Bioactive compounds in oats and gut health

Recently, the nutritional advantages of oats have been acknowledged worldwide and several novel oat-based products have entered the market. Health claims on the cholesterol- and postprandial glycemia-lowering effects of oat β-glucan have been accepted in the EU, and oats are known to contain antioxidative phenolic compounds, such as avenanthramides. However, the development of novel moisture-rich oat products, such as drinks and puddings, has required processing techniques that aim for reduced viscosity. There are indications that the reduced viscosity and lowered molecular weight (MW) affect the health-promoting properties of β-glucan, but this is not acknowledged by the current health claims. Moreover, the effects of oat consumption on gut well-being and microbiota in individuals with gastrointestinal disorders associated with an unbalanced microbiota, such as those with celiac disease (CeD), non-celiac gluten sensitivity (NCGS) and irritable bowel syndrome (IBS), have not been substantiated. In this thesis, in Study I, the fecal gut microbiota profiles and the production of selected microbial metabolites as well as food diaries and perceived gut wellbeing of oat-consuming healthy adult subjects (n = 14) and adult subjects with CeD (n = 19) or NCGS (n = 10) were evaluated. No microbiota dysbiosis was detected in the subjects with CeD or NCGS. However, the healthy subjects had a higher abundance of bifidobacteria compared to CeD and NCGS subjects and a higher proportion of fecal acetate compared to NCGS subjects. Yet, the subjects with NCGS perceived more gut symptoms and received more energy from fat and less from carbohydrates than healthy and CeD subjects. In Study II, the effect of processing with enzyme treatment on the β-glucan behavior in the gastrointestinal tract was examined in healthy subjects (n = 14). The subjects consumed three meals containing either high, medium or low MW β-glucan, and the fecal excretion of bile acids, urine excretion of phenolic compounds and gastrointestinal pressure with an ingestible capsule were followed. It was observed that the high MW β-glucan induced the highest excretion of fecal bile acids and the highest pressure in the duodenum, while the low MW β-glucan resulted in the highest urine excretion of phenolic compounds. The medium MW β-glucan induced excretion of fecal bile acids and urine phenolic compounds, which resembled that of high MW β-glucan but resulted in a lower pressure in the duodenum similar to the low MW β-glucan. The perceived gut well-being was not linked to the MW of β-glucan but did differ between the sexes. In Study III, the effect of oats, when ingested together with symptomtriggering compounds, on gut well-being was investigated in healthy subjects (n = 21) and in subjects with self-reported sensitivity to pulses or IBS (n = 21). The subjects consumed a pulse-based study meal with either rice or oat flour and the breath gases and perceived gut well-being were followed. The oat flour meal induced higher breath hydrogen levels compared to the rice flour meal in both the healthy and sensitive subjects, which correlated to an increased perception of very mild to mild flatulence in both groups. The sensitive subjects perceived more symptoms after both meals, which was not explained by the hydrogen levels. These results demonstrated that oats are well tolerated among the individuals with gastrointestinal disorders such as CeD, NCGS, IBS or self-reported sensitivity. Results suggest that oats are beneficial for the gut microbiota of the studied groups including healthy controls. It was also observed that the β-glucan viscosity and MW have an effect on β-glucan’s health-promoting properties. A high MW results in a higher excretion of fecal bile acids, which indicates higher bile acid binding capacity and thus a maintained cholesterol-lowering effect, while a low MW is linked to higher urine excretion of beneficial phenolic compounds and their increased bioavailability. These results can be applied to the evaluation of the health effects of moisture-rich oat products.Kauran ravitsemuksellisten etujen tunnettuus on viime vuosina lisääntynyt maailmanlaajuisesti ja markkinoille on tullut lukuisia uusia kaurapohjaisia tuotteita. EU on hyväksynyt kauran β-glukaanille terveysväitteet, joiden mukaan β-glukaani alentaa veren kolesterolitasoa ja tasaa aterian jälkeistä verensokerin nousua. Lisäksi kaura sisältää antioksidanttisia fenolisia yhdisteitä, kuten avenantramideja. Uusien kosteiden kauratuotteiden, kuten juomien ja vanukkaiden, kehitys on kuitenkin vaatinut tuotteen viskositeettia vähentävää prosessointia. Alhaisemman viskositeetin ja molekyylipainon on havaittu vaikuttavan mainittuihin β-glukaanin terveysvaikutuksiin, mutta tätä ei ole huomioitu nykyisten terveysväitteiden muotoilussa. Myöskään kauran käytön yhteyttä vatsan hyvinvointiin ja suolistomikrobistoon ei ole toistaiseksi virallisesti tunnustettu. Erityisesti ruuansulatuskanavan sairauksiin, kuten keliakiaan, gluteeniyliherkkyyteen ja ärtyvän suolen oireyhtymään tiedetään liittyvän mahdollinen suolistomikrobiston epätasapaino. Tämän väitöskirjan ensimmäisessä osatutkimuksessa (I) analysoitiin kauraa käyttävien keliaakikkojen (n=19), gluteeniyliherkkien (n=10) ja terveiden kontrollien (n=14) suolistomikrobiston koostumus ja mikrobien aineenvaihduntatuotteita ulostenäytteistä sekä ruoka- ja vatsaoirepäiväkirjat. Keliaakikoilla ja gluteeniyliherkillä ei havaittu merkkejä mikrobiston epätasapainosta. Terveillä kontrolleilla havaittiin kuitenkin enemmän bifidobakteereita verrattuna keliaakikkoihin ja gluteeniyliherkkiin sekä suurempi ulosteen asetaattipitoisuus verrattuna gluteeniyliherkkiin. Gluteeniyliherkät raportoivat enemmän vatsaoireita sekä saivat enemmän energiaa rasvasta ja vähemmän hiilihydraateista kuin keliaakikot ja terveet kontrollit. Toisessa osatutkimuksessa (II) tutkittiin entsyymikäsittelyn vaikutusta β-glukaanin käyttäytymiseen ruuansulatuskanavassa terveillä vapaaehtoisilla (n=14). Vapaaehtoiset nauttivat kolme tutkimusateriaa, joiden β-glukaanin molekyylipaino oli joko korkea, keskitasoa tai matala. Tutkimuksessa mitattiin ulosteen sappihappojen ja virtsan fenolisten yhdisteiden pitoisuus sekä ruuansulatuskanavan paine nielaistavan kapselin avulla. Tutkimuksessa havaittiin, että korkean molekyylipainon β-glukaani oli yhteydessä runsaimpaan ulosteen sappihappopitoisuuteen ja korkeimpaan paineeseen duodenumissa, kun taas matalan molekyylipainon β-glukaani oli yhteydessä runsaimpaan fenolisten yhdisteiden erittymiseen virtsaan. Keskitason molekyylipainon β-glukaani muistutti muutoin ominaisuuksiltaan korkean molekyylipainon β-glukaania, mutta aiheutti matalamman painevasteen duodenumissa, kuten matalan molekyylipainon β-glukaani. Molekyylipaino ei vaikuttanut koettuun vatsan hyvinvointiin, mutta vatsaoireiden kokeminen erosi sukupuolten välillä. Kolmannessa osatutkimuksessa seurattiin kauran vaikutusta vatsan hyvinvointiin terveillä vapaaehtoisilla (n=21) ja vapaaehtoisilla (n=21), jotka kokivat saavansa vatsaoireita palkokasveista tai joilla oli ärtyvän suolen oireyhtymä (herkät). Vapaaehtoiset nauttivat palkokasvipitoisen tutkimusaterian joko riisi- tai kaurajauhon kanssa, jonka jälkeen mitattiin hengityskaasuja ja seurattiin koettua vatsan hyvinvointia. Sekä terveet että herkät vapaaehtoiset raportoivat enemmän hyvin lieviä tai lieviä ilmavaivoja kaurajauhoa sisältävän aterian jälkeen verrattuna riisijauhoa sisältävään ateriaan, mikä korreloi korkeamman uloshengitysilman vetypitoisyyden kanssa molemmilla ryhmillä. Herkät vapaaehtoiset raportoivat enemmän oireita kummankin aterian jälkeen verrattuna terveisiin, mikä kuitenkaan ei ollut yhteydessä uloshengitysilman vetypitoisuuteen. Tulokset osoittivat, että kaura on hyvin siedettyä keliakiaa, gluteeniyliherkkyyttä, ärtyvän suolen oireyhtymää tai itse koettua herkkyyttä sairastavilla. Kauran havaittiin myös olevan eduksi suolistomikrobistolle niin kyseisillä ryhmillä kuin terveillä. Lisäksi havaittiin, että β-glukaanin viskositeetti ja molekyylipaino vaikuttavat sen terveyttä edistäviin ominaisuuksiin. Korkea molekyylipaino on yhteydessä runsaampaan sappihappojen eritykseen ulosteeseen, mikä kertoo paremmasta sappihappojen sitomiskapasiteetista ja siten paremmasta kolesterolia alentavasta vaikutuksesta. Matala molekyylipaino on puolestaan yhteydessä runsaampaan fenolisten yhdisteiden erittymiseen virtsaan ja niiden parempaan biosaatavuuteen. Näitä tuloksia voidaan hyödyntää kosteiden kauratuotteiden terveysvaikutusten arvioinnissa