Probiotics and berry-associated polyphenols: catabolism and antioxidative effects

Abstract

Oxidative stress can cause damage to DNA, proteins and lipids and is associated with inflammation and various human diseases as cancer, atherosclerosis, and autoimmune diseases. Polyphenol-rich diet, such as fruits and berries, may act as antioxidants and prevent oxidative stress and, thereby, associated diseases. Administration of lactic acid bacteria (LAB) can affect the microflora in the gastrointestinal (GI) tract and may increase the capability of the bacterial flora to digest polyphenols. Some strains of Lactobacillus may break down phenolic acids and hydrolyzable tannins into phenolic metabolites that are more easily absorbed in the body and may enhance antioxidative effects. The aim of this thesis was to clarify the protective effects of polyphenol-rich fruits and berries alone or in combination with different strains of LAB on oxidative stress in mice. Furthermore, transformation of polyphenols in a bilberry beverage by LAB was examined.

Supplementation with rosehips of the rose species Rosa pimpinellifolia or an LAB mixture decreased lipid peroxidation and oxidative stress in colon of mice after ischemia-reperfusion (I/R) injury. Adding an LAB supplement to the rosehips increased the concentrations of phenolic compounds, antioxidative capacity and total phenolic content in cecum. Rosehips of R. piminellifolia are a rich source of cyanidin-3-O-glucoside and this compound and its degradation product, protocatechuic acid, were detected in the cecum content.

Administration of bilberry, either alone or together with Lactobacillus plantarum HEAL19, decreased lipid peroxidation and oxidative stress in colon of mice after I/R injury. A chokeberry-supplement showed no antioxidative effect. Bilberry was found to have a more complex anthocyanin profile than chokeberry. Higher concentrations and a more varied composition of anthocyanins were seen in colon than in cecum. More phenolic metabolites were found in the intestines of bilberry-fed mice than in the chokeberry-fed ones. Chokeberry or bilberry alone decreased the number of LAB on the colonic mucosa but addition of L. plantarum HEAL19 prevented this reduction.

In a more extensive ischemia-reperfusion injury, diet supplemented with bilberry, but without addition of different LAB strains, reduced lipid peroxidation and protected the small intestine against oxidative stress. The highest concentration and recovery of anthocyanins was seen in the ileal content followed by that of colon and finally cecum. Anthocyanin arabinosides, and especially malvidin-3-O-arabinoside, were accumulated in the colon content. Glucosides and galactosides of malvidin, peonidin and petunidin seemed to be digested by the microflora in the cecum. Supplementation of bilberry to the diet influenced the composition of cecum microflora.

Anthocyanins in bilberry beverages inoculated with different LAB strains, alone or in combination with wine yeast, decreased during 3 weeks incubation at 30 degrees Celsius. Arabinosides of malvidin and petunidin showed the greatest decrease. Addition of yeast improved the stability of the anthocyanins. In contrast to anthocyanins, quercetin, quercetin-3-glucoside and detected phenolic acids were relatively stable. Antioxidative capacity and total phenolic content decreased in all samples.

In conclusion, dietary supplementation of rosehips from Rosa pimpinellifolia or bilberry suppressed oxidative stress in colonic tissue of mice. Protective effects may be due to the high anthocyanin content, presence of phenolic metabolites and changed microflora. Addition of LAB improved status of the colonic but not the ileal tissue.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Yttre faktorerna i omgivningen som UV-strålning från solen, rökning, läkemedel, maten och påfrestande livssituationer kan leda till att kroppens celler börjar överproducera molekyler som kallas syrefria radikaler. Dessa molekyler reagerar kemist mycket lätt med omgivande ämnen. När syrefria radikaler bildas i kroppen i normala mängder ingår de som en del av immunförsvaret och medverkar i att döda mikroorganismer som virus och bakterier, men också cancerceller. Överskott av syrefria radikaler i kroppen leder till en så kallad oxidativ stress vilket innebär att de reagerar med DNA, proteiner och lipider i cellen och orsakar skada. Detta sätter igång inflammation, som om den blir långvarig kan leda till sjukdomar som t.ex. cancer, hjärt- och kärlsjukdomar, och typ 2 diabetes. För att skydda cellerna producerar kroppen ämnen som reagerar med de syrefria radikalerna och förhindrar de att reagera med DNA, lipid eller protein i cellen. Sådana skyddsämnen kallas antioxidanter. Även om kroppen själv producerar antioxidanter så räcker de inte alltid till för att skydda cellerna från skador. Däremot så finns det mycket antioxidativa ämnen i vissa livsmedel, t.ex. frukt och bär och tanken är att man genom att äta antioxidanter även kan skydda kroppen från skador orsakade av oxidativ stress. Till antioxidanter räknas bland annat vitaminerna C och E, karotenoider och polyfenoler. Speciellt intressanta är polyfenoler eftersom de utöver antioxidativa effekter även kan ha anti-inflammatoriska och antimikrobiella egenskaper. Det senare gör att de kan påverka bakterieflora i tarmen. En ofördelaktig sammansättning av tarmfloran där andelen med sjukdomsframkallande bakterier är hög (t.ex. bakterier som hör till familjen Enterobacteriaceae) och där andelen inflammationsdämpande bakterier är låg (t.ex. laktobaciller och bifidobakterrier) kan leda till inflammation och andra kroppsliga störningar. Tarmfloran är förmodligen viktig för att vi på rätt sätt skall kunna tillgodogöra oss många polyfenoler då det är svårt för kroppen att ta upp dessa innan de brutits ner till mindre molekyler. Bakterierna i tarmarna måste oftast hjälpa till i denna process.

Mjölksyrabakterier, oftast laktobaciller, är viktiga för tarmhälsan och har länge använts i livsmedel för att skapa balans i mag-tarmkanalen. Sådana bakterier som äts i levande form och har positiva hälsoeffekter på konsumenten har fått namnet probiotika. Probiotiska bakterier normaliserar bakteriefloran i tarmen genom att konkurrera ut sjukdomsframkallande bakterier, stimulerar immunförsvaret, stärker tarmens barriärfunktion och höjer biotillgänglighet av näringsämnen i kroppen. Vissa laktobaciller har antioxidativa egenskaper och kan skydda mot oxidativ stress. Vidare kan en del laktobaciller omvandla och bryta ner antioxidativa polyfenoler i frukter och bär till mindre metaboliter, hanterbara för kroppen, och möjligen härigenom förstärka bärens antioxidativa effekter i tarmen.

Oxidativ stress och tarminflammation har studerats i en så kallad ischemia-reperfusion (I/R) modell i mus. I/R innebär att tarmen har varit utsatt för syrebrist p.g.a. avstängt blodflöde (ischemia) under en viss period och när blodflödet återställs (reperfusion) tillförs inflammatoriska mediatorer som t.ex. neutrofiler (vita blodkroppar) och syrefria radikaler. Detta leder till oxidativ stress och s.k. lipid peroxidation (vilket innebär en cellskada).

Målsättning med detta avhandlingsarbete har varit att studera om olika frukter och bär med högt innehåll av polyfenoler i kombination med potentiellt probiotiska mjölksyrabakterier kan dämpa och motverka oxidativ stress och tarminflammation i I/R-modellen. Mjölksyrabakteriernas förmåga att konvertera polyfenoler i en blåbärsdryck har studerats. Dessutom undersöktes om närvaro av jäst kunde påverka konverteringen av polyfenoler.

Tillsats av blåsvarta nypon av pimpinellrosa (Rosa pimpinellifolia) eller en blandning av olika laktobaciller till musfoder har minskat cellskada och oxidativ stress i musens tjocktarm. Ett kosttillskott av stenros-nypon (Rosa canina) gav inte samma skyddande effekt. Det var en allmän trend att nyponen i kombination med den probiotiska bakterieblandningen ökade koncentration av polyfenoler och deras antioxidativ kapacitet i tjocktarmen. Den grupp av polyfenoler som ger frukter och bär deras blå, röd och lila pigment benäms i kemiska termer anthocyaniner. Ett högt innehåll av anthocyanin och en nedbrytningsprodukt av dessa återfanns i tarmar hos möss som hade ätit pimpinell-nypon.

Cellskada och oxidativ stress i I/R-modellen i mus har också visats kunna dämpas när musfodret blandades med blåbärspulver eller blåbärspulver i kombination med en potentiell probiotisk laktobacill. Ett kosttillskott av aronia skyddade emellertid inte tarmcellerna. Blåbär visade sig ha en mer komplex sammansättning av polyfenoler, framförallt av olika anthocyaniner (pigmentämnen), än aronia. I tjocktarmen hos möss som hade ätit blåbär spårades ett större antal nedbrytningsprodukter av anthocyaniner än hos möss som ätit aronia. Dessa nedbrytningsprodukter är ett resultat av att tarmens bakterier har modifierat och delvis brutit ner de ursprungliga polyfenolerna i bäret.

Vi ändrade sedan I/R-modellen lite för att försöka öka skadan av den oxidativa stressen och studerade då även skadan i tunntarmen. Blåbärspulver blandad med musfodret skyddade även tunntarmen mot cellskada. När blåbär gavs i kombination med var och en av tre olika mjölksyrabakterier, uteblev emellertid den skyddande effekten i tunntarmen. Tunntarmens innehåll hade högre koncentration av anthocyaniner jämfört med innehållet i tjocktarmen eftersom en del anthocyaniner bryts ner och absorberas på vägen ner. Den kemiska strukturen hos olika anthocyaniner påverkade deras absorption och nedbrytning i tarmen. Ett kosttillskott av blåbär förändrade bakterieflorans sammansättning i tjocktarmen.

När blåbärsdryck, baserad på krossade bär blandade med vatten, fick stå med olika mjölksyrabakterier under 3 veckor i 30 grader Celsius, minskade koncentrationen av olika anthocyaniner i drycken. Nedgången var beroende av anthocyaninernas kemiska struktur och vissa minskade mer än andra. Tillsats av jäst ihop med mjölksyrabakterier ökade anthocyaninernas stabilitet så att negången blev mindre påtaglig.

Sammanfattningsvis, kan sägas att en tillsats av piminellrosens nypon eller av blåbär till musfoderet dämpade cellskadan och den oxidativa stressen i tjocktarmen. Skyddseffekterna var tydliga även när bären gavs tillsammans med laktobaciller. När modellen utformades för att öka den oxidativa stressen och tydliggöra cellskada visade sig blåbär fortfarande ha en skyddseffekt. Den tarmskyddande effekten av blåbär och pimpinellrosens nypon beror sannolikt på det höga innehållet av antioxidativa polyfenoler, framförallt pigmentämnena (anthocyaniner), och deras förmåga att inaktivera syrefria radikaler men kanske också på anthocyaninernas påverkan på tarmens bakterieflora i en positiv riktning.

• author: Jakesevic, Maja
• supervisor: Göran Molin
• opponent: Associate professor Roos, Stefan, Food and Feed Microbiology group, Department of Microbiology, Swedish University of Agricultural Sciences (SLU), Uppsala, Sweden
• organization: Division of Food and Pharma
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Nutrition and Dietetics
• keywords: Bilberry, Rosehips, Chokeberry, Probiotics, Lactic acid bacteria, Polyphenols, Ischemia-reperfusion, Oxidative stress
• pages: 180 pages
• defense location: Lecture hall B, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund, Faculty of Engineering
• defense date: 2011-04-01 09:15:00
• ISBN: 978-91-7473-091-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Applied Nutrition and Food Chemistry (011001300)
• id: 9367be82-a374-465b-97a9-da9c80ad8410 (old id 1833841)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:29:52
• date last changed: 2023-04-18 18:10:23