Fengyuan Liu, University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Nutrition, Doctoral Programme in Food Chain and Health, Helsingin yliopisto, maatalous-metsätieteellinen tiedekunta, Ruokaketjun ja terveyden tohtoriohjelma, Helsingfors universitet, agrikultur-forstvetenskapliga fakulteten, Doktorandprogrammet i livsmedelskedjan och hälsa, Witthöft, Cornelia, Kariluoto, Susanna, Edelmann, Minnamari, and Piironen, Vieno
Folate is essential for human health, playing a vital role in the metabolism of nucleic and amino acids. However, folate intake is below the recommendation in many countries. Mandatory folic acid fortification is practised in more than 80 countries around the world, but not, for example, in most EU countries. Additionally, there are concerns about excessive folic acid intake. Therefore, studying folate from natural sources, such as cereal and legume-based foods, is important. Unlike enriched folic acid, natural folates need to be liberated from the food matrix, and, further, most of them are unstable and can be lost during digestion. Thus, to understand the role of a food as a folate source, it is necessary to consider the bioaccessibility of folate, meaning the proportion of folate potentially available for absorption. However, knowledge about folate bioaccessibility in foods is still limited, especially at the vitamer level. Furthermore, the mechanisms behind how food matrices influence folate bioaccessibility are not well understood. This thesis aimed to investigate the bioaccessibility of endogenous folate in cereals and legumes. Folate bioaccessibility in cereal and legume matrices (flours, pastes and breads) was compared first. Next, the stability of folate vitamers during in vitro digestion was studied. Then, the effects of ingredients and processing methods on folate bioaccessibility were investigated. Finally, the significance of 5-methyltetrahydrofolate to folate bioaccessibility was examined. Samples were subjected to a static in vitro digestion model, and folates were analysed using ultra-high-performance liquid chromatography (UHPLC) coupled with photodiode array and fluorescence detection. Folate bioaccessibility in cereal and legume matrices ranged from 31% to 123%. Faba bean matrices generally had better folate bioaccessibility than cereal matrices. Among the breads, rye breads typically had higher folate bioaccessibility, and oat breads had lower folate bioaccessibility than the other breads. Three common trends in folate stability during in vitro digestion were found: (1) high stability of formyl pool folates, but frequent interconversion among formyl folates (10-formyldihydrofolate, 5-formyltetrahydrofolate) and 5,10-methenyltetrahydrofolate; (2) the decrease of reduced folates (tetrahydrofolate, 5-methyltetrahydrofolate, and 5-formyltetrahydrofolate); and (3) high stability of oxidised folates (folic acid and 10-formylfolic acid). These changes were universal for all studied food matrices, but the degree varied. 5-methyltetrahydrofolate was more stable in legume matrices than in cereal matrices. Both the ingredients and the processing methods affected the bioaccessibility of folate. Because of a larger formyl folate pool, whole-grain wheat bread had better folate bioaccessibility than white wheat bread. The inclusion of faba bean flour as a baking ingredient not only introduced a large formyl pool but also stabilised 5-methyltetrahydrofolate during digestion, improving both the folate content and bioaccessibility in bread. Folate bioaccessibility was easily improved with a simple paste making process. Conversely, baking with added yeast significantly enhanced the 5-methyltetrahydrofolate level in breads but decreased their folate bioaccessibility due to the instability of 5-methyltetrahydrofolate. Further experiments showed that 5-methyltetrahydrofolate was crucial for folate bioaccessibility and its stability in food matrices during the in vitro digestion was a trade-off between the pro-oxidative and protective factors. However, phenolic compounds could act as protective factors in stabilising 5-methyltetrahydrofolate. In summary, folates underwent significant changes during digestion. However, food matrices can be modified to turn these changes towards better folate bioaccessibility. Faba bean was shown to be a promising dietary source of folate. In addition to folate content, bioaccessibility should be considered when evaluating foods as folate sources. B-ryhmän vitamiineihin kuuluvaa folaattia tarvitaan mm. nukleiinihappojen synteesiin ja aminohappojen aineenvaihduntaan. Folaatin saanti jää usein alle suositusten. Sikiöiden hermostoputken sulkeutumishäiriöiden ehkäisemiseksi monessa maassa viljavalmisteita täydennetään foolihapolla. Tämä ei kuitenkaan ole yleistä EU:ssa, ja siksi on tärkeää tutkia elintarvikkeiden luontaista folaattia. Pitoisuuksien lisäksi voidaan tarkastella folaatin biosaatavuutta (bioaccessibility), jolla tarkoitetaan sitä osuutta folaatista, joka vapautuu elintarvikkeesta ja voisi imeytyä. Useimmat folaatin muodoista, vitameereista, ovat herkkiä tuhoutumaan. Folaatin biosaatavuutta ei ole juuri tutkittu etenkään vitameeritasolla, eikä elintarvikematriisin vaikutusta biosaatavuuteen ymmärretä hyvin. Väitöskirjatyön tavoite oli tutkia viljojen ja palkokasvien folaatin biosaatavuutta. Biosaatavuutta tutkittiin staattisella in vitro ruoansulatusmallilla, ja folaatit määritettiin erittäin suuren erotuskyvyn nestekromatografialla (UHPLC). Folaatin biosaatavuus vilja- ja palkokasvimateriaaleista – jauhoista, kuumennetuista jauho–vesiseoksista ja leivistä – oli 31–123 %. Vitameerien pysyvyydet ruoansulatusmallissa vaihtelivat, ja elintarvikkeissa yleisesti esiintyvä 5-metyylitetrahydrofolaatti oli pysyvämpi palkokasvi- kuin viljamateriaaleissa. Härkäpavun folaatin biosaatavuus oli parempi kuin viljojen. Ruisleipien folaatin biosaatavuus oli hyvä, kun taas kauraleivissä biosaatavuus oli heikompi. Täysjyvävehnäleivän folaatin biosaatavuus oli parempi kuin valkoisen vehnäleivän, ja härkäpapujauhon käyttäminen leivonnassa paransi sekä leivän folaattitasoa että biosaatavuutta. Biosaatavuutta pystyttiin parantamaan myös yksinkertaisella kuumennuskäsittelyllä. Leivinhiivan käyttäminen nosti kyllä leivän folaattipitoisuutta, mutta heikensi biosaatavuutta hiivan tuottaman 5 metyylitetrahydrofolaatin heikon pysyvyyden vuoksi. 5-Metyylitetrahydrofolaatin pysyvyys osoittautuikin ratkaisevan tärkeäksi folaatin biosaatavuudelle. Fenoliset yhdisteet edistivät 5-metyylitetrahydrofolaatin pysyvyyttä. Tämä väitöskirjatyö osoitti, että elintarvikematriisien muokkauksella ja valmistusaineiden valinnalla voidaan parantaa folaatin biosaatavuutta. Härkäpavun osoitettiin olevan lupaava folaatin lähde. Folaattipitoisuuden lisäksi biosaatavuus tulisi ottaa huomioon arvioitaessa elintarvikkeita folaatin lähteinä.