Пропионовокислые бактерии что это такое простыми словами

10 мощных эффектов пропионовокислых бактерий

Пропионовокислые бактерии – представители защитной микробиоты человека. По сравнению с бифидо- и лактобактериями, составляющими основу микробного пейзажа пищеварительного тракта человека, их количество в кишечнике невелико. Однако множество исследований продемонстрировали, что именно эти микроорганизмы в составе пробиотиков оказывают мощное позитивное воздействие как на кишечник, так и на весь организм.

В состав пробиотика компании «Вектор-БиАльгам» входят пропионовокислые бактерии Propionibacterium freudenreichii в высокой концентрации (1×10 9 КОЕ/г). Пропионовокислые бактерии и их метаболиты (продукты обмена) в составе пробиотика от компании «Вектор-БиАльгам» позволяют добиваться следующих эффектов:

1. Регулируют работу иммунной системы.

Характерной чертой работы иммунитета здорового человека является его адекватность. Речь идет о способности иммунной системы «включаться» при встрече с реальной опасностью, но в то же время не проявлять чрезмерной активности при встрече с факторами не представляющими угрозы для организма. Если второе условие не соблюдается, у человека развиваются аллергические реакции, аутоиммунные заболевания («иммунитет против хозяина»), хронические воспалительные процессы. Препараты с иммуномодулирующими свойствами помогают восстанавливать эту самую «адекватность» нашего иммунитета.

Исследования показывают, что в состав бактериальной стенки пропионобактерий входят особые белки, обладающие выраженными иммуномодулирующими свойствами. Таким образом, прием пробиотиков с пропионовокислыми бактериям позволяет правильно настроить свою иммунную систему, улучшив ее способность распознавать опасности (возбудителей болезней, мутировавшие и поврежденные клетки) и в то же время «обуздать» ее чрезмерные реакции на безвредные факторы.

2. Помогают бороться с воспалением в организме

Острое воспаление – это защитная реакция организма при повреждениях различного характера. В то же время хроническое воспаление лежит в основе развития различных серьезных заболеваний, таких как сахарный диабет, сердечно-сосудистые болезни, поражения суставов, и является ключевой причиной ускоренного старения организма. В ходе исследований продемонстрировано, что на фоне приема пропионовокислых бактерий и их продуктов жизнедеятельности в организме снижается количество молекул, провоцирующих воспаление (интерлейкины, фактор некроза опухолей и др.).

Известно, что лишний вес – это фактор риска развития многих болезней, фон для тяжелого течения бактериальных и вирусных инфекций, в том числе COVID-19. Это связано с тем, что избыточные жировые отложения способствуют развитию хронического воспаления в организме.

Установлено, что пропионовая кислота, которую синтезируют пропионобактерии, снижает активность воспаления, обусловленного ожирением, что повышает устойчивость организма к болезням и предотвращает тяжелое течение инфекций.

3. Помогают справляться с кишечными инфекциями и воспалением в кишечнике

Хроническое воспаление в кишечнике – достаточно распространенное явление, которое может вызываться патогенными и условно-патогенными микробами. Они размножаются в кишечнике при дисбиозе и меняют кишечную среду, делая ее неблагоприятной для защитной микробиоты.

Также факторами, провоцирующими хроническое воспаление в нижних отделах пищеварительного тракта, являются нерациональное питание (дефицит клетчатки), стрессы. Кроме того, в последние в качестве важного фактора хронического воспаления в кишечнике изучаются лектины – вещества, которые содержатся во многих продуктах, в первую очередь, злаковых.

На фоне хронического воспаления в кишечнике накапливаются токсические вещества (продукты жизнедеятельности чужеродных бактерий, продукты гниения, которые в избытке образуются из-за нарушения работы ферментных систем при дисбиозе и пр.). Одновременно при воспалении повышается проницаемость стенки кишечника для токсинов и аллергенов. Это создает предпосылки для развития хронического воспаления в различных органах, интоксикации, негативно влияющей на работу всего организма.

Пропионовокислые бактерии синтезируют вещества – ацетат и пропионат – которые обладают выраженным антимикробным действием против многих патогенных и условно-патогенных микроорганизмов (хеликобактер пилори, клебсиелл, протеев, псевдомонад, патогенных штаммов кишечной палочки и пр.). Благодаря этим метаболитам в кишечнике восстанавливается среда, благоприятная для размножения.

Также в ходе исследований ученые выяснили, что метаболиты пропионовокислых бактерий устраняют или снижают активность воспаления в кишечнике (в том числе, вызванное лектинами), восстанавливают целостность кишечной стенки, блокируя пути для проникновения в организм вредных веществ.

4. Повышают общий уровень энергии в организме

Дефицит жизненной энергии – это ключевая проблема современного человека. Зачастую у людей не хватает сил не только на достижение новых целей, но и на решение самых обычных, повседневных задач. Одной из причин такой ситуации, как доказано в последние годы, является микробный дисбаланс в кишечнике.

Полезные бифидо- лакто- и пропионовокислые бактерии играют важнейшую роль в регуляции обменных процессов в организме. Их дефицит, который наблюдается при кишечном дисбиозе, обусловленном различными причинами, негативно влияет на метаболизм. Это значит, что нарушается процесс преобразования веществ, поступающих с пищей, в энергию, которая может расходоваться на нужды организма, физическую и умственную активность. Таким образом, при наличии дисбиотических сдвигов в кишечнике даже полноценный рацион и правильный режим дня не могут в полной мере восполнить дефицит энергии.

Как показывают исследования, при правильном микробном балансе в кишечнике, из пищи усваивается на 10% больше ценной энергии, чем на фоне дефицита полезных бактерий. Кроме того, метаболиты защитных бактерий пропионат и бутират поступают из кишечника в кровь и влияют на обменные процессы, помогая расходовать энергию на необходимые нужды организма.

Также исследования последних лет демонстрируют, что именно пропионат играет важнейшую роль в повышении выносливости и мышечной силы при занятиях спортом. Ученые проанализировали микробиом марафонцев, и выяснили, что лучшие результаты показали спортсмены в кишечнике которых было повышено содержание бактерий Veillonella atypica. Как было установлено, данная бактерия обладает способностью превращать в пропионат молочную кислоту – вещество, которое вырабатывается в мышцах при интенсивных физических нагрузках. Как показали дальнейшие эксперименты, именно пропионат является «источником силы», повышающим выносливость, снабжающим организм дополнительной порцией энергии.

Таким образом, прием пробиотиков на основе пропионовокислых бактерий, с одной стороны, помогает восстановить микробный баланс в кишечнике, что положительно влияет на обменные процессы, а с другой позволяет повысить в организме уровень пропионата. Это сопровождается повышением выносливости, быстрой утилизацией молочной кислоты после тренировок, снижением утомляемости и ускоренным восстановлением после интенсивных физических нагрузок.

5. Создают условия для размножения других полезных бактерий

В ходе множества исследований установлено, что на фоне приема пропионовокислых бактерий в кишечнике повышается содержание других полезных микроорганизмов. Это происходит по нескольким причинам. Во-первых, пропионобактерии обладают хорошей способностью к адгезии, то есть могут активно вытеснять со стенки кишечника чужеродных микробов, занимая их место. В результате такого очищения кишечника от агрессоров, формируются условия для восстановления численности полезных бактерий.

Во-вторых, пропионовокислые бактерии синтезируют вещества (пропионовая кислота, молекулы ACNQ и DHNA), которые активируют рост и размножение бифидобактерий. Наконец, даже погибшие пропионовокислые бактерии являются полезным субстратом для микробиома: их стенки служат источником структурных компонентов для защитных бактерий в кишечнике.

6. Регулируют работу пищеварительных ферментов

Полноценное усвоение пищи невозможно без нормальной работы ферментных систем организма. Ферменты способствуют расщеплению компонентов пищевых продуктов до веществ, которые могут усваиваться из пищеварительного тракта и использоваться для нужд организма. Пропионовокислые бактерии способствуют улучшению функционирования целого спектра ферментов:

Благодаря позитивному влиянию на ферментные системы, пробиотики на основе пропионовокислых бактерий помогают налаживать пищеварение, снижать токсическую нагрузку на организм, усваивать максимум полезных веществ из употребляемой пищи, избавляться от метеоризма, тяжести в животе и других проявлений диспепсии.

7. Помогают в профилактике атеросклероза и сердечно-сосудистых болезней

Как известно, высокий уровень холестерина в организме является фактором риска развития сердечно-сосудистых заболеваний, в первую очередь, атеросклероза. При этом заболевании на стенках сосудов образуются атеросклеротические бляшки (в состав которых входит холестерин), сужающие просвет сосудов – это приводит, в частности, к инфарктам и инсультам.

Пропионовокислые бактерии, наряду с другими пробиотическими микроорганизмами (бифидо- и лактобактериями) способствуют расщеплению холестерина в кишечнике, препятствуют его усвоению. Пропионат, который синтезируют пропионобактерии, поступает в кровь и тормозит синтез холестерина в печени. Таким образом, в современной медицине пробиотики, в том числе на основе пропионовокислых бактерий, активно используются в профилактике и комплексном лечении атеросклероза.

8. Помогают бороться с ожирением и способствуют профилактике сахарного диабета

В последние годы появляется все больше исследований, связывающих сахарный диабет и ожирение с изменениями в кишечном микробиоме. Так, обнаруживается существенная разница между составом микробиоты стройных людей и людей, страдающих ожирением. Эксперименты на животных и людях показали, что трансплантация фекальной микробиоты влияет на обменные процессы и, в частности, помогает снижать или набирать вес без изменения диеты.

Установлено, что среди бактериальных штаммов, способствующих профилактике ожирения и диабета, важную роль играют именно пропионовокислые бактерии. Так, исследование, проведенное на животных, продемонстрировало, что прием пробиотических штаммов пропионобактерий защитил мышей от ожирения и диабета, несмотря на избыток жиров в рационе. При этом было установлено, что метаболиты пропионовокислых бактерий регулировали обменные процессы, в том числе, влияя на активность генов, влияющих на образование и отложение жиров в адипоцитах (жировых клетках).Также было установлено, что эти бактерии помогают защищать печень от ожирения, снижают в крови уровень «плохих» липидов (жиров) и проч.

Исследование, проведенное в Королевском колледже Лондона, показало, что пропионат – вещество, синтезируемое пропионовокислыми и некоторыми другими пробиотическими бактериями – повышает энергообмен в организме людей даже в состоянии покоя, что позволяет быстрее справиться с ожирением.

Ученые из Оксфордского университета выяснили, что пропионат воздействует не только на энергетический обмен человека, но и непосредственно на пищевые центры в головном мозге. Исследование показало, что у людей с повышенной концентрацией пропионата в кишечнике в мозге «притормаживалось» позитивное подкрепление употребления вредной высококалорийной пищи (в первую очередь, фаст-фуда). Благодаря этому снижалась субъективная привлекательность таких продуктов для человека, что позволяло делать выбор в пользу более здоровой пищи.

9. Способствуют укреплению костной ткани

Остеопороз – состояние, при котором костная ткань становится хрупкой – часто встречается у людей старше 50 лет, особенно у женщин. Даже увеличения потребления продуктов, богатых кальцием, зачастую не решает эту проблему в полной мере, так как данный минерал может не в полной мере усваиваться из кишечника и использоваться для включения в костную ткань.

Исследования показали, что употребление пробиотиков с пропионовокислыми бактериями приводит к восстановлению крепости костей. Выяснилось, что некоторые белки, которые содержатся в стенках этих микроорганизмов, обладают способностью активировать остеобласты – клетки, от которых зависит плотность костной ткани. В ходе другого исследования также была продемонстрирована способность пробиотиков с пропионовокислыми бактериями предотвращать развитие остеопороза.

10. Обладают антиканцерогенными (противораковыми) свойствами

Пропионовокислые бактерии и их продукты обмена известны своей способностью предупреждать развитие раковых опухолей. Некоторые условно-патогенные и патогенные микробы синтезируют вещества, которые могут способствовать возникновению мутаций и развитию опухолей в кишечнике. Пропионовокислые бактерии подавляют активность этих веществ, проявляя тем самым антиканцерогенный эффект.

Более того, эти микроорганизмы помогают даже уже при имеющихся опухолях. Исследования показывают, что воздействие пропионата приводит к апоптозу («самоубийству») клеток колоректальной карциномы – злокачественной опухоли кишечника. Противораковые свойства пропионата не ограничиваются только пищеварительным трактом: в некоторых работах было продемонстрировано, что пропионат, поступающий из кишечника в организм, подавляет размножение раковых клеток в других органах, например, в печени.

Также в ходе экспериментов было установлено, что пропионат смягчает негативные эффекты лучевой терапии злокачественных новообразований. Как известно, самые тяжелые побочные эффекты при радиационном воздействии развиваются в желудочно-кишечном тракте: поражение пищеварительной системы часто приводит к вынужденному отказу от лечения опухоли. Пропионат помогает защищать слизистые оболочки кишечника от воздействия радиации, создавая условия для завершения необходимого курса терапии.

Помимо оказания на организм вышеперечисленных эффектов, пробиотики на основе пропионовокислых бактерий являются источниками широчайшего спектра полезнейших веществ для организма – витаминов, ферментов, аминокислот. Поэтому регулярное употребление пробиотика от компании «Вектор-БиАльгам» окажет разнонаправленное позитивное воздействие на организм, защитит его от воспалений, поможет нормализовать обменные процессы и повысить уровень энергии.

Источник

Свойства и биотехнологический потенциал пропионовокислых бактерий

ПРОПИОНОВОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ. СВОЙСТВА И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ

1. Физиолого-биохимические свойства пропионовокислых бактерий

1.1. Общие сведения о пропионовокислых бактериях

О полезных свойствах пропионовокислых бактерий см. в разделе:

История открытия пропионовокислых бактерий

Пропионовокислые бактерии были исходно обнаружены биохимически. В 1878 году немецкий химик Альберт Фитц (Albert Fitz) из Страсбурга, ученик F. Hopper-Seler, предсказал жизнедеятельность микроорганизмов в сырах, образующих в бескислородных условиях пропионовую кислоту (пропионат). Им впервые была выведена схема биохимической реакции, ведущей к образованию пропионата в сырах:

3 моля лактата →2 моля пропионата + 1 моль ацетата + CO₂ + H₂O

В начале 20 века из сыров были выделены бактерии, названные в дальнейшем пропионовокислыми. В 1903 году в США Тролли-Петерсон (Troili-Petersson), голландка по происхождению, впервые получила изоляты бактерий из сыров, которые в дальнейшем оказались ПКБ.

В России первым выделял из сыров типа Эмментальского и изучал ПКБ А.Ф. Войткевич (публикация 1925 года). Он описал изолированные пропионовокислые бактерии, которые по своим свойствам напомина­ли В. acidi propionici а.

Корнелиус Бернардус ван Ниль (Ван Ниль), Голландия, 1897-1985, выделил из сыров и идентифицировал много штаммов ПКБ. Он классифицировал их в своей докторской диссертации в 1928 году, будучи ассистентом А.Я. Клюйвера в Дельфте с 1923 г. Это положило начало систематике ПКБ; в результате собственных исследо­ваний, а также на основании литературных данных 8 видов и одну разновидность пропионовокислых бактерий Ван Ниль определил по фенотипу: Propionibacterium freudenreichii, P. jensenii (+ P. jensenii var. raffinosaceum), P. shermanii, P. pentosaceum, P. rubrum, P. thoenii, P. technicum, P. peterssonii.

В дальнейшем (но еще с 1926 года в Дельфте при напутствии Мартинуса Виллема Бейринка (1851-1931) и под влиянием книги Сергея Николаевича Виноградского «…о серных бактериях») Ван Ниль заинтересовался пурпурными серными бактериями, продолжил эти исследования в Калифорнии, где умер в 1985 году. Однако он все-таки участвовал в 7-м (1957 г.) и 8-м (1974 г.) изданиях Bergy со статьями о ПКБ.

Выделение, идентификация и классификация ПКБ продолжаются. К настоящему времени известно примерно 28 видов классических (или «молочных») и кожных ПКБ, которые идентифицированы фенотипически.

Пропионовокислые бактерии объединены в род Propionibacterium, который входит в состав семейства Propionibacteriaceae.

1.2. Места обитания и виды пропионовокислых бактериий (ПКБ)

Пропионовокислые бактерии принадлежат филогенетической группе Actinobacteria (домен Bacteria), в которой образуют компактный кластер. Все бактерии этой группы характеризуются высоким содержанием Г+Ц-пар в хромосомной ДНК. ПКБ объединены в род Propionibacterium, который входит в состав семейства Propionibacteriaceae.

Поскольку главное место обитания анаэробных ПКБ — это поверхность кожи лю­дей, их стали называть кожными пропионовокислыми бак­териями, а бактерии, выделенные из сыра и молока, — мо­лочными, или классическими, пропионовокислыми бакте­риями. Все виды (классических) пропионовокислых бакте­рий рода Propionibacterium представлены в табл. 1.

Таблица 1. — Виды рода Propionibacterium

Воробьева и др. предложили в род Propionibacterium включить пропионовокислые кокки, имеющие с палочковидными бактериями много общих свойств. Кокки выделяют из молока и сыров на ранних стадиях их созрева­ния. В отличие от типичных пропионовых бактерий кокки хорошо растут на поверхности плотных сред в виде оран­жевых колоний и обладают широкими ферментативными способностями. Новый вид предложено назвать Propionibacterium coccoides.

Основной пробиотически значимой классической («молочной») ПКБ является Propionibacterium freudenreichii, поэтому именно ей уделено особое внимание. Местообитание P. freudenreichii – молоко и молочные продукты: свежее коровье молоко; кисломолочные продукты длительного хранения, например, сброженная жирная сметана (каймак), «твердые» и «полутвердые» сычужные сыры (индигенная микробиота, ПКБ), с высокой температурой второго нагревания (52-55 0 С), которые долго созревают (до 3-х месяцев и более) при пониженной температуре. P. freudenreichii также обитает в сброженных травах-силосах.

В каймаке (сброженная сметана высокой жирности), сырах и силосах P. freudenreichii образует трофическую цепь с молочнокислыми бактериями, предварительно сбраживающими углеводы (лактозу, глюкозу, мальтозу) с образованием молочной кислоты, которую в форме лактатов ПКБ используют в качестве источников углерода и энергии.

Подходящие («богатые») натуральные среды для культивирования P. freudenreichii в лабораторных и производственных условиях – это глюкозо- или лактатно-кукурузная среда, лактатная молочная сыворотка и другие натуральные среды. Отдельные штаммы бактерии способны использовать лактозу, т.е. расти на обезжиренном молоке. Вышесказаннное свидетельствует о том, что P. freudenreichii тяготеет к пищевым субстратам, причем не вызывая порчи модифицирует их качество. Поэтому эту бактерию можно называть «пищевым микроорганизмом».

1.3. Форма пропионовокислых бактерий

Палочковидные клетки пропионовокислых бактерий расположены единично, парами или ко­роткими цепочками. Некоторые виды характеризуются утолщениями и веточками на концах. Величина клеток мо­жет значительно меняться в зависимости от их возраста и условий культивирования. Молодые клетки в аэробных ус­ловиях имеют вид коротких палочек, в анаэробных, а также при повышенных температурах они становятся более длин­ными. Имеются сведения о наличии пропионовокислых бактерий в пределах одного вида взаимопревращающихся от шарообразной до палочковой формы и обратно. Палочковидные клетки бактерий склонны к полимор­физму. Рудиментарное ветвление наблюдается в аэробных или в анаэробных условиях при низких значениях рН.

Бактерии хорошо окрашиваются по Грамму (граммположительные), слабо окрашиваются метиленовой синью, чем значительно отличаются от молочнокислых. Колонии обычно влажные, округлые или в виде гречишного зерна, блестящие, маслянистые. Цвет колоний у пропионовокис­лых бактерий кремовый, желтый, оранжевый, красный, ко­ричневый. Под микроскопом они отличаются от других бактерий по своеобразному «полисадному» расположению клеток, иногда образующих изогнутые цепочки и «иерог­лифы» вследствие деления с защелкиванием. В сканирующем микроскопе видно, что клетки бактерий неровные, с округлыми концами, в отдельных случаях покрыты слизью и образуют слизистые тяжи.

1.4. Условия для роста пропионовокислых бактерий

Рис. 3. Propionibacterium freudenreichii переменного размера и морфологии. Морфология анализируется с помощью сканирующей электронной микроскопии бактерий в экспоненциальной фазе роста (а), в стационарной фазе роста (б), а также при адаптации в кислой среде при рН 5,0 (c) и в желчных солях (d)

Пропионовокислые бактерии относятся к солеустойчивым. При содержании в лактатной среде 4% NaCl проис­ходит нормальный рост и брожение.

Состав клеточных стенок: обнаружено два раз­личных типа пептидогликана. Клетки P. shermanii и P. freudenreichii содержат непосредственно поперечно связанный пептидогликановый тип с т-ДАП в положении 3. В состав сахаров клеточных стенок P. shermanii и P. freudenreichn входят галактоза, манноза и рамноза (последняя в клеточ­ных стенках других видов не обнаружена), глюкоза отсут­ствует.

При обследовании 40 штаммов было обнаружено, что основным типом жирной кислоты, экстраги­руемой из целых клеток, является С₁₅ насыщенная кислота с разветвленной цепочкой. Причем у видов P. shermanii и Р. freudenreichii С₁₅-кислота присутствует в форме антеизо-С₁₅-изомера (12-метилтетрадекановая), у второй группы (Р. arabinosum, P. jensenii, P. pentosaceum, P. thoenii, P. zeae) об­наруживают в основном изо-С₁₅-кислоту (13-метилтетра-декановую). У других бактериальных видов С₁₅-кислоты присутствуют в «следовых» количествах, так что наличие ее в больших количествах (больше в 2-3 раза, чем любой другой жирной кислоты) у пропионовых бактерий может служить диагностическим признаком.

Таксономическим признаком рода является также со­став клеточных фосфолипидов. Для рода Propionibacterium основной фосфолипид представлен мономанозидом глицерил фосфорилмиоинозита. Фосфолипиды у пропионовокислых бактерий составляют около 10% от общего коли­чества липидов.

Главный гликолипид пропионовокислых бактерий представлен 1-0-пентаденаил-2-0 (6-0-гентадеканоил-a-D-маннопиранозил) миоинозитом и включает жирные кисло­ты (пентадеканоидную, гептадеканоидную), маннозу и ино­зит в молярных отношениях 2:1:1. Все изученные виды пропионовых бактерий содержат однотипный главный гли­колипид, что является важным таксономическим признаком рода.

Пропионовокислые бактерии в значительных количе­ствах синтезируют полифосфаты.

При выделении пропионовокислых бактерий учитыва­ют такие свойства, как способность использовать лактаты, хороший рост в анаэробных условиях при нейтральном зна­чении рН. Анаэробные условия создают путем добавления к агаровой среде сульфита Na или цистеина, тиогликолята Na.

Купенов с целью получения колоний пропионо­вокислых бактерий в чашках Петри без создания анаэроб­ных условий предлагает использовать среду Кребса, содер­жащую дрожжевой экстракт Дифко, лактат Na, «V.F.»-бульон, соли и 0,5-1,0% агара «Oxoid».

Для выделения и поддержания пропионовокислых бактерий рекомендуют среду следующего состава (%): триптиназа (BBL)-l, дрожжевой экстракт (Difco)-l, лактат Na-1, KH₂PO₄-0,25, MnSO₄-0,0005, агар (Difco)-1,5. Вода дистиллированная, конечный рН доводят до 7,0. Для созда­ния оптимальных условий роста в среду вносят х-цистеин (0,05%) и твин 80 (0,05%), стимулирующие рост бактерий.

Среда, поддерживающая хороший рост всех пропио­новых бактерий, имеет следующий состав (%): триптиназа (BBL)-l, дрожжевой экстракт (Дифко)-0,5, глюкоза-1, СаС1₂, MnSO₄, NaCl-0,002, К-фосфатный буфер-0,05М, твин 80 Na-формальдегид сульфоксалат-0,05, NaHCO₃-0,l, ко­нечный рН-7,0.

Суммируя результаты изыскания повышения биоло­гической полноценности молочных сред, можно отметить следующее. При добавлении в молоко или сыворотку 0,5%-ного дрожжевого экстракта увеличивается продуцирование кислот пропионовокислыми бактериями в 2,5-4,5 раза, а при внесении 1% лактата натрия активизируется этот процесс в 1,6-4,6 раза. Эффект от добавления пептонизированного молока, гидролизата казеина значительно меньше. Наи­более благоприятной средой для развития пропионовых бактерий является дрожжевой автолизат с глюкозой.

Потребность пропионовокислых бактерий в наборе витаминов значительно меньшая, чем у молочнокислых бактерий. Delwiche показал, что они нуждаются толь­ко в пантотеновой кислоте и биотине, некоторые из них требуют тиамина. Рибофлавин стимулирует рост, но облигатной потребности в нем нет, витамины B₁₂ и В₂ бактерии синтезируют самостоятельно. Рост всех пропионовокислых бактерий стимулируется твином 80. Низин оказывает сильное ингибиторное действие.

Для культивирования на лактозосодержащих средах наибольший интерес представляет вид Propionibacterium shermani.

Пропионовые бактерии могут синтезировать все ами­нокислоты за счет ассимиляции азота (NH₄)₂SO₄. Биосинтез белков пропионовыми бактериями сопрово­ждается созданием пула из 15 аминокислот: цистина, гистидина, аргинина, аспартата, глутаминовой кислоты, глицина, серина, треонина, b-аланина, тирозина, валина, метионина, пролина, фенилаланина и лейцина. Известно, что бактерии содержат пептидазы, при участии которых обес­печивают себя незаменимыми аминокислота ми и осуществ­ляют реакции трансаминирования, могут расти на любой из 20 аминокислот, внесенной в среду в качестве единственно­го источника азота.

1.5. Антимутагенная активность пропионовокислых бактерий

Известно, что серосодержащие аминокислоты стиму­лируют рост, а бактерии устойчивы к высоким концентра­циям H ₂ S в среде. Из серосодержащих амино­кислот пептидов молока бактерии образуют диметилсульфид, обладающий антимутагенным действием.

Пропионовые бактерии, как и все живые существа, в первую очередь бактерии, постоянно и длительно подвер­гаются воздействию внешних и внутренних мутагенов. К обычным внешним естественным источникам мутагенов относятся радиация, газ радон, космические лучи, К 40 и дру­гие радионуклиды (ядра нестабильных изотопов, самопро­извольно распадающихся в земной коре).

Поскольку в естественных условиях микроорганизмы (а также растения и животные) постоянно подвергаются действию мутагенов, у них сформировались эндогенный и экзогенный защитные механизмы: у всех живых существ образуются молекулы, способные к осуществлению анти­мутагенеза. Под антимутагенезом понимают снижение час­тоты спонтанной и индуцированной мутации. Антимутаге­ны регулируют скорость спонтанных мутаций, стабилизи­руют мутационный процесс. Антимутагены повышают ак­тивность ферментативных систем, участвующих в детокси­фикации поступающих в клетку веществ, влияют на окис­лительно-восстановительный потенциал организма. Все эти процессы приводят к снижению мутаций.

Было показано, что кожные и классические про­пионовокислые бактерии выделяют в среду вещества с ан­тимутагенной активностью. Десмутагенное действие культуральной жидкости проявлялось при выращивании бакте­рий на среде с глюкозой, лактозой и лактатом. Установле­ние факта атимутагенности культуральной жидкости и кле­точного экстракта пропионовокислых бактерий открыло но­вые, ранее не известные у них свойства, обуславливающие защиту клетки от внешних и эндогенных мутагенов. Поэтому пропионовокислые бактерии могут стать источни­ками новых и ценных антимутагенов.

Таким образом, пропионовокислые бактерии относят­ся к наиполезнейшим микроорганизмам. Они способны к синтезу практически важных веществ: большинства амино­кислот, значительного количества жирных кислот, липидов и фосфолипидов, полифосфатов, ферментов и витаминов.

2. Пропионовокислое брожение

Пропионовокислое брожение выражается следующим уравнением:

сахар молочная пропионовая уксусная
кислота кислота кислота

Химизм данного брожения подобен типичному мо­лочнокислому брожению с той разницей, что образовавшая­ся молочная кислота в этом брожении не конечный продукт, а промежуточный. От других типов брожения пропионово­кислое отличается высоким выходом АТФ, участием неко­торых уникальных ферментов и реакций.

Когда сбраживаемым субстратом является лактат, он сначала окисляется в пируват. Часть пирувата далее окисля­ется до ацетил-КоА и СО₂, причем превращение ацетил-КоА в ацетат сопровождается образованием АТФ. По­лучение в процессе брожения окисленных продуктов, аце­тата и СО₂ уравновешивается сопутствующим восстановле­нием пирувата до пропионата.

Пируват может быть превращен в пропионат несколь­кими путями:

1) Пируват —> Акрилат —> Пропионат;

2) Пируват —> Лактат —> Пропионат;

3) Пируват + С₁ —> Сукцинат —> Метилмалонат —> Про­пионат

Первые две возможности у пропионовых бактерий не реализуются, и образование пропионата происходит из дикарбоновой кислоты по третьему пути.

В процессе сбраживания лактата в пропионат потреб­ляется одна молекула NADH₂. Она образуется при окисле­нии лактата до ацетата в соответствии с суммарным урав­нением реакций брожения:

Лактат + NADH₂ + ADP + P_i —> Пропионат + NAD + ATP.

Открытие американских исследователей нашло свое подтверждение и в исследованиях Воробьевой. Реак­ции, ведущие к образованию пропионовой кислоты у пропионовокислых бактерий, могут быть представлены сле­дующей последовательностью :

суммарно: Пируват + 4Н + —> Пропионат

Превращение оксалоацетата в сукцинат происходит в результате работы ферментов ЦТК: малатдегидрогеназы, фумаразы и сукцинат-дегидрогеназы. Указанные ферменты выделены из клеток P. shermanii и осуществляют пре­вращение оксалоацетата в сукцинат с достаточно высокой скоростью.

Схема пропионовокислого брожения. Обозначения: 1. Пируватдегидрогеназа, 2. Фосфотрансацетилаза (Фн), 3. Ацетилкиназа (АДФ), 4. ФЕП-карбокситрансфосфорилаза (Фн, НСО₃), 5. Метилмалонил-КоА-транскарбоксилаза (биотин), 6. Малатдегидрогена, 7. Фумараза, 8. Сукцинатдегидрогеназа (фумаратредуктаза; Фп, цит. b), 9. КоА-трансфераза, 10. Метилмалонил-КоА-изомераза (мутаза), 11. Метилмалонил-КоА-рацемаза

Уксусная кислота образуется в результате окислительного декарбоксилирования пирувата :

В результате своей жизнедеятельности ПКБ образуют много пропионовй кислоты/пропионата натрия (до 1-2%). Соотношение продуктов брожения может быть разное и в значительной степени зависит от степени окисленности источника углерода. При росте на среде с глицерином, на­пример, отношение пропионовая : уксусная = 2:1 (это также обычное соотношение), с лактатом 1:1,5 и пируватом 1:2. Так, по Данным Орла-Енсена, в нор­мальном, вполне созревшем эмментальском cыpe количест­во пропионовой кислоты обыкновенно превышает количе­ство уксусной приблизительно в два раза. В сырах других типов это соотношение всегда сильно отклоняется в пользу уксусной кислоты, которая нередко становиться уже преоб­ладающей. Так, по данным Орла-Енсена, в нормальном эдамском сыре количество пропионовой кислоты / количе­ство уксусной кислоты = 1/8. С другой стороны, по наблю­дениям А. Виртанена, при культивировании пропионовокислых бактерий в строго аннааэробных условиях соотноше­ние между количествами кислот отклоняется в обратную сторону; именно в этом случае на одну молекулу уксусной всегда образуется 3 молекулу пропионовой. Также большое влияние имеет значение концентрации ионов во­дорода. При увеличении концентрации ионов водорода в среде изменяется соотношение основных продуктов броже­ния: образование уксусной кислоты увеличивается, а про­пионовой заметно уменьшается.

3. Дыхание ПКБ, защита от кислорода и его активных форм

При интенсивном аэрировании ПБ угнетено: выделение клетками пропионовой и уксусной кислот снижается или прекращается, но накапливается пируват. В таких условиях пропионовая кислота может быть использована в катаболизме как субстрат.

Эти данные свидетельствуют о том, что и «наиболее анаэробная» из классических ПКБ – P. freudenreichii, не способная к образованию колоний на поверхности твердых («богатых») сред в присутствии кислорода, уже имеет дыхательную цепь и способна использовать молекулярный кислород (при определенных пониженных концентрациях его в жидкой среде) в качестве конечного акцептора электронов с получением энергии. Однако эта дыхательная цепь редуцирована, несовершенна, что проявляется в резистентности дыхания к цианиду. Она имеет большее значение как «предохранительное» дыхание, нейтрализующее молекулярный кислород.

4. Конструктивный обмен. Метаболиты-нутрицевтики.

Выше изображены некоторые метаболиты ПКБ (молекулярные модели)

Отличительным свойством метаболизма P. freudenreichii является тесное сопряжение энергетических процессов и конструктивного обмена. Пропионовокислое брожение (ПБ) как основной энергетический процесс эфффективно обеспечивает конструктивный метаболизм классических пропионовокислых бактерий. Об этом свидетельствует высокий молярный экономический коэффициент: Yc=ACB (абсолютно сухая биомасса) г / моль глюкозы = 37,5 (у S. cerevisiae = 19). При этом, P. freudenreichii, в отличие от молочнокислых бактерий, способна синтезировать все метаболиты, необходимые для поддержания своего гомеостаза на минимальных средах (содержащих ионы кобальта) как анаэробно, так и в присутствии воздуха. При этом она накапливает в клетках или выделяет в среду соединения (см. таблицу), среди которых много полезных для человека и животных, включая нутрицевтики (нутрицевтики – это низкомолекулярные соединения, например, витамины группы B или аминокислоты, которые поступая в организм человека и не разлагаясь, участвуют в метаболических реакциях – ред.).

5. Использование пропионовокислых бактерий в пищевой промышленности

Данная глава описывает более ранние (исходные) сведения об опыте использования пропионовокислых бактерий в пищевом производстве. Сегодня, благодаря новым исследованиям, а также разработанному во ВСГУТУ методу активизации пробиотических культур в молоке и иных пищевых средах (повышению ферментативной активности без стимуляторов роста), значительно расширилась сфера применения пропионовокислых бактерий (и др. пробиотических культур) в пищевой отрасли. В частности, инновационные технологии успешно апробированы в производстве кисломолочной продукции, мясопродуктов и хлебопечении ( см.: Закваски для пищевой промышленности ).

Общее правило, касающееся использования этих бактерий в созревании сыров, гласит: вреден как недоста­ток, так и избыток пропионовокислых бактерий, но без их участия сыр нужного качества изготовить невозможно; мо­гут получаться «слепые», т.е. сыры без «глазков» или с другими дефектами. Многие пороки лучших сыров вызва­ны отсутствием или слабым ростом пропионовокислых бактерий. Для нормального развития пропионовокислых бакте­рий рекомендуют использовать молоко с высоким со­держанием белка (3,3%). При концентрации мочевины ме­нее 4 мМ, нужно обеспечивать преобладание стрептококков над молочнокислыми бактериями введением смешанной термофильной культуры с соотношением микроорганизмов 10:1. Существуют и другие условия, несоблюдение которых подавляет деятельность в сырах пропионовых бактерий.

Физиологические особенности пропионовых бакте­рий: термоустойчивость, отсутствие роста при высоких температурах, при более 4,5% концентрациях соли, задерж­ка роста при 9°С, способность сбраживать лактаты, нахо­дятся в соответствии с технологическим режимом сырова­рения. После второго нагревания большая часть молочно­кислых палочек погибает, а образованный ими лактат начи­нает активно сбраживаться пропионовокислыми бактерия­ми.

Вместе с тем требуется регуляция активности пропио­новокислых бактерий, которые не должны, в частности, развиваться и образовывать СО₂ при низких температурах, что может привести к разрывам и трещинам в сырах.

Пропионовокислые бактерии размножаются в сыре в значительном количестве в период выдерживания его в бродильном подвале, рост их продолжается в течение всего периода созревания. В результате пропионовокислого бро­жения образуются специфический вкус и запах, а также ха­рактерный рисунок «Швейцарского» сыра». Развитие про­пионовокислых бактерий внутри сыра происходит энергич­нее, чем у поверхности. Это, по всей вероятности, связано с повышением содержания влаги и уменьшением содержания соли во внутренних слоях.

Источником пропионовокислых бактерий в сыре явля­ется молоко. Специально приготовленные культуры этих бактерий применяют в сыроделии очень редко. Пропионо-вокислые бактерии погибают при 15-минутной выдержке при 70°С, в то время как такая же выдержка при 60°С ока­зывает только подавляющее действие. Большинство пропионовокислых бактерий хотя и погибает при подогре­вании до 70°С, тем не менее при кратковременной пастери­зации молока при этой температуре в нем можно найти еще много живых микроорганизмов.

Пропионовокислое брожение в «Советском» сыре не достигает необходимых масштабов без внесения в молоко культур пропионовых бактерий, что отрицательно сказывается на его качестве. Для улучшения качества сыра необходимо применять эти культуры. Пастеризация молока при выработке «Советского» сыра создает предпосылки для систематического применения культур пропионовокислых бактерий. Их вносят в молоко в незначительных количествах – несколько капель на 1 т. Такая предосторожность вызывается тем, что излишнее активизирование пропионовокислого брожения ведет к появлению ненормального рисунка в сыре (крупные «глазки» и разрывы сырного теста). В последние годы взгляды на дозы культур пропионовокислых бактерий существенно изменяются под влиянием того, что их развитие не находится в пропорциональной зависимости от количества введенной культуры и обусловливаются биологическими факторами, связанными с составом среды и жизнедеятельностью молочнокислой микрофлоры.

Богданов исследовал влияние состава различных сред на рост пропионовокислых бактерий для подбора наилучшей среды для приготовления производственной закваски. Им избраны сыворотка с пептоном и обезжиренное молоко с панкреатиновым автолизатом. Максимальное количество бактерий в первой среде при 30°С наступает через 5 дней, при 22°С – через 15дней и при комнатной температуре – через 30 дней.

За рубежом_: закваски пропионовокислых бактерий обычно готовят в виде жидкой культуры на сывороточно-пептоновой среде, и рассылают потребителям в небольших бутылочках, снабженных капельным устройством. Срок годности заквасок два месяца. Войткевич рекомендует для приготовления производственной закваски пропионовокислых бактерий использовать молочную сыворотку, до­бавляя к ней 2% карбоната кальция. Смесь сыворотки с ме­лом разливают в бутылочки, закрывают их пробками и сте­рилизуют. После охлаждения в среду вносят основную культуру (1-2)% и выдерживают 10 дней при температуре 30°С. Богданов предложил применять в производственных условиях, закваски 10- 15-дневного возраста, выдержанные при 30°С на следующих средах: молочно-пептонной сыворотке с мелом; обезжиренном молоке с автолизатом и ме­лом и автолизате.с глюкозой и мелом. Количество вносимой закваски зависит от степени развития рисунка и в среднем составляет 10 мл на ванну.

Культуры P. shermanii выращивали на разведенном водой (1:1) дрожжевом автолизате с 2% глюкозы при 30°С в течение 4-5 дней. В одной капле такой среды содержалось в среднем 293 млн. клеток. Культуры этих же пропионовых бактерий были приготовлены на обезжиренном молоке при совместном выращивании их с молочнокислыми стрепто­кокками и палочками L. helyeticwn в условиях регулярной нейтрализации, образующейся молочной кислоты (рН 5,2-5,6). Этот препарат содержал около 570 млн. клеток пропионовокисльж бактерий, 11 млн. клеток молочнокислых палочек.

Усовершенствованием в технологии сыроварения можно назвать создание многоштаммовой сухой закваски пропионовых бактерий из трех штаммов вида P.freudenreichii. Многоштаммовая закваска превосходила монокультуру в отношении газо- и кислотообразования (10,66). Общая оценка опытных сыров, изготовленных с применением сухой многоштаммовой закваски по сравне­нию с контрольными; была на 4,2 балла выше. Установлена возможность непосредственного внесения сухих культур в перерабатываемое молоко без предварительного их перево­да в активное состояние. Сухая закваска удобнее при транс­портировке, чем ранее применявшаяся жидкая закваска. Многоштаммовая сухая закваска внедрена в производство сыра «Советского».

При внесении в тесто такой закваски хлеб содержит 0,1% уксусной; 0,2% молочной, 0,1% пропионовой кислоты (по отношению к весу муки). Такого количества пропионовой кислоты достаточно для проявления фунгицидного дей­ствия, без заметного влияния на вкус и аромат выпекаемого хлеба.

Использование пропионовокислых бактерий нашло себя, хотя пока и незначительно, в кисломолочном производстве (прим.: сегодня есть все перспективы расширения сферы применения пропионовокислых бактерий в производстве кисломолочных биопродуктов).

С целью обогащения витамином В12 в кефир и другие молочнокислые продукты вносили пропионовокислые бак­терии, повышая, таким образом, питательные свойства и лечебную ценность этих продуктов.

В нашей стране изготовлен кисломолочный напиток, закваска которого включает уксуснокислые бактерии Acetobacter lovaniense, вязкие рассы молочнокислых стрептококков и P. shermanii с соотношении штаммов (2,5-3,5):(9-11):(3-4). Сырьем, служит смесь молока с творожной сывороткой в соотношении 9:1-7:3. Разбавление молока творожной сывороткой приводит к экономии молока, но вместе с тем и к разбавлению его, вследствие чего содержа­ние в продукте сухих веществ, витаминов, белка снижается. Эти неизбежные потери компенсируются использованием в составе закваски бактерий, синтезирующих белки, витами­ны, внеклеточные полисахариды, увеличивающие вязкость продукта. Активными продуцентами внеклеточных полиса­харидов служат некоторые штаммы уксуснокислых бакте­рий. В симбиозе со стрептококками образование внеклеточ­ных полимеров увеличивалось. P. shermanii и A.lovaniense в виде монокультур не росли в молоке, а в смеси росли и вы­зывали его свертывание за (32-36)ч, обогащая молоко вита­мином В₁₂ и другими витаминами группы В.

Однако при совместном культивировании с молочно­кислыми стрептококками наблюдали снижение содержания витаминов, которые, по-видимому, утилизировались по­следними. Поэтому при изготовлении напитка уксуснокис­лые и пропионовокислые бактерии выращивают в сыворотке (где они хорошо растут), а молочнокислые и уксуснокис­лые бактерии в молоке с последующим смешиванием ком­понентов. При добавлении в молоко 5% творожной сыворотки содержание в продукте витамина В₁₂ составляло 12500 мкг/кг, В₂ 74,8 мкг/кг, никотиновой кислоты 2900 мкг/кг, а при добавлении в молоко 20% сыворотки 27850; 176,8 и 18250 мкг/кг соответственно.

При изготовлении сметаны применение закваски, со­держащей продуценты витаминов группы В, позволяет вес­ти процесс ее производства в одних условиях независимо от жирности сырья, при этом сквашивание ведут при (30-32) о С, что ускоряет процесс и позволяет получить продукт с высокими питательными свойствами.

Д.С. Янковким и Г.С. Дымент (Украинский научно-исследовательский институт мясной и молочной промышленности) получили бактериальную закваску, состоя­щую из пропионовокислых бактерий и аэробных микроор­ганизмов родов Acetobacter, Bacillus и Pseudomonas. Активизация размножения пропионовокислых бактерий в молоке происходит в результате активного поглощения кислорода аэробными микроорганизмами вышеуказанных таксономи­ческих групп и таким образом исключается влияние данного ингибитора на пропионовокислые бактерии. Кроме того, штаммы родов Bacillus и Pseudomonas, обладающие высо­кой протеолитической активностью, накапливают низкомо­лекулярные азотистые вещества, стимулирующие развитие Propionibacterium.

В процессе исследований было выявлено, что для по­лучения симбиотических сочетаний, обладающих высокой молокосвертывающей протеолитической активностью и другими производственно-ценными свойствами при высо­ком содержании клеток пропионовокислых бактерий, анаэробные бактерии рода Propionibacterium необходимо со­единить с аэробными бактериями родов Acetobacter, Bacillus или Pseudomonas в соотношение комбинаций молочнокис­лых бактерий 2:3.

Таким образом, при выработке кисломолочных про­дуктов в качестве закваски используют пропионовокислые бактерии в комбинации с молочнокислыми бактериями. При совместном культивировании пропионовокислых бактерий молочнокислыми бактериями отмечается отсутст­вие антагонистического воздействия друг на друга. Однако молочнокислые бактерии утилизируют витамины, образо­ванные пропионовокислыми бактериями, вследствие чего снижается лечебная и биологическая ценность продуктов. Анализируя данные раздела, следует подчеркнуть, что от­сутствуют кисломолочные продукты с использованием од­них пропионовокислых бактерий.

Инновации в использовании пропионовокислых бактрий

Интенсивный путь развития молочной промышленно­сти требует новых, нетрадиционных подходов к разработке технологии молочных продуктов. Одним из важнейших на­правлений развития технического прогресса в области переработки молока является развитие биотехнологии, в част­ности применение ферментных препаратов для производст­ва молочных продуктов. Среди ферментных препаратов, рекомендованных для пищевой промышленности, важная роль принадлежит b-галактозидазе, использование которой при переработке молочного сырья позволяет ускорить про­цесс молочнокислого брожения, повысить лечебные свой­ства и качество молочных продуктов.

И.С. Хамагаевой были созданы научные осно­вы биотехнологии получения новых лечебных кисломолоч­ных продуктов для детского и диетического питания с при­менением ферментного препарата дрожжевой b-галактозидазы. Авторами установлено, что вследствие дей­ствия b-галактозидазы на молочный сахар накапливаются важные бифидогенные продукты трансгликозилирования. Известно, что, помимо гидролитического действия, b-галактозидаза катализирует реакции трансгликозилирова­ния, в ходе которых образуются высокомолекулярные олигосахариды при использовании лактозы в качестве субстра­та.

И.С. Хамагаевой теоретически обоснован механизм стимулирующего действия b-галактозидазы на рост бифидобактерий в молоке. Обнаружено, что активизация роста бифидобактерий связана с повышением собственной b-галактозидазной активности бактерий, в результате чего бифидобактерий приобретают способность накапливать из лактозы необходимые для своего роста соединения: глюко­зу и олигосахариды.

Результаты:

По теме см. также:

Будьте здоровы!

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

Источник