A biochemical approach to study wheat products digestibility and wheat allergens degradation

This thesis is focused on wheat digestibility, particularly referring to proteins, starch and fibre nutrients, which can plays a crucial role in several fields as in food allergic reactions, glycemic index assessment and in the fibre degradation. Wheat is one of the most important crops in the world, used to make a vast range of food products, such as bread, pasta and cakes. Allergic reactions to food, including wheat products, are becoming more common in Western countries affecting up to 2% of the adult population and 6% of children (Sotkovsky et al., 2008). The stability of proteins to the gastro-intestinal digestion process after heat treatment may contribute to their allergenic potential. It is thought that resistance to digestion plays an important role in the development of sensitisation, and it is postulated that resistance to gastric conditions (low pH and pepsinolysis) may have a significant impact on the solubility and allergenic potential of food proteins. Indeed, both intact proteins and digested polypeptides have the potential to elicit an allergic reaction. In order to better understand how chemical and biochemical changes induced by food processing (such as cooking) affect digestibility of wheat flour proteins, one dimensional (1D) and two-dimensional electrophoresis (2-DE) digestion maps of heated and unheated flour have been produced. Experiments were carried out using an in vitro static system with an additional ‘chewing’ step including human salivary amylase, in order to study oral degradation of wheat flour proteins. Afterwards, an in vitro dynamic model of digestion has been performed to gain a more reliable comprehension on protein degradation. Besides, as known, starch is the main constituent in cereal food and it influences the rate and the extent of digestion and, consequently, its nutritional and health properties. Foods having a low glycemic index have been suggested from FAO/WHO organisations (1998) since it promotes the slow release of glucose in the body. This work involved also the study of three types of pasta which were subjected to in vitro and in vivo digestions in order to assess their glycemic index. Finally, another crucial nutrient component in wheat is represented by arabinoxylans (AX) which are hemicellulose belonging to the fibre group. This fibre have been described as resistant to gastrointestinal digestion, since it is usually degraded in the colon tract, by macrobiota. However in vitro simulated digestions of arabinoxylans, extracted from wheat dough, were performed, and the effect on arabinose substitution level was investigated. Results mainly showed a reduced protein degradation in heated flour, suggesting that heat treatment can modify protein susceptibility to digestion. Results concerning the glycemic index study gave evidence that the wheat genotype can affect the rate of starch hydrolysis due to some nutrients, as proteins, which may vary among wheat varieties. Finally, concerning the arabinoxylans digestions, interesting findings showed that enzymes and surfactants and either the acid gastric pH, were able to affect AX region IR spectra.

Il lavoro sviluppato in questa tesi riguarda la digeribilità dei nutritivi del frumento, con particolare riferimento a proteine, amido e fibra. La digestione dei nutritivi gioca un ruolo chiave nelle reazioni allergiche agli alimenti, nella valutazione dell’indice glicemico e infine nella degradazione della fibra. Il frumento è una tra le più importanti produzioni cerealicole mondiali e viene utilizzato per la produzione di svariati prodotti: pane, pasta, dolci. Le reazioni allergiche agli alimenti, incluse quelle indotte dal frumento, stanno diventando sempre piu’ diffuse nei paesi occidentali, colpendo circa il 2% degli adulti e il 6% dei bambini (Sotkovsky et al., 2008). Tra i fattori che contribuiscono al potenziale allergenico di un alimento si deve considerare la stabilità delle proteine in seguito al processo digestivo e di cottura. Infatti è noto che la resistenza degli allergeni al trattamento di digestione è tra i parametri coinvolti nello sviluppo della sensitizzazione individuale, e le condizioni ambientali gastriche possono influenzare la solubilità di potenziali allergeni. È altresi’ noto che proteine o polipeptidi non digeriti hanno la potenzialità di scaturire una reazione allergica. In questo lavoro è stato studiato l’effetto del trattamento termico e della digestione, in farine di frumento cotta e non, attraverso l’analisi di profili proteici 1D e di mappe bidimensionali 2D. Questi esperimenti sono stati effettuati utilizzando un sistema di digestione statico simulando la fase orale, gastrica e intestinale. Inoltre, successivamente, è stato messo a pun to un sistema di digestione dinamico, per lo studio della degradazione delle proteine in farina cotta. Inoltre, è noto che l’amido è il principale componente dei prodotti cerealicoli e ne influenza le proprietà salutistiche nutrizionali. Alimenti con basso indice glicemico sono stati suggeriti dalle organizzazioni FAO/WHO. Questo lavoro ha coinvolto l’utilizzo di tre varietà di pasta, ove, esperimenti di digeribilità dell’amido in vitro e in vivo, hanno permesso di fornire una valutazione del loro indice glicemico. Infine, componenti della fibra in farine di frumento sono stati studiati attraverso la messa a punto di un sistema di digestione in vitro, per valutare l’effetto dell’ambiente gastro-intestinale sugli arabinoxilani estratti da impasti di farina. I risultati mostrano come il trattamento termico della farina di frumento modifichi la degradazione degli allergeni durante la digestione gastro-intestinale in vitro. Inoltre, lo studio delle tre varietà di pasta dimostra differenze significative nei valori di indice glicemico, imputabili al genotipo. Infine dalla digestione degli arabinoxilani, i risultati riportano sorprendentemente un effetto della digestione gastrica e intestinale, sulla parziale midificazione di queste fibre.