 |
Kukoricarost eredetű szénhidrátok prebiotikus hatásának vizsgálata
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
121024 |
| típus |
PD |
| Vezető kutató |
Barta Zsolt |
| magyar cím |
Kukoricarost eredetű szénhidrátok prebiotikus hatásának vizsgálata |
| Angol cím |
STUDY OF THE PREBIOTIC EFFECT OF CORN-FIBRE-DERIVED SACCHARIDES |
| magyar kulcsszavak |
Arabinoxilán, Prebiotikus oligoszacharidok, Lactobacillus, Bifidobacterium, Gasztrointesztinális körülmények |
| angol kulcsszavak |
Arabinoxylan, Prebiotic oligosaccharides, Lactobacillus, Bifidobacterium, Gastrointestinal conditions |
| megadott besorolás |
| Szerves-, biomolekuláris- és gyógyszerkémia (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % |
|
| zsűri |
Kémia 2 |
| Kutatóhely |
Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem) |
| projekt kezdete |
2016-12-01 |
| projekt vége |
2017-09-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
5.088 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
0.58 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A szakirodalomból ismert, hogy számos oligoszacharid – például gabonakorpa frakciók illetve izolátumok – prebiotikus hatásúak, azaz a vastagbélben jótékony hatású probiotikus baktériumok szénforrásaként szolgálnak. Jelen kutatásban a kukoricarost – a kukoricaszem héjfrakciója – savas hidrolízisével nyert különböző összetételű szénhidrát frakciók Lactobacillus és Bifidobacterium törzsekre gyakorolt, feltételezett prebiotikus hatását vizsgáljuk. Az előkísérletek után optimális körülmények között fermentáljuk a kiválasztott baktériumokat három kukoricarost eredetű szénhidrát frakciót használva szénforrásként, mellyel információt nyerünk arról, hogy melyik törzsnek mi a preferenciája a xilóz/arabinóz és oligomer/monomer arányok tekintetében, és hogy van-e különbség a szénhidrát frakciók között a törzsek szerves sav termelését illetően, mely egyike a probiotikus baktériumok jótékony hatásának. Ezután különböző stresszfaktoroknak tesszük ki a szénhidrát frakciókon tenyésztett törzseket – alfa-amilázzal, pankreász készítménnyel, epekivonattal és sósav oldattal kezeljük –, és mérjük a toleranciájukat túlélési arány formájában. Adott törzs esetén feltárjuk, hogy a mi a prebiotikum kedvező összetétele a túlélés szempontjából az egyes stresszfaktorok esetén. Célunk továbbá, hogy az epiteliális kötődés különböző – víztaszító és koaggregációs képesség mérésén alapuló – módszereit összehasonlítsuk, és meghatározzuk korrelációjukat, majd ezen módszerekkel jellemezzük a kukoricarost eredetű szénhidrát frakciókon fermentált probiotikus törzsek epiteliális kötődését. Laboratóriumainkban a szükséges berendezések rendelkezésre állnak a pályázatban vállalt feladatok elvégzéséhez.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A tervezett kutatás kiinduló hipotézise, hogy a kukoricarost eredetű szénhidrátok, melyek enyhe körülmények között végzett savas hidrolízissel nyerhetőek, prebiotikus hatást mutatnak. A savas hidrolízis körülményeit az előző OTKA/NKFIH projektünk (PD-108389) keretében publikáltuk [Fehér et al. (2014) Investigation of selective arabinose release from corn fibre by acid hydrolysis under mild conditions. J. Chem. Technol & Biotechnol. 90 (5) 896-906], és az ott kapott eredmények alapján három eltérő oligoszacharid és monoszacharid összetételű folyadékfrakcióval tervezünk vizsgálatokat, melyekkel az alábbi fő kérdésekre keressük a választ:
- A különböző arabinóz/xilóz és oligomer/monomer arány befolyásolja-e a választott Lactobacillus és Bifidobacterium törzsek viselkedését optimális és szimulált gasztrointesztinális körülmények között, azaz mérhető-e a prebiotikus hatás változása az összetétel változásának függvényében?
- Levonható-e általános következtetés az egyes törzsek preferenciáját illetően az arabinóz/xilóz és oligomer/monomer arány tekintetében, és hogyan alakul a monoszacharidok és oligoszacharidok felvétele a tenyésztés során?
- Adott törzs esetében milyen hatást gyakorol a három eltérő kukoricarost eredetű folyadékfrakció
1A) az optimális körülmények között kapható növekedési sebességre,
1B) a képződött szerves savak mennyiségére és összetételére,
2) szimulált gasztrointesztinális környezetben a sejtek életben maradására,
3) a víztaszító és koaggregációs mérésekkel vizsgált epiteliális kötődésre?
- A víztaszító képesség és a koaggregációs képesség, mely a szakirodalom szerint az epiteliális kötődésre ad információt, hogyan korrelál egymással?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás elsőként fogja bizonyítani vagy cáfolni, hogy a kukoricarostból híg kénsavas hidrolízissel nyerhető szénhidrátok prebiotikus hatásúak. Ha a hipotézis bizonyítást nyer, további alapkutatási perspektíva lehet a kukoricarost eredetű prebiotikumok gasztrointesztinális patogénekre kifejtett hatásának vizsgálata modellkísérletekben, illetve a rákkeltő anyagok – pl. poliaminok – képződésének visszaszorítása a prebiotikumok jelenlétében.
A projektben elért eredmények alapját képezhetik a kukoricarost eredetű szénhidrátok prebiotikumként történő alkalmazásának funkcionális élelmiszerekben, továbbá a kutatás során a prebiotikus hatású szénhidrátok és probiotikus baktériumtörzsek között leírt alapösszefüggések szinbiotikus készítmények fejlesztését tehetik lehetővé, mely a funkcionális élelmiszerkutatás egyik legígéretesebb területe. A szinbiotikus készítmények kombinálják a prebiotikumokat a probiotikus törzsekkel, mely azt eredményezi, hogy a probiotikus baktériumoknak javul a túlélési és megtelepedési aránya a vastagbélben. Ennek feltétele azonban, hogy a prebiotikumok minél nagyobb arányban jussanak el a vastagbélbe, és azokat ott hatékonyan tudják metabolizálni a probiotikus baktériumok. A kutatás során feltárt összefüggések segíthetik a megfelelő prebiotikum-probiotikum kombinációk kiválasztását, így a kutatás eredményének társadalmi hasznossága is jelentős lehet.
A szakirodalom áttekintése során azt állapítottuk meg, hogy a hemicellulóz eredetű prebiotikumok kutatása időszerű és egyre intenzívebben vizsgált terület. Jelen projekt egyedisége abban áll, hogy a kukoricarostból nyert prebiotikus hatású arabinoxilán frakciók mikrobiális vizsgálatával eddig mindössze néhány tanulmány foglalkozott – lásd részletesebben a kutatási tervben –, és azokban a frakcionálást nem savkatalízissel végezték, továbbá a mikrobiális vizsgálatok emberi bélsárból nyert vegyes baktériumkultúrákkal történtek. Ezzel szemben jelen kutatásban adott, feltételezett prebiotikum egy adott baktériumtörzsre gyakorolt hatását vizsgáljuk optimális és szimulált gasztrointesztinális körülmények között, és az így kapott modellrendszerben a hatások jobban leírhatóak, mely egyben a kutatás erősségét is adja.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A növényekből nyert nehezen bontható szénhidrátok prebiotikus hatásúak lehetnek, azaz eljuthatnak a vastagbélbe, és az ott jelenlévő jótékony hatású – ún. probiotikus – baktériumok tápanyagául szolgálhatnak, nem támogatva a negatív hatású baktériumok szaporodását. Így ezek a nehezen emészthető szénhidrátok hozzájárulnak az egészséges táplálkozáshoz. Jelen kutatásban a kukoricarost – a kukoricaszem héj része – savas kezelésével nyert nehezen bontható szénhidrátok probiotikus baktériumokra gyakorolt hatását vizsgáljuk. Ehhez elsőként kedvező körülmények között tenyésztjük a kiválasztott baktériumokat a nehezen emészthető szénhidrátot adva tápanyagként. A kísérletek eredményeként információt nyerünk arról, hogy melyik probiotikus baktériumok milyen nehezen bontható szénhidrátot részesít előnyben, és hogy van-e különbség a szénhidrátok között a savtermelést illetően, mely egyike ezen baktériumok jótékony hatásának. Ezután különböző stresszhatásoknak tesszük ki a tenyésztett baktériumokat – az emberi emésztőrendszer néhány enzimével, epekivonattal és sósav oldattal kezeljük –, és mérjük, hogy milyen arányban élik túl a kezelést. Így adott baktérium esetében megtudhatjuk, hogy milyen nehezen bontható szénhidrát összetétel kedvező a túlélés szempontjából. Célunk továbbá, hogy a probiotikus baktériumok bélhámsejtekhez való kötődését modellezzük két eltérő módszerrel, és ezek alapján meghatározzuk a nehezen bontható szénhidrátok kedvező összetételét a hámsejtekhez kötődés szempontjából. A projektben elért eredmények alapját képezhetik a kukoricarost eredetű nehezen emészthető szénhidrátok alkalmazásának az egészséges táplálkozást segítő élelmiszerekben.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
It is known from the literature that many oligosaccharides – e.g. fractions and isolates of cereal brans – have prebiotic effect, that is in the colon they can serve as carbon source for the beneficial probiotic bacteria. In the current research we will investigate the presumed prebiotic effect of saccharide fractions obtained by mild acid hydrolysis of corn fibre – the hull fraction of corn grain – on the Lactobacillus and Bifidobacterium strains. After the preliminary experiments we will carry out fermentation of the selected strains under optimal conditions using three corn-fibre-derived saccharide fractions as carbon source. Hence, we will gain information about the preferences of the strains in terms of xylose/arabinose and oligomer/monomer ratios, and whether the various saccharide fractions result in different profiles of organic acid production, which is one of the beneficial effects of the probiotic bacteria. Then the strains grown on the saccharide fractions will be exposed to stress factors – alfa-amylase, pancreatin, bile extract and hydrochloric acid solution –, and their tolerance will be assessed with the survival ratio. We will describe the appropriate prebiotic composition for a particular strain in the case of a certain stress factor. We also aim to compare the assessment methods of epithelial adhesion based on hydrophobicity and co-aggregation ability measurements, and to determine their correlation. Then using these methods the epithelial adhesion of the probiotic strains fermented on corn-fibre-derived saccharide fractions will be characterized. Our laboratories are well-equipped for performing the tasks presented above.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The hypothesis of the proposed research is that the acid extracted corn-fibre-derived saccharides have prebiotic effects. The conditions of the acid hydrolysis were published in the frame of our former OTKA/NKFIH project (PD-108389) [Fehér et al. (2014) Investigation of selective arabinose release from corn fibre by acid hydrolysis under mild conditions. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 90 (5) 896-906]. Based on the obtained results we design experiments with three different oligo- and monosaccharide-containing liquid fractions, and we intend to answer the following main questions:
- Do the different arabinose/xylose and oligomer/monomer ratios influence the behaviour of the chosen Lactobacillus and Bifidobacterium strains under optimal and simulated gastrointestinal conditions? Can the change in prebiotic effect be assessed as a function of compositional change?
- Can a general conclusion be drawn regarding the preferred arabinose/xylose and oligomer/monomer ratios of the bacterial strains? How are the monosaccharides and oligosaccharides consumed during the fermentation?
- How do the three corn-fibre-derived liquid fractions affect in the case of a particular strain
1A) the growth rate obtained under optimal conditions,
1B) the amount and composition of the produced organic acids,
2) the survival ratio of the cells under simulated gastrointestinal conditions,
3) the epithelial adhesion assessed by hydrophobicity and co-aggregation ability measurements?
- How do the hydrophobicity and co-aggregation ability, both of which can be used for the epithelial adhesion assessment according to the literature, correlate?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The research will foremost prove or reject the hypothesis about the prebiotic effects of the saccharides obtained by mild acid hydrolysis of corn fibre. If the hypothesis is proved, the investigation of the effects of corn-fibre-derived prebiotics on the gastrointestinal pathogenic bacteria and on the reduced formation of carcinogenic metabolites – e.g. polyamines – can be perspectives of further fundamental research, which could be realized by designing new model experiments.
The results achieved in the project could be the basis of the prebiotic application of corn-fibre-derived saccharides in functional foods, moreover the fundamental relationship established between the prebiotic saccharides and probiotic bacterial strains could enable the development of synbiotics, which is one of the most promising fields of functional food research. The synbiotics combine the prebiotics with probiotic strains, which results in the improvement of survival and colonisation of the probiotic species in the colon. However, the premise of this is that the prebiotics enter the colon to a great extent, and they are metabolised by the probiotic bacteria efficiently. The fundamental relationships established during the research can help the selection of appropriate combinations of prebiotics and probiotics, hence the society impact can also be significant.
By surveying the literature we concluded that the research of hemicellulose-derived-prebiotics is topical and becoming an intensively studied area. The current project is unique, since the investigation of prebiotic arabinoxylan fractions obtained from corn fibre has been reported only in few studies – please refer to the Detailed research plan for more details –, and the fractionation was not performed by acid catalysis in these works. Moreover, the microbial fermentation was carried out with mixed bacterium cultures obtained from human faeces. On the contrary, in the current research the effect of a particular potential prebiotic preparation is studied on a given bacterium strain under optimal and simulated gastrointestinal conditions, and in this model system the effects can be described more precisely, which gives the strength of the research.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The non-digestible carbohydrates obtained from plants may have prebiotic effect, which means that they can enter the colon, and they can serve as nutrients for the beneficial – so called probiotic – bacteria, while they do not support the growth of negative bacteria. Hence, these non-digestible carbohydrates contribute to the healthy diet. In the current research we will investigate the effect of non-digestible carbohydrates obtained by mild acid treatment of corn fibre – the hull fraction of corn grain – on probiotic bacteria. First we will grow the selected bacteria under optimal conditions using the non-digestible carbohydrates as nutrient source. Hence, we will gain information about the nutritional preferences of the probiotic bacteria, and whether the various carbohydrates result in different organic acid production, which is one of the beneficial effects of these bacteria. Then the bacteria grown on the carbohydrates will be exposed to stress factors – some enzymes from the human gut, bile extract and hydrochloric acid solution will be applied –, and we will measure the survival ratio after the treatments. Hence, in the case of a particular bacterium we will know, what kind of non-digestible carbohydrate composition supports survival. We also aim to model the adhesion to the colon epithelia with two methods, and to determine the beneficial composition of non-digestible carbohydrates for epithelial adhesion. The results achieved in the project could be the basis of the prebiotic application of corn-fibre-derived non-digestible carbohydrates in functional foods supporting healthy diet.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
