Formulation of functional foods using chia seeds rich in omega-3 fatty acid as a main ingredient

Abstract

Epidemiological studies strongly suggest that omega-3 fatty acids plays a significant role in the prevention of many chronic diseases, such as cardiovascular disease, inflammation, hyperlipidemia, and cancer. Omega-3 polyunsaturated fatty acids are considered essential because they cannot be synthesized in the human body and must be obtained through diet. However, although a ratio of omega-6/omega-3 fatty acids of about 4-1:1 is regarded as optimal for the prevention of different pathologies, Western diets often contain a ratio of 10-25:1, indicating a considerable omega-3 fatty acids deficiency. In light of this issue, in this PhD thesis it was considered the seeds of Salvia hispanica L. (common name chia), one of the best plant sources of omega-3 fatty acids, as raw material from which start to create a functional food. Indeed, chia seeds contain between 25% and 40% fats and up to 68% omega-3 alpha-linolenic acid (ALA). They also contain 20% of omega-6 linoleic acid, thus providing a good balance between the two essential fatty acids. ALA is able to improve the pathological condition in model animals like Spontaneously Hypertensive Rats (SHRs), by decreasing the systolic blood pressure and the Angiotensin Converting Enzyme (ACE) activity and expression, but also increasing the vasodilators level. Chia seeds are considered a novel food ingredient in the European Union, and for this reason there is a restriction on the amount of use, initially of 5% (EFSA, 2009), now raised to 10% after the last 2013 revision (EU, 2013). This restriction is probably due to the lack of scientific analysis related to their in vivo effects in humans, considering that omega-3 fatty acids, for their chemical nature, such as the presence of unsaturations, are more prone to lipid peroxidation, especially in oxidized pathological subjects. According to the above considerations this work reports the main obtained results from the following activities and objectives. First step was the investigation of the in vivo effects following the long-term administration of chia seeds in oxidized pathological animal models. With the aim to formulate a functional food useful not only to maintain the health status of healthy people, but also to people with different pathologies, 5% of chia flour was administered for 5 weeks to SHRs, being the high blood pressure condition the major cause of worldwide death as reported from the latest report of the World Health Organization. At the end of the experimental period, parameters for antioxidant, inflammatory and hypertensive status were analysed. After that, the formulation and study of a functional food containing chia seeds and common/tartary buckwheat were performed. Considering that the in vivo study had shown the necessity to increase the antioxidant capacity of chia seed-diet in order to avoid the in vivo oxidation increase after chia seed administration, for their high antioxidant activity common buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench) and tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum Gaertn.) were chosen as ingredients to combine with chia seeds in the functional food recipe. The results obtained in this study indicated that bread made with chia and tartary buckwheat flour was more acceptable in many nutritional aspects compared to the control (common wheat bread); it contained a higher amount of protein (20%), insoluble dietary fibres (74%), ash (51%), and alphalinolenic acid (67.4%). Moreover, this bread possessed lower energy (14%) and carbohydrate contents (24%) compared to the control. Tartary buckwheat also improved the total antioxidant capacity of the bread (about 75%) and provided a considerable amount of flavonoids, which are healthy non-nutritional compounds. Overall, the combination of chia flour with tartary buckwheat flour allowed the creation of bread that might be useful for the following people categories: hypertensive, diabetics, patients with micro- and macro-inflammatory disease, but also to maintain the health status of healthy people by increasing the dietary omega-3 and antioxidant intake. In addition, both chia flour and tartary buckwheat flour contain no gluten and can be consumed by patients with celiac disease, thus making a first step in formulating foods suitable for celiacs and at the same time with high nutritional value to avoid cardiovascular disease risk associated with current gluten-free diet.

Studi epidemiologici suggeriscono fortemente che gli acidi grassi omega-3 esercitano un ruolo significativo nella prevenzione di diverse patologie croniche come le malattie cardiovascolari, l’infiammazione, l’iperlipidemia ed il cancro. Gli acidi grassi omega-3 sono considerati essenziali perché non possono essere sintetizzati dal corpo umano e quindi devono essere assunti con la dieta. Tuttavia, sebbene il rapporto di acidi grassi omega-6/omega-3 considerato ottimale nella prevenzione di differenti patologie sia di 4-1:1, le diete occidentali spesso contengono un rapporto di 10-25:1, indicando una considerevole carenza di acidi grassi omega-3. Alla luce di tale problematica in questa tesi di dottorato sono stati studiati i semi di Salvia hispanica L. (nome comune: chia) una delle migliori fonti vegetali di acidi grassi omega-3, come materia prima per creare un alimento funzionale. Infatti, i semi di chia contengono tra il 25-40% di grassi di cui fino al 68% è rappresentato dall’acido grasso omega-3 acido alfa-linolenico (ALA). L’ALA è in grado di migliorare le condizioni patologiche di modelli animali come i ratti spontaneamente ipertesi, SHR, diminuendo la pressione sanguigna sistolica e diminuendo l’attività e l’espressione dell’enzima ACE (enzima che attiva l’Angiotensina, potente vasocostrittore), ma anche aumentando il livello di alcuni vasodilatatori. I semi di chia sono considerati un nuovo alimento nell’Unione Europea, e per questa ragione vi è una limitazione nella quantità di utilizzo, inizialmente del 5% (EFSA, 2009), ora innalzata al 10% a seguito dell’ultima revisione del 2013 (EU, 2013). Questa restrizione è probabilmente dovuta alla mancanza di analisi scientifiche relative al suo effetto in vivo nell’uomo, considerando che gli acidi grassi omega-3, per la loro natura chimica, come la presenza di insaturazioni, sono più inclini a fenomeni di perossidazione lipidica, soprattutto in soggetti patologici ossidati. Quindi, in accordo con le considerazioni fatte sopra, questo lavoro riporta i risultati principali ottenuti dai seguenti obiettivi e dalle seguenti attività. Il primo passo è stato quello di analizzare gli effetti in vivo a seguito di una somministrazione di semi di chia a lungo termine in modelli animali patologici ossidati. Con lo scopo di formulare un alimento funzionale utile non solo a mantenere lo stato di salute di persone sane, ma anche utile a persone con differenti patologie, il 5% di farina di chia è stata somministrata per 5 settimane a ratti SHR spontaneamente ipertesi, considerando che l’alta pressione sanguigna la prima causa di morte nel mondo, come evidenziato nell’ultimo report dell’Organizzazione Mondiale della Sanità. Al termine del periodo sperimentale sono stati analizzati i parametri dello stato ossidativo, infiammatorio e pressorio. La seconda fase di questo lavoro ha previsto la formulazione e lo studio di un alimento funzionale contenente semi di chia e grano saraceno comune e tartarico. Considerando che la prima fase ha evidenziato la necessità di aumentare la capacità antiossidante al fine di evitare l’aumento dell’ossidazione in vivo a seguito dell’ingestione di semi di chia, il grano saraceno comune (Fagopyrum esculentum Moench) ed il grano saraceno tartarico (Fagopyrum tataricum Gaertn.) sono stati scelti come ingredienti da combinare con i semi di chia nella ricetta dell’alimento funzionale, per la loro alta attività antiossidante. I risultati ottenuti in questo studio indicano che il pane costituito da farina di chia e grano saraceno tartarico è migliore in diverse caratteristiche nutrizionali rispetto al controllo (pane bianco comune). Infatti questo contiene un quantitativo maggiore di proteine (20%), di fibre dietetiche insolubili (74%), di ceneri (51%), e di acido alfalinolenico (67,4%). Inoltre questo pane possiede un contenuto energetico minore (14%) e un contenuto di carboidrati minore (24%) rispetto al controllo. Il grano saraceno tartarico inoltre migliora la capacità antiossidante totale del pane (di circa il 75%) e fornisce un quantitativo considerevole di flavonoidi, composti non-nutrizionali salutari. Complessivamente la combinazione della farina di chia con la farina di grano saraceno tartarico permette la formulazione di un pane che potrebbe essere utile per diverse categorie di persone: ipertesi, diabetici, pazienti con malattie causate dalla micro e macro-infiammazione, ma anche per mantenere lo stato di salute di persone sane aumentando l’assunzione degli acidi grassi omega-3 e degli antiossidanti. Inoltre sia la farina di chia che la farina di grano saraceno tartarico non contengono glutine e possono quindi essere consumati dai celiaci, facendo così un primo passo nel formulare alimenti adatti a questi individui e allo stesso tempo con un alto valore nutrizionale così da evitare il rischio cardiovascolare associato con l’attuale dieta priva di glutine.