Carotenoïden biotoegankelijkheid in fruit en groenten gebaseerde systemen

Carotenoïden zijn belangrijke micronutriënten, waaraan verschillende gezondheid bevorderende eigenschappen worden toegeschreven. Om effectief een positief effect op de gezondheid te hebben, moeten de carotenoïden geabsorbeerd worden. Het absorptieproces van carotenoïden bestaat uit verschillende stappen, nl. het vrijzetten uit de matrix, het oplossen in de oliefase, de incorporatie in micellen (i.e. bio-toegankelijkheid) en de opname doorheen de epitheelcellen van de dunne darm. Eerdere onderzoeken hebben aangetoond dat het vrijzetten van carotenoïden uit de matrix en de transfer van carotenoïden naar de oliefase tijdens vertering, wat een voorwaarde is voor bio-toegankelijkheid, verhinderd wordt door matrix gerelateerde factoren. Hierdoor is de fractie carotenoïden die effectief geabsorbeerd wordt (i.e. bio-beschikbaarheid) en een positief effect op de gezondheid heeft doorgaans laag. Daarom werd nagegaan of hogedrukhomogenisatie (HPH) en thermische behandelingen in aanwezigheid van olie aangewend kunnen worden om de transfer van carotenoïden uit fruit- en groentematrices naar de oliefase te verbeteren om zo de bio-toegankelijkheid te verhogen.

Het effect van HPH (10, 30, 50, 70, 100 MPa) en thermische behandelingen (80-120° C, 20 min; 95-110°C, 0-40 min) op de transfer van carotenoïden (lycopeen, α-caroteen en β-caroteen) uit  tomaat en wortel gebaseerde matrices naar de oliefase werd bestudeerd. Het effect van carotenoïde bio-encapsulatie op het vrijzetten van carotenoïden en de transfer naar de oliefase werd onderzocht door een chromoplast en een cel cluster fractie te isoleren uit tomaten- en wortelmatrices. Vervolgens werd het effect van bewaarcondities op de stabiliteit van carotenoïden en lipiden in deze fracties bestudeerd. Tenslotte werd de kinetiek van incorporatie in de micellen van lycopeen (en cis-isomeren), β-caroteen (en cis-isomeren), α-caroteen en producten van de vetvertering (vrije vetzuren (FFAs) en monoglyceriden (MAGs)) tijdens in vitro vertering van olie-in-water emulsies met een laag vetgehalte bestudeerd. De relatie tussen de bio-toegankelijkheid van caroteen en de vetvertering werd eveneens nagegaan.

Tijdens HPH werd de transfer van carotenoïden naar de oliefase duidelijk verhoogd met toename van de intensiteit van de homogenisatie. Dit is het gevolg van de verhoogde schuifkracht en het groter contactoppervlak tussen de matrix en de oliefase, wat de transfer van carotenoïden van de matrix naar de oliefase vergemakkelijkt. Een thermische behandeling bij T>100° C gedurende 10 minuten bleek noodzakelijk om de transfer van carotenoïden naar de oliefase significant te verbeteren (≥75%). HPH bij ≥50 MPa leidt tot een vergelijkbaar transfer van carotenoïden in de chromoplast fracties. De celwand verhindert de transfer van carotenoïden tijdens processing. Dit impliceert dat om de transfer van carotenoïden naar de oliefase te maximaliseren, desintegratie van de celwand noodzakelijk is. De selectieve transfer van een bepaald carotenoïde tijdens processing is afhankelijk van de chemische structuur (bv. transfer van lycopeen < β-caroteen).

Tijdens bewaring (6 maanden in donker bij 20, 30 en 40°C) van verwerkte (HPH bij 100 MPa, F0 = 5 min) tomaten- en wortelmatrices in aanwezigheid van 5% olijfolie, bleken de carotenoïden stabiel (behoud ≥ 97%). Bovendien bleken de in vitro bio-toegankelijkheid van all-trans-lycopeen en all-trans α- en β-caroteen ongewijzigd tijdens bewaring. Dit betekent dat in deze matrices, rijk aan anti-oxidanten, de carotenoïden in de lipidenfase vrij stabiel zijn, mits toepassen van de juiste condities tijdens processing en bewaring, inclusief beperkte kopruimte en afwezigheid van licht.

In verder experimenteel werk werd de incorporatie in de micellen van lycopeen (en cis-isomeren), β-caroteen (en cis-isomeren), α-caroteen en producten van de vetvertering (vrije vetzuren (FFAs) en monoglyceriden (MAGs)) tijdens in vitro vertering van olie-in-water emulsies met een laag vetgehalte kinetisch bestudeerd. Het vrijzetten van FFAs en MAGs en de incorporatie ervan in micellen werd niet beïnvloed door het type en de hoeveelheid carotenoïden aanwezig in de emulsie. De incorporatie van carotenoïden in de micellen was echter wel afhankelijk van de incorporatie van producten van de vetvertering (FFAs en MAGs), wat op zijn beurt weer afhankelijk was van het type carotenoïde. Hierbij werd verondersteld dat cis-isomere configuraties (gebogen structuur) met cis-isomerie dichter bij het centrum van de polyeenketen gemakkelijker kunnen geïncorporeerd worden in de micellen dan de all-trans isomeren. Vergelijkbare snelheidsconstanten werden gevonden voor de incorporatie van all-trans β-caroteen in de micellen, onafhankelijk van de matrix en de concentratie ervan in de emulsie. Dit suggereert dat de kinetische parameters sterk afhankelijk zijn van de structurele eigenschappen van de carotenoïden.

Uit dit werk kunnen we besluiten dat een thermische behandeling en een HPH van fruit en groenten rijk aan carotenoïden in aanwezigheid van olie de transfer van carotenoïden naar de oliefase kan vergemakkelijken en mogelijk zo ook de bio-toegankelijkheid kan verhogen. Dit is belangrijk voor het verbeteren van de nutritionele kwaliteit van op wortelen en tomaten gebaseerde producten. Met behulp van een eerste orde fractioneel conversie kinetisch model kon de incorporatie van carotenoïden en producten van de vetvertering in de micellen tijdens in vitro vertering van olie-in-water emulsies met een laag vetgehalte voorspeld worden. Dit kinetisch model is bijgevolg een nuttig instrument om het effect van proces en product gerelateerde factoren op de bio-toegankelijkheid van micronutriënten (zoals carotenoïden) te bestuderen.