SUPERVISOR
Mahmoud SheikhZeinodin,Sabihe Soleimanianzad
محمود شیخ زین الدین (استاد راهنما) صبیحه سلیمانیان زاد (استاد راهنما)
STUDENT
Shokouh Ahmadi Dehaghi
شکوه احمدی دهقی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Investigation the effects of the prebiotics isolated from acorn and sago on some symptoms of metabolic syndrome
Role of gut microbiome in obesity and type 2 diabetes (T2D) became apparent from several independent studies, indicating that gut microbiome modulators like prebiotics may improve microbiome perturbations (dysbiosis) to ameliorate metabolic derangements. We herein isolate water soluble, non-digestible polysaccharides from five plant based foods (acorn, quinoa, sunflower, pumpkin and sago seeds). Various drying procedures were applied during the process of isolating acorn polysaccharide to investigate the structure and functional properties of this new prebiotic. Three drying methods (freeze, hot air and vacuum drying) in different temperatures were comparatively studied on the physicochemical properties (solubility, water and oil-holding capacity [OHC/WHC]), bioactivity (resistance to acidic and enzymatic digestions, effect on a probiotic strain growth) and antioxidant activity of AP along with the structural changes. Results suggest that the drying methods in combinations of temperatures and time of drying process affect physicochemical properties, antioxidant activity and bioactivities of AP. Freeze dried AP exhibited the highest solubility, WHC, OHC and antioxidant activity, digestibility with simulated gastrointestinal juices and fermentable by a Lactobacillus plantarum. Whereas, hot air dried (80 °C) exhibited second highest antioxidant and functional activities like solubility, WHC, OHC and fermentation. FTIR analysis showed that the changes caused by varying drying methods of AP starch are related to its amorphous or crystallinity structure and differences in functional group. Overall, these results suggest that freeze drying and hot air drying at 80 °C can be appropriately use to obtain a functional polysaccharide from acorn, as a prebiotic (resistant starch). In the final phase of this study, During polysaccharide isolation, purification, biochemical and digestion resistance characterization, and fermentation pattern by human fecal microbiome, we select acorn- and sago- derived prebiotics (on the basis of relatively higher purity and yield and lower protein contamination) and examine their effects in comparison to inulin to assess their impact on human fecal microbiome and amelioration of high fat diet (HFD)-induced obesity/T2D in mice. Prebiotics treatments in human fecal microbiome culture system not only preserve microbial diversity but also appear to foster beneficial bacteria and short-chain fatty acids (SCFAs). Feeding of acorn- and sago-derived prebiotics ameliorates HFD-induced glucose intolerance and insulin resistance in mice, with effects comparatively superior to those seen in inulin-fed mice. Feeding of both of novel prebiotics as well as inulin increases SCFAs levels in the mouse gut. Interestingly, gut hyperpermeability and mucosal inflammatory markers were significantly reduced upon prebiotics feeding in HFD-fed mice. Hypothalamic energy signaling in terms of increased expression of pro-opiomelanocortin, was also modulated by prebiotics administration. Results demonstrate that these (and/or such) novel prebiotics can ameliorate HFD-induced defects in glucose metabolism via positive modulation of gut-microbiome-brain axis and hence could be useful in preventing/ treating diet-induced obesity/T2D. Key words : Prebiotic, polysaccharides, fibers, functional properties, drying, microbiome, metabolites, obesity, diabetes, mice.
تحقیقات زیادی نقش میکروبیوم روده در چاقی و دیابت نوع 2 را اثبات کرده است. همچنین مشخص شده که تعدیل کننده های میکروبیوم روده از قبیل پروبیوتیک ها و پری بیوتیک ها، اختلالات میکروبیوم (ناتراز شدن) و در نتیجه بیماری های متابولیک را بهبود می بخشند. در این تحقیق، پلی ساکاریدهای غیر قابل جذب از پنج ماده غذایی گیاهی (دانه های بلوط، کینوآ، آفتابگردان، کدو و ساگو) به روش استخراج با آب گرم جداسازی شدند. روش های مختلف خشک کردن طی فرایند جداسازی پلی ساکارید بر پلی ساکارید بلوط اعمال شد تا ساختار و خصوصیات عملکردی این پلی ساکارید جدید مورد بررسی قرار گیرد. روش های خشک کردن اعمال شده شامل خشک کردن انجمادی، خشک کردن با هوای داغ و خشک کردن تحت خلاء در دماهای مختلف بود. مطالعات ساختاری نشان داد که پلی ساکارید بلوط نوعی نشاسته است که به دلیل مقاومت به هضم بالا، نشاسته مقاوم در نظر گرفته شد. خواص فیزیکوشیمیایی (حلالیت، ظرفیت جذب آب و روغن)، خواص زیست فعالی (مقاومت در برابر هضم اسیدی و آنزیمی، تاثیر بر رشد پروبیوتیک)، فعالیت آنتی اکسیدانی و تغییرات ساختاری پلی ساکارید بلوط در اثر روش های مختلف خشک کردن بررسی شد. نتایج نشان داد که روش خشک کردن و همچنین ترکیب دما و زمان فرآیند خشک شدن خواص فیزیکوشیمیایی، فعالیت آنتی اکسیدانی و فعالیت زیستی پلی ساکارید بلوط را تحت تأثیر قرار می دهد. نمونه خشک شده با روش انجمادی، بالاترین حلالیت، جذب آب و روغن، فعالیت آنتی اکسیدانی، مقاومت به هضم و تخمیر پذیری توسط سویه پروبیوتیک ( لاکتوباسیلوس پلانتاروم PTCC 1896) را نشان داد. بعد از آن، نمونه خشک شده با هوای داغ (80 درجه سانتیگراد) بالاترین میزان فعالیت آنتی اکسیدانی و عملکردی از جمله حلالیت، جذب آب، جذب روغن و تخمیرپذیری را نشان داد. نتایج FTIR نشان داد که تغییرات ناشی از روش های مختلف خشک کردن نشاسته به ساختار کریستالی یا آمورف آن و نیز تفاوت در گروه های عملکردی ساختاری مربوط می شود. به طور کلی، این نتایج نشان می دهد که خشک کردن انجمادی و خشک شدن هوای گرم در دمای 80 درجه سانتیگراد می تواند برای حصول پلی ساکارید فعال از بلوط، به عنوان یک پری بیوتیک جدید (نشاسته مقاوم)، استفاده شود.پس از انجام مراحل جداسازی پلی ساکاریدها، بررسی ویژگی های مقاومت به هضم و الگوی تخمیر توسط میکروبیوم مدفوع انسانی، پری بیوتیک های جداشده از بلوط و ساگو (بر اساس بازده و خلوص نسبتا بالاتر و آلودگی پروتئین کمتر) انتخاب شدند تا اثرات آنها در مقایسه با اینولین بر میکروبیوم مدفوع انسان و نیز بهبود چاقی و دیابت نوع دو ناشی از رژیم غذایی پر چرب در موش بررسی شود. تیمارهای پری بیوتیک اعمال شده در سیستم کشت میکروبیوم مدفوع انسانی نه تنها منجر به حفظ تنوع میکروبی شدند، بلکه به نظر می رسد که رشد باکتری های مفید و در نتیجه تولید اسیدهای چرب کوتاه زنجیره (SCFA) را تقویت کردند. تغذیه پری بیوتیک های بلوط و ساگو به موش ، موجب بهبود تحمل گلوکز و مقاومت به انسولین ایجاد شده ناشی از رژیم پرچرب در آنها شدند و اثرات آن نسبت به موش های با تیمار اینولین بهتر و بارزتر بود. تغذیه هر دو پری بیوتیک جدید و همچنین اینولین باعث افزایش سطح SCFAs در روده موش شد (05/0p ). جالب توجه است که نفوذ پذیری روده و نشانگرهای التهابی مخاطی به طور قابل ملاحظه ای در اثر مصرف پری بیوتیک ها در موش های با رژیم پرچرب کاهش یافت (05/0p ). حسگرهای انرژی هیپوتالاموسی نیز در اثر مصرف پری بیوتیک ها تعدیل شدند. نتایج این بخش از تحقیق نشان داد که این پری بیوتیک های جدید می توانند اثرات بد ناشی از رژیم پرچرب در متابولیسم گلوکز را از طریق تعدیل مثبت محور روده-میکروبیوم-مغز کاهش دهند و از این رو می توانند در پیش گیری یا درمان چاقی و دیابت ناشی از رژیم غذایی مفید باشند. کلمات کلیدی : پری بیوتیک، پلی ساکارید، خواص عملکردی، خشک کردن، میکروبیوم، چاقی، دیابت، موش.