Effects of dietary fibre on the human metabolism and metabolome

Abstract

It is well-known that dietary fibre can have a positive effect on the development of lifestyle-dependent diseases such as cardiovascular disease and type 2 diabetes. However, the effect may be different for different kinds of fibre and different sub-populations at risk. Therefore, the effects of three different kinds of fibre on postprandial and long-term response in healthy subjects were investigated. Consumption of rye bran, oat powder, sugar beet fibre or a mixture of all three in a meal study, led to lower postprandial glucose levels for all meals except oat powder, although the difference was only significant for rye bran. The outcome seemed to be determined not only by the amount of soluble fibre, but also by the total dietary fibre content. The combined effect of an intake of oat bran, rye bran and sugar beet fibre was also investigated in a 5-week randomised cross-over intervention study in healthy, mildly hypercholesterolaemic subjects. Subjects were given a high-fibre (HF) diet (48 g) and a low-fibre (LF) diet (30 g). Despite the high fibre intake, no significant effects were observed on glucose, insulin, or lipid metabolism. However, low-grade inflammatory response was reduced by the HF diet, as reflected by decreased C-reactive protein and fibrinogen levels. Moreover, markers from the high intake of oat, rye and sugar beet fibre were observed in plasma and 24-h urine samples using an untargeted metabolomic profiling approach. After the HF diet, different benzoxazinoids and their metabolites 2-aminophenol sulphate, HPAA (N-(2-hydroxyphenyl)acetamide) and HHPAA (2-hydroxy-N-(2-hydroxyphenyl)acetamide), together with the alkylresorcinol metabolite DHPPA (3-(3,5-dihydroxyphenyl)-1-propanoic acid), were found to be specific for the rye intake, whereas enterolactone was related to rye and oat fibre intake. Some specific markers for oat intake were found, however, their identity needs further validation. One identified marker, 2,6-DHBA (dihydroxybenzoic acid), has not previously been reported as a marker related to dietary fibre intake. Whether there is a specific marker for sugar beet fibre intake remains unclear. These markers of the intake of specific dietary fibre sources could, if validated, serve as markers in intervention studies and larger observational studies, to provide more accurate data on general dietary fibre intake, apart from the subjects’ self-reported values, which are normally used. The effect of a healthy Nordic diet based on the Nordic Nutrition Recommendations, including a high dietary fibre intake, was investigated in obese subjects with metabolic syndrome. This was a randomised, parallel multi-centre study in which the Nordic diet was compared to a control diet. No effects were observed on the glucose and insulin metabolism, however, reductions in lipoproteins were found together with an indication of reduction in the inflammatory response after the intake of the Nordic diet. In conclusion, these studies confirm that a high dietary fibre intake has a beneficial effect on glucose and lipid metabolism. The intervention studies also indicated a reduction in low-grade inflammation markers that are associated with overweight and type 2 diabetes.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Kostfiber visar på gynnsamma effekter på blodsockersvar, inflammationsmarkörer och blodfetter utifrån tre humanstudier som genomfördes i detta arbete. I en av studierna analyserades blod och urin med metabolomik. Det är en metod där man analyserar alla små molekyler (metaboliter) som finns i provet med hjälp av vätskekromatografi kopplat till masspektrometri. Med hjälp av denna analys identifierades flera markörer för kostfiberintag, dels nya markörer men även en bekräftelse av markörer som identifierats i tidigare kostfiberstudier.

Kostfiber är växtmaterial som inte kan brytas ner av vårt matspjälkningssystem men som i varierande grad bryts ner av bakterier i tjocktarmen. Kostfiber påskyndar matens transport genom tarmen vilket minskar risken för förstoppning. Sänkning av blodsocker, blodfettnivåer samt den antiinflammatoriska effekten tillskrivs bland annat en långsammare magsäckstömning och upptag av näringsämnen i tarmen efter intag av kostfiber. Kostfiberintaget i Sverige är idag ca 20 g per dag vilket är lägre än de 25-35 g som rekommenderas i de svenska näringsrekommendationerna för att minska risken att drabbas av hjärt- och kärlsjukdomar, övervikt och diabetes typ 2.

I en måltidsstudie undersöktes blodsocker, insulin och triglycerider (blodfett) hos friska försökspersoner efter intag av olika frukostar med tillsatta kostfiber från spraytorkad havredryck, rågkli, sockerbetsfiber eller en blandning av de tre kostfibrerna. Blodprov togs före och sedan varje halvtimme under tre timmar efter måltiden. Alla måltider, förutom den spraytorkade havredrycken, gav en sänkning av blodsockret men endast för måltiden med rågkli var den signifikant. Denna effekt berodde inte bara på andelen lösliga kostfiber i måltiden utan även på totala mängden kostfiber som måltiden innehöll. Kvinnor hade ett lägre blodsockersvar än män när de intog de olika kostfibermåltiderna. Insulin- och triglyceridnivåerna påverkades inte signifikant av kostfiberintaget i denna studien.

I en långtidsstudie undersöktes hur ett högt kostfiberintag påverkade blodsocker, insulin, olika blodfetter och inflammationsmarkörer hos friska försökspersoner med något förhöjt blodkolesterol. Kostfiber från rågkli, havrekli och sockerbetsfiber sattes till en brödbulle, två drycker och en färdigrätt som intogs dagligen under fem veckor. I kontrolldieten användes samma livsmedel men utan tillsatta kostfibrer. Blodprover togs fastande och en sänkning av inflammationsmarkörerna C-reaktivt protein (CRP) och fibrinogen kunde konstateras efter högfiberkosten. Inga skillnader i blodsocker, insulin eller blodfetter uppmättes mellan hög- och lågfiberdieten. Eftersom försökspersonerna fick äta fritt utöver testprodukterna så resulterade det i att kostfiberintaget under lågfiberkosten blev relativt högt, vilket kan vara en anledning till utebliven effekt i dessa markörer.

Urin och blodprover från långtidsstudien analyserades med metabolomik med syftet att hitta och identifiera vilka metaboliter som påverkas av ett högt kostfiberintag samt att bekräfta kända och hitta nya markörer relaterat till kostfiberintag från råg, havre och sockerbetsfiber. En ny markör relaterad till det höga kostfiberintaget identifierades både i urin och blod; 2,6-dihydroxybensoesyra. Ytterligare metaboliter relaterade till råg- och havreintag ökade signifikant både i blod och urin efter det höga kostfiberintaget.

I en nordisk multicenter-studie undersöktes hur intag av en hälsosam nordisk kost under sex månader påverkade blodsockret, insulin, blodfetter och inflammationsmarkörer hos överviktiga försökspersoner med metabolt syndrom. Den hälsosamma nordiska kosten ställdes mot en kontrollkost som återspeglade en typisk kost hos den nordiska befolkningen. Blodfetterna förbättrades signifikant hos de som intog den hälsosamma nordiska kosten. En markör för inflammation ökade successivt och signifikant under hela studien för de som åt kontrollkosten. Ingen effekt på blodsockret eller insulin kunde påvisas.

Sammanfattningsvis bekräftar studierna tidigare visade hälsoeffekter för kostfiber på blodsocker och blodfetter. Interventionsstudierna indikerade också att ett högt kostfiberintag kan ha positiv effekt på låggradig inflammation, ett tillstånd som är associerat med övervikt och diabetes typ 2. Ett flertal potentiella markörer för kostfiberintag från råg och havre kunde påvisas i blod och urin med metabolomik. En del markörer behöver undersökas mer för att se från vilken typ av kostfiber de kommer ifrån. Detta kan utföras genom att undersöka respektive kostfiber i separata studier och även genom att karakterisera de ämnen som finns närvarande i respektive kostfiber. Om de är robusta markörer för en specifik typ av kostfiber kan dessa användas som kontrollmarkörer för att kvantifiera det generella kostfiberintaget i framtida studier.

• author: Johansson Persson, Anna
• supervisor: Leif Bülow; Gunilla Önning
• opponent: Dr Scalbert, Augustin, International Agency for Research on Cancer, Lyon, France
• organization: Pure and Applied Biochemistry
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biochemistry and Molecular Biology
• keywords: arabinoxylan, b-glucan, dietary fibre, inflammation, LC-MS, metabolomics, oat, pectin, postprandial response, randomised controlled trial, rye, sugar beet fibre
• pages: 84 pages
• defense location: Lecture hall B, Center of Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2014-09-26 13:15:00
• ISBN: 978-91-7422-368-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 51939954-d713-46b2-8f66-8e941cb5fe6e (old id 4616134)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:33:37
• date last changed: 2018-11-21 20:59:26