In vitro digestibility and fermentability of selected prebiotics and functional carbohydrates with prebiotic potential

Abstract

[EN]: The regulation of microbiota through the use of prebiotics has been widely studied in the last decades, due to its high correlation with human health and several diseases. In this sense, there are a huge number of reports regarding the beneficial effects of these compounds on gut microorganisms, however, scarce efforts have been made towards their previous passage through gastrointestinal digestion. In a first part of this PhD Thesis, the digestibility of several recognised prebiotics has been studied and results are presented in the first three chapters. A more efficient and reliable in vitro method based on the use of rat small intestinal extract has been proposed for carbohydrate digestion overcoming the limitations of general standardised models for gastrointestinal digestion which overlook the critical role of the small intestine mucosal carbohydrases. Likewise, considering the high physiological and anatomical similarity of the pig and human digestive tracts, the isolation of brush border membrane vesicles of the pig small intestine has been carried out in order to, subsequently, assess the intestinal digestibility of a series of commercial galactooligosaccharides differing in the predominant glycosidic linkage, as well as that of novel lactulose-derived galactooligosaccharides. In this sense, to a greater or lesser extent, all carbohydrates tested presented degradation rates by small intestinal enzymes. Crucial structure-function relationship was found by determining the key role of structural features (glycosidic linkage or monosaccharides composition) on their resistance to degradation, increasing therefore essential knowledge towards the eventual development of new customized prebiotics. On the other hand, interest towards the production and obtainment of prebiotics using more sustainable methods has also raised a great interest. Therefore, in a second part of this dissertation, the prebiotic potential of pectic compounds obtained from agricultural by-products of artichoke, sunflower and citrus products was evaluated. A high prebiotic effect similar to well-recognized prebiotics was revealed after the in vitro fermentation study. Moreover, structure-function relationships were also found by elucidating the effect of the structural features (molecular weight, methylation degree, monosaccharide composition) on their ability to grow beneficial bacteria. Findings in this part of the thesis provided evidence on the prebiotic potential of theses substrates and may enhance the use of waste agricultural by-products as a renewable source of bioactive compounds.

[ES]: La modulación de la microbiota intestinal a través del uso de prebióticos ha sido ampliamente estudiada en las últimas décadas debido a su relación con la salud humana. Existen numerosos estudios acerca de los efectos beneficiosos de estos prebióticos sobre la microbiota intestinal, sin embargo, el conocimiento actual sobre su paso previo por el tracto gastrointestinal superior y, más concretamente, sobre los posibles cambios estructurales durante el proceso de digestión gastrointestinal es muy limitado, dando por hecho su total resistencia . En ese sentido, una primera parte de esta tesis doctoral está enfocada en el estudio de la digestibilidad de distintos carbohidratos prebióticos reconocidos (Capítulos 1-3). Se ha propuesto un método in vitro fiable y eficaz, basado en la utilización de extractos intestinales de rata, para evaluar la digestión de estos carbohidratos que solventaría importantes limitaciones que presentan los métodos actualmente en uso y que ignoran el papel clave de las carbohidrasas expresadas en la mucosa intestinal. Asimismo, y dado que el cerdo es un mamífero fisiológicamente más similar a la especie humana que la rata, se ha procedido al aislamiento de vesículas del epitelio intestinal de cerdos para, posteriormente, evaluar la digestibilidad intestinal de galactooligosacáridos comerciales caracterizados por diferentes enlaces glicosídicos, así como de nuevos galactooligosacáridos derivados de lactulosa. Los resultados de esta primera parte resaltan la idoneidad del empleo de estos extractos para la simulación de la digestibilidad intestinal de carbohidratos. Se ha observado una degradación, en mayor o menor medida, de los prebióticos analizados tras el tratamiento con las enzimas intestinales y, además, se han establecido correlaciones importantes entre la estructura química de estos compuestos (composición monomérica, tamaño molecular o enlace glicosídico) y su resistencia a la degradación durante la digestión intestinal. Por otro lado, y debido al interés creciente hacia el desarrollo de nuevas estrategias sostenibles para la obtención de prebióticos emergentes, la segunda parte de esta tesis se ha centrado en la evaluación del potencial prebiótico de sustratos alternativos, como son los compuestos pécticos, obtenidos a partir de subproductos de la industria agrícola de alcachofa, girasol y cítricos. Para ello, se han utilizado modelos de fermentación in vitro estáticos y dinámicos que suponen un avance debido a la posibilidad de simular las diferentes etapas gastrointestinales en un entorno fisiológicamente más relevante. En general, se observó una alta actividad prebiótica en los sustratos analizados, siendo similar a la de prebióticos reconocidos. Además, ha sido posible correlacionar determinadas características estructurales (tamaño molecular, grado de metilación y composición de monosacáridos) con su capacidad para promover el crecimiento de bacterias beneficiosas. De este modo, los resultados obtenidos en esta parte aportan evidencias sobre el potencial prebiótico de estos sustratos y apuntan hacia la potencial utilización de determinados subproductos agrícolas como fuentes sostenibles para la obtención de compuestos bioactivos.