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Lactulose als funktioneller Inhaltsstoff
UNIVERSITÄT HOHENHEIM Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie Fg. Lebensmittel tierischer Herkunft mit Forschungs- und Lehrmolkerei Lactulose als funktioneller Inhaltsstoff Prof. Dr.-Ing. Jörg Hinrichs Physiologische Veränderungen ab 50+? Physiologische Modifikationen Maßnahmen Kalorische Bedürfnisse sinken, Muskelabbau Energiereduktion, (Bewegung), ausreichende Proteinzufuhr Eingeschränkte Sinneswahrnehmung Aromen und Geschmacksstoffe Osteoporose Calciumgehalt der Nahrung, Vitamin D Veränderungen im gesamtem Verdauungstrakt Verkapselte Enzyme, Pro- und Prebiotika Integration of Vit. D New reassembled casein micelle in pellet Native micelle - + - - + Hydrophobic vitamin - - - Dissociated casein micelle Ca2+ + Pi + - - - 150 nm 600MPa - - + + + - - - - - - - - - + - 201 nm - + - + 170 nm Fig. Pressure-induced integration of Vitamin D in reassembled casein micelles (Menéndez-Aguirre et al., 2010 under review) Physiologische Veränderungen ab 50+? Physiologische Modifikationen Maßnahmen Kalorische Bedürfnisse sinken, Muskelabbau Energiereduktion, (Bewegung), ausreichende Proteinzufuhr Eingeschränkte Sinneswahrnehmung Aromen und Geschmacksstoffe Osteoporose Calciumgehalt der Nahrung, Vitamin D Veränderungen im gesamtem Verdauungstrakt Verkapselte Enzyme, Pro- und Prebiotika Verdauungsstörungen (abdominal pain, constipation, chronic diarrhea, fecal incontinence ) Verdauungsstörungen (abdominal pain, constipation, chronic diarrhea, fecal incontinence ) Drei Mahlzeiten Piktogramme der Künstlerin Yang Liu Senioren im Alltag Bei Bauchschmerzen Reasons for Constipation Dietary Low fibre, dieting, dementia, depression, anorexia, fluid depletion Metabolic Diabetes mellitus, hypercalcaemia, hypokalaemia, hypothyroidism, porphyria Neurological Parkinson´s desease, spinal cord pathology, multiple sclerosis Iatrogenic Antacids that contain aluminium, iron, anticholinergics, antidepressants, opiates for analgesia Painful anorectal conditions Anal fissure, haemorrhoids, abscess, fistula, levator ani syndrome, proctalgia fugax Source: McCallum et al. 2009 Häufigkeit: Verdauungsstörungen (abdominal pain, constipation, chronic diarrhea, fecal incontinence ) Studien zu chronischer Verstopfung (constipation) USA: > 65-107 Jahre; ♂ 22,7 %, ♀ 32,6 % (O´Keefe et al. 1995) Spanien: 29,5 % (Garrigues et al. 2004) Neuseeland: > 70 Jahre; ca. 25 %; ♂ < ♀ (Campbell et al. 1993) Irland: Je nach Alter zwischen 2 und 28 %; > 65 Jahre auf 30 bis 40%; Pflegeheime > 50%; zwischen 50 und 74 % der Pflegeheimbewohner nutzen täglich Laxative (Gallagher et al. 2009) Laxative: Lactulose as medicine Treatment of Obstipation Effect enhanced colonic motility Treatment of Hepatic Encephalopathy Effect reduction of ammonia-correlated brain damages Duphalac , Solvay S.A. Dosage Obstipation Hepatic Encephalopathy ≥ 13 g d-1 ≥ 30 g d-1 Lactulose as food additive Infant Nutrition Prebiotic action Effect selective stimulation of probiotic colonic flora Yoghurt Enhancement of mineral absorption Effect enhanced absorption of mineral nutrients Mineral Supplement Dosage Prebiotic effects Mineral absorption Morinaga Milk Industry ≥ from 2.5 g d-1 ≥ from 2 g d-1 Formation of Lactulose: thermal / alkaline Isomerization of Lactose Lobry de Bruyn – Alberda van Ekenstein rearrangement, favored by heat and alkaline conditions Lactulose (lactu) Lactose (lacto) Heat treatment of milk* UHT heat treatment (indirect, 140 °C for 6 s) Sterilisation (120 °C for 20 min) 1.5 g L-1 0.5 g L-1 Ylactu,lacto = 1.1 % Ylactu,lacto = 3.3 % *Nangpal & Reuter, 1990; Olano & Calvo, 1989 Formation of Lactulose: thermal / alkaline Recycling of lactose Lactose-solution Catalyst Isomerization > 70 °C t > 120 min Complexation Lactose / Lactulose-solution Downstream-processing Crystallisation; separation, chromatography,… Lactulose-solution Isomerization of lactose* without recycling Alkaline catalysts Ylactu,lacto ≈ 25 % Alkaline and complexing catalysts Ylactu,lacto ≈ 80 % * Montgomery & Hudson, 1930; Hicks et al., 1980; Zokaee et al., 2002; Paseephol et al., 2008 Alternative enzymatic process … a specific side reaction of lactose hydrolysis H2O galactose β-galactosidase lactose -Glc-Gal galactosyl-enzymecomplex fructose glucose lactulose β -Glc-Fru Fig: Lactulose formation by means of transgalactosylation Principle Process Design Synthesis of lactulose in dairy systems… fructose β-Galactosidase Biotransformation Enzyme inactivation Concentration past .milk, whey, milk serum product with prebiotic lactulose Fig. Lactulose formation depending on time Principle Process Design Synthesis of lactulose in dairy systems… fructose β-Galactosidase Biotransformation Concentration past .milk, whey, milk serum Enzyme inactivation product with prebiotic lactulose Demands • Enzymatic reaction kinetics and influencing parameters • Inactivation kinetics of -galactosidase Ergebnisse Notwendige Lactulosekonzentration im Milchprodukt AiF-Project No.: 14787 Lactulose-Bildung in Milchmatrices 3 – 10 g L-1 … Prebiotische Milchprodukte möglich Ylactu,lacto ≈ 5 - 20 % … Größenordnung der alkalischen Isomerisierung past .milk, whey, milk serum fructose β-Galactosidase Biotransformation Enzyme inactivation product with prebiotic lactulose Nutrient study Ist das gebildete Disaccharid aus Galactose und Fructose die 4-O- -D-Galactopyranosyl-D-Fructose (Lactulose)? Bevorzugte Bindungen in GOS Quelle: R. Schuster-Wolff-Bühring, Thesis eingereicht 2010 Gal-Fru-Verbindung Alkalisch-thermische Bildung (Isomerisierung) Enzymatische Bildung (Transgalactosylation) ?? New Lactulose Figure: H-NMR-Spektrum des Transgalactosylierungsprodukts und die daraus abgeleitete Struktur (Quelle: R. Schuster-Wolff-Bühring, Thesis eingereicht 2010, gemeinsam mit J. Conrad, FG Bioorganische Chemie) Preferenz zur Bildung von 1-Lactulose Quelle: R. Schuster-Wolff-Bühring, Thesis eingereicht 2010 Pyrococcus furiosus: nahezu 100% -1,4 Lactulose (Mayer et al. 2004) Ernährungs-Vorstudie Basierend auf Ergebnissen aus dem Kooperationsprojekt mit FG Biotechnologie AiF-Projekt No.: 14787 Aufgabenstellung (1) Nachweis eines prebiotischen Effekts für einen Molkedrink mit 5 g L-1 lactulose vs. Placebo0 (2) Unterschiede zwischen alkalisch und enzymatisch hergestellter Lactulose (Testprodukt vs. PlaceboL) Kooperation mit Inst. für Ernährungsmedizin, Universität Hohenheim (Prof. Bischoff) Finanzielle Unterstützung durch das ZEM (Zentrum für Ernährungsmedizin, Tübingen-Hohenheim) Projekt No.: 27A IV-08 Processing Test product Lactulose ≈ 5.7 g/L Placebo0 Lactulose 0 g/L PlaceboL Lactulose ≈ 5.8 g/L Lactose ≈ 50 g/L Fructose ≈ 85 g/L pH 3.4, DM ≈ 13.5-14% Outlook: Clinical Trial Clinical Trial n = 30 2-week intake Products Test product Placebo0 PlaceboL wash-out 2-week intake Intake 500 g/d wash-out 2-week intake Stuhlkonsistenz Fig: Chemical analysis of the stool samples and self-assessed stool consistency Source: R. Schuster-Wolff-Bühring, Thesis submitted 2010 Bifidogene Flora Placebo0 PlaceboL Test product Fig. Density curve of logarithmic increase in Bifidobacteria after intake of the Test product, PlaceboL and Placebo0 Source: R. Schuster-Wolff-Bühring, Thesis submitted 2010 AiF-Project No.: 14787 Lactulose-Bildung in Milchmatrices 3 – 10 g L-1 … Prebiotische Milchprodukte möglich Ylactu,lacto ≈ 5 - 20 % … Größenordnung der alkalischen Isomerisierung Enzymatisch können Strukturisomere gebildet werden, z. B. 1-Lactulose Enzymatisch gebildete Lactulose besitzt ebenfalls prebiotische Eigenschaften past .milk, whey, milk serum fructose β-Galactosidase Biotransformation Enzyme inactivation product with prebiotic lactulose Nutrient study ZEM-Projekt No.: 27A IV-08 Outlook Enzymatic Lactulose – Downstream Processing Recycling of lactose, fructose Lactose-solution Enzymes Fructose Transgalactosylation Complex sugar-solution Downstream-processing Crystallisation; separation, chromatography,… Structural isomere of Lactulose Outlook Increased yield Ylactu,lacto 25 % New prebiotic sugars e.g. 1-Lactulose by using selected enzyme sources Lactulose addition without Fructose Glucose, Galactose UNIVERSITÄT HOHENHEIM Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie Fg. Lebensmittel tierischer Herkunft mit Forschungs- und Lehrmolkerei Dank: FEI, AIF, ZEM, MIV AK Prof. Fischer AK Prof. Bischoff J. Hinrichs │ [email protected] │ April 2011
