De biotoegankelijkheid en biobeschikbaarheid van carotenoïden in levensmiddelensystemen op basis van fruit en groenten.

Fruit en groenten maken deel uit van een gezond dieet aangezien ze belangrijk zijn voor het behoud van een goede gezondheid en mogelijks het risico op coronaire hartziekten, beroertes en bepaalde types kanker verlagen. Carotenoïden zijn lipofiele micronutriënten aanwezig in alle fruit- en groentesoorten. Ze bevinden zich in de plastiden van de plantencel, waar ze geassocieerd kunnen zijn met andere componenten. Vanwege hun hoge mate van bio-encapsulatie en lage oplosbaarheid in een waterige fase, is de absorptie in het menselijk lichaam relatief laag. De carotenoïde biotoegankelijkheid bleek uit vorig onderzoek het hoogst in levensmiddelen waarbij natuurlijke barrières verbroken werden door procesvoering, waaraan lipiden toegevoegd werden en waarbij de carotenoïden reeds getransfereerd werden naar deze lipidefractie die voor de digestie werd toegevoegd. In deze context zou de emulsificatie van een oliefase aangerijkt met carotenoïden onderzocht kunnen worden als een doelgericht systeem voor het aanleveren van carotenoïden. Omwille van hun lipofiele karakter is de absorptieroute van carotenoïden sterk gekoppeld aan deze van lipideverteringsproducten. Het is echter de vraag in welke mate emulsiekarakteristieken een rol spelen bij de verteerbaarheid van lipiden en hoe dit de biotoegankelijkheid van carotenoïden kan beïnvloeden.

Tijdens dit doctoraatsproject werd daarom gefocust op het onderzoeken van het effect van specifieke emulsiekarakteristieken op de verteerbaarheid van lipiden, micelvorming en de biotoegankelijkheid van carotenoïden. Hiervoor werd een in vitro digestieprocedure gebruikt die de evaluatie van de spijsverteringstijd mogelijk maakt (kinetische benadering). Vanuit analytisch perspectief werden voor het eerst meerdere lipidedigestieproducten geëvalueerd om gedetailleerd inzicht te verkrijgen in het lipidedigestieproces. Bovendien werd getracht om de evolutie van lipidevertering en carotenoïde biotoegankelijkheid te koppelen aan de (micro)structurele veranderingen die zich voordoen doorheen het spijsverteringskanaal.

In deze context werd het effect van (i) de onverzadigingsgraad van de geëmulgeerde oliefase, (ii) de gastrointestinale stabiliteit van emulsies gestabiliseerd door oppervlakteactieve stoffen met een laag moleculair gewicht en (iii) de aanwezigheid, locatie en structuur van vezels op lipidevertering, vorming van gemengde micellen en carotenoïde biotoegankelijkheid onderzocht. Hiervoor werden olie-in-water emulsies aangemaakt met 5% (w/v) carotenoïde aangerijkte olie en gestabiliseerd door één of twee emulgatoren (0-1,5% w/v), zoals Tween 80, sucrose esters, citruspectine of fosfatidylcholine. Alle bestudeerde emulsies vertoonden initieel kleine oliedruppelgroottes (kleiner dan 2 μm). De emulsies werden in vitro verteerd, waarbij de dunne darmfase kinetisch gesimuleerd werd. Op die manier kon de tijdsafhankelijkheid van lipolyse, micelvorming en carotenoïde biotoegankelijkheid geëvalueerd worden en werd gedetailleerd inzicht verkregen in het mechanisme achter deze processen.

Verschillende emulsiekarakteristieken leidden tot verschillende reactiesnelheidsconstanten evenals verschillende finale waarden van triacylglycerolhydrolyse en micellarisatie van carotenoïden. Zo werden oliën rijk aan meervoudig onverzadigde vetzuren (sojaboon- of lijnzaadolie) langzamer verteerd en soms in mindere mate in vergelijking met olijfolie rijk aan enkelvoudig onverzadigde vetzuren. Dit werd gedeeltelijk toegeschreven aan de meer geknikte structuur van meervoudig onverzadigde vetzuren, die lipasehydrolyse kunnen vertragen en/of belemmeren. De resultaten van dit doctoraatsproject toonden ook aan dat niet alleen de oliedruppelgrootte van de initiële emulsie van belang is, maar ook de gastro-intestinale stabiliteit van deze oliedruppels. Emulsies die onstabiel werden in de maagfase, vertoonden namelijk een grotere deeltjesgrootte aan het begin van de dunne darm, wat een langzamere alsook een onvolledige lipolyse tot gevolg had. Het werk met betrekking tot pectine werd opgedeeld in twee delen. Eerst werden de emulgerende eigenschappen van citruspectine met verschillende graad van methylesterificatie geëvalueerd, waarna het effect van de aanwezigheid van pectine in emulsies bestudeerd werd op de gastrointestinale stabiliteit van de oliedruppels alsook op de kinetiek van de lipidedigestie en carotenoïde biotoegankelijkheid. Er werd kwantitatief aangetoond dat citruspectine in staat is de oppervlaktespanning van een oliedruppel te verlagen, ongeacht zijn structuur, wat de adsorptie van citruspectine aan de olie-water interfase en oppervlakte-actieve eigenschappen aantoonde. De resultaten van de digestiestudie toonden aan dat de locatie van pectine in een emulsie een grote invloed had op de mate van lipidedigestie, terwijl de pectinestructuur de lipolyse-snelheid beïnvloedde. Zo resulteerde de aanwezigheid van pectine aan het olie-watergrensvlak in een snelle lipolyse, maar beperkte mate. Dit suggereert dat pectine de adsorptie van lipase niet verhinderde, maar dat het wel interageerde met andere componenten in de darmsappen, zoals galzouten, waardoor een volledige lipidevertering belet werd. In alle uitgevoerde digestiestudies werd een sterke relatie waargenomen tussen de hydrolyse van triacylglycerolen, micelvorming en biotoegankelijkheid van carotenoïden.

De resultaten verkregen in de hierboven besproken digestiestudies werden eerst gemodelleerd met behulp van een single respons empirisch model (fractioneel conversiemodel). In deze single respons aanpak werden alle geëvalueerde lipidedigestieproducten onafhankelijk gemodelleerd. Ze maken echter deel uit van een gemeenschappelijk reactieschema en zijn onderling gecorreleerd. Daarom werd in het laatste deel van dit doctoraatsproject getracht een mechanisme gebaseerd multiresponsmodel te construeren. Met behulp van het iteratieve proces van multirespons kinetische modellering en de eerder verkregen data in dit werk, was het mogelijk om een algemeen toepasbaar reactieschema van lipidevertering voor te stellen. Dit reactieschema kon vervolgens vertaald worden in een reeks overeenkomstige differentiaalvergelijkingen die de evolutie van alle geëvalueerde lipolyseproducten samen beschrijft. Er wordt verwacht dat dit multiresponsmodel een hogere betrouwbaarheid en toepasbaarheid heeft in vergelijking met het eerder geselecteerde en toegepaste empirische model met één respons. Het voorgestelde mechanistische multirespons kinetisch model was in staat om alle in vitro datasets te beschrijven die in dit werk verkregen werden.

Uit de resultaten van dit doctoraatsproject kan geconcludeerd worden dat emulsie design van groot belang kan zijn voor het doelgericht sturen van lipidedigestie en carotenoïde biotoegankelijkheid. Bovendien werd aangetoond dat als men de biotoegankelijkheid van carotenoïden wil manipuleren, men zich kan richten op het beïnvloeden van de lipolyse in het geval carotenoïden voorafgaand aan de digestie opgelost werden in een geëmulgeerde lipidefractie.