Studies on the Physiological Effects of Microbial Exopolysaccharides

Abstract

The spread of lifestyle-related diseases has become epidemic throughout the world. Impaired glucose metabolism and high levels of plasma cholesterol are risk factors for the development of type 2 diabetes and cardiovascular disease respectively. Soluble dietary fibers from plants, algae and mushrooms have been shown to positively regulate both glucose- and cholesterol metabolism indicating their value in the prevention of lifestyle-related diseases. Some bacteria produce and excrete exopolysaccharides (EPSs) with structures similar to dietary fibers and the aim of the present study was to screen for such EPS-producing bacteria and evaluate some EPSs with regard to their effect on lipid metabolism in mice and glycemic regulation in man. Several lactic acid bacteria were isolated from Indian food products based on their ability to produce EPSs. Their probiotic potential was investigated using several in vitro methods. Two isolates (Weissella cibaria 142 and Pediococcus parvulus AI1) showed interesting probiotic properties that deserves further attention. Two trials were performed to determine the plasma cholesterol and triglyceride levels, fecal bile acid excretion and short-chain fatty acid (SCFA) production in low-density lipoprotein receptor knock-out mice fed a high-fat diet containing EPS for several weeks. In addition, the microbiota composition after ingestion of the EPS-producing lactic acid bacteria Pediococcus parvulus 2.6 and its EPS was investigated. The results show that the EPSs tested did not affect the plasma cholesterol and triglyceride levels or fecal bile acid excretion. However, the production of SCFAs was significantly increased for all but a gel-forming EPS indicating their fermentability by the gut microbiota. The EPS produced by P. parvulus 2.6 greatly affected the composition of the microbiota showing that the EPS was selectively fermented by certain groups in the gut flora; however, the level of bifidobacteria was decreased. The EPS-producing bacterium P. parvulus 2.6 antagonized Enterobacteriaceae below the level of detection but did not affect the overall homeostasis of the microbiota. All of the EPSs investigated provided a bulking effect, which may be beneficial for the maintenance of a well-functioning gut system. The final study aim was to investigate whether the in situ production of EPS renders rheological changes to an oat bran‒based product during fermentation, eventually affecting the viscosity and consequently postprandial glycemia after consumption. An acute meal study was performed using a randomized, single-blind, within-subject design. Eighteen healthy overweight participants consumed four breakfast meals including one reference meal after an overnight fast. The reference meal contained water and white wheat bread, whereas the test meals contained the test beverage (dairy yoghurt, fermented oat bran‒based/milk beverage with and without EPS) and white wheat bread; all the meals contained 50 g of available carbohydrates, but differed in energy and macronutrient composition. All the experimental meals induced lower postprandial glucose responses and had lower glycemic indices compared with the reference meal. The yoghurt and oat bran‒based beverage elicited higher early insulin responses but the insulinemic indices were the same for all meals. The feeling of hunger and palatability were similar for all test products. In conclusion, none of the EPSs induced any change in physiological responses compared with the reference other than the effect observed in the gut (increased SCFA production and changes in the microbiota composition). The EPS-producing bacterium P. parvulus 2.6 had a positive effect on the composition of the microbiota by reducing the number of Enterobacteriaceae. In addition, a new type of convenience food product based on fermented liquid oat bran and milk was shown to attenuate postprandial glycemia as efficiently as yoghurt. This functional food product may help to regulate the postprandial glucose response, which is an important target for the prevention of metabolic disease.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I Sverige är intaget av kostfiber lågt. Endast 5‒20% av alla vuxna uppnår det rekommenderade dagliga intaget. Fiberrika livsmedel bör utgöra en stor del av en hälsosam diet eftersom man har visat att det finns ett samband mellan högt fiberintag och minskad risk för välfärdssjukdomar såsom hjärt-kärl sjukdomar och typ 2 diabetes. Kostfibrer kan till exempel sänka ditt onda kolesterol och stabilisera blodsockernivån efter en måltid, vilket leder till flera hälsosamma effekter. De kolhydrater från växtriket som inte bryts ner vid matsmältningen kallas kostfibrer, och de förekommer framförallt i frukt, grönsaker, rotfrukter, baljväxter och cerealier. Även bakterier kan producera fibrer, som ger textur till olika livsmedel såsom yoghurt.

Dessa bakterieproducerade fibrer används flitigt i livsmedelsindustrin för att ge konsistens åt maten. Till exempel används xanthan i färdiga salladsdressingar för att motverka att örter och andra kryddor faller till botten. Växtfibrer varierar i storlek och sammansättning beroende på växtplats och klimatförhållanden, medan bakteriefibrer produceras under strikt kontrollerade former i odlingstankar och på så sätt har samma kemiska struktur och storlek från gång till gång. Därför är bakteriefibrer ett möjligt alternativ till växtfibrer när man vill vara säker på att få den rätta strukturen på sina fibrer. Det vill man när man är ute efter de positiva hälsoegenskaper vissa fibrer besitter.

I den bästa av världar så skulle man tillsätta de smak- och luktlösa bakteriefibrerna till maten för att öka fiberinnehållet och på så sätt minska risken för olika sjukdomar. Livsmedel som ger ett mervärde genom att minska risk för sjukdomar kallas för funktionella livsmedel och deras marknadsandelar växer varje år. Till år 2015 beräknas världsmarknaden för funktionella produkter vara 130 miljarder dollar. De vanligaste funktionella ingredienserna är probiotika (hälsosamma bakterier) och olika fibrer.

Då växtfibrer tidigare visats ha kolesterolsänkande effekter, så spekulerades det att även bakteriefibrer skulle uppvisa sådana positiva egenskaper. Därför testades fyra kommersiellt tillgängliga bakteriefibrer i möss som hade högt kolesterol. Då havre sattes till kosten så sänktes kolesterolhalten i blodet, men ingen av de tillsatta bakteriefibrerna hade någon effekt på kolesterolet precis som var fallet med kontrollfibern cellulosa. Dock ökades produktionen av kortkedjiga fettsyror vilka är bra för tarmhälsan. Bra för tarmfunktionen är även bulkeffekten som bakteriefibrerna uppvisade. Mer substans i tarmarna håller igång magen.

För att testa en tidigare hypotes att en fiber från en viss bakterie hade kolesterolsänkande egenskaper så genomfördes ytterligare en musstudie. Den rena bakteriefibern producerades och sattes till musmaten. Bakterier kan i sig ha kolesterolsänkande effekter precis som kostfibrer och därför matades möss även med den fiberproducerande bakterien och dess genetiske jämlike som inte kunde producera fiber, för att utröna om de gav någon kolesterolsänkande effekt.

Den rena bakteriefibern ökade bulkeffekten liksom tidigare, men varken fibern eller bakterierna i sig hade någon effekt på kolesterolhalten i blodet. Själva bakterien gav ett lägre utslag på markörer som visar på inflammation, än den rena fibern och antalet ogynnsamma bakterier i tarmkanalen minskade. Däremot så minskade antalet hälsosamma tarmbakterier då mössen åt den rena bakteriefibern. Det verkar som att den fiberproducerande bakterien är bättre än den rena fibern, både ur ett hälsoperspektiv och ur ett ekonomiskt perspektiv, då endast låga halter av fibern produceras av bakterien.

I samarbete med Anand Agricultural University i Indien letades det efter fiberproducerande bakterier i olika traditionella, indiska livsmedel. Dessa bakterier utvärderades sedan i provrör med tanke på deras probiotiska egenskaper. Flera av dessa isolat kunde överleva i sur miljö och i gallsalter. Detta är en bra egenskap för probiotiska bakterier då de måste överleva passagen genom mag-tarmkanalen där de utsätts för syra och gallsalter, som är giftiga för bakterier. Resultaten från denna studie visade att speciellt två isolat har betydande probiotiska egenskaper, vilka borde undersökas ytterligare.

Då studierna gick från bakterier i provrör till bakterier och fibrer i möss så blev bakterier och fibrer i människa ett naturligt nästa steg. Två havrebaserade drycker utvecklades: en med vanliga yoghurtbakterier och en med tillägg av en fiberproducerande bakterie. Dessa drycker jämfördes med en vanlig drickyoghurt och en referensmåltid bestående av vitt bröd och vatten med avseende på blodsockersvaret efter en frukostmåltid. Både de havrebaserade produkterna och yoghurten gav ett signifikant lägre blodsockersvar jämfört med det vita brödet. Försökspersonerna gillade också havreprodukterna lika mycket som yoghurten. Dessa produkter kan med fördel användas i en sammansatt diet för att kontrollera blodsockersvaret och öka det totala fiberinnehållet i maten.

Sammanfattningsvis så hade varken bakteriefibrerna eller bakterierna någon effekt på blodkolesterolet, men fibrerna gav bulk i tarmen vilket är bra för tarmfunktionen. De fiberproducerande bakterierna hade positiva effekter på inflammationsmarkörer och sänkte halten ogynnsamma bakterier i tarmarna. De havrebaserade produkter som utvecklades kan därför ha både långsiktiga och kortsiktiga hälsoeffekter genom att bidra till en bra tarmhälsa och sänka blodsockersvaret efter maten.

• author: Lindström, Cecilia
• supervisor: Olle Holst
• opponent: Prof Salovaara, Hannu, University of Helsinki, Finland
• organization: Biotechnology
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Industrial Biotechnology
• keywords: Probiotics, Prebiotics, Microbiota, Glycemic regulation, Dietary fiber, Oats, Lactic acid bacteria
• pages: 124 pages
• defense location: Lecture hall B at the Centre for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund University, Faculty of Engineering
• defense date: 2013-11-21 10:30:00
• ISBN: 978-91-89627-98-7
• project: ANTIDIABETIC FOOD CENTRE
• language: English
• LU publication?: yes
• id: a489cd2f-cf3c-4a65-8160-934a1e1c3be4 (old id 4124579)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:14:34
• date last changed: 2018-11-21 21:12:50