Pełny tekst - Wydawnictwa NIZP-PZH

ROCZN. PZH, 1999, 50, NR 1, 89-95
RYSZARD A M A RO W IC Z
Z N A C Z E N IE Ż Y W IE N IO W E O L IG O S A C H A R Y D Ó W
N U TR ITIO N A L IM PO RTA N CE O F OLIG O SA CCH ARID ES
Zakład Chemii Żywności, Oddział Nauki o Żywności
Instytut Rozrodu Zwierząt i Badań Żywności Polskiej Akademii Nauk
10-718 Olsztyn 5, P.O.Box 55
Kierownik: prof. dr hab. H. Kostyra
W pracy omówiono budowę chemiczną ołigosacharydów i ich antyżywieniowy
charakter przejawiający się w działaniu gazotwórczym. Podano również fakty
świadczące o korzystnym działaniu ołigosacharydów w żywieniu człowieka zwią­
zane z ich działaniem na bifidobakterie w okrężnicy.
STRU KTU RA CH EM ICZN A OLIG O SA CH A RY D Ó W
O lig o sach arydy stan o w ią g ru p ę k ró tkołańcuchow ych p o lisach ary d ó w , k tó re przy
zró żnicow anej b u d o w ie chem icznej nie są h y drolizow ane p rzez u k ład traw ien n y czło ­
w ieka - ich m e tab o lizm zachodzi d o p ie ro p o d w pływ em d ro b n o u stro jó w w o k rężnicy.
Z e w zględu n a s tru k tu rę ch e m ic zn ą (rye. 1) sp o śró d o łig o sach ary d ó w w ydzielić
m o żn a [22, 33]:
- fru k to o lig o sacharydy,
- g alak to o lig osacharydy,
- o ligosacharydy z rodziny rafinozy.
W e fruktooligosacharydach - kestozie, nystozie i fruktofuranozylozie - o dpow iednio
jedna, dwie lub tr2y cząsteczki fruktozy dołączone są przy pom ocy w iązania p-2,1 -glikozydow ego d o reszty fru k to zo w ej w cząsteczce sacharozy [22].
G alak to o lig o sac h ary d y są b io p o lim eram i, w których 1-4 cząsteczki g alak to zy d o ­
łączone są d o reszty glaktozydow ej w laktozie. W łań cu ch u cząsteczki g alak io zy m o g ą
być zw iązane w iązan iem p -l,4 -!u b a-l,6 -g lik o zy d o w y m .
Z żyw ieniow ego p u n k tu w id zen ia p o dstaw ow e zn aczen ie d la człow ieka r,;ają o lig o ­
sacharydy z rodziny rafinozy, k tó re w dużych ilościach w ystęp u ją głów nie w n asionach
roślin strączkow ych. N ależy zaznaczyć, że ta g ru p a ołigosach ary d ó w w p iśm en nictw ie
anglojęzycznym o k re śla n a je st ja k o a-g a lak to z y d y i trze b a ją o d ró ż n ić o d alak to o ligosacharydów .
O lig o sach arydy z rodziny rafinozy zb u d o w an e są z ła ń cu c h a cu k ro w eg o , w k tó ry m
do cząsteczki sach aro zy p rzyłączone są w iązaniem a-l,6 -g lik o zy d o w y m o d 1 d o
4 cząsteczek galaktozy. K o lejn e cukry noszą nazwy: rafin o za, sta ch io za, w crb ask o z a
i ajugoza. O sta tn i z w ym ienionych ołigosacharydów je st rz a d k o sp o ty k an y v m a te ria le
roślinnym ; d a n e lite ra tu ro w e p o d a ją jeg o o b ecn o ść w łu b in ie [5]. D la p rzy k ład u p e łn a
90
R. Amarowicz
Ryc. 1. Struktura chemiczna oligosacharydów
Chemical structure of oligosaccharides
nazw a w erbaskozy to: a -D -g a la k to z y lo -a -l,6 -D -g a la k to z y lo -a -l,6 -D -g a la k to z y lo -a -l,6 D -g lu k o zy lo -p -l,2 -D -fru k to zy d .
P o d w pływ em (3-fruktozydazy od rafinozy o d czep ia się m elib io za, o d stachiozy
m a n n io trio z a , o d w erbaskozy w erb ask o tetro za . W w yniku d ziała n ia a -g a la k to z y d a z y od
o lig o sach ary d ó w od łącza się cząsteczka sacharozy. T w orzy się w tedy ze stachiozy
g alak to b io za , z w erbaskozy g ala k to trio z a [14].
W n asio n ac h roślin strączkow ych o b o k oligosacharyd ó w z rod zin y rafin o zy spotyka
się ró w n ież cukrow ce zaw ierające w swej cząsteczce 3-0-m etylo-D -c/i;> o-inozytol. W y­
m ien ić tu m o ż n a ch arak te ry sty cz n e dla soi g alak to p in ito le : lD - 2 -0 -(a -D -g a la k to p y ra n o zy l)-4 -m etyloinozytol, lD -5 -0 -(a -D -g a la k to p y ra n o z y l)-4 -m e ty lo -c /n ro -in o z y to l i 1D2 -0 -(a-D -g a lak to p y ra n o zy l)-4 -m e ty lo -c/» > o -in o z y to l [30] o raz typow y d la n asio n so c ze­
wicy cicerito l 0 -a -D -g a la k to p y ra n o z y l-l,6 -a -D -g a la k to p y ra n o z y l-l,2 -lD -ć > -m e ty lo c/iiro-inozytol [3].
G A ZO T W Ó R C Z E D ZIA ŁA NIE OLIG O SA CH A RY D Ó W
B rak a -g a la k to z y d a z y w przew o d zie pokarm ow ym człow ieka p o w o d u je, że o lig o sa­
ch ary d y z rodziny rafinozy nie są ro z k ła d a n e do m o n o cu k ró w i n ie u leg ają w ch łan ian iu
Znaczenie żywieniowe oligosacharydów
91
w jelicie cienkim . P o przejściu do je lita g ru b eg o oligosacharydy u leg ają h y d ro lizie p o d
wpływem enzym ów p o c h o d z e n ia m ikrobiologicznego, a n a s tę p n ie są dalej m e ta b o liz o ­
w ane p rzez m ik ro flo rę okrężnicy [14]. Tow arzyszy tem u w y tw arzan ie znacznych ilości
produktów gazow ych. W lite ra tu rz e anglojęzycznej efek t g azotw órczy je s t o k reśla n y
jako „ F la tu s”. T e rm in ten stosow any b ędzie w dalszej części n in iejszeg o o p rac o w a n ia.
Tabela
I.
Objętość (ml) gazów zawartych w flatusie przy diecie normalnej i diecie
z udziałem fasoli [32]
Volume (ml) of flatulance gases by the control diet and diet including bean
[32]
S kład ch em iczny flatusu był te m a te m w ielu p rac [1, 4, 8, 10, 31, 32]. N a listę
podstaw ow ych gazów , jeg o k o m p o n e n tó w , w pisano azot, tlen , d w u tle n ek w ęgla, w o d ó r
i m etan . S kładniki te stanow ią najczęściej p o n a d 99% gazów zaw arty ch w e flatu sie. D o
grupy zw iązków w ystępujących w niew ielkich ilościach zaliczyć m o ż n a sk a to le , in d o le,
siark o w o d ó r, lo tn e am iny, k ró tk o ła ń cu ch o w e kwasy tłuszczow e [24]. W p rzy p a d k u
zdrow ego człow ieka d o bow a o b ję to ść flatusu wynosi 40 0 -2 0 0 0 ml [23]. Van N ess i
Cattau [34] w ym ieniają 1600 ml ja k o g ó rn ą g ran ic ę tej norm y. T ypow y skład ch em iczny
flatusu p o d an y je st w tab. I. T a b e la ta przed staw ia je d n o c z e śn ie zm iany ilościow e
i jakościow e flatusu, ja k ie za ch o d z ą w przypadku diety zaw ierającej fasolę. W pływ
zaw artości fasoli w diecie na ilość w ytw orzonego w o d o ru - b a d a n ia n a szczu rach [36]
- ilu stru je ryc. 2.
W yniki p ra c Steggerda [32] w skazały, że ilość flatusu o raz je g o skład jakościow y
zależą od udziału w diecie niek tó ry ch p ro d u k tó w spożywczych (np. fasoli) o ra z od
obecności specyficznych b ak terii w dolnych odcin k ach p rzew o d u p o k arm o w e g o cz ło ­
w ieka. W b a d a n ia c h in vitro i in vivo zostało w ykazane, że p ew n e p rze trw a ln ik u ją ce
b a k te rie b ez tle n o w e zasiedlające je lito g ru b e i cienkie p sa u czestn iczą w w ytw arzaniu
gazów przy o becności fasoli w ek sp ery m en taln e j diecie [26]. S pecyficzność ta dotyczyła
szczególnie ro d zaju Clostridium . K o relację m iędzy ilością flatu su w y d zielo n eg o p rzez
zw ierzęta d ośw iadczalne, a w ytw arzaniem gazu in vitro p rze z Clostridium perfringens
z zielonych i z suchych n asion fasoli lim a o raz fasoli zw yczajnej za n o to w ał K u rtzm a n
i H albrook [17]. W e d łu g Sacksa i O lsone [27] n ie k tó re szczepy Cl. perfringens m ają
zd olność d o szybszego w zrostu p o d w pływ em cukrów z ro dziny rafinozy.
P oszczególne oligosacharydy są zróżn ico w an e p o d w zględem zdo ln o ści g azo tw órczych. W iększy efe k t tow arzyszy m etabolizm ow i stach io zy i rafinozy, m niejszy w
przypadku w erbaskozy [6, 25]. T ym sam ym zdolność g azo tw ó rcza o d m ie n n y ch g a ­
tunków roślin je st zróżnicow ana (tab . II). Z b a d a ń prow ad zo n y ch na szczu rach p rzez
R. Amarowicz
92
Ryc. 2. Zależności między zawartością fasoli w diecie a ilością wytwarzanego wodoru - adap­
towana z [36]
Relation between the content of bean in the diet and the volume of produced hydrogen
- adapted from [36]
W agnera i wsp. [35] w ynika, że zaw arto ść rafinozy w diecie d o 6 % zw iększa w ytw arzanie
w o d o ru w je lita c h szczura. Przy zaw artości pojedynczych o lig o sach ary d ó w w d iecie na
p o zio m ie 3,3 i 6,7% w skaźnik tw o rze n ia się w o d o ru był wyższy d la stach io zy niż
rafinozy. Z d o ln o ść d o w ytw arzania w o d o ru w je lita c h szczu ra zw iększała się, gdy do
d iety d o d aw an y był m a te ria ł pozo stały p o ek strak cji olig o sach ary d ó w z n asio n fasoli.
Z a o b se rw o w a n o e fe k t synergistyczny p om iędzy oligo sach ary d am i i m a te ria łe m p o ­
ek strakcyjnym .
Tabela
II.
Wydzielanie wodoru po spożyciu przez szczury diet zawierających ugotowane
nasiona roślin strączkowych - adaptacja [23]
Hydrogen production by rats feeding by diets including cooked legume seeds
- adapted from [23]
Znaczenie żywieniowe oligosacharydów
93
W b ad a n ia ch in vitro (C lostridium perfringens) zao b serw o w an o , że w łaściw ości gazotwórcze g ro ch u krow iego i b o b u za le żą rów nież o d obecn o ści w n a sio n ac h p o lisa ­
charydów ro zpuszczalnych w w o d zie o raz hem icelulozy A i В [2]. P ro w ad z ąc b a d a n ia
in vivo n a szczurach za n o to w a n o e fe k t gazotw órczy rów nież d la skrobi. Ilość tw o rz o ­
nego flatu su n ie za le ża ła n a to m ia st od obecności w diecie celulozy i p ek ty n . W e d łu g
niektórych a u to ró w część gazów obecnych w e flatu sie tw orzyć się m o ż e w w yniku
działania m ikroflory je lita g ru b eg o n a n ie straw io n e białk o p o k arm o w e [14].
T w o rzen ie się flatusu - wyniki b a d a ń na ludziach - osiągało swe m a k sim u m p o 5-ciu
godzinach od spożycia ek sp ery m en taln e j diety zaw ierającej faso lę [20]. P o tym czasie
najwyższe było rów nież w ytw arzanie C O 2 i H 2. N ajaktyw niejsza o k a z a ła się frak cja
ek strak tu z fasoli za w ierająca w swym składzie fru k to z ę, sa ch a ro z ę, rafin o zę, sta ch io zę
i cztery polip eptydy, w których p o hydrolizie stw ierd zo n o o b ec n o ść 22 am in o k w asó w .
R afin o za i stach io za, p o d a n e w tej sam ej ilości ja k w diecie z n a sio n am i faso li, n ie
zwiększały zaw artości C O 2 w flatusie.
W y tw arzanie gazów p rzez Clostridia u lega zah am o w an iu p o d w pływ em p rzy p raw
[29]. W b ad a n ia c h in vitro ilość gazu w ytw arzanego p rzez Cl. perfringens, Cl. sporogenes
i Cl. butyricum była zre d u k o w a n a o 85% p od w pływ em d o d a tk u d o g o to w an e g o g ro ch u
1% czosnku i im b iru [7]. S kutecznym i in h ib ito ram i tw o rzen ia się gazów p rze z Clostridia
okazały się związki fenolow e, np. o b ec n e w n asionach soi kwasy syrigowy i ferulow y [25].
POZY TY W N E D ZIA ŁA N IE OLIG O SA CH A RY D Ó W
Isto tą pozytyw nego oddziaływ ania oligosacharydów na o rg an izm człow ieka je s t sty­
m ulacja rozw oju b ifid o b a k te rii w o krężnicy [2, 12]. W p ro w ad z en ie d o d iety o lig o sa c h a ­
rydów w y ek strahow anych z soi d w u k ro tn ie zw iększało ilość b ifid o b a k te rii w o k rężn icy
[19]. Je d n o c z e śn ie obserw o w an o statystycznie isto tn ą re d u k c ję zaw arto ści b a k te rii
Clostridium perfringens.
W b a d a n ia c h in vitro o raz in vivo w ykazano, że p o d w pływ em o lig o sach ary d ó w
obniża się w k ale zaw arto ść toksycznych m e tab o litó w o raz n ieb ezp ieczn y ch d la zd ro w ia
człow ieka enzym ów np. a z o red u k ta zy o raz (3-glukuronazy [19, 28]. N isk a za w arto ść
toksycznych m e tab o litó w w chłanianych z p rzew o d u p o k arm o w e g o c h ro n i w ą tro b ę
przed k o n ieczn o ścią ich detoksykacji.
O lig o sach arydy w pływ ają na w ytw arzanie p rzez b ifid o b a k te rie k ró tk o łań cu ch o w y ch
kwasów tłuszczow ych, a tym sam ym stym ulując pery stalty k ę je lit o raz p o d n o sz ą c w il­
g o tn o ść m as kałow ych sk u te cz n ie d ziałają przeciw z a p arcio m [34]. P o p rz ez rozw ój
b ifid o b ak terii oligosacharydy h a m u ją jelito w ą ab so rp cję m icelli ch o lestero lo w y ch i tą
d ro g ą o b n iż ają p oziom c h o le ste ro lu w surow icy krwi [9, 11, 18]. N ależy ró w n ież d o d ać ,
że o ligosacharydy p o p rz e z b ifid o b a k te rie m ogą w zbogacać o rg an iz m człow ieka w w i­
tam in ę Bi, B 2, Вб, kw as nikotynow y i foliow y [34] o raz k orzy stn ie w pływ ać n a przysw ajaln o ść w ap n ia z d iety o raz p o d n o sić to le ra n c ję na la k to zę [13].
P o d aw an ie zdrow ym m ężczyznom o ligosacharów soi w ilości 3 g /d zień o b n iż ało
ciśnienie krwi. P o n a d to w te sta ch n a m ałych zw ierzętach w ykazano an ty n o w o tw o ro w y
efekt b ifid o b a k terii [15, 16]. D zia n ie to w ynika p ra w d o p o d o b n ie ze w zm o żo n ej o d p o r ­
ności n a p o zio m ie kom órkow ym .
O m aw iając p ro z d ro w o tn e d ziała n ie oligosacharydów n a o rg an iz m człow ieka O ku
[21] w skazuje, że ich p rze m ian y uw aln iają m niej en erg ii niż an alo g iczn e ilości s a c h a ­
94
R. Amarowicz
rozy, n ie w pływ ają na se k re cję insuliny p rze z trzu stk ę, działają o c h ro n n ie n a u zęb ien ie
człow ieka.
R.
Amarowicz
N U TR ITIO N A L IM PO RTA N CE O F OLIG O SA CCH ARID ES
Summary
Oligosaccharides are widely distributed in higher plants, especially leguminous seeds. This
review described the structure of galactooligosaccharides, fructooligosaccharides and raffinosetype oligosacchariddes. Flatulance - causes, relation to diet and composition of intenstinal gas
are discussed. Emphasis is placed upon the fact that ingestion of oligosaccharides increases the
bifidobacteria population in the colon, which in turn contributes to human health in many ways.
PIŚM IENICTW O
1. Askevold К : Investigation on the influence of diet on the quality and composition of
intestinal gas in humans. Scand. J. Clin. Lab. Invest., 1956, 8, 87.
2. Benno Y., Mitsuoka Т.: Development of intestinal microflora in humans and animals.
Bifidobacteria Microflora, 1986, 5, 13.
3. Bemabe М., Fenwick R., Frias J., Jimenez-Barbero J., Price K , Valverde S., Vidal-Valverde
C. \ D eterm ination, by N M R spectroscopy, of the structure of ciceritol, a pseudotrisaccha­
ride isolated from lentil. J. Agric., Food Chem., 1993, 41, 870.
4. Calloway D.H., Colasito D.J., Mathews R.D.: Gases produced by human intestinal microflora.
Nature, 1966, 212, 1238.
5. Ceming J., Filiatre A.: A comparison of the carbohydrate composition of legume seeds:
horse beans, peas and lupines. Cereal Chem., 1976,53, 968.
6. Fleming S.A.: Flatulence activity of the smooth-seeded field pea as indicated by hydrogen
production in the rat. J. Food Sci., 1982, 47, 12.
7. Garg S.K., Banerjea A.C. Verma J., Abraham M.J.: Effect of various treatm ent of pulse on
in vitro gas production by selected intestinal Clostridia. J. Food Sci., 1980, 45, 1601.
8. Gumbmann M.R., Williams S.N.\ The quantitative collection and determ ination of hydrogen
gas from the rat and factors affecting its production. Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 1971, 137,
1171.
9. Hata Y., Nakajima K , Hosno Y , Yamamoto М.: Effect of soybean oligosaccharides on
human digestive organs. J. Japan. Soc. Clin., Nutr., 1989, 11, 42.
10. Hellendom E.W.: Intestinal effects following ingestion of beans. Food Technol., 1969, 23,
87.
11. Hepner G., Fried R., Jeor S., Fussetti L., Morin R.: Hypocholesterolemic effect of yogurt
and milk. Am. J. Clin. Nutr., 1979, 32, 19.
12. Hidaka H., Eida Т., Takizawa Т., Tokunaga Т., Tashiro Y. \ Effect of fructooligosaccharides
on intestinal flora and human health. Bifidobacteria Microflora, 1986, 5, 37.
13. Hughes J.B., Hoover D.G.: Bifidobacteria: Their potential for use in American dairy
products. Food Technol., 1991, 45, 74.
14. Jacórzyński В.: Oligosacharydy nasion roślin strączkowych i ich właściwości fizjologiczne.
Żyw. Czł. M etab, 1985, 12, 190.
15. Kohwi Y., Imai K , Hashimoto J.: A ntitum or of Bidobacterium infantis in mice. Gann
(Cancer), 1978, 69, 613.
16. Kohwi Y., Imai K , Hashimoto J.\ A ntitum or and immulogical adjuvent effect of Bidobacteium infantis in mice. Bifidobacteria Microflora, 1982, 1, 61.
Znaczenie żywieniowe oligosacharydów
95
17. Kurtzman JR ., Halbrook W.U.\ Polisaccharide from dry navy beans, Phaseolus vulgaris: its
isolation and stimulation of Clostridium perfringens. Appl. Microbiol., 1970, 20, 715.
18. Mann G.V., Spoerry A.: Studies of a surfactant and cholesterolemia in the Masai. Am. J.
Clin. Nutr., 1974, 27, 464.
19. Masai Т., Wada К., Hayakawa К , Yoshihaar I., Mitsuoka Т.: Effects of soybean oligosac­
charides on human intestinal flora and metabolic activities. Japan J. Bacteriol., 1987,42,
313.
20. Murphy E.L., Horsty H., Burr H.K. : Fractionation of dry bean extracts which increase carbon
dioxide egestion in human flatus. J. Agric. Food Chem., 1972, 20, 813.
21. Oku Т.: Dietary fiber and new sugars. W: Natural resource and human health. (Ed. Baba
S., Akerele O., Kawaguchi У.). Elsevier, Amsterdam 1992, 159.
22. Oku Т.: Special physiological functions of newly developed mono- and oligosaccharedes.
W: Functional foods - designer foods, pharmafoods, nutraceuticals (Ed. Goldberg /.).
Chapman and Hall, New York 1994, 202.
23. Olson A.C., Gray G.M., Gumbmann M.R., Sell C.R., Wagner J.R.: Flatus causing factors in
legumes. W: A ntinutrient and natural toxicants in foods (Ed. Ory R.L.). Food and Nutrition
Press, W estport 1981, 275.
24. Price K.R., Lewis J., Wyatt G.M., Fenwick G.R.: Flatulance - causes, relations to diet and
remedies. Nahrung, 1988, 32, 609.
25. Rackis J.J., Sessa D.J., Steggerda F.R.: Soybean factors relating to gas production by intestinal
bacteria. J. Food Sci., 1970, 35, 634.
26. Richards E.A., Steggerda F.R., Murata A.: Relationship of bean substrates and certain
intestinal bacteria to gas production in the dog. G astroenter., 1968, 150, 57.
27. Sacks L.E., Olson A.C.: Growth of Clostridium perfringens strains on alpha-galactosides. J.
Food Sci., 1979, 44, 1756.
28. Saito Y., Takano Т., Rowland /.: Effect of soybean oligosaccharides on the human gut
microflora in vitro culture. Microbial Ecol. Health Dis., 1992, 5, 105.
29. Savitri A., Bhavanishankar T.N., Desikachar H.S.R.: Effect of spices on in vitro gas produ­
ction by Cl. perfringens. Food Microbiol., 1986, 3, 261.
30. Schweizer T.F., Herman /., Wursch P.: Low molecular weight carbohydrates from leguminous
seeds, a new disaccharide, galactopinitol. J. Sci. Food Agric., 1976, 29, 148.
31. Steggard F.R : Gastrointestinal gas following food consumption. Ann N.Y. Acad. Sci., 1968,
150, 57.
32. Steggard F.R., Richards E.A., Rackis J.J.: Effects of various soybean products on flatulence
in the adult man. Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 1966, 121, 1235.
33. Tanaka М., Thananunkul D., Thung-Ching L., Chichester C.O.: A simple method for the
quantitative determination of sucrose, raffinose and stachyose in legume seeds. J. Food
Sci., 1975, 40, 1087.
34. Tomomatsu H.: Health effects of oligosaccharides. Food Technol., 1994, 48, 61.
35. Van Ness M.M., Cattau E.L. : Flatulence: Pathophysiology and treatm ent. Am. Family Phys.,
1985, 31, 198.
36. Wagner J., Becker R., Gumbmann M.R., Olson A.C.: Hydrogen production in the rat
following ingestion of raffinose, stachyose and oligosaccharide-free bean residue. J. Nutr.,
1976, 106, 466.
37. Wagner J.R., Carson J.F., Becker R., Gumbmann M .R, Dangof I.E.: Comparative flatulance
activity of beans and bean fractions for man and the rat. J. Nutr., 1977, 107, 680.
Otrzymano: 1998.06.10