| Ämnesområde: |
|
| Namn: |
|
| E-post: |
ann-sofie.sandberg@chalmers.se |
| Univ./Institution: |
Chalmers tekniska högskola - Kemi- och bioteknik |
| Projekttitel (sv): |
Faktorer som påverkar tillgänglighet av järn i fermenterade livsmedel |
| Projekttitel (eng): |
Factors influencing iron availability in lactic fermented foods |
| Värdhögskola: |
Chalmers tekniska högskola |
| SCB-klassificering: |
Livsmedelsteknik, Biokemisk och bioteknisk processteknik, Näringslära |
| Beviljat (SEK): |
Bidragsform |
|
2005 |
2006 |
2007 |
|
|
|
| |
Doktorand |
|
820800 |
712800 |
847800 |
|
|
|
|
| Beskrivning: |
Mjölksyrajäsning för att motverka järnbrist
Järnbrist förekommer ofta i u-länder, men också i industrialiserade länder bland kvinnor i barnafödande åldrar, småbarn och tonåringar. Enligt Världshälsoorganisationen, WHO, lider 4-5 miljoner människor av järnbrist, vilket påverkar både fysisk hälsa och mental utveckling. En viktig orsak till järnbristen är att en stor del av kostens järn ofta inte kan tas upp i tarmen, eftersom det sitter bundet till organiska föreningar och inte är lösligt. Det huvudsakliga järnet i födan är s.k. icke hembundet järn och det påverkas kraftigt av andra komponenter i födan som hämmar eller stimulerar upptaget. I Sverige förs idag diskussioner om man skall berika mjöl med järn för att komma tillrätta med järnbristen. En sådan berikning skulle då ge ett järntillskott även till dem som inte har behov av detta. Ett alternativt sätt är att använda sig av beredningsmetoder och livsmedelsprocesser som ökar järnupptaget genom att de hämmande faktorerna bryts ner eller att stimulerande faktorer bildas i livsmedlet eller i tarmen. På så sätt blir det naturligt förekommande järnet i livsmedlet tillgängligt för upptag i tarmen. Konsumenterna skulle då få möjlighet att välja sådana livsmedel.
Mjölksyrajäsning är en sådan metod. Vi har funnit att mjöksyrajäsning av grönsaker kan fördubbla upptaget av järn, och att vissa mjöksyrabakterier är bättre än andra på att stimulera upptaget. I det här projektet vill vi ta reda på vilken eller vilka faktorer som ger den här stimulerande effekten. Troligen är de organiska syror som bildas under mjölksyrajäsning inblandade. Vissa av dem kan också fördröja magsäckstömningen, vilket i sin tur skulle kunna påverka upptaget av järn. Vi använder oss av en datorstyrd mag-tarmmodell som programmeras för att efterlikna matspjälkningen i människa för att studera om andelen järn som är tillgängligt för upptag påverkas av magsäckens tömningshastighet, passagetiden genom tarmen och surhetsgraden i den del av tarmen där upptaget sker. Vi studerar också om mjölksyrabakterierna kan överleva tarmpassagen och producera organiska syror där. Vi behöver också undersöka enskilda organiska syrors (ex.vis mjölksyra, ättiksyra) och blandningar av syror och dess effekter på det aktiva upptaget av järn i enkla måltider. För att studera om dessa organiska syror förhöjer upptaget av järn behandlas måltiden först med en matspjälkning och sedan använder vi en cellmodell med tarmceller i vilka upptaget mäts. Dessutom mjölksyrajäser vi grönsaker med de utvalda mjölksyrabakterierna för att utvärdera de positiva effekterna på järnupptaget hos människa från en måltid med fermenterade grönsaker jämfört med en måltid med färska grönsaker med och utan tillsats av de organiska syror som finns i de fermenterade grönsakerna. Det sistnämnda görs för att se om en positiv effekt beror på de organiska syrorna i livsmedlet.
Våra resultat skall leda till att man kan förklara den positiva effekten av mjölksyrajäsning på järnupptag. Om man känner till de faktorer som ger en gynnsam effekt kan den kunskapen användas för att utveckla nya hälsobefrämjande livsmedel t.ex. fermenterade grönsaker, juicer men också spannmål med utvalda mjölksyrastammar. |
 |
| Inomvetenskaplig redovisning: |
Iron deficiency is the most common nutritional deficiency disorder worldwide. In particular, it is a serious health issue in children and women of child-bearing age. Thus, it is an important challenge to prevent the incidence of iron deficiency. A plausible strategy to address this problem is to pursue and optimize foods to give a high yield of bioavailable iron.
Suitable candidates for this purpose are of vegetable origin since vegetables are relatively easy accessible and cheap in a global perspective. Vegetables also contain plenty of iron and other nutrients which unfortunately have a quite poor availability in this matrix. However, lactic acid fermentation of the vegetables has been shown to reduce the phytate content and increase the iron availability. Since the fermentation degrades the matrix and the bacteria produce metabolites not
found in the fresh vegetables, the fermentation itself creates new conditions for iron bioavailability.
Therefore, the aim of this Ph D project was to evaluate specific factors found in lactic fermented vegetables in order to estimate the cause for the increased iron availability and the mechanisms behind. This information can be used in designing functional foods that improve iron status.
The iron binding capacity of fermented carrot juice and the ability of relevant factors to bind iron have been studied thoroughly by the use of differential pulse anodic stripping voltammetry and the total content of iron and organic acids have been studied by HPLC measurements. The iron bioavailability of fermented vegetables was studied in a model system where fermented and fresh vegetables were exposed to an in vitro digestion followed by incubation with the human intestinal Caco-2 cell line. The iron uptake and transport were measured by means of 55Fe and ferritin content. Three of the factors found in fermented vegetables with a potential to influence iron absorption, namely ascorbic acid, lactic acid and β-carotene were also studied alone, in the Caco-2 cells. The cellular response to ascorbic acid was studied more extensively by also observing the protein expression related to iron uptake and transport. This was conducted by the use of Western blot analysis and ELISA measurements.
The results of this project shows that the fermentation of vegetables increased the amount of soluble iron and thus increased the iron available for absorption from fermented vegetables compared to fresh vegetables. Another result indicated that fermented carrot juice was able to reversibly bind more ferrous iron (Fe2+) than fresh juice. This could be one explanation for the higher solubility of iron in the fermented juice. Binding studies indicated that ascorbic acid chelates ferrous iron (Fe2+) at low pH and that this bond is weakest at approximately pH 4.8. This behavior has important implications for the gastrointestinal tract, where iron is protected in complex with ascorbic acid when encountering the acidity in the stomach and then released when entering the duodenum where the pH is increasing. The released ferrous iron is thus accessible for the transport proteins at the epithelial brush border.
Extended studies on the effects of ascorbic acid on iron bioavailability indicated that the intracellular status of ascorbic acid is important for iron uptake. Further studies showed that also the iron status is important for the uptake of ascorbic acid, indicating the close relation between iron and ascorbic acid metabolism. To summarize, ascorbic acid affects iron bioavailability at both the intracellular level and the extracellular intestinal level. Lactic acid is one of the major acids produced during the fermentation by heterofermentative lactic acid bacteria and there have been reports in the literature of a possible effect on iron bioavailability by this acid. However, Caco-2 cell studies did not show any significant effects of lactic acid on ferritin formation, which would be expected if there was a change in iron uptake. Since carrots contain a high concentration of β-carotene, the effect of this compound on iron uptake in Caco-2 cells was also studied. As for lactic acid, β-carotene did not show any effect on the ferritin formation.
In conclusion, if these model studies are true also in humans, functional foods with an optimized bioavailability of iron should be combined with foods rich in ascorbic acid in order to maximize iron bioavailability. However, the new data suggests that these ascorbic acid containing foods have an effect on iron absorption even if ingested in a previous meal. Moreover, since lactic acid per se did not show any effect on iron bioavailability, heterofermentative bacteria also producing other organic acids (acetic, propionic acid) could be considered for further investigations to optimize iron bioavailability.
Publications/manuscripts
1. Scheers N, & Sandberg A-S. Ascorbic acid affects ferritin, Dcytb and Nramp2 expression in Caco-2 cells. Eur J Nutr. (2008) 47:401-408
2. Bengtsson A, Scheers N, Andlid T, Larsson Alminger M, Sandberg A-S, & Svanberg U. Impaired uptake of β-carotene by Caco-2 human intestinal cells in the presence of ferrous iron. Int J Food Sci Nutr. (2009) 1-11
3. Scheers N, Andlid T, Alminger M, Sandberg A-S. Determination of Fe2+and Fe3+ in aqueous solutions containing food chelators by differential pulse anodic stripping voltammetry. (2010). Electroanalyses. Published online, as early view
4. Scheers N, & Sandberg A-S. The iron transporter ferroportin is regulated by ascorbate in human intestinal Caco-2 cells. 2009. Submitted/manuscript
5. Scheers N, & Sandberg A-S. Iron regulates the uptake of ascorbate as well as the expression of the ascorbate transporter SVCT1 in the human intestinal Caco-2 cell model . Manuscript
6. Scheers N, Almgren A, Andlid T and Sandberg A-S. Higher content of soluble iron seems to be the cause for the reported enhancement of iron uptake by fermented vegetables. Manuscript
7. Scheers N, Sandberg A-S. Lactic acid does not improve ferritin formation in human Caco-2 cells. Manuscript
|
|
| Populärvetenskaplig redovisning: |
Järnbrist är den absolut vanligaste näringsbristsjukdomen i världen, där barn och kvinnor I fertil ålder är särskilt utsatta. Det är därför en viktig uppgift att förhindra att järnbrist uppstår. Ett bra sätt att arbeta mot detta mål är att utveckla mat där järnets biotillgänglighet är optimal, eftersom problemet sällan är ett för lågt innehåll av järn i kosten. Med biotillgänglighet avses den andel av järnet i kosten som kan tas upp och utnyttjas av kroppen.
Lämpliga livsmedel för detta ändamål kan vara grönsaker. Grönsaker är lättillgängliga och relativt billiga, många odlar dem själva. Dessutom innehåller grönsaker mycket järn och andra näringsämnen som vi behöver. Nackdelen är att biotillgängligheten av järn är relativt låg. Man har sett att fermentation (mjölksyrajäsning) av grönsaker minskar den järnupptagshämmande föreningen fytat i och ökar därmed tillgängligheten av järn. Mjölksyrafermentationen gör även att andra komponenter bryts ner och dessutom producerar bakterierna egna ämnen som kan påverka järnupptaget i tarmen. Detta innebär att fermentationen i sig skapar nya förutsättningar för järnets biotillgänglighet. Syftet med detta doktorandprojekt var därför att studera och utvärdera specifika faktorer i fermenterade grönsaker för att utreda orsaken till den förhöjda tillgängligheten av järn och mekanismerna bakom detta. Denna information kan användas till att utveckla funktionell mat med syfte att förbättra järnstatus.
Förmågan hos fermenterad morotsjuice att binda järn har studerats. Dessutom har relevanta faktorer i juicen studerats ytterligare med avseende på järnbindande förmåga, påverkan av järnets biotillgänglighet och påverkan på proteinuttryck av järnupptagsrelaterade proteiner. Järnets biotillgänglighet har studerats i den humana tunntarmscellmodellen Caco-2. Som markörer för järnupptag har den radioaktiva isotopen 55Fe och uttryck av järnlagringsproteinet ferritin inne i tarmcellen använts. Tre faktorer har studerats mer ingående; askorbinsyra, mjölksyra och β-karoten. Askorbinsyra är en faktor som har stor betydelse för järnupptag och därför har denna faktors påverkan även studerats avseende uttryck på proteinnivå. Uttrycket av järnupptagsrelaterade transportproteiner har observerats med hjälp av immunologiska detektionsmetoder; Western blot analys och ELISA.
Resultaten från detta projekt klargjorde att fermentationen ökade andelen lösligt järn och därmed järnets tillgänglighet för upptag i tarmen. Ett annat resultat visade att fermenterad morotsjuice har större förmåga att binda tvåvärt järn än färsk juice, vilket kan vara en av orsakerna till att järnets löslighet ökar i den fermenterade juicen. Bindningsstudier visade också att askorbinsyra kelatbinder tvåvärt järn vid lågt pH och att denna bindning är som svagast vid pH ca 4.8. Detta beteende kan vara viktigt för järnets transport genom mag-tarmkanalen. Det skulle då innebära att järnet skyddas genom sin bindning till askorbinsyran i den sura miljön i magsäcken. När järn-askorbinsyrakomplexet sedan kommer till duodenum frisätts järnet då pH ökar och järnet är då tillgängligt för upptag i tarmväggen.
Utökade studier av askorbinsyrans effekt på järnets biotillgänglighet visade att askorbinsyrastatusen i tarmcellerna är viktig för järnupptag. Vidare studier visade att också cellernas järnstatus är viktig för upptaget av askorbinsyra. Dessa samband påvisar en mycket nära relation mellan järn och askorbinsyrametabolism. Sammanfattningsvis påverkar askorbinsyran järnbiotillgängligheten på både intracellulär och extracellulär nivå. Mjölksyra är en av de viktigaste syror som produceras under fermentation av heterofermentativa mjölksyrabakterier. I litteraturen talas det om en möjlig effekt av mjölksyra på järnets biotillgänglighet. Studier i vårt laboratorium visade ingen signifikant effekt av mjölksyra på inlagringen av ferritin i humana tarmceller (Caco-2). Detta hade man förväntat sig om det skett en förändring i järnupptaget. Morötter innehåller en hög koncentration av β-karoten. Därför studerades även denna förenings påverkan på järnupptaget i Caco-2-celler. Studierna påvisade ingen signifikant effekt av β-karoten på ferrtitininlagringen i cellerna.
Avsutningsvis, om dessa modellstudier visar sig gälla också i människa, så bör funktionell mat med en optimerad biotillgänglighet av järn kombineras med föda rik på C-vitamin för att maximera järnbiotillgängligheten. De nya resultaten visar dock att dessa kan ätas vid olika tidpunkter; alltså inte nödvändigtvis i samma måltid, och ändå påverka järnabsorptionen. Vidare, eftersom mjölksyra i sig inte hade någon effekt på biotillgängligheten av järn kan bakterier som också producerar ättiksyra och propionsyra användas vid fermentering i framtida studier för att optimera biotillgängligheten av järn.
|
|