The health effects of sea buckthorn berries and oil

Sea buckthorn (Hippophaë) berries are ingredients of the Chinese traditional medicine. In addition to China, they are nowadays cultivated for food in several European countries, Russia, Canada, the USA, and Japan. Sea buckthorn berries are a rich source of flavonoids, mainly flavonol glycosides and proanthocyanidins. Depending on the genetic background, growth conditions, and ripeness of the berries, vitamin C concentrations up to over 1 g/100 ml juice, have been reported. Sea buckthorn berries contain inositols and methyl inositols, components of messenger molecules in humans. Sea buckthorn seed oil is rich in essential aplha-linolenic and linoleic acids, whereas the most abundant fatty acids in the berry oil are palmitoleic, palmitic and oleic acids. Other potentially beneficial lipophilic compounds of sea buckthorn seeds and berries include carotenoids, phytosterols, tocopherols and tocotrienols. The effects of sea buckthorn fractions on inflammation, platelet aggregation, oxidation injuries, the liver, skin and mucosa, among others, have been reported. The aim of the thesis work was to investigate the health effects of sea buckthorn berries and oil in humans. The physiological effects of sea buckthorn berries, berry components, and oil have mostly been studied in vitro and in animal models, leaving a demand for more clinical trials. In the first randomized, placebo-controlled trial of this thesis healthy adults consumed 28 g/day of sea buckthorn berries for three months. The main objective was to investigate the effects on the common cold. In addition, effects on other infections, inflammation and circulating lipid markers associated with cardiovascular disease risk were studied. In the second randomized, placebocontrolled trial participants reporting dry eye symptoms consumed 2 g/day of sea buckthorn oil from the seeds and berries for three months. The effects on symptoms and clinical signs of dry eye were monitored. In addition, the effects on circulating markers of inflammation and liver functions were analyzed. Sea buckthorn berries did not affect the common cold or other infections in healthy adults. However, a decrease in serum C-reactive protein was detected, indicating effects on inflammation. Fasting concentrations of serum flavonols, typical to sea buckthorn berry, increased without affecting the circulating total, HDL, LDL cholesterol, or triacylglycerol concentrations. Tear film hyperosmolarity and activation of inflammation at the ocular surface are among the core mechanisms of dry eye. Combined sea buckthorn berry and seed oil attenuated the rise in tear film osmolarity taking place during the cold season. It also positively affected some of the dry eye symptoms. Based on the tear film fatty acid analysis, the effects were not mediated through direct incorporation of sea buckthorn oil fatty acids to tear film lipids. It is likely that the fatty acids, carotenoids, tocopherols and tocotrienols of sea buckthorn oil affected the inflammation of the ocular surface, lacrimal and/or meibomian glands. The effects on the differentiation of meibomian gland cells are also possible. Sea buckthorn oil did not affect the serum concentrations of inflammation markers or liver enzymes investigated. In conclusion, this thesis work suggests positive effects of sea buckthorn berries and oil on inflammation and dry eye, respectively, in humans.

Composition of Hawthorn (Crataegus spp.) Fruits and Leaves and emblic Leafflower (Phyllanthus emblica) Fruits

Hawthorn (Crataegus sp.) is widely distributed in the northern hemisphere (Asia, Europe and North America). It has been used as a medicinal material and food for hundreds of years both in Europe and in China. Clinical investigations and other research suggest that extracts of hawthorn fruits and leaves have multiple health effects including hypolipidaemic, anti-atherosclerotic, hypotensive, cardioprotective and blood vessel relaxing activities. Hawthorn fruit extracts have also displayed antioxidant and radical scavenging activities. Emblic leafflower fruit (Phyllanthus emblica) is widely used in Chinese and Indian traditional medicine. It has been found to have anti-cancer, hypoglycaemic and hypolipidaemic activities as well as cardioprotective effects and antioxidant activity. The fruit is currently used as a functional food targeted at obese people in China. Phenolic compounds, procyanidins (PCs), flavonols and C-glycosyl flavones in hawthorn and hydrolysable tannins in emblic leafflower fruits are considered among the major bioactive compounds in these berries. Moreover, hawthorn and emblic leafflower fruits are rich in vitamin C, triterpenoids, fruit acids, sugar alcohols and some other components with beneficial effects on the health of human beings. The aim of the thesis work was to characterise the major phenolic compounds in hawthorn fruits and leaves and emblic leafflower fruits as well as other components contributing to the nutritional profile and sensory properties of hawthorn fruits. Differences in the content and compositional profile of the major phenolic compounds, sugars, acids and sugar alcohols within various origins and species of hawthorn were also investigated. Acids, sugars and sugar alcohols in the fruits of different origins/cultivars belonging to three species (C. pinnatifida, C. brettschneideri and C. scabrifolia) of hawthorn were analysed by gas chromatography (GC-FID) and mass spectrometry (Publication I). Citric acid, quinic acid, malic acid, fructose, glucose, sorbitol and myo-inositol were found in all the subspecies. Sucrose was present only in C. scabrifolia and three cultivars of C. pinnatifida var. major. Forty-two phenolic compounds were identified/tentatively identified in fruits of C. pinnatifida var. major by polyamide column chromatography combined with high-performance liquid chromatograph-electrospray ionisation mass spectrometry (HPLC-ESI-MS) (Publication II). Ideain, chlorogenic acid, procyanidin (PC) B2, (-)-epicatechin, hyperoside and isoquercitrin were the major phenolic components identified. In addition, 35 phenolic compounds were tentatively identified based on UV and mass spectra. Eleven major phenolic compounds (hyperoside, isoquercitrin, chlorogenic acid, ideain, (-)-epicatechin, two PC dimers, three PC trimers and a PC dimer-hexoside) were quantified in the fruits of 22 cultivars/origins of three species of Chinese hawthorn by HPLC-ESI-MS with single ion recording function (SIR) (Publication III). The fruits of the hawthorn cultivars/origins investigated fell into two groups, one rich in sugars and flavonols, the other rich in acids and procyanidins. Based on the compositional features, different biological activities and sensory properties may be expected between cultivars/origins of the two groups. The results suggest that the contents of phenolic compounds, acids, sugars and sugar alcohols may be used as chemotaxonomic information distinguishing the hawthorn species from each other. Phenolic compounds in fruits and leaves of C. grayana and their changes during fruit ripening/harvesting were investigated using HPLC-UV-ESI-MS (Publication IV). (-)-Epicatechin, PC B2 and C1, hyperoside and a quercetin-pentoside were the major phenolic compounds in both fruits and leaves. Three C-glycosyl flavones (a luteolin-C-hexoside, a methyl luteolin-C-hexoside and an apigenin-C-hexoside) were present in leaves in abundance, but only at trace levels in fruits. Ideain and 5-O-caffeoylquinic acid were found in fruits only. Additionally, eleven phenolic compounds were identified/tentatively identified in both leaves and fruits (three B-type PC trimers, two B-type PC tetramers, a quercetin-rhamnosylhexoside, a quercetin-pentoside, a methoxykaempferol-methylpentosylhexoside, a quercetin-hexoside acetate, a methoxykaempferol-pentoside, chlorogenic acid and an unknown hydroxycinnamic acid derivative). The total content of phenolic compounds reached the highest level by the end of August in fruits and by the end of September in leaves. The compositional profiles of phenolic compounds in fruits and leaves of C. grayana were different from those of C. pinnatifida, C. brettschneideri, C. scabrifolia, C. pinnatifida. var. major, C. monogyna, C. laevigata and C. pentagyna. Phenolic compounds in emblic leafflower fruits were characterised by Sephadex LH-20 column chromatography combined with HPLC-ESI-MS (Publication V). A mucic acid gallate, three isomers of mucic acid lactone gallate, a galloylglucose, gallic acid, a digalloylglucose, putranjivain A, a galloyl-HHDP-glucose, elaeocarpusin and chebulagic acid represented the major phenolic compounds in fruits of emblic leafflower. In conclusion, results of this study significantly increase the current knowledge on the key bioactive and nutritional components of hawthorn and emblic leafflower fruits. These results provide important information for research on the mechanism responsible for the health benefits of these fruits.

Pre- and postnatal nutrition – target for allergy risk reduction

A rapid increase in allergic diseases in Western societies has led to the conclusion that our modern lifestyle is a risk factor for immune dysregulation. Potential culprits and benefactors are searched among early dietary and microbial exposures, which may act to program later allergic disease. The aim of this thesis was to investigate the role of early maternal and child nutrition in reducing the risk of child allergy. The study population comprised of 256 mother – child pairs from families with a history of allergy participating in a randomized controlled dietary counseling and probiotic intervention (Lactobacillus rhamnosus GG and Bifidobacterium lactis Bb12) study from early pregnancy onwards. The dietary counseling aimed for a diet complying with dietary recommendations for pregnant and lactating women, with special attention to fat quality. Maternal dietary counseling was reflected in cord blood fatty acids suggesting better essential fatty acid status in infants in the counseling group. Dietary counseling with probiotics or placebo had no effect on child allergy risk, but associations between maternal diet during pregnancy and breastfeeding and child allergic outcomes were found in secondary analyses. During pregnancy, milk intake was related to decreased and cheese intake to increased risk of child atopic eczema. During breastfeeding, intake of vitamin C was related to increased risk of asthma and intake of egg was related to decreased risk of atopic eczema. The timing of introduction of complementary foods to infant’s diet was not associated with risk of atopic eczema, when adjusted with parental opinion of child allergic symptoms (i.e., potential reverse causality). In conclusion, the results demonstrate that infant fatty acid supply can be modified via maternal dietary changes. In addition, interesting associations of maternal diet with child allergy risk were discovered. However, no difference in the incidence of allergic diseases with dietary counseling was observed. This suggests that more potent dietary interventions might be necessitated to induce clinical risk reduction of allergy. Highrisk families can safely adhere to dietary recommendations for pregnant and lactating women, and the results support the current conception that no additional benefit is gained with delaying introduction of complementary feeding.

Vitamin B12 Deficiency in the aged: Laboratory Diagnosis, Prevalence and Clinical Profile

B₁₂-vitamiinin puute iäkkäillä: laboratoriodiagnostiikka, yleisyys ja yhteys sairastavuuteen Tausta: B12-vitamiinin puute on yleistä iäkkäillä ja se tulisi todeta riittävän varhaisessa vaiheessa palautumattomien vaurioiden estämiseksi. On epäselvää pitäisikö diagnostiikka kohdistaa tiettyihin riskiryhmiin vai mahdollisesti seuloa valikoimatonta vanhusväestöä. Myöskään yksimielisyyttä laboratoriotutkimusten valinnasta ei ole. Tavoitteet: Tutkimuksen tarkoituksena oli evaluoida uutta HoloTC RIA menetelmää ja tuottaa viitearvot sille, selvittää B12-vitamiinin puutteen yleisyys, yhteys sairastavuuteen ja mahdolliset riskitekijät suomalaisessa vanhusväestössä, arvioida munuaisfunktion vaikusta B12-vitamiinin puutteen laboratoriotutkimuksiin ja näiden perusteella ehdottaa suomalaiseen terveydenhuoltoon sopivaa laboratoriotutkimusstrategiaa. Aineisto ja menetelmät: Liedon iäkkäät -tutkimuksen vanhusaineisto on edustava otos yhden kunnan yli 65-vuotiaasta väestöstä, yhteensä 1260 henkilöä. Tutkittavat kävivät lääkärintarkastuksessa, ja heistä on käytettävissä runsaasti laboratoriotutkimuksia sekä tiedot sairauksista, ruokavaliosta, lääkkeiden ja vitamiinivalmisteiden käytöstä, dementiaseula ja depressiokysely. Viitearvoaineistoa varten kerättiin näytteet 84 vapaaehtoisesta terveestä aikuisesta ja menetelmäevaluaatiota varten 107 sairaalapotilaasta. Tulokset: HoloTC RIA menetelmän toistettavuus oli hyvä manuaalimenetelmäksi. 95%:n viiteväli holotranskobalamiinille oli 37-171 pmol/l. Kaikilla tutkittavilla, joilla oli muilla laboratoriotutkimuksilla osoitettu todennäköinen B12-vitamiinin puute, myös holotranskobalamiini oli viitealueen alarajaa pienempi. Suurentuneella kystatiini C-pitoisuudella osoitettu munuaisten vajaatoiminta korreloi voimakkaasti homokysteiinin (rs=0.53, p<0.001) ja metyylimalonihapon (rs=0.27, p<0.001) pitoisuuksiin, mutta ei kokonais-B12-vitamiinin (rs=- 0.04, p=0.227) tai holotranskobamiinin (rs=-0.01, p=0.817) pitoisuuksiin. Suomalaisessa vanhusväestössä B12-vitamiinin puutteen prevalenssi oli 12%. Kokonais- B12-vitamiinin pitoisuus oli matala (<150 pmol/l) 6%:lla. Miessukupuoli (OR 1.9, 95% CI 1.2-2.9), ikä ≥75 (OR 2.2, 95% CI 1.4-3.4) ja maitotuotteiden välttäminen (OR 2.3, 95% CI 1.2-4.4) lisäsivät B12-vitamiinin puutteen riskiä, mutta anemia (OR 1.3, 95% CI 0.7-2.3) tai makrosytoosi (OR 1.2, 95% CI 0.6-2.7) eivät. Päätelmät: Diagnosoimaton B12-vitamiinin puute on yleistä iäkkäillä, mutta kliinisesti merkityksellistä spesifistä riskiryhmää ei löydy. Koska anemian ja makrosytoosin puuttuminen ei poissulje B12-vitamiinin puutetta ja munuaisten vajaatoiminta heikentää metabolisten merkkiaineiden käyttökelpoisuutta, kokonais-B12-vitamiinia suositellaan ensisijaiseksi laboratoriotutkimukseksi epäiltäessä B12-vitamiinin puutetta ja tarvittaessa varmentavina tutkimuksina käytetään homokysteiiniä ja holotranskobalamiinia.

Catalytic transformations of fatty acid derivatives for food, oleochemicals and fuels over carbon supported platinum group metals

Växtoljor som utgör en förnybar naturresurs används som sådana eller i modifierade former i många industriella processer, som är av stor betydelse för vårt vardagliga liv. Växtoljor används i livsmedel, i kemiska och farmaceutiska produkter, i textilindustrin, för framställning av färgämnen och beläggningsmaterial samt som miljövänliga bränslekomponenter. Fetter och oljor hör till de äldsta kemiska komponenterna som utnyttjas av människan. De består huvudsakligen av glycerolestrar och fettsyror. Fetter och oljor har typiskt en kolkedja med kol-koldubbelbindningar samt karboxyl- och estergrupper, som kan genom hydrering eller dekarboxylering konverteras till nyttiga och miljövänliga produkter med hjälp av ädelmetallkatalysatorer. Aktivt kol (C) används som bärare på katalysatorerna. Väteaddition, d.v.s. hydrering av växtoljor har varit föremål för omfattande forskning i över hundra års tid. Hydreringen är en viktig process, för den tillämpas på produktion av fetter och margarin. Omättade fettsyror hydreras traditionellt på nickelbaserade heterogena katalysatorer. Samtidigt med en partiell hydrering av fettsyrorna och fettsyraestrarna som har två dubbelbindningar pågår också isomeringsreaktioner, vilka ger cis- och transisomerer av reaktantmolekylerna. Den största nackdelen med nickelkatalysatorerna är deras giftighet samt bildning av ohälsosamma transisomerer i reaktionsprodukterna. Dessutom deaktiveras nickelkatalysatorn snabbt p.g.a. att nickeltvålar bildas i reaktionsblandningen. Platinabaserade katalysatorer lider däremot inte av dessa begränsningar. Metaller i platinagruppen i det periodiska systemet studerades i detalj för att avslöja kinetiska effekter i hydreringen av cis-metyloleat. Palladium, rutenium, rhodium, platina och iridium användes som katalytiska metaller. Metallhalten på aktivkolbärare var 1 vikt-%. De olika platinametallerna undersöktes för att kartlägga konkurrerande hydrerings- och isomeringsrutter på metallerna. Det visade sig att metallerna i andra raden av det periodiska systemet (Ru, Rh, Pd) är aktivare i isomeringsprocesserna, medan metallerna i tredje raden (Ir, Pt) har en lägre aktivitet. Pd/C valdes bland platinametallerna, för att den är attraktiv ur ekonomisk synvinkel och den är mycket aktiv och selektiv, speciellt jämfört med nickel. Tyngdpunkten i arbetet var utvecklingen av en alternativ, palladiumbaserad hydreringsteknologi som skulle ersätta den traditionella teknologin som är baserad på användningen av nickelkatalysatorer. Palladiumbaserade katalysatorer kan återcirkuleras, de är aktivare och mera resistenta mot syror och de bildar mindre mängder av skadliga transisomerer. För att denna teknologi skall bli ekonomiskt hållbar och konkurrenskraftig, måste den basera sig på de bästa möjliga katalysatorerna, vilket innebär att en optimal kombination av hög aktivitet och selektivitet samt en lång livstid för katalysatorn krävs. Därför inkluderades teknologiska aspekter kraftigt i forskningen. Mycket arbete satsades på design av palladium på en mesoporös kolbärare och undersökning av korrelationerna mellan katalysatorns egenskaper och dess aktivitet i isomeriseringsreaktionerna och i hydreringen av kol-koldubbelbindningarna i reaktantmolekylen. Katalysatorerna karakteriserades med många fysikaliska och kemiska metoder (transmissionselektronmikroskopi (TEM), röntgendiffraktion (XRD), röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), temperaturprogrammerad reduktion (TPR), temperaturprogrammerad desorption (TPD) av kolmonoxid, kemisorption av kolmonoxid, fysisorption av kväve). Temperaturens, vätetryckets och katalysatorkoncentrationens inverkan på fettsyra- och isomersammansättningen hos de hydrerade oljorna bestämdes under kinetiska betingelser, i frånvaro av massöverföringseffekter. Syreavspjälkning genom fullständig dekarboxylering av karboxylgruppen i fettsyramolekylen är det hittills bästa sättet att framställa miljövänlig dieselolja, eftersom linjära paraffiner fås som reaktionsprodukter och en tillsats av dyr vätgas undviks. Deoxygeneringen undersöktes systematiskt på en Pd/C-katalysator (Sibunit) genom att använda mättade fettsyror C16-C20 och C22 som råvara. Produktmolekylen blev en dieselliknande kolvätemolekyl, med en kolatom färre än i utgångsmolekylen. Lika stora dekarboxyleringshastigheter observerades för rena, mättade fettsyror. En jämförelse av deoxygenereringshastigheterna för stearin-, olein- och linolsyra som råvara vid 300oC i närvaro av 1-volymprocent väte på mesoporös Pd/C (Sibunit) avslöjade att katalysatorns aktivitet och selektivitet ökade med en ökande mättningsgrad av reaktantmolekylen. Då stearinsyra användes som utgångsmolekyl, bestod huvudprodukterna av önskade C17-kolväten, medan mängden av aromatiska C17-komponenter ökade, då olein- och linolsyra användes som utgångsmolekyler. Katalysatordeaktiveringen var relativt påfallande vid deoxygeneringen av linolsyra så att endast 3% av fettsyrorna omsattes till produkter i 330 min. Deaktiveringen orsakades av aromatiska C17-komponenter samt av fettsyradimerer, som bildades via en Diels-Alderreaktion. Hydreringen av omättade fettsyror kan därför rekommenderas som ett primärt kemiskt steg i framställningen av miljövänliga dieselprodukter. Målet var också att öka förståelsen av palladiummetallernas roll i nanoskala, speciellt effekten av metallpartiklarna i katalytisk hydrering och deoxygenering. Pd/C-katalysatorer med lika stora halter av Pd syntetiserades och metallens dispersion på bärarmaterialet varierades systematiskt genom en kontrollerad uppväxt av palladiumnanopartiklar på aktiv kolbärare. Metalldispersionens effekt på hydrerings-hastigheten och cis-transförhållandet undersöktes i detalj. En optimal metalldispersion som gav den högsta dekarboxyleringshastigheten hittades. Massöverföringens inverkan på reaktionens hastighet studerades experimentellt och temperaturprogrammerad desorption av kolmonoxid från katalysatorytan undersöktes ingående. Hydrering av växtoljor genomfördes under satsvisa och kontinuerliga betingelser. Både finfördelat Pd/C och katalysatorgranulat användes i experimenten. Ett av målen med arbetet var uppskalningen av hydreringsprocesserna. Med tanke på stora produktionsvolymer var det logiskt att undersöka kontinuerliga hydrerings- och dekarboxyleringsteknologier. En kontinuerlig packad bäddreaktor studerades i laboratorieskala, vilket gav viktig information om katalysatorns långtidsstabilitet och deaktivering. Effekten av rena fettsyror och triglycerider som råvara samt metallpartikelstorleken och palladiumhalten studerades med hjälp av den kontinuerliga reaktorn. Produktionskapaciteten som erhölls med satsvis och kontinuerlig drift jämfördes. Dekarboxyleringen av stearinsyra undersöktes också i en kontinuerlig packad bädd. Omsättningsgraden blev 15% för en stabil katalysator.