Obtaining, characterizing and studying the in vitro bioavailability of different cation complexations for food fortification

Abstract

(English) Although mineral chelates have been produced for more than 70 years, neither production methods nor optimum conditions are well specified. The solid evidence that the complexes are true chelates is still missing. In the present thesis, citric acid and glycine were chosen to produce iron complexes through crystallization using different molar ratios, to prove the occurrence of chelation and to specify the optimum conditions of these reactions. Quantitative results and qualitative spectral analyses, revealed that the obtained crystals are just impure crystals of ferrous sulfate in the citric acid samples and impure crystals of either glycine or ferrous sulfate or both in those of glycine depending on the molar ratio and pH. Thus crystallization and precipitation methods do not produce chelates. Since chelation could have occurred in the solution, and to accurately achieve our objectives, samples with seven different ratios within the solubility range were then prepared with citric acid or glycine. Citric acid iron samples were prepared at initial pH (around 1), whereas glycine samples were prepared at three different pH values (acidic pH=1, initial pH=4.5 and isoelectric pH=6). NIR was useful in proving chelation through three main peaks at 6800cm-1, 6370cm-1 and 5150cm-1 corresponding to free OH bonds, ligand-to-ligand charge transfer (dimerization) and C=O stretching and OH combinations respectively. For citric acid iron samples, results showed that the optimum ratio is 1:4 having no free citric acid while for glycine, combining NIR spectra with quantitative and qualitative HPLC results, the optimum ratio appeared to be 1:1 at initial pH having the most chelate proportion, followed by 1:3 and 1:4 ratios at isoelectric pH. The same study was conducted for citric acid complexes with zinc and magnesium preparing the same ratios. The same three peaks in the NIR spectra proved the chelation in solutions in which the optimum ratio for magnesium is the same as for iron 1:4, whereas for zinc is 1:2 and zinc chelation occurred in the presence of dimers. The bioavailability of the produced citric acid complexes with the three minerals (Fe, Zn, and Mg) was also determined in all the samples to correlate results with the structural characteristics. Chelates of iron (1:4) and zinc (1:2) are the samples to deliver the highest amount of each mineral and are 2.3 and 1.62 times more bioavailable than ferrous sulfate and zinc sulfate respectively. The enhancing capacity of citric acid was reduced upon dimerization. All magnesium samples on the other hand, showed similar bioavailability both within different ratios and with magnesium sulfate, thus suggesting another method to evaluate the potential of magnesium chelate to be transported into the tissue. Interaction of the three minerals and their effect on bioavailability was also studied to compare between sulfate form and citric acid chelate form of each. Samples prepared using the mineral sulfates showed that in all the combinations containing magnesium, both iron and zinc were totally inhibited however in the absence of magnesium, the two minerals exhibited intense mutual inhibition. Same behavior was observed in samples containing minerals in the chelate form, but the extent of inhibition was much less. Despite inhibition, all mineral chelates still had good bioavailability values (up to 52% compared to 6.7% for sulfates), thus promoting their use in double/triple fortification. The effect of four different foods on the bioavailability of citric acid iron chelate 1:4 was also investigated and compared with ferrous sulfate. Results demonstrated the outperformance of the chelate in the three media cocoa milk shake and both kinds of milk by factors of 1.5, 1.64, and 1.57. Conversely in orange juice both iron forms had similar bioavailability due to presence of enhancers. Therefore, in a challenging medium rich in inhibitors the chelate excels other iron forms.

(Català) Tot i que fa més de 70 anys que es produeixen quelats minerals, ni els mètodes de producció ni les condicions òptimes estan ben especificats. Encara falta l'evidència sòlida que els complexos són veritables quelats. En la present tesi, s'ha escollit l'àcid cítric i la glicina per produir complexos de ferro mitjançant la cristal·lització mitjançant diferents proporcions molars, per demostrar l'ocurrència de la quelació i per especificar les condicions òptimes d'aquestes reaccions. Els resultats quantitatius i les anàlisis espectrals qualitatives, van revelar que els cristalls obtinguts són només cristalls impurs de sulfat fèrric a les mostres d'àcid cítric i cristalls impurs de glicina o sulfat de ferro o tots dos en les de glicina en funció de la proporció molar i el pH. Així, els mètodes de cristal·lització i precipitació no produeixen quelats. Com que la quelació podria haver-se produït a la solució, i per assolir amb precisió els nostres objectius, es van preparar mostres amb set proporcions diferents dins del rang de solubilitat amb àcid cítric o glicina. Les mostres de ferro d'àcid cítric es van preparar al pH inicial (al voltant d'1), mentre que les mostres de glicina es van preparar a tres valors de pH diferents (1; 4,5 i 6). NIR va ser útil per demostrar la quelació a través de tres pics principals a 6800cm-1, 6370cm-1 i 5150cm-1 corresponents a enllaços OH lliures, transferència de càrrega de lligand a lligand (dimerització) i estirament C = O i combinacions OH respectivament. Per a mostres de ferro àcid cítric, els resultats van mostrar que la proporció òptima és 1:4 sense àcid cítric lliure, mentre que per a la glicina, combinant espectres NIR amb resultats d'HPLC quantitatius i qualitatius, la proporci ó òptima semblava ser 1:1 al pH inicial amb el m és alt. proporció de quelat, seguida de proporcions 1:3 i 1:4 a pH isoelèctric. El mateix estudi es va realitzar per a complexos d'àcid cítric amb zinc i magnesi preparant les mateixes proporcions. Els mateixos tres pics dels espectres NIR van demostrar la quelació en solucions en què la proporció òptima per al magnesi és la mateixa que per al ferro 1:4, mentre que per al zinc és 1:2 i la quelació del zinc es va produir en presència de dímers. També es va determinar la biodisponibilitat dels complexos d'àcid cítric produïts amb els tres minerals (Fe, Zn i Mg) en totes les mostres per correlacionar els resultats amb les característiques estructurals. Els quelats de ferro (1:4) i zinc (1:2) són les mostres per lliurar la quantitat m és alta de cada mineral i són 2,3 i 1,62 vegades més biodisponibles que el sulfat fèrric i el sulfat de zinc, respectivament. La capacitat de millora de l' àcid cítric es va reduir després de la dimerització. Totes les mostres de magnesi, d'altra banda, van mostrar una biodisponibilitat similar tant amb diferents proporcions com amb sulfat de magnesi, suggerint així un altre mètode per avaluar el potencial del quelat de magnesi per ser transportat al teixit. També es va estudiar la interacció dels tres minerals i el seu efecte sobre la biodisponibilitat per comparar entre la forma de sulfat i la forma de quelat d'àcid cítric de cadascun. Les mostres preparades amb sulfats minerals van mostrar que en totes les combinacions que contenien magnesi, tant el ferro com el zinc estaven totalment inhibits, per ò en absència de magnesi, els dos minerals van mostrar una intensa inhibició mútua. Es va observar el mateix comportament en mostres que contenien minerals en forma de quelat, però el grau d'inhibició va ser molt menor. Malgrat la inhibició, tots els quelats minerals encara tenien bons valors de biodisponibilitat (fins al 52% enfront del 6,7% dels sulfats), promovent així el seu ús en fortificació doble/triple. També es va investigar l'efecte de quatre aliments diferents sobre la biodisponibilitat del quelat de ferro àcid cítric 1:4 i es va comparar amb el sulfat ferros. Els resultats van demostrar el rendiment supera altres formes de ferro.