Dietary fiber content of cereal grains influenced by weather, fertilization and cropping system

ABSTRACT. Cereal grains like wheat, barley, and oats are crucial for global nutrition, providing essential dietary fibers such as arabinoxylans (AX) and beta-glucans (BG). This thesis examines how weather conditions, nitrogen fertilization, and intercropping affect AX and BG content in cereal grains grown in Estonia. It aims to identify best practices for enhancing nutritional value and sustainability in cereal production, supporting global health and environmental resilience. The thesis is based on three field experiments in Estonia: two at the Estonian University of Life Sciences in Tartu County and one at the METK in Jõgeva County. The first experiment (2014-2021) analyzed winter wheat and spring barley grains under various fertilization regimes and weather conditions and the second (2021) evaluated the genotype effect on AX and BG content in different wheat and barley varieties. The third experiment (2022-2023) compared barley and oat grains dietary fiber content in mono-cropping and intercropping systems. AX and BG contents were determined enzymatically and statistical analyses were performed to assess treatment effects. The study found that weather conditions significantly influenced dietary fiber content in cereal grains. Higher temperatures during the grain-filling period increased AX and BG content in winter wheat and spring barley. Moreover, nitrogen fertilization effect on AX and BG content in cereal grains was limited. Winter wheat AX content in organic system was higher only at lower grain filling temperatures when compared to conventional systems. Intercropping had mixed effects on dietary fiber content, with decreasing BG content in intercropped barley and unaffected content of AX in barley and oats. Genotypic variation in both fiber content was less when compared to the impact of species. In conclusion findings of this thesis demonstrate the possibility to enhance the dietary fiber content of cereal grains while promoting sustainable agriculture.

LÜHIKOKKUVÕTE. Teraviljad nagu nisu, oder ja kaer on globaalselt olulised kultuurid inimese toitumises, sisaldades olulisi kiudaineid nagu arabinoksülaanid (AX) ja beetaglükaanid (BG). Nende kiudainete tarbimine on inimeste tervise jaoks oluline. Käesolev doktoritöö uurib, kuidas ilmastikutingimused, lämmastikväetamine ja segukülvid mõjutavad AX ja BG sisaldust Eestis kasvatatud teraviljades. Töö eesmärk on selgitada võimalusi toitainerikaste ja tervislike toiduallikate tootmiseks, samas aidates kaasa rahvatervise parandamisele ja keskkonna vastupanuvõime suurendamisele. Doktoritöö põhineb kolmel Eestis läbiviidud põldkatsel: kaks Eesti Maaülikoolis Tartumaal ja üks METK Jõgevamaal. Esimeses katses (2014-2021) analüüsiti talinisu ja suviodra teri erinevates väetusvariantides ja ilmastikutingimustes ning teises (2021) hinnati teravilja sordi mõju AX ja BG sisaldusele erinevates nisu- ja odra sortides. Kolmandas katses (2022–2023) võrreldi odra ja kaera terade kiudainete sisaldust puhas- ja segukülvides. Terade AX ja BG sisaldus määrati ensümaatiliselt ning faktorite mõju terade kiudaine sisaldusele hinnati statistiliste analüüsidega. Uuring näitas, et ilmastikutingimused mõjutasid oluliselt teraviljade kiudainete sisaldust. Kõrgemad temperatuurid teravilja täitumise perioodil suurendasid talinisu ja suviodra AX ja BG sisaldust. Terade AX sisaldus ei sõltunud sademetest samal perioodil, kuid BG sisaldusele oli sademetel negatiivne mõju. Lämmastikväetamisel puudus mõju terade BG sisaldusele, AX sisaldusele oli see minimaalne. Talinisu AX-i sisaldus mahesüsteemis oli tavasüsteemidega võrreldes kõrgem ainult madalamatel tera täitumistemperatuuridel. Segukülvides BG sisaldus vähenes odra terades, mida kasvatati segus vikiga, samas odra ja kaera terade AX sisaldusele segus kasvatamine mõju ei avaldanud. Saagi kiusisaldust saab mõjutada teraviljade liigi valikuga, sordil on sellele mõju väiksem. Doktoritöö tulemustest selgus, et ka läbi säästliku taimekasvatuse on võimalik toota kiudainerikkaid teraviljasid.