"إنتاج الإنيولين وسكر اﻷوليجوفركتوز من البصل ودراسة تأثيرهما على امتصاص الكالسيوم وبناء العظام Isolation of Inulin and Fructooligosaccharides from Onion and Assessing Their Biological Activities on Calcium Absorption and Bone Mineralization"

"الملخص العربي

إنتاج الإنيولين وسكر اﻷوليجوفركتوز من البصل ودراسة تأثيرهما على امتصاص الكالسيوم وبناء العظام

 

أجريت هذه الدراسة من أجل دراسة عدة أهداف والتي تتضمن ما يلي:

 1. تقدير محتوى بعض الخضراوات المحلية (الشيكوريا-الثوم-الطرطوفة-البصل) والحبوب (القمح-الشعير) وردة القمح وبعض المخبوزات من الإنيولين وسكرات اﻷوليجوفركتوز.

2. إنتاج سكرات غير القابلة للهضم من البصل (الإنيولين وسكرات اﻷوليجوفركتوز) على المستوي المعملي والمستوي نصف الصناعي.

3. دراسة تأثير جذور الشيكوريا كمصدر غني بالإنيولين على معدل الاستفادة من الكالسيوم وبناء العظام في إطار تجربة بيولوجية (التجربة البيولوجية الأولى).

4. دراسة تأثير سكرات البصل غير القابلة للهضم والإنيولين التجاري وسكرات اﻷوليجوفركتوز التجارية ايضاً على أداء وظائف القولون وعلى معدل الاستفادة من الكالسيوم وبناء العظام في إطار تجربة بيولوجية (التجربة البيولوجية الثانية).

5. إنتاج أحد منتجات المخبوزات مدعمة بسكرات البصل غير القابلة للهضم أو الإنيولين التجاري أو سكرات اﻷوليجوفركتوز التجارية.

ويمكن تلخيص النتائج المتحصل عليها في هذه الدراسة في النقاط التالية:

1. أظهرت النتائج الخاصة بالتركيب الكيميائي للبصل وجذور الشيكوريا أن كلاهما يحتويان على نسبة عالية من الكربوهيدرات (77.08 و72.8٪ من الوزن الجاف, على التوالي) واﻷلياف (13.83 و33.8٪ من الوزن الجاف, على التوالي). ومحتوى جذور الشيكوريا من الكالسيوم والمغنيسيوم كان مرتفعاً (1.06 و0.41٪ من الوزن الجاف, على التوالي) في حين محتوى البصل منهما كان منخفضاً (0.11 و0.01٪ من الوزن الجاف, على التوالي).

2. محتوى العينات المختارة من مركب الإنيولين (المقدرة بجهاز كروماتوجرافي السائل عالي الأداء) كان يتراوح بين 1.37و33.8٪ من الوزن الجاف حيث تحتوي حبوب الشعير (صنف جيزة 126) على أقل نسبة بينما جذور الشيكوريا على أعلى نسبة. يترواح محتوى العينات من سكرات اﻷوليجوفركتوز (المقدرة بنفس الجهاز) بين 0.22-26.77٪ من الوزن الجاف حيث تحتوي ردة القمح على أدنى نسبة ويحتوي البصل على أعلى نسبة. وبوجه عام, الخضراوات والحبوب النامية في مصر تحتوي على كميات مختلفة ومتنوعة من الإنيولين وسكرات اﻷوليجوفركتوز مقارنة بالبحوث المنشورة.

3. أثناء هذا الدراسة, تم تحليل محتوي بعض العينات من السكرات اﻷحادية (الجلوكوز  والفركتوز) والسكروز. أظهرت النتائج أن البصل يحتوي على أعلى نسبة من هذه السكرات (0.80  و2.41 و4.87٪ من الوزن الجاف, على التوالي). وأقل محتوى لوحظ في الحبوب حيث يتراوح نسبتها ما بين 0.05-0.13٪ من الوزن الجاف.

4. على المستوي المعملي, عند تجهيز سكرات البصل غير القابلة للهضم (استخلاص بواسطة الماء الساخن على 70°م وعلى 6 مراحل ) تم الحصول علي 577 جم مستحضر من خمسة كيلو جرامات بصل طازج. وبتحليل هذا المستحضر على مراحل الاستخلاص المختلفة تبين أنه تم استخلاص نسبة 89٪ من الكربوهيدرات الكلية الذائبة, ثلاث مراحل استخلاص كانت كافية لاستخلاص نسبة كبيرة من هذه الكربوهيدرات الكلية الذائبة. إحتوت سكرات البصل غير القابلة للهضم على نسب مختلفة من السكرات اﻷحادية والثنائية (جلوكوز والفركتوز وسكروز) وسكرات اﻷوليجوفركتوز والإنيولين كتالي 22.08 و49.26 و28.47٪ من الوزن الجاف, على التوالي. وقد كان المحتوى من السكرات غير القابلة للهضم (الإنيولين وسكرات اﻷوليجوفركتوز) حوالي 80٪ من الكربوهيدرات الكلية الذائبة للبصل المستخلص. كما يحتوي المستحضر على فينولات العديدة كشوائب ونسبتها 54.4٪ من المحتوى من الفينولات العديدة الكلية في البصل الجاف, وكان المحتوى من الكتاشين  وبروانثوسياندين في البصل الجاف أعلى من البصل المستخلص.

5. على المستوي نصف الصناعي, تم استخلاص السكرات غير القابلة للهضم من 25 كجم بصل طازج تحت نفس الظروف (70°م) ونتج منها 647.4 جم مستحضر. وبتحليل المستحضر تبين أنه تم استخلاص نصف كمية الكربوهيدات الكلية الذائبة الموجودة في البصل, وأن نسبة الاسترجاع في كل من المستحضر الكلي والمستحضر بعد إزالة اللون  والمستحضر المركز كانت 42.87 و18.73 و18.73٪, على التوالي. كان المنتج النهائي للمستخلص على المستوي النصف الصناعي بني اللون ويرجع هذا اللون للمستحضر إلى حدوث تفاعل ميلرد نتيجة المعاملة الحرارية لفترة طويلة أثناء مرحلة تركيز المستحضر.

6. في التجربة البيولوجية اﻷولى, تم إضافة جذور الشيكوريا بمعدلين 20 و40٪ الى عليقة الفئران  وتم تغذيت الحيوانات لمدة 5 أسابيع, وكانت النتائج المتحصل عليها كما يلي:

أ- لم تلاحظ فروق معنوية بين المجموعات في كل من معدل النمو واستهلاك الغذاء. لوحظ انخفاض معنوي في فاعلية الغذاء بين المجموعة الضابطة  والمجموعة المغذاة على عليقة تحتوى على 40٪ شيكوريا.

ب- لوحظت زيادة معنوية في وزن قولون الحيوانات المغذاة على عليقة بها جذور الشيكوريا وكذلك نسبة الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة (حمض البيوتريك وحمض اﻷيزوبيوتريك) في محتوي القولون, ولوحظت زيادة معنوية في نسبة هذه الأحماض في المجموعة المغذاة على عليقة تحتوى على 20٪ شيكوريا عنها في المجموعتين اﻷخريتين (المجموعة الضابطة  والمجموعة المغذاة على عليقة تحتوى على 40٪ شيكوريا).

جـ- إضافة الشيكوريا بنسبة 20٪ للعليقة أدت الى انخفاض معنوي في كمية الكالسيوم المفرزة في البول ولم تحدث فروق معنوية في النسبة المئوية لامتصاص الكالسيوم بين المجموعات ولكن حدثت زيادة معنوية في النسبة المئوية للميزان الغذائي للكالسيوم. وبالنسبة لنتائج المغنيسيوم, حدثت زيادة معنوية في النسبة المئوية للميزان الغذائي للمغنسيوم ولكن لم يحدث فرق معنوي في محتوى البول من المغنسيوم أو النسبة المئوية لإمتصاص المغنسيوم في كلا المجموعتين المغذاة على الشيكوريا مقارنة بالمجموعة الضابطة.

د- إضافة الشيكوريا بنسبة 20٪ للعليقة أدت الى حدوث زيادة معنوية في محتوى عظام الفخذ والساق من الكالسيوم (80.7 و57.9٪, على التوالي) مقارنة بالمجموعتين اﻷخرتين, لكن لم يحدث فرق معنوي في محتوى عظام الفخذ والساق من المغنسيوم بين المجموعات. كما وجدت علاقة طردية بين محتوى عظام الفخذ من الكالسيوم والمغنسيوم ونسبتهما في الرماد عند اضافة الشيكوريا للعليقة.

7. في التجربة البيولوجية الثانية, تم إضافة كل من سكرات البصل غير القابلة للهضم  والإنيولين التجاري  وسكرات اﻷوليجوفركتوز التجارية لعليقة الفئران بنسبة 10٪ بالإضافة للمجموعة الضابطة, تم تغذية الفئران على عليقة مرجعية تحتوي على نسبة منخفضة من الكالسيوم وأخرى على عليقة مرجعية تحتوي على نسبة مرتفعة من الكالسيوم. ونظرا لانخفاض إقبال المجموعة المغذاة علي مستحضر سكرات البصل غير القابلة للهضم علي الغذاء, تم عمل مجموعة ضابطة جديدة تم تغذيتها علي نفس الكمية التي تتناولها مجموعة سكرات البصل غير القابلة للهضم. غذيت الحيوانات علي العلائق الغذائية المختلفة لمدة 6 أسابيع. والنتائج المتحصل على النحو التالي:

 أ- لم تظهر فروق معنوية في كل من معدل النمو واستهلاك الغذاء وفاعليته بين المجموعات, فيما عدا المجموعة المغذاة على عليقة سكرات البصل غير القابلة للهضم.

ب- إضافة المواد المختبرة للعليقة الغذائية للفئران (سكرات البصل غير القابلة للهضم والإنيولين التجاري وسكرات اﻷوليجوفركتوز التجارية) أدت الى زيادة وزن البراز ونسبة محتواه من الرطوبة بالمجموعة الضابطة.

جـ- إضافة المواد المختبرة للعليقة الغذائية للفئران أدت ايضاً الى حدوث زيادة معنوية في وزن القولون وانخفاض درجة الأس الهيدروجيني لمحتوي القولون.

د- حدثت زيادة معنوية في نشاط إنزيمات ألفا والبيتا جلوكوسيديز وإلفا والبيتا جلاكتوسيديز في أنسجة قولون الفئران المغذاة على سكرات البصل غير القابلة للهضم والإنيولين التجاري وسكرات اﻷوليجوفركتوز التجارية بينما حدث انخفاض غير معنوي في نشاط إنزيم البيتا جلوكيورنيديز في نفس المجموعات مقارنة بالمجموعة الضابطة. وعند تقدير نفس الإنزيمات في محتوى القولون تم الحصول على نفس النتائج ولكن حدث انخفاض معنوي لنشاط إنزيم البيتا جلوكيورنيدايز في محتوى قولون للفئران التي تم تغذيتها على عليقة تحتوي على سكرات البصل غير القابلة للهضم وسكرات اﻷوليجوفركتوز التجارية.

هـ- نفس الإضافات أدت الى حدوث انخفاض معنوي في كمية الكالسيوم المفرزة في البراز, كما أدت الى حدوث زيادة معنوية في امتصاص الكالسيوم (كقيمة وكنسبة مئوية) والنسبة المئوية للميزان الغذائي للكالسيوم مقارنة بالمجموعة الضابطة.  وبالنسبة للمغنيسيوم, حدثت زيادة معنوية في النسبة المئوية للميزان الغذائي للمغنيسيوم والنسبة المئوية لامتصاص المغنيسيوم.

و- لوحظت علاقة طردية معنوية بين نسبة الكالسيوم في بلازما الدم ونشاط إنزيم الفوسفاتيز في المجموعات التي تم تغذيتها على المواد المختبرة.  ولكن لم توجد فروق معنوية في محتوى البلازما من المغنيسيوم في جميع المجموعات.

ز- لوحظت زيادة في كثافة العظام وقوة كسر العظام في جميع المجموعات المغذاة على المواد المختبرة مقارنة بالمجموعة الضابطة.

ح- الزيادة في كثافة العظام وقوة كسر العظام كانت متناسبة مع الزيادة الحادثة في محتوى عظام الفخذ من الكالسيوم والمغنسيوم في المجموعات المغذاة على المواد المختبرة. وكذلك أيضاً في محتوى عظام الساق من الكالسيوم لنفس المجموعات مقارنة بالمجموعة الضابطة.

8. من نتائج التقييم الحسي لسبعة عشر متطوعاً للمخبوزات المصنعة المدعمة بالمواد المختبرة (سكرات البصل غير القابلة للهضم والإنيولين التجاري وسكرات اﻷوليجوفركتوز التجارية) بدلاً من السكروز حاز المخبوز المدعم بسكرات اﻷوليجوفركتوز التجارية علي أعلى النقاط (14 من 20) وجاء في المرتبة اﻷولي ثم يليه المخبوز المدعم بالإنيولين التجاري.

 وختاما, الخضراوات والحبوب النامية في مصر تحتوي على كميات مختلفة ومتنوعة من الإنيولين وسكرات اﻷوليجوفركتوز مقارنة بالبحوث المنشورة. تدعيم العلائق بالسكرات غير القابلة للهضم (الإنيولين وسكرات اﻷوليجوفركتوز) أدت الى:

1-    زيادة امتصاص الكالسيوم والمغنيسيوم

2-    زيادة الميزان الغذائي للكالسيوم والمغنيسيوم

3-    زيادة بناء العظام ( زيادة في كثافة العظام ومحتوى عظام الفخذ والساق من الكالسيوم والمغنيسيوم ).

هذا, وأن إنتاج السكرات غير القابلة للهضم من الممكن أن تكون تقنية حيوية واعدة للتصدير في المستقبل القريب. حيث انه يمكن تصنيع كريمة من الإنيولين تستخدم كبدائل للسكر والدهون في الإيس كريم والمارجرين. كما يمكن إضافة سكرات اﻷوليجوفركتوز الى الفطائر ومنتجات الالبان.

 

SUMMARY

The present study has been achieved to study the following points:

1- Determine the contents of inulin and FOS in selected vegetables (chicory, garlic, Jerusalem artichoke, onion and whole grains (barley var. Giza 126, var. Giza 130, and wheat), as well as wheat bran and some bakeries commonly consumed in Egypt.

2- Production of non-digestible carbohydrates (inulin and FOS) enriched preparations at a bench and pilot scale from onion.

3- Studying the functional impact of feeding on chicory roots on calcium absorption and bone mineralization in rat experiments (I).

4- Also, studying the functional impact of feeding on onion-NDC, commercial inulin, and commercial FOS on caecal parameters, calcium absorption and bone mineralization in rat experiments (II).

5- Production of some bakeries supplemented individually with onion-NDC, commercial inulin and FOS.

The results obtained in the present work are summarized as follows:

1. Chemical composition data revealed that onion bulbs and chicory roots are rich in their contents of total carbohydrates (77.08 and 72.83% of dry matter, respectively) and crude fiber (13.83 and 33.8%, respectively). Dry chicory is a rich source of Ca and Mg where it containing 1.06% calcium and 0.41% magnesium.  

2. High performance liquid chromatography (HPLC) was developed to measure inulin and FOS in selected vegetables (chicory, garlic, Jerusalem artichoke and onion) and some grains (barley and wheat) as well as wheat bran and some bakeries. HPLC separation showed that inulin content ranged between 1.37-33.8%, whereby the lowest value was found in barley (var. Giza 126) and the highest content was found in chicory. Total FOS content ranged between 0.22-26.77%. The lowest value was found in wheat bran and the highest value was found in onion. Generally, vegetables and grains in Egypt contain variable amounts of inulin and FOS as compared with published results.

3-During this study, monosaccharides (glucose and fructose) and sucrose were determined in the same samples. Onion was the highest in their contents of glucose, fructose, and sucrose with values of 0.82, 2.41, and 4.87% of dry matter, respectively, compared to other samples. Glucose, fructose, and sucrose contents of whole grains showed lower content which the values recorded were ranged between 0.05 and 0.13% of dry matter.

4. Fresh onion bulbs were subjected for production of onion-NDC product at bench scale. Extraction of fresh onion bulbs with hot water at   70°C up to six times succeeded in extracting over 89% of total onion soluble carbohydrates. In addition, three times of extraction are enough to obtain high yield of total soluble carbohydrates.  Five kg of fresh onion bulbs yielded 577 g of freeze dried onion-NDC. The final product (onion-NDC) consisted of 22.08% mono- and disaccharides (fructose, glucose, and sucrose), 49.26% fructooligosaccharides (kestose, nystose, fructofuranosylnystose) and 28.47% inulin. NDC (inulin and FOS) content comprised up to 80% of total soluble carbohydrates. Total polyphenols content of freeze dried onion-NDC preparation represented 54.4% of initial original value in the dry onion whilst the contents of catechin and proanthocyanidins in the former (dry onion) were relatively higher than that in the last (onion-NDC). The presence of polyphenols in the onion-NDC preparation is considered as an impurity.

5. Extraction of fresh onion bulbs with hot water at 70°C at the pilot scale succeeded in the extraction of approximately half the total soluble carbohydrates (TSC) present in the original fresh onion. In this method 647.4 g of onion-NDC were produced from 25 kg fresh onion bulbs.  Regarding recovery% of TSC for each extract obtained (total, decolorized and concentrated extracts), the values recorded were 42.87, 18.73, and 18.73%, respectively. On the other hand, the final product of pilot scale had brownish colour suggesting an activated non enzymatic Millared reaction which accrued during thermo treatment for long time.

6. Dry chicory roots with known NDC content at two levels (20 and 40%) were incorporated in reference diets for rats in order to study the effect of chicory on rats growth rate, food efficiency, caecal parameters, absorption of calcium and magnesium, and bone mineralization (experiment I). The obtained results revealed the following:

6.1. There were no significant differences between control and treatment groups in all growth rate and food intake parameters except for food efficiency between control and rat fed on diet containing 40% chicory.

6.2.The consumption of diet containing 20 or 40% chicory was associated with a significant increase in the means of caecal weight and short chain fatty acid particularly butyrate. Butyrate was attained in the caecum of rats consuming 20% chicory.

6.3. The incorporation of 20% chicory in the diet was associated with significant decrease in the urinary excretion of calcium. There was no significant different in apparent calcium absorption% and Ca retention%. The Ca balance was significantly higher among the two rat groups fed on diets containing 20 or 40% chicory. Similarly, Mg balance was significantly higher among rats fed on the diets containing 20 or 40 % chicory as compared with the respective control. There was no significant different in urinary excretion of Mg, apparent Mg absorption% and Mg retention% among the different groups. 

6.4. Addition of 20% chicory to the diet was associated with significant increase in the femur and tibia calcium contents (80.7 and 57.9%, respectively) compared with the other two experimental groups. There were no significant differences among the different experimental groups in the femur and tibia Mg contents. Adding of chicory to rat diets was positive correlated with femur Ca and Mg contents, Ca/ash% and Mg/ash%.

7. Freeze dried onion-NDC, commercial inulin and FOS were individually incorporated in reference diets (10%) for rats in order to study their effect  on rats growth rate, food efficiency, fecal bulk, caecal parameters, absorption of calcium and magnesium, and bone mineralization (experiment II). The obtained results revealed the following:

7.1. Body weight gain, food intake and food efficiency did not differ among groups except group that consuming on diet containing onion-NDC. The consumption of the diets containing onion-NDC, inulin or FOS was associated with a significant increase in the bulk of the stool and feacal moisture% comparing to the reverence groups

7.2. The presence of onion-NDC, inulin or FOS in the diets resulted in an enlargement of the caecum and lowered caecal pH (p < 0.05).

7.3. Compared with the control group, the activities of α-glucosidase; β-glucosidase; α-galactosidase; and β-galactosidase were significantly increased in rats caecal tissue received diets containing onion-NDC preparation, commercial inulin or FOS. β-Glucuronidase activity was lower among rats fed on the diets containing onion-NDC, inulin or FOS as compared with control groups. The same enzymes were also assayed in the content of the caecum. The trend was almost the same, except that β-glucuronidase activity was reduced significantly (P < 0.05) in the caecum contents of rats consuming onion-NDC and FOS containing diets.

7.4. The consumption of diets containing onion-NDC preparation, commercial inulin or FOS was associated with significant decrease (P < 0.05) in the fecal excretion of calcium as compared with control groups. Accordingly, the apparent calcium absorption (absolute value or expressed as %) was significantly increased (P < 0.05) among the onion-NDC, inulin, or FOS containing diets. Calcium balance and retention% were significantly higher (P < 0.05) among the three rat groups fed on diets containing onion-NDC, inulin, or FOS. Apparent Mg absorption (absolute value or %), Mg balance and retention% were significantly increased under the effect of incorporation of onion-NDC, inulin, or FOS in rat diets.

7.5. As results revealed, levels of plasma Mg did not significantly between the seven experimental groups. The data also revealed that individual addition of onion-NDC, inulin, and FOS to rat diets significantly increased the levels of plasma Ca compared with control. In contrast, plasma alkaline phosphatase activity was decreased as a result of these additions. A very high significant correlation coefficient (r= -0.68; P < 0.0001) was found between plasma calcium content and alkaline phosphatase activity.

7.6. Bone mineral density and breaking force of the femur were significantly enhanced among groups received diets containing onion-NDC, inulin or FOS in comparison to control

7.7. Positive relationships between femur Ca and Mg contents and bone mineral density as well as the breaking force among groups received diets containing onion-NDC, inulin or FOS in comparison to control. The results of tibia behaved similarly to those obtained with the femur.

8. The panel test comprised of seventeen panelists was performed to evaluate the prepared bakery products in comparison to commercial product (control). Bakery products supplemented with NDC possessed high overall scores (except onion-NDC) for different sensory characteristics including colour, aroma, taste, degree of fermentation, degree of baking, and mouth stickiness. The bakery product supplemented with 10% FOS was considered the best with overall score of 14.  Both commercial bakery product and that supplemented with 10% inulin ranked as the second.

In conclusion, generally vegetables and grains in Egypt contain variable amounts of inulin and FOS as compared with other published results. Supplementing diets with Non-digestible carbohydrates (inulin or FOS)

1) Increased calcium and magnesium absorption

2) Increased calcium and magnesium balance

3) Increased bone mineralization (bone mineral density and bone Ca & Mg content

 

The production of NDC for export could be a promising biotechnological industry in the near future. Inulin have been treated to prepare a cream that can be used as a fat and sugar replaced in product such as ice cream and margarine. FOS have been added to sweet pastry and dairy product."