Mikrobiom: Napoje fermentowane a mikrobiom ludzkiego układu pokarmowego

Nabiał i produkty mleczne są częstym składnikiem wielu diet wywierających bezpośredni wpływ na funkcje fizjologiczne. Produkty mleczne, w tym mleko, napoje fermentowane i sery, są ogólnie uważane za pokarmy bogate w składniki odżywcze (białka, wapń magnez, potas, fosfor, cynk i witaminy z grupy B). Właściwości zdrowotne nabiału są przedmiotem intensywnego zainteresowania naukowców, czego dowodem jest znaczna liczba opublikowanych badań poświęconych powiązaniom między spożywaniem nabiału i chorobami układu krążenia, cukrzycą typu 2, otyłością i osteoporozą. Jednak opisywany w literaturze wpływ spożycia nabiału na zdrowie jest niejednoznaczny i często kontrowersyjny. Wynika to w dużej mierze ze złożonego składu odżywczego produktów mlecznych, co również stanowi wyzwanie dla zrozumienia mechanizmu leżącego u podstaw tych obserwacji. Większość skutków zdrowotnych nabiału może być związana z jego składem odżywczym, wartością kaloryczną i składem mikrobiologicznym. Coraz częściej podkreślany jest wpływ spożywanego pokarmu na modulowanie mikroflory jelitowej, która z kolei ma kluczowy wpływ na stan fizjologiczny i psychologiczny organizmu ludzkiego. Mikrobiom jelitowy jest dynamicznym pod względem składu układem zlokalizowanym w obrębie jelit. Dieta w połączeniu z innymi czynnikami, takimi jak wiek, płeć, stosowane leki, suplementy, genetyka, wpływa na strukturę i funkcję mikroflory jelit. Należy jednak podkreślić, że wpływ spożycia nabiału na skład mikroflory jelitowej jest nadal niejednoznaczny. 

Mikrobiom układu pokarmowego

Mikrobiom jest to ogół drobnoustrojów bytujących w określonej przestrzeni środowiska lub typowych dla poszczególnych organizmów. Mikrobiom ludzki stanowią wszystkie mikroorganizmy saprofityczne, pasożytnicze i komensalne zasiedlające różne przestrzenie organizmu człowieka. Profil mikrobiologiczny jest charakterystyczny dla poszczególnych fragmentów organizmu, dostosowany do gatunku i wieku (np. przewód pokarmowy, układ oddechowy, skóra, układ rozrodczy). Nowe techniki identyfikacji mikroorganizmów umożliwiają nie tylko rozpoznanie, ale również izolację i hodowlę poszczególnych gatunków mikroorganizmów. Wiele z tych mikroorganizmów nie udaje się hodować w warunkach laboratoryjnych, dlatego przyszłością badań w tej dziedzinie jest rozwój technik umożliwiających inkubację mikroorganizmów w ich naturalnym środowisku, np. błony śluzowej jelit, gleby lub wód termalnych. Tak silna zależność mikroorganizmów od żywiciela umożliwia wnioskowanie w zakresie wpływu mikroflory na funkcjonowanie zarówno poszczególnych komórek, tkanek, jak i całego organizmu. Nie bez powodu mikrobiom jest określany jako kolejny „narząd” organizmów żywych. 

Od tysiącleci ludzki mikrobiom jelitowy ewoluował wraz z gospodarzem i był istotnie zaangażowany w szereg istotnych zadań w fizjologii, począwszy od trawienia treści pokarmowej przez detoksykację oraz potencjał ochronny w zakresie stymulacji układu odpornościowego, skończywszy na bakteriostatycznej aktywności mikroflory. W konsekwencji układ pokarmowy człowieka zasiedlany jest przez dużą liczbę drobnoustrojów o dużej bioróżnorodności rodzajowej i gatunkowej, z których większość zaliczana jest do enterotypów Firmicutes i Bacteroidetes, jak również Provotella i Ruminococcus. Te obserwacje potwierdzone są na licznej populacji z terenów Europy, Ameryki, Azji i Afryki. Na różnorodność mikrobiomu mają wpływ wiek, płeć, masa ciała, rasa i środowisko bytowania gospodarza. Ogólnie mikrobiom jelitowy dzieli się na dwie główne kategorie drobnoustrojów: autochtoniczną i allochtoniczną. Autochtoniczne drobnoustroje to grupa mikroflory zasiedlającej błonę śluzową jelita, zaś allochtoniczna mikroflora to grupa drobnoustrojów przejściowo bytująca w świetle przewodu pokarmowego. Obu grupom przypisuje się różne znaczenie dla funkcjonowania organizmu. Dla przykładu stosunek drobnoustrojów autochtonicznych do nieautochtonicznych okazuje się być przydatny do oceny progresji marskości wątroby. 

W skład mikroflory autochtonicznej w dominującym udziale wchodzą beztlenowe bakterie fermentacji kwasu mlekowego z rodzaju Lactobacillus, jak również z rodzaju Bifidobacterium, a także bakterie produkujące lotne kwasy tłuszczowe z rodzajów Bacteroides i Eubacterium. W organizmie człowieka aż 30% udziału przypada na rodzaj Bacteroides, a kolejne 30% na gatunek Escherichia coli. Zaledwie 1% mikroflory jelitowej przypada na względne beztlenowce z grupy enterokoków, gronkowców oraz mikroflory z rodzajów Clostridium, Proteus, Pseudomonas, Candida, Saccharomyces, Aspergillus, Penicillium. Co ciekawsze, w jelicie grubym średnio 1 g treści pokarmowej zawiera 1012 komórek bakterii. Skład mikroflory jelit warunkuje rozkład niestrawionych fragmentów pokarmu, syntetyzuje ważne dla organizmu składniki, w tym witaminy z grupy B i witaminę K, ponadto konkuruje o składniki z mikroorganizmami patogennymi i syntetyzuje substancje bakteriostatyczne oraz bakteriobójcze. Niestety nadmierny rozwój mikroflory patogennej może skutkować syntezą substancji antyodżywczych. Profil bioróżnorodności zarówno rodzajowej, jak i gatunkowej, może mieć również ścisłe implikacje dla stanów chorobowych. Na przykład zaobserwowano różnice w składzie mikrobiomu jelitowego u osób z cukrzycą typu 2 oraz osób z chorobami jelit. Wnioskowanie w zakresie zależności między składem mikrobiomu i rozwojem choroby może być podstawą do opracowania procedur zapobiegających chorobom. 

Wpływ nabiału na mikroflorę jelitową

Zgodnie z zaleceniami żywieniowymi dla dorosłego człowieka rekomenduje się łącznie od 3 do 4 porcji produktów mlecznych dziennie, z ewentualnymi modyfikacjami ze względu na indywidulne potrzeby organizmu zależne od wieku, płci lub wymagań fizycznych. Gama produktów mlecznych stanowi bardzo rozbudowaną grupę asortymentu spożywczego różnicowaną pod względem składu podstawowych składników żywieniowych (tj. białka, tłuszczu, węglowodanów), jak również ze względu na zawartość składników dodatkowych, w tym witamin, składników mineralnych lub kultur starterowych. Mleczne napoje fermentowane, sery twarogowe, sery dojrzewające i niedojrzewające są przykładami produktów o zróżnicowanym profilu biochemicznym i odżywczym, które mogą w różny sposób wpływać na skład mikroflory jelitowej. Podstawowym składnikiem mleka o właściwościach prebiotycznych jest cukier mleczny – laktoza. Badania in vitro i in vivo potwierdzają wpływ tego disacharydu mlecznego na wzrost bakterii z rodzajów Bifidobakteriom i Lactobacillus. Podobne cechy przypisywane są białkom mleka. Hydrolizaty pochodzące z frakcji K-kazeiny wykazały działanie stymulujące wzrost bakterii z gatunku Bifidobacterium bifidum w podłożu hodowlanym. Podobnie hydrolizaty frakcji białek serwatkowych, w tym βß-laktoglobuliny, wywołały wzrost liczby komórek zarówno Bifidobacterium, jak i Lactobacillus. Z kolei hydrolizaty laktoferyny zwiększały przyrost liczby komórek szczepu Bifidobacterium adolescentis B-1 w sposób zależny od dawki.

Dane literaturowe prezentują wpływ spożycia różnych produktów nabiałowych na mikroflorę jelitową. Ocena wpływu dotyczy różnych produktów (mleka, jogurtu, kefiru), ich pochodnych (serwatki, kazeiny) oraz ilości spożywanego nabiału. Dla przykładu porównanie spożycia w okresie trzech miesięcy mleka krowiego z dwoma rodzajami napoju sojowego ze względu na skład mikroflory jelitowej u uczestników otyłych wykazało znaczny wzrost liczby bakterii fermentacji mlekowej z rodzaju Lactobacillus i brak wpływu na liczbę komórek bakterii z rodzaju Bifidobacterium w grupie spożywającej mleko krowie w stosunku do grupy spożywającej napoje sojowe. 

W badaniach potwierdzono również wpływ rodzaju spożywanego mleka na zmniejszenie bioróżnorodności bakterii w mikrobiomie jelit. W grupie spożywających mleko krowie udział Firmicutes i Bacteroides nie zmienił się, jednocześnie obserwowano zwiększenie liczby komórek bakterii z rodzaju Rosebueria i redukcję populacji bakterii z rodzaju Prevotella. 

Wpływ na profil mikrobiologiczny jelit jest prezentowany również przy spożyciu jogurtu i kefiru, szczególnie w kierunku wzrostu liczby komórek bakterii z rodzajów Lactobacillus i Bifidobacterium. Dodatkowo zaobserwowano wpływ na miano swoistych IgA (immunoglobulin A) przeciwko Salmonella Typhimurium w surowicy. Ciekawych obserwacji dokonano podczas kontrolowanej podaży jogurtu grupie osób żywionych głównie produktami pochodzenia zwierzęcego. Autorzy tych badań podkreślili znaczący wpływ podaży jogurtu na modyfikację składu mikrobiomu w trakcie realizowania diety wysokoodzwierzęcej. Wykazano istotny wpływ spożycia jogurtu przez 8 tygodni na zmniejszenie liczby komórek enterotoksygennych bakterii z gatunku Bacteroides fragilis w porównaniu z grupą kontrolną, która spożywała mleko. 

Interesująco wypadły także wyniki badań na czterech grupach osób, które otrzymywały odpowiednio: batony kontrolne, batony z inuliną (prebiotyk), batony z białkami serwatkowymi lub batony z inuliną i białkami serwatkowymi. W przypadku osób spożywających batony z dodatkiem inuliny lub inuliny i białek serwatkowych zaobserwowano w ogólnym profilu mikroflory wzrost liczebności komórek bakterii z rodzaju Bifidobacterium względem grupy kontrolnej. Nie odnotowano istotnych różnic w grupie spożywającej batony z dodatkiem samych białek serwatkowych. 

W innych, 24-tygodniowych badaniach, nie zaobserwowano istotnych różnic między grupą otrzymującą dietę o wysokiej zawartości nabiału (w przeliczeniu na wapń 1500 mg na dobę) i grupą z niską podażą nabiału (w przeliczeniu na wapń w ilości 600 mg na dobę). W żadnej z podanych grup nie dopatrzono się istotnych zmian w składzie mikroflory jelitowej. 

W jeszcze innych doniesieniach naukowych opisano zwiększenie liczby komórek bakterii fermentacji mlekowej z rodzaju Lactobacillus, a także z rodzaju Bifidobacterium, jak również zmniejszenie ogólnej różnorodności bakterii skorelowane ze spożyciem mleka lub mlecznych napojów fermentowanych. 

Biorąc powyższe pod uwagę, dane literaturowe prezentują niejednoznaczny wpływ spożycia produktów nabiałowych na stymulację mikroflory jelit. Ogromne znaczenie dla tego rodzaju badań ma metodologia w zakresie planowania, analityki i wnioskowania z użyciem różnych technik genetycznych i różnych baz danych dla celów porównawczo-identyfikacyjnych. Ponadto metody pobierania próbek kału, preparowania próbek, ekstrakcji DNA i identyfikacji mają wpływ na końcowy wynik. Większość badań ogranicza się do identyfikacji mikroflory jelitowej do określonych filotypów, co ogranicza możliwości porównawcze między badaniami, tym bardziej że szacuje się, że w układzie pokarmowym zwierząt wszystkożernych występuje ponad 1014 gatunków drobnoustrojów. 

Reasumując, analiza badań naukowych w zakresie wpływu spożycia produktów mlecznych na zmianę w profilu mikroflory jelit najczęściej potwierdza istotny wpływ spożycia mleka i mlecznych produktów fermentowanych na wzrost pożytecznej mikroflory z rodzajów Lactobacillus i Bifidobacterium, czyli dwóch głównych rodzajów bakterii, którym przypisuje się cechy probiotyczności na podstawie korelacji między suplementacją i obserwowanymi korzyściami prozdrowotnymi. 

Pomimo tak niejednoznacznych opisów naukowych w zakresie modyfikacji składu mikroflory jelit pod wpływem produktów mlecznych nie można zapominać o wykorzystaniu mlecznych napojów fermentowanych jako prewencji i rekonwalescencji w zatruciach pokarmowych. Już w 1907 r. Ilia Miecznikow stosował mleczne produkty fermentowane u chorych na infekcje jelit. Pracując w Instytucie Pasteura, badacz sugerował, że obecna w żywności bezpieczna mikroflora wpływa pozytywnie na skład flory jelitowej, konkurując z mikroflorą patogenną. Już w starożytności Hipokrates podkreślał pozytywne oddziaływanie kwaśnego mleka na dolegliwości jelit. W 1857 r. Pasteur dowiódł, że przyczyną fermentacji mleka są mikroorganizmy, które określił jako „ferment”. W 1877 r. Pasteur i Jaubert opublikowali swoje obserwacje dotyczące występowania antagonizmu między wybranymi szczepami bakterii mlekowych. W tym samym okresie Lister jako pierwszy wyizolował z produktu mlecznego bakterię, którą nazwał Bacterium lactis. Dopiero trzydzieści lat później wspomniany już Ilia Miecznikow wyizolował z jogurtu Bacillus bulgaricus i wykazał, że spożywanie jogurtów i kefirów ze względu na obecną w nich żywą mikroflorę wpływa pozytywnie na zdrowie człowieka. Miecznikow zauważył, że bułgarscy chłopi żyją średnio 87 lat, a czterech na tysiąc dożywa 100 lat. 

Zwrócił uwagę, że w ich diecie dominują produkty fermentowane. Powyższe obserwacje są potwierdzane w aktualnych badaniach, w których zaobserwowano wpływ spożywania jogurtu na zmniejszenie liczby komórek bakterii z gatunku Bacteroides fragilis związanej z wywoływaniem biegunki, chorób zapalnych jelit i raka jelita grubego. 

Należy jednak podkreślić, że do istotnych modulatorów profilu mikrobiologicznego jelit należą składniki aktywne obecne w roślinach oraz pofermentacyjne metabolity. Do składników tych należą polifenole oraz krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA). Polifenole to grupa heterogenicznych substancji chemicznych pochodzenia roślinnego, takich jak flawonoidy czy kwasy fenolowe. Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, takie jak octan, propionian czy maślan, powstają w wyniku katabolizmu włókien węglowodanowych przez drobnoustroje. Odgrywają one istotną rolę w metabolizmie gospodarza, ośrodkowym układzie nerwowym i bakteriostatycznym oddziaływaniu na patogeny. 

Systematyczny przegląd literatury sugeruje, że niektóre rodzaje nabiału korzystnie wpływają na modulację składu mikroflory jelitowej. Przede wszystkim spożycie jogurtu, kefiru (mlecznych napojów fermentowanych) może wpływać na wzrost populacji komórek bakterii z rodzajów Lactobacillus i Bifidobacterium, wśród których są stwierdzane liczne szczepy o potencjale probiotycznym. Jednak ilość spożywanego nabiału lub jego pochodnych nie wykazuje jednoznacznego wpływu na profilowanie składu mikrobiomu jelit. Dlatego uzasadnione są dalsze badania w tym zakresie pozwalające zrozumieć wieloaspektowy wpływ składników mleka na różnorodność mikroflory jelit. Biorąc pod uwagę heterogeniczność metod badawczych, opisywania wyników, interpretowania wniosków, otwiera się przestrzeń do kolejnych hipotez badawczych z zachowaniem porównywalnych warunków, umożliwiających skuteczniejsze wielowymiarowe wnioskowanie w zakresie zależności podaży nabiału i modulacji mikrobiomu. 

Pod względem profilowania mikrobiomu żywnością niepodważalnie rekomendowana jest żywność fermentowana, której pierwotną cechę przedłużenia trwałości żywności skutecznie można przenieść na aspekt korzyści zdrowotnych dla konsumenta.