n FØDEVAREKEMI Oligosakkarider - substrat til bakterierne i spædbarnets tarm. Af Louise M. Arildsen Jakobsen, Institut for Fødevarer, Aarhus Universitet Metabolomics kan anvendes som et værktøj til at forstå den biokemiske aktivitet af bakterier fra spædbarnets tarm og hvordan de påvirkes af spe­ cifikke kulhydratsubstrater. Ny viden om, hvordan tarmbakterier omsætter disse kulhydrater til bioaktive meta­ bolitter, kan bidrage til udvikling af modermælkserstatning, der understøtter spædbarnets naturlige tarmmikrobiota og bidrager til barnets sundhed, blandt andet ved at forhindre vækst af sygdoms­ fremkaldende bakterier. Spædbarnets tarm er spækket med bakterier - og det er godt Vores krop er dækket af bakterier, der er specielt udviklet til at leve i helt spe­ cifikke biologiske nicher, såsom vores næsebor, vores hud og i mundhulen. Særligt mange bakterier har taget ophold i tyktarmen, hvor de blandt andet lever af præbiotika (se faktaboks 1), der kommer fra den mad, vi indtager. Bakterierne i tyktarmen har stor betydning for menne­ skets sundhed gennem deres produktion af kemiske forbindelser og metabolitter samt gennem interaktion med tarmvævet. De første 1.000 dage af et barns liv (fra undfangelse til to års fødselsdag) er en særlig vigtig periode i forhold til at udvikle barnets tarmbakterier og sikre barnet en sund udvikling [1,2]. Hos spædbørn er der især fokus på mæl­ kesyrebakterier såsom bifidobakterier og lactobacilli. Mælkesyre nedsætter tarmens pH og det ændrede kemiske miljø forhindrer vækst af sygdomsfrem­ kaldende bakterier. tredjestørste indholdsstof i modermælk og nedbrydes ikke af spædbarnet, men passerer fordøjelsessystemet og ender i tyktarmen, hvor det fungerer som næring for gavnlige bakterier og beskytter mod sygdomsfremkaldende bakterier. HMO er præbiotiske kulhydrater, hvilket vil sige, at de stimulerer væksten af gavnlige tarmbakterier. I de første dage efter fød­ sel er koncentrationen i modermælken >10 g/L, hvorefter koncentrationen fal­ der til et stabilt niveau på ~4 g/L [3,4]. HMOer består af en laktoseenhed i den reducerende ende, som af β -glukosid- bindinger forlænges med galaktose, og N-acetylglucosamin-enheder, hvilket danner en lineær eller forgrenet struktur [3] (figur 1). De terminale positioner kan være udstyret med fukose- eller sialyl­ syre-enheder, som sidder i α -position. Størstedelen (70-90 procent) af HMO­ erne i modermælk er neutrale med eller uden fukose i terminalposition, herunder kan nævnes lacto-N-tetraose (LNT) og 2-fukosyllaktose (2’FL) [4]. De sialyle­ rede HMOer udgør de resterende 10-30 procent af HMOerne, hvoraf 6’-sialyl­ laktose og 3’-sialyllaktose findes i den største koncentration [4]. Analytiske studier baseret på massespektrometri har anslået, at der findes omtrent 200 forskellige HMOer, hvoraf strukturen af lidt over halvdelen er karakteriseret og beskrevet i litteraturen [5]. Det særlige ved oligosakkarider fra modermælk er, at selvom kæderne er korte, så fungerer de stadig som præbiotika, fordi bindin­ gerne, der holder dem sammen, kun kan brydes med særlige enzymer. Fødevarekemisk viden om oligosakkarider bidrager til at forbedre modermælkserstatning Der er spædbørn, der af den ene eller den Figur 1. Oligosakkarid er betegnelsen for kulhydrater med tre eller flere sakkarid-enheder. Alle oligosakkarider i mælk er opbygget med en kerne af laktose, med forgreninger af galaktose og eventuelt dekoreret med fukose og sialylsyre i terminale positioner. GOS: galaktooligosakkarid. Modermælk - det hvide vidunder Modermælk er spækket med vigtige næringsstoffer og bioaktive forbindelser til det nyfødte spædbarn. Indholdet af laktose, fedt og protein medvirker til, at barnet vokser og tager på. Den mælk, som moderen danner, er nøje målret­ tet spædbarnets behov. Man skulle tro, at alle indholdsstofferne i modermælk blev udnyttet til fulde af spædbar­ net, men sådan er det ikke. Humane mælke-oligosakkarider (HMO) er det Figur 2. For at undersøge effekten af tildeling af forskellige substratsammensætninger blev der anvendt en bakteriekultur bestående af otte velkarakteriserede typestammer, som repræsenterer bakterierne i spædbarnets tarm. Modelforsøgene inkluderede både monokulturer samt en kultur med alle otte stammer. 10 Dansk Kemi, 103, nr. 3, 2022 -

FØDEVAREKEMI n anden grund ikke får modermælk. Det er svært at efterligne naturen, og forskning viser også, at der er stor forskel på tarm­ bakteriernes sammensætning hos børn, der har fået henholdsvis modermælk og modermælkserstatning [6,7]. Hvor de ammede børn har en simpel sammensæt­ ning med lav diversitet af tarmbakterier domineret af bifidobakterier og lacto­ bacilli, er sammensætningen hos børn, der har fået modermælkserstatning mere kompleks [8,9], hvilket kan medføre for­ øget risiko for sygdom, fordi tarmen ikke er blevet modnet tilstrækkeligt, før den udsættes for komplekse påvirkninger [1]. Det er derfor vigtigt at undersøge kilder til præbiotiske kulhydrater, som tilnærmer sig effekten af de oligosak­ karider, som findes naturligt i moder­ mælk. De simpleste oligosakkarider kan produceres i laboratoriet, mens det endnu ikke er muligt at producere de mere komplekse oligosakkarider i kom­ merciel skala [10]. Oligosakkarider fra komælk er grundlæggende opbygget på samme måde som HMOerne, men findes i meget lavere koncentration i mælken og derudover er der kun omkring 40-50 oligosakkarider identificeret i komælk [11,12]. Modermælk og komælk har mindst 10 oligosakkaridstrukturer til fælles, men i komælk er det dog 3’-sia­ lyllaktose og 6’-sialyllaktose, der domi­ nerer, hvorimod neutrale eller fukosyle­ rede oligosakkarider kun forekommer i små mængder [13]. Koncentrationen af oligosakkarider er relativt lav i komælk og derfor kan det ikke betale sig at op­ rense dem direkte fra mælken. Forskere har arbejdet målrettet på at løse denne udfordring, og det viser sig, at oligosak­ karider findes i valle, der er et restpro­ dukt fra osteproduktion. Ved hjælp af ultrafiltrering er det lykkedes at oprense oligosakkariderne til en koncentration, der kan bruges til at teste effekterne i modelforsøg i laboratoriet [14]. Bifidobakterierne skyder med skarpt Ved at anvende en bakteriekultur be­ stående af otte bakteriestammer (figur 2), som er særligt velkarakteriserede og velkendte i spædbørns tyktarm, har vi undersøgt, hvordan bakterier påvirker hinanden for at opnå detaljeret viden om effekterne af oligosakkarider på bakteri­ ernes biokemiske aktivitet og vækst i et komplekst system [15]. Bakteriekulturen indeholder blandt andet bifidobakterier, som hører til de ønskede bakterier i spædbarnets tarm, samt clostridier , der er potentielt sygdomsfremkaldende. Når bifidobakterier fermenterer kulhydrater i tarmen, dannes forskellige syrer, herun­ Figur 3. Den alifatiske region af 1 H NMR-spektre opnået fra supernatant fra 24 timers fermentering af medie indeholdende 1 procent oligosakkarid fra komælk plus laktose. Farverne af spektrene indikerer, hvilken bakterie der har været til stede: grå (top): ingen bakterie/sterilt medie, sort (2. fra top): Clostridium perfringens , mørkeblå (3. fra top): Clostridium perfringens i prefermenteret Bifidobacterium longum subsp. longum medie, derefter blå (nederst): Bifidobacterium longum subsp. longum . Dette spektrum viser, hvordan C. perfringens (sort) kan metabolisere 3’-sialyllaktose, dog ikke hvis mediet først har været fermenteret med B. longum (mørkeblå). Dette tyder på, at metabolitter fra B. longum hindrer C. perfringens’ evne til at metabolisere denne oligosakkarid. der kortkædede fedtsyrer og organiske syrer. Mængden af ikke-metaboliserede glykaner, kortkædede fedtsyrer og or­ ganiske syrer kan bruges som et direkte mål for, hvor aktiv tarmbakterierne er. Ved at anvende kernemagnetisk reso­ nans (NMR) spektroskopi som metabo­ lomics-metode har det været muligt at karakterisere den biokemiske aktivitet af bakterierne under forskellige betin­ gelser. Anvendelsen af metabolomics har gjort det muligt på én og samme tid at bestemme et meget bredt sæt af metabolitter og dermed opnå indblik i, hvor biokemisk aktive bakterierne er ved tildeling af forskellige substratsammen­ sætninger. Resultaterne fra et modelfor­ søg, der specifikt undersøgte interakti­ n Faktaboks 1 - Præbiotika Præbiotika er kulhydrater, der passerer fordøjelsessystemet uden at blive ned­ brudt, men i tyktarmen omsættes de af tarmbakterierne, der forøges i antal og producerer metabolitter, som har en gavnlig virkning på tarmsystemet. Præbiotika er defineret af International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) [17] som: ”et substrat, der selektivt udnyttes af værtsmikroorganismer, hvilket resulterer i en sundhedsgevinst”. Galaktooligosakkarider (GOS) og fruktooligosakkarider (FOS) er velunder­ søgte præbiotika, som anvendes i modermælkserstatning. Disse oligosakkarider bliver fortrinsvist nedbrudt af bifidobakterier, hvilket skyldes forholdet mellem struktur og funktion; bindingerne i GOS og FOS bliver fortrinsvist nedbrudt af enzymer af typen β -fructanosidase og β -galactosidase, som er udbredte i bifidobakterier. HMOer kategoriseres som præbiotika, idet indtagelse af modermælk medfører en forøgelse af HMO-omsættende bakterier Bifidobacteriaceae og Bacteroida- ceae . Glykosidaser (EC 3.2.1.X), herunder fukosidaser, sialidaser og galactosida­ ser, er nødvendige for omsætning af HMO-strukturer og selvom disse udskilles af en række bakterier i tarmen, indeholder bifidobakteriers genom særligt mange elementer, der sikrer en effektiv udnyttelse af oligosakkarider fra modermælk [3]. Bifidobakterier har således en særlig evne til at mobilisere HMOer ind i cellerne og har derfor en konkurrencemæssig fordel i forhold til andre medlemmer af tarmmikrobiotaen. Bifidobacterium longum subsp. infantis er den eneste bifido­ bakterie, der har alle enzymsystemer til at transportere og nedbryde alle HMO- strukturer [3]. Andre bifidobakterier er særligt tilpassede til at udnytte mindre dele af HMOerne. - Dansk Kemi, 103, nr. 3, 2022 11

    ...