Kubik-Piasecka, artykuły prebiotyki i probiotyki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]PRACE PRZEGL¥DOWE
Polifruktany i fruktooligosacharydy
(FOS) – wystêpowanie, otrzymywanie
i zastosowanie
Celina Kubik, Katarzyna Piasecka, Aneta Anyszka,
Stanis³aw Bielecki
Instytut Biochemii Technicznej, Politechnika £ódzka, £ódŸ
Polyfructans and fructooligosaccharides (FOS) – occurrence, pro-
duction and application
Summary
Information on beneficial impact of probiotic microorganisms on human
health and effects of prebiotic oligosaccharides on proliferation of the latter
microflora are presented in the first part of the article. Its further part focuses
on fructans, i.e. structures of natural polyfructans and fructooligosaccharides,
mechanisms of function of enzymes involved in their synthesis and methods of
manufacturing of prebiotic fructooligosaccharides (FOS) in commercial scale.
Key words:
fructans, fructooligosaccharides(FOS), fructosyltransferase.
1. Wstêp
Adres do korespondencji
Celina Kubik,
Instytut Biochemii
Technicznej,
Politechnika £ódzka,
ul. Stefanowskiego 4/10,
90-924 £ódŸ;
e-mail:
celkubik@snack.p.lodz.pl
W ci¹gu ostatnich trzydziestu lat obserwuje siê znaczny
wzrost zainteresowania wp³ywem mikroflory jelitowej na zdro-
wie cz³owieka. Mikroflora zasiedlaj¹ca jelito grube w iloœci do
10
11
jtk·g
-1
treœci jelitowej, zawiera zarówno szczepy korzyst-
ne, jak i patogenne dla gospodarza. Równowaga tego ekosyste-
mu jest dynamiczna i mo¿e zmieniaæ siê z wiekiem, przyjmowa-
niem leków, stresem, diet¹ oraz czynnikami œrodowiskowymi.
W przewodzie pokarmowym zdrowego cz³owieka dominuj¹ bak-
terie z rodzajów
Bifidobacterium
i
Lactobacillus
, okreœlane mianem
bakterii probiotycznych (1-3). Niektóre korzystne dzia³ania tych
2 (73) 103–116 2006
Celina Kubik i inni
bakterii na zdrowie ludzi i zwierz¹t zosta³y w pe³ni udokumentowane w badaniach
in vivo
, inne s¹ przewidywane na podstawie badañ
in vitro
. Niezwykle istotn¹ cech¹
bakterii probiotycznych jest antagonizm w stosunku do mikroorganizmów patogen-
nych i gnilnych. Ma to zwi¹zek z wytwarzaniem kwasu mlekowego, octowego, H
2
O
2
oraz syntez¹ bakteriocyn, które hamuj¹ lub ograniczaj¹ wzrost wielu patogenów je-
litowych (g³ównie z rodzajów
Clostridium, Staphylococcus, Listeria, Escherichia, Salmonella,
Shigella
). Inne potwierdzone lub przewidywane korzyœci wynikaj¹ce z aktywnoœci
bakterii probiotycznych obejmuj¹ m.in. znoszenie efektu nietolerancji laktozy, dzia-
³anie antycholesterolowe, aktywnoœæ antynowotworow¹, dzia³anie immunomodula-
cyjne, dzia³anie przeciwalergiczne, zapobieganie próchnicy, zapobieganie osteopo-
rozie (4).
Jedn¹ z metod zwiêkszania iloœci korzystnych bakterii wœród mikroflory jelito-
wej jest dostarczanie organizmowi preparatów zawieraj¹cych aktywne lub zliofilizo-
wane komórki wyselekcjonowanych szczepów o w³aœciwoœciach probiotycznych.
Mo¿na je podawaæ metod¹ doustn¹ w postaci preparatów farmaceutycznych lub te¿
w fermentowanych produktach mlecznych otrzymywanych z ich udzia³em (5-8).
Inn¹ metod¹ uzyskania wzrostu populacji bakterii probiotycznych w jelitach jest
uzupe³nianie diety w
tzw. prebiotyki (9), bêd¹ce Ÿród³em wêgla i energii dla przyja-
znych szczepów ju¿ bytuj¹cych w okrê¿nicy.
S¹ one definiowane jako nie trawione
sk³adniki ¿ywnoœci, selektywnie pobudzaj¹ce wzrost i/lub aktywnoœæ jednego lub
okreœlonej liczby rodzajów bakterii w okrê¿nicy, korzystnie wp³ywaj¹cych na zdro-
wie gospodarza. Ze wzglêdu na selektywn¹ stymulacjê rozwoju bifidobakterii pre-
biotyki nazywane s¹ te¿ czynnikami bifidogennymi
.
Opisane dotychczas i wytwarzane na skalê przemys³ow¹ prebiotyki s¹ sacharyda-
mi. Nale¿¹ do nich: niskocukrowe alkohole, szereg nie trawionych oligosacharydów
(NDOs) o zró¿nicowanej strukturze chemicznej oraz niektóre polisacharydy. Na ska-
lê przemys³ow¹ s¹ wytwarzane w procesach enzymatycznych z wykorzystaniem
albo enzymów hydrolitycznych albo transglikozylaz. Z udzia³em hydrolaz prowa-
dzone s¹ dwa typy reakcji: 1) rozk³ad polisacharydów do odpowiednich oligocu-
krów, 2) synteza nowych oligosacharydów
, gdy niskocz¹steczkowe substraty cukro-
we wystêpuj¹ w wysokim stê¿eniu. Wydajnoœæ syntez jest wy¿sza w reakcjach prowa-
dzonych z udzia³em transferaz.
Wyj¹tek stanowi¹ oligocukry sojowe, które s¹ bez-
poœrednio ekstrahowane z ziarna soi. Do prebiotycznych polisacharydów zaliczana
jest inulina oraz ró¿ne rodzaje skrobi odporne na dzia³anie enzymów trawiennych.
Prebiotyczne sacharydy s¹ fermentowane w okrê¿nicy do krótko³añcuchowych
kwasów t³uszczowych (SCFAc), z przewag¹ octowego i mlekowego (10), które s¹ ab-
sorbowane przez nab³onek jelita i metabolizowane. Selektywnemu rozwojowi bak-
terii probiotycznych w tym odcinku przewodu pokarmowego sprzyja nie tylko zdol-
noœæ wykorzystywania przez nie ró¿nych substratów cukrowych, ale równie¿ nie-
wra¿liwoœæ na kwaœne œrodowisko, nie tolerowane przez wiele patogenów. W bada-
niach prowadzonych przez Gibsona i in. (11) wykazano, ¿e podawanie fruktooligo-
sacharydów (FOS) wolontariuszom w iloœci 15 g dziennie w ci¹gu 15 dni znacznie
104
PRACE PRZEGL¥DOWE
Polifruktany i fruktooligosacharydy (FOS) – wystêpowanie, otrzymywanie i zastosowanie
zwiêkszy³o zawartoœæ bifidobakterii w kale
, przy jednoczesnym spadku iloœci
Bacteroides, Fusobacterium
i
Clostridium.
Liczba bakterii z rodzaju
Lactobacillus
oraz
pa³eczek
Escherichia coli
pozosta³a na tym samym poziomie. Wed³ug Rao (12) ju¿ 5 g
FOS w dziennej diecie prowadzi³o do wzrostu liczby bifidobakterii w jelitach.
W przypadku
uzupe³niania diety galaktooligosacharydami
(TOS) (13) w dawce 10 g
dziennie w ci¹gu 21 dni, wzrasta³a iloœæ zarówno bifidobakterii, jak i bakterii kwasu
mlekowego, przy spadku zawartoœci lub utrzymywaniu siê na niezmienionym pozio-
mie iloœci innych bakterii. U ludzi, którym dostarczano 15 g rafinozy dziennie
w ci¹gu 4 tygodni, obserwowano wzrost populacji bifidobakterii i równoczeœnie
spadek bakterii z rodzajów
Clostridium
i
Bacteroide
s (14).
Udowodniono nastêpuj¹ce korzystne dzia³anie prebiotyków na zdrowie cz³owieka:
– u noworodków nie karmionych mlekiem matki dodawanie prebiotycznych sa-
charydów do produktów mlecznych znacznie przyspiesza zasiedlanie bifidobakterii
w przewodzie pokarmowym (15);
– w przypadkach infekcji przewodu pokarmowego prebiotyki przyspieszaj¹ re-
stabilizacjê mikroflory jelitowej. Dziêki obni¿eniu jelitowego pH w wyniku fermen-
tacji prebiotyków, zasiedlanie patogenów, preferuj¹cych obojêtne pH, jest ograni-
czone; istotna rola przypada równie¿ bakteriocynom wytwarzanym przez odbudo-
wan¹ korzystn¹ mikroflorê;
– zmniejszanie ryzyka powstawania raka jelita. Z ograniczeniem iloœci nieko-
rzystnych bakterii w okrê¿nicy ograniczana jest tym samym iloœæ produktów ich me-
tabolizmu, dzia³aj¹cych genotoksycznie (16). Zosta³o wykazane, ¿e podawanie pre-
biotyków prowadzi do obni¿enia poziom fenolu, krezolu, indolu i skatolu w kale
(17);
– obni¿anie stê¿enia lipidów we krwi (18,19). Mo¿liwy mechanizm obni¿ania
cholesterolu we krwi wi¹¿e siê ze str¹caniem kwasów ¿ó³ciowych w jelitach, nastê-
puj¹cym w wyniku zakwaszenia œrodowiska przez SCFAc i ich usuwanie z ka³em.
Kwasy ¿ó³ciowe nie zresorbowane z jelita do ponownego wykorzystania musz¹ byæ
wytwarzane w w¹trobie z cholesterolu zawartego we krwi;
– wzrost przyswajalnoœci wielu pierwiastków, jak Ca, Fe, Mn, Zn, Cu, zwi¹zany
ze wzrostem ich rozpuszczalnoœci w œrodowisku o obni¿onym pH (20).
Do artyku³ów ¿ywnoœciowych wzbogacanych w prebiotyki nale¿¹ g³ównie napo-
je mleczne, w tym jogurty, lody, napoje odœwie¿aj¹ce, niskokaloryczne s³odycze,
desery, chleb, przetwory owocowe (21).
Badania nad funkcjonalnymi w³aœciwoœciami oligosacharydów, ich wytwarzaniem
i zastosowaniem zosta³y zapocz¹tkowane w Japonii w latach siedemdziesi¹tych
XX w. (22).
Wœród oligosacharydów o dobrze udokumentowanym dzia³aniu prebio-
tycznym znajduj¹ siê fruktooligosacharydy (FOS), charakteryzuj¹ce siê ni¿sz¹ ni¿ sa-
charoza kalorycznoœci¹ oraz s³odkoœci¹. Szacuje siê, ¿e wartoœæ kaloryczna inuliny
i FOS wynosi tylko 1-1,5 kcal·g
-1
, w porównaniu do 4 kcal·g
-1
dla sacharozy, a s³o-
dycz, podobna w odczuciu do sacharozy, stanowi 32, 22 i 16% odpowiednio dla
1-kestozy, nystozy i 1
F
-fruktofuranozylonystozy (23)
.
BIOTECHNOLOGIA 2 (73) 103-116 2006
105
Celina Kubik i inni
W artykule zostan¹ scharakteryzowane fruktany wystêpuj¹ce w naturze i enzymy
bior¹ce udzia³ w ich syntezie, jak równie¿ zostan¹ omówione metody otrzymywania
fruktooligosacharydów w celach komercyjnych.
2. Fruktany wystêpuj¹ce w naturze
Fruktany, podobnie jak skrobia i sacharoza, wystêpuj¹ w naturze jako zapasowe
cukry roœlinne oraz s¹ wytwarzane przez niektóre drobnoustroje. Dla naturalnych
fruktanów charakterystyczna jest obecnoœæ sacharozy na koñcu ³añcucha, do której
przy³¹czone s¹ reszty fruktozy. Ze wzglêdu na rodzaj wi¹zania glikozydowego ³¹-
cz¹cego jednostki fruktozylowe, zwi¹zki te mo¿na podzieliæ na kilka podstawowych
grup: fruktany serii 1-kestozy (1
F
-
-fruktofuranozylosacharozy), w których reszty
fruktozy s¹ po³¹czone wi¹zaniami
-(2,1)-glikozydowymi; serii 6-kestozy (6
F
-
-fruk-
tofuranozylosacharozy), w których g³ównym wi¹zaniem jest
-(2,6); fruktany o wi¹-
zaniach mieszanych:
-(2,1)- i
-(2,6)-,
(6,6- i 1-kestopentaoza)
oraz serii neokestozy
(6
G
-
-fruktofuranozylosacharozy), w której reszta fruktozy jest do³¹czona do wêgla
6 glukozy w cz¹steczce sacharozy. Najkrótsze fruktany poszczególnych typów przed-
stawiono na rysunku 1.
Praktycznie termin fruktooligosacharydy (FOS) jest u¿ywany dla krótko³añcucho-
wych fruktanów zawieraj¹cych 2-4 jednostki fruktozylowe po³¹czone wi¹zaniami
-(2,1)-glikozydowymi (rys. 1A).
2.1. Fruktany roœlinne
W roœlinach fruktany wystêpuj¹ g³ównie w formie d³ugich ³añcuchów inuliny lub
krótko³añcuchowych fruktooligosacharydów (FOS) (seria 1-kestozy, rys. 1A). Stopieñ
polimeryzacji inuliny przeciêtnie waha siê od 10 do 60. Inulina mo¿e ulegaæ degra-
dacji pod dzia³aniem rodzimych enzymów, st¹d niektóre z roœlin, w tym szczególnie
karczochy, zawieraj¹ du¿o krótko³añcuchowych FOS (24,25)
.
Do roœlin uprawnych
gromadz¹cych znacz¹ce iloœci fruktanów nale¿¹: cykoria, topinambur, karczochy,
banany, czosnek, jêczmieñ, pszenica, cebula, liœcie buraka, pomidory, ry¿, a z kwia-
towych – k³¹cza dalii (26-29).
W trawach wystêpuj¹ fruktany o wi¹zaniach miesza-
nych, typu
-2,1 i
-2,6 (30,31) (rys. 1D).
Poniewa¿ wiêkszoœæ gatunków roœlin wytwarzaj¹cych fruktany wegetuje w re-
gionach nawiedzanych przez sezonowe susze lub ch³ody, prawdopodobnie obok
roli materia³u zapasowego pe³ni¹ one rolê ochronn¹ jako osmo- lub krioprotektanty
(32-35).
106
PRACE PRZEGL¥DOWE
Polifruktany i fruktooligosacharydy (FOS) – wystêpowanie, otrzymywanie i zastosowanie
Rys. 1. Budowa fruktooligosacharydów wystêpuj¹cych w naturze: (A) – 1-kestoza, (B) – 6-kestoza,
(C) – neokestoza, (D) – oligosacharyd o wi¹zaniach mieszanych.
BIOTECHNOLOGIA 2 (73) 103-116 2006
107
[ Pobierz całość w formacie PDF ]