Diabetes-lehti, Joulukuu 2001 http://www.diabetes.fi/lehdet/diablaak/juttuarkisto/01ruis.htm Ruisleipä, täysjyvävilja, "hitaat hiilihydraatit" ja glukoosiaineenvaihdunta Kaisa Poutanen, Kirsi-Helena Liukkonen, Karin Autio, Katri Juntunen, Hannu Mykkänen ja Leo Niskanen Raaka-aineita valitsemalla ja prosessimenetelmiä kehittämällä voidaan valmistaa elintarvikkeita, joissa sokeri vapautuu ja/tai imeytyy hitaasti. Tällaiset tuotteet ovat hyväksi kaikille, mutta erityisesti diabeetikoille ja henkilöille, joiden sokerinsietokyky on heikentynyt. VTT ja Kuopion yliopisto ovat jo usean vuoden ajan tutkineet täysjyväviljan, erityisesti rukiin, merkitystä sokeritasapainon säätelyssä. Ruokavaliolla on keskeinen vaikutus veren sokeritasoihin. Hiilihydraatit ovat ravintomme merkittävä energian lähde. Tärkein niistä on tärkkelys, joka on viljan ja perunan pääkomponentti. Tämän glukoosipolymeerin tila elintarvikkeessa sekä muiden hiilihydraattien määrä ja laatu vaikuttavat merkittävästi sokeriaineenvaihduntaan. Hiilihydraattien ravitsemuksellinen jaottelu Hiilihydraatit voidaan ravitsemuksellisesti jakaa karkeasti kahteen luokkaan: imeytyviin ja imeytymättömiin. Imeytymättömät hiilihydraatit, jotka muodostavat ravintokuidun merkittävimmän osan, voivat olla kasvien soluseinäpolysakkarideja (selluloosaa, beetaglukaania, pentosaaneja, pektiiniä) ja kasvikumeja (guarkumi), synteettisiä polysakkarideja (polydekstroosi) tai imeytymättömiä oligosakkarideja (inuliini, fruktooligosakkaridit). Ne eivät hajoa ruuansulatusentsyymien vaikutuksesta eivätkä imeydy ohutsuolessa, vaan kulkeutuvat paksusuoleen, jossa suolistobakteerit hajottavat niitä, käyttävät niitä ravinteenaan ja tuottavat erilaisia käymistuotteita. Imeytymättömien hiilihydraattien energia-arvo on hyvin matala: käymisreaktiossa vapautuvan energian määräksi on arvioitu noin 1 J/g. Ravintokuidun hiilihydraatit jaotellaan yleisesti liukeneviin ja liukenemattomiin. Ravintokuitujen ominaisuudet ja fysiologiset vaikutukset riippuvat suuresti raaka-aineesta ja prosessoinnista. Muun muassa tärkkelys ja sen hajoamistuotteet (maltodekstriinit), sekä useat mono- ja disakkaridit (glukoosi, maltoosi, sakkaroosi, laktoosi) ovat imeytyviä hiilihydraatteja. Suomalaisten ravitsemussuositusten mukaan vähintään 55 prosenttia energiasta tulisi saada hiilihydraateista (Suomalaiset ravitsemussuositukset, komiteamietintö 1998:7, Valtion ravitsemusneuvottelukunta, Helsinki 1998). Aterianjälkeiseen veren sokeripitoisuuden nousuun vaikuttavat imeytyvien hiilihydraattien määrän lisäksi useat tekijät kuten tärkkelyksen hajoamisnopeus glukoosiksi, muodostuneen glukoosin imeytymisnopeus verenkiertoon sekä insuliinin erittymisnopeus ja määrä verenkierrossa. Näihin kaikkiin voidaan vaikuttaa elintarviketeknologisin keinoin. Tärkkelyksen sulavuuteen vaikuttavat tekijät Tärkkelys on luonnon varastopolysakkaridi, joka muodostuu kahdesta eri glukoosipolymeeristä: lineaarisesta amyloosista ja haaroittuneesta amylopektiinista. Nämä polymeerit muodostavat kiteisen, monimutkaisen jyväsrakenteen. Riippuen raaka-aineesta natiivit tärkkelysjyväset vaihtelevat muodoltaan, ja niiden koko vaihtelee välillä 3-100 µm. Natiivit jyväset ovat hyvin inerttejä, kemiallisesti reagoimattomia. Kun jyväsiä kuumennetaan vedessä ne paisuvat, niiden kiderakenne häviää, amyloosia valuu jyväsen keskelle ja/tai ulos jyväsistä (amyloosi ja amylopektiini erottuvat omiksi faaseikseen) ja lopulta jyväset saattavat hajota. Tätä ilmiötä sanotaan tärkkelyksen liisteröitymiseksi. Jäähtyminen ja varastointi voivat
aiheuttaa tärkkelyksen uudelleenkiteytymisen (retrogradaatio). Molemmilla ilmiöillä on suuri merkitys tärkkelyksen elintarviketeknologisille ominaisuuksille (rakenteenmuodostus), mutta myös sulavuudelle. Ravitsemuksellisesti tärkkelys voi olla nopeasti sulavaa, hitaasti sulavaa tai resistanttia. Liisteröitynyt tärkkelys, jollaista useimpien elintarvikkeiden tärkkelys on, hajoaa yleensä nopeasti ja täydellisesti ruuansulatuskanavan alfa-amylaasientsyymien toimesta. Tärkkelys voi olla hitaammin sulavaa useista eri syistä: jos jyväset ovat vain osittain liisteröityneet tai jos tärkkelys, erityisesti jyväsestä ulos valunut amyloosi, on uudelleen kiteytyessään muodostanut entsyymien toimintaa hidastavia rakenteita (1). Tärkkelyksen hydrolyysiä ja/tai imeytymistä voi hidastaa samanaikaisesti nautittu liukoinen ravintokuitu. Se muodostaa viskoosin (jähmeän) rakenteen joka hidastaa molekyylien diffuusiota. Kasvikudoksen hajoamattomuus, esimerkiksi kokonaisia jyviä sisältävissä elintarvikkeissa, hidastaa tärkkelyksen imeytyvyyttä (2). Tämä johtuu siitä, että ohutsuolessa hajoamattomat soluseinät suojaavat tärkkelystä beeta-amylaasin vaikutukselta ja kapseloivat sen elintarvikematriisiin. Resistantti tärkkelys on muodossa, jossa se ei lainkaan hajoa ohutsuolen entsyymitoiminnassa, vaan kulkeutuu sellaisenaan paksusuoleen, jossa se fermentoituu. Resistantti tärkkelys on näin ollen osa ravintokuitua eikä vaikuta veren sokeriarvoja kohottavasti. Resistanttia tärkkelystä muodostuu usein elintarvikkeiden valmistamiseen liittyvissä kuumennusprosesseissa, ja toistuva kuumentaminen sekä alhainen kypsennyslämpötila ja pitkä aika lisäävät sen määrää. Resistanttia tärkkelystä on myös valmistettu esimerkiksi osittaisen entsymaattisen hydrolyysin ja kiteyttämisen kautta, ja valmisteita on kaupallisesti saatavilla elintarvikeraaka-aineiksi. Prosessiolosuhteita muuttamalla voidaan vaikuttaa ruisleivän sisältämän tärkkelyksen rakenteeseen. Tärkkelyksen rakenteeseen voidaan vaikuttaa esimerkiksi vaihtelemalla leivän valmistusprosessin happamuutta, paistolämpötilaa ja -aikaa. Pastatuotteilla on yleensä selvästi alhaisempi glykeeminen vaste kuin leivillä. Tämä perustuu osittain pastan tiiviseen rakenteeseen. Pastahan ei ole lainkaan huokoinen kuten leipä. Aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että pastan ohuudella on suuri vaikutus glykeemiseen vasteeseen (3), koska ohuessa pastassa tärkkelys on pitemmälle liisteröitynyt. Liukoinen ravintokuitu vaikuttaa glukoosin imeytymiseen Viskoosin ravintokuidun vaikutus elintarvikkeen sisältämän sokerin imeytyvyyteen perustuu sen glukoosin imeytymistä hidastavaan vaikutukseen, ja esimerkiksi guarkumia käytetään myös diabeteslääkkeenä. Varsinkin kauran liukoisen kuidun, beetaglukaanin, tasaavasta vaikutuksesta aterianjälkeiseen veren sokeripitoisuuteen on useita tutkimuksia (4,5). Jotta beetaglukaani säilyttää tämän ominaisuutensa elintarvikeprosesseissa, sen tulee säilyä suurimolekyylisenä - kauran beetaglukaanin molekyylipaino on luokkaa 2 miljoonaa daltonia. Jos molekyylikoko esimerkiksi entsyymitoiminnan tai leikkausvoimien johdosta laskee, siihen logaritmisesti verrannollinen viskositeetti, samoin kuin vaikutukset glukoosivasteeseen, häviävät. Tämän olemme havainneet omissakin tutkimuksissamme ruisleivällä, joka sisälsi 20 prosenttia beetaglukaanikonsentraattia (6). Koska pienimolekyylisen beetaglukaanin osuus oli kasvanut leivontaprosessissa, emme havainneet aterianjälkeisten glukoosi- ja insuliinivasteiden parantumista. Glykeeminen indeksi mittaa aterianjälkeistä glukoosivastetta Yksittäisten elintarvikkeiden aterianjälkeistä glukoosivastetta voidaan arvioida glykeemisen indeksin (GI) avulla. Glykeeminen indeksi määritetään antamalla paastonneiden koehenkilöiden nauttia 50 g imeytyvää hiilihydraattia sisältävä ateria ja seuraamalla veren glukoosipitoisuutta kolmen tunnin ajan. Glykeeminen indeksi saadaan jakamalla testattavan tuotteen aiheuttaman glukoosipiikin pinta-ala vertailutuotteen, esimerkiksi valkoisen
vehnäleivän tai glukoosin, aiheuttamalla glukoosipiikin pinta-alalla (7). Vaikka glykeemistä indeksiä on paljon arvosteltu ja siitä keskustellaan paljon, se on kuitenkin käyttökelpoinen tapa vertailla eri elintarvikkeita, ja esimerkiksi FAO/WHO:n suositukset kehottavat lisäämään matalan GI:n omaavien hiilihydraattipitoisten elintarvikkeiden käyttöä (8). Muun muassa ruotsalaiset tutkijat ovat tämän käsitteen takana, mutta kehottavat puhumaan "hitaista" ja "nopeista" hiilihydraattipitoisista elintarvikkeista kokonaisruokavalion keskeisenä osana (9). Eräiden aamupalalla nautittujen matalan GI:n tuotteiden on osoitettu tasaavan glukoosi- ja insuliintasoja vielä lounaallakin (10). Glykeemistä indeksiä määritettäessä on useimmiten käytetty koehenkilöinä diabeetikoita tai heikentyneen glukoosinsiedon omaavia henkilöitä. Näillä koehenkilöillä tuotteiden väliset erot muodostuvat suuremmiksi kuin terveillä, joilla veren glukoosipitoisuuden säätely toimii tehokkaammin. Foster-Powell ja Brand Miller (11) ovat koonneet kattavan yhteenvedon eri elintarvikkeille määritetyistä glykeemisistä indekseistä sekä määritysolosuhteista. Glykeemistä indeksiä voidaan ennustaa laboratoriokokein mittaamalla tärkkelyksen hydrolyysiä ruuansulatuskanavan olosuhteita jäljittelevissä olosuhteissa. Menetelmässä näyte ensin pureskellaan suussa, ja hydrolysoidaan sitten dialyysiletkussa haiman alfa-amylaasin ja muiden entsyymien läsnäollessa. Muodostuneen glukoosin määrä permeaatissa mitataan. Menetelmän kehitti ruotsalaisen Inger Björkin tutkimusryhmä (12), ja se on nyt käytössä myös VTT:llä (13). Tämänkaltaiset nopeat seulontamenetelmät ovat hyödyllisiä kehitettäessä uusia elintarvikkeita, joista parhaat sitten voidaan valita in vivo -kokeisiin. Verrattaessa eri elintarvikkeita glykeemisen indeksin avulla on huomattava, että annoskoon perusteena on sama määrä imeytyvää hiilihydraattia. Näin ollen paljon resistanttia tärkkelystä sisältävää tuotetta (esimerkiksi pitkään matalassa lämpötilassa paistettu leipä) tai paljon ravintokuitua sisältävää leipää (täysjyväruisleipä) nautitaan enemmän kuin pelkästään imeytyviä hiilihydraatteja sisältäviä tuotteita. Käytännössä ihminen kuitenkin syö leipää viipaleittain, ja annoskohtaisen glukoosivasteen mittaaminen saattaisikin olla perustellumpaa. Vastaavasti on pohdittu myös koko aterian glykeemisen indeksin mittaamisen merkitystä. Varsinkin kehitettäessä välipalatuotteita, joiden haluttaisiin "rasittavan" mahdollisimman vähän haiman insuliinintuotantoa, voisi olla perusteltua vertailla tuotteiden, ei imeytyvän hiilihydraattimäärän, glykeemistä vastetta. Täysjyvävilja suojaa diabetekselta Monet epidemiologiset tutkimukset ovat osoittaneet, että viljavalmisteiden käyttö pienentää riskiä sairastua diabetekseen (14-17). Sairaudelta suojaava vaikutus on liitetty nimenomaan täysjyväviljaan ja viljan kuituun. Tämä johtaakin siihen, että suositeltavaa olisi syödä mahdollisimman vähän puhdistettuja ja optimaalisesti prosessoituja täysjyväviljavalmisteita. Samalla varmistetaan kaikkien muidenkin bioaktiivisten komponenttien kuin kuidun saanti viljatuotteista, sillä emme vielä tiedä, onko suojavaikutuksen takana itse kuitu vai joku/jotkut muut viljan komponentit yksin tai yhdessä kuidun kanssa. Ruisleipä on edullinen sokeriaineenvaihdunnalle Olemme viime vuosina tutkineet rukiin leivontamenetelmän vaikutusta ruisleipien aterianjälkeiseen veren glukoosi- ja insuliinipitoisuuteen terveillä koehenkilöillä. Keskeinen tuloksemme oli, että kun nautitaan saman verran hiilihydraatteja sisältäviä leipäannoksia, ruisleivästä aiheutuvan veren glukoosipitoisuuden säätelyyn tarvittiin vähemmän insuliinia kuin vaaleasta vehnäleivästä aiheutuvaan (6,18). Havaitsimme myös, että ruisleipien nauttimisen jälkeen GIP-vasteet olivat matalampia kuin vehnäleivän nauttimisen jälkeen. Tämä osoittaa, että maha-suolikanavan hormoneilla voidaan ainakin osittain selittää alentunutta insuliinivastetta. Sen sijaan mahalaukun tyhjenemisnopeudessa ei ollut eroja ruisleipien ja kontrollituotteen välillä.
Tulokset osoittivat myös, että ruuan muodolla on oleellinen merkitys insuliinivasteiden säätelylle, sillä kokonaisia rukiin jyviä sisältävä leipä tuotti pienempiä insuliinivasteita kuin jauhetusta jauhosta leivottu leipä. Ruisleivän valmistustapa vaikutti myös veren glukoosipitoisuuteen 2-3 tunnin kuluttua leivän nauttimisesta. Koska pitkään alhaisessa lämpötilassa paistettu leipä piti verensokerin pitkään paastotason yläpuolella ja tuntumassa, voisi tällä tavoin valmistetusta leivästä olettaa olevan hyötyä muun muassa pitkäkestoisissa urheilusuorituksissa. Olemme tutkineet insuliiniherkkyyttä ja insuliinin eritystä kliinisessä kokeessa, jossa vaihdevuosi-ikäiset naiset söivät kahdeksan viikkoa runsaskuituista ruisleipää (17 % ravintokuitua) ja kahdeksan viikkoa vaaleaa vehnäleipää (3 % ravintokuitua) satunnaistetussa järjestyksessä osana tavanomaista ruokavaliota. Leipä muodosti vähintään 20 prosenttia päivittäisestä energiansaannista. Tutkimus antoi viitteitä siitä, että hiilihydraattien saannin muokkaaminen siten, että viljavalmisteiden lähteenä ruokavaliossa käytetään pääasiassa runsaskuituista ruisleipää, parantaa insuliinin eritystä. Tämä on rohkaiseva havainto, koska näyttäisi olevan mahdollista muokata insuliiniaineenvaihduntaa melko yksinkertaisin ruokavaliomuutoksin. Ruisleivän käyttö saattaisi auttaa jopa estämään ensivaiheen insuliinin erityksen heikkenemistä, joka on ensimmäinen vaihe aikuistyypin diabeteksen kehityksessä. Tulos on kuitenkin varmennettava jatkotutkimuksissa. Tavoitteena lisää "lente"-elintarvikkeita Käynnissä olevassa tutkimuksessamme "Täysjyvätuotteet insuliinimetabolian säätelyssä", joka kuuluu Tekesin teknologiaohjelmaan "Elintarvikkeet ja terveys", tavoitteenamme on kehittää täysjyväraaka-aineista elintarvikkeita, joiden glukoosi- ja insuliinivasteet ovat matalat. Tämä edellyttää, että tiedämme enemmän elintarvikkeen rakenteen ja eri komponenttien vaikutuksesta tärkkelyksen amylolyysiin ja bioaktiivisten yhdisteiden vaikutuksista glukoosi- ja insuliiniaineenvaihduntaan. Niin kutsutuille lente- tuotteille (hitaasti imeytyvää hiilihydraattia sisältäville tuotteille) on suuri tarve, sillä tätä nykyä niitä hakeva kuluttaja voi suunnata lähinnä pastahyllylle tai ruisleipäkorille. Koko ruokavalion muuttaminen sokeriaineenvaihdunnan kannalta edulliseksi edellyttää, että tarjolla on useanlaisia, myös maultaan ja käyttötavaltaan eri tavoin houkuttelevia tuotteita. Kaisa Poutanen Professori Kaisa.Poutanen@vtt.fi Kirsi-Helena Liukkonen, TkT Karin Autio, FT VTT Biotekniikka PL 1500 02044 VTT Katri Juntunen, TTM Hannu Mykkänen Professori Kuopion yliopisto, kliinisen ravitsemustieteen laitos PL 1627 70211 Kuopio Leo Niskanen Professori KYS, sisätautien klinikka
PL 1777 70211 Kuopio Kirjallisuus 1. Lauro, M, Suortti, T, Autio, K, Linko, P and Poutanen, K. Accessibility of barley starch granules to alfa-amylase during different phases of gelatinization. J. Cereal Sci 1993; 17:125-136. 2. Björk, I, Granfeldt, Y, Liljeberg, H, Tovar, J, Asp, N-G. Food properties affeting the digestion and absorption of carbohydrates. Am. J. Clin. Nutr. 1994; 59(suppl):699S-705S. 3. Wolever, T M S, Jenkins, D J A, Kalmusky, J, Giordano, C, Giudici, S, Jenkins, A L, Thompsen, L U, Wong, G S, Josse, R G. Glycemic response to pasta - effect of surface area, degree of cooking, and protein enrichment. Diabet. Care 1986;9:401-404. 4. Wood, P J, Braaten, J T, Scott, F., Riedel, K D, Wolynetz, M S, Collins, MW. Effect of dose and modification of viscous properties of oat gum on plasma glucose and insulin following an oral glucose load. Brit. J. Nutr. 1994;72:731-743. 5. Wood, P J and Beer, M U, Butler, G Evaluation of the role of concentration and molecular wight of oat (-glucan in determining the viscosity on plasma glucose and insulin following an oral glucose load. Br. J. Nutr. 2000;84:19. 6. Juntunen, K, Liukkonen, K, Poutanen, K, Niskanen, L, Holst, J, Mykkänen, H. Form of food not content of fiber affect the glycemic response. Am. J. Clin. Nutr. 2001, painossa. 7. Wolever T M S. The glycemic index: methodology and clinical implications. Am J Clin Nutr 1991;54:846-854. 8. Asp, N-G. Nya nordiska näringsrekommendationer och ny FAO/WHO-rapport: Minst 55% av energin bör komma fr?n kolhydrater. Scand. J. Nutr. 1997;41:161-163. 9. Järvi, A, Karlström, B, Vessby, B.?r glykemiskt index användbart i praktiken? Scand. J. Nutr. 1998;42:83-86. 10. Björk, I, Liljeberg, H,?stman, E. Low glycemic index foods. Br. J. Nutr. 2000;83 suppl 1:S149-S155. 11. Foster-Powell K, Brand Miller J. International tables of glycemic index. Am J Clin Nutr 1995;62:871S-893S. 12. Granfeldt Y, Björck I, Drews A and Tovar J. An in vitro procedure based on chewing to predict metabolic response to starch in cereal and legume products. Eur J Clin Nutr 1992;46:649-660. 13. Aura, A-M, Liukkonen, K, Myllärinen, P, Vesterinen, E, Oksman-Caldentey, K-M, Poutanen, K. In vitro- ruoansulatusmallit tutkimuksen apuvälineinä. Dosis 2000;16:53-62. 14. Liu S, Manson JA, Stampfer M, Hu F, Giovannucci E, Colditz G, Hennekens C, Willett W. A prospective study of whole-grain intake and risk of type 2 diabetes mellitus in US women. Am J Public Health 2000;90:1409-1415.
15. Meyer, K A, Kushi, L H, Jacobs, D R, Slavin, J, Sellers, T A, Folsom, A R. Carbohydrates, dietary fiber, and incident type 2 diabetes in oler women. Am. J. Clin. Nutr. 2000; 71:921-930. 16. Salmeron, J, Ascherio A, Rimm E, Colditz G, Spiegelman D, Jenkins D, Stampfer M, Wing A, Willet W. Dietary fiber, glycemic load, and risk of NIDDM in men. Diabetes Care 1997;20:545-550. 17. Salmeron, J, Manson, J E, Stamper, M J, Colditz, G A, Wing, A L, Willet, W C. Dietary fiber, glycemic load, and risk of non-insulin-dependent diabetes mellitus in women. JAMA 1997;277:472-477. 18. Leinonen K, Liukkonen K, Poutanen K, Uusitupa M, Mykkänen H. Rye bread decreases postprandial insulin response but does not alter glucose response in healthy Finnish subjects. Eur. J. Clin. Nutr. 1999; 53:262-267. Juttuarkisto