1.シリアルの概要

穀物は世界中で最も重要な主食である。主な穀物は小麦、トウモロコシ、米、大麦、モロコシ、ヒエ、オートムギ、ライムギである。それは世界の耕作地のほぼ60％で栽培されている。トウモロコシ、米、小麦は穀物の栽培地域の大部分を占めており、穀物の量が最も多くなる（2012年にはそれぞれ875、718、675百万トン（t））。食品および動物飼料の生産に使用される。
穀類は、穀粒と呼ばれる乾燥した１種子の実で穎果の形で生産し、果皮は種皮に強く結合している。穀物のサイズと重量は、かなり大きなトウモロコシ粒から小さなヒエ粒まで大きく異なる。穀物の構造はかなり均一であり：果皮と種皮（ふすま）は胚芽と胚乳を囲み、後者は澱粉質の胚乳とアリューロン層で構成されている。オートムギ、大麦、米、および一部の小麦種（例：スペルト、エマー、インコーン）では、一般的な小麦やライ麦などの「裸の」穀物のように、殻は果皮と融合し、脱穀だけでは簡単に除去できない。

   植物学的には、穀物は単子葉植物イネ科（草科）に属する草である。コムギ（Triticum）、ライムギ（Secale）、およびオオムギ（Hordeum）は、Pooideae(イネ科)およびTriticeae(小麦連)の亜科と密接に関連するメンバーである。エンバク（Avena）は亜科Pooideae内のTriticeaeに比べて遠く、イネ（Oryza）、トウモロコシ（Zea）、ソルガム（Sorghum）、およびキビ（Pennisetum）は別々の進化系統を示す。栽培小麦は、5種から構成される；六倍体（ゲノムAABBDD）普通小麦（Triticum aestivum L.）およびスペルト小麦（Triticum spelta L.）；四倍体（ゲノムAABB）デュラム小麦（Triticum durum Desf.）およびエマー（Triticum dicoccon（Schrank）Schübler）、および二倍体（ゲノムAA）einkorn（Triticum monococcum L.）である。パン小麦とも呼ばれる普通の小麦は、約1万年前にTriticum turgidum（ゲノムAABB）とAegilops tauschii（ゲノムDD）の自発的な交配によってできた。 Triticaleは、デュラム小麦とライムギの人工ハイブリッド（ゲノムAABBRR）である。まれに使用されるシリアルは、カムット®、テフ、ラギ、およびジョブズティアーズである。各穀物種の中には、農業、技術、および栄養の最適化のために育種によって生産された多くの品種が存在する。

穀物の化学組成は、多糖類の形の炭水化物の含有量が高いことを特徴としている。栄養的に利用可能な炭水化物の中で、胚乳に沈着した澱粉が優勢である（56〜74％）。主にふすまにある利用できない繊維（アラビノキシラン、β-グルカン、セルロースなど）は、2％から13％の範囲である。成分の2番目に重要なグループはタンパク質であり、平均範囲8〜12％に含まれる。特に、一部の穀物の貯蔵タンパク質は、セリアック病（CD）の促進因子として特定されている。したがって、穀物タンパク質については、次のセクションで詳細に検討する。穀物脂質は、オートムギ脂質（≈7％）を除き、微量成分（2-4％）に属する。ミネラル含有量の範囲は1.0％から2.5％である。シリアルは、ビタミンB群とトコフェロールの優れた供給源である。ミネラルとビタミンは両方とも、アリューロン層と胚芽に集中している。

 

2.穀物タンパク質
2.1 組成
1950年代以来、穀物タンパク質はCD特異的免疫応答の抗原であることが知られている。穀物のタンパク質含量は、遺伝子型（穀物、種、品種）および成長条件（土壌、気候、施肥）に応じて、6％未満から20％以上の幅広い範囲にある。機能の観点から、穀物タンパク質は3つのタイプに分類できる。
1.穀物や澱粉粒の外側にある膜タンパク質などの構造タンパク質。
2.主にアリューロン層と胚に存在する酵素や酵素阻害剤などの代謝タンパク質。
3.澱粉質胚乳にのみ存在する貯蔵タンパク質。
貯蔵タンパク質は、全穀物タンパク質の約70〜80％を占める。それらの構造は穀物に特有であり、その主な機能は発芽中に穀物胚に窒素とアミノ酸を提供することである。
穀物タンパク質の分析に2次元（2-D）電気泳動が導入されて以来、穀物にはさまざまなタンパク質の複雑な混合物が含まれていることが明らかになった。たとえば、小麦粉には数百のタンパク質成分が検出されている。伝統的に、穀物タンパク質は、溶解度の違いにより4つの画分（オズボーン画分）に分類される。（1）アルブミン、（2）グロブリン、（3）プロラミン、（4）グルテリン[5]。アルブミンは、水および希釈塩溶液に可溶。グロブリンは純水には溶けないが、塩溶液には溶ける。両方の画分は、主に代謝タンパク質で構成される。プロラミンは、古典的には、水および塩溶液には溶けないが、アルコール水溶液（60〜70％エタノールなど）には溶ける穀物タンパク質として定義されている。それらは主にモノマーとして存在する。グルテリンは鎖間ジスルフィド結合により重合化する。もともとは、アルブミン、グロブリン、プロラミンの抽出後も不溶性のままであるが、希酸または塩基で抽出可能であるとOsborneによって説明されている。しかし、グルテリンの顕著な部分は酢酸などの弱酸に不溶であり、強酸または強塩基で抽出すると、一次構造に影響を与える可能性がある。今日、グルテリンの完全な抽出は、水性アルコール（60％エタノールまたは50％プロパノール）の混合物、還元剤（たとえば、2-メルカプトエタノールまたはジチオトレイトール）を含む溶媒により、高温（たとえば50°C）で達成される。そして、化合物（例えば、尿素またはグアニジン）を分解する。この処理を使用すると、ジスルフィド結合が切断され、グルテリンがモノマーサブユニットとして得られる。この処理を使用すると、ジスルフィド結合が切断され、プロラミンなどの水性アルコールに可溶な単量体サブユニットとしてグルテリンが得られる。 プロラミンとグルテリンは両方とも貯蔵タンパク質である。 小麦粉タンパク質の小さなグループは、4つの溶解度画分のいずれにも該当しない。 でんぷんを水を使って除去後、さまざまな穀物の貯蔵タンパク質には、小麦ではグリアジン（プロラミン）、グルテニン（グルテリン）という一般名が付けられている；ライムギではセカリン;大麦ではホルデイン;オートムギではアベニン;トウモロコシではゼイン;米ではオリジン;そしてヒエとモロコシではカフィリンである。小麦粉生地を水で洗浄して澱粉と可溶性成分を除去した後に残るタンパク質性の塊は、グリアジンとグルテニンから成り、穀物の化学と技術の分野ではグルテンと呼ばれている。
ほとんどの穀物タンパク質は、20個すべての標準アミノ酸で構成される。3文字コード（通常はアミノ酸組成の表示に使用）と1文字コード（アミノ酸配列の表示に使用）として略語を示している。また、アミノ酸側鎖の化学的性質も示している。アルブミンとグロブリン、プロラミンとグルテリンは、アミノ酸組成が大きく異なる。アルブミンとグロブリンはバランスによって特徴付けられ、バランスのとれた「普通の」組成物（図示せず）。プロラミンとグルテリンは、バランスの取れていない「異常な」組成物を示している。すべてのプロラミンおよびグルテリン画分に典型的なのは、酸性アミノ酸、特にグルタミン酸の高度なアミド化である。したがって、グルタミン酸は、ほぼ完全にグルタミンとしてアミド化された形で存在し、このアミノ酸は一般に優勢である（15.5〜37.1 mol％）。すべての貯蔵タンパク質に共通するその他の特徴は、必須アミノ酸であるリジン（0.0〜4.0％）、メチオニン（0.5〜2.4％）、およびトリプトファン（0.0〜0.8％）の含量が低いことである。このため、穀物貯蔵タンパク質の生物学的価値はかなり低い。栄養の観点からこの側面を考慮すると、グルテンフリー食（GFD）は消費者にとって不利ではない。

"プロラミン"という名前はプロリン、グルタミンの高含量のアミノ酸組成の特徴から来るが、それは特に小麦、ライ麦、大麦（35-37% グルタミン、17-23%プロリン）のプロラミンがそうである。アミノ酸のグルタミンとプロリンは両方とも、貯蔵タンパク質の機能において重要だが異なる役割を果たす。ほとんどのアミノ酸とは対照的に、グルタミンには2つの窒素（N）原子が含まれている。これは、発芽の最初の段階での胚の窒素供給に重要である。プロリンに特有なのは、タンパク質鎖内にねじれを引き起こす二次アミノ基であり、したがって、デンプン質の胚乳におけるタンパク質鎖の密なパッキングを可能にする。さらに、プロリン残基は、外部の酵素攻撃による貯蔵タンパク質の分解を防ぐ。CDの文脈では、グルタミンとプロリンも非常に重要である。プロリンが豊富な性質により、グルテンタンパク質は胃腸内腔での完全なタンパク質分解に抵抗性があるため、長いペプチド断片は胃と小腸で生き残る。さらに、プロリン残基は、ヒト白血球抗原（HLA）-DQ結合に好ましいペプチドの左利きのポリプロリンIIらせん構造の形成に寄与する。グルタミンに富むペプチドは、腸組織酵素トランスグルタミナーゼ2（TG2）の優れた基質である。プロリンは、グルタミンに対する酵素の特異性に影響を与えるため、特定のグルタミン残基のみが脱アミド化およびアミド交換の基質であり、どちらもCD病態メカニズムに典型的である。
小麦、ライムギ、および大麦のプロラミンは、グルタミン（35〜37％）およびプロリン（17〜23％）の最高値を示し、その後にロイシン（6〜7％）およびフェニルアラニン（5〜6％）が続く。ヒスチジン（1-2％）、リジン（≈1％）、メチオニン（≈1％）、およびトリプトファン（<1％）は微量である。米、ヒエ、モロコシ、トウモロコシのプロラミンは、グルタミン（19〜22％）とプロリン（5〜10％）が少ないが、ロイシン（12〜19％）とアラニン（9〜14％）が豊富である。 オートムギのプロラミンは中程度の位置にある：グルタミン含有量（34％）はコムギのプロラミンと似ており、プロリン（10％）とロイシン（11％）の値は米、ヒエ とトウモロコシに近い。 したがって、プロラミンのアミノ酸組成は、穀物の系統発生およびそのCD毒性と密接な関係を示している。 プロラミンと比較して、グルテリンと残留タンパク質は、主にグルタミンとプロリンが少なく、他のほとんどのアミノ酸の値が増加して、よりバランスのとれたアミノ酸組成を示す。 プロラミンと同様に、小麦、ライムギ、大麦（一方で）と米、ヒエ、トウモロコシ（他方で）の間には、オートムギが中間の位置にあるという明確な違いが明らかである。

Osborne画分の含量はかなり異なり、遺伝子型と成長条件に依存する。さらに、段階的なオズボーン分画の結果は実験条件によって強く影響され、得られた分画は明確ではない。したがって、オズボーン画分の定性的および定量的組成に関する文献のデータは異なり、部分的に矛盾する。平均して、総タンパク質の最小割合がグロブリン画分に存在し、次にアルブミン画分が存在する。例外はオートムギグロブリンであり、総タンパク質の50％以上に相当する。ほとんどの穀物では、プロラミンが主要な部分である。オートムギプロラミンは、しかし、マイナーなタンパク質であり、米はプロラミンがほとんどない。オズボーンの各画分は、部分的に関連する多数のタンパク質で構成されている。現在では、酸性ポリアクリルアミドゲル電気泳動（PAGE）、ドデシル硫酸ナトリウム（SDS-）PAGE、等電点電気泳動（IEF）単独またはSDS-PAGE（2- D電気泳動）、および逆相（RP-）およびゲル浸透（GP-）HPLCなどの高速液体クロマトグラフィー（HPLC）、これらの方法はすべて、各画分の複雑なタンパク質組成を確認できる。これらの方法を使用した単一成分の調製により、さらなる構造特性評価と分類が可能になり、さらに機能性、アレルギー性、CD毒性のテストが可能になった。