< Terug naar vorige pagina

Project

De invloed van thermo-actieve zetmeelmodificerende enzymen en celwand- en proteïnematrices in tarwe (Triticum aestivum L.) op de in vitro verteerbaarheid van zetmeel

Zetmeel is het belangrijkste glycemische koolhydraat in het menselijk dieet. Hoge glycemische responsen zijn een onafhankelijke risicofactor voor het ontwikkelen van diabetes. In deze context is het van cruciaal belang om de factoren die de vertering van zetmeel beïnvloeden te begrijpen en om strategieën te ontwikkelen die gericht zijn op het verbeteren van de nutritionele functionaliteit van levensmiddelen. In deze context kunnen zowel de moleculaire structuur van zetmeel als de omringende voedselmatrix, inclusief de natuurlijke celstructuur van planten, een belangrijke rol spelen bij de vertering van zetmeel. Gerichte modificaties van deze (moleculaire) structuren kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de verteerbaarheid van zetmeel en postprandiale glycemische reacties.

Het doel van dit doctoraal proefschrift was het bestuderen van het potentieel van de cellulaire structuren die aanwezig zijn in het endosperm van tarwe en van enzymatische modificaties van de zetmeelstructuur om de verteerbaarheid van zetmeel te sturen.

In een EERSTE DEEL werden intacte endospermcelwanden van tarwe aangewend als eerste hulpmiddel om de vertering van zetmeel te wijzigen en hun invloed op de zwelling, verstijfseling en verteerbaarheid van intracellulair zetmeel werd bestudeerd door gebruik te maken van maalfracties van het endosperm van tarwe met een verschillende celwandintegriteit. Het zwelvermogen en de viscositeitsontwikkeling van (zetmeel in) grove farina (i.e. een maalfractie van het endosperm van tarwe met een gemiddelde diameter van 705 µm), die een aanzienlijke hoeveelheid aan intacte cellen bevat, waren consistent lager dan die van bloem (i.e. een maalfractie van het endosperm van tarwe met een gemiddelde diameter van 85 µm) en fijne farina (i.e. een maalfractie van het endosperm van tarwe met een gemiddelde diameter van 330 µm) die geen intacte cellen bevatten. Dit illustreert dat zetmeel aanwezig in intacte cellen niet tot zijn volledige capaciteit kon zwellen. Het werd opgemerkt dat enzymatische afbraak van de celwandpolysachariden enkel in het geval van grove farina zorgde voor een toename van het zwelvermogen en de viscositeit. Na deze behandeling werden voor grove farina waarden bekomen die vergelijkbaar waren met deze voor bloem en fijne farina. Algemeen werd aangetoond dat de intacte celwanden het zetmeel beschermden tegen uitgebreide zwelling tijdens verhitten in overmaat water.

De integriteit van de celwanden had een negatieve invloed op de in vitro verteerbaarheid van zetmeel. De graad van zetmeelvertering was vergelijkbaar voor alle verstijfselde stalen, maar de verteringssnelheidsconstante was 42% lager voor grove farina (0.37 min-¹) dan voor bloem (0.63 min-¹) en fijne farina (0.64 min-¹). Dit toonde aan dat de intacte cellen in grove farina de diffusie van het pancreas α-amylase beperken en de verteringssnelheidsconstante verlagen. De vergelijkbare graad van zetmeelvertering suggereert echter dat de celwanden permeabel zijn. Vervolgens werden de celwanden enzymatisch gehydrolyseerd na een hydrothermale behandeling om zetmelen te verkrijgen die verschillen in zwelgedrag. In dit geval werd de verteringssnelheidsconstante van alle stalen gelijk. Deze experimenten toonden aan dat het behoud van de integriteit van de celwand de diffusie van amylolytische enzymen kan vertragen en de verteringssnelheid van intracellulair zetmeel kan verlagen, ongeacht de zwelling van het zetmeel. Grove farina met intacte cellen zou dus kunnen worden aangewend als functioneel ingrediënt om de vertering van zetmeel te verlagen.

 Grove farina met intacte celwanden werd gebruikt tijdens de broodbereiding en de impact ervan op broodkwaliteitskenmerken en de verteerbaarheid van het zetmeel werd bestudeerd. Wanneer tot 80% van de witte tarwebloem werd vervangen door grove farina, nam het broodvolume af van 5.9 tot 4.5 mL/g en nam de stevigheid van de kruim toe van 0.8 tot 1.2 N. Deze waarnemingen werden toegeschreven aan een verstoord glutennetwerk in het brood in de aanwezigheid van grove farinadeeltjes en het niet beschikbaar zijn van glutenmoleculen die in cellen zijn ingesloten om deel te nemen aan de netwerkvorming. De kwaliteit van het brood geproduceerd met grove farina was echter aanvaardbaar. De cellen in grove farina bleven schijnbaar intact in de broodkruim. De graad en snelheidsconstante van de vertering van zetmeel veranderden echter niet, ongeacht het gehalte aan grove farina in de receptuur. Het glutennetwerk in gewone broden kan reeds een aanzienlijke barrière zijn voor de vertering van zetmeel terwijl in de broden die werden geproduceerd met grove farina de toegevoegde waarde van het insluiten van zetmeel in de cellen het verlies van het barrière-effect omwille van een verstoord glutennetwerk niet compenseert.

In een TWEEDE DEEL werd als tweede hulpmiddel om de verteerbaarheid van zetmeel te wijzigen de moleculaire structuur ervan enzymatisch gemodificeerd. Het thermoactieve amylomaltase (AMM) van Thermus thermophilus werd gebruikt om zetmeel te modificeren. Dit enzym katalyseert de overdracht van glucaansegmenten van amylose (AM) naar amylopectine (AP) via een intermoleculaire transglycosyleringsreactie. Er werd voor dit enzym gekozen omdat het potentieel ervan om de vertering van gemodificeerd zetmeel te verminderen nog niet in detail werd bestudeerd, ondanks het unieke werkingsmechanisme van het enzym en bewijs uit de wetenschappelijke literatuur dat langere AP-ketens in geretrogradeerd zetmeel trager verteerd zouden worden. Bij lage doseringen van het enzym in zetmeelsuspensies werd slechts een gedeeltelijke verkorting van de AM-ketens waargenomen, wat leidde tot een verhoogde viscositeitsontwikkeling tijdens afkoeling door de verbeterde aggregatie van de meer mobiele, kortere AM-ketens. Bij hogere doseringen nam de piekviscositeit tijdens Rapid Visco Analysis bij verwarming toe van 2825 tot 3050 mPa.s vanwege de relatief hoge graad van depolymerisatie van AM, wat in zijn niet gemodificeerde vorm zetmeelzwelling remt. Tegelijkertijd werden de AP-ketens geleidelijk verlengd en werd AM geleidelijk afgebroken om uiteindelijk te resulteren in de volledige uitputting ervan. Wanneer de gemodificeerde zetmelen bij lage temperatuur werden bewaard, nam de mate van zetmeelretrogradatie, hier uitgedrukt als de smeltenthalpie, toe van 0.8 tot 7.7 J/g zetmeel in lijn met de mate van verlenging van de AP-ketens. Ten slotte werden de snelheidsconstante en graad van zetmeelvertering drastisch verlaagd na enzymatische modificatie van zetmeel van respectievelijk 0.6 tot 0.2 min-¹ en van 54.5 tot 35.9 g verteerd zetmeel per 100 g zetmeel. De lengtes van de AP-ketens waren positief gerelateerd aan de smeltenthalpieën van de geretrogradeerde zetmelen, die op hun beurt negatief gecorreleerd waren met de graad en snelheidsconstante van in vitro vertering. Het gebruik van verschillende enzymdoseringen resulteerde logischerwijs in zetmeelslurries met verschillende moleculaire structuren die een verschillende viscositeitsontwikkeling induceerden, terwijl de aanzienlijke verlenging van AP-ketens belangrijk bleek te zijn voor het verlagen van de gevoeligheid van zetmeel voor vertering na retrogradatie.

De volgende stap was het in situ modificeren van zetmeel tijdens de broodbereiding door gebruik te maken van zetmeelmodificerende enzymen [AMM en maltogeen α-amylase (MA)] en het onderzoeken van de impact hiervan op broodeigenschappen, zetmeelretrogradatie en verteerbaarheid. Er werd gehoopt dat het mogelijk zou zijn om aan te tonen dat enzymen kunnen gebruikt worden in voedingssystemen om zetmeelvertering te verlagen. MA werd hier ook bestudeerd omdat het veelvuldig wordt gebruikt in de voedingsindustrie. Het gebruik van AMM leidde tot een gedeeltelijke verkorting van de AM-ketens, maar niet tot een detecteerbaar niveau van verlenging van de AP-ketens vermoedelijk omwille van onvoldoende activiteit in het deeg. De behandeling had slechts een kleine negatieve invloed op de snelheid van het harder worden van de broodkruim tijdens bewaring en had geen invloed op de retrogradatie van zetmeel, noch op de verteerbaarheid ervan. De toevoeging van MA leidde tot verkorting van de AP-ketens. Inderdaad, het relatief gehalte aan korte ketens met ≤ 8 glucose-eenheden nam toe van 8.8 tot 13.8%. De retrogradatie van het zetmeel werd verminderd en de kruimhardheid nam af tijdens bewaring van de broden omdat de verkorte AP-ketens niet in staat zijn om opnieuw te kristalliseren. Interessant is dat de mate van vertering van zetmeel afnam van 46.7 tot 38.0 g verteerd zetmeel per 100 g kruim. Pancreas α-amylase kan inderdaad niet binden dicht bij de vertakkingspunten van AP en wanneer de ketens ervan worden verkort, wordt een efficiënte binding verhinderd. AMM had slechts een zeer beperkte functionaliteit tijdens de broodbereiding en er werd geen effect op de verteerbaarheid van zetmeel waargenomen, terwijl MA een dubbele functionaliteit vertoonde in die zin dat het zowel de kruimhardheid tijdens bewaring als de mate van zetmeelvertering verminderde.

Ten slotte onderzochten we het verschil tussen postprandiale glycemie na consumptie van een gekoelde, bewaarde havermoutpap die niet gemodificeerd zetmeel of zetmeel gemodificeerd met AMM bevat. Er werd beredeneerd dat havermoutpap een voedingssysteem is waarvan de bereiding voldoende AMM-activiteit toelaat. De mate van zetmeelretrogradatie, ook hier uitgedrukt als de overeenkomstige enthalpie, nam toe van 0 (niet detecteerbaar) tot 5.3 J/g haver vanwege de enzymatische modificatie die resulteerde in een verlenging van de AP-ketens die voldoende was om herkristallisatie te bevorderen. De postprandiale glycemische responsen werden niet significant verlaagd en de enzymatische modificatie had dus geen impact. Dit kan te wijten zijn aan het textuurgemedieerde effect van AM-degradatie op de toegankelijkheid van zetmeel in het maagdarmkanaal, de mogelijk onvoldoende verhoogde mate van retrogradatie en aan de grote interindividuele variatie.

Dit proefschrift illustreert het potentieel van strategieën zoals het insluiten van zetmeel in de intacte, natieve endospermcellen van tarwe en enzymatische zetmeelmodificaties voor het sturen van de verteerbaarheid van zetmeel. Verder onderzoek moet zich richten op het toepassen van dergelijke inzichten in een breed gamma aan graangebaseerde levensmiddelen zoals andere soorten volkorenbroden, koekjes of pudding en op het valideren van eventuele gezondheidsvoordelen door middel van gerandomiseerde klinische onderzoeken.

Datum:1 apr 2017 →  30 sep 2022
Trefwoorden:Food Science, Nutrition, Cereal Science, Starch
Disciplines:Microbiologie, Systeembiologie, Laboratoriumgeneeskunde, Andere chemie, Voeding en dieetkunde, Productie van landbouwdieren, Levensmiddelenwetenschappen en (bio)technologie, Engineering van biomaterialen, Biologische systeemtechnologie, Biomateriaal engineering, Biomechanische ingenieurswetenschappen, Andere (bio)medische ingenieurswetenschappen, Milieu ingenieurswetenschappen en biotechnologie, Industriële biotechnologie, Andere biotechnologie, bio-en biosysteem ingenieurswetenschappen
Project type:PhD project