Characterisation of Dietary Fibre Properties to Optimise the Effects on Human Metabolism and the Transcriptome

Abstract

It is well established that dietary fibre, especially soluble dietary fibre, has beneficial effects and can prevent diseases associated with the modern lifestyle. This has been explained by the viscous effects of soluble fibre, which can reduce or delay the absorption of carbohydrates and fat in the small intestine, resulting in lower blood concentrations of glucose, insulin and cholesterol. Oats, rye, sugar beet fibre and barley, all recognised for their high content of soluble fibre, were investigated in this work.



The ability of fibres to form viscous solutions is determined by the concentration, solubility, the polymer molar mass and aggregate formation. The fibre releasability (solubility) and solution behaviour were analysed under physiological conditions to examine the effects of processing, the surrounding matrix and gastrointestinal conditions. Less than half of the β-glucans was released from oat bran when analysed with an in vitro method imitating gastrointestinal digestion, and the same was found regarding the release of pectin from coarse particles of sugar beet fibre. Reducing the particle size by milling improved the releasability, while mixing the milled fractions with a solid food matrix (protein, fat or starch) decreased or delayed it. The effect of food processing on barley β-glucan aggregation was studied using asymmetrical flow field-flow fractionation. Boiling was shown to disrupt the largest aggregates, while higher temperatures also seemed to degrade the polymer chain. Freeze-thaw cycles resulted in cryogelation, which could lead to reduced viscosity. The low pH in the in vitro gastric digestion phase also disrupted the aggregates, but this was followed by re-aggregation/gelation at the neutral pH mimicking the conditions in the small intestine. This may entrap nutrients in the aggregate or gel matrix, thereby reducing absorption.



A human study was performed with oats, rye and sugar beet fibre, and mixtures of these three. Fibre-rich meals were optimised to promote high releasability of fibre and retention of aggregates. Changes in traditional biomarkers, as well as in the transcriptome, in response to the fibre-rich meals, were examined in healthy men and women. The postprandial glucose levels were lowered by rye bran, while oat bran lowered the insulin concentrations. The lowering effects may be related to fibre source, the amount of soluble and insoluble fibre and pre-processing of the fibre. In contrast, a spray-dried oat drink increased the postprandial levels of insulin, possibly due to its low fibre content in combination with certain amino acids and a high amount of carbohydrates in the liquid matrix. Women showed, on average, a more pronounced glucose lowering response than men, indicating that different amounts of dietary fibre should be recommended for men and women. Changes in gene expression in peripheral blood mononuclear cells after the intake of oat bran were investigated with microarray analysis. Gene sets and pathways related to insulin secretion were significantly suppressed in response to the oat bran meal compared with the control meal.



In conclusion, many factors may influence the properties of dietary fibre. It is therefore valuable to use in vitro methods to simulate gastrointestinal digestion to characterise and optimise fibre functionality prior to testing their effects on human metabolism and the transcriptome.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Genom att inta en bärdryck med extra fiber från råg eller havre steg inte blodsockret och insulinnivån lika snabbt jämfört med samma måltid utan fiber i drycken. Dessutom visade ett test två timmar efter havreklimåltiden att avläsningen av insulinrelaterade gener (genuttrycket) hade nedreglerats. Andra gener som påverkades av havremåltiden var kopplade till proteinsyntesen och cancersjukdomar. Denna avhandling beskriver hur lösliga kostfiber från olika grödor påverkas av tillverkningsprocesser och matlagning, och hur de beter sig i en simulerad mag-tarmkanal. Hälsoeffekterna av fibrerna undersöktes därefter i en måltidsstudie på människa.



Det är framför allt lösliga fibrer som fördröjer näringsupptaget i tunntarmen genom att öka viskositeten, dvs. göra tarmvätskan mer tjockflytande. Ett långsammare och lägre upptag av kolhydrater gör att blodsockerhöjningen efter en måltid inte blir lika stor (lägre glykemiskt index, GI), vilket i längden kan motverka välfärdssjukdomar som fetma och diabetes.



Olika tillverkningsprocesser kan påverka de lösliga fibrernas effekt på hälsan. Med en analysmetod som inte bryter ner fiberaggregat (hopslagning av fiberkedjor) kunde vi visa att kokning separerade aggregaten men vid högre temperaturer bröts även de enskilda fiberkedjorna ner. En vecka i frys påverkade inte fibrerna medan upprepad frysning och upptining gjorde att det bildades en oönskad gel.



En modell av mag-tarmkanalen anpassades för att undersöka hur stor andel av den lösliga fibern som frisätts i magen respektive tarmen. En hög frisättning leder till ökad viskositet. Från de grova partiklarna frisattes 20 % β-glukan från havre¬kli och 50 % pektin från sockerbetsfiber, men genom att mala partiklarna ökades frisättningen till 55 % respektive 70 %. I nästa steg undersöktes malda fiber som blandats med olika livsmedel, som kokt äggvita (protein), smör (fett) eller kokt potatisstärkelse (stärkelse). Både protein och stärkelse orsakade en betydligt långsammare frisättning av fibern.



Malning, kokning och frysning är alltså olika processer som påverkar kostfibers möjliga hälsoeffekter. Dessutom påverkas de av vilka livsmedel man blandar dem med. Sedan 1997 tillåts hälsopåståenden för fiberrika produkter i USA, dvs. man får skriva att produkten är hälsosam på förpackningen. Sverige tillåter sådana för specifika produkter medan EUs krav är under beslut och förväntas innehålla skrivningar om vilka processer kostfibern får utsättas för om hälsopåståendena ska gälla. En modell av mag-tarmkanalen kan användas för att undersöka hur olika fiber och fiberrika produkter beter sig, vilket vi tror är en bra metod innan man går vidare till att undersöka hälsoeffekter på försökspersoner.



I måltidsstudien undersöktes malda fiber av antingen havrekli, spraytorkad havredryck, rågkli, sockerbetsfiber eller en blandning av fibrer. De olika fibrerna blandades i kall svartvinbärsdryck och blev därmed varken kokade eller frysta. Arton friska, unga försökspersoner deltog. En morgon i veckan under sju veckor, efter en natts fastande, kom de till studiecentrumet för att äta en fibermåltid eller en kontrollmåltid utan fiber. Blodprov togs före och under tre timmar efter för att mäta effekterna på blodsocker, insulin och triglycerider (ett blodfett). Prov före och två timmar efter måltider med havrekli respektive kontroll användes också för att isolera mRNA från vita blodkroppar för att studera förändringar i genuttrycket för 24 000 gener med microarrayteknik.



Drycken med rågkli sänkte blodsockret signifikant medan havrekli åstadkom en signifikant sänkning av insulinnivåerna. Det fanns en tendens att kostfibrerna gav bättre sänkning av blodsockret hos kvinnor än hos män. Sockerbetsfiber och fiberblandningen visade inga tydliga effekter, medan den spraytorkade havredrycken höjde insulinnivåerna, möjligen på grund av låg halt kostfiber och att kolhydraterna enbart var i flytande form. Fibermåltiderna påverkade inte nivån av triglycerider signifikant. Måltiden med havrekli ändrade genuttrycket redan efter två timmar. Gener som är relaterade till insulinproduktion verkar ha inaktiverats, vilket i sin tur sänkte insulinnivån i blodet. Även gener relaterade till proteinsyntesen och cancersjukdomar påverkades, vilket skulle kunna vara relaterat till de sänkta insulinnivåerna. Dessa effekter efter en enda fibermåltid kan vara en tidig indikation på långtidseffekter av kostfiber.



Sammanfattningsvis visar denna avhandling att behandlingen av kostfibrerna innan de intas kan leda till förändringar som påverkar hälsoeffekterna och att det är viktigt att kartlägga detta för att kunna få önskad hälsoeffekt. Genom att använda nya tekniker för analys av fiberaggregat och mag-tarmmodeller följt av studier på människa finns det stora möjligheter att kunna erbjuda konsumenter livsmedel som innehåller optimalt hälsosamma kostfiber.

• author: Ulmius, Matilda
• supervisor: Leif Bülow; Gunilla Önning
• opponent: Professor Mathers, John C., Newcastle University, Storbritannien
• organization: Pure and Applied Biochemistry
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biochemistry and Molecular Biology
• keywords: field-flow fractionation, gastrointestinal method, aggregation, solubilisation, pectin, β-glucan, sugar beet fibre, Oats, rye, postprandial responses, microarray gene expression
• pages: 120 pages
• defense location: Lecture hall B, Center of Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-02-18 10:30:00
• ISBN: 978-91-7422-262-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 76c4ee83-55cf-452c-a934-3624f313c021 (old id 1765325)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:46:43
• date last changed: 2018-11-21 21:00:43