of both cultivars to activate T cells, while it slightly affected the activity of Triticum durum. In conclusion, our results showed that Triticum durum was almost unaffected by the in
vitro gastrointestinal digestion, while Triticum monococcum had a marked sensibility to digestion, thus determining a lower toxicity for celiac disease patients.” Comparative Analysis of in vitro Digestibility and Immunogenicity of Gliadin Proteins From Durum and Einkorn Wheat. Luigia di Stasio et al. Frontiers in Nutrition maggio 2020). [3] I chicchi di grano sono costituiti da diversi tessuti e la macinazione viene utilizzata per separare l’endosperma amidaceo (83% in peso secco (dw) come farina bianca dall’embrione (3% in dw), aleurone e strati di grano esterni (14% in dw) che insieme formano la crusca [5]. L’endosperma amidaceo, e quindi la farina bianca, contiene il 75-85% di amido e il 10-15% di proteine per dw. (Characterisation of Grains and Flour Fractions from Field Grown Transgenic Oil-Accumulating Wheat Expressing Oat WRI1; Per Snell et al. Published: 26 March 2022. Plants.)