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Publication
IMPULSE : IMpact of a PULSE-based partial replacement diet on metabolome and health
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Abstract(s)
This doctoral project was conceived in the context of urgent global challenges related to food security and environmental sustainability, as a response to the need for transitioning to plantrich dietary patterns. The project aimed to explore the feasibility and impact on human organisms of partially substituting animal protein-rich foods with plant-based protein-rich foods, specifically pulses, in omnivorous diets. Identified gaps in scientific evidence regarding the health effects of pulses, especially as protein alternatives, prompted a comprehensive exploration combining classical nutrition research tools with molecular biology and metabolomics techniques. A quasi-experimental dietary intervention was designed involving a single group of volunteers. Non-vegetarian individuals aged 18 to 45 were provided with a pulse-based vegetarian meal on weekdays for eight consecutive weeks in Porto, Portugal. Sociodemographic data, health-related information, and lifestyle details were recorded for each volunteer. A post-meal satisfaction questionnaire assessed participants' satisfaction with each meal using a nine-point hedonic scale. Untargeted 1 H nuclear magnetic resonance (NMR) metabolomics was applied to plasma, urine, and fecal samples (totaling 248 samples), and quantitative polymerase chain reaction (qPCR) molecular biology was used on fecal samples (34 samples) to obtain holistic and integrated information on the impact of pulse diets on the metabolome and intestinal microbiota. Additionally, three-day food diaries, anthropometric parameters, and blood biochemical analyses were obtained for each individual, contributing to a comprehensive data collection. Data analysis, including comparison of different parameters at the intervention's start and end, utilized various statistical tests for proportion and mean comparisons, and multivariate analysis. Significant differences were considered when the p-value was below 5%. The meal satisfaction analysis highlighted the significant role of cooking methods in determining food preferences, with greater satisfaction for stewed dishes and lower ratings for boiled dishes. Peas received lower appreciation, likely reflecting them being less preferred as protein alternatives. Moreover, most participants were able to meet national and international guidelines for pulse consumption without exacerbating nutritional inadequacies for the tested macro- and micronutrients, except for vitamin B12. The intervention demonstrated potential benefits in reducing blood lipids, with decreases in total and LDL cholesterol levels, supporting cardiovascular health benefits associated with pulse-rich diets. Using NMR spectroscopy, a dynamic metabolic response to pulse consumption was identified in plasma and urine samples, emphasizing the modulation of protein and energy metabolism, as well as the identification of potential intake markers. Correlations between bacterial quantification and fecal metabolome suggest possible metabolic patterns of some of the 8 studied bacterial groups. The results highlight the potential benefits and challenges of adopting pulse-based diets but suggest that pulses would be readily accepted in dietary habits if prepared and presented pleasantly. While positive impacts on cardiovascular health and metabolic activity are evident, the results emphasize the need to avoid nutritional deficiencies, especially in vitamin B12, when substituting animal-origin foods with pulses. Metabolomic analysis highlighted the dynamic nature of the response to pulse consumption, and its combination with molecular biology revealed the potential impact of these foods on the intestinal microbiota. Through a multidisciplinary approach, this study elucidated the potential of pulse-based diets in promoting individual well-being and sustainable food choices. These results need confirmation in experimental studies involving a larger number of participants and a control group, but they identify potential biomarkers and advance the understanding of the broader effects of pulses on human health. Future work should further optimize pulse-based dietary recommendations and explore innovative strategies to enhance the adoption of sustainable dietary patterns on a larger scale.
Este projeto doutoral foi concebido no contexto de desafios globais urgentes relacionados com a segurança alimentar e a sustentabilidade ambiental, como resposta à necessidade de transição para padrões alimentares mais ricos em alimentos de origem vegetal. O projeto visou explorar a viabilidade e impacto no organismo humano da substituição parcial dos alimentos ricos em proteínas de origem animal, por alimentos ricos em proteínas de origem vegetal, nomeadamente leguminosas, em regimes alimentares omnívoros. As lacunas identificadas na evidência científica sobre os efeitos das leguminosas na saúde, especialmente como alternativas proteicas, serviram de mote para uma exploração mais abrangente que combinou ferramentas clássicas de investigação em nutrição, com técnicas baseadas em biologia molecular e metabolómica. Desenhou-se uma intervenção alimentar quase-experimental incluindo um único grupo de voluntários. Ofereceu-se uma refeição vegetariana, à base de leguminosas, a indivíduos não vegetarianos entre 18 e 45 anos, durante oito semanas consecutivas (dias úteis), na cidade do Porto, Portugal. Registaram-se os dados sociodemográficos e informações relacionadas com o estado de saúde e o estilo de vida de cada voluntário. Um questionário de satisfação pós-refeição avaliou a satisfação dos participantes com cada refeição, utilizando uma escala hedónica numérica de nove pontos. A técnica de metabolómica de ressonância magnética nuclear (RMN) de 1 H não direcionada foi aplicada a amostras de plasma, urina e fezes (num total de 248 amostras), e a técnica de biologia molecular de reação em cadeia da polimerase quantitativa (qPCR) a amostras de fezes (34 amostras), de modo a obter informação holística e integrada sobre o impacto da dieta de leguminosas no metaboloma e microbiota intestinal. Além disso, foram obtidos para cada indivíduo diários alimentares de três dias, parâmetros antropométricos e análises bioquímicas sanguíneas, contribuindo assim para uma recolha abrangente de dados. Para a análise dos dados, nomeadamente, para a comparação dos diferentes parâmetros no início e no final da intervenção, usaram-se diferentes testes estatísticos para comparação de proporções e comparação de médias e análise multivariada. Foram consideradas diferenças significativas sempre que o valor de prova foi inferior a 5%. A análise da satisfação com as refeições destacou o papel importante dos métodos de confeção na determinação de preferências alimentares, com maior satisfação para pratos estufados e avaliações mais baixas para pratos cozidos. As ervilhas obtiveram baixos níveis de apreciação, provavelmente refletindo serem as leguminosas menos preferidas como alternativas proteicas. Além disso, a maioria dos participantes conseguiu alcançar as diretrizes nacionais e internacionais de consumo de leguminosas sem agravar a prevalência de inadequações nutricionais para os macro- e micronutrientes testados, exceto no caso da vitamina B12. A intervenção demonstrou potenciais benefícios na redução de lipídios sanguíneos, com diminuição nos níveis totais e de colesterol LDL, apoiando os benefícios na saúde cardiovascular associados a dietas ricas em leguminosas. Utilizando espectroscopia de RMN, foi possível identificar uma resposta metabólica dinâmica ao consumo de leguminosas nas amostras de plasma e urina, enfatizando a modulação do metabolismo proteico e energético, assim como, a identificação de possíveis marcadores de ingestão. Correlações entre a quantificação bacteriana e o metaboloma fecal sugerem possíveis padrões metabólicos de alguns dos 8 grupos bacterianos estudados. Os resultados destacam os potenciais benefícios e desafios da adoção de dietas à base de leguminosas, mas sugerem que as leguminosas seriam facilmente aceites nos hábitos alimentares se preparadas e apresentadas de modo agradável. Embora os impactos positivos na saúde cardiovascular e atividade metabólica sejam evidentes, os resultados enfatizam a necessidade de evitar deficiências nutricionais, especialmente de vitamina B12, ao substituir os alimentos de origem animal na dieta, por leguminosas. A análise de metabolómica destacou a natureza dinâmica da resposta ao consumo de leguminosas e a sua combinação com biologia molecular revelou o potencial impacto destes alimentos na microbiota intestinal. Através de uma abordagem multidisciplinar, este estudo foi capaz de elucidar o potencial das dietas à base de leguminosas na promoção do bem-estar individual e de escolhas alimentares sustentáveis. Estes resultados precisam ser confirmados em estudos experimentais envolvendo um maior número de participantes e usando um grupo controlo, mas identificam possíveis biomarcadores e avançam na compreensão dos efeitos mais amplos das leguminosas na saúde humana. Trabalhos futuros deverão aprofundar a otimização de recomendações dietéticas à base de leguminosas e explorar estratégias inovadoras para aprimorar a adoção de padrões alimentares sustentáveis numa escala maior.
Este projeto doutoral foi concebido no contexto de desafios globais urgentes relacionados com a segurança alimentar e a sustentabilidade ambiental, como resposta à necessidade de transição para padrões alimentares mais ricos em alimentos de origem vegetal. O projeto visou explorar a viabilidade e impacto no organismo humano da substituição parcial dos alimentos ricos em proteínas de origem animal, por alimentos ricos em proteínas de origem vegetal, nomeadamente leguminosas, em regimes alimentares omnívoros. As lacunas identificadas na evidência científica sobre os efeitos das leguminosas na saúde, especialmente como alternativas proteicas, serviram de mote para uma exploração mais abrangente que combinou ferramentas clássicas de investigação em nutrição, com técnicas baseadas em biologia molecular e metabolómica. Desenhou-se uma intervenção alimentar quase-experimental incluindo um único grupo de voluntários. Ofereceu-se uma refeição vegetariana, à base de leguminosas, a indivíduos não vegetarianos entre 18 e 45 anos, durante oito semanas consecutivas (dias úteis), na cidade do Porto, Portugal. Registaram-se os dados sociodemográficos e informações relacionadas com o estado de saúde e o estilo de vida de cada voluntário. Um questionário de satisfação pós-refeição avaliou a satisfação dos participantes com cada refeição, utilizando uma escala hedónica numérica de nove pontos. A técnica de metabolómica de ressonância magnética nuclear (RMN) de 1 H não direcionada foi aplicada a amostras de plasma, urina e fezes (num total de 248 amostras), e a técnica de biologia molecular de reação em cadeia da polimerase quantitativa (qPCR) a amostras de fezes (34 amostras), de modo a obter informação holística e integrada sobre o impacto da dieta de leguminosas no metaboloma e microbiota intestinal. Além disso, foram obtidos para cada indivíduo diários alimentares de três dias, parâmetros antropométricos e análises bioquímicas sanguíneas, contribuindo assim para uma recolha abrangente de dados. Para a análise dos dados, nomeadamente, para a comparação dos diferentes parâmetros no início e no final da intervenção, usaram-se diferentes testes estatísticos para comparação de proporções e comparação de médias e análise multivariada. Foram consideradas diferenças significativas sempre que o valor de prova foi inferior a 5%. A análise da satisfação com as refeições destacou o papel importante dos métodos de confeção na determinação de preferências alimentares, com maior satisfação para pratos estufados e avaliações mais baixas para pratos cozidos. As ervilhas obtiveram baixos níveis de apreciação, provavelmente refletindo serem as leguminosas menos preferidas como alternativas proteicas. Além disso, a maioria dos participantes conseguiu alcançar as diretrizes nacionais e internacionais de consumo de leguminosas sem agravar a prevalência de inadequações nutricionais para os macro- e micronutrientes testados, exceto no caso da vitamina B12. A intervenção demonstrou potenciais benefícios na redução de lipídios sanguíneos, com diminuição nos níveis totais e de colesterol LDL, apoiando os benefícios na saúde cardiovascular associados a dietas ricas em leguminosas. Utilizando espectroscopia de RMN, foi possível identificar uma resposta metabólica dinâmica ao consumo de leguminosas nas amostras de plasma e urina, enfatizando a modulação do metabolismo proteico e energético, assim como, a identificação de possíveis marcadores de ingestão. Correlações entre a quantificação bacteriana e o metaboloma fecal sugerem possíveis padrões metabólicos de alguns dos 8 grupos bacterianos estudados. Os resultados destacam os potenciais benefícios e desafios da adoção de dietas à base de leguminosas, mas sugerem que as leguminosas seriam facilmente aceites nos hábitos alimentares se preparadas e apresentadas de modo agradável. Embora os impactos positivos na saúde cardiovascular e atividade metabólica sejam evidentes, os resultados enfatizam a necessidade de evitar deficiências nutricionais, especialmente de vitamina B12, ao substituir os alimentos de origem animal na dieta, por leguminosas. A análise de metabolómica destacou a natureza dinâmica da resposta ao consumo de leguminosas e a sua combinação com biologia molecular revelou o potencial impacto destes alimentos na microbiota intestinal. Através de uma abordagem multidisciplinar, este estudo foi capaz de elucidar o potencial das dietas à base de leguminosas na promoção do bem-estar individual e de escolhas alimentares sustentáveis. Estes resultados precisam ser confirmados em estudos experimentais envolvendo um maior número de participantes e usando um grupo controlo, mas identificam possíveis biomarcadores e avançam na compreensão dos efeitos mais amplos das leguminosas na saúde humana. Trabalhos futuros deverão aprofundar a otimização de recomendações dietéticas à base de leguminosas e explorar estratégias inovadoras para aprimorar a adoção de padrões alimentares sustentáveis numa escala maior.
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Biofluids Feces Pulses Plant-based NMR metabolomics Microbiota Leguminosas Vegetariano RMN Metabolómica Biofluídos Fezes
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