Nutrinews oktober 1999 ir. Hilde De Geeter Projectmanager NICE Zetmeel is het belangrijkste reservepolysacharide in plantaardige voedingsmiddelen. Hoewel de chemische samenstelling vrij uniform is, varieert de ruimtelijke structuur van deze macromolecule naargelang het voedingsmiddel waarin het voorkomt en de voorafgaandelijke bewerking. De verteerbaarheid van zetmeel is bovendien afhankelijk van de vorm waarin het zetmeel wordt aangeboden. In dit artikel worden de verschillende vormen van zetmeel kort overlopen. Idealiter moet minstens 50 % van de totale energie in de voeding worden aangebracht in de vorm van polymere koolhydraten, in hoofdzaak zetmeel. De Westerse voeding bevat op dit ogenblik te veel vet en enkelvoudige suikers en te weinig complexe koolhydraten. Zetmeel is echter niet alleen vanuit nutritioneel standpunt interessant, ook voor de voedingstechnoloog houdt deze molecule talrijke mogelijkheden in. Chemische structuur Zetmeel is een macromolecule en kent twee verschillende chemische vormen: amylose en amylopectine. Amylopectine is opgebouwd uit meer dan 10.000 glucose-eenheden aan elkaar gebonden door α -1,4 en α -1,6 bindingen en vormt hiermee wellicht de grootste natuurlijke molecule (figuur 1). De α -1,6 bindingen komen ongeveer om de 25 eenheden voor en geven de molecule een vertakte boomachtige structuur (figuur 2). Amylose is een kleinere onvertakte molecule met enkel α -1,4 bindingen. De meeste voedingsmiddelen bevatten zetmeel met een amylose/amylopectine verhouding van 1/3. Zogenaamde "waxy" maïs en rijst bevatten zetmeel dat voor 100 % uit amylopectine bestaat. Figuur 1: Chemische structuur van amylose en amylopectine Nutrinews - p. 1
Figuur 2: Voorstelling van de ruimtelijke structuur van de amylopectine-molecule Gelatinisatie en retrogradatie Natief zetmeel komt voor als afzonderlijke kristallijne partikels, de zetmeelgranules. Deze bestaan uit amylose- en amylopectinemolecules die zeer sterk geordend zijn. De zetmeelgranules in tarwe, maïs en aardappelen hebben elk een eigen specifieke vorm. Microscopisch onderzoek van de granules kan daarom worden gebruikt om de bron van het zetmeel te identificeren. De sterke ordening van de moleculen binnen de granule maken de granules onoplosbaar in koud water. Als gevolg hiervan kunnen verteringsenzymen hun hydrolyserende werking niet naar behoren vervullen Nutrinews - p. 2
en is natief zetmeel niet goed verteerbaar. Wanneer zetmeel echter wordt verwarmd in aanwezigheid van water valt de ordening weg. Dit irreversibele proces grijpt plaats bij de bereiding van voedingsmiddelen en noemt men gelatinisatie. Gelatinisatie is een geleidelijk proces met verschillende stadia: de granule zwelt, de oplosbare moleculen (in hoofdzaak amylose) diffunderen uit de granule en de granule valt volledig uit elkaar. Het resultaat is een zetmeelpasta die wel goed verteerbaar is (figuur 3). Gelatinisatie grijpt niet plaats bij één welbepaalde temperatuur maar over een welbepaald temperatuursbereik. Een totale gelatinisatie vergt hoge temperaturen, grote hoeveelheden water en grote afschuifkrachten, condities die bij een normale bereiding niet voorkomen. Bij afkoeling van het voedingsmiddel kristalliseren de zetmeelmoleculen binnen de gegelatiniseerde zetmeelpasta opnieuw uit en wordt een stevige visco-elastische gel gevormd. Dit proces wordt aangeduid met retrogradatie. Geretrogradeerd zetmeel is opnieuw minder bereikbaar voor de verteringsenzymen en dus slecht verteerbaar. Figuur 3: De relatie tussen de fysische vorm van de zetmeelmolecule en haar verteerbaarheid De vertering van zetmeel Door de inwerking van het enzym α-amylase dat aanwezig is in speeksel en pancreassap wordt zetmeel gesplitst in kleinere moleculen (maltose, malto-triose en α-dextrines). De α-glucosiden in de borstelzoom (brush border) van de dunne darm breken deze kleinere moleculen vervolgens verder af tot glucose. In vitro en in vivo onderzoek heeft aangetoond dat, in tegenstelling tot wat lange tijd werd gedacht, zetmeel niet steeds volledig gehydrolyseerd en geabsorbeerd wordt in de dunne darm. In functie van de fysische vorm van het zetmeel verloopt de vertering al of niet volledig. Een substantieel deel van het opgenomen zetmeel kan bijgevolg onverteerd in het colon terechtkomen, waar het vervolgens wordt gefermenteerd. De graad van vertering van zetmeel wordt bepaald door enerzijds intrinsieke factoren, factoren die Nutrinews - p. 3
samenhangen met de eigenschappen van het voedingsmiddel, en anderzijds extrinsieke factoren, zoals het al of niet goed kauwen, de snelheid van de darmtransit en de concentratie van amylase in de darm. In tegenstelling tot de extrinsieke factoren, die zeer individueel zijn bepaald en moeilijk meetbaar zijn, kunnen de intrinsieke factoren wel goed worden gedefinieerd. Natieve zetmeelgranules in bijvoorbeeld niet- of grofgemalen graan en zaden zijn nauwelijks toegankelijk voor de verteringsenzymen. De aanwezigheid van voedingsvezels zoals in peulvruchten verlagen eveneens de verteerbaarheid van zetmeel. De gelatinisatie van kleine zetmeelgranules zoals in tarwebloem gebeurt daarentegen bijna volledig. Amylose is meer onderhevig aan retrogradatie dan amylopectine. Zetmeel met een hoog gehalte aan amylose is bijgevolg moeilijker verteerbaar dan amylopectinerijke variëteiten. Granules met een zeer dense pakking van zetmeelmolecules, zoals in spaghetti, zijn resistenter tegen de hydrolytische werking van de a -amylases dan granules met een minder dense ordening, zoals in aardappelen. Classificatie van zetmeel Uit dit alles blijkt duidelijk dat het totale zetmeelgehalte van een voedingsmiddel onvoldoende vertelt over de nutritionele waarde van het voedingsmiddel. De opdeling van het zetmeel op basis van zijn verteerbaarheid is dan ook noodzakelijk (tabel 1). Hiertoe werd een in vitro test op punt gesteld dat de vrijstelling van glucose door enzymatische hydrolyse in functie van de tijd meet. Totaal zetmeel komt overeen met de hoeveelheid glucose die wordt vrijgesteld door volledige enzymatische hydrolyse en dit na gelatinisatie van het zetmeel in kokend water en de behandeling met kaliumhydroxide voor de dispersie van het geretrogradeerd amylose. Snel verteerbaar zetmeel (rapidly digestible starch - RDS) en traag verteerbaar zetmeel (slowly digestible starch - SDS) worden bepaald na incubatie met pancreasamylase en amyloglucosidase bij 37 C gedurende respectievelijk 20 en 100 minuten. Onverteerbaar of resistent zetmeel (resistant starch - RS) is het zetmeel dat na 120 minuten incubatie niet werd gehydrolyseerd. Resistent zetmeel wordt verder opgesplitst in fysisch niet toegankelijk zetmeel (RS1), resistente zetmeelgranules (RS2) en geretrogradeerd zetmeel (RS3). In tabel 2 zijn voor enkele voedingsmiddelen de hoeveelheden van de verschillende types zetmeel weergegeven, bepaald met de boven vermelde in vitro verteringstest. Hieruit blijkt dat rauwe aardappelen en bananenbloem het meeste resistent zetmeel bevatten. De kleine hoeveelheid resistent zetmeel in brood en ontbijtgranen is vooral geretrogradeerd amylose (RS3). Het resistente zetmeel in afgekoelde gekookte aardappelen, spaghetti en peulvruchten bestaat gedeeltelijk uit geretrogradeerd zetmeel (RS3) en gedeeltelijk uit fysisch ontoegankelijk zetmeel (RS1). Tabel 1: Classificatie van zetmeel op basis van de verteerbaarheid Type zetmeel Voorbeeld Vermoedelijke vertering in de dunne darm Snel verteerbaar zetmeel (RDS) Pas gekookte zetmeelrijke voedingsmiddelen Snel Traag verteerbaar zetmeel (SDS) Meeste rauwe granen Traag maar volledig Resistent zetmeel (RS) - Fysisch ontoegankelijk zetmeel (RS1) - Resistente zetmeelgranules (RS2) - Geretrogradeerd zetmeel (RS3) - Grofgemalen granen en zaden - Rauwe aardappel en banaan - Afgekoelde gekookte aardappelen, brood en cornflakes - Resistent - Resistent - Resistent Bron: Englyst et al. (1992) Tabel 2: Gemeten waarden voor de diverse types zetmeel bij in vitro vertering van enkele koolhydraatrijke voedingsmiddelen Nutrinews - p. 4
Droge stof Type zetmeel (g/100 g droge stof) Voedingsmiddel (%) RDS SDS RS TS Wit brood 54,5 69 7 1 77 Volkoren brood 52,0 56 4 1 60 Gebroken tarwe 91,3 66 4-71 Rice Krispies 95,6 74 2 1 78 Cornflakes 95,8 73 2 3 78 Havermoutvlokken 90,7 57 6 2 65 Beschuit 94,2 37 10 1 48 Gekookte aardappel (warm) 22,8 65 5 5 74 Gekookte aardappel (koud) 23,8 53 11 10 75 Aardappelzetmeel (rauw) 81,8 6 19 75 99 Bananenbloem 99,1 3 15 57 75 Witte tarwebloem 89,7 40 39 2 81 Spaghetti (pas gekookt) 28,3 41 33 5 79 Spaghetti (afgekoeld) 34,7 33 42 4 78 Bonen (ingevroren, 5 min. gekookt) 18,3 12 2 5 20 Linzen (20 min. gekookt, koud) 28,3 24 22 9 54 Prinsessenbonen (40 min. gekookt) 41,4 8 19 18 45 RDS = rapidly digestible starch; SDS = slowly digestible starch; RS = resistent starch; TS = total starch Bron: Englyst et al. (1992) Gemodificeerd zetmeel Op de etikettering van voedingsmiddelen vindt men op dit ogenblik nog geen vermelding van de gehaltes aan resistent zetmeel. In de ingrediëntenlijst staat echter wel vaak de term "gemodificeerd zetmeel". Deze term heeft geen rechtstreeks verband met de mate van verteerbaarheid van het gebruikte zetmeel. Evenmin verwijst dit naar het feit dat de bron van het zetmeel een genetisch gemodificeerde plant zou zijn. De functionele eigenschappen van natief (niet-gemodificeerd) zetmeel (bijvoorbeeld emulgerend vermogen, indikkend effect) voldoen vaak niet aan de vereisten om tot een gewenst eindproduct te komen. Door aan de zetmeelmolecule wat te sleutelen (modificeren) kan de voedingstechnoloog de eigenschappen in de gewenste richting veranderen. Het zetmeel wordt als het ware op maat van de toepassing gemaakt. Deze modificatie kan gebeuren aan de hand van een fysische behandeling, zoals via warmte, of een enzymatische of chemische behandeling. Enkele veel toegepaste modificaties zijn: hydrolyse: de zetmeelmolecule wordt enzymatisch of chemisch afgebroken tot maltodextrines crosslinking: twee of meerdere zetmeelmolecules worden aan elkaar gebonden door middel van een difunctioneel reagens derivatisatie: enkele van de hydroxylgroepen van de zetmeelmolecule worden veresterd pregelatinisatie Nutrinews - p. 5
Vaak wordt een combinatie van twee modificatiereacties gebruikt. Sommige modificaties maken het zetmeel resistent tegen enzymatische vertering. Dit type resistent zetmeel wordt in een aparte groep geclassificeerd namelijk als type IV resistent zetmeel (RS4). Effecten van resistent zetmeel Net als lignine en de niet-zetmeel polysacharide fractie (bv. cellulose, hemicellulose, pectine) vertoont resistent zetmeel voedingsvezelwerking. De best beschreven effecten hebben betrekking op de fermentatie door de darmflora in het colon. De opname van een fermenteerbare vezelbron zoals resistent zetmeel veroorzaakt een "bulking" effect van de faeces en dit vooral door de toename van de bacteriële massa. Hierdoor wordt constipatie tegengegaan. De door fermentatie gevormde korte keten vetzuren, in het bijzonder butyraat, zouden bovendien beschermend werken tegen colonkanker. Verder is er een daling van de ph, wat ondermeer leidt tot een betere oplosbaarheid van mineralen en sporenelementen, en een verlaging van de proteolytische activiteit waardoor minder eiwitafbraakproducten, zoals ammoniak, worden gevormd. Besluit De nutritionele betekenis van zetmeel is niet zo eenvoudig te bepalen als lang werd gedacht. Om een juiste inschatting te kunnen maken van de werkelijke nutritionele waarde van zetmeel in een voedingsmiddel moet ook de verteerbaarheid van de aanwezige vorm gekend zijn. In vivo testen moeten verder aantonen dat wat in vitro werd geobserveerd zich ook in het menselijk lichaam afspeelt en welke individuele verschillen zich hierbij kunnen voordoen. Literatuur 1. BeMiller J.N. & Whistler R.L. (1996), "Carbohydrates", Food Chemistry 3rd Edition, Ed. O.R. Fennema, Marcel dekker Inc., New York 2. Brand-Miller J. (1999), "Carbohydrates", Essentials of human nutrition, Ed. J. Mann & S. Truswell, Oxford University Press, Oxford 3. Cummings J.H. (1997), "The Large Intestine in Nutrition and Disease", Danone Chair Monograph, Instituut Danone, Brussel 4. Englyst H., Kingman S.M. & Cummings J. H. (1992), "Classification and measurement of nutritionally important starch fractions", Eur. J. Clin. Nutr., 46, S33-S50 5. De Schrijver R. (1996), "Voedingsfysiologische aspecten van niet-verteerbare reservekoolhydraten", Actoren in de relatie Voeding-Gezondheid, Cursus TI-KVIV, Genootschap Voeding 6. Schaafsma G. (1997), "Een nieuwe kijk op voedingsvezel", Nutrinews, december 1997 Nutrinews - p. 6