Thylakoid membrane from spinach - effect of processing on their function as appetite suppressing ingredient

Abstract

Western diet contains a high proportion of palatable food, rich in refined carbohydrates and fat, that subsequently increases the risk of overconsumption and possibly leads to overweight and obesity. Therefore an approach to strengthen the inherent satiety for fat can be used to prevent overconsumption.

Thylakoid membranes isolated from the chloroplast of green leaves have been found to reduce the rate of lipolysis by inhibiting lipase/co-lipase. Administration of thylakoids to animals and humans reduced food intake and body weight as well as affected appetite-regulation hormones.

When a product for consumers shall be formulated based on a plant extract with appetite suppressing abilities, the material must maintain the functionality during industrial processing and storage. Heat treatment is often applied to assure the microbiological safety of the product, and to dry the plant extract into powder form increases the shelf life and flexibility in applications while at the same time also reduces transport and handling costs. The present thesis aims to investigate the effect of processing on thylakoids’ physicochemical properties and subsequent physiological functions of the appetite-suppressing ingredient.

Heat treatment reduced the ability to inhibit lipase/co-lipase in vitro. Heat treatment also affected chlorophyll content and the thylakoids’ ability to stabilize the oil-water interface in oil-in-water emulsions.

Drum drying, spray drying and freeze drying were investigated. Drying at higher temperatures decreased the emulsifying capacity of the thylakoids as well as reducing lipase-inhibiting effect. Deterioration processes was initiated during dehydration and continued during storage. Moisture in surrounding air had a definite effect on chlorophyll degradation with highest degradation rate in high relative humidity. Emulsifying capacity of thylakoid powders was impaired after storage and the reduction was accelerated at higher relative humidities. Spray-dried thylakoid powder had the highest chlorophyll content and the highest emulsifying capacity of all powders investigated. The mild heat treatment during dehydration preserved the chlorophyll content but was severe enough to partly inactivate degradation enzymes. Of the studied techniques, spray drying was concluded to be the most suitable drying technique with respect to functionality of the resulting powder after processing and storage.

A correlation between characteristics and functionality of the thylakoids was established both in aqueous solution and in powder formula. Chlorophyll content, green colour and lightness of powders and ability to stabilize the oil-water interface were correlated to lipase-inhibiting capacity. This opens possibilities to partly replace the enzymatic activity measurement method with the less time consuming and more cost efficient spectrophotometric method and emulsion-based model in screening processes, for example during process optimization.

In conclusion, the thesis contributes with knowledge about the effect of processing and storage on thylakoid products’ functionality. Thus the results can be applied in production of a more standardised functional food ingredient with optimized and predicted appetite reducing properties.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Övervikt och fetma ökar i hela världen och fortfarande vet ingen exakt varför vi äter mer än kroppen behöver. En rådande teori är att den västerländska dieten till stor del innehåller ”supervälsmakande” mat med mycket socker och fett som godis, glass, chips och feta såser. Sådan mat ökar risken för överkonsumtion och kan därför leda till övervikt och fetma. Att öka mättnadseffekten av det fett som finns i maten är därför en strategi som kan användas för att förebygga överkonsumtion.

Thylakoidmembran isolerade från gröna blad har visats fördröja fettspjälkningen i tarmen. Thylakoider hämmar enzymerna lipas och co-lipas som är ansvariga för nedbrytning av fett i tarmen. Fördröjd fettspjälkning ger utökad mättnadskänsla för att maten stannar i tarmen under längre tid. I försök på djur och människor har thylakoider visats hämma hungersignaler och öka mättnadssignaler. Den minskade aptiten ledde till minskat födointag och dokumenterad viktnedgång.

När ett växtextrakt med aptitdämpande effekt ska göras till en produkt för konsumenter måste extraktet genomgå en rad industriella processer som värmebehandling och torkning, samt lagring. Naturligtvis måste den aptitdämpande effekten bevaras i så hög grad som möjligt genom dessa behandlingar, för att skapa den utlovade mättnaden hos konsumenten. Avhandlingens syfte är att undersöka vilken effekt industriell bearbetning och lagring har på thylakoidernas aptitdämpande egenskaper. När man känner till vilken effekt olika värmebehandlingar, torkmetoder och lagringsbetingelser har, kan man skräddarsy produktionen av thylakoider så att slutprodukten dämpar aptiten så mycket som möjligt.

Men varför måste växtpreparatet genomgå industriell bearbetning överhuvudtaget? Gröna blad som växer på öppna fält är ofta täckta av mikroorganismer som bakterier, jäst och mögel som kan vara farliga för människor. Mikroorganismerna kan också förstöra produkten under lagring vilket minskar hållbarheten. Vid värmebehandling dör mikroorganismerna och produkten blir säker att äta. Torkning till pulver ökar användningsområdena av växtpreparatet. Det kan t.ex. blandas in i hälsodrycker, såser, marinader, yoghurt, bars och flingor.

Värmebehandling minskade thylakoidernas förmåga att hämma enzymerna lipas/co-lipas och orsakade nedbrytning av det gröna färgämnet klorofyll. Värmebehandling minskade också thylakoidernas förmåga att stabilisera gränsytan mellan fett och vatten i emulsioner. Emulsioner användes som förenklat modellsystem i stora delar av avhandlingen. Thylakoidernas uppgift i kroppen är att fästa på fettytor i tarmen och genom det hämma lipas/co-lipas vilket skapar utökad mättnad. Ett enkelt och snabbt sätt att mäta thylakoidernas förmåga att fästa på en fettyta är att tillverka en emulsion (jmf majonnäs). Ett bra thylakoidmembran med hög yt-aktivitet klarar av att stabilisera små fettdroppar medan ett skadat thylakoidmembran förlorar sin yt-aktivitet och lyckas bara stabilisera stora droppar.

Tre olika torkmetoder utvärderades: valstorkning (105°C i ca 30 sek), spraytorkning (72°C i ca 3 sek) och frystorkning (20°C i 7 dagar). Torkning vid högre temperaturer orsakade nedbrytning av klorofyll samt minskade den emulgerande förmågan hos thylakoidmembranen. Torkning vid högre temperaturer minskade också förmågan att hämma lipas/co-lipas. Från dessa försök var frystorkning därför den bästa torkmetoden.

Ett pulver måste klara lagring. Thylakoidpulver torkade med valstorkning, spraytorkning och frystorkning lagrades i olika luftfuktighet under åtta månader. Det visade sig att de försämringsprocesser som startats vid torkningen fortsatte under lagring. Hög luftfuktighet under lagring orsakade kraftig nedbrytning av klorofyll. Pulvren tappade sin gröna färg och blev istället brunaktiga. Pulvrens emulgerande förmåga minskade också efter lagring och försämringen accelererades av högre luftfuktighet. Thylakoidpulver bör därför förvaras så torrt som möjligt, gärna i lufttäta förpackningar för att behålla funktionaliteten. Spraytorkat pulver hade den högsta klorofyllhalten och den högsta emulgerande förmågan av alla pulver efter lagring. Den milda värmebehandlingen under torkning bevarade det mesta av klorofyllet men värmebehandlingen var samtidigt tillräckligt kraftig för att inaktivera klorofyll-nedbrytande enzymer som finns naturligt i thylakoider. Spraytorkning är därför den lämpligaste torkmetoden av de undersökta metoderna, som ger ett pulver med hög funktionalitet efter industriell bearbetning och lagring.

Ett samband mellan thylakoidernas fysikaliska kännetecken och funktionalitet kunde fastställas. Klorofyllinnehåll, grön färg, ljushet och förmåga att stabilisera gränsytan mellan vatten och olja var starkt korrelerat till thylakoidernas förmåga att hämma lipas/co-lipas. Analysen av lipas/co-lipas är dyr och tar lång tid. Med hjälp av de funna sambanden kan enkla, snabba och billiga mätmetoder som klorofyllanalys eller analys av grön färg användas för att få en uppskattning över hur bra thylakoiderna hämmar lipas/co-lipas. Speciellt i början av ett utvecklingsprojekt, när mängder av faktorer ska justeras, är det praktiskt att inte behöva göra omständliga analyser på alla prover.

Sammanfattningsvis bidrar avhandlingen med kunskap om hur industriell bearbetning och lagring påverkar thylakoidernas funktionalitet. Resultaten kan användas i produktion av en mer standardiserad och kontrollerad mervärdesingrediens med optimerade aptitdämpande egenskaper.

• author: Östbring, Karolina
• supervisor: Charlotte Erlanson-Albertsson; Marilyn Rayner; Ingegerd Sjöholm
• opponent: Professor Wilde, Peter, Institute of Food Research, Norwich, UK
• organization: Appetite Regulation (research group)
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Nutrition and Dietetics
• keywords: Drying, Storage Conditions, Appetite, Thylakoids, Heat treatment, Chlorophyll, Spinach
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2015:59
• pages: 88 pages
• defense location: Segerfalksalen, BMC, Sölvegatan 19, Lund
• defense date: 2015-05-15 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-138-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: e0afa66d-7247-42ce-af93-a9023e51b1ff (old id 5305853)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:08:57
• date last changed: 2019-05-22 01:32:10