Study of phenolic compounds-polysaccharide systems

Abstract

In the present study, hydrocolloid(–polyphenol)–mucin binary and ternary systems were studied to gain a coherent image of the interactions between model hydrocolloids, such as guar gum and xanthan gum, with model phenolic acids, such as gallic and caffeic acid in the presence or absence of saliva at pH values 3–7. Mucins, saliva’s most abundant proteins, also responsible for its rheology, were used in solution as salivary models for experimental simplification. The examination and understanding of the interactions between these components can shed light on the role of saliva during the oral processing of polysaccharidic–polyphenolic products. The reasons are to study the role of mucin (and of saliva) to understand its relevant physiological role, and to guide the design of saliva substitutes for xerostomic people. Also, the study serves the purpose of highlighting the interactions between saliva and polyphenols as the physicochemical basis of tactile and sensory attributes like astringency. All studies contained similar experimental measurements and conditions. First, there was a physicochemical characterization of the components alone and in combination at pH values close to the human’s digestive system, thus, 7 for the mouth and 3 for the stomach. The physicochemical characterization included spectrophotometric measurements such as Dynamic Light Scattering, Zeta Potential, and Absorption, while Fluorimetry measurements were also implemented to study the phenolic acids’ interactions with xanthan gum. Moving to macro-phenomena, shear, and extensional rheometry measurements were conducted because during food oral processing, they co-exist and contribute to texture perception. All methods were complementary and brought a complete image of the interactions and their effect on the textural perception of the model systems. As a first step towards the above, a literature review was conducted, focusing on the sensory characteristics and textural properties of soft food products incorporating hydrocolloids such as guar gum and xanthan gum. Particular attention was given to their functional role as ingredients in formulations designed for individuals with dysphagia or xerostomia. Furthermore, the review examined the principal phenolic compounds commonly present in food matrices and their contribution to the perception of astringency. An in-depth analysis was also undertaken regarding the interactions among various food components such as proteins, polysaccharides, and phenolic compounds. Following the literature review, the interactions of guar gum with the main component of human saliva, mucin, were studied at pH levels 1–7 using various spectral and rheological methods, leading to the conclusion that mucin induces phase separation of the dispersion when the two components co-exist, specifically at low pH values below the pI (pH 2–4). Regarding kinetics, guar gum’s concentration heavily affected the shear viscosity as it is a viscous hydrocolloid, even at low levels. At the same time, extensional rheology revealed a negative synergism between the two components. Moving from the non-ionic guar gum, xanthan gum’s binary mixtures with gallic and caffeic acid were studied next to make the system more complex. Again, spectral and rheological studies were implemented in combination with fluorescence to reveal the binding mechanisms between those components (especially between xanthan gum and gallic acid). Between xanthan gum and caffeic acid, the main interactions were volume exclusions, which did not affect the macroscopical characteristics of the system. More interesting were the results of gallic acid and xanthan gum binary systems, as gallic acid, due to its negative charge, induces phase separations, which create instability and affect the extensional rheology of the system. In the third study, gallic acid was used as a model for phenolic acid, and ternary systems were created with guar gum and mucin. The reason for the creation of those even more complex systems was to understand how a system containing polysaccharides (such as guar gum) and phenolic acids (such as gallic acid) will function after oral consumption and the role of mucin (as a reference to human saliva). As expected, the non-ionic guar gum phase separated with gallic acid. Instead, their co-existence created viscous and stable solutions unaffected by pH changes. An image that changed dramatically with the addition of mucin as it caused phase separations and reduced relaxation and break-up times, indicating that upon consumption, the rheology and physicochemical characteristics of the systems are significantly affected. To incorporate all the above studies into a real system, as a final step, a ternary system was created consisting of green tea (an important source of polyphenols), guar gum (one of the most used polysaccharides), and unstimulated human saliva. Those systems were studied at their natural pH level (close to 7) with spectrophotometric and rheological methods in combination with paper chromatography. As discussed, green tea precipitated saliva particles, leading to astringency phenomena. Guar gums’ addition led to more stable systems as it increased the extensional viscosity and created larger particles, leading to more stable systems. Paper chromatography indicated that human saliva shows a biphasic character comprising a diffusible and a non-diffusible protein fraction, showing the existence of large and small particles in the fluid. The co-existence of green tea and saliva increased the creation of complex particles, which precipitated quickly. Adding guar gum created bigger particles and more stable systems that may reduce the astringency phenomena as the precipitation is reduced. The key findings of the above studies are that when mucin (or human saliva) is incorporated into systems containing hydrocolloids, the phase stability and, consequently, the shear and extensional rheology of the systems are markedly affected. The addition of gallic acid strengthens the polysaccharide network, making the polysaccharidic system more rigid and stable, but caffeic acid does not have the same impact. The above form a bottom-up narrative of the interactions between a structural (hydrocolloids) and a functional (polyphenols) component of foods, with the basic macromolecular populations of saliva (mucins), which result in mesoscopic phenomena (phase behavior, aggregation), and then in macroscopic ones (stability, rheology). The obtained results pinpoint the exact points where the components of saliva alter the behavior of food components, leading to bottom-up interpretations of astringency-related phenomena, and the fundamental requirements (“specifications”) for the design of salivary substitutes.

Στην παρούσα διατριβή, δυαδικά και τριαδικά συστήματα αποτελούμενα από υδροκολλοειδή- (φαινολικά οξέα) -βλεννίνη (ή σίελος) μελετήθηκαν ώστε να αποκτηθεί μια πλήρης εικόνα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ορισμένων υδροκολλοειδών όπως το κόμμι γκουάρ και το κόμμι ξανθάνης, σε συνδυασμό με φαινολικά οξέα (γαλλικό και καφεϊκό οξύ), σε παρουσία και απουσία σιέλου. Τα συστήματα μελετήθηκαν σε τιμές pH 3 και 7 ώστε να προσομοιωθούν οι συνθήκες που επικρατούν στο στόμα και το στομάχι. Στα περισσότερα συστήματα, για λόγους απλούστευσης, αντί να χρησιμοποιηθεί σίελος, χρησιμοποιήθηκε η μεγαλύτερη σε συγκέντρωση πρωτεΐνη του, η βλεννίνη. Η μελέτη και η κατανόηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ αυτών των συστατικών αναμένεται να δώσει πληροφορίες για τον ρόλο του σιέλου στην κατανάλωση συστημάτων που περιέχουν πολυσακχαρίτες και φαινολικά συστατικά, αποσκοπώντας στην κατανόηση του φυσιολογικού ρόλου της βλεννίνης (και του σιέλου) αλλά και στην δημιουργία υποκατάστατων σιέλου για ανθρώπους που υποφέρουν από ξηροστομία. Επιπλέον, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ φαινολικών συστατικών και σιέλου μπορούν να εξηγήσουν αισθήσεις όπως το στυφό. Σε όλες τις μελέτες χρησιμοποιήθηκαν παρόμοιες μετρήσεις και συνθήκες. Αρχικά έγινε ένας φυσικοχημικός χαρακτηρισμός για κάθε συστατικό ξεχωριστά και σε συνδυασμό σε τιμές pH 3 και 7 όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός αφορούσε σε μετρήσεις ζ-δυναμικού, δυναμικής σκέδασης φωτός και απορρόφησης. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της φθορισμομετρίας για να μελετηθούν οι αλληλεπιδράσεις φαινολικών οξέων-ξανθάνης. Όσον αφορά στις ρεολογικές μετρήσεις, έγιναν μετρήσεις τόσο διατμητικής όσο και εκτατικής ρεολογίας καθώς κατά την στοματική επεξεργασία συνυπάρχουν και συνολικά προσδίδουν την αίσθηση της υφής στο στόμα. Όλες οι μέθοδοι ήταν συμπληρωματικές και δημιουργήσαν μια ολοκληρωμένη εικόνα των αλληλεπιδράσεων και της επίδρασης αυτών στην υφή των συστημάτων. Αρχικά, έγινε βιβλιογραφική ανασκόπηση που αφορούσε στις οργανοληπτικές ιδιότητες και την υφή μαλακών τροφίμων που περιέχουν υδροκολλοειδή όπως το κόμμι γκουάρ και το κόμμι ξανθάνης, καθώς και στη χρήση τους ως συστατικά προϊόντων που προορίζονται για ανθρώπους με δυσφαγία ή ξηροστομία. Μελετήθηκαν τα κύρια φαινολικά συστατικά που υπάρχουν στα τρόφιμα και ο ρόλος αυτών στην αίσθηση του στιφού και επιπλέον έγινε μια εκτενής αναφορά στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συστατικών των τροφίμων. Στη συνέχεια, μελετήθηκαν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ κόμμεος γκουάρ και βλεννίνης σε τιμές pH 1-7 χρησιμοποιώντας ποικίλες φασματοσκοπικές και ρεολογικές μεθόδους. Η προσθήκη βλεννίνης στο σύστημα οδήγησε σε διαχωρισμό φάσης της διασποράς κυρίως σε όξινες τιμές pH όπου η βλεννίνη βρίσκεται κοντά στο ισοηλεκτρικό της σημείο. Η ρεολογία του συστήματος εξαρτάται κυρίως από την παρουσία του κόμμεος καθώς αυξάνει το ιξώδες των διασπορών ακόμη και σε χαμηλές συγκεντρώσεις. Η εκτατική ρεολογία του συστήματος αποκάλυψε αρνητική συνέργεια μεταξύ των δύο συστατικών. Στη συνέχεια, περνώντας από το μη-ιονικό κόμμι γκουάρ, ένας φορτισμένος πολυσακχαρίτης (κόμμι ξανθάνης) μελετήθηκε σε συνδυασμό με φαινολικά οξέα (γαλλικό και καφεϊκό οξύ). Χρησιμοποιήθηκαν φασματοσκοπικές και ρεολογικές μέθοδοι σε συνδυασμό με φθορισμομετρία ώστε να αποκαλυφθούν οι μηχανισμοί αλληλεπίδρασης μεταξύ των συστατικών. Ανάμεσα στην ξανθάνη και στο καφεϊκό οξύ, οι κυριότερες αλληλεπιδράσεις ήταν αποκλεισμού όγκου και δεν επηρέασαν άμεσα τα μακροσκοπικά χαρακτηριστικά του συστήματος. Μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσίασαν τα αποτελέσματα της αλληλεπίδρασης της ξανθάνης με το γαλλικό οξύ, όπου το αρνητικό φορτίο του γαλλικού οξέος προκάλεσε σε μικρές συγκεντρώσεις ενίσχυση του δικτύου της ξανθάνης όμως σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις τα συστήματα αποσταθεροποιήθηκαν, υπήρξε διαχωρισμός φάσεων και μείωση του εκτατικού ιξώδους. Έπειτα, το κόμμι γκουάρ και το γαλλικό οξύ συνδυάστηκαν με τη βλεννίνη για την δημιουργία τριαδικών συστημάτων. Ένα τέτοιο σύστημα μπορεί να προσδώσει πληροφορίες για τον τρόπο που συμπεριφέρονται συστήματα πλούσια σε φαινολικά συστατικά και πολυσακχαρίτες κατά την στοματική επεξεργασία και τον ρόλο που παίζει η βλεννίνη (ως κύριο συστατικό του σιέλου). Όπως ήταν αναμενόμενο, το μη-ιονικό κόμμι γκουάρ δεν αλληλοεπιδρά με το γαλλικό οξύ και δεν παρατηρείται διαχωρισμός φάσεων αντιθέτως, η συνύπαρξη τους οδηγεί στη δημιουργία ιξωδών, σταθερών διαλυμάτων που δεν επηρεάζονται από τις αλλαγές στις τιμές pH. Η εικόνα του συστήματος άλλαξε δραματικά με την προσθήκη βλεννίνης η οποία προκάλεσε διαχωρισμό φάσεων και μειωμένους χρόνους χαλάρωσης υποδεικνύοντας ότι κατά την στοματική επεξεργασία, η ρεολογία και τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των συστημάτων μεταβάλλονται σημαντικά. Προκειμένου να μεταφερθούν τα παραπάνω σε ένα πραγματικό σύστημα, ως τελικό βήμα, παρασκευάστηκε ένα τριαδικό σύστημα που περιείχε πράσινο τσάι, κόμμι γκουάρ και ανθρώπινο σίελο. Τα συστήματα αυτά μελετήθηκαν στην αρχική τιμή pH τους ,κοντά στο 7 με χρήση φασματομετρικών και ρεολογικών δοκιμών καθώς και με χρωματογραφία χάρτου. Το πράσινο τσάι προκάλεσε καθίζηση στα σωματίδια του σιέλου, φαινόμενο που σχετίζεται με την προσλαμβανόμενη αίσθηση του στιφού. Η προσθήκη του κόμμεος γκουάρ οδήγησε σε πιο σταθερά συστήματα και αύξησε το εκτατικό ιξώδες. Σύμφωνα με τις χρωματογραφίκες μεθόδους, ο σίελος παρουσιάζει έναν διφασικό χαρακτήρα επιδεικνύοντας την ύπαρξη μεγάλων και μικρών σωματιδίων στο υγρό. Η συνύπαρξη του πράσινου τσαγιού και του σιέλου ενέτεινε την δημιουργία σύνθετων σωματιδίων τα όποια καθίζαναν γρήγορα. Η προθήκη κόμμεος γκουάρ, δημιούργησε μεγαλύτερα σωματίδια και σταθερότερα συστήματα τα οποία μπορεί να βοηθήσουν στη μείωση αίσθησης του στιφού καθώς μειώνουν την καθίζηση των σωματιδίων. Η παρούσα διατριβή υποδεικνύει ότι όταν η βλεννίνη (ή ο ανθρώπινος σίελος) αναμιγνύεται με συστήματα που περιέχουν υδροκολλοειδή, επηρεάζει τη σταθερότητα τους και κατά συνέπεια την εκτατική και τη διατμητική τους ρεολογία άρα και την προσλαμβανόμενη υφή. Η προσθήκη φαινολικών οξέων όπως το γαλλικό μπορεί να δυναμώσει το πολυσακχαριτικό δίκτυο κάνοντας το σύστημα πιο σταθερό, η δράση του όμως εξαρτάται από το pH και τη συγκέντρωση του γαλλικού οξέος, ενώ η προσθήκη καφεϊκού δεν επέφερε αλλαγές στο σύστημα. Τα παραπάνω δημιουργούν ένα αφήγημα από κάτω προς τα πάνω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ δομικών (υδροκολλοειδή) και λειτουργικών συστατικών (πολυφαινόλες) των τροφίμων με τον βασικό πληθυσμό του σιέλου (βλεννίνες) μέσω μεσοσκοπικών φαινομένων (διαχωρισμός φάσης, συσσωμάτωση) και μακροσκοπικών (σταθερότητα, ρεολογία). Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν τα σημεία όπου τα συστατικά του σιέλου αλλάζουν τη συμπεριφορά των συστατικών του τροφίμου, οδηγώντας σε ερμηνεία φαινομένων όπως η αίσθηση του στυφού και δίνοντας κατευθυντήριες για την δημιουργία υποκατάστατων σιέλου.