Molekulare Analyse von Proteinen in Weizenmehlfraktionen und -extrakten zur Vorhersage von Backeigenschaften

Mit einer Prognose für das Jahr 2024 von 792,2 Mio. Tonnen für den Weizenanbau
weltweit zählt Weizen zu den wichtigsten Getreidesorten. Ca. 95 % des gesamten
angebauten Weizens ist Weichweizen, der wegen der einzigartigen funktionellen
Eigenschaften seiner Proteine bei der Weiterverarbeitung zu Brot genutzt wird.
Weizenproteine werden aufgrund ihrer Löslichkeit in Albumine, Globuline, Gliadine und
Glutenine unterschieden. Dabei bilden Gliadine und Glutenine das Speicherprotein
Gluten. Die Gliadine werden in die α-, γ-, ω1,2- und ω5-Gliadine unterteilt und die
Glutenine in die niedermolekularen und hochmolekularen Gluteninuntereinheiten
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(LMW-GS und HMW-GS). Bei der Teigverarbeitung bildet das Gluten ein
viskoelastisches Netzwerk aus und es entstehen große Polymere wie das
Gluteninmakropolymer (GMP). Die in Natriumdodecylsulfat löslichen Proteine (SDSL)
stellen die übrigen Proteine neben dem GMP dar.
In dieser Arbeit wurden 77 kommerzielle Weichweizenproben (Weizenmuster)
unterschiedlicher Herkunft und Weizenmehlfraktionen aus Windsichtung und
Luftstrahlsiebung mit der modifizierten Osborne-Fraktionierung und SDSL/GMPBestimmung untersucht. Von den ermittelten Proteingehalten der Weizenmuster
zeigten der SDSL/GMP- und SDSL-Gehalt starke Korrelationen zum spezifischen
Brotvolumen. Gluten, Glutenine und HMW-GS zeigten eine mittlere Korrelation. Für
die Windsichtung wurde eine Proteinanreicherung in der Feinfraktion beobachtet,
während für die Glutenproteinanteile mit der Luftstrahlsiebung keine signifikante
Veränderung festgestellt wurde. Durch die gezielte Untersuchung der
Osborne-Fraktionierung mittels Fingerptinting war es möglich die Weizenmuster
miteinander zu vergleichen und spezifische Unterschiede und Gemeinsamkeiten in der
Proteinzusammensetzung hervorzuheben. Damit wurde das Probensortiment für
weitere Analysen repräsentativ zusammengestellt. Mittels eines vergleichenden
Ansatzes der zweidimensionalen Gelelektrophorese wurden 81 Proteinspots
beobachtet. Dabei wurden HMW-GS (22 Spots) und α-Gliadine (acht Spots)
identifiziert. Bei der Analyse des GMP-Extrakts mittels Tandemmassenspektrometrie
wurden HMW-GS (7), α-Gliadine (2) und LMW-GS (1) identifiziert. Die Untersuchung
der ausgewählten Weizenmuster mittels LC-MS/MS stellte einen neuen Ansatz zum
Verständnis der Proteinzusammensetzung des GMP dar.

With a forecast of 792.2 million tons for wheat cultivation in 2024 worldwide, wheat is
one of the most important types of grain. Around 95% of all wheat grown is common
wheat, which is used in the processing of bread due to the unique functional properties
of its proteins. Wheat proteins are divided into albumins, globulins, gliadins and
glutenins based on their solubility. Gliadins and glutenins form the storage protein
gluten. Gliadins are divided into α-, γ-, ω1,2- and ω5-gliadins and glutenins are divided
into low-molecular-weight and high-molecular-weight glutenin subunits (LMW-GS and
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HMW-GS). During dough processing, the gluten forms a viscoelastic network and large
polymers such as the glutenin macropolymer (GMP) are formed. The proteins soluble
in sodium dodecyl sulphate (SDSL) represent the other proteins besides GMP.
In this study, 77 commercial common wheat samples of different origins and wheat
flour fractions from air classification and air jet sieving were analysed using modified
Osborne fractionation and SDSL/GMP-determination. Of the protein contents
determined in the wheat samples, the SDSL/GMP and SDSL contents showed strong
correlations with the specific bread volume. Gluten, glutenins and HMW-GS showed a
medium correlation. A protein enrichment in the fine fraction was observed for air
classification, while no significant change was observed for the gluten protein content
with air jet sieving. By specifically examining the Osborne fractionation using
fingerprinting, it was possible to compare the wheat samples with each other and
highlight specific differences and similarities in the protein composition. The sample
set was thus compiled in a representative manner for further analyses. Using a
comparative approach of two-dimensional gel electrophoresis, 81 protein spots were
observed. HMW-GS (22 spots) and α-gliadins (eight spots) where identified from gluten
protein fractions. When the GMP extract was analysed by tandem mass spectrometry,
HMW-GS (7), α-gliadins (2) and LMW-GS (1) were identified. The analysis of the
selected wheat samples by LC-MS/MS represented a new approach to understand the
protein composition of GMP.