Prebiotic

Prebiotic

Định nghĩa:

Khái niệm prebiotic lần đầu tiên được Gibson GR, Roberfroid MB định nghĩa vào năm 1995 Kể từ đó, prebiotic đã thu hút sự chú ý của giới khoa học cũng như như các nhà công nghệ Nhiều polysaccharide và oligosaccharide sử dụng trong thực phẩm ngộ nhận như prebiotic, tuy nhiên khái niệm prebiotic và công năng của nó chỉ mới được xác định rõ những năm gần đây

Prebiotic là các thành phần thực phẩm không tiêu hoá được, có tác dụng kích thích sự phát triển và hoạt động một số loài vi khuẩn có lợi cho sức khoẻ đồng thời ức chế một số loài vi khuẩn khác trong ruột kết (ruột già) góp phần tăng cường sức khoẻ.(a)

Định nghĩa của prebiotic được Gibson và Roberfroid đưa ra khá giống định nghĩa chất

xơ trong thực phẩm, chỉ có sự khác biệt duy nhất là prebiotic có khả năng kích thích sự phát triển của một số vi khuẩn có lợi cho sức khoẻ Chủng vi khuẩn muốn chỉ định ở đây là

Bifidobacteria do chúng có khả năng sử dụng một số oligosaccharide như

fructooligosaccharides và inulin, transgalactosylated oligosaccharides, và oligosaccharides

từ đậu nành (e)

Đến báo cáo gần đây nhất (2007) Gibson và Roberfroid khẳng định không phải bất cứ loại carbonhydrate nào cũng có thể xếp vào nhóm prebiotic mà chúng cần thoả mãn các yêu cầu sau: (a)

+Chống chịu được môi trường acid của dạ dày, không bị phân giải bởi enzyme động vật và không bị hấp thu ở ruột

+Có khả năng lên men bởi các vi khuẩn đường ruột

+Kích thích có chọn lọc sự phát triển và/hoặc hoạt tính của các vi khuẩn có lợi cho sức khoẻ

Prebiotic không nhất thết phải là các chất không bị tiêu hoá mà chỉ cần khi đến ruột kết chúng vẫn còn một lượng đủ lớn để làm cơ chất cho quá trình lên men ở đây

Cũng theo Gibson và Roberfroid hiện nay chỉ có hai chất đáp ứng được các yêu cầu

đối với prebiotic: đó là inulin và trans-galactooligosaccharides (TOS) (a)

Tính chất của prebiotic

 Prebiotic là những chất khó tiêu:

Prebiotic khó tiêu là do cấu trúc hoá học của nó.(viết lại)

Hai công trình nghiên cứu của Bach Knudsen và cộng sự (1995) và Ellegard (1997)

đã chứng minh prebiotic vẫn giữ nguyên một lượng lớn (86 – 89%) khi đến ruột già (d)

Bảng: Khả năng tiêu hoá của một số prebiotic trên đường ruột người (d)

Cơ chất Mô hình thí

nghiệm

Lượng nạp vào

Lượng còn lại

Phần trăm còn lại

Tác giả công bố, năm

Inulin

Kỹ thuật mở thông ruột hồi

1995

Ellegard và cộng sự, 1997

Một số kết quả nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra khả năng không bị tiêu hoá của prebiotic như: khi dung nạp prebiotic thì lượng đường trong máu không tăng (Hidaka, 1986; Rumessen, 1990) Prebiotic khó bị phân giải bởi dịch tiêu hoá từ dạ dày (Nilsson và cộng sự, 1988)

Những kết quả trên cùng với hàng loạt nghiên cứu khác đã chứng tỏ prebiotic không

bị tiêu hoá trong đường tiêu hoá của người

 Prebiotic là nguồn dinh dưỡng của vi sinh vật có lợi trong đường ruột.

Như vậy prebiotic sau đi qua gần hết ống tiêu hoá vẫn còn một lượng lớn Khi đến ruột già prebiotic trở thành nguồn dinh dưỡng cho hệ vi sinh vật ở đây Lúc này prebiotic được lên men Các kết quả nghiên cứu đã chứng tỏ prebiotic được lên men bởi hệ vi sinh vật tại ruột kết Đa số các vi sinh vật có khả năng sử dụng prebiotic là các vi khuẩn có lợi (d)

Sở dĩ các vi sinh vật này có khả năng sử dụng prebiotic là do chúng có thể tiết ra một

số enzyme ngoại bào có khả năng phân giải các liên kết β-(2-1)glycosidic Sản phẩm của quá trình lên men prebiotic là acid béo mạch ngắn, sinh khối vi sinh vật, CO2, H2 Tuy nhiên chỉ một chủng vi sinh vật thì chưa đủ để lên men tuyệt đối prebiotic mà cần sự phối

hợp của nhiều chủng khác nhau Ví dụ như các chủng Bacteroides có khả năng sử dụng carbohydrate có chỉ số polymer hoá (DP) cao, trong khi các chủng Bifidobacteria chỉ sử

dụng được các loại carbohydrate với chỉ số DP thấp

Khả năng lên men của prebiotic còn phụ thuộc vào cấu trúc của nó Prebiotic mạch thẳng thì dễ lên men hơn prebiotic mạch nhánh Prebiotic có cấu trúc càng giống tự nhiên thì càng dễ tiêu thụ bởi các vi sinh vật đường ruột

Hình: Tỉ lệ phân tử lượng của acetate, propionate, và butyrate được sinh ra do quá trình lên

men prebiotic bởi hệ vi sinh vật có trong phân người (d)

Trong một số nghiên cứu khác đã khẳng định prebiotic, đặc biệt là inulin có khả năng

kích thích sự phát triển của Bifidobacteria (d)

Các khí gas sinh ra trong quá trình lên men prebiotic còn có tác dụng tăng nhu động ruột, làm nhuận tràng giảm táo bón Tuy nhiên chúng cũng là nguyên nhân của việc hạn chế liều lượng prebiotic sử dụng, bởi quá nhiều prebiotic có trong thực đơn sẽ gây đầy hơi Ngoài tác dụng đối với hệ vi sinh vật thuộc đường tiêu hoá, prebiotic còn có một số

ưu điểm khác như không làm tăng cholesterol trong máu, tăng khả năng hấp thụ khoáng đặc biệt là Ca và Mg và chống lại một số bệnh ung thư do vi khuẩn đường ruột gây ra

Các loại prebiotic

Inulin: C6nH10n+2O5n+1

Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Inulin Hình: cấu trúc hoá học của inulin

Inulin là chất có vị ngọt tinh tế có thể dùng thay cho đường, bột và chất béo Inulin đã được chứng minh có vai trò như prebiotic

Cấu trúc hoá học của inulin:

Inulin là một polymer mạch thẳng được cấu tạo từ các đơn phân là fructose, các monomer này liên kết với nhau bằng liên kết β-(2-1) glycosidic, và mạch polymer thường tận cùng bằng gốc glucose

Inulin tận cùng bằng gốc glucose được gọi là alpha-D-glucopyranosyl-[beta-D-fructofuranosyl] (n-1) -D-fructofuranosides (GpyFn)

Inulin tận cùng không có gốc glucose được gọi là beta-D-fructopyranosyl-[D-fructofuranosyl] (n-1) -D-fructofuranosides (FpyFn).

Do được tạo thành bởi các liên kết β-glucosidic nên inulin không bị thuỷ phân bởi các enzyme có trong đường tiêu hoá mà chỉ bị thuỷ phân một phần bởi enzyme endoinulinase (EC 3.2.1.7) thành oligofructose

Nguồn sản xuất inulin:

Inulin được chiết tách từ thực vật thuộc họ Composithae ví dụ như rau diếp xoăn

Inulin có nguồn gốc tự nhiên là những inulin không phân nhánh thường được tách chiết từ

rễ Loại inulin này có đơn phân là glucose, fructose, sucrose Mức độ polymer hoá (DP) của inulin từ rau diếp xoăn từ 2 đến 60 với giá trị polymer hoá trung bình (DPav) là 12 Sở dĩ có chỉ số polymer hoá trung bình vì inulin có nguồn gốc thực vật thường là một hỗn hợp có mức độ polymer hoá khác nhau Chỉ có 10% inulin từ rau diếp xoăn có chỉ số DP từ 2(F2) đến 5(GF4) (a)

Từ inulin người ta sản xuất oligofrutose, loại oligofructose này có chỉ số DP từ 2 – 7 với DPav = 4, bao gồm oligosaccharide mạch thấp như 1-kestotriose, 1,1-kestotetraose, 1,1,1-kestopentaose cũng như inulobiose, inulotriose và inulotetraose Loại oligofructose thường là hỗn hợp chứa cả GpyFn và FpyFn Oligofructose cũng có thể tổng hợp nhở enzyme

β-frructosidase (EC 3.2.1.7) thu nhận từ Aspergillus niger Phản ứng tổng hợp này phỏng

theo cơ chế tổng hợp oligossacharide trong thực vật với cơ chất là sucrose kết hợp với 1, 2 hay 3 phân tử fructose Sản phẩm này có DP từ 2 đến 4 với DPav = 3.6 và tất cả sản phẩm đều là GpyFn Oligofructose còn được gọi với một tên khác là fructooligosaccharide, chỉ những inulin oligomers với DPmax <10 (b)

Oligofructose phối hợp với inulin cao phân tử tạo nên sản phẩm Synergy Tuỳ theo các chỉ số DP, DPav, DPmax mà các sản phẩm Synergy có sự khác biệt ít nhiều (a)

Hình: Mối quan hệ giữa inulin, oligofructose và các dẫn xuất của chúng (b)

Tác dụng của inulin:

Cho đến ngày nay tác dụng của inulin đã được nghiên cứu khá nhiều và khá hoàn thiện Vai trò lớn nhất của inulin là cân bằng hệ vi sinh vật đường ruột (ở ruột già) trong

đó chúng sẽ kích thích các vi sinh vật có lợi cho sức khoẻ như lactobacilli, bifidobacteria, fusobacteria và ức chế sự phát triển của một số vi sinh vật có hại như Escherichia coli, clostridia, veillonellae, candida Cho đến nay cơ chế ảnh hưởng của inulin lên sự phát triển

của các vi khuẩn có lợi vẫn chưa được làm rõ Tuy nhiên người ta đã đưa ra phỏng đoán, các vi sinh vật này có khả năng tiết ra enzyme ngoại bào inulinase có khả năng phân giải inulin, sử dụng inulin như là một nguồn dinh dưỡng của chúng (b)

Inulin GpyFn (n = 2 ÷ 60, Dpav = 12)

Oligofructose G

pyF

n và F

pyF n (n = 2 ÷ 7, Dpav = 4)

Inulin HP GpyFn (n = 10 ÷ 60, Dpav = 25)

Synergy 1

GpyFn và FpyFn (n = 2 ÷ 7 và 10 ÷60)

Phân tách

β-fructosidase endoinulinase

Gibson & Wang (1994) đã tiến hành nuôi các chủng vi khuẩn Bifidobacteria, Escherichia coli, Clostridium perfringens trên môi trường chứa inulin và các môi trường có nguồn cacbon khác Kết quả cho thấy Bifidobacteria phát triển tốt trên môi trường chứa inulin, trong khi đó Escherichia coli, Clostridium perfringens hầu như không phát triển trên

môi trường chứa inulin Gibson và Wang đồng thời tiến hành nghiên cứu tác động của inulin lên hệ vi sinh vật từ phân người, kết quả đạt được cho thấy inulin là một tác nhân

kích thích sự phát triển của chủng Bifidobacteria Khi so sánh tác dụng của inulin, oligofructose và sucrose đối với Bifidobacteria thì oligofructose cho kết quả tốt nhất.

Kaplan & Hutkins (2000) tiến hành sàng lọc 28 chủng vi khuẩn sinh acid lactic và

Bifidobacteria dựa trên khả năng sử dụng inulin và oligosaccharide trên môi trường rắn

MRS cho thấy 12 trên 16 chủng vi khuẩn sinh acid lactic và 7 trên 8 chủng vi khuẩn

Bifidobacteria có khả năng dùng inulin và oligosaccharide Đồng thời bằng kỹ thuật phân

tích phân tử Sghir và cộng sự (1998) lại khẳng định một lần nữa vi khuẩn Bifidobacteria và

vi khuẩn sinh acid lactic có thể sử dụng inulin và oligofructose Và oligofructose có khả năng kích thích sự phát triển của những chủng vi khuẩn này

Từ những kết quả khả quan của thực nghiệm in vitro tác dụng của inulin tiếp tục được kiểm tra trên mô hình chuột và người Phương pháp tiến hành là xác định lượng vi khuẩn

có lợi ban đầu trong phân, sau đó cho các đối tượng thử nghiệm ăn các khẩu phần có inulin với hànm lượng khác nhau Khảo sát sự thay đổi của các vi khuẩn có lợi sau khi đã ăn inulin

Kruse và cộng sự (1999) đã nghiên cứu ảnh hưởng của inulin trên 8 người khoẻ mạnh Những đối tượng thử nghiệm này được cho ăn inulin với hàm lượng 15% trong khẩu

phần ăn Kết quả cho thấy số lượng vi khuẩn Bifidobacteria tăng rõ rệt trong khi lượng acid

béo mạch ngắn (SCFA), lượng lipid trong máu và khí gas sinh ra hầu như không đổi

Gibson và cộng sự (1995) cũng tiến hành nghiên cứư khả năng kích thích

Bifidobacteria của inulin và oligosaccharide Kết quả cho thấy cả hai loại này đều có khả

năng kích thích sự phát triển của Bifidobacteria, đồng thời lượng vi khuẩn Bacteroides, Clostridia và Fusobacteria giảm dưới tác dụng của oligofructose, lượng cầu khuẩn Gram dương giảm dưới tác dụng của inulin Tổng số vi khuẩn hầu như không đổi và rất ít SCFA cũng như khí gas sinh ra

Tác dụng của inulin trên các đối tượng khác nhau với các liều dùng khác nhau cũng

đã được khảo sát Bouhnik và cộng sự (1999) đã tiến hành nghiên cứu liều lượng

oligofructose lên sự phát triển của Bifidobacteria Ông đã đưa ra kết luận với liều lượng 10g/ngày oligofructose cho kết quả tốt nhất mà không gây ra tác dụng phụ gì

Những kết quả trên đã chứng minh inulin hoàn toàn có khả năng tăng cường sự phát triển của các vi sinh vật có lợi trong đường ruột, từ đó giúp cân bằng hệ vi sinh vật đường ruột, giải quyết các bệnh đường ruột

Bên cạnh tác dụng giúp cân bằng hệ vi sinh vật đường ruột, inulin còn có tác dụng có lợi cho sức khoẻ khác như tăng cường sự hấp thụ khoáng chất, đặc biệt là Ca, Mg, giảm cholesterol trong máu … Với những ưu thế như vậy, inulin đã được đưa vào các sản phẩm sữa chức năng chữa bệnh đường ruột

Bảng: Tóm lược những kết quả đạt được trong nghiên cứu ảnh hưởng của inulin lên sự phát trỉên của bifidobacteria,

khảo sát trên phân người (a)

A: liều lượng inulin sử dụng (g/ngày); N: absolute number: B: số lượng Bifidobacteria ban đầu tính bằng log10cfu/g phân

người; C: số lượng Bifidobacteria tại thời điểm cao nhất tính bằng log10cfu/g phân người;

Bảng: Một số nghiên cứư tác dụng của inulin trên vi khuẩn khác ngoài Bifidobacteria trên các đối tượng nghiên cứu khác

nhau; (a)

Liều

dùng

Thời gian

nghiên cứu

Số đối tượng nghiên cứu

6.6 3 31 trưởng thành Clostridia giảm, Bacteroides tăng Tuohy và cộng sự, 2001

Bảng: Tóm lược những kết quả đạt được trong nghiên cứu vai trò oligofructose ©

Trans-galactooligosaccharide (TOS):

Trans-galactooligosaccharides (TOS) là một prebiotic thường được sử dụng trong các sản phẩm sữa, TOS cũng tồn tại một lượng rất thấp trong sữa người Trong công nghiệp, TOS được tổng hợp từ lactose thông qua phản ứng transgalactosyl bằng enzyme β

-galactosidase từ Aspergillus oryzae Nguồn nguyên liệu sản xuất TOS là lactose trong

whey

Thành phần của TOS:

TOS là một polymer có đơn phân là lactose liên kết với nhau bằng liên kết β-(1-4), β -(1-3), β-(1-6) glycosid và mạch polymer bắt đầu bằng phân tử glucose ở đầu khử.(f) TOS

là một hỗn hợp các oligosaccharide với chỉ số DP từ 2 – 6 phụ thuộc vào nguồn enzyme sử dụng để tổng hợp

Bảng: thành phần của trans-galactooligosaccharides: (f)

Trisaccharides 50 %

Gal (β1-6) Gal (β1-4) Glc Gal (β1-3) Gal (β1-4) Glc Gal (β1-4) Gal (β1-4) Glc Gal (β1-4) Gal (β1-6) Glc Tetrasaccharides 35 %

Gal (β1-6) Gal (β1-6) Gal (β1-4) Glc Gal (β1-3) Gal (β1-6) Gal (β1-4) Glc Gal (β1-6) Gal (β1-3) Gal (β1-4) Glc Penta- và hexa

Gal (β1-6) Gal (β1-6) Gal (β1-6) Gal (β1-4) Glc Gal(β1-6)Gal(β1-6)Gal(β1-6)Gal(β1-6)Gal(β1-4)Glc Gal: galactose, Glu: glucose

Đặc tính của TOS: (g)

TOS có khả năng hút ẩm tốt và độ tan cao

Độ ngọt của TOS bằng 1/3 của đường sucrose

Qui trình sản xuất Galactooligosaccharide (GOS) (g)

Enzyme β-galactosidase thường sử dụng là enzyme có nguồn gốc từ nấm men, nấm mốc, hoặc vi khuẩn Enzyme này thường cố định trên chất mang (microparticle) như nhựa trao đổi ion, chitosan, cellulose hay agarose (bead) hay màng cotton Loại enzyme và điều kiện phản ứng ảnh hưởng đến liên kết hình thành

Khử màu phản ứng có thể bằng than hoạt tính hoặc bằng phương pháp lọc

Sản phẩm của quá trình sản xuất chứa 24 – 55% oligosaccharides và một lượng nhỏ lactose, glucose và galactose

Để nâng cao năng suất sản xuất GOS, enzyme β-galactosidase từ chính vi khuẩn

Bifidobacteria được sử dụng Theo phương pháp này các chủng vi khuẩn Bifidobacteria được nuôi cấy để thu GOS.

Bảng: các nghiên cứu sử dụng các vi sinh vật khác nhau để sản xuất GOS từ lactose

Lactose tinh sạch từ whey

Transglycosyl hoá

β-galactosydase

Khử màu

Cô đặc

GOS

GOS dạng syrup

Sấy

GOS dạng bột

Tác dụng của trans-galactooligosaccharide:

Tương tự như inulin, TOS cũng có tác dụng làm cân bằng hệ vi sinh vật đường ruột Tanaka và cộng sự đã chứng minh vi sinh vật đường ruột có thể sử dụng TOS như

một nguồn dinh dưỡng Ông tiến hành thí nghiệm với 8 chủng Bifidobacteria, 5 chủng Bacteroides, 3 chủng Fusobacteria, 6 chủng Eubacteria, 8 chủng Clostridia, chủng Propionibacterium acnes, 8 chủng Lactobacilli, 8 chủng Streptococci, 4 chủng