< Terug naar vorige pagina

Project

Inzicht in de (micro)structurele organisatie van proteïnen en de gevolgen hiervan voor de in vitro verteringskinetiek van macronutriënten van plantaardige dranken

Plantaardige dranken zijn feitelijk geëmulgeerde systemen die macronutriënten bevatten, zoals eiwitten, lipiden en/of zetmeel, en kunnen worden geconsumeerd door mensen die elk type dieet volgen (bijvoorbeeld veganisten, vegetariërs, flexitariërs of lactosevrije diëten). Deze producten worden op de markt gebracht als (i) kant-en-klare dranken of (ii) in de vorm van eiwitrijke poeders die vóór consumptie in water kunnen worden gedispergeerd. Daarom kunnen ze snel en gemakkelijk worden bereid en/of geconsumeerd. De kant-en-klare dranken bevatten doorgaans materialen zoals peulvruchten, oliehoudende zaden en noten, die normaal gesproken een reeks verwerkingsstappen ondergaan, zoals malen, filtratie, thermische verwerking, mengen, hogedrukhomogenisatie (HPH), enz. Hoewel deze processen essentieel zijn om een stabiel en veilig product met een langere houdbaarheid te garanderen, kan verwerking de oorspronkelijke structuur en bijgevolg de functionaliteit van macronutriënten veranderen. HPH wordt bijvoorbeeld vaak toegepast met als doel de microstructurele organisatie van macronutriënten te veranderen en meer homogene systemen te genereren. De poedervorm van deze dranken bestaat doorgaans uit geëxtraheerde en opgezuiverde macronutriënten (bijvoorbeeld geïsoleerde eiwitten, gezuiverde oliën). Over het algemeen hangt de voedingssamenstelling van deze poeders af van de verwerkingsomstandigheden en de formulering, waarbij sommige commerciële producten meer dan 85% geïsoleerd plantaardig eiwit kunnen bevatten. Belangrijk is dat de intense verwerkingsomstandigheden die gewoonlijk worden toegepast om macronutriënten uit plantaardige bronnen te extraheren (bv. om een eiwitrijk poeder te produceren), de technologische en verteringseigenschappen van het eindproduct beïnvloeden. In deze context kunnen thermische processen en extreme pH-omstandigheden (pH << pI >> pH) eiwitten (gedeeltelijk) denatureren en hun functionaliteit (bijvoorbeeld de dispergeerbaarheid) beïnvloeden.

Ondanks de grote industrialisatie van plantaardige dranken is er relatief weinig informatie beschikbaar over hun in vitro verteringskinetiek van macronutriënten, zoals beïnvloed door verwerking, (micro)structuur, aanwezigheid van andere macronutriënten (bijv. lipiden) en/of de link met hun technologische functionaliteiten (bijvoorbeeld dispergeerbaarheid). In de context van dit doctoraatsproject werd een commercieel verkrijgbaar eiwitrijk poeder gebruikt om dispersies te bereiden, verder gecombineerd met andere componenten (bvb. lipiden) die aan verschillende verwerkingsstappen werden onderworpen. Deze resulterende eiwithoudende dispersies zullen ‘plantaardige dranken’ worden genoemd.

De algemene doelstelling van dit PhD-project was het ontwerpen van plantaardige dranken met behulp van een commercieel erwteneiwitisolaat (PPI) als de belangrijkste eiwitbron en het evalueren van het effect van verschillende factoren op de in vitro verteringskinetiek van macronutriënten: (i) verschillende verwerkingstechnieken en strategieën in de aanwezigheid van lipiden, (ii) eiwitten met waarbij toegankelijkheidsniveau voor verteringsenzymen doelmatig werd gewijzigd, (met andere woorden: van een meer vrije vorm naar een meer natuurlijk gevangen vorm), en (iii) verschillende hogedrukhomogenisatie-intensiteiten en omgevingscondities (dwz temperatuur- en pH-verschuivingen).

Om de invloed van verwerkingstechnieken en -strategieën op de in vitro vertering van eiwitten en lipiden te evalueren, werden plantaardige dranken samengesteld uit 6% PPI, 5% zonnebloemolie met hoog oliezuurgehalte (HOSFO), 1% sojalecithine en 88% water (w/w). In eerste instantie werd de impact van verschillende verwerkingstechnieken bestudeerd: (i) alleen mengen versus (ii) mengen gevolgd door hogedrukhomogenisatie (HPH) bij 100 MPa. Daarnaast werden twee verwerkingsstrategieën overwogen, dat wil zeggen de manier waarop deze technieken werden toegepast: (iii) het meteen bij elkaar voegen van alle ingrediënten versus (iv) het stapsgewijs toevoegen van ingrediënten. Dranken die alleen gemengd waren (i), bestonden uit grote, onregelmatige deeltjes (1 – 100 µm). Uiteindelijk resulteerde dit in een relatief lage in vitro vertering van lipiden en eiwitten na 2 uur maagvertering (respectievelijk 9% en <1%). Dranken daarnaast bijkomend aan hogedrukhomogenisatie werden onderworpen (ii), vertoonden daarentegen kleine, homogene deeltjes (< 10 µm). Bovendien werden lipiden en eiwitten in hoge mate verteerd in de maagfase (respectievelijk 40% en 10%). De verteringskinetiek in de dunne darm duidde op een significante impact van eiwitten op de kinetiek van de vertering van lipiden, maar geen significant effect van lipiden op de kinetiek van de vertering van eiwitten. Bovendien hadden de geëvalueerde verwerkingsstrategieën (iii) en (iv) geen significante invloed op de deeltjesgrootte (distributie), (micro)structurele organisatie en in vitro verteringskinetiek van macronutriënten van plantaardige dranken.

De kwantificering van meerdere lipidensoorten (dwz TAG's, DAG's, MAG's, FFA's) tijdens in vitro lipidenvertering maakt het mogelijk inzicht te verkrijgen in het mechanisme van lipidenhydrolyse. In dit opzicht is het kwantificeren van de meest voorkomende lipidensoorten aanwezig in veel geconsumeerde plantaardige oliën en rijk aan onverzadigde vetzuren en de daarvan afgeleide lipidenverteringsproducten (bijvoorbeeld oliezuur, linolzuur, 1-monolinoleïne, 1/3-monooleïne, 1- linoleïne, 2-oleïne, 1/3-dioleïne, trioleïne en 1,2-dioleïne-3-linoleïne), bevordelijk voor een beter van de biochemische processen die plaatsvinden tijdens de vertering van lipiden. Daarom werd een upgrade uitgevoerd van een (eerder ontwikkelde en gebruikte) omgekeerde fase hogedrukvloeistofchromatografie met een geladen aerosoldetector (RP-HPLC-CAD) methode (methode A). De geüpgradede methode (methode B) onderging een optimalisatie van het gradiëntprogramma en de detectorinstellingen, evenals validatie. Bovendien bleek dat methode B eenvoudig en robuust was en in staat was om alle analyten met hoge gevoeligheid en precisie te detecteren. Belangrijk is dat methode B een snellere analysetijd en dus een hogere doorvoer mogelijk maakte dan methode A.

De impact van potentiële verschillende toegankelijkheidsniveaus voor verteringsenzymen op de verteringskinetiek van macronutriënten in specifieke eiwitfracties werd onderzocht door plantaardige dranken te bereiden op basis van twee eiwitrijke ingrediënten. Aan de ene kant werden, zoals uit de eerste onderzoekshoofdstukken geleerd dat eiwitdispersies bereid met commercieel erwteneiwitisolaat (PPI) en verder gestabiliseerd door HPH, 100 MPa, als een bron van vrij, ‘niet-ingesloten’ eiwit kon worden beschouwd. Aan de andere kant werden individuele cotyledon-erwtencelsuspensies (IPC) beschouwd als een bron van ‘natuurlijk gevangen’ eiwit. Bovendien was IPC ook een bron van zetmeel. De twee structurele eiwitorganisaties werden gemengd. De verhouding eiwit afkomstig van PPI en IPC werd gewijzigd, maar het totale eiwitgehalte werd constant op 6% gehouden. De resultaten toonden aan dat IPC ongeveer 20% eiwit bevat. Door de hoeveelheid IPC (5% versus 15%) in de drank te verhogen, daalde de in vitro eiwit- en zetmeelverteringskinetiek aanzienlijk. Aan het einde van de gesimuleerde fase in de dunne darm daalde de mate van eiwitvertering bijvoorbeeld van 75% naar 68%, en de mate van zetmeelvertering daalde van 63% naar 47%. Ten slotte vertraagde de introductie van individuele erwtencellen in de dranken de in vitro kinetiek van de vertering van lipiden. Deze studie toonde aan dat het veranderen van (de verhouding van) eiwitten met verschillende toegankelijkheidsniveaus voor verteringsenzymen in plantaardige dranken een manier kan zijn om de verteringskinetiek van macronutriënten te moduleren.

Uit de verwerkingstechnieken die in voorgaande hoofdstukken zijn toegepast om plantaardige dranken te bereiden, werd duidelijk dat HPH (100 MPa) de grootte van onoplosbare eiwitaggregaten aanzienlijk verminderde en de in vitro eiwitverteringskinetiek verbeterde in vergelijking tot niet homogeniseren. Daarom werd in het laatste hoofdstuk een meer systematische studie uitgevoerd naar de impact van HPH-intensiteiten op verterings- en technologische functionaliteiten. Hiervoor werden eiwitdispersies bereid met behulp van het in het commercieel verkrijgbare PPI en HPH-intensiteiten (0 tot 200 MPa) (kamertemperatuur, pH 7). Bovendien werden (andere) PPI-dispersies behandeld onder verschillende omgevingsomstandigheden (40 °C, 60 °C of 95 °C, bij pH 2, 7 of 12). Dit met als doel dispersies te genereren met een duidelijke eiwitoplosbaarheid en (micro)structuur. Interessant is dat HPH-intensiteiten en temperatuur-pH-combinaties dispersies leken te genereren met vergelijkbare eiwit(micro)structuren. Niettemin vertoonden deze dispersies een verschillende kinetiek van oplosbaarheid en/of eiwitvertering. Over het algemeen was de toenemende druk van de homogenisatiebehandeling gekoppeld aan afnemende deeltjesgroottes, toenemende eiwitoplosbaarheid en op zijn beurt aan een snellere in vitro eiwitvertering. Meer specifiek hadden de dispersie die geen HPH (0 MPa) ondergingen, evenals de dispersie behandeld bij 60 °C, pH 7, zeer vergelijkbare (micro)structuren, bestaande uit grote onregelmatige deeltjes (10 – 500 µm) . Bovendien, hoewel deze twee dispersies, d.w.z. 0 MPa en 60°C, pH 7, een lage oplosbaarheid vertoonden, was deze substantieel verschillend (respectievelijk ongeveer 15% en 28%), resulterend in een beperkte finale in vitro proteolyse in de dunne darmfase. (respectievelijk 35% en 42%). Daarentegen had de dispersie onderworpen aan HPH bij 100 MPa en de dispersie behandeld bij 60 °C, pH 12, vergelijkbare (micro)structuren met kleine en homogene deeltjes (< 1 µm), en vertoonde een relatief goede oplosbaarheid (54% en 31 %, respectievelijk), wat leidde tot verbeterde eiwitverteringsniveaus (respectievelijk 87% en 74%). Bovendien vertoonden de laatste twee eiwitdispersies minder intermoleculaire β-sheets, β-sheets en α-helicesfracties dan de eerstgenoemde dispersies, wat verband kan houden met de verbeterde verteerbaarheid.

Dit doctoraatswerk bewees dat er naast de samenstelling van de voedingsstoffen ook andere factoren zijn die een impact hebben op de kinetiek van de vertering van macronutriënten in de plant-gebaseerde dranken. Beïnvloedende factoren zijn bijvoorbeeld (i) de structuur van de macronutriënten in de drank, die tegelijkertijd wordt beïnvloed door de procesvoering, (ii) de mogelijke interacties tussen macronutriënten, (iii) de toegankelijkheid van verteringsenzymen tot hun substraten.

Al deze factoren kunnen de in vitro kinetiek van de vertering van macronutriënten in plantaardige dranken beïnvloeden en kunnen door producenten worden gebruikt als een strategie om de verteringskinetiek van macronutriënten te moduleren en om zich te richten op specifieke fysiologische reacties in bepaalde bevolkingsgroepen met specifieke behoeften (bvb. ouderen).

Datum:18 nov 2019 →  16 nov 2023
Trefwoorden:Proteins, lipids, in vitro digestion
Disciplines:Levensmiddelenwetenschappen en (bio)technologie niet elders geclassificeerd
Project type:PhD project