Оценка потенциала пропионовокислых бактерий для получения постбиотиков

Введение. Многочисленные современные исследования показали, что продукты метаболизма пробиотических культур, как и пробиотические микроорганизмы могут оказывать положительные эффекты на здоровье потребителя. Их использование является профилактической стратегией для укрепления здоровья человека. 
Цель. Охарактеризовать потенциал штамма P. shermanii Э2 для использования при получении постбиотиков. 
Материалы и методы. Штамм P. shermanii Э2 культивировали на питательной среде следующего состава: дрожжевой автолизат – 40 см3/дм3, KH2PO4 – 4 г/дм3, CoCl2 – 1 см3/дм3, гидролизованное молоко до 1 дм3. Ферментативную активность штамма определяли с использованием тест-системы API ZYM («BioMerieux», Франция). Протеолитическую активность определяли методом TNBS (2,4,6-тринитробензолсульфоновая кислота) и выражали в ммоль/л-эквивалентов лейцина. Антиоксидантную активность определи методом ORAC. Оценку содержания органических кислот проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), а определение витамина В12 методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с масс-спектрометрическим детектором (ВЭЖХ-МС). 
Результаты. Определен профиль ферментативной активности P. shermanii Э2, протеолитическая и антиоксидантная активность, кроме того установлено содержание органических кислот и витамина В12 в бесклеточных супернатантах. Установлено, что штамм обладает выраженной аминопептидазной активностью, высокой активностью кислой фосфатазы, α-галактозидазы и β-галактозидазы. Однако активностей трипсина, липазы, β-глюкорнидазы, β-глюкозидазы, N-ацетил-β-глюкозаминидазы, α-маннозидазы и α-фруктозидазы не наблюдалось. Показано повышение протеолитической и антиоксидантной активности в процессе культивирования P. shermanii Э2. Наибольших значений протеолитическая и антиоксидантная активности достигли через 72 ч культивирования P. shermanii Э2. Кроме того, в бесклеточных супернатантах, полученных через 72 ч культивирования P. shermanii Э2 показано наибольшее содержание пропионовой, уксусной и янтарной кислот – (4858,0±173) мг/дм3, (1542,0±44) мг/дм3, (338,0±11) мг/дм3 соответственно, а количество витамина В12 составило (3,67±0,05) мкг/дм3. Учитывая, что пробиотические свойства штаммов связаны с образованием определенных метаболитов, проведенные исследования позволяют сделать вывод о пробиотическом потенциале штамма P. shermanii Э2 и возможности его использования не только в составе заквасок, но и при получении постбиотиков. 
Выводы. Применение постбиотиков при производстве продуктов питания в качестве функциональных ингредиентов будет способствовать расширению рынка функциональных продуктов, а определение их биологической активности позволит расширить область применения постбиотиков.

1. Adler-Nissen, J. (1979). Determination of the degree of hydrolysis of food protein hydrolysates by trinitrobenzenesulfonic acid. Journal of Agricultural and Food chemistry, 27(6), 1256-1262. https://doi.org/10.1021/jf60226a042

2. Arpaia, N., Campbell, C., Fan, X., Dikiy, S., Van Der Veeken, J., Deroos, P., ... & Rudensky, A. Y. (2013). Metabolites produced by commensal bacteria promote peripheral regulatory T-cell generation. Nature, 504(7480), 451-455. https://doi.org/10.1038/nature12726

3. Begunova, A. V., Rozhkova, I. V., Glazunova, O. A., Moiseenko, K. V., Savinova, O. S., & Fedorova, T. V. (2021). Fermentation Profile and Probiotic-Related Characteristics of Bifidobacterium longum MC-42. Fermentation, 7(3), 101. https://doi.org/10.3390/fermentation7030101

4. Bush, R. S., & Milligan, L. P. (1971). Study of the mechanism of inhibition of ketogenesis by propionate in bovine liver. Canadian Journal of Animal Science, 51(1), 121-127. https://doi.org/10.4141/cjas71-016

5. Cockburn, D. W., & Koropatkin, N. M. (2016). Polysaccharide degradation by the intestinal microbiota and its influence on human health and disease. Journal of molecular biology, 428(16), 3230-3252. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2016.06.021

6. Cousin, F. J., Mater, D. D., Foligné, B., & Jan, G. (2011). Dairy propionibacteria as human probiotics: a review of recent evidence. Dairy science & technology, 91(1), 1-26. https://doi.org/10.1051/dst/2010032

7. Cousin, F. J., Jouan-Lanhouet, S., Dimanche-Boitrel, M. T., Corcos, L., & Jan, G. (2012). Milk fermented by Propionibacterium freudenreichii induces apoptosis of HGT-1 human gastric cancer cells. PloS one, 7(3), e31892. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0031892

8. EFSA Panel on Biological Hazards (BIOHAZ). (2013). Scientific Opinion on the maintenance of the list of QPS biological agents intentionally added to food and feed (2013 update). EFSA Journal, 11(11), 3449. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2013.3449

9. Gardner, N., & Champagne, C. P. (2005). Production of Propionibacterium shermanii biomass and vitamin B12 on spent media. Journal of applied microbiology, 99(5), 1236-1245. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.2005.02696.x

10. Hugenholtz, J., Hunik, J., Santos, H., & Smid, E. (2002). Nutraceutical production by propionibacteria. Le Lait, 82(1), 103-112. https://doi.org/10.1051/LAIT:2001009

11. Indira, M., Venkateswarulu, T. C., Abraham Peele, K., Bobby, N., & Krupanidhi, S. (2019). Bioactive molecules of probiotic bacteria and their mechanism of action: a review. 3 Biotech, 9(8), 1-11. https://doi.org/10.1007/s13205-019-1841-2

12. Izuddin, W. I., Humam, A. M., Loh, T. C., Foo, H. L., & Samsudin, A. A. (2020). Dietary postbiotic Lactobacillus plantarum improves serum and ruminal antioxidant activity and upregulates hepatic antioxidant enzymes and ruminal barrier function in post-weaning lambs. Antioxidants, 9(3), 250. https://doi.org/10.3390/antiox9030250.

13. Korhonen, H. (2009). Milk-derived bioactive peptides: From science to applications. Journal of functional foods, 1(2), 177-187. https://doi.org/10.1016/j.jff.2009.01.007

14. Marco, M. L., Heeney, D., Binda, S., Cifelli, C. J., Cotter, P. D., Foligné, B., & Hutkins, R. (2017). Health benefits of fermented foods: microbiota and beyond. Current opinion in biotechnology, 44, 94-102. https://doi.org/ 10.1016/j.copbio.2016.11.010.

15. Molina-Tijeras, J. A., Gálvez, J., & Rodríguez-Cabezas, M. E. (2019). The immunomodulatory properties of extracellular vesicles derived from probiotics: a novel approach for the management of gastrointestinal diseases. Nutrients, 11(5), 1038. https://doi.org/ 10.3390/nu11051038.

16. Murooka, Y., Piao, Y., Kiatpapan, P., & Yamashita, M. (2005). Production of tetrapyrrole compounds and vitamin B12 using genetically engineering of Propionibacterium freudenreichii. An overview. Le Lait, 85(1-2), 9-22. https://doi.org/10.1051/LAIT:2004035

17. Nishiyama, K., Takaki, T., Sugiyama, M., Fukuda, I., Aiso, M., Mukai, T., ... & Okada, N. (2020). Extracellular vesicles produced by Bifidobacterium longum export mucin-binding proteins. Applied and environmental microbiology, 86(19), e01464-20. https://doi.org/10.1128/AEM.01464-20.

18. Nowak, G., Clifton, G. L., & Bakajsova, D. (2008). Succinate ameliorates energy deficits and prevents dysfunction of complex I in injured renal proximal tubular cells. Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics, 324(3), 1155-1162. https://doi.org/10.1124/jpet.107.130872

19. Piwowarek, K., Lipińska, E., Hać-Szymańczuk, E., Kieliszek, M., & Ścibisz, I. (2018). Propionibacterium spp.—source of propionic acid, vitamin B12, and other metabolites important for the industry. Applied microbiology and biotechnology, 102(2), 515-538. https://doi.org/10.1007/s00253-017-8616-7.

20. Poluektova, E., Yunes, R., & Danilenko, V. (2021). The putative antidepressant mechanisms of probiotic bacteria: relevant genes and proteins. Nutrients, 13(5), 1591. https://doi.org/10.3390/nu13051591

21. Rabah, H. (2017). Luiz Rosa do Carmo F. Jan G. Dairy Propionibacteria: Versatile Probiotics. Microorganisms, 5, 24. https://doi.org/10.3390/microorganisms5020024

22. Raveschot, C., Cudennec, B., Coutte, F., Flahaut, C., Fremont, M., Drider, D., & Dhulster, P. (2018). Production of bioactive peptides by Lactobacillus species: from gene to application. Frontiers in Microbiology, 9, 2354. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.02354

23. Rezac, S., Kok, C. R., Heermann, M., & Hutkins, R. (2018). Fermented foods as a dietary source of live organisms. Frontiers in microbiology, 9, 1785. https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.01785

24. Salminen, S., Collado, M. C., Endo, A., Hill, C., Lebeer, S., Quigley, E. M., ... & Vinderola, G. (2021). The International Scientific Association of Probiotics and Prebiotics (ISAPP) consensus statement on the definition and scope of postbiotics. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 18(9), 649-667. https://doi.org/10.1038/s41575-021-00440-6

25. Tagliazucchi, D., Martini, S., & Solieri, L. (2019). Bioprospecting for bioactive peptide production by lactic acid bacteria isolated from fermented dairy food. Fermentation, 5(4), 96. https://doi.org/10.3390/fermentation5040096

26. Todorov, S. D., Tagg, J. R., & Ivanova, I. V. (2021). Could Probiotics and Postbiotics Function as “Silver Bullet” in the Post-COVID-19 Era?. Probiotics and Antimicrobial Proteins, 13(6), 1499-1507. https://doi.org/10.1007/s12602-021-09833-0

27. Vorobjeva, L. I., Khodjaev, E. Y., & Vorobjeva, N. V. (2008). Propionic acid bacteria as probiotics. Microbial Ecology in Health and Disease, 20(2), 109-112. https://doi.org/10.1080/08910600801994954

28. Wang, H., Xia, B., Lin, M., Wang, Y., Sun, B., & Li, Y. (2020). Succinic acid inhibits the activity of cytochrome P450 (CYP450) enzymes. Pharmaceutical biology, 58(1), 1159-1164. https://doi.org/10.1080/13880209.2020.1839110

29. Zárate, G. (2012). Dairy Propionibacteria: Less conventional probiotics to improve the human and animal health. Probiotic in animals, 153-202. https://doi.org/10.5772/50320

30. Zhang, C., Zhang, Y., Li, H., & Liu, X. (2020). The potential of proteins, hydrolysates and peptides as growth factors for Lactobacillus and Bifidobacterium: Current research and future perspectives. Food & function, 11(3), 1946-1957. https://doi.org/10.1039/c9fo02961c

31. Бегунова, А. В., & Рожкова, И. В. (2021). Оценка антагонистической активности пропионовокислых бактерий и ассоциаций с их использованием. In Актуальные направления научных исследований: технологии, качество и безопасность (pp. 28-30).

32. Донская, Г. А., & Дрожжин, В. М. (2020). Биологически активные ингредиенты в кисломолочных продуктах. Переработка молока, (7), 20-23. https://doi.org/10.33465/2222-5455-2020-07-20-23

33. Зобкова, З. С., Лазарева, Е. Г., & Шелагинова, И. Р. (2021). Выбор ингредиентов с антиоксидантными свойствами для функциональных кисломолочных продуктов. Молочная промышленность, (6), 48-49. https://doi.org/10.31515/1019-8946-2021-06-48-49

34. Зобкова, З. С., & Фурсова, Т. П. (2020). Разработка инновационных технологий кисломолочных продуктов адаптагенной направленности. Актуальные вопросы молочной промышленности, межотраслевые технологии и системы управления качеством, 1(1), 205-214. https://doi.org/10.37442/978-5-6043854-1-8-2020-1-205-214

35. Коростелева, М. М., & Агаркова, Е. Ю. (2020). Принципы обогащения пищевых продуктов функциональными ингредиентами. Молочная промышленность, (11), 6-8. https://doi.org/10.31515/1019-8946-2020-11-6-8

36. Файзуллина, Р. А., Самороднова, Е. А., & Федотова, О. Б. (2019). Кисломолочные продукты в питании детей раннего возраста: эволюция от традиционных к функциональным. Российский вестник перинатологии и педиатрии, 64(4), 133-140. https://doi.org/ 10.21508/1027-4065-2019-64-4-133-140