TÌM HIỂU PREBIOTIC TRONG CÁC SẢN PHẨM SỮA

TÌM HIỂU PREBIOTIC TRONG CÁC SẢN PHẨM SỮA

GVHD : ThS NGUY ỄN THỊ HỒNG HẠNH

KS NGÔ LÂM TU ẤN ANH

Tp.H ồ Chí Minh, 07/2010

1 Tên đồ án : Tìm hiểu prebiotic trong các sản phẩm sữa

2 Nhi ệm vụ đồ án: Tổng quan tài liệu nhằm tìm hiểu những vấn đề sau:

- Tìm hiểu về prebiotic: bản chất, tác dụng đối với sức khỏe và cơ chế tác

dụng,…

- Tìm hiểu các prebiotic được sử dụng phổ biến trong sữa

- Tìm hiểu các nghiên cứu về phương pháp sản xuất các sản phẩm chứa prebiotic

3 Ngày giao nhi ệm vụ đồ án: 01/03/2010

4 Ngày hoàn thành đồ án: 08/07/2010

N ội dung và yêu cầu Đồ án tốt nghiệp đã được thông qua

Ngày… tháng……năm 2010

(Ký và ghi rõ h ọ tên) (Ký và ghi rõ h ọ tên)

i

L ỜI CẢM ƠN

Từ khi bắt đầu thực hiện đến khi hoàn thành đồ án này, tôi đã luôn cố gắng và học

hỏi nhiều từ sách vở, internet và thực tế cuộc sống Tôi cũng nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và hỗ trợ từ gia đình, thầy cô và bạn bè của tôi Tôi cảm thấy mình thực sự may mắn và hạnh phúc khi đón nhận được tất cả những giúp đỡ đó

Lời cảm ơn đầu tiên, tôi muốn gửi đến những nhà tiên phong trong khoa học thực

phẩm, những người xây dựng mạng lưới internet phát triển như ngày nay và những người vô danh chia sẻ những tài liệu quý báu trên internet Họ là những người đưa tôi đến với những chân trời mới của khoa học thực phẩm

Tôi xin gửi lời cảm ơn cô Nguyễn Thị Hồng Hạnh đã cho tôi biết những khó khăn

sẽ gặp phải khi làm đồ án Cô cũng là người gợi ý cho tôi cách giải quyết những khó khăn đó Những chia sẻ của cô thật sự rất có ích cho cách suy nghĩ c ủa tôi khi giải quyết vấn đề

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Ngô Lâm Tuấn Anh Thầy đã trao đổi những kiến

thức và vấn đề trong đồ án để tôi có thể hoàn thiện đồ án tốt hơn

Tôi chân thành cảm ơn những thầy cô đã giảng dạy tôi ở trường Đại học Sư Phạm

Kỹ Thuật Họ là những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu để tôi có

thể lĩnh hội những điều mới mẻ khác của khoa học

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn đồng khóa 2006 với tôi Chúng tôi đã luôn động viên, trao đổi những kiến thức để cùng nhau tiến bộ Tôi đặc biệt cảm ơn

những tình cảm đặc biệt của các bạn dành cho tôi Đó là nguồn động viên rất lớn giúp tôi có tinh thần sảng khoái khi thực hiện đồ án

Tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt đến bạn Cao Thị Thu Hằng, bạn thời phổ thông

của tôi Bạn đã cho tôi những tài liệu y khoa rất hữu ích và thú vị

Cuối cùng, tôi muốn bố mẹ tôi biết rằng tôi luôn thầm cảm ơn họ vì họ luôn dõi theo và tin tưởng tôi Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến em gái tôi vì đã luôn như ờng nhịn tôi rất nhiều Tôi sẽ luôn ghi nhớ những tình cảm mà gia đình dành cho tôi

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2010

Hu ỳnh Thị Kiều Vũ

Prebiotic được định nghĩa bởi Gibson vào năm 1995 Ngày nay, theo cách hiểu thông thường, nếu probiotic là vi khuẩn có lợi cho sức khỏe thì prebiotic là thức ăn cho vi khuẩn probiotic Probiotic và prebiotic cùng tác động trực tiếp đến hệ tiêu hóa

và vi sinh vật đường ruột từ đó tác động đến toàn bộ cơ thể

Hệ tiêu hóa bao gồm ống tiêu hóa và các cơ quan phụ khác Hệ vi sinh vật đường

ruột cư trú khắp ống tiêu hóa Trong đó, hệ vi sinh vật ở ruột già có số lượng lớn nhất Chúng có vai trò quan trọng trong chuyển hóa thức ăn trước khi bị tống thoát theo phân ra ngoài, tổng hợp một số vitamin và chống viêm nhiễm vi sinh vật từ ngoài vào

Hệ vi sinh vật đường ruột rất đa dạng về chủng loại nhưng được chia thành hai loại chính: vi khuẩn có lợi và vi khuẩn gây hại Vi khuẩn có lợi được biết đến nhiều là bifidobacteria và lactobacilli Sự cân bằng giữa vi khuẩn có lợi và vi khuẩn gây hại là

yếu tố quyết định đến sức khỏe của con người Đây cũng là cơ chế tác động chính của prebiotic và probiotic cơ thể con người

Cho đến nay, các prebiotic được xác định chủ yếu là các carbohydrate hòa tan Tuy nhiên, không phải các carbohydrate nào cũng là prebiotic Đ ể được xem là prebiotic, chúng phải có đủ ba tiêu chuẩn là kháng tiêu hóa, có khả năng lên men và

có tính lên men chọn lọc Hiện nay, có ba loại prebiotic được sử dụng phổ biến là inulin/ fructooligosaccharide, galactooligosaccharide và lactulose

Prebiotic có bản chất là carbohydrate nên nó có các đặc tính công nghệ tốt Ngoài

ra, các carbohydrate đã có l ịch sử sử dụng trong công nghệ thực phẩm từ lâu Do đó, prebiotic có khả năng được ứng dụng trong nhiều loại sản phẩm thực phẩm khác nhau Prebiotic có tác dụng cải thiện sức khỏe và phòng chống một số bệnh Prebiotic có

khả năng chống viêm nhiễm vi sinh vật, cải thiện sự tiêu hóa và hấp thu, kiểm soát lipid và glucose trong máu Ngoài ta, prebiotic có khả năng phòng chống ung thư đại tràng và giảm chứng táo bón,…Tất cả những nội dung trên được trình bày cụ thể trong chương 2

Trong chương 3, fructooligosaccharide và galactooligosaccharide sẽ được giới thiệu chi tiết hơn Chúng là những prebiotic được bổ sung phổ biến trong các sản

phẩm sữa

iii

galactooligosaccharide được sản xuất thương mại nhờ enzyme β-galactosidase Sản

phẩm là hỗn hợp của các oligosaccharide được cấu tạo bởi các đơn vị galactopyranosyl, được nối với nhau bởi liên kết β-(1-6) hay β-(1-4)

Fructooligosaccharide là tên gọi chung để chỉ các prebiotic có bản chất là

fructan-loại inulin Fructooligosaccharide được sản xuất thương mại theo hai phương pháp: phương pháp chiết tách bằng hơi nước nóng (và thủy phân bằng enzyme inulinase), và phương pháp tổng hợp bởi enzyme β-fructofuranosidase Sản phẩm là hỗn hợp của các oligosaccharide được cấu tạo bởi các đơn vị fructofuranosyl, được nối với nhau bởi liên kết β-(2-1)

Galactooligosaccharide và fructooligosaccharide thường được bổ sung trong công

thức dinh dưỡng cho trẻ với tỉ lệ là 9 : 1 Hàm lượng của hỗn hợp là 0.8g/100 ml

Ngoài ra, prebiotic có thể được tổng hợp ngay trong các sản phẩm sữa Chương 4

giới thiệu hai nghiên cứu về phương pháp sản xuất sữa chứa galactooligosaccharide

Đó là hai nghiên cứu sử dụng β-galactosidase để tổng hợp galactooligosaccharide từ lactose có trong sữa Một nghiên cứu giới thiệu cách sản xuất sữa tươi chứa galactosidase từ sữa tươi nguyên liệu Một nghiên cứu khác giới thiệu cách sản xuất các sản phẩm phô mai chứa galactooligosaccharide từ sữa tươi nguyên liệu và các thành phần sữa khác

Trong tương lai, prebiotic và các sản phẩm sữa chứa prebiotic sẽ phát triển nhanh chóng Các sản phẩm khác sữa chứa prebiotic sẽ ngày càng đa dạng

iv

M ỤC LỤC

Trang bìa

Nhiệm vụ đồ án

Lời cảm ơn i

Tóm tắt đồ án ii

Mục lục iv

Danh sách hình vẽ vii

Danh sách bảng biểu viii

Danh sách các từ viết tắt ix

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Giới thiệu vấn đề 1

1.2 Giới hạn và mục tiêu tìm hiểu 2

1.3 Hạn chế của đồ án 2

1.4 Ý nghĩa khoa học 2

CHƯƠNG 2: PREBIOTIC 3

2.1 Tìm hiểu hệ tiêu hóa 3

2.1.1 Cấu tạo hệ tiêu hóa 3

2.1.2 Giải phẫu đường ruột và chức năng của đường ruột 4

2.1.3 Hệ vi sinh vật đường ruột 5

2.1.4 Phân loại chất dinh dưỡng 10

2.2 Khái niệm Prebiotic 12

2.2.1 Định nghĩa 12

2.2.2 Tiêu chuẩn đánh giá 12

2.2.3 Các loại prebiotic 15

2.2.4 Đặc tính hoá học của prebiotic 16

2.3 Những tính chất có lợi của prebiotic 17

v

2.3.2 Tác dụng của prebiotic đối với sức khỏe con người 18

2.3.3 Các vấn đề khi sử dụng prebiotic 23

2.4 Phương pháp sản xuất prebiotic 24

2.5 Probiotic và synbiotic 28

2.5.1 Probiotic 28

2.5.2 Synbiotic 31

CHƯƠNG 3: CÁC PREBIOTIC ĐƯỢC BỔ SUNG TRONG CÁC SẢN PHẨM SỮA 32 3.1 Galactooligosaccharide (GOS) 32

3.1.1 Giới thiệu về GOS 32

3.1.2 Kỹ thuật sản xuất GOS 33

3.1.3 Các đặc tính công nghệ của GOS 39

3.2 Fructooligosaccharide (FOS) 40

3.2.1 Giới thiệu về FOS 40

3.2.2 Kỹ thuật sản xuất FOS 42

3.2.3 Các đặc tính công nghệ của FOS 46

3.3 Bổ sung FOS, GOS trong các sản phẩm sữa 47

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT SẢN PHẨM SỮA CHỨA GOS 49

4.1 Giới thiệu vấn đề 49

4.2 Nghiên cứu sản xuất sữa tươi giàu GOS và ít lactose 51

4.2.1 Nguyên liệu 52

4.2.2 Lọc ultra 52

4.2.3 Xử lí với β-galactosidase 53

4.3 Nghiên cứu sản xuất các sản phẩm phô mai giàu GOS và ít lactose 54

4.3.1 Hai loại phô mai nghiên cứu – phô mai cottage và phô mai cream 54

4.3.2 Các quy trình sản xuất sản phẩm phô mai giàu GOS và ít lactose 57

vi

lactose 62

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 65 TÀI LI ỆU THAM KHẢO 66

vii

DANH SÁCH HÌNH V Ẽ

Hình 2.1 Hệ tiêu hóa ở người 3

Hình 2.2 Giải phẫu thành ruột non 4

Hình 2.3 Sơ đồ chuyển hóa các chất dinh dưỡng 11

Hình 2.4 Khả năng chuyển hóa của prebiotic trong đường ruột 14

Hình 2.5 Cơ chế chống viêm nhiễm vi sinh vật gây hại của prebiotic 19

Hình 2.6 Sơ đồ sản xuất một số prebiotic theo các phương pháp khác nhau 25

Hình 2.7 Tác động của prebiotic và probiotic đến hệ vi sinh vật ruột già 29

Hình 3.1 Cấu trúc phân tử của GOS 32

Hình 3.2 Cơ chế phản ứng galactosyl hóa 35

Hình 3.3 Cấu trúc phân tử của allolactose và galactobiose 36

Hình 3.4 Sơ đồ quy trình sản xuất GOS trên quy mô công nghiệp 38

Hình 3.5 Sơ đồ quy trình sản xuất inulin và oligofructose 43

Hình 3.6 Quá trình tổng hợp scFOS 44

Hình 3.7 Sơ đồ quy trình sản xuất scFOS 45

Hình 4.1 Sự phân bố chứng không dung nạp lactose 50

Hình 4.2 Sơ đồ quy trình sản xuất sữa tươi giàu GOS, ít lactose 51

Hình 4.3 Sơ đồ quy trình sản xuất truyền thống 2 loại phô mai tươi 55

Hình 4.4 Sơ đồ quy trình sản xuất phô mai cottage giàu GOS 57

Hình 4.5 Sơ đồ quy trình sản xuất phô mai cream theo phương pháp không tách whey 59

Hình 4.6 Sơ đồ quy trình sản xuất phô mai cream theo phương pháp kết hợp 60

Hình 4.7 Sơ đồ quy trình sản xuất phô mai cream theo phương pháp thu hồi GOS 61

viii

DANH SÁCH B ẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các vi khuẩn kị khí chủ yếu trong ruột già 7

Bảng 2.2 Phân loại prebiotic theo độ dài mạch carbon 15

Bảng 2.3 Phân loại prebiotic theo nguyên liệu sản xuất 16

Bảng 2.4 Các nhà sản xuất prebiotic trên thế giới 26

Bảng 2.5 Các vi sinh vật probiotic 30

Bảng 3.1 Một số loài vi sinh vật được sử dụng trong sản xuất GOS thương mại 34

Bảng 3.2 Các loại fructan trong tự nhiên 40

Bảng 3.3 Một số nguyên liệu thực phẩm chứa inulin 42

Bảng 3.4 Các sản phẩm sữa được bổ sung prebiotic FOS ở châu Âu 48

ix

DANH SÁCH CÁC T Ừ VIẾT TẮT

BCFA – Branched chain fatty acid 7

SCFA – Short chain fatty acid 8

GOS – Galactooligosaccharide 15

FOS – Fructooligosaccharide 15

DP – Degree of polymerization 16

Ut/Uh – Transglycosylating activity/ hydrolytic activity 36

E/S – Enzyme/Substrate 53

từ những tháng đầu đời, trẻ đã nhận được nguồn dinh dưỡng đầu tiên và duy nhất là

sữa mẹ Khi lớn lên, con người tiếp tục tiêu thụ nguồn dinh dưỡng cân đối ấy từ nhiều nguồn khác nhau như bò, cừu, trâu, dê, ngựa,…

Các nhà sản xuất trong công nghiệp chế biến sữa không ngừng cung cấp các sản

phẩm sữa với nhiều chủng loại khác nhau, phù hợp với sở thích và lứa tuổi của người tiêu dùng Các nhà khoa học dinh dưỡng cũng không ngừng tìm hiểu, nghiên cứu và tư

vấn các nhà sản xuất những thành phần hỗ trợ tích cực cho những chức năng đặc biệt

của cơ thể Từ đó, ngày càng có nhiều sản phẩm mới từ sữa ra đời Đó là các sản phẩm được bổ sung giá trị dinh dưỡng dành cho những đối tượng đặc biệt như trẻ em ở các

độ tuổi khác nhau, phụ nữ mang thai, người ốm, người chơi thể thao, người già,… Ngoài ra, đó cũng có thể là các sản phẩm sữa được bổ sung thành phần có lợi cho sức

khỏe Các sản phẩm loại này đang được chú ý và phát triển rất nhanh vì các sản phẩm này tập trung khả năng có lợi sức khỏe cho tất cả các đối tượng tiêu dùng

Các sản phẩm sữa có lợi cho sức khỏe được biết đến nhiều là các sản phẩm cải thiện hệ tiêu hóa, hỗ trợ chức năng miễn dịch của cơ thể Đó là các sản phẩm sữa probiotic Hiện nay sản phẩm Yakult của công ty Honsha (Nhật Bản) là sản phẩm sữa probiotic thành công nhất trên toàn thế giới [27]

Một thuật ngữ gắn liền với probiotic là prebiotic Prebiotic và probiotic có những đặc tính có lợi cho sức khỏe tương tự nhau [94] Probiotic được biết đến là những lợi khuẩn và prebiotic là những oligosaccharide để vi khuẩn probiotic sử dụng Trên thực

tế, probiotic đã đư ợc phát hiện và nghiên cứu hơn một trăm năm nay, trong khi thuật

ngữ prebiotic chỉ được phát hiện và phát triển gần đây [12]

Trên thế giới, prebiotic đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại sản phẩm khác nhau, đặc biệt là trong các sản phẩm sữa Ở Việt Nam, prebiotic chỉ xuất hiện trong các sản phẩm sữa bột dành cho trẻ em của các công ty sữa hàng đầu trên thế giới

Vì vậy, khái niệm prebiotic vẫn còn khá xa lạ với hầu hết người tiêu dùng và là đề tài

mới mẻ đối với ngành công nghệ thực phẩm

2

1.2 Gi ới hạn và mục tiêu tìm hiểu

Các sản phẩm sữa chứa prebiotic chủ yếu là do prebiotic được bổ sung vào Hơn

nữa, các sản phẩm sữa rất đa dạng nhưng chỉ có rất ít sản phẩm được bổ sung prebiotic Vì vậy, đồ án tập trung vào prebiotic như là một thành phần riêng biệt được

bổ sung vào các sản phẩm sữa:

• Tìm hiểu về prebiotic: Định nghĩa và bản chất của prebiotic; các loại prebiotic và phương pháp sản xuất chúng; tác dụng của prebiotic đối với sức khỏe con người

và cơ chế tác động đến sinh lý

• Đồng thời, tìm hiểu khái niệm probiotic và synbiotic

• Tìm hiểu các loại prebiotic được bổ sung phổ biến trong các sản phẩm sữa

Ngoài ra, trong các sản phẩm sữa lên men có các vi khuẩn có lợi tạo ra những exopolysaccharide từ các đường đơn và đường đôi trong sản phẩm Vì vậy, mục tiêu

của đồ án còn tìm hiểu những phương pháp nghiên cứu sản xuất sữa và các sản phẩm

sữa chứa prebiotic (oligosaccharide) nhờ quá trình tổng hợp prebiotic ngay trong sữa

1.3 H ạn chế của đồ án

Khi tìm hiểu những thực phẩm chức năng và tìm hi ểu cơ chế tác động của chúng đến sức khỏe sẽ cần đến kiến thức về sinh lý học con người, sinh lý bệnh,…Vì vậy, ranh giới giữa khoa học thực phẩm, khoa học dinh dưỡng và y khoa có thể là giới hạn trong việc giải thích các cơ chế và trình bày theo quan điểm khoa học thực phẩm

Đề tài về prebiotic vẫn còn mới, còn nhiều tranh cãi và đang đư ợc nghiên cứu Vì

vậy, đồ án này không thể giải đáp hết những thắc mắc cũng như trình bày hết những ý

kiến tranh cãi xoay quanh prebiotic

1.4 Ý ngh ĩa khoa học

Đồ án “Tìm hiểu prebiotic trong các sản phẩm sữa” cập nhật những kiến thức

mới về khoa học dinh dưỡng và khoa học thực phẩm trên thế giới Đồ án sẽ là nguồn tài liệu khoa học tiếng Việt hữu ích về thành phần và chức năng prebiotic Nó góp

phần cải thiện và bổ sung vào tài liệu học thuật về prebiotic ở Việt Nam

Đồ án có thể được dùng để tham khảo và nghiên cứu trong công nghiệp chế biến

sữa cũng như trong lĩnh vực thực phẩm chức năng ở Việt Nam

Đồ án có thể là cơ sở để đưa ra những hướng nghiên cứu phát triển sản phẩm mới trong ngành công nghệ chế biến thực phẩm

3

CHƯƠNG 2: PREBIOTIC

2.1 Tìm hi ểu hệ tiêu hóa

2.1.1 C ấu tạo hệ tiêu hóa

Hệ tiêu hóa bao gồm ống tiêu hóa và các cơ quan phụ khác để thực hiện chức năng

tiêu hóa thức ăn, hấp thu nước và các chất dinh dưỡng, thải các chất bã ra ngoài Ống tiêu hóa là một ống dài với những đoạn được phân hóa và có kích thước khác nhau Ống tiêu hóa xuất phát từ miệng, qua hầu, thực quản, dạ dày, ruột non, ruột già

và tận cùng tại hậu môn

Các cơ quan phụ gồm tuyến nước bọt, tuyến tụy, gan và túi mật [5]

Hình 2.1 H ệ tiêu hóa ở người.[137]

Ruột già Tuyến nước bọt

Cơ thắt hậu môn

4

2.1.2 Gi ải phẫu đường ruột và chức năng của đường ruột

Điển hình cho cấu trúc thành đường ruột là thành ruột non Từ ngoài vào trong có các lớp: thanh mạc; tầng cơ gồm lớp cơ dọc và lớp cơ vòng; tầng dưới niêm mạc; tầng niêm mạc Tầng niêm mạc bao gồm lớp biểu mô, lớp đệm và cơ niêm Giữa hai lớp cơ

dọc và cơ vòng có các đám r ối thần kinh cơ Giữa lớp dưới niêm mạc và lớp cơ vòng

có các đám rối dưới niêm tạo thành hệ thống thần kinh nội tại của ruột

Niêm mạc ruột có rất nhiều nếp gấp, làm tăng diện tích hấp thu lên ba lần Trên bề

mặt niêm mạc có rất nhiều nhung mao, làm tăng diện tích lên thêm mười lần Mỗi tế bào biểu mô trên nhung mao lại có rất nhiều vi nhung mao tạo thành bờ bàn chải làm tăng diện tích lên thêm hai mươi lần Ba yếu tố trên cộng lại làm tăng diện tích hấp thu

của ruột non lên 600 lần [5]

Hình 2.2.Gi ải phẫu thành ruột non [138]

Ruột non có chiều dài khoảng 5 m và được chia làm 3 đoạn: tá tràng, hỗng tràng

và hồi tràng Ruột non là nơi quan trọng nhất thực hiện quá trình tiêu hóa và hấp thu

thức ăn, với sự hỗ trợ của tuyến tụy và mật

Ruột non nhận thức ăn đã đư ợc nhào trộn (dưỡng trấp) từ dạ dày Ở ruột non có các tuyến Brunner bài tiết chất nhầy để bảo vệ niêm mạc ruột, các tuyến Lieberkuhn bài tiết chất dịch để giúp hòa tan các chất trong dưỡng trấp và các tế bào biểu mô tiết

Tầng cơ

Mạch bạch huyết Mao mạch Lòng ruột

5

các enzyme tiêu hóa lên bờ bàn chải để tiêu hóa các thành phần của dưỡng trấp Đồng

thời, bờ bàn chải cũng là nơi hấp thu các chất dinh dưỡng vào máu đi khắp cơ thể Tuyến tụy cung cấp các enzyme hỗ trợ cho quá trình tiêu hóa và ion bicarbonate

để trung hòa acid trong dư ỡng trấp Mật được tạo ra từ các tế bào gan và rất cần thiết cho sự tiêu hóa và hấp thu mỡ, nhờ tác dụng nhũ tương hóa mỡ và tạo thành các hạt micelle

Ruột già gồm có chiều dài khoảng 1.5 m và bao gồm các đoạn sau: manh tràng,

kết tràng lên, kết tràng ngang, kết tràng xuống, kết tràng sigma và trực tràng Chức năng của kết tràng là hấp thu nước và chất điện giải từ dưỡng trấp và tích trữ phân cho đến khi phân được tống thoát [5]

Mỗi ngày, mỗi người thải khoảng 150 – 200 g phân Trong đó, nước chiếm 65%

và chất rắn chiếm 35% Thành phần chính tạo thành chất rắn là các chất của thức ăn không được tiêu hóa, các tế bào niêm mạc ruột bong ra, dịch tiêu hóa và xác vi sinh

vật [3] Trong đó, thành phần vi sinh vật trong chất rắn là khoảng 60% [100, 105,120] Ngoài ra, đường ruột là cơ quan có chức năng miễn dịch quan trọng nhất của cơ

thể vì có khoảng 60 - 70% tế bào miễn dịch trong niêm mạc ruột [39,107]

2.1.3 H ệ vi sinh vật đường ruột

2.1.3.1 Thành ph ần hệ vi sinh vật đường ruột

Ống tiêu hóa của con người là một môi trường giàu dinh dưỡng, là nơi cư trú của

gần 100 nghìn tỷ (1014) vi khuẩn [27,39] của khoảng 800 – 1000 loài [117,120,130] thuộc hơn 100 giống khác nhau [94], chủ yếu thuộc 3 ngành Bacteroidetes, Firmicutes,

và Actinobacteria [39] Hệ vi sinh vật đường ruột của người bao gồm khoảng 3% vi khuẩn kị khí tùy tiện và 97% vi khuẩn kị khí bắt buộc [27,65]

Số lượng và thành phần của hệ vi sinh vật đường ruột có khác biệt rất lớn ở từng

vị trí khác nhau của ống tiêu hóa [32,94]:

• Ở vòm miệng, có nhiều giống tồn tại (105 tế bào/ml [80]) như Prevotella,

Porphyromonas, Peptostreptococcus, Bacteroides, Fusobacterium, Eubacterium,

và Desulfovibrio

6

• Khi đến dạ dày, dưới tác dụng của acid (pH~2 [5]) và sự co bóp, chỉ còn lại khoảng 103

tế bào/ml, thuộc một số loài vi khuẩn chịu acid như Streptococcus,

Staphylococcus, Lactobacillus, Helicobacter pylori (Campylobacter [1]) và nấm men

• Ở ruột non, dưới tác dụng của pH ~ 7, muối mật, dịch tụy và sự nhu động ruột (thời gian lưu lại ngắn) nên vi sinh vật hầu như không phát triển Tại đoạn cuối

của hồi tràng, vi khuẩn kị khí gram âm chiếm đ a số với khoảng 104 – 108 tế bào/ml Có các loài kị khí tùy tiện như Lactobacillus, Streptococcus, và

Enterobacterium và các loài k ị khí bắt buộc như Bifidobacterium spp., Bacteroides spp., và Clostridium

• Khi đến ruột già, số lượng các vi sinh vật tăng lên 1010

– 1012 tế bào/gam Trong

ruột già, các loài vi khuẩn kị khí bắt buộc chiếm 99% trong tổng số các loại vi sinh

vật Chúng bao gồm loại Gram dương và loại Gram âm: Bacteroides spp.,

Bifidobacterium spp., Eubacterium spp và các lo ại Clostridia, Ruminococcus spp.,

Butyrovibrio spp., Fusobacterium spp., Eubacterium spp., và Peptostreptococcus

Lượng vi khuẩn kị khí tùy tiện ít hơn khoảng 1000 lần so với loại kị khí bắt buộc Chúng tồn tại ở phần đầu của ruột già Đó là các loài Lactobacillus spp.,

Streptococcus, Enterococcus, Enterobacter, và Propionibacterium Nấm men cũng

tồn tại trong ruột già với số lượng rất thấp, khoảng 102 – 104 tế bào/ml [27, 32, 40,

65, 79, 94, 100]

acetate, propionate, succinate

từ carbohydrate

Lactobacillaceae Leuconostocaceae Bacillaceae Streptococcaceae Eubacteriaceae Staphylococcaceae Peptococcaceae Peptostreptococcaceae

acetate, formate, L- và lactate, butyrate, succinate, propionate từ carbohydrate;

D-BCFA, indole, sulphide, phenol, amine, NH3, H2, CO2,

CH4 từ protein và amino acid

Actinomycetaceae Coriobacteriaceae Corynebacteriaceae Propionibacteriaceae Micrococcaceae

lactate, acetate, formate từ

carbohydrate

Oxalobacteriaceae Pseudomonadaceae Desulfovibrionaceae Helicobacteraceae

lactate, acetate, succinate, formate từ carbohydrate; sulphide từ sulphate, H2S,

2.1.3.2 Vai trò c ủa hệ vi sinh vật ruột già

Vai trò chính của hệ vi sinh vật đường ruột là lên men các thành phần thực phẩm không tiêu hóa được và chất nhầy do biểu mô đường ruột tạo ra Đây là mối quan hệ

cộng sinh giữa con người và hệ vi sinh vật đường ruột Con người có thể sử dụng một

Quá trình phân gi ải saccharide (lên men carbohydrate) diễn ra mạnh nhất ở

manh tràng và kết tràng lên [32, 33] Sản phẩm chính của quá trình lên men carbohydrate là các acid béo mạch ngắn (SCFA), khí và các acid hữu cơ khác [18, 33]

Do đó, môi trường đoạn ruột này có pH thấp, khoảng 5 – 6 [32]

Quá trình lên men carbohydrate tạo ra các acid hữu cơ như lactate, succinate, pyruvate, formate và có thể có ethanol Những sản phẩm này không được hấp thu qua

ruột già nhưng được các vi khuẩn tiếp tục lên men để tạo ra các SCFA [33, 40]

Các SCFA được tạo thành là acetate, propionate và butyrate [33, 40, 85] Loại SCFA và hàm lượng khác nhau dựa trên loại cơ chất carbohydrate Ví dụ, pectin được lên men tạo thành chủ yếu là acetate trong khi tinh bột bền, cám lúa mì kích thích sự

tạo thành butyrate [132] Ngoài ra, có một phần nhỏ valerate and hexanoate [40, 132]

Phần lớn SCFA có thể được hấp thu và oxi hóa, giải phóng CO2, cung cấp khoảng 8 – 10% nhu cầu năng lượng hằng ngày cho vật chủ [33, 70, 110] Chỉ có 5 – 10% SCFA được tìm thấy trong phân Ngoài ra, SCFA còn có những chức năng sinh lý nhất định trong cơ thể [40]:

• Acetate: là sản phẩm lên men bởi nhiều loại vi khuẩn khác nhau như Bacteroides,

Bifidobacterium, Eubacterium,…Acetate dễ dàng được hấp thu và chuyển đến gan

hoặc được chuyển hóa trong cơ, thận, tim và não Khi có nhiều acetate được sinh

ra từ quá trình lên men carbohydrate, acetate sẽ được chuyển đến gan Acetate là SCFA duy nhất đi vào vòng tuần hoàn máu Nó cũng là s ản phẩm quan trọng để

tổng hợp các acid béo mạch dài (LCFA) như glutamine, glutamate và hydroxybutyrate

9

• Propionate: là sản phẩm của Bacteroides, Propionibacterium, và Veillonella Phần

lớn propionate được hấp thu và có thể được dùng để tổng hợp glycogen bằng con đường gián tiếp trong gan Tuy nhiên, việc sử dụng carbon của propionate để tổng

hợp lipid là rất giới hạn Propionate cũng đư ợc xem là ức chế sự tổng hợp cholesterol trong gan

• Butyrate: là sản phẩm của Clostridium, Fusobacterium, Butyrivibrio,

Eubacterium, Peptostreptococcus nhưng không phải là sản phẩm của vi khuẩn lactic [40,82,97,101] Vi khuẩn lactic được xem có vai trò kích thích sự sản sinh butyrate của những loài khác [88] Butyrate không được hấp thu qua ruột nhưng được các tế bào ruột sử dụng [97,110] Butyrate có chức năng điều hòa sự kiểm soát của cơ chế gây chết tế bào theo chương trình ( apoptosis) và điều hòa sự sinh sôi và phân hóa tế bào Nó cũng có nhiều tác động khác nhau lên sự biểu hiện gen

bằng cách tác động đến cấu trúc chromatin thông qua quá trình phosphoryl hóa và acyl hóa protein histone [40, 63]

Các khí chủ yếu bao gồm H2,CO2, CH4, H2S [15, 33, 85] Các khí này không được chuyển hóa mà được thải ra ngoài qua đường hô hấp, hơi rắm, phân [40, 70]

Quá trình phân gi ải protein (lên men protein) diễn ra chủ yếu ở kết tràng xuống

và đoạn sigma [18, 33] Sản phẩm chính của quá trình lên men protein là các acid béo

mạch nhánh (BCFA) [40], khí (H2, CO2, CH4, H2S) và các hợp chất phenol, ammonia, amine [32, 33, 85] Do đó, môi trường trong kết tràng xuống có pH cao hơn trong kết tràng lên [32]

Các BCFA được tạo thành là isobutyrate, isovalerate và isocaprate Vai trò và tác động của BCFA còn nhiều tranh cãi [40, 75, 132] Các hợp chất phenol (indole, thiol), ammonia, amine có thể gây bệnh ung thư đại tràng [18, 35, 108]

Tóm l ại, hệ vi sinh vật ruột có thể chia thành loại cải thiện sức khỏe và loại gây

ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người [40]

Loại có lợi cho sức khỏe là loại lên men carbohydrate, sinh ra các SCFA có lợi Vi khuẩn lactic được xem là vi khuẩn cải thiện sức khỏe con người [1,40,42] Đó là các

loài Bacteroides, Eubacterium spp., Ruminococcus spp., Butryovibrio spp.,

Fusobacterium pruasnitzii,…[14, 97] nhưng Lactobacillus và Bifidobacterium là

những loài được biết đến nhiều nhất [97,100]

10

Loại gây hại cho sức khỏe là loại lên men protein, tạo các hợp chất gây ung thư

Những vi khuẩn gây bệnh là Staphylococcus, Clostridium, Enterobacter,

Enterococcus, Streptococcus và Bacteroides [15, 18, 24, 100]

2.1.3.3 Các nhân t ố ảnh hưởng đến thành phần hệ vi sinh vật đường ruột

Hệ vi sinh vật đường ruột ở mỗi người giống nhau về giống nhưng khác nhau về loài Nhân tố quan trọng nhất quyết định sự khác nhau về hệ vi sinh vật ban đầu của

mỗi người là hình thức sinh đẻ (đẻ thường hay đẻ mổ) và chế độ ăn ban đầu (nuôi bằng

sữa mẹ hay sữa ngoài) Hệ vi sinh vật của trẻ sơ sinh sẽ thay đổi nhanh chóng trong các tuần đầu tiên và trong thời kì cai sữa Ngoài ra, các nhân tố khác ảnh hưởng đến hệ

vi sinh vật đường ruột là: môi trường, tuổi tác, giới tính và chế độ ăn uống [32, 42, 105]

Đối với người lớn, thành phần hệ vi sinh vật khá ổn định dù có sự thay đổi tạm

thời do tiêu thụ probiotic và prebiotic [32, 100] Đối với một hệ tiêu hóa khỏe mạnh,

hệ vi sinh vật trong đó có sự cân bằng giữa vi khuẩn có lợi và vi khuẩn có thể gây hại [28, 32] Tuy nhiên, sự cân bằng này có thể bị phá vỡ do các yếu tố sau: điều trị kháng sinh, sau phẫu thuật, điều trị phóng xạ [32]; stress do căng thẳng đầu óc, cảm xúc hay

thể chất [76, 130]; chế độ dinh dưỡng kém, thực phẩm chứa độc, sự lây nhiễm; thay đổi điều kiện sống [33, 94, 108] Khi đó, hệ tiêu hóa sẽ bị tác động và có những thay đổi như: sự tiết dịch chậm lại, thời gian dịch chuyển của chất bã lâu hơn, các tế bào tiết

nhầy bị phá hủy, các tế bào biểu mô bị thay đổi làm cho các chất độc của vi khuẩn hay

vi khuẩn có thể thâm nhập vào tầng dưới niêm mạc, số vi khuẩn có lợi giảm và vi khuẩn gây hại tăng Những thay đổi đôi khi thể hiện thành các triệu chứng như sình

bụng, táo bón, ỉa chảy, trung tiện nhiều và có thể ảnh hưởng đến chức năng của vi khuẩn có lợi [76, 100, 108, 130]

2.1.4 Phân lo ại chất dinh dưỡng

Gibson (1995) cũng đưa ra cách phân loại các chất dinh dưỡng đối với con người như sau:

Ch ất dinh dưỡng cho cơ thể (systemic nutrients) là chất dinh dưỡng có thể tiêu

hóa được, bị thủy phân trong đường ruột thành các monomer (carbohydrate, amino acid, acid béo) hay các oligomer có kích thước nhỏ Các chất này được hấp thu dễ dàng qua máu và bạch huyết Từ đó, chúng sẽ được phân bố khắp các mô và cơ quan

11

khác nhau để làm cơ chất, tiền chất sinh tổng hợp hay là nhân tố kết hợp cho các quá trình trao đổi chất của các tế bào trong cơ thể con người

Ch ất dinh dưỡng trong ruột già (colonic nutrients) là chất dinh dưỡng không tiêu

hóa được Đó là các monomer, oligomer và polimer không được tiêu hóa cũng như không được hấp thu sau quá trình thủy phân nhưng khi đến ruột già, được các vi sinh

vật ở đó sử dụng như là cơ chất (quá trình lên men), tiền chất sinh tổng hợp hay nhân

tố kết hợp cho các quá trình trao đ ổi chất của vi khuẩn Tuy nhiên, sản phẩm của quá trình lên men được giải phóng ra khỏi tế bào vi sinh vật cũng có thể được hấp thu vào máu hay bạch huyết thông qua thành tế bào đường ruột Có hai loại dinh dưỡng trong

ruột già:

• Loại thông thường (general) là loại được hầu hết các loại vi khuẩn trong đường

ruột sử dụng [32] Loại thông thường có thể là polysaccharide không thể tiêu hóa được ở ruột non như cellulose, hemicellulose, β -glucan trong ngũ cốc hay từ nấm

mốc, hydrocolloid, pentosan, pectin [106], hoặc protein, peptide và tiền chất glycoprotein trong ruột [32,40] Đó cũng có thể là mono hay disaccharide không được hấp thu, đặc biệt ở những người hấp thu yếu fructose hay lactose [10]

• Loại chuyên biệt (specific) là loại chỉ được một hay một số loài vi khuẩn xác định

sử dụng Ví dụ như các oligosaccharide không tiêu hóa được (NDO, nondigestible olgosaccharide) [32]

Hình 2.3 Sơ đồ chuyển hóa các chất dinh dưỡng [44]

Enzyme tiêu hóa

Vi sinh vật đường ruột

12

2.2 Khái ni ệm Prebiotic

2.2.1 Định nghĩa

Thuật ngữ “prebiotic” ra đời vào năm 1995, do Gibson và Robertfroid định nghĩa

là “Các thành phần thực phẩm không tiêu hóa được nhưng có tác dụng có lợi đối với

vật chủ do kích thích chọn lọc sự phát triển và/hoặc các hoạt động của một hay một số

vi khuẩn xác định trong ruột già, do đó cải thiện sức khỏe của vật chủ.”

Năm 2004, Gibson và cộng sự đã đưa ra định nghĩa mới là “Một prebiotic là một thành phần lên men chọn lọc mà cho phép có những thay đổi đặc trưng, bao gồm thay đổi trong thành phần và/hoặc hoạt động của hệ vi sinh vật đường ruột mà mang lại

những lợi ích đối với sức khỏe của vật chủ” [18,21,31,32,85] Điểm chính của các định nghĩa này là prebiotic có tác dụng chọn lọc lên hệ vi sinh vật và từ đó cải thiện sức

khỏe của vật chủ [18]

Năm 2007, theo Tổ chức Nông Lương của Liên Hiệp Quốc (FAO), một prebiotic

là một thành phần thực phẩm không sống, mang lại lợi ích sức khỏe cho vật chủ do làm biến đổi hệ vi sinh vật [26]

2.2.2 Tiêu chu ẩn đánh giá

Dựa theo định nghĩa của prebiotic, một thành phần thực phẩm được xem là một prebiotic phải hội đủ 3 yếu tố sau [32,110]:

Tính kháng tiêu hóa: Prebiotic phải chịu được quá trình tiêu hóa trước khi đến tới

ruột già Khi đó, các đặc tính cấu trúc và hóa học của nó hầu như không thay đổi và chúng có thể tồn tại trong ruột già trong một khoảng thời gian nhất định để tạo ra

những biến đổi có ích [18,31] Nói cách khác là prebiotic không bị thủy phân bởi các enzyme trong bờ bàn chải hay trong dịch tụy và cũng không b ị hấp thu trước khi đến

13

hóa của con người, đo tính ổn định của nó trong dịch vị, đo tính chống chịu của nó với các enzyme dịch tụy và có thể đối với các enzyme bờ bàn chải [32]

Kh ả năng lên men: Prebiotic phải là cơ chất cho vi khuẩn trong ruột già lên men

Để xác định khả năng lên men, người ta tiến hành các thí nghiệm in vitro nuôi cấy

theo mẻ vi sinh vật có trong phân, mô phỏng các điều kiện nhiệt độ và pH của một

vùng nào đó trong ruột già Ngoài ra, người ta có thể tiến hành thí nghiệm in vitro ở

mức phức tạp hơn Đó là phương pháp nuôi cấy liên tục vi sinh vật có trong phân, mô

phỏng sự dịch chuyển các chất trong ruột già cũng như điều kiện dinh dưỡng và pH trong đó Cuối cùng, các nghiên cứu trên người cần phải được tiến hành để đánh giá lại

kết quả in vitro [32,55]

Tính ch ọn lọc: Một prebiotic là một cơ chất có tính chọn lọc đối với một hay một

số loài vi khuẩn nhất định có trong ruột già Prebiotic kích thích sự phát triển và/hay

hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật có lợi trong đường ruột của vật chủ [32,33,85] Điều này có nghĩa là prebiotic không được lên men bởi vi khuẩn trong miệng, bởi các

vi khuẩn có hại trong đường ruột nhưng được lên men tốt bởi vi khuẩn có lợi [58,60]

Cơ chế của quá trình lên men chọn lọc vẫn chưa sáng tỏ [12] Tuy nhiên, người ta

cũng đã xác định được một vài gene của vi khuẩn, mã hóa những enzyme đặc trưng cho quá trình chuyển hóa oligosaccharide Ví dụ, vi khuẩn bifidobacteria có đoạn gene

mã hóa enzyme β -fructofuranosidase Từ đó, người ta có thể giải thích được tính chọn

lọc của inulin-fructans (prebiotic) đối với vi khuẩn này [32,88,110,132]

Để xác định tính chọn lọc của một prebiotic đối với một hay một vài vi khuẩn nào

đó, người ta tiến hành theo dõi chặt chẽ sự thay đổi của hệ vi sinh vật trong phân bằng

phương pháp in vitro và in vivo Phương pháp in vitro được thực hiện nhằm theo dõi

tính hiệu quả của chất được cho là prebiotic, từ đó cung cấp những bằng chứng hỗ trợ cho nghiên cứu xác định tính chọn lọc của nó Phương pháp in vivo được tiến hành

trên động vật thí nghiệm và trên con người bằng cách theo dõi hoạt động trao đổi chất

của vi sinh vật trong đường ruột thông qua lượng acid, khí hay enzyme được tạo thành; theo dõi tác động lên hệ vi sinh vật trong phân và cả vi sinh vật trong chất nhầy

của ruột [18,32]

phức tạp trong điều kiện in vitro và in vivo Do đó, sự tương tác giữa các loại vi khuẩn

không được xét đến và hiệu quả của tính chọn lọc khó xác định được [34]

Như vậy, dựa vào 3 tiêu chuẩn trên, ta có thể thấy prebiotic chính là chất dinh dưỡng loại chuyên biệt trong ruột già [32] Prebiotic đầu tiên được tìm thấy trong sữa

mẹ [65] Oligosaccharide là thành phần nhiều thứ ba trong sữa mẹ Trong sữa non (colostrum), hàm lượng oligosaccharide cao hơn hẳn, chiếm 24% trong tổng số carbohydrate [18] Nồng độ oligosaccharide trong sữa mẹ là 5–12 g/l, gấp 100 lần trong sữa bò (0.03–0.06 g/l) [13,62] Nồng độ của chúng giảm nhanh chóng khoảng19% đến 15% trong 2 tháng sau khi sinh Sữa chứa oligosaccharide có các thành phần

tế, số lượng carbohydrate được sử dụng như là prebiotic là rất nhiều mặc dù các bằng

chứng được nghiên cứu và đưa ra chưa thuyết phục [32,97,102,116,117]

Lactulose, lactitol, mannitol, sorbitol, xylitol

Oligosaccharide Fructooligosaccharide (FOS), trans-galactooligosaccharide

(GOS), oligosaccharide đậu nành (raffinose và starchyose), gluco-oligosaccharide, xylooligosaccharide,

isomaltooligosaccharide, gentiooligosaccharide, lactosucrose, glucooligosaccharide, pectic-oligosaccharide

Polysaccharide inulin, tinh bột bền

Glucooligosaccharides Raffinose

Starchyose

Frβ2(1Fu)n, n = 2 - 5 Guα16Gu

Gaα16Guα1 2βFr (Gaα1)26Guα1 2βFr

Lactosucrose Lactulose

Gaβ1(4Ga)n

Gaβ1(6Ga)n

Gaβ14Guα1 2βFr Gaβ14Fr

Xyβ1(4Xy)n

-(3Galβ14AhGalα1)n- Maβ1(4Ma)n

*Gu: glucose, Ga: galactose, Fr: fructose, Xy: xylose, Ma: mannose

2.2.4 Đặc tính hoá học của prebiotic

Thành ph ần đường đơn: Các prebiotic đã xác định chủ yếu được tạo thành từ các

đơn vị đường đơn là glucose, galactose, xylose và fructose Một số oligosaccharide được cấu tạo bởi các đường đơn khác như arabinose, rhamnose, glucosamine và galacturonic cũng được đánh giá khả năng prebiotic của chúng [12, 88]

Liên k ết glycosidic: Liên kết giữa các gốc đường đơn là nhân tố quan trọng để xác

định khả năng tiêu hóa và khả năng lên men chọn lọc của một prebiotic [88] Các prebiotic có cấu hình β nên không bị tiêu hóa bởi các enzyme thủy phân của người (α-glycosidic: α-glucosidase, α-maltase, α-sucrase [50]) trước khi tới ruột già Bờ bàn

chải của ruột non có chứa enzyme β-galactosidase có thể phân hủy được một số prebiotic nhưng hoạt lực của chúng thường rất yếu [32,112]

Kh ối lượng phân tử: Hầu hết các prebiotic có độ polymer hóa (DP) tương đối nhỏ

(ngoại trừ inulin) và được thủy phân bởi các enzyme glycosidase của vi khuẩn[88] Vì

vậy, người ta cho rằng oligosaccharide có mạch càng dài thì quá trình lên men diễn ra

17

càng chậm [58,88] và do đó, tác dụng prebiotic sẽ được thể hiện lâu hơn trong toàn bộ

ruột già[88] Vì vậy, nếu quá trình chuyển hóa saccharide có thể diễn ra trong toàn bộ chiều dài ruột già thì sẽ có lợi Nếu sử dụng hỗn hợp prebiotic gồm các phân tử có

khối lượng phân tử khác nhau, (ví dụ FOS và inulin) theo tỉ lệ thích hợp thì các phân

tử có khối lượng phân tử thấp sẽ được chuyển hóa ở phần bên trái và các phân tử có

khối lượng phân tử cao sẽ được chuyển hóa chậm và nằm trong phần bên phải của ruột già [18,51,53]

2.3 Nh ững tính chất có lợi của prebiotic

2.3.1 Tính ch ất có lợi của prebiotic đối với công nghệ thực phẩm

Kh ả năng kết hợp với thực phẩm: Bản chất của prebiotic là carbohydrate, là một

thành phần ‘không sống’ Vì vậy, prebiotic có thể kết hợp dễ dàng với các loại thực

phẩm khác nhau, đặc biệt là các sản phẩm thực phẩm có thành phần chính là carbohydrate, để tạo thành thực phẩm có tác dụng ‘prebiotic’ Các nhà công nghệ thực

phẩm sẽ ít gặp khó khăn để bảo đảm hiệu quả tác dụng của prebiotic và có thể tạo ra nhiều sản phẩm mới có tác dụng ‘prebiotic’ [12,31,33,80,81,92]

Cho đến nay, những loại thực phẩm kết hợp được với prebiotic là: sản phẩm sữa

uống và sữa lên men, nước uống tốt cho sức khỏe, nước uống có gas, bánh nướng, sốt, paste, thực phẩm cho trẻ em và trẻ đang cai sữa, cereals, snack, bánh kẹo và món tráng

miệng, … [12,22,33,92,94,123]

Giá tr ị calorie thấp: Prebiotic đang được chú ý trong công nghệ thực phẩm và

nước giải khát vì giá trị calorie của nó là khá thấp[18] Prebiotic khi được tiêu thụ sẽ cung cấp năng lượng bằng khoảng 40–50% so với carbohydrate tiêu hóa được, tức khoảng 1 – 2 Kcal/g [50]

Các đặc tính công nghệ: Các di-, oligo- saccharide đã đư ợc ứng dụng vào công

nghệ thực phẩm khá lâu, vì vậy prebiotic (có bản chất là di- hay oligo- saccharide)

cũng được ứng dụng tương tự với các đặc tính công nghệ [12] sau:

1 Vị – độ ngọt giảm do kích thước phân tử tăng

2 Cảm giác ở miệng– oligosaccharide có kích thước lớn có thể ứng dụng là chất thay thế chất béo

3 Độ nhớt – độ nhớt tăng theo độ tăng của kích thước phân tử

18

4 Độ tan – độ tan giảm theo độ tăng của khối lượng phân tử

5 Tính hút ẩm – oligosaccharide có thể được dùng để kiểm soát độ ẩm trong thực

phẩm

6 Phản ứng màu – phản ứng màu giảm do khối lượng phân tử tăng (phản ứng Maillard giảm trong thực phẩm được xử lí nhiệt)

7 Điểm đóng băng – điểm đóng băng càng giảm khi khối lượng phân tử tăng

8 Sự hình thành tinh thể – hiện tượng này giảm khi khối lượng phân tử tăng

9 Thủy phân oligosaccharide trong điều kiện acid không liên quan đến khối lượng phân tử mà phụ thuộc vào liên kết hóa học [12, 32, 33, 60, 66, 67, 92]

2.3.2 Tác d ụng của prebiotic đối với sức khỏe con người

Nhiều nghiên cứu in vitro, trên động vật và trên con người đã đưa ra k ết luận

prebiotic tác động lên thành phần hệ vi sinh vật đường ruột [24, 46], làm tăng số lượng

vi khuẩn có lợi và giảm số lượng vi khuẩn có hại đối với sức khỏe con người trong đường ruột [12, 15, 18, 28, 48, 99] Như vậy, prebiotic có những tác dụng có lợi cho

sức khỏe và giảm nguy cơ mắc bệnh [17, 32, 118] một cách gián tiếp thông qua việc làm biến đổi hệ vi sinh vật đường ruột và tạo các SCFA [44, 63, 105] Các SCFA được lên men từ prebiotic là acetate, propionate và butyrate với tỉ lệ khoảng 1 : 0.31 : 0.15 [40]

2.3.2.1 Tác d ụng cải thiện một số chức năng của cơ thể

C ải thiện khả năng tiêu hóa và hấp thu: Quá trình vi khuẩn có lợi lên men

prebiotc sinh ra các chất chất dinh dưỡng cho niêm mạc như SCFA, polyamine [17, 18] Các chất này làm tăng sự phát triển (tăng kích thước và số lượng) và kiểm soát sự phân hóa của các tế bào biểu mô của niêm mạc Do đó sự tiêu hóa và hấp thu trong đường ruột được cải thiện [17, 98, 105]

Ch ống viêm nhiễm vi sinh vật: Trong cơ thể người, virus, động vật nguyên sinh,

nấm và vi khuẩn có thể gây ra viêm ruột cấp và mãn tính Sự lây nhiễm virus đóng vai trò chính, nhưng vi khuẩn cũng có tác động đáng kể [88] Các vi khuẩn điển hình như

Shigella, Salmonellae, Yersinia enterocolitica, Campylobacter jejuni, E.coli, Vibrio cholera và Clostridium prefringens [31, 92] Vi khuẩn gây bệnh vừa có thể xâm chiếm

và phát triển trong đường ruột và sau đó xâm chiếm các mô của vật chủ, vừa có thể tạo

ra chất độc trong thực phẩm trước khi nó được tiêu thụ [31]

• Cung cấp các chất kích thích cho sự trưởng thành và chức năng của hệ miễn

dịch ở niêm mạc [63, 98, 105, 110]: thành phần thành tế bào bifidobacteria như peptidoglycan và acid lipoteichoc có ảnh hưởng đến hệ miễn dịch niêm mạc[23, 63] kích thích sản sinh cytokine, tăng khả năng thực bảo của các tế bào đa nhân

và đại thực bào, tăng hoạt lực của tế bào NKH, tăng các kháng thể đáp ứng

mầm gây hại như IgA[23, 63, 95], tăng tạo màng nhầy (mucins: glycoprotein)

để vi khuẩn gây hại khó bám vào [74]

• Cạnh tranh dinh dưỡng

• Lên men các carbohydrate, sản sinh acid mạnh: acetate, lactate nên làm giảm

pH trong ruột già ở mức thấp hơn mức mà vi khuẩn gây bệnh như E.coli có thể

phát triển

Hình 2.5 Cơ chế chống viêm nhiễm vi sinh vật gây hại của prebiotic [18]

Prebiotic

Ngăn sự bám dính vi khuẩn gây hại Biến đổi chọn lọc hệ vi sinh vật

Cạnh tranh dinh dưỡng và vùng gắn Tạo SCFA

Giảm pH

Sản sinh chất kháng sinh

20

C ải thiện sự hấp thu khoáng: Tiêu thụ prebiotic có thể làm tăng sự hấp thu

khoáng (calcium, magnesium, sắt và kẽm) vào cơ thể Trong các nghiên cứu về tác

dụng của prebiotic đối với sự hấp thu khoáng, nghiên cứu về calcium là nhiều nhất [12, 18, 44, 45, 60]

Calcium được hấp thu chủ yếu ở ruột non Nhưng ở ruột già, calcium không được

hấp thu ở ruột non có thể tiếp tục được hấp thu, thường không quá 10% calcium đã tiêu thụ [17,132] Do đó, prebiotic có tác dụng giúp ruột già hấp thu tối đa calcium còn

lại sau khi qua ruột non [18]

Cơ chế tăng hấp thu calcium và khoáng [17, 114]:

• Quá trình lên men prebiotic tạo ra SCFA nên pH trong ruột già giảm Do đó, độ hòa tan của calcium tăng Độ hòa tan calcium tăng làm tăng gradient qua niêm

mạc và kích thích sự hấp thu thụ động Hầu hết các nghiên cứu chỉ ra rằng sự hấp thu calcium chỉ xảy ra khi gradient nồng độ giảm chiếm ưu thế

• Phytate (myoinositol hexaphosphate) là một thành phần của thực vật đến được

ruột già Phytate kết hợp với cation hóa trị hai như calcium, kẽm, sắt tạo thành

phức bền, không tan Khi đó, các chất khoáng không tồn tại ở dạng ion tự do nên không thể được hấp thu qua thành ruột

Vi khuẩn sử dụng phytate trong quá trình lên men nên giải phóng ion Ca+2 [18, 88, 92] Ngoài ra, các acid hữu cơ được tạo ra trong quá trình lên men, đ ặc biệt là SCFA, hình thành các gốc hòa tan với cation nên ngăn ngừa sự tạo thành phức phytate – khoáng không tan

• Tác động trực tiếp của các SCFA lên sự hấp thu vào tế bào bằng cách tăng trao đổi

H+ của tế bào cho Ca2+

trong ruột

Cơ chế trao đổi calcium trong ruột già: Các SCFA được sinh ra ở ruột già ở dạng proton hóa Sau khi được hấp thu vào môi trường nội bào, SCFA bị phân ly thành

gốc acid và proton H+ Proton được giải phóng sẽ đi vào đường ruột để trao đổi ion

Ca+2 Khi đó, ion Ca2+ vào tế bào biểu mô nhờ một chất chuyên chở do vitamin D

hoạt hóa Sau đó, Ca2+ được đưa ra khỏi tế bào vào khoảng gian bào bằng bơm ATPase hay do hoán đổi với Na+ [5, 88]

21

Sự thiếu sắt liên quan tới bệnh thiếu máu, thiếu calcium liên quan tới bệnh loãng xương, và kẽm liên quan tới sự phát triển và trưởng thành của bộ xương [18]

Ki ểm soát lipid trong máu: Prebiotic có thể điều chỉnh hàm lượng lipid có trong

máu hay làm giảm cholesterol và triglyceride trong máu [12,81,87,114] Cơ chế tác

dụng của prebiotic lên hàm lượng lipid trong máu:

• Các SCFA tác động đến sự hấp thu lipid và hình thành cholesterol: Butyrate ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng hấp thu và trao đổi của tế bào ruột nên có thể hạn

chế sự hấp thu lipid từ đường ruột và vòng tuần hoàn[132] Propionate có thể ức

chế hoạt động của HMG-CoA reductase trong gan Đây là enzyme tổng hợp cholesterol Tuy nhiên, lên men prebiotic tạo ra nhiều acetate hơn propionate và acetae là tiền chất của cholesterol Do đó, lượng cholesterol được tạo ra có thể vẫn tăng [81,88] nhưng prebiotic có thể làm biến đổi tỉ lệ acetate và propionate trong

tế bào [18]

• Vi khuẩn lactic có thể đồng hóa trực tiếp cholesterol [33] hay chuyển nó thành các

chất trao đổi như coprostanol [81, 114] và loại thải theo phân [110]

Ki ểm soát glucose trong máu: Prebiotic có chỉ số đường huyết của thực phẩm

thấp nên có thể làm giảm hàm lượng glucose trong máu và hạn chế sự kháng isulin (Glycemic index – Chỉ số đường huyết của thực phẩm là chỉ số đo tốc độ tác động của carbohydate lên hàm lượng đường trong máu [139]) [12, 97]

Ngoài ra, propionate được sinh ra từ quá trình lên men prebiotic có thể kiềm hãm

sự sinh tổng hợp glucose Propionate được chuyển hóa thành methylmalonyl-CoA và succinyl-CoA Các chất này có thể ngăn enzyme carboxylase pyruvate Propionate

cũng có thể làm giảm lượng acid béo tự do trong huyết thanh.[81] Vì lượng acid béo

tự do cao làm tăng hàm lượng glucose trong máu và sự kháng isulin [81, 132]

Sự gia tăng hàm lượng đường huyết và tăng sự kháng isulin là cơ chế chính của

bệnh tiểu đường loại 2 Vì vậy, prebiotic là thành phần thực phẩm thích hợp cho

những người mắc phải chứng bệnh này [18]

2 3.2.2.Ngăn ngừa và phòng chống một số bệnh

U ng thư đại tràng: Hiện nay, ung thư đại tràng là loại ung thư phổ biến đứng thứ

ba trên thế giới, với hơn 1 triệu trường hợp và khoảng nửa triệu trường hợp chết [18,

22

29, 59] Ung thư đại tràng ngày càng gia tăng [43] do những nhân tố về gen và lối

sống, cùng với chế độ giàu béo và protein động vật và giảm lượng rau quả tác động [1,

4, 18, 43]

Khối u thường xuất hiện trong ruột già nhiều hơn 100 lần so với trong ruột non [33, 88] Do đó, người ta nghĩ r ằng hệ vi sinh vật đường ruột có liên quan đến bệnh ung thư này [87, 89] Nhiều vi khuẩn có enzyme glucuronidase, nitroreductase, azoreductase, urease có thể giải phóng các chất độc và tạo khối u [59, 82, 88, 97] Đó

là các hợp chất phenol, nitroamine, acid mật thứ cấp lithocholic, hợp chất azo, amoniac, indole, và skatole [1, 4, 23] Các chất này sẽ được glucuron hóa trong gan và được tiết vào ruột cùng với muối mật Điều này có thể dẫn đến sự tích tụ nồng độ cao

cục bộ của các hợp chất gây ung thư trong ruột, do đó, tăng nguy cơ mắc ung thư [101]

Prebiotic có thể giảm các chất gây ung thư bởi [74]:

• Giảm số lượng các vi khuẩn gây hại – các loài sản sinh các enzyme tạo các chất độc và chất gây đột biến [11, 18, 82, 103] Đồng thời, số lượng các vi khuẩn có lợi như bifidobacterium và lactobacilli tăng lên đáng kể Chúng là những vi khuẩn không có các enzyme trên [108]

• Khử độc các chất gây ung thư được ăn vào bằng cách bám lên các vi khuẩn có lợi

và theo phân ra ngoài [50, 97]

• Các SCFA có tác dụng phòng chống ung thư hiệu quả Butyrate cải thiện cơ chế gây chết tế bào theo chương trình c ủa một tế bào ung thư Butyrate cũng ức chế các enzyme histone acetyltransferases (HATs) và histone deacetylases (HDACs),

là những enzyme liên quan đến các quá trình sinh học trong tế bào và phát triển

khối u [97, 101, 114, 132] Ngoài ra, propionate có tác dụng chống viêm nhiễm đối với các tế bào ung thư đại tràng [18, 29, 43, 59, 103]

• Kích thích hệ miễn dịch chống lại tốt hơn sự sinh sôi của tế bào ung thư [23]

Ch ứng táo bón: Táo bón là một vấn để phổ biến trong cuộc sống hiện đại [68] Đó

là tình trạng đi tiêu khó khăn hoặc không thường xuyên Thông thường, chỉ có 2 – 3

lần tống thoát phân trong một tuần [5] Do đó, chứng táo bón làm giảm chất lượng

cuộc sống của người bệnh rất nhiều [68] Nhiều nhân tố góp phần gây sự phát triển của

23

táo bón mãn tính như: tuổi tác; thay đổi khẩu phần ăn, giảm tiêu thụ sản phẩm chứa xơ

và uống ít nước; uống thuốc; ngồi nhiều và ít vận động thể chất; rối loạn nội tiết và

chức năng, các bệnh liên quan đến thần kinh và đường ruột [2, 5, 8, 50] Người già và

phụ nữ mang thai là những đối tượng hay mắc phải chứng táo bón [21]

Prebiotic có thể giảm chứng táo bón theo 2 cơ chế sau: [18, 21, 60, 68, 130]

• Prebiotic kích thích sự phát triển của vi khuẩn nên sinh khối của vi khuẩn tăng và

khối lượng phân tăng theo

• Prebiotic và SCFA được tạo ra do quá trình lên men prebiotic có thể kích thích sự nhu động ruột và làm tăng ẩm trong phân nhờ tăng áp suất thẩm thấu Cho đến nay, chỉ có lactulose được xem là prebiotic có tính nhuận tràng, có tác động giải quyết được chứng táo bón [11, 18]

Qua các nghiên cứu về chứng táo bón ở người già, người ta thấy sự đi tiêu của họ được cải thiện đáng kể thông qua tần suất đi tiêu tăng và phân mềm hơn [18, 21] Tuy nhiên, quá trình lên men nhanh prebitoc trong tràng lên tạo nhiều khí và gây sình bụng, làm cho người bệnh không thoải mái [8]

2.3.3 Các v ấn đề khi sử dụng prebiotic

2.3.3.1 Li ều lượng sử dụng

Liều lượng sử dụng mỗi loại prebiotic không giống nhau: FOS ( 3 – 20 g/ngày đối

với người lớn, 0.4 – 3.0 g/ngày đối với trẻ nhỏ) [12], GOS (10 – 20 g/ngày), lactulose (8 – 20 g/ngày) [58, 60] Tuy nhiên, liều lượng sử dụng prebiotic được khuyến cáo là

từ 5 g/ngày và có thể đến 15 – 20 g/ngày [45, 98] Trong công nghệ thực phẩm, người

ta thường bổ sung prebiotic với liều lượng thấp nhất để phát huy tác dụng[33,94]

Sử dụng prebiotic với liều lượng cao (> 20 g/ngày) có thể gây ra nhuận trường (tăng số lần đi vệ sinh và lượng phân) và một số khó chịu khác như: đầy hơi, đau bụng, trương bụng, co thắt ruột, tiêu chảy [32, 58, 89, 68, 94, 97] Ngoài ra, khi tiêu thụ prebiotic thường xảy ra hiện tượng trương bụng, gây khó chịu cho người dùng Do đó, các sản phẩm mới chứa prebiotic được phát triển có hướng chọn lọc đối với các loại vi khuẩn không tạo khí [12, 33]

2.3.3.2 Hi ệu quả sử dụng

Tác dụng của prebiotic chỉ mang tính chất tạm thời khi được tiêu thụ Theo các nghiên cứu, khi điều trị với prebiotic, hệ vi sinh vật đường ruột thay đổi rõ rệt nhưng

24

khi không điều trị nữa, tác động lên hệ vi sinh vật không còn nữa Do đó, để đạt hiệu

quả mong muốn cần phải sử dụng prebiotic hàng ngày trong khoảng thời gian dài [12]

2.3.3.3 Tính an toàn khi s ử dụng

Theo nhiều nghiên cứu, việc sử dụng prebiotic trong thời gian dài không đem lại nguy cơ gây bệnh nào, đặc biệt là đối với trẻ sơ sinh và trẻ em [12,55,99] Ngoài ra, có nhiều loại rau quả quen thuộc có sẵn prebiotic tự nhiên và đã được sử dụng từ rất lâu

mà không gây nguy hại nào [12]

Ở châu Âu, prebiotic được sử dụng phổ biến là FOS, GOS và lactulose Trong khi

đó, thị trường Nhật Bản có các loại prebiotic đa dạng hơn [92,94] Prebiotic được dùng trong các sản phẩm sữa dành cho trẻ trong hơn 2 thập kỉ qua ở Nhật Bản và trong hơn

5 năm qua ở châu Âu [18]

Các prebiotic có là dạng ‘được đánh giá là an toàn’ (GRAS) tại Mỹ, dạng ‘thực

phẩm chức năng’ tại EU và được đánh giá là ‘thực phẩm có lợi cho sức khỏe’ (125, Foods for Specified Health Use) tại Nhật Bản [12,18,48,60,67,97,125]

2.4 Phương pháp sản xuất prebiotic

Hiện nay, có 3 phương pháp chính để sản xuất prebiotic [12,21,31,33,58]:

(1) Phương pháp vật lý: Chiết tách trực tiếp oligosaccharide tự nhiên từ thực vật:

• Oligosaccharide đậu nành từ whey đậu nành

• Inulin từ chicory

• Tinh bột bền từ ngô

(2) Phương pháp hóa học: Chuyển hóa có xúc tác từ carbohydrate:

• Lactulose từ quá trình đồng phân hóa lactose trong môi trường kiềm

• Lactitol từ quá trình hydro hóa lactose

• Agaro-oligosaccharide từ thủy phân bằng acid hydrochloric, acid citric

(3) Phương pháp enzyme:

Th ủy phân có kiểm soát polysaccharide tự nhiên, có thể có thêm quá trình sắc kí

để tinh sạch prebiotic:

• FOS từ inulin (enzyme inulinase)

• XOS từ arabinoxylan (xylan lõi ngô, enzyme xylanase)

• GOS từ lactose (β-galactosidase)

• ScFOS từ sucrose ( β-fructosyltransferase) hoặc fructose

• Lactosucrose từ lactose và sucrose (β-fructo-furanosidase)

• Gluco-oligosaccharides từ sucrose (enzyme dextran sucrase)[9,19,60,71,88] Quá trình chiết xuất hóa học oligosaccharide từ thực phẩm có thể làm cho sản

phẩm có màu hay hương vị không mong muốn Ngoài ra, chế phẩm prebiotic thu được thường là hỗn hợp các polysaccharide với độ dài ngắn khác nhau Đôi khi, sự hiện diện

của các mono- và disaccharide có thể làm giảm tính chọn lọc của prebiotic Phương pháp enzyme tạo sản phẩm ít lẫn sản phẩm phụ hơn [12]

Glycosyl hóa Sucrose

Lactose Chiết tách

Thủy phân Chiết tách

26

B ảng 2.4 Các nhà sản xuất prebiotic trên thế giới [58]

Syrup chứa 75% (w/v) rắn Oligosaccharide >55% rắn

Dạng bột, Oligosaccharide >55%

Dạng bột, Oligosaccharide >99% Nissin Sugar Mfg Co Ltd., Nhật Bản

www.nissin-sugar.co.jp

Cup-Oligo H-70

Cup-Oligo P

Syrup chứa 75% (w/v) rắn Oligosaccharide ~70% rắn

Dạng bột, Oligosaccharide ~70% Friesland Foods Domo, Hà Lan

Bột (anhydride), lactulose 98% Solvay, Đức

www.solvay.com

Duphalac

Cephulac

Syrup chứa >70% rắn, Lactulose >74% rắn

Bột, lactosucrose ~ 55% Hayashibara Shoji Inc., Nhật Bản

27

Oligosaccharide ~55% rắn Beghin-Meiji Industries, Pháp

www.beghin-say.fr

Actilight P Actilight G

Bột, Oligosaccharide 95% Syrup chứa 75% (w/v) rắn Oligosaccharide ~55% rắn Golden Technologies Co., GTC

Orafti ST Orafti HP

Syrup chứa 75% (w/v) rắn Oligosaccharide > 60% rắn Syrup chứa 75% (w/v) rắn Oligosaccharide > 85% rắn Syrup chứa 75% (w/v) rắn Oligosaccharide > 95% rắn

Bột, oligosaccharide >95%

Bột, hỗn hợp inulin và oligofructose

Oligofructose Inulin

Bột, oligosaccharide >85% Nihon Shokuhin Kako Co., Nhật Bản

www.nisshoku.co.jp

Biotose # 50

Panorich

Syrup chứa 75% (w/v) rắn Oligosaccharide > 50% rắn Syrup chứa 75% (w/v) rắn, Oligosaccharide ≥50% rắn,

Syrup chứa 75% (w/v) rắn Oligosaccharide ~70% rắn

Company, Mỹ

www.nationalstarch.com

Hylon VII Novelose 330 Novelose 240

2.5 Probiotic và synbiotic

2.5.1 Probiotic

Năm 1905, tiến sĩ người Nga Elie Metchnikoff là người đầu tiên viết về lợi ích đối

với sức khỏe của vi khuẩn lactic có trong sữa chua Bulgaria Những người nông dân Bulgaria đã sử dụng sữa chua thường xuyên và liên tục đều sống lâu và khỏe mạnh [65, 76, 103] Từ đó, có nhiều công bố về lợi ích sức khỏe do vi sinh vật trong thực

phẩm lên men mang lại

Tuy nhiên, thuật ngữ ‘probiotic’, theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là ‘dành cho s ự

sống’, xuất hiện đầu tiên bởi Lilly và Stillwell vào năm 1965 để mô tả những chất do

một loại vi sinh vật tạo ra để kích thích sự phát triển của vi sinh vật khác cùng loại

Kể từ đó, có nhiều định nghĩa probiotic được đưa ra với những quan điểm đối lập nhau là phải duy trì khả năng sống của probiotic hay không cần duy trì Năm 2001,

một ủy ban giữa Tổ chức Nông lương thế giới (FAO) và Tổ chức Y tế thế giới (WHO)

đã định nghĩa probiotic như sau: ‘đó là những vi sinh vật sống, khi được cung cấp đủ

số lượng, sẽ mang lại sức khỏe cho vật chủ’ [27, 58, 85, 90, 111] Định nghĩa này nhấn

mạnh lại tầm quan trọng của khả năng sống của probiotic trong sản phẩm và được

chấp nhận trên toàn cầu [27]

29

*Bact: bacteroides, Bif: bifidobacteria, Clost: clostridia, Coli: E.coli,

Eub: eubacteria, Lab: lactobacilli

(a) h ệ vi sinh vật sau khi bổ sung prebiotic

(b) h ệ vi sinh vật trước khi bổ sung prebiotic và probiotic

(c) hệ vi sinh vật sau khi bổ sung probiotic

Hình 2.7.Tác động của prebiotic và probiotic đến hệ vi sinh vật ruột già [32]

Dựa vào những nghiên cứu lâm sàng về tác dụng có lợi của probiotic đối với sức

khỏe con người, người ta đưa ra những đặc tính cần có của vi sinh vật probiotic như sau: [36, 40, 85, 118]

1 Có nguồn gốc từ hệ vi sinh vật đường ruột của người

2 Tồn tại được dưới những điều kiện vật chủ

3 Sinh sản nhanh và/hoặc chiếm ưu thế trong ruột già

4 Tồn tại được với hệ miễn dịch và chống lây nhiễm của vật chủ

5 Kích thích miễn dịch đối với hệ thống miễn dịch của chất nhầy

6 Sản sinh các hợp chất kháng sinh

7 Chống chất gây ung thư và vi khuẩn gây bệnh

8 Được đánh giá là an toàn, không gây bệnh, không độc, không dị ứng, không gây đột biến, hay không gây ung thư

9 Ổn định, không có plasmid sao chép

10 Có đặc tính công nghệ để dễ ứng dụng

11 Hoạt động trao đổi chất theo hướng có lợi cho sức khỏe

12 Tác dụng tốt đối với sức khỏe

13 Có khả năng để tái tổ hợp protein và peptide

Mô ruột/chức năng