Zadaniem żywności jest dostarczenie wystarczającej ilości składników odżywczych, aby zaspokoić wszystkie potrzeby metaboliczne organizmu. W tym względzie badania przyniosły nową koncepcję żywności, zaliczaną do żywności funkcjonalnej, czyli takiej która zawiera składniki wpływających na fizjologię organizmu w sposób ukierunkowany w celu promowania korzystnych skutków zdrowotnych. Wśród żywności funkcjonalnej obecnie najczęściej badaną i dyskutowaną kategorią jest żywność funkcjonalna zawierająca prebiotyki.
Co to jest prebiotyk? – definicja
Obecna definicja terminu „prebiotyk” według Międzynarodowego Panelu Naukowego Stowarzyszenia ds. Probiotyków i Prebiotyków to „substrat, który jest selektywnie wykorzystywany przez mikroorganizmy gospodarza, zapewniając korzyść zdrowotną” [Gibson i inni, 2017]. Już w XX wieku potwierdzono naukowy był fakt, że węglowodany stymulują wzrost pożytecznych bakterii zasiedlających jelita. Lata późniejsze pozwoliły na bardziej szczegółowe i selektywne wskazanie, które konkretne składniki pokarmowe wykazują najlepsze właściwości w stymulacji mikrobioty jelitowej [Moreno i inni, 2017].
Pierwszą definicję prebiotyków podał Roberfroid, który wskazał, że są to niestrawne składniki żywności, które w sposób selektywny korzystnie wpływają na zdrowie gospodarza poprzez stymulację wzrostu i/lub aktywności bakterii zasiedlających okrężnicę, co w konsekwencji prowadzi do poprawy stanu zdrowia gospodarza [Roberfroid, 1995]. Jeszcze wtedy większość oligosacharydów i polisacharydów uważano za prebiotyki. Jednak jak się później okazało, nie wszystkie węglowodany w diecie są prebiotykami.
Dlatego, aby sklasyfikować składnik żywności jako prebiotyk musi spełniać on określone kryteria. Mianowicie, substancje o właściwościach prebiotycznych muszą wykazywać następujące cechy [Douglas i Sanders, 2008; Wang, 2009]:
- selektywnie stymulować wzrost i aktywność wybranych szczepów bakterii mających korzystny wpływ na zdrowie,
- obniżać pH treści jelitowej,
- wykazywać korzystne dla człowieka działanie miejscowe w przewodzie pokarmowym,
- być odporne na hydrolizę i działanie enzymów przewodu pokarmowego, zwłaszcza w żołądku,
- nie ulegać wchłanianiu w górnym odcinku przewodu pokarmowego,
- stanowić selektywny substrat dla jednego lub określonej liczby pożytecznych gatunków mikroorganizmów w okrężnicy,
- wykazywać szereg cech technologicznych, zwłaszcza powtarzalność i stabilność w procesie produkcji.
Rys. 1 Kryteria klasyfikacji składników żywności jako prebiotyków [Wang, 2008]
![Rys. 1 Kryteria klasyfikacji składników żywności jako prebiotyków [Wang, 2008]](https://petformlabs.pl/wp-content/uploads/2024/07/prebiotyki-kryteria-1024x199.jpg)
Czy prebiotyki, to błonnik pokarmowy?
Prebiotyki często funkcjonują jako błonnik pokarmowy, który nie podlega trawieniu w przewodzie pokarmowym, z tą różnicą że prebiotyki są fermentowane przez ściśle określone mikroorganizmy, zaś błonnik pokarmowy wykorzystywany jest przez większość grup mikroorganizmów bytujących w okrężnicy [Ouwehand i inni, 2005]. Stąd też prebiotyki mogą być błonnikiem, jednak błonnik niekoniecznie jest prebiotykiem. Do błonnika pokarmowego zalicza się wielocukry inne niż skrobia takie jak celuloza, hemiceluloza, pektyny, gumy, czy substancje otrzymywane z glonów morskich, jak również fruktooligosacharydy, galaktooligosacharydy, ksylooligosacharydy, izomaltooligosacharydy, laktulozę, oligosacharydy sojowe, skrobie oporne, inuliny oraz pektyny.
Oligosacharydy – kluczowa grupa związków o działaniu prebiotycznym
Oligosacharydy to sacharydy składające się z dwóch lub więcej połączonych ze sobą monomerów – cukrów prostych. Literatura przedmiotu wskazuje na dowody, że oligosacharydy są oporne na działanie enzymów przewodu pokarmowego, dzięki czemu mogą być wykorzystywane tylko przez określone grupy mikroorganizmów, w tym Bifidobacterium i Lactobacillus sp. Efektem fermentacji oligosacharydów przez bakterie jelitowe jest powstanie kwasu mlekowego i krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (masłowy, propionowy, octowy) [Nakakuki i inni, 2005; Śliżewska K. i Libudzisz Z., 2002]. Do najważniejszych rodzajów oligosacharydów o potwierdzonych w badaniach naukowych właściwościach zalicza się: fruktooligosacharydy (FOS), galaktooligosacharydy (GOS), izomaltooligosacharydy (IMO), ksylooligosacharydy (XOS), laktuloza oraz oligosacharydy sojowe (SBOS) [Annison i inni, 2003; O’Sullivan 1996, ].
Fruktooligosacharydy (FOS) są krótkołańcuchowymi fruktanami zbudowanymi z 2-10 reszt fruktofuranozowych. Naturalnym źródłem FOS są m.in. cebula, szparagi, pszenica, banany, ziemniaki oraz miód. Obecnie FOS są jednymi z najlepiej przebadanych prebiotyków ze względu na ich korzystny wpływ na organizm właściwości gospodarza i stabilność. Są stabilne w niskim pH i temperaturze do 140oC. Ponadto charakteryzują się rozpuszczalnością na poziomie 80,0% w wodzie o temperaturze pokojowej i są niskokaloryczne około 1,0–1,7 kcal/g, stąd też mogą być stosowane w postępowaniu dietetycznym. U psów hydroliza FOS zachodzi przy udziale bakterii z rodzaju Lactobacillus i Bifidobacterium, które w profilu enzymatycznym zawierają fruktan-beta-fruktozydazę. Produkty rozkładu FOS to krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA) takie jak kwas octowy, propionowy i masłowy, które są natychmiast wchłaniane w jelicie cienkim i metabolizowane przez gospodarza.
Mannanooligosacharydy (MOS) uzyskuje się ze ściany komórkowej drożdży Saccharomyces cerevisiae i są bardzo często wykorzystywane w żywieniu psów [Swansown i inni, 2002]. Ich ważna funkcja jest związana ze zdolnością eliminacji drobnoustrojów patogennych. MOS działa jako ligand dla fimbrii typu 1 u drobnoustrojów, co powoduje redukcję proliferacji bakterii chorobotwórczych. Badania wykazały, że MOS sprzyja redukcji liczby bakterii z gatunku Clostridium perfringens i Escherichia coli, które stanowią główną przyczynę biegunek pochodzenia bakteryjnego [Strickling i inni, 2000; Middelbos i inni, 2007]. Oprócz tego, MOS podobnie jak FOS moduluje proliferację bakterii z rodzaju Lactobacillus sp. i Bifidobacterium [Grieshop i inni, 2004,].
Galaktooligosacharydy (GOS) to polimery galaktozowe zawierające monomer galaktozy i glukozy. GOS mają właściwości stymulujące wzrost i namnażanie bakterii z rodzaju Lactobacillus sp. i Bifidobacterium. Bakterie wykorzystują GOS jako jedyne źródło węgla. Zainteresowanie GOS wynika z oporności tego związku na trawienie w przewodzie żołądkowo-jelitowym [Thongaram, 2017 ]. Beta-glukany podobnie jak mannanoligosacharydy występują w dużych stężeniach w ścianie komórkowej drożdży. Dane literaturowe wskazują na badania z udziałem psów, których dieta była wzbogacana beta-glukanem a badano wpływ tych związków na układ pokarmowy i immunologiczny zwierząt [Van den Abbeele i inni, 2020]. Według El Khoury i współautorów źródło beta-glukanów ma wpływ na charakterystykę fizyko-chemiczną tej grupy związków, co z kolei wpływa na ich właściwości funkcjonalne [Khoury i inni, 2012]. Rychlik i inni [2013] wykazali, że beta-glukany pochodzące z S. cerevisiae sprzyjały zmniejszeniu aktywności zapalnej choroby jelit, zmniejszenie i zwiększenie poziomu odpowiednio cytokiny prozapalnej IL-6 stężenia i przeciwzapalnej IL-10. Co więcej, inne badanie wykazało, że stężenie 10 g/ml beta-glukanów zwiększa produkcję związków prozapalnych w odpowiedzi na stymulację bakteryjną. Testy in vitro, wskazują, że u psów, których dieta była wzbogacona beta-glukanami doprowadziło to do stymulacji układu immunologicznego, czego konsekwencją było zwiększenie aktywności makrofagów jak i promocja wzrostu TNF-, IL-6 i IL-1, czynników ściśle związanymi z odpornością organizmu [Rychlik i inni, 2013].
Tab.1 Przykłady badań in vivo z udziałem psów i suplementacji prebiotykami.
Dietz i inni, 1997
| Populacja | Siedem dorosłych samców rasy Beagle |
| Szczegóły interwencji | Zwierzęta w wieku 12-18 miesięcy Zastosowano trzy diety: – dietę kontrolną (A) – FOS w stężeniu 5,0% i mieszanka wytłoków z buraka cukrowego (B) – FOS w stężeniu 10,0% i mieszanka wytłoków z buraka cukrowego (C) Czas badania: 210 dni |
| Cel interwencji | Ocenie poddano włączenia mieszanki FOS i błonnika z buraków cukrowych w różnym stężeniu na strawność karmy i wartości podstawowych parametrów: glukoza w osoczu, insulina, azot alfa-aminowy, mocznik, cholesterol i trójglicerydy. |
| Wyniki interwencji | Zastosowane diety przyczyniło się do obniżenia poziomu glukozy poposiłkowej (C), mocznika (B i C) oraz trójglicerydów (B i C). Pomiary przedposiłkowe wykazały obniżone stężenie mocznika (B i C), cholesterolu (C) i trójglicerydów (B i C). Stosowanie diety C przyczyniło się do zmniejszyła zwiększonej strawności białka. |
| Wnioski | Długotrwałe spożywanie błonnika ulegającego fermentacji wiązało się z niewielkim zmniejszeniem strawności białka. |
Howard i inni, 2000
| Populacja | Dwadzieścia osiem dorosłych samic rasy beagle |
| Szczegóły interwencji | Zastosowano cztery rodzaje diet: – 15 g wysłodków buraczanych (BP) – 60 g FOS (FOS) – 60 g mieszanki błonnikowej (FB) – 60 g celulozy (C) Czas badania: 35 dni |
| Cel interwencji | Ocena wpływu diety bogatej w różne źródła prebiotyków, różniących się podatnością na fermentację na parametry fizjologiczne psów, głównie wydalanie azotu i zmiany w populacji mikrobioty jelitowej. |
| Wyniki interwencji | Wyniki badań wskazują, że spożycie karmy było zmniejszone w przypadku psów karmionych dietą FOS w porównaniu z psami karmionymi dietą C, podczas gdy spożycie diet FB i BP było pośrednie pomiędzy dietami FOS i C. Stężenie azotu w kale było zwiększone w przypadku diety FB. W przypadku diety FOS wykazano większą liczebność bakterii tlenowych w dystalnej części okrężnicy. Ponadto stosowanie mieszanki błonnikowej zredukowało liczbę potencjalnie chorobotwórczych bakterii z rodzaju Clostridium sp. |
| Wnioski | Wyniki sugerują, że badane źródła błonnika mają potencjał do wychwytywania i usuwania azotu z organizmu. |
Willard i inni, 2000
| Populacja | Zdrowe, starsze psy rasy Beagle |
| Szczegóły interwencji | Wiek: 7 i 8 lat Grupa A – dieta z dodatkiem 1,0% FOS Grupa B – dieta kontrolna Czas badania: 32 dni |
| Cel interwencji | Ocena wpływu dodatku FOS na bioróżnorodność drobnoustrojów obecnych w okrężnicy. |
| Wyniki interwencji | W przypadku grupy, której dieta była wzbogacana FOS wykazano wyższą koncentrację bakterii z rodziny Bacteroidetes spp. w kale. Suplementacja FOS nie miała znaczącego wpływu na liczebność bakterii Escherichia coli w kale. |
| Wnioski | Suplementacja diety FOS ma wpływ na zmiany liczebności drobnoustrojów wchodzących w skład mikrobioty psów. |
Wilson i inni, 2023
| Szczegóły interwencji | Wiek: 6,7 2,1 lat. Psy karmiono dietą kontrolną przez 4 tygodnie, a następnie losowo przydzielono je do grupy kontrolnej lub grupy, której podawano produkt fermentacji drożdży Saccharomyces cerevisiae (SCFP) jako uzupełnienie diety. Czas badania: 11 tygodni |
| Cel interwencji | Ocena wpływu SCFP na charakterystykę kału i biomarkery stresu oksydacyjnego w surowicy. |
| Wyniki interwencji | Badania wykazały zwiększone stężenie dialdehydu malonowego w surowicy i tendencję do zmiany stężenia 8-izoprostanu w surowicy psów karmionych SCFP, ale obniżenie tego parametru u psów z grupy kontrolnej. kontrolnych po transporcie. Procent suchej masy kału, który to wskaźnik ulega zmianie w czasie stresu związanym z transportem był zmniejszony u psów skarmianych dietą kontrolną i stabilny u psów karmionych SCFP. Ekspresja mRNA cyklooksygenazy-2 i dialdehydu malonowego we krwi była podwyższona u psów skarmianych dietą kontrolną i stabilna lub zmniejszona u psów karmionych SCFP. |
| Wnioski | Dodatek produktu fermentacji w postaci biomasy drożdży Saccharomyces cerevisiae stanowiący uzupełnienie diety dorosłych psów regulował skutki stresu związanego z transportem i obniżał ekspresję genów związanych z aktywacją wrodzonej odporności. |
Rentas i inni, 2020
| Populacja | Rasy psów to seter irlandzki, beagle, labrador, whippet, buldog francuski i cocker spaniel |
| Szczegóły interwencji | Zastosowano cztery kuracje: – dieta kontrolna (CO), – 1,0% GOS (zawierającą minimum 0,38% GOS), – 0,5% prebiotyku mieszanka (B1) – i 1,0% tej mieszanki prebiotycznej (B2). Czas badania: 30 dni. Mieszanka składała się z 120 g/kg FOS, 60 g/kg MOS, 72 g/kg GOS, organicznego cynku i 150 g/kg 1,3 beta-glukanów. |
| Cel interwencji | Ocena wpływu preparatu prebiotycznego zastosowanego w różnych stężeniach na strawność składników odżywczych i wskaźniki związane z układem immunologicznym. |
| Wyniki interwencji | Suplementacja prebiotykami nie miała wpływu na współczynnik strawności, produkcję stolca, konsystencję i pH kału, zawartość amoniaku i kwasu mlekowego, jak i krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych. Dieta bogata w GOS pozwoliła na obniżenie stężenia kwasu izowalerianowego w kale. Dieta bogata w GOS i B2 przyczyniła się do zwiększenia odporność na zakażenia bakteriami z gatunku Staphylococcus aureus, a stosowanie mieszanki prebiotycznej pozwoliło na uzyskanie tego samego efektu ale wobec bakterii z gatunku E. coli. |
| Wnioski | Badania wykazały, że stosowanie prebiotyków przyczynia się do zwiększonej odporności organizmu psów. |
Podsumowanie
Podsumowując, prebiotyki są korzystnymi składnikami, które powinny być wykorzystywane w dobrze zbilansowanej diecie psów towarzyszących. Ostateczny efekt jest związany ze źródłem związków o potencjale prebiotycznym, stężenia i czasu podawania. Dane literaturowe, stanowiące wynik testów in vivo wskazują, że prebiotyki mają wpływ na poprawę funkcjonowania układu pokarmowego i układu odpornościowego psów.
Ponadto należy wskazać, że rozszerzeniem produktów prebiotycznych i probiotycznych są tzw. synbiotyki. Słowo to oznacza synergię, wspólne działanie. Pojęcie to zostało wprowadzone przez Gibsona, który wskazywał na dodatkowe korzyści wynikające z łączenia probiotyków z prebiotykami. Wskazywał, że składnik prebiotyczny stanowi wsparcie, stymuluje wzrost drobnoustrojów probiotycznych. Dodatkowo składniki o charakterze prebiotyków pełnią również rolę ochronną przed szeregiem niekorzystnych czynników środowiskowych jak nadtlenek wodoru, niskie pH, kwasy organiczne tlen. Ponadto obecność w suplemencie substancji o charakterze prebiotycznym pozwala na właściwą implementację drobnoustrojów probiotycznych w okrężnicy. Jednak co ważne, aby zastosowane prebiotyki stymulowały wzrost odpowiednich grup drobnoustrojów, tj. tych które wywierają korzystny wpływ na zdrowie psa.
prof. dr hab. Daria Szymanowska
Biotechnolog, pracownik naukowo-dydaktyczny Uniwersytetu Przyrodniczego i Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu
Literatura
Annison G., Illman R., Topping D.: Acetylated, propionylated or butyrylated starches raise large bowel short-chain fatty acids preferentially when fed to rats. J. Nutr., 2003, 133, 3523-3528.
Diez, M.; Hornick, J.L.; Baldwin, P.; Istasse, L. Influence of a blend of fructo-oligosaccharides and sugar beet fiber on nutrient digestibility and plasma metabolite concentrations in healthy beagles. Am. J. Vet. Res. 1997, 58, 1238–1242.
Howard, M.D.; Kerley, M.S.; Sunvold, G.D.; Reinhart, G.A. Source of dietary fiber fed to dogs affects nitrogen and energy metabolism and intestinal microflora populations. Nutr. Res. 2000, 20, 1473–1484.
Grieshop, C.; Flickinger, E.; Bruce, K.; Patil, A.R.; Czarnecki-Maulden, G.L.; Fahey, G.C., Jr. Gastrointestinal and immunological responses of senior dogs to chicory and mannan-oligosaccharides. Arch. Anim. Nutr. 2004, 58, 483–494.
Khoury, D.E.; Cuda, C.; Luhovyy, B.L.; Anderson, G.H. Beta glucan: Health benefits in obesity and metabolic syndrome. J. Nutr. Metab. 2012, 85, 1362.
Ouwehand A., Derrien M., de Vos W., Tiihonen K., Rautonen N.: Prebiotics and other microbial substrates for gut functionality. Current Biology, 2005, 16, 212-217.
Douglas L.C., Sanders M.E.: Probiotics and prebiotics in dietetics practice. J. Am. Diet. Assoc., 2008, 108, 510-521.
Nakakuki T.: Present status and future prospects of functional oligosaccharide development in Japan. Jap. Soc. Appl. Glycossci., 2005, 52, 267-271.
O’Sullivan M.G.: Metabolism of bifidogenic factors by gut flora-an overview. Bull. Int. Dairy Fed., 1996, 289, 27-30.
Gibson, G.R.; Hutkins, R.; Sanders, M.E.; Prescott, S.L.; Reimer, R.A.; Salminen, S.J.; Scott, K.; Stanton, C.; Swanson, K.S.; Cani, P.D.; et al. Expert consensus document: The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) consensus statement on the definition and scope of prebiotics. Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 2017, 14, 491–502.
Moreno, F.J.; Corzo, N.; Montilla, A.; Villamiel, M.; Olano, A. Current state and latest advances in the concept, production and functionality of prebiotic oligosaccharides. Curr. Opin. Food Sci. 2017, 13, 50–55.
Roberfroid, M.B. A functional food: Chicory fructooligosaccharides, a colonic food with prebiotic activity. World Ingred. 1995, 3, 42–44.
Willard, M.D.; Simpson, R.B.; Cohen, N.D.; Clancy, J.S. Effects of dietary fructooligosaccharide on selected bacterial populations in feces of dogs. Am. J. Vet. Res. 2000, 61, 820–825.
Śliżewska K., Libudzisz Z.: Wykorzystywanie oligosacharydów jako prebiotyków. Przem. Spoż., 2002, 56, 10-12.
Thongaram, T.; Hoeflinger, J.L.; Chow, J.; Miller, M.J. Prebiotic galactooligosaccharide metabolism by probiotic lactobacilli and bifidobacteria. J. Agric. Food Chem. 2017, 65, 4184–4192.
Swanson, K.; Grieshop, C.; Flickinger, E.; Healy, H.P.; Dawson, K.A.; Merchen, N.R.; Fahey, G.C., Jr. Effects of supplemental fructooligosaccharides plus mannanoligosaccharides on immune function and ileal and fecal microbial populations in adult dogs. Arch. Anim. Nutr. 2002, 56, 309–318.
Strickling, J.A.; Harmon, D.L.; Dawson, K.A.; Gross, K.L. Evaluation of oligosaccharide addition to dog diets: Influences on nutrient digestion and microbial populations. Anim. Feed Sci. Technol. 2000, 86, 205–219.
Middelbos, I.S.; Fastinger, N.D.; Fahey, G.C., Jr. Evaluation of fermentable oligosaccharides in diets fed to dogs in comparison to fiber standards. J. Anim. Sci. 2007, 85, 3033–3044.
Rychlik, A.; Nieradka, R.; Kander, M.; Nowicki, M.; Wdowiak, M.; Kołodziejska-Sawerska, A. The effectiveness of natural and synthetic immunomodulators in the treatment of inflammatory bowel disease in dogs. Acta Vet. Hung. 2013, 61, 297–308.
Wilson, S.M.; Oba, P.M.; Applegate, C.C.; Koziol, S.A.; Panasevich, M.R.; Norton, S.A.; Swanson, K.S. Effects of a Saccharomyces cerevisiae fermentation product-supplemented diet on fecal characteristics, oxidative stress, and blood gene expression of adult dogs undergoing transport stress. J. Anim. Sci. 2023, 101, skac245.
Rentas, M.F.; Pedreira, R.S.; Perini, M.P.; Risolia, L.W.; Zafalon, R.V.A.; Alvarenga, I.C.; Vendramini, T.H.A.; Balieiro, J.C.C.; Pontieri, C.F.F.; Brunetto, M.A. Galactoligosaccharide and a prebiotic blend improve colonic health and immunity of adult dogs. PLoS ONE 2020, 15, e0238006.
Wang Y.: Prebiotics:present and future in food science and technology. Food Res. Int., 2009, 42, 8-12.
Van den Abbeele, P.; Duysburgh, C.; Rakebrandt, M.; Marzorati, M. Dried yeast cell walls high in beta-glucan and mannanoligosaccharides positively affect microbial composition and activity in the canine gastrointestinal tract in vitro. J. Anim. Sci. 2020, 98, skaa173.
