Kukoricarost eredetű szénhidrátok prebiotikus hatásának vizsgálata  részletek

súgó  nyomtatás 
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.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
Specific and thorough literature review was carried out, and two Hungarian review papers were published in the field of application and production of prebiotic oligosaccharides from agricultural and agro-industrial by-products. Three strains were selected to study the prebiotic effect of corn fibre saccharides in laboratory experiments: Lactobacillus acidophilus LA5, CHR HANSEN (Denmark); Lactobacillus acidophilus 150, Exquim (Spain); Lactobacillus casei 01, CHR HANSEN (Denmark). It was concluded that the xylo-oligosaccharides derived from corn fibre could stimulate all the three selected Lactobacillus strain, and they had the largest prebiotic effect on Lactobacillus acidophilus 150. Beside corn fibre other plant biomass materials (wheat straw and corn stover) were also investigated, and various chemical and biochemical conversion routes (xylose hydrogenation into xylitol and xylose fermentation into xylitol, respectively) were studied to establish the complete utilisation of the biomass materials.
kutatási eredmények (angolul)
Átfogó szakirodalmi áttekintést végeztünk a mezőgazdasági és agro-ipari melléktermékekből származó prebiotikus oligoszacharidok alkalmazási és előállítási lehetőségeiről, és ezek alapján két magyar nyelvű összefoglaló cikket publikáltunk. Három baktérium törzset választottunk ki azzal a céllal, hogy a kukoricarost eredetű szénhidrátok prebiotikus hatását laboratóriumi kísérletekben tanulmányozzuk: Lactobacillus acidophilus LA5, CHR HANSEN (Dánia); Lactobacillus acidophilus 150, Exquim (Spanyolország); Lactobacillus casei 01, CHR HANSEN (Dánia). Vizsgálataink során arra a következtetésre jutottunk, hogy a kukoricarostból származó xilooligoszacharidok mindhárom kiválasztott Lactobacillus törzset képesek stimulálni, és a legnagyobb prebiotikus hatás a Lactobacillus acidophilus 150 esetében figyelhető meg. A kukoricarost mellett egyéb növényi biomassza anyagokat (búzaszalmát és kukoricaszárat) is vizsgáltunk, és különböző kémiai és biokémiai átalakítási lehetőségeket tanulmányoztunk (xilóz hidrogénezését xilitté, xilóz fermentációját xilitté), hogy megalapozzuk a biomassza anyagok teljeskörű hasznosítását.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=121024
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
Fehér A, Fehér Cs, Rozbach M, Rácz G, Fekete M, Hegedűs L, Barta Zs: Treatments of lignocellulosic hydrolysate and continuous-flow hydrogenation of xylose to xylitol, CHEMICAL ENGINEERING & TECHNOLOGY 41:(3) pp. 496-503, 2017
Rácz Gergely, Fehér Csaba, Szarka András, Németh Áron, Tömösközi Sándor, Barta Zsolt: Lignocellulózokból nyerhető oligoszacharidok prebiotikus alkalmazási lehetőségei, ÉLELMISZER TUDOMÁNY TECHNOLÓGIA 71:(1) pp. 2-5., 2017
Rácz Gergely, Fehér Csaba, Barta Zsolt: Lignocellulózokból nyerhető prebiotikus oligoszacharidok előállításának lehetőségei, ÉLELMISZER TUDOMÁNY TECHNOLÓGIA 71:(2) pp. 1-4., 2017
Rozbach Margaréta, Fehér Csaba, Barta Zsolt: Fermentációs úton történő xilit előállítás búzaszalmából, ÉLELMISZER TUDOMÁNY TECHNOLÓGIA 71:(3) pp. 1-5., 2017




vissza »