41-530

ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 530: 405-418

SKROBIA MODYFIKOWANA FIZYCZNIE

JAKO POTENCJALNY PREBIOTYK

Joanna

Le Thanh

, Aneta

Burchardt

, Joanna

Menclewicz

, Anna

Sip

GraŜyna

Lewandowicz

Katedra Biotechnologii i Mikrobiologii śywności,
Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

Wstęp

WaŜnym czynnikiem bezpośrednio zaleŜnym od zachowań konsumenta, tj. jego

warunków ekonomicznych, upodobań i nawyków Ŝywieniowych, jest rodzaj stosowanej
diety.  Jej  skład  decyduje  o  właściwościach  składników,  które  docierają  do  jelita
grubego. Wiele produktów Ŝywnościowych zawiera składniki,  które nie  są trawione  w
górnej części przewodu pokarmowego (na odcinku Ŝołądek - jelito cienkie). Przykładem
takich  składników  jest  skrobia  oporna,  nieskrobiowe  polisacharydy  (błonnik
pokarmowy) oraz oligosacharydy

OOKS

i in. 1999; L

ESZCZYŃSKI

2004]

. Składniki, które

w postaci niestrawionej docierają do jelita grubego mogą być metabolizowane przez
mikroflorę jelitową i niejednokrotnie stymulować jej rozwój. Źródłem składników
wykorzystywanych przez bakterie jelitowe jest wiele produktów dietetycznych

IDLEY

in. 1995; L

EWANDOWICZ

ORAL

-Ś

MIETANA

2004].

Na skład mikroflory jelitowej moŜna oddziaływać nie tylko za pośrednictwem

diety  ale  równieŜ  poprzez  stosowanie  preparatów  probiotycznych  zawierających
wyselekcjonowane  szczepy  bakterii  Lactobacillus  czy  Bifidobacterium.  Powszechnie
wiadomo,  Ŝe  dodatek  drobnoustrojów  probiotycznych  do  diety  wywiera  korzystny
wpływ  na  zdrowie,  przede  wszystkim  z  uwagi  na  ich  zdolność  do  antagonistycznego
działania  na  drobnoustroje  chorobotwórcze  oraz  bakterie  gnilne.  Liczebność
korzystnych  bakterii  w  produktach  spoŜywczych  podczas  ich  przechowywania,  a
następnie  podczas  pasaŜu  jelitowego  obniŜa  się.  Z  tego  teŜ  względu  bakterie
probiotyczne  często  nie  są  w  stanie  utrzymać  przewagi  populacyjnej  w przewodzie
pokarmowym. W związku z tym w ostatnich latach uwaga naukowców koncentruje się
na  identyfikacji,  a  takŜe  opracowywaniu  funkcjonalnych  składników  Ŝywności,  za
pośrednictwem  których  moŜna  by  manipulować  składem  mikroflory  jelitowej  w  taki
sposób  by  korzystnie  oddziaływała  ona  na  nasze  zdrowie.  Modyfikacja  składu
mikroflory  jelitowej  jest  zatem  moŜliwa  zarówno  poprzez  doustne  podanie  Ŝywych
drobnoustrojów w postaci preparatów probiotycznych lub Ŝywności probiotycznej oraz
za  pośrednictwem  Ŝywności  zawierającej  nietrawione  w  przewodzie  pokarmowym
składniki,  które  selektywnie  stymulują  wzrost  i/lub  aktywność  określonych  grup
drobnoustrojów.

Pierwotnie błonnik zawarty w ścianach komórkowych roślin uwaŜany był za

główne źródło materiału opornego na hydrolizę enzymatyczną (trawienie), jednakŜe
niedawno okazało się, Ŝe równieŜ oligosacharydy, jak i „oporne” frakcje skrobi,

J. Le Thanh i inni

406

stanowią interesujące źródło węglowodanów wykorzystywanych przez mikroorganizmy
w jelicie grubym

[ASP 1996; L

ESZCZYŃSKI

2004].

Wśród tego typu produktów szczególne

miejsce  zajmują  substancje  o  działaniu  prebiotycznym,  takie  jak  polisacharydy
nieskrobiowe,  a  takŜe  tzw.  „resistant  starch”  czyli  skrobia  oporna  na  enzymy
amylolityczne. Substancje te nie są trawione przez enzymy amylolityczne w przewodzie
pokarmowym  człowieka,  natomiast  stanowią  źródło  węglowodanów  dla  mikroflory
jelitowej.  W  wyniku  zachodzących  tam  procesów  fermentacyjnych  tworzą  się
krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe uczestniczące w formowaniu nabłonka jelitowego
i  wykazujące  udowodnione  działanie  antykancerogenne

ROUNS

i in. 2002]

. Prebiotyki

stymulują zatem rozwój probiotyków. Prebiotyki w sposób pośredni wpływają więc na
skład  mikroflory  jelitowej,  motorykę  jelit,  gospodarkę  mineralną,  syntezę  witamin  z
grupy B oraz poziom cholesterolu i syntezy triglicerydów. Są pomocne  w profilaktyce
nowotworów,  a takŜe  mogą  zmniejszać  ryzyko  powstawania  wielu  chorób
cywilizacyjnych  takich  jak:  osteoporoza  (poprzez  poprawę  wchłaniania  wapnia),
otyłość  (obniŜenie  indeksu  glikemicznego),  wrzodziejące  zapalenie  jelita  grubego,
zaparcia,  czy  choroba  wieńcowa

IBSON

2004].

Pomimo szeregu dostępnych

komercyjnie  preparatów  prebiotycznych  i  coraz  większej  ilości  informacji  na  temat
mikroflory jelitowej,  wiedza dotycząca przemian jakim zarówno  w  warunkach in vitro
jak  i  in  vivo  ulegają  prebiotyki  jest  nadal  niewielka.  Pierwszą  próbę  opracowania
ilościowej,  a tym  samym  porównywalnej,  metody  oceny  przebiegu  fermentacji
substancji  prebiotycznych  w  warunkach  in  vitro  opracowali  Palframan  i  wsp.,  którzy

wprowadzili pojęcie indeksu prebiotycznego PI

ULEVIC

i in. 2004].

Do wyznaczenia PI

zaproponowali równanie, określające zmiany liczebności populacji kluczowych grup
bakterii bytujących w jelicie grubym (Bifidobacterium, Lactobacillus, Clostridium oraz
Bacteroides)

ULEVIC

i in. 2004].

Częściej jednak badania nad prebiotykami dotyczą

określenia ich wpływu na liczebność wybranego szczepu bakterii probiotycznych np.
Bifidobacterium

ORAL

-Ś

MIETANA

i in. 2005]

lub Lactobacillus

IBUDZISZ

2006

]. W

badaniach tych ocenia się takŜe ilość powstających krótkołańcuchowych kwasów
tłuszczowych oraz tempo asymilacji substratu i na ich podstawie określa się tzw. efekt
prebiotyczny

ORAL

-Ś

MIETANA

i in. 2005; L

IBUDZISZ

2006].

Ze względu na właściwości fizykochemiczne skrobi oraz jej znaczenie w Ŝy-

wieniu człowieka, ogromne nadzieje wiąŜe się z produktami jej modyfikacji jako
produktami dietetycznymi

HANH

, L

EWANDOWICZ

2007].

W szczególności duŜe

oczekiwania istnieją w odniesieniu do procesów modyfikacji fizycznej, które
w odróŜnieniu od sposobów polegających na reakcjach chemicznych nie budzą za-
strzeŜeń z punktu widzenia Ŝywieniowego. W Katedrze Biotechnologii i Mikrobiologii
ś

ywności Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu opracowano metodę otrzymywania

skrobi

podwyŜszonej

oporności

enzymy

amylolityczne

drodze

wysokociśnieniowej homogenizacji kleiku

RAJEK

i in. 2004]

. Metodą tą moŜna

otrzymać produkt o strawności obniŜonej do 50%.

Celem niniejszej pracy było ustalenie czy skrobia modyfikowana fizycznie

otrzymana  w  wyniku  wysokociśnieniowej  homogenizacji  kleików  skrobiowych  jest
metabolizowana  przez  probiotyczne  szczepy  bakterii  z  rodzaju  Lactobacillus.  Uzy-
skanie  tych  informacji  moŜe  w  przyszłości  doprowadzić  do  opracowania  na  ich  bazie
preparatów prebiotycznych i/lub gotowych symbiotyków.

Materiały i metody

Materiał badawczy stanowiła skrobia ziemniaczana modyfikowana fizycznie

otrzymana na drodze wysokociśnieniowej homogenizacji kleiku skrobiowego

RAJEK

SKROBIA MODYFIKOWANA FIZYCZNIE ...

407

in. 2004].

Do celów porównawczych zastosowano takŜe maltodekstrynę niskoscukrzoną

(DE = 4,9) pochodzącą z Przedsiębiorstwa Przemysłu Ziemniaczanego w Łobzie oraz
skrobię ziemniaczaną natywną wyprodukowaną przez WWPZ w Luboniu.

Masę cząsteczkową skrobi ziemniaczanej, maltodekstryny N oraz homogenizatu

oznaczano techniką GFC (ang. Gel Filtration Chromatography). UŜyto trzech
sprzęŜonych szeregowo kolumn Ultrahydrogel

(Waters). Analizy wykonano aparatem

firmy Waters (Alliance HPLC System 2695) z detektorem refraktometrycznym (RI)
Waters 2414. Dane przetwarzano za pomocą oprogramowania Empower Pro w opcji
GPC. Analizę chromatograficzną prowadzono w następujących warunkach: temperatura
injektora 25

C, temperatura kolumn 40

C, temperatura celi pomiarowej 35

C, przepływ

rozpuszczalnika (woda dejonizowana) 0,700 ml/min. Krzywą kalibracyjną otrzymano
przy uŜyciu standardów mas cząsteczkowych dekstranu (Polymer Standards Service-
USA, Inc.).

Badaniom poddano probiotyczne szczepy bakterii Lactobacillus acidophilus, L.

casei, L. plantarum oraz L. ramnosus. Wszystkie badane bakterie pochodziły z kolekcji
czystych kultur Katedry Biotechnologii i Mikrobiologii śywności Uniwersytetu
Przyrodniczego w Poznaniu.

Hodowle probiotycznych bakterii Lactobacillus prowadzono bez regulacji pH w

temperaturze 37

C w płynnym podłoŜu MRS (standardowym podłoŜu dla bakterii z

rodzaju Lactobacillus) oraz w zmodyfikowanych podłoŜach MRS. Modyfikacja podłoŜa
MRS  polegała  na  usunięciu  z  niego  glukozy  i  zastąpieniu  jej  równowaŜną  ilością  -
maltodekstryny,  naturalnej  skrobi  ziemniaczanej  lub  skrobi  modyfikowanej  fizycznie
(homogenizatu).  Sterylizację  podłoŜy  prowadzono  po  dodaniu  do  nich  alternatywnych
w  stosunku  do  glukozy  źródeł  węgla.  W  trakcie  hodowli,  w  określonych  interwałach
czasowych,  oznaczano  liczebność  komórek  Lactobacillus  metodą  rozcieńczeń
dziesiętnych  i  wyraŜano  ją  w  jtk/ml.  Wszystkie  oznaczenia  wykonywano  w  trzech
powtórzeniach.  Na  podstawie  otrzymanych  danych  określano  maksymalną  liczbę
komórek  badanych  bakterii,  obliczano  ilość  podziałów,  czas  generacji,  maksymalną
szybkość  wzrostu (częstość podziałów) oraz czas trwania  fazy  wykładniczej. Hodowlę
kontrolną  (klasyczne  podłoŜe  MRS)  prowadzono  przez  50  godz.,  natomiast  hodowle
testowe  (zmodyfikowane  podłoŜa  MRS)  przez  75  godz.  Czas  hodowli  testowych
wydłuŜono  o  50%  by  dokładnie  prześledzić  sposób  oddziaływania  zastosowanych
ź

ródeł węgla na ich przebieg.

Zawartość krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych SCFA oznaczono wy-

korzystując  technikę  wysokosprawnej  chromatografii  cieczowej  HPLC.  Oznaczenia
wykonano  na  chromatografie  cieczowym  Merck-Hitachi  L-7250,  wyposaŜonym  w
kolumnę  Amnimex

HPX-87H

300

x 7,8mm oraz prekolumnę i detektor

refraktometryczny typ

DAD MERCK-HITACHI L-7455

. Jako eluent stosowano 0,005M

, przy przepływie 0,6 ml

⋅

min

-1

. Próby sączono przez sączki 0,45 µ m (Milipore) i

nanoszono na kolumnę w ilości 30 µl. Identyfikacji jakościowej oraz ilościowej
dokonano metodą standardu zewnętrznego z wykorzystaniem powierzchni pików
(pomiar i integracja komputerowa).

Wyniki i dyskusja

Skrobia modyfikowana fizycznie na drodze wysokociśnieniowej homogenizacji

kleiku skrobiowego wykazuje obniŜoną do 50% strawność czyli zaledwie połowa
skrobi ulega hydrolizie do glukozy po 16-tu godzinach inkubacji w obecności

amylazy trzustkowej i glukoamylazy. Pod względem strukturalnym preparat ten w
niewielkim stopniu róŜni się od naturalnej skrobi ziemniaczanej, a najpowaŜniejszą

J. Le Thanh i inni

408

zmianą  jaką  powoduje  zastosowany  sposób  obróbki  jest  częściowa  degradacja
makrocząsteczek  tego  polisacharydu  (rys.  1).  Na  wykresie  obrazującym  rozkład  mas
cząsteczkowych  naturalnej  skrobi  ziemniaczanej  moŜna  zaobserwować  ostry  pik
amylopektyny  dla  czasu  retencji  16,6  min,  oraz  trzy  szerokie  piki  (czas  retencji  22,5;
24,9;  30,7  min)  odpowiadające  amylozie  (rys.  1).  Handlowa  maltodekstryna
niskoscukrzona  DE  =  4,9  (co  odpowiada  stopniowi  polimeryzacji  DP

≅

20) wykazuje

duŜy  szeroki  pik  z  dwoma  maksimami  dla  czasów  retencji  40,5  i  36,2  min
odpowiadający  dominującej  frakcji  niskocząsteczkowej,  oraz  mały  pik  dla  czasu
retencji  17,9  min,  wskazujący  na  obecność  w  produkcie  niewielkiej  ilości  relatywnie
wysokocząsteczkowej  frakcji  polisacharydowej.  W  odróŜnieniu  od  pozostałych
zastosowanych wielkocząsteczkowych źródeł węgla, homogenizat skrobiowy wykazuje
trimodalny rozkład mas cząsteczkowych. Najbogatszą frakcję stanowi niezdegradowana
amylopektyna, ponadto  występują frakcje odpowiadające zdegradowa.ym cząsteczkom
skrobiowym. Charakterystyczny jest fakt, iŜ pik amylopektyny homogenizatu występuje
przy  nieco  niŜszym  czasie  retencji  (16,4 min)  niŜ  pik  amylopektyny  naturalnej  skrobi
ziemniaczanej

(16,7

min).

PowyŜsza

obserwacja

wskazuje,

iŜ

proces

wysokociśnieniowej homogenizacji spowodował nie tylko degradację makrocząsteczek
skrobiowych,  ale  równieŜ  pewną  zmianę  konformacyjną  frakcji  amylopektyny
poprawiającą  termodynamiczną  zgodność  polimer-rozpuszczalnik  w  układzie
homogenizat-woda  co  w  konsekwencji  przesunęło  pik  GPC  w  kierunku  niŜszych
czasów retencji.

Rys. 1. Rozkład mas cząsteczkowych określony metodą filtracji Ŝelowej (GPC), 1 - skrobia,
2- homogenizat skrobi, 3 - maltodekstryna N

Fig. 1.

Molecular mass distribution determined by the gel permeation chromatography
method (GPC), 1 - starch, 2 - homogenised starch, 3 - maltodextrin N

Zastąpienie glukozy w poŜywce MRS poliglukanami skrobiowymi o róŜnej masie

cząsteczkowej  czyli:  maltodesktryną,  naturalną  skrobią  ziemniaczaną  oraz  skrobią
modyfikowaną  fizycznie  wpłynęło  na  przebieg  hodowli  badanych  bakterii  z  rodzaju
Lactobacillus  (tab.  1).  W  trakcie  fazy  wzrostu  wykładniczego  składniki  odŜywcze  w
komercyjnych  podłoŜach  hodowlanych  występują  zwykle  w  nadmiarze  dlatego
szybkość  wzrostu  bakterii  jest  największa,  a  zarazem  maksymalna  i  charakterystyczna
dla poszczególnych gatunków. Zdolność bakterii do wzrostu zaleŜy jednak nie tylko od
indywidualnych  właściwości  bakterii  ale  w  duŜej  mierze  jest  uzaleŜniona  od
stosowanego  substratu

ULEVIC

i in. 2004].

Jak wynika z danych zamieszczonych w

tabeli 1, w przypadku hodowli prowadzonych na podłoŜu z glukozą maksymalna
liczebność komórek wykazywała niewielkie zróŜnicowanie gatunkowe i wynosiła dla L.
acidophilus 9,8

⋅

jtk

⋅

-1

, dla L. casei 9,0

⋅

jtk

⋅

-1

oraz dla L. plantarum i L.

ramnosus 2,0

⋅

jtk

⋅

-1

. Maltodekstryna, która charakteryzowała się stopniem

polimeryzacji DP

≅

20 była równieŜ źródłem węgla bardzo efektywnie

wykorzystywanym przez bakterie z rodzaju Lactobacillus. UmoŜliwiła ona wszystkim

SKROBIA MODYFIKOWANA FIZYCZNIE ...

409

badanym bakteriom intensywny wzrost, jednak maksymalna gęstość ich populacji była
się  nieco  niŜsza  od  otrzymywanej  w  podłoŜu  z glukozą.  Wzrost  bakterii  z  rodzaju
Lactobacillus  w  pozostałych  podłoŜach  był  słabszy  niŜ  w  kontroli  glukozowej,  co
moŜna  tłumaczyć  bardziej  skomplikowaną  strukturą  wchodzących  w  ich  skład
substratów.  Ze  względu  na  to,  iŜ  pozostałymi  źródłami  węgla  były  cukry  złoŜone,
badane  bakterie,  do  ich  rozkładu  musiały  uruchomić  syntezę  specyficznych  enzymów.
To  z  kolei  powodowało  stopniową  zmianę  ich  metabolizmu.  Zmiana  ta  wpłynęła  na
obniŜenie  liczebności  komórek  oraz  na  wydłuŜenie  niektórych  faz  wzrostu  -  głównie
fazy  wykładniczego  wzrostu  (tab. 1).  W  przypadku  skrobi  ziemniaczanej  czas  trwania
fazy  wykładniczej  wydłuŜył  się  do  13  godz.  dla  Lactobacillus  acidophilus  (tab.  1),
natomiast  dla  pozostałych  bakterii  aŜ  do  24  godz.  (tab.  1).  Maksymalna  liczebność
komórek wszystkich badanych lactobacillusów w podłoŜu ze skrobią ziemniaczaną była
niŜsza  niŜ  w podłoŜu  z  glukozą  i  wynosiła  średnio  8,2

⋅

jtk

⋅

-1

(tab. 1). Wyjątek

stanowiły  bakterie  Lactobacillus  plantarum,  których  populacja  w  podłoŜu  ze  skrobią
ziemniaczaną  osiągnęła  liczebność  porównywalną  do  klasycznego  podłoŜa  MRS
(tab. 1).  Gęstość  komórek  w  podłoŜu  z  homogenizatem  była  natomiast  zbliŜona  do
wartości uzyskiwanych dla skrobi natywnej, co moŜe być spowodowane zbliŜoną masą
cząsteczkową  obu  związków.  Na  uwagę  zasługuje  równieŜ  fakt,  Ŝe  czas  trwania  fazy
wykładniczej  wszystkich  badanych  probiotycznych  szczepów  Lactobacillus  na
podłoŜach z homogenizatem  był dwu- trzykrotnie  krótszy  niŜ  na podłoŜach ze skrobią
natywną.

Tabela 1; Table 1

Parametry wzrostu bakterii z rodzaju Lactobacillus w klasycznym podłoŜu MRS

z glukozą oraz w zmodyfikowanych podłoŜach MRS

Parameters of Lactobacillus growth

in classic as well as modified MRS broth

Wyszczególnienie; Specification

Glukoza

Glucose

Maltodek-

stryna

Maltodextrin

Skrobia

Potato

starch

Homogenizat

skrobi

Homogenised

starch

Lactobacillus acidophilus

Log maksymalnej liczebności komórek (jtk

⋅

-1

)

The log of maximum cells viability (cfu

⋅

-1

)

8,99

8,6

7,97

7,85

Czas trwania fazy wykładniczej - t (godz.)
Time of exponential phase - t (h)

Liczba podziałów (pokoleń) - n
Number of generations - n

9,9

4,8

3,7

2,7

Maksymalna właściwa szybkość wzrostu - v (godz.)
Maximum specific growth rate - v (h)

1,0

0,6

0,3

Czas generacji - g (godz.)
Generation time - g (h)

1,0

1,7

3,3

Lactobacillus casei

Log maksymalnej liczebności komórek (jtk

⋅

-1

)

The log of maximum cells viability (cfu

⋅

-1

)

8,82

8,58

7,74

7,39

Czas trwania fazy wykładniczej - t (godz.)
Time of exponential phase - t (h)

Liczba podziałów (pokoleń) - n

5,14

6,5

4,5

4,9

J. Le Thanh i inni

410

Number of generations - n

Maksymalna właściwa szybkość wzrostu - v (godz.)
Maximum specific growth rate - v (h)

0,5

0,2

0,6

Czas generacji - g (godz.)
Generation time - g (h)

2,0

1,7

Lactobacillus plantarum

Log maksymalnej liczebności komórek (jtk

⋅

-1

)

The log of maximum cells viability (cfu

⋅

-1

)

9,15

8,99

9,16

8,75

Czas trwania fazy wykładniczej - t (godz.)
Time of exponential phase - t (h)

Liczba podziałów (pokoleń) - n
Number of generations - n

10,5

4,8

9,4

6,4

Maksymalna właściwa szybkość wzrostu - v (godz.)
Maximum specific growth rate - v (h)

0,8

0,6

0,4

0,8

Czas generacji - g (godz.)
Generation time - g (h)

1,2

1,6

2,5

1,25

Lactobacillus ramnosus

Log maksymalnej liczebności komórek (jtk

⋅

-1

)

The log of maximum cells viability (cfu

⋅

-1

)

9,13

8,83

7,95

7,86

Czas trwania fazy wykładniczej - t (godz.)
Time of exponential phase - t (h)

Liczba podziałów (pokoleń) - n
Number of generations - n

5,8

6,9

4,3

3,4

Maksymalna właściwa szybkość wzrostu - v (godz.)
Maximum specific growth rate (h)

0,6

1,4

0,2

0,4

Czas generacji - g (godz.)
Generation time - g (h)

1,6

0,7

5,6

2,5

Wytwarzanie krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFA) jest typową

cechą  fizjologiczną  bakterii  z  rodzaju  Lactobacillus  i  jedną  z  przyczyn  korzystnego
oddziaływania  tych  mikroorganizmów  na  organizm  człowieka.  W  związku  z tym,  Ŝe
krótkołańcuchowe  kwasy  tłuszczowe  wytwarzane  podczas  fermentacji  wywierają
pozytywny  wpływ  na  organizm  ludzki  podwyŜszone  stęŜenia  tych  kwasów  w  jelicie
grubym  są  uznawane  za  poŜądane.  Wszystkie  kwasy  tłuszczowe  wytwarzane  przez
Lactobacillus  obniŜają  pH  jelit  powodując  tym  samym  zmniejszenie  ilości
niekorzystnej  dla  nas  mikroflory.  SCFA  mogą  takŜe  stymulować  rozwój  nabłonka
jelitowego  (kwas  masłowy),  a  nawet  wpływać  korzystnie  na  rozwój  hepatocytów
(głównie  kwas  propionowy)

IBUDZISZ

2006].

Jak wykazały przeprowadzone badania

ilość  kwasów  wydzielanych  przez  cztery  probiotyczne  szczepy  bakterii  Lactobacillus
zaleŜała  od  rodzaju  źródła  węgla  obecnego  w  podłoŜu.  Na  rysunku 2  przedstawiono
profil  zmian  stęŜenia  najwaŜniejszych  krótkołańcuchowych  kwasów  tłuszczowych  w
hodowli  bakterii  Lactobacillus  acidophilus  na  podłoŜu  zawierającym  glukozę  jako
ź

ródło węgla. Rysunek ten obrazuje sposób w jaki bakterie Lactobacillus wytwarzały

krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe w sytuacji gdy zapewniono im optymalne warunki
wzrostu.  Fermentacja  glukozy,  będącej  preferowanym  źródłem  węgla  przez  bakterie,
dała  stosunkowo  wysoką  produkcję  kwasu  mlekowego.  Jego  stęŜenie  w  50  godz.
hodowli  oscylowało  w  granicach  25 g

⋅

-3

. Drugim, pod względem ilościowym,

metabolitem wydzielanym podczas fermentacji do podłoŜa był kwas octowy. Jego ilość
rosła stopniowo do wartości 5 g

⋅

-3

. W mniejszych ilościach wytwarzane były inne

SCFA. Maksymalne stęŜenie kwasu propionowego w podłoŜu hodowlanym

SKROBIA MODYFIKOWANA FIZYCZNIE ...

411

zarejestrowano w 50 godz. hodowli. Wynosiło ono 1,7 g

⋅

-3

. Kwas masłowy był

natomiast  wydzielany  w  śladowych  ilościach.  Produkcja  wszystkich  SCFA  zaczynała
się  około  6  godziny  hodowli,  czyli  mniej  więcej  w  połowie  fazy  wzrostu
wykładniczego.  Analizując  dane  zamieszczone  na  rysunku  2  stwierdzono  równieŜ,  Ŝe
przez  cały  czas  trwania  hodowli  bakterie  Lactobacillus  nie  utylizowały
krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych.

-- kwas mlekowy; lactic acid

-- kwas octowy; acetic acid

-- kwas propionowy; propionic acid

- kwas masłowy; butyric acid

Rys. 2. Zawartość krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych podczas hodowli Lactobacillus

acidophilus w poŜywce zawierającej glukozę jako źródło węgla

Fig. 2.

The short chain fatty acids concentration during Lactobacillus acidophilus growth in
the medium with glucose as a carbon source

Zastosowanie do hodowli L. acidophillus podłoŜa z maltodekstryną zamiast

glukozy obniŜyło produkcję wszystkich SCFA (rys. 3). Maksymalne uzyskane stęŜenie
kwasu mlekowego wynosiło 8,44 g

⋅

-3

, kwasu octowego 3,79 g

⋅

-3

, natomiast kwasu

propionowego 1,03 g

⋅

-3

. Jedynie kwas masłowy podczas hodowli na podłoŜu z

maltodekstryną  był  produkowany  w  porównywalnych  ilościach  jak  w trakcie  hodowli
kontrolnych (podłoŜa z glukozą). W podłoŜu MRS zmodyfikowanym maltodekstryną L.
acidophillus  potrzebowały  jednocześnie  znacznie  więcej  czasu  na  wykorzystanie
substratu  stąd  teŜ  produkcja  SCFA  zaczynała  się  znacznie  później  w  porównaniu  z
hodowlami kontrolnymi.

J. Le Thanh i inni

412

-- kwas mlekowy; lactic acid

-- kwas octowy; acetic acid

-- kwas propionowy; propionic acid

- kwas masłowy; butyric acid

Rys. 3.

Zawartość krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych podczas hodowli Lacto-
bacillus acidophilus w poŜywce zawierającej maltodekstrynę jako źródło węgla

Fig. 3.

The short chain fatty acids concentration during Lactobacillus acidophilus growth in
the medium with maltodekstrin as a carbon source

Zastosowanie naturalnej skrobi ziemniaczanej jako źródła węgla spowodowało

zmianę

proporcji

ilościowych

wytwarzanych

krótkołańcuchowych

kwasów

tłuszczowych  w  porównaniu  z  kontrolą  glukozową  (rys.  4).  W  trakcie  hodowli  na
podłoŜu  ze  skrobią  ziemniaczaną  L.  acidophillus  produkowały  najwięcej  kwasu
octowego.  Kolejnym  pod  względem  ilości  wytwarzanym  SCFA  był  kwas  mlekowy,  a
następnie kolejno kwas propionowy i masłowy.

Poziom produkcji krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych w podłoŜu

zawierającym homogenizat róŜnił się wyraźnie od stwierdzonego w pozostałych typach
podłoŜy (rys. 5). Największe zmiany nastąpiły w produkcji kwasu mlekowego, mniejsze
natomiast w produkcji kwasu octowego oraz propionowego. Bakterie L. acidophilus
hodowane w podłoŜu z homogenizatem, podobnie jak w podłoŜu ze skrobią,
produkowały, więcej kwasu octowego niŜ kwasu mlekowego. Podobne wyniki uzyskała

RONKOWSKA

i in. [2006]

, w badaniach 24-godzinnej fermentacji róŜnych substratów

skrobiowych  z  udziałem  wybranych  szczepów  Bifidobacterium,  gdzie  w  przypadku
próby kontrolnej, czyli podłoŜa z glukozą głównym  metabolitem  fermentacji był  kwas
mlekowy,  a  fermentacja  pozostałych  substratów  (tj.  skrobi  natywnych  i  skrobi
modyfikowanych,  opornych  na  enzymy  amylolityczne)  dała  wysokie  stęŜenia  kwasu
octowego

RONKOWSKA

i in. 2006

SKROBIA MODYFIKOWANA FIZYCZNIE ...

413

-- kwas mlekowy; lactic acid

-- kwas octowy; acetic acid

-- kwas propionowy; propionic acid

- kwas masłowy; butyric acid

Rys. 4. Zawartość krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych podczas hodowli Lactobacillus

acidophilus w poŜywce zawierającej skrobię jako źródło węgla

Fig. 4.

The short chain fatty acids concentration during Lactobacillus acidophilus growth in
the medium with potato starch as a carbon source

-- kwas mlekowy; lactic acid

-- kwas octowy; acetic acid

-- kwas propionowy; propionic acid

- kwas masłowy; butyric acid

Rys. 5.

Zawartość krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych podczas hodowli Lacto-
bacillus acidophilus w poŜywce zawierającej homogenizat skrobi jako źródło węgla

Fig. 5.

The short chain fatty acids during Lactobacillus acidophilus growth in the medium
with homogenized starch as a carbon source

W badaniach

ULEVIC

’

i in. [2004]

zaobserwowano wyŜszą produkcję kwasu octowego

niŜ mlekowego przy zastosowaniu jako źródła węgla zamiast glukozy trans-galakto-
oligosacharydów, frukto-oligosacharydów, sacharozy, czy teŜ gumy guar

ULEVIC

i in.

2004].

Kwas octowy, który okazał się być głównym metabolitem fermentacji natywnej

skrobi  ziemniaczanej  oraz  skrobi  modyfikowanej  fizycznie  prowadzonej  przez
probiotyczne  szczepy  bakterii  z  rodzaju  Lactobacillus  jest  związkiem  wykazującym
silną  antagonistyczną  aktywność  względem  wielu  bakterii,  droŜdŜy  i  pleśni.  Ponadto
ustalono,  Ŝe  jest  absorbowany  z  jelita  grubego  i  stanowi  zapasowe  źródło  energii  dla
tkanek

RONKOWSKA

i in. 2006].

J. Le Thanh i inni

414

Proces produkcji krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych przez pozostałe

badane szczepy bakterii z rodzaju Lactobacillus miał podobny przebieg jak
w przypadku L. acidophilus. Ponadto charakter zmian wywołanych obecnością róŜnych
ź

ródeł węgla w podłoŜu był analogiczny (tab. 2).

Tabela 2; Table 2

Ilości krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych wytworzonych

przez bakterie z rodzaju Lactobacillus w klasycznym podłoŜu MRS

z glukozą oraz podłoŜach zmodyfikowanych po 50 godz. fermentacji

Production of short chain fatty acids by Lactobacillus in classic

as well as modified MRS broth after 50h fermentation

ródło węgla w podłoŜu

Carbon source

StęŜenie kwasu w podłoŜu po 50 godz. fermentacji

Concentration of acids in broth after 50 h fermentation

⋅

-3

)

mlekowy

lactic

octowy

acetic

propionowy

propionic

masłowy

butyric

L. acidophilus

Glukoza; Glucose

24,71

5,12

1,66

0,02

Maltodekstryna; Maltodextrin

7,98

3,69

1,00

0,09

Skrobia; Starch

1,46

3,33

1,08

0,09

Homogenizat skrobi; Homogenised starch

1,19

3,32

0,91

0,03

L. casei

Glukoza; Glucose

26,47

5,15

1,69

Maltodekstryna; Maltodextrin

8,54

2,15

1,02

0,06

Skrobia; Starch

1,67

2,65

1,02

0,12

Homogenizat skrobi; Homogenised starch

1,05

2,69

0,85

0,05

L. plantarum

Glukoza; Glucose

14,89

2,56

0,73

0,05

Maltodekstryna; Maltodextrin

19,40

2,80

0,81

0,06

Skrobia; Starch

10,67

4,41

1,33

0,06

Homogenizat skrobi; Homogenised starch

0,59

4,03

1,50

0,01

L. ramnosus

Glukoza; Glucose

15,08

1,97

0,99

0,05

Maltodekstryna; Maltodextrin

9,80

2,55

0,86

0,06

Skrobia; Starch

0,87

2,15

0,59

0,03

Homogenizat skrobi; Homogenised starch

1,07

3,60

1,07

0,05

Podsumowanie

Skrobia modyfikowana fizycznie na drodze wysokociśnieniowej homogenizacji

kleiku  skrobiowego  wykazuje  obniŜoną  do  50%  strawność  in  vitro.  Zastosowany
sposób  obróbki  powoduje  częściową  degradację  makrocząsteczek  tego  polisacharydu
oraz  zmianę  konformacyjną  frakcji  amylopektyny  poprawiającą  termodynamiczną
zgodność  polimer-rozpuszczalnik  w  układzie  polimer-woda.  Zastąpienie  glukozy  w
podłoŜu  MRS  skrobią  modyfikowaną  fizycznie  zmienia  przebieg  hodowli  czterech
badanych  probiotycznych  szczepów  bakterii  Lactobacillus.  UŜycie  jako  źródła  węgla
maltodekstryny,  nie  wpływa  w  wyraźny  sposób  na  intensywność  wzrostu  Ŝadnego  z
badanych  szczepów.  Podczas  hodowli  w  podłoŜu  ze  skrobią  ziemniaczaną  natywną

SKROBIA MODYFIKOWANA FIZYCZNIE ...

415

następuje  natomiast  obniŜenie  liczebności  komórek  oraz  wydłuŜenie  fazy  wzrostu
wykładniczego  w  stosunku  do  pozostałych  testowanych  w  pracy  źródeł  węgla.  W
przypadku  zastosowania  podłoŜa  ze  skrobią  modyfikowaną  fizycznie  zaobserwowano
niŜszą liczebność komórek wszystkich Lactobacillus, w porównaniu do uzyskiwanej w
podłoŜu z formą natywną skrobi. Maksymalna szybkość  wzrostu komórek była jednak
porównywalna  w  obu  podłoŜach.  Zastosowanie  wysokocząsteczkowych  źródeł  węgla,
takich  jak  naturalna  skrobia  ziemniaczana  oraz  skrobia  modyfikowana  na  drodze
wysokociśnieniowej  homogenizacji  wyraźnie  obniŜyło  produkcję  kwasu  mlekowego
oraz  zmieniło  proporcje  ilościowe  pomiędzy  pozostałymi  SCFA  wytwarzanymi  przez
Lactobacillus.  W  podłoŜach  ze  skrobią  modyfikowaną  fizycznie  kwas  octowy  był
głównym  produktem  fermentacji.  Skrobia  modyfikowana  fizycznie  na  drodze
wysokociśnieniowej homogenizacji powodowała podobne zmiany metabolizmu bakterii
probiotycznych jak znane substancje o charakterze prebiotycznym, tj. trans-galakto-oli-
gosacharydy, frukto-oligosacharydy oraz preparaty skrobi opornej.

Literatura

ASP, N-G. 1996.

Dietary carbohydrates: classification by chemistry and physiology.

Food Chem. 57(1): 9-14.

ROUNS

F., K

ETTLITZ

B., A

RRIGONI

E. 2002.

Resistant starch and the butyrate revolu-

tion”. Trends in Food Sci. and Techn. 13(8): 251-261.

OOKS

L.J., F

ULLER

R., G

IBSON

G.R. 1999.

Prebiotics, probiotics and human gut

microbiology. Intern. Dairy J. 9: 53-61.

IBSON

G.R. 2004.

Prebiotics. Best Practice & Research Clinical Gastroenterology

18(2): 287-298.

IDLEY

M.J., C

OOKE

D., D

ARKE

A.H., H

OFFMANN

R.A., R

USSELL

A.L., G

REENWELL

P. 1995.

Molecular order and structure in enzyme-resistant retrograded starch. Carbohydrate
Polymers 28(1): 23-31.

RAJEK

W., J

ANKOWSKI

T., L

EWANDOWICZ

G. 2004.

Sposób otrzymywania produktu

skrobiowego o podwyŜszonej odporności na enzymy amylolityczne. Zgłoszenie pa-
tentowe RP nr P. 368472 z dnia 8 czerwca 2004.

HANH

J., L

EWANDOWICZ

G. 2007.

Dietetyczne produkty skrobiowe. Przem. SpoŜ.

61(8): 54-58; 88.

ESZCZYŃSKI

W. 2004.

Resistant starch - classification, structure, production. Polish J.

of Food and Nutrition Sci. 13/54(1): 37-50.

EWANDOWICZ

G. S

ORAL

-Ś

MIETANA

M. 2004.

Starch modification by iterated syneresis.

Carbohydrate Polymers 56(4): 403-413.

IBUDZISZ

Z. 2006.

Mikroflora przewodu pokarmowego człowieka i jej wpływ na orga-

nizm, w: Mikroorganizmy w Ŝywności i Ŝywieniu. Wydawn. AR w Poznaniu: 31-41.

ULEVIC

J., R

ASTALL

R.A., G

IBSON

G.R. 2004.

Developing a quantitative approach for

determining the in vitro prebiotic potential of dietary oligosaccharides. FEMS Micro-
biology Letters 236: 153-159.

ORAL

-Ś

MIETANA

M., W

RONKOWSKA

M., B

IEDRZYCKA

E., B

IELECKA

M., O

CICKA

K. 2005.

Native and physically-modified starches-utilization of resistant starch by Bifidobacteria
(In Vitro). Polish J. of Food and Nutrition Sci. 14(55): 3.273-279.

RONKOWSKA

M., S

ORAL

-Ś

MIETANA

M., K

RUPA

U., B

IEDRZYCKA

E. 2006.

In vitro fer-

mentation of new modified starch preparations - changes of microstructure and bac-

J. Le Thanh i inni

416

terial end-products. Enzyme and Microbial Techn. 40: 93-99.

Słowa kluczowe:

skrobia, prebiotyk, Lactobacillus, krótkołańcuchowe kwasy
tłuszczowe

Streszczenie

ywność funkcjonalna czyli produkty spoŜywcze wykazujące pozytywny (ponad

efekt  odŜywczy)  wpływ  na  organizm  człowieka  budzą  coraz  większe  zainteresowanie,
zarówno  konsumentów,  jak  i  technologów  Ŝywności.  Szczególną  rolę  odgrywają
wchodzące  często  w  jej  skład  substancje  o  charakterze  prebiotycznym,  tj.  niestrawne
węglowodany,  które  selektywnie  stymulują  wzrost  i/lub  aktywność  jednego  lub  kilku
szczepów  bakterii  probiotycznych  (Bifidobacterium,  Lactobacillus)  obecnych  w  jelicie
grubym.  Przykładem  produktów  będących  źródłem  substancji  prebiotycznych  są
produkty skrobiowe zawierające tzw. skrobię oporną. Wcześniejsze prace wykonane w
Katedrze  Biotechnologii  i  Mikrobiologii  śywności  Uniwersytetu  Przyrodniczego  w
Poznaniu wykazały, Ŝe skrobia modyfikowana fizycznie na drodze wysokociśnieniowej
homogenizacji kleiku wykazuje strawność in vitro rzędu 50%. Celem pracy była ocena
prebiotycznych  właściwości  skrobi  modyfikowanej  fizycznie  otrzymanej  na  drodze
wysokociśnieniowej homogenizacji kleików skrobiowych poprzez określenie zdolności
mikroorganizmów z rodzaju Lactobacillus do wykorzystywania jej jako źródła węgla.

Cztery probiotyczne szczepy bakterii z rodzaju Lactobacillus (L. acidophilus, L.

casei, L. plantarum, L. ramnosus) hodowano w podłoŜach MRS zawierających jako
ź

ródło

węgla

zamiennie:

glukozę,

maltodekstrynę

niskoscukrzoną,

skrobię

ziemniaczaną natywną, oraz skrobię modyfikowaną fizycznie na drodze homogenizacji
wysokociśnieniowej.  Zakres  badań  obejmował  określanie  intensywności  wzrostu
badanych  mikroorganizmów  oraz  poziomu  produkcji  krótkołańcuchowych  kwasów
tłuszczowych  metodą  HPLC.  Oznaczono  ponadto  rozkład  mas  cząsteczkowych
wszystkich badanych preparatów skrobiowych.

Stwierdzono, Ŝe wysokociśnieniowa homogenizacja kleiku powoduje częściową

degradację  makrocząsteczek  skrobi  oraz  zmianę  konformacyjną  frakcji  amylopektyny
poprawiającą  termodynamiczną  zgodność  polimer-rozpuszczalnik  w  układzie  polimer-
woda.  Wprowadzenie  skrobi  modyfikowanej  fizycznie  do  podłoŜa  MRS  zamiast
glukozy  powodowało  zmianę  przebiegu  hodowli  wszystkich  badanych  szczepów
Lactobacillus. UŜycie jako źródła węgla maltodekstryny zamiast glukozy nie wpłynęło
zarówno na maksymalną szybkość wzrostu jak i na liczebność komórek Lactobacillus.
Hodowlana  w  podłoŜu  ze  skrobią  ziemniaczaną  natywną  charakteryzowała  się  niŜszą
intensywnością  wzrostu  badanych  bakterii  oraz  najdłuŜszym  czasem  trwania  fazy
wzrostu  wykładniczego  w  odniesieniu  do  pozostałych  źródeł  węgla.  W  przypadku
zastosowania  podłoŜa  ze  skrobią  modyfikowaną  fizycznie  jako  źródłem  węgla,
maksymalna  liczebność  komórek  Lactobacillus  była  niŜsza  od  uzyskiwanej  w
podłoŜach  z  formą  natywną  skrobi,  natomiast  szybkość  wzrostu  komórek  była
porównywalna dla obu substratów. Zastosowanie wysokocząsteczkowych źródeł węgla,
takich  jak  naturalna  skrobia  ziemniaczana  oraz  skrobia  modyfikowana  na  drodze
wysokociśnieniowej  homogenizacji  powodowało  intensywniejszą  produkcję  kwasu
octowego  niŜ  mlekowego.  Skrobia  modyfikowana  fizycznie  na  drodze  wy-
sokociśnieniowej  homogenizacji  wywołuje  podobne  zmiany  metabolizmu  bakterii
probiotycznych  jak  znane  substancje  o  charakterze  prebiotycznym,  tj.  trans-galakto-
oligosacharydy, frukto-oligosacharydy oraz preparaty skrobi opornej.

SKROBIA MODYFIKOWANA FIZYCZNIE ...

417

PHYSICALLY MODIFIED STARCH AS A POTENTIAL PREBIOTIC

Joanna Le Thanh, Aneta Burchardt, Joanna Menclewicz,

Anna Sip, GraŜyna Lewandowicz

Department of Biotechnology and Food Microbiology,

University of Life Sciences, Poznań

Key words:

starch, prebiotic, Lactobacillus, short chain fatty acids

Summary

The identification and development of food ingredients that beneficially affect

human  organism  have  attracted  much  interest  recently.  Prebiotics  i.e.  nondigestible
carbohydrates  that  selectively  stimulate  the  growth  and/or  activity  of  one,  or  a  limited
number of probiotic bacteria (e.g. Bifidobacterium, Lactobacillus) present in  the colon
seem  to  be  especially  important.  Several  starch  products,  particularly  the  so  called
resistant starch, are recommended earlier as the health beneficial food ingredients. The
earlier  researches  performed  in  the  Department  of  Biotechnology  and  Food
Microbiology  of  Poznań  University  of  Life  Sciences  demonstrated  that  the  process  of
high-pressure homogenization of starch pastes led to obtain a product characterised by
the in vitro digestibility of about 50%. The aim of the work was to evaluate the prebiotic
potential of this type of physically modified starch.

In order to estimate the prebiotic potential of physically modified starch, the

growth  of  four  probiotic  species  of  Lactobacillus  (L.  acidophilus,  L.  casei,  L.
plantarum,  &  L.  ramnosus)  was  investigated.  Maltodextrin  (DE  =  4.9),  native  potato
starch,  as  well  as  the  homogenised  starch  were  applied  as  the  alternative  (instead  of
glucose) carbon source in the MRS fermentation broth. Moreover, the short chain fatty
acids  (SCFA)  production  was  determined.  Molecular  mass  distribution  of  all  starch
preparations was also analysed.

It was found that a high pressure homogenisation of starch pastes resulted in

partial  degradation  of  macromolecules  of  this  polysaccharide,  as  well  as  in  con-
formational change which improved the thermodynamic compatibility in polymer-water
system. The application of physically modified starch as a carbon source in the modified
MRS  broth  affected  the  growth  of  all  Lactobacilli  strains  not  only  in  comparison  to
glucose, but also to maltodextrin and native starch. The application of maltodextrin as a
carbon  source  resulted  neither  in  the  decrease  of  the  maximal  growth  rate,  nor  the
maximum cell vialibility.

In the case of the Lactobacilus culture on the MRS broth containing native potato

starch,  the  lowering  of  maximum  cell  population,  the  longest  duration  of  exponential
growth phase in comparison to other carbon source as well as the decrease of maximal
growth  rate  were  observed.  If  modified  starch  is  used  as  an  alternative  carbon  source,
the decrease of maximum cell population in comparison to native starch is observed, but
the maximal growth rate was the same. The application of high molecular weight carbon
sources  i.e.  native  potato  starch  and  starch  modified  physically  by  a  high  pressure
homogenisation causes more effective production of acetic rather than lactic acid.

Physically modified starch applied as a carbon source in the MRS broth caused

similar changes in the metabolism of Lactobacillus probiotic strains as popular prebiotic
substances i.e. trans-galacto-oligosaccharides, fructo- oligosaccharides and resistant
starch preparations.