Postprandial effects and metabolism of acylated anthocyanins originating from purple potatoes

Abstract

Healthy dietary choices, such as daily consumption of vegetables and fruits, are fundamental for preventing metabolic disorders. Anthocyanin-rich purple and red edible plants, such as berries and fruits, show potential in improving carbohydrate metabolism. The large diversity of structural characteristics of anthocyanins, such as the number and position of hydroxy, methoxy, glycosyl and acyl substituents, affect their physico-chemical properties and followingly, their absorption and metabolism. However, the health outcomes and metabolism of anthocyanins have been studied mainly with foods rich in non-acylated anthocyanins. Acylated anthocyanins, instead, provide enhanced structural stability for the otherwise unstable anthocyanins and thus have the potential to increase the use of anthocyanins in food industrial applications. Acylated anthocyanins are commonly found in pigmented vegetables and tubers, such as potatoes, which may provide an affordable dietary source of anthocyanins that are easily incorporated into an everyday diet for increased intake of anthocyanins.

The aim of the current work was to investigate the in vivo effect of acylated anthocyanins on postprandial glycaemia, insulinaemia and inflammation, and to investigate the metabolism of acylated anthocyanins in healthy volunteers. A pigmented potato variety (Solanum tuberosum L. ′Synkeä Sakari′) with purple skin and flesh was chosen as the model food for these studies since it has a high content of acylated anthocyanins rich in methoxysubstituted B-rings. Furthermore, potatoes are widely consumed and cultivated worldwide and have a high glycaemic index. In two cross-over clinical trials, healthy volunteers consumed a study meal of cooked and mashed purple potatoes or their extract rich in acylated anthocyanins mixed with yellow potatoes, with cooked and mashed yellow potatoes as the control meal. The meals were characterised using high-performance liquid chromatography (HPLC), gas chromatography (GC) and mass spectrometry (MS). The plasma glucose, insulin and 90 inflammation markers were measured. The phenolic metabolites and their phase II conjugates from serially collected plasma and urine samples were screened using UHPLCMS/MS.

Both the purple potatoes and the anthocyanin-rich purple potato extract decreased the highest peak of postprandial blood glucose levels as compared to a meal of yellow potatoes. The anthocyanin-rich extract prevented glucose and insulin levels of plasma from decreasing below their fasting state levels, which occurred with the yellow potato meal. Additionally, the anthocyanin-rich extract altered the inflammation markers; for example, the insulin-like FGF-19 was increased four hours after the meal compared to the control meal. These observed health effects may have been affected by postprandial degradants of the ingested acylated anthocyanins, as the parent compounds were not detected in the plasma or urine samples. Instead, a large diversity of phenolic metabolites, such as hydroxycinnamic and hydroxybenzoic acids, were detected. Furthermore, the degradants were subjected to conjugation in phase II metabolism. Several metabolites previously not detected after a meal rich in acylated anthocyanins were identified, such as protocatechuic acid sulfates and glucuronides.

This work provides evidence that purple potatoes and their extract rich in acylated anthocyanins affect postprandial carbohydrate metabolism and inflammation beneficially after a high carbohydrate meal. The results shed light on the metabolism of acylated anthocyanins, phenolic metabolites in postprandial state, and promote the use of anthocyanin-rich purple potatoes as a part of a healthy and versatile diet.

Terveellinen ruokavalio, kuten runsas kasvisten ja vihannesten nauttiminen, edesauttaa aineenvaihdunnan häiriöiden ennaltaehkäisemisessä. Aiemmat tutkimukset osoittavat, että violeteilla ja punaisilla antosyaniineja sisältävillä syötävillä kasveilla, kuten marjoilla ja hedelmillä, saattaa olla hiilihydraattiaineenvaihdunnalle edullisia terveysvaikutuksia. Antosyaniinit ovat kuitenkin rakenteellisesti monipuolinen yhdisteryhmä, jonka hydroksyyli-, metoksi-, sokeri- ja asyylisubstituentit vaikuttavat niiden fysikokemiallisiin ominaisuuksiin ja siten niiden imeytymiseen ja aineenvaihduntaan. Asyloitujen antosyaniinien vaikutusta ihmisen aterianjälkeiseen aineenvaihduntaan on tutkittu vain vähän, vaikka ne soveltuvat asyloimattomia antosyaniineja pysyvämpinä yhdisteinä paremmin elintarviketeollisuuden tuoteinnovaatioihin. Asyloituja antosyaniineja on runsaasti värillissä juureksissa ja mukuloissa, kuten perunoissa, joita hyödyntämällä on mahdollisuus lisätä antosyaniinien saantia edullisesti ja yksinkertaisesti osana päivittäistä ruokavaliota.

Väitöskirjan kokeellisessa osassa tutkittiin asyloitujen antosyaniinien vaikutusta aterianjälkeiseen glykemiaan, insulinemiaan ja tulehdukseen sekä asyloitujen antosyaniinien pilkkoutumista terveiden ihmisten aineenvaihdunnassa. Asyloitujen antosyaniinien elintarvikelähteeksi valittiin violettimaltoinen ja -kuorinen perunalajike (Solanum tuberosum L. ′Synkeä Sakari′), koska sen antosyaniinit ovat valtaosin asyloituja. Lisäksi perunaa käytetään ja viljellään maailmanlaajuisesti, ja niillä on pääsääntöisesti korkea glykeeminen indeksi. Tässä työssä järjestettiin kaksi yksöissokotettua kliinistä vaihtovuorotutkimusta, joissa terveet tutkimushenkilöt nauttivat kypsennettyjä ja soseutettuja violetteja perunoita tai violettien perunoiden antosyaniinipitoista uutetta sekoitettuna soseutettuihin keltamaltoisiin perunoihin. Kontrolliateriana tutkimushenkilöille annettiin kypsennettyjä ja soseutettuja keltamaltoisia perunoita. Tutkimusaterioiden kemiallinen koostumus määritettiin käyttämällä korkean erotuskyvyn nestekromatografiaa (HPLC), kaasukromatografiaa (GC) ja massaspektrometriaa (MS). Tutkimushenkilöiltä kerätyistä plasmanäytteistä määritettiin veren glukoosi- ja insuliinipitoisuudet ja 90 tulehdusmerkkiainetta. Virtsa- ja verinäytteistä selvitettiin fenolisia aineenvaihduntatuotteita (UHPLC-MS/MS).

Sekä violetit perunat että niiden antosyaniinipitoinen uute laskivat aterianjälkeistä korkeinta glukoosi- ja insuliinihuippua keltaisiin perunoihin verrattuna. Uute esti kontrolliaterian aiheuttaman glukoosi- ja insuliinipitoisuuksien laskemisen paastotason alapuolelle. Lisäksi uute vaikutti aterianjälkeisiin tulehdusmerkkiaineisiin. Esimerkiksi insuliininkaltaisen FGF- 19:n pitoisuus kasvoi neljä tuntia aterian jälkeen kontrolliateriaan verrattuna. Havaittuihin terveysvaikutuksiin saattoi vaikuttaa asyloitujen antosyaniinien lisäksi niiden aterianjälkeiset hajoamistuotteet, koska perunan antosyaniineja ei havaittu sellaisinaan plasmasta tai virtsasta. Sen sijaan tutkimuksessa havaittiin runsaasti erilaisia fenolisia aineenvaihduntatuotteita, kuten hydroksikanelihappoja ja hydroksibentsoehappoja. Lisäksi aineenvaihduntatuotteisiin saatettiin konjugoida faasin II metaboliassa. Työssä tunnistettiin aineenvaihduntatuotteita, kuten protokatekiinihappoa ja sen konjugaatteja, joita ei oltu aiemmin havaittu pääosin asyloituja antosyaniineja sisältäneen aterian jälkeen.

Väitöskirjatutkimus antaa viitteitä siitä, että violeteilla perunoilla ja niiden asyloituja antosyaniineja sisältävällä uutteella on myönteinen vaikutus ihmisen aterianjälkeiseen aineenvaihduntaan ja tulehdukseen runsashiilihydraattisen aterian jälkeen. Tulokset kuvaavat asyloitujen antosyaniinien pilkkoutumista ja fenolisia aineenvaihduntatuotteita aterianjälkeisessä tilassa. Lisäksi tutkimustulokset kannustavat violettimaltoisten perunoiden käyttöön osana terveellistä ja monipuolista ruokavaliota.