DISS. ETH NO. 17305
DETERMINATION OF HYDRATION PROPERTIES OF INSOLUBLE
PLANT MATERIAL WITH DIFFERENT METHODS UNDER
PHYSIOLOGICAL CONDITIONS
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
ALESSANDRA FRAZZOLI
Dottoressa in Chimica Industriale, Università degli studi di Bologna
born April 13, 1976,
citizen of Italy
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Renato Amadò, examiner
Prof. Dr. Felix Escher, co-examiner
2007
Summary
The beneficial health effects of dietary fibre in human nutrition are generally
recognised. One key factor for the positive effects of fibre in the gastrointestinal tract
are the hydration properties, important physical features, which should therefore be
considered in studies concerning mechanical and physical properties of dietary fibre.
Different methods analysing the hydration properties of insoluble samples are
available.
This study was firstly aimed to improve and apply a method determining only the
macroscopic water uptake, i.e. only the water taken up by the swollen particles (dye
exclusion method). Subsequently, the results obtained by this method were compared
to those obtained by a method determining the swelling of the samples (swelling
method), and by a method determining the kinetics of the water absorption. This
comparison allowed to validate the results obtained by the improved dye exclusion
method and to outline the most relevant applicative aspects of the different methods
used.
To improve the knowledge on the behaviour of the non-digestible carbohydrates
during the passage through the gastrointestinal tract trials simulating the
physiological conditions (37 °C, at pH values between ~1 and ~7 in physiological buffers,
continuous mixing when possible) were carried out.
For comparative purpose, the experiments were also performed at different
experimental conditions (22°C, different hydration liquid, different material/liquid ratio
or amount of material, presence or absence of continuous mixing). The influence of the
particle size and of the in vitro digestion was also studied.
The improved dye exclusion method turned out being not very robust and the accuracy
of the results obtained was considered low for an analytical method. However,
reproducible and reliable results could be obtained paying particular attention to the
different steps of the procedure. A disadvantage of the dye exclusion method could be
the possible interaction of the FITC-dextran with the samples at low pH which would
limit the field of application of this technique with respect to the pH. A probable
interaction of the FITC-dextran with the samples at low pH was noticed. This
observation suggested prudence in the use of this technique at low pH.
X
Summary
The swelling method was the simplest method from the experimental point of view
and consequently the results were little influenced by procedural parameters.
Nevertheless, the swelling as the kinetics of the water absorption method does not
allow the direct determination of the water uptake as the dye exclusion method does.
Water uptake values can be calculated, but the introduction of other experimental data
(e.g. ρb) and approximations led to results affected by errors.
The expected positive correlation between the particle size and the swelling values was
observed, while an equalisation of the water uptake values was noted.
Lower swelling values of the digestion residues were generally not observed for the
digested samples as compared to the corresponding non-digested samples. On the
contrary, the water uptake values confirmed the hypothesis that the digestion leads to
materials which are more dense and, therefore, less susceptible to hydration than the
non-digested ones.
In general, the hydration properties were found scarcely influenced by the different pH
observable during the passage of food through the gastrointestinal tract (pH ~1, ~5, ~7).
Similarly, no influence of the temperature (22 °and 37 °C) and of the hydration liquid
(physiological buffer, low concentrated buffer, nanopure water) was found.
The physiological conditions considered in the present study were extremely simplified
and the results obtained should be considered only as an approximate representation
of the behaviour of dietary fibre along the gastrointestinal tract.
The NMR relaxometry technique did not allow obtaining the desired information about
the porosity of the material, the rigidity of polymer chains or the interaction between
water and polymers. Nevertheless, for the simplest insoluble sample tested (cellulose),
it was possible to specifically assign the peaks representing the water inside the solid
particles.
The CPMG experiments carried out in water gave similar results for different insoluble
samples, whereas some deviations were observed for complex cell wall materials.
Similarities were also noted in the graphs representing the distributions of T2 values
obtained for different samples having similar particle size.
Riassunto
L’effetto benefico delle fibre alimentari nella nutrizione umana è generalmente
riconosciuto. Un fattore chiave per gli effetti positivi delle fibre nel tratto
gastrointestinale sono le proprietà di idratazione, importanti proprietà fisiche che
dovrebbero quindi essere considerate in studi riguardanti proprietà meccaniche e
fisiche delle fibre.
Diversi metodi per l’analisi delle proprietà di idratazione delle fibre alimentari sono
disponibili.
Lo scopo principale di questo studio è stato quello di migliorare e applicare un metodo
per la misurazione dell’assorbimento macroscopico di acqua, cioè per la misurazione
della sola acqua assorbita dalle particelle idratate del campione (metodo dell’esclusione
del colorante). Successivamente, i risultati ottenuti con questo metodo, sono stati
confrontati con quelli ottenuti usando un metodo che determina il rigonfiamento dei
campioni (metodo del rigonfiamento) e un metodo che misura la cinetica
dell’assorbimento dell’acqua. Questo confronto ha permesso di convalidare i risultati
ottenuti con il metodo dell’esclusione del colorante e di delineare i più importanti
aspetti applicativi dei diversi metodi usati.
Gli esperimenti sono stati eseguiti in condizioni che simulano quelle fisiologiche (37 °C,
valori di pH fra ~1 e ~7 in tamponi fisiologici, mescolamento continuo quando possibile)
al fine di migliorare la conoscenza del comportamento di carboidrati non digeribili
durante il passaggio attraverso il tratto gastrointestinale. Gli esperimenti sono stati
inoltre effettuati in condizioni sperimentali diverse (22 °C, diversi liquidi di idratazione,
diversi rapporti solido/liquido o quantità di materiale, presenza o assenza di
mescolamento continuo) a scopo comparativo. Anche l’influenza della dimensione
delle particelle e della digestione in vitro è stata investigata.
Il metodo dell’esclusione del colorante, applicato nella forma migliorata, è risultato
essere poco robusto e la precisione dei risultati è stata considerata bassa per un
metodo analitico. Valori riproducibili e attendibili sono stati comunque ottenuti
prestando particolare attenzione nelle diverse fasi della procedura. E’ stata evidenziata
una probabile l’interazione dell’FITC-dextran con i campioni a pH acido. Questa
osservazione suggerisce cautela nell’uso di questa tecnica a bassi pH.
XII
Riassunto
Il metodo del rigonfiamento è il più semplice dal punto di vista sperimentale e, di
conseguenza, i risultati sono influenzati solo in minima parte da parametri di
procedura. Nondimeno, il metodo del rigonfiamento e il metodo che misura la cinetica
dell’assorbimento dell’acqua non permettono la misura diretta dell’acqua assorbita
dalle particelle come accade per il metodo dell’esclusione del colorante. L’acqua
assorbita solo dalle particelle può essere calcolata ma l’introduzione di altri dati
sperimentali (per esempio ρb) e le approssimazioni introdotte hanno portato a risultati
affetti da errori.
E’ stata effettivamente osservata la correlazione positiva fra la dimensione delle
particelle e i valori di rigonfiamento che ci si attendeva, mentre nei valori di acqua
assorbita solo dalle particelle è stato notato un livellamento.
In generale, non sono stati osservati valori di rigonfiamento più bassi per i campioni
digeriti rispetto ai corrispondenti campioni non digeriti. Al contrario, analizzando solo i
valori di acqua assorbita dalle particelle del campione si è potuto confermare l’ipotesi
che la digestione produce materiale più denso e, di conseguenza, meno incline
all’idratazione rispetto ai campioni non digeriti.
Complessivamente, le proprietà di idratazione sono risultate poco influenzate dai
diversi pH osservabili durante il passaggio del cibo attraverso il tratto gastrointestinale
(pH ~1, ~5, ~7). In modo analogo, non è stata evidenziata nessuna particolare influenza
né della temperatura (22 °C e 37 °C) né del liquido di idratazione (tamponi fisiologici,
tamponi a bassa concentrazione, acqua deionizzata).
Le condizioni fisiologiche considerate in questo studio sono molto semplificate e i
risultati ottenuti possono rappresentare solo approssimativamente il comportamento
delle fibre alimentari lungo il tratto gastrointestinale.
La rilassometria NMR non ha permesso di ottenere le informazioni desiderate riguardo
la porosità del materiale, la rigidità delle catene di polimero o l’interazione fra acqua e il
polimero stesso. Nonostante ciò, per il più semplice materiale testato (cellulosa), è stato
possibile dare specifiche assegnazioni ai picchi rappresentanti l’acqua presente
all’interno delle particelle solide.
I risultati degli esperimenti acquisiti con la sequenza CPMG in acqua sono apparsi simili
per diversi campioni insolubili, mentre alcune deviazioni sono state osservate per i
campioni più complessi quali quelli derivanti dalla parete cellulare delle piante. Sono
state notate delle analogie nel profilo dei grafici che rappresentano la distribuzione dei
valori di T2 ottenuti per diversi campioni con simile dimensione delle particelle.