Сведения о пробиотиках и пребиотиках

В 1974 г. Рarker R. впервые пробиотиками («для жизни») были названы полезные микроорганизмы. Однако имеются данные, согласно которым в 1965 г этот термин употреблен Lilly D. и Stilluell R. для обозначения микроорганизмов, способствующих росту одних (благоприятных) микроорганизмов за счет других, т.е. имелось ввиду действие, обратное антибиотикам. В 1989 г. Fuller сформулировал это понятие как «…добавка к корму, содержащая живые микроорганизмы, благотворно воздействущие на организм животного путем оздоровления микрофлоры кишечника». Это определение применимо и для организма человека, а потому оно получило широкое распространение в качестве интегрального понятия.

К пробиотикам относят те биологические препараты, которые состоят из микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности, обладающие антагонистической активностью по отношении к патогенной и нежелательной микрофлоре кишечника человека или животных. Пробиотики в организм человека могут поступать путем потребления специальных форм фармацевтических биологических препаратов, биологически активных добавок к пище, пищевых продуктов, обогащенных пробиотиками или полученных биотехнологическим способом с использованием в качестве пробиотиков заквасочных культур.

Концепция оздоровления человека и предупреждение старения организма путем включения в рацион кисломолочных продуктов выдвинута русским физиологом И.И. Мечниковым почти сто лет назад. Он первый обратил внимание исследователей на антагонистические свойства молочнокислых бактерий. По его мнению, продолжительность жизни людей может существенно возрастать в тех случаях, когда желудочно-кишечный тракт заселяется молочнокислыми микроорганизмами, обладающими антагонистической активностью по отношению к гнилостной микрофлоре. Эта теория положена в основу практического применения ацидофильных лактобацилл и других микроорганизмов с целью корректировки различных нарушений микробиоценоза человека.

И.И. Мечников в своей лекции «Флора нашего тела», прочитанной в 1901 г. в Манчестерском литературном и философском обществе, подчеркивал, что тотчас после рождения человека поверхность его слизистых оболочек населяется микробами. Многочисленными исследованиями доказано, что основные представители микрофлоры колонизируются в толстой кишке в течение первого года жизни.

Несмотря на индивидуальные различия, состав микрофлоры желудочно-кишечного тракта, в частности толстой кишки взрослого человека, довольно постоянный и включает микроорганизмы 50 родов и более 400 видов. При этом основу микрофлоры составляют бесспоровые анаэробные бифидобактерии, фузобактерии, анаэробные и аэробные лактобациллы и аэробные эшерихии.

Научный и практический интерес имеют данные, согласно которым бифидофлора составляет до 98 % у детей, а у взрослых 40-60 % от всей микрофлоры. Учитывая количественное содержание и биологические функции бифидобактерий и молочнокислых микроорганизмов, большинство ученых и специалистов относят названные микроорганизмы к классическим пробиотикам. В табл. 6.1 приведены сведения о колебаниях различных аэробных и анаэробных микроорганизмов в кишечнике взрослых и детей.

Микроорганизмы-пробиотики подразделяют на четыре группы: бактерии, продуцирующие молочную и пропионовую кислоты (роды Lactobacterium, Bifidobacterium, Propionibacterium, Enterococcus и др.); спорообразующие аэробы рода Bacillus (B. subtilis, B. cereus, B. licheniformis, B. coagulans); дрожжи, которые чаще используются в качестве сырья при изготовлении пробиотиков; комбинации перечисленных микроорганизмов.

Организм человека и окружающая среда представляют единую экологическую систему, в которой большая физиологическая роль принадлежит микробам - симбионтам человека. К бактериям-пробиотикам относятся, главным образом, классические представители - эубиотики, входящие в состав нормальной микрофлоры желудочно-кишечного тракта. Еще в начале ХХ в французский ученый Тисье выделил из кишечника грудного ребенка бифидобактерии. Однако прошло более 70-ти лет до начала промышленного использования этих микроорганизмов при производстве кисломолочных продуктов. Это объясняется сложностью культивирования бифидобактерий, т.к. многие штаммы плохо развиваются на синтетических субстратах.

Наибольший интерес к пробиотикам возник в начале 70-х годов ХХ в., когда чрезмерно широкое применение антибиотиков, ухудшение экологической обстановки повлекли за собой нарушения микробиоценозов человека и животных, а также явления устойчивости к антибиотикам.

Микроорганизмы, которые обладают пробиотическими свойствами, но не встречаются постоянно в кишечнике человека, называются «транзитными». К ним относятся молочнокислые палочки и кокки, грамположительные бактерии, синтезирующие пропионовую кислоту и относящиеся к роду Bacillus и грамотрицательные Escherichia coli, Citrobacter, дрожжи Saccharomyces, Candida pintolepesii, грибы, в т.ч. - высшие - Aspergillus, Rizopus, Cordiceps.

Согласно определителю бактерий Bergey (1974) бифидобактерии относятся к семейству Actinomycetaceace, роду Bifidobacterium. В настоящее время известны 32 вида бифидобактерий, установленных на основе генотипирования с применением метода гибридизации ДНК и РНК. Они объединяют 15 фенотипических видов. Среди штаммов, выделенных от людей, 5 феновидов (Bifidobacterium bifidum, B. вreve, B. infantis, B. longum, B. аdoloscentis) и 9 геновидов. Внутри видов выделяются самостоятельные биоварианты. В нашей стране в качестве производственных штаммов используются 3 вида бифидобактерий: В. infantis, B. longum, B. adoloscentis.

Бифидобактерии являются доминирующей микрофлорой кишечника взрослых и детей и выполняют ряд полезных для организма функций. Установлено, что бифидобактерии оказывают положительное влияние на структуру слизистой оболочки кишечника и ее избирательную способность пропускать вещества. Они активно синтезируют для организма витамины группы В (рибофлавин, никотиновую кислоту, пиридоксин, кобаламин, тиамин, пантотеновую и фолиевую кислоты), а также витамин С. Бифидобактерии образуют из неорганических азотистых соединений некоторые аминокислоты: аланин, валин, аспарагин. Именно бифидофлоре принадлежит ведущая роль в нормализации микробиоценоза кишечника, улучшении процесса всасывания и гидролиза жиров, белкового и минерального обмена, поддержании неспецифической резистентности организма. Учеными выявлена способность бифидобактерий выделять в качестве конечных продуктов обмена веществ органические кислоты, создающие в кишечнике кислую среду, а также подавлять рост и размножение патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, энтеропатогенных кишечных палочек.

Обладая высокими адгезионными свойствами и антагонистической активностью, бифидофлора защищает организм от кишечных инфекций, вызываемых бактериями родов Salmonella, Shigella, Klebsiella. Кроме того, бифидобактерии не только подавляют развитие патогенных представителей кишечной микрофлоры, но и обезвреживают токсические метаболиты, образуемые в кишечнике.

Представления о физиологическом значении бифидобактерий существенно дополнены данными о том, что эти микроорганизмы способствуют лучшему усвоению солей кальция, витамина D, железа и, следовательно, обладают антирахитическими и антианемическими свойствами.

Благоприятное влияние пробиотиков на здоровье людей проявляется разноплановыми положительными эффектами, звеньями механизма, которые в целом характеризуются, как пробиотическое воздействие. Основные функции пробиотиков: оптимизация пищеварения и нормализация моторной функции кишечника; участие в функционировании клеток и тканей организма в качестве носителей иммуногенов и защитных антигенов; детоксикация и защитная роль в отношении негативного влияния радиации, потенциально-опасных химических соединений, канцерогенных факторов; антагонизм в отношении условно патогенных и патогенных бактерий, грибов, дрожжей, вирусов; устранение дисбактериозов и регуляция баланса микроорганизмов в желудочно-кишечном тракте; производство БАВ и БАД; регулирование гормонального обмена.

Бифидобактерии морфологически представляют собой неспорообразующие, грамположительные палочки, хотя в старых культурах могут встречаться грамотрицательные варианты. Для бифидобактерий характерна форма слегка изогнутых и разветвленных палочек с булавидными и гантелевидными утолщениями на концах. Часто встречаются скопления в виде «иероглифов», «римских пятерок». Микробные клетки никогда не складываются в цепочки, при сохранении контуров клетки возможно образование грануляций.

Бифидобактерии являются строгими анаэробами, однако в процессе культивирования они приобретают способность развиваться в присутствии некоторого количества кислорода. Чувствительность к кислороду у многих штаммов бифидобактерий изменяется, что обусловлено различиями в механизмах брожения. Для большинства штаммов оптимальной является температура 36-38°С, рост почти всех штаммов прекращается при 20°С и ниже, максимальная температура находится в пределах 45-50°С. Оптимальным для развития бифидобактерий является рН 6-7. При рН ниже 5,5 рост этих микроорганизмов приостанавливается.

Бифидобактерии вызывают гетероферментативное молочнокислое брожение. Основными продуктами метаболизма при сбраживании глюкозы являются уксусная и L(+) молочная кислота с небольшой примесью муравьиной и янтарной кислот. В процессе превращения глюкозы происходит мобилизация химической энергии для поддержания биосинтеза, которая запасается в форме АТР - веществ с высокой реакционной способностью. Выход АТР при брожении у бифидобактерий составляет 2,5 моля на 1 моль глюкозы, что превышает выход АТР при гомоферментативном молочнокислом брожении. Масляная, пропионовая кислоты и углекислый газ при сбраживании глюкозы не образуются.

Большинство штаммов бифидобактерий не сквашивают стерильное молоко, а если и сквашивают, то не ранее, чем через четверо суток. В процессе культивирования биохимическая активность бифидобактерий повышается и свертывание стерильного молока происходит через 24-36 часов. При добавлении в молоко ростовых веществ (дрожжевого автолизата, кукурузного экстракта, гидролизованного молока и др.) при внесении 5-10 % посевного материала сквашивание молока наблюдается через 8-12 часов. Предельная кислотность сквашенного молока при использовании бифидобактерий достигает 120-130°T.

Биологические препараты, БАД и пищевые продукты могут содержать микроорганизмы в виде чистых монокультур или в комбинациях, включающих несколько штаммов или вида разных таксономических групп. В состав формул препаратов, БАД и пищевых продуктов может входить до 6-8 пробиотиков и более, в этих случаях их называют «симбиотиками» и «мультипробиотиками».

Симбиотики - термин, произошедший от слова «симбиоз», обозначает препараты, применяемые для обозначения препаратов, состоящих из нескольких пробиотиков, например, из 6-8, т.е. это мультипробиотик или комплексный препарат, в котором объединены микроорганизмы одной или разных групп, отобранных по принципу наибольшей выживаемости в неблагоприятных условиях и испытанных на симбиотичность. По своим эффектам микроорганизмы дополняют друг друга и оказывают наилучшее позитивное действие. У человека по массе симбиотическая микрофлора составляет около двух кг, а количество клеток микрофлоры в несколько десятков раз превосходит количество клеток самого человека.

Несмотря на то, что при использовании одновидовых заквасок легче управлять процессами производства, в современной биотехнологии все чаще используются не однородные культуры микроорганизмов, а симбиозы, ассоциации, консорциумы, смешанные закваски. Такие сочетания микроорганизмов проявляют свои свойства эффективнее, что открывает большие перспективы для развития всех отраслей, использующих биотехнологические процессы.

Основными микроорганизмами поливидовых заквасок являются стрептококки, лактобациллы и бифидобактерии. Культуры, используемые в составе полизакваски, должны быть биологически совместимы, характеризоваться высокой энергией кислотообразования, достаточной для подавления патогенной микрофлоры. Предпочтительно, что входящие в полизакваску культуры, способны вызывать протеолиз, предотвращающий накопление токсичных летучих продуктов, в первую очередь аммиака. Желательно, чтобы в закваску входили культуры, способные к гомоферментативному брожению с образованием молочной кислоты, преимущественно L(+) формы, являющейся наиболее физиологичной для желудочно-кишечного тракта человека и особенно ребенка.

Консорциумы микроорганизмов по степени объединения можно разделить на три группы:

- консорциумы, представляющие собой простую смесь отдельных штаммов, развивающихся независимо один от другого, при этом положительный эффект такого консорциума обусловлен простой суммой свойств входящих в него штаммов;

- консорциумы, представляющие собой сообщество отдельных штаммов микроорганизмов (симбиотические сочетания), проявляющие в определенных условиях новые свойства или дающие новый положительный эффект, который не был присущ отдельно входящим в него штаммам;

- консорциумы, являющиеся устойчивым объединением отдельных видов микроорганизмов, т.е. симбиозом, проявляющим новые свойства или новый положительный эффект, который не был присущ отдельно входящим в него штаммам.

Пребиотики - понятие, сформулированное R. Gibson, - это неперевариваемые ингредиенты продуктов питания, которые способствуют улучшению здоровья за счет избирательной стимуляции роста и метаболической активности пробиотиков в толстой кишке, т.е. промоторы или стимуляторы пробиотиков. Пребиотики не должны гидролизоваться и абсорбироваться в верхних отделах желудочно-кишечного тракта; должны являться селективным субстратом одного или ограниченного количества полезных представителей нормальной микрофлоры кишечника, стимулируя их рост и метаболическую активность; должны обладать способностью улучшать состав кишечной микрофлоры, а также индуцировать эффект, улучшающий состояние макроорганизма, т.е. здоровье человека.

К пребиотикам, в основном, относятся неперевариваемые человеком олигосахариды, представляющие собой класс углеводов со степенью полимеризации от двух до десяти, причем большей активностью обладают фруктоолигосахариды. Достигая толстой кишки человека без существенных изменений вследствие отсутствия или низкой активности ферментов, способных к их расщеплению, они являются субстратом для развития пробиотиков, вырабатывающих ферменты типа гидролаз. Природные неперевариваемые олигосахариды служат резервными углеводами многих высших растений, водорослей, микроорганизмов, дрожжей, грибов.

К неперевариваемым олигосахаридам относятся: олигомеры из остатков фруктозы: фруктоолигосахариды, фруктаны, в т.ч. инулин; олигомеры из остатков глюкозы: глюкоолигосахариды, глюканы и декстраны; олигомеры из остатков галактозы - галактоолигосахариды, а также олигосахариды, происходящие из растительных клетк.

Наиболее изученными на сегодняшний день пребиотиками являются растворимые фруктоолигосахариды. Их использование началось в Японии в 80-х годах в качестве сахарозаменителей, но в дальнейшем, благодаря функциональным свойствам, они приобрели существенно более важное значение. В молекуле фруктоолигосахаридов фруктозильные единицы присоединены b(2®1)-связью к молекуле D-глюкозы в концевом положении. Некоторые специалисты указывают на то, что в полимерной цепи может находиться до 60 звеньев. В настоящее время успешно развиваются биотехнологические и химические способы получения фруктоолигосахаридов, как из природных растительных объектов (свеклы, бобовых, лука, чеснока, злаковых, томатов, инжира и др.), так и путем их целенаправленного синтеза (реакция получения лактулозы из лактозы) или ферментативного гидролиза полисахаридов.

Синбиотики - термин, произошедший от слова «синергизм», обозначает смесь пробиотиков и пребиотиков, полезно влияющих на организм человека за счет улучшения выживаемости и приживаемости в кишечнике живых бактериальных добавок и избирательной стимуляции роста и метаболизма индигенных или главных микроорганизмов, к которым относятся молочнокислые бактерии и бифидобактерии. В результате воздействия синбиотиков происходит эффективная имплантация пробиотиков в желудочно-кишечном тракте, а также стимуляция собственной микрофлоры человека.

В настоящее время приоритетным направлением является разработка пробиотической продукции смешанного состава - синбиотиков, содержащих комплексы пробиотиков, в т.ч. мультиштаммовых, с различными пребиотическими веществами. Пребиотики являются стимуляторами, или промоторами пробиотиков. В группу пребиотиков входят вещества или диетические добавки, которые не сорбируются в кишечнике человека, однако селективно стимулируют рост или активизируют метаболизм полезных представителей микрофлоры, оказывая благотворное влияние на организм.