Probiotika i praksis

De fleste af de anerkendte probiotika er mælkesyrebakterier, selvom der dog også findes andre organismer, der klassificeres som probiotika og viser sundhedsfremmende effekter. Mælkesyrebakterier er vigtige i hverdagen og anvendes i mange forskellige sammenhænge. Forskellen mellem almindelige mælkesyrebakterier og probiotiske mælkesyrebakterier er, at probiotika er blevet grundigt studeret, og det er bevist, at de har en sundhedsfremmende effekt.

Probiotika kan indgå i forskellige produkter til mennesker – typisk i yoghurt og kosttilskud (pulvere, kapsler og tabletter som fås på apoteker, helsekostbutikker eller i Matas) og for nylig også i juice. Der findes også sundhedsfremmende mælkesyrebakterier til dyr, som sikrer optimal produktion af dyrene (færre sygdomme, bedre vækst og bedre foderudnyttelse). Bestemte sundhedsfremmende bakterier har også potentiale til at blive rettet mod specifikke lidelser og evt. andre steder end mavetarmkanalen, fx ved urinvejsinfektioner.

Figur 44. Her ses forskellige produkter, som probotika indgår i – kosttilskudsprodukter øverst og fødevareprodukter nederst (yoghurt, ost og juice).

Interessant info:

Mælkesyrebakterier har et bredt anvendelsesområde inden for fødevarer. Dette skyldes at de kan fermentere varen, at de ofte giver god smag, og at de øger holdbarheden af varerne grundet deres evne til at udelukke andre bakterier. Blandt andet bruges de til behandling af mælk (for at producere ost, yoghurt, mm.), kød (til fremstilling af fx pølser) og i vinproduktion. Derudover er de også nyttige til behandling af ensilage (dyrefoder fremstillet af syregærede grønne urter såsom umoden korn, roetoppe eller majs). Mælkesyrebakterierne øger holdbarhedenog sikrer færre patogener, især pga. deres mælkesyreproduktion (der sker en hurtig sænkning af pH, hvilket hæmmer gær og skimmel, som kan ødelægge ensilagen).

Der er dermed et stort marked for bakteriekulturer i verden. Inden for dette felt er danske bioteknologiske virksomheder førende som fx Chr. Hansen, Danisco og Arla Foods, der konkurrerer mod internationale virksomheder som Nestlé, Yakult og Danone.

Case: Chr. Hansen A/S

Chr. Hansen A/S er grundlagt i 1874 af farmaceuten Christian D.A. Hansen. Han opdagede, hvordan man kunne isolere enzymer til produktion af ost. Dette blev firmaets første produkt.

Figur 45. Mælkesyrebakterier anvendes i mange forskellige varer, især for til at øge holdbarheden og fermentere varen. På billederne ses ost, pølser, vin og ensilage.

I takt med at man begyndte at pasteurisere mælkevarer inden fermentering, opstod et stort marked for mælkesyrebakteriekulturer til produktion af ost og yoghurt, hvilket i dag udgør Chr. Hansen A/S’s største omsætning. Chr. Hansen A/S producerer starterkulturer (rendyrkede bakteriekulturer, som bruges til fremstilling af fødevarer), enzymer, naturlige farvestoffer og sundheds- og ernæringsprodukter såsom probiotika.

Der findes mange sundhedsfremmende bakteriestammer, men det er ikke alle, der faktisk kan anvendes som probiotika. For at en bakteriestamme i praksis kan bruges som probiotika, skal den nemlig have mange andre egenskaber:

Den må ikke have en dårlig smag
I fermenterede varer (såsom yoghurt) skal den interagere med de andre bakterier i varen på en favorabel måde
Den skal have en lang holdbarhed (være stabil, sådan at der er tilstrækkelig store mængder af bakterien i varen, selv efter lang tids opbevaring)
Den skal kunne overleve de processer, der udføres for at producere bakterien i stor skala

Bakteriers smag og interaktion med andre bakterier eller stoffer i varen afhænger af bakteriens gener. Disse egenskaber kan der altså ikke optimeres meget på. Derimod er bakteriens holdbarhed et emne, der forskes meget i at optimere. Det er især et problem i varer, der fx som kosttilskudprodukterne, skal kunne holde sig i flere år.

Produktion af probiotika

Ved produktion af probiotika er der mange forhold, der skal tages hensyn til. Produktionsproceduren afhænger først og fremmest af, hvilket produkt bakterierne skal indgå i. Skal bakterien for eksempel indgå i yoghurt, er proceduren meget anderledes, end hvis det færdige produkt er en tablet. Det endelige produkt bestemmer nemlig, hvilken bakteriestamme der skal produceres, hvilket medie den skal produceres i, hvor lang tid bakterierne skal være i live og være stabile efter produktion, og hvor omfattende kvalitetskontrollen under produktionen skal være. Dette er beskrevet mere detaljeret i det følgende.

Overordnet

Produktionen af probiotika foregår i flere trin. Først skal bakterierne opformeres ved fermentering. Herefter centrifugeres de for at fjerne så meget vand som muligt. Så skal de beskyttes af en bestemt blanding af stoffer, som kaldes cryo, hvorefter de nedfryses. Hvis bakterierne fremstilles til tabletter, i pulver eller lignende skal de frysetørres, hvorefter de males til fint pulver, hvori der blandes hjælpestoffer. Derudover er produktionen af kosttilskudsprodukter under omfattende kvalitetskontrol.

Figur 46. Først opformeres bakterierne ved fermentering. Derefter centrifugeres cellerne for at fjerne vand. Cellerne beskyttes med cryo. Dermed kan cellerne overleve nedkøling til -196°C i flydende nitrogen frysetørring og lang tids opbevaring. Cellerne nedkøles i flydende nitrogen. Bakterierne frysetørres, hvorved vandet går direkte fra fast til gas fase. Til sidst males bakterierne for at adskille dem, hvorefter der blandes hjælpestoffer i.

Fermentering

Det første trin i produktionen er fermenteringen, hvor bakterierne skal vokse, så der kommer store mængder af dem. Fermentering betyder i biokemiske sammenhænge energiproduktion under anaerobiske forhold. Imidlertid defineres fermentering anderledes i den industrielle verden, hvor det hentyder til omdannelsen af organiske stoffer til andre stoffer. Denne omdannelse er ofte udført af mikroorganismer. Under fermenteringen formerer mikroorganismerne sig. Fermentering kan fx som ved fremstilling af øl, vin, yoghurt eller ost udføres for at udnytte, at mikroorganismerne producerer bestemte stoffer. Fermentering kan også udføres for at opformere mikroorganismen. Mikroorganismer kan også genmodificeres, så de producerer bestemte ønskede stoffer – fx som ved fremstillingen af hormonet insulin. Ved fremstillingen af probiotika forsøges dog bare at opformere bakterien, hvormed dannelsen af andre stoffer såsom syre eller CO₂ bare er biprodukter.

Figur 47. Bakterier vokser i faser. I den første fase (a – latensfasen) tager det tid for bakterierne at komme i gang med at dele sig, og der ses ikke stigning i bakterieantal. I næste fase (b – eksponentiel fase) har bakteriene det godt, og hver bakterie deler sig og bliver til to nye, hvorved bakterieantallet vokser eksponentielt. Herefter (c – stationær fase), når bakterierne er ved at løbe tør for næringsstoffer, og der ophobes affaldsstoffer, er der nogle bakterier, der dør, mens andre stadig deler sig, og bakterieantallet er konstant. Til sidst dør bakterierne (d – dødsfasen).

Under en fermentering vokser bakterieantallet i forskellige faser. Til at starte med er der kun en lille mængde bakterier, og det tager lidt tid for dem at komme i gang med at formere sig, fordi de skal vænne sig til nye omgivelser. Desuden tager det lidt tid at producere proteiner fra bunden (proteinerne skal til, for at bakterierne kan dele sig). Derfor ændrer bakterieantallet sig ikke i starten. Denne fase kaldes latensfasen. Når først bakterierne er kommet i gang med at dele sig, stiger antallet eksponentielt, fordi hver bakterie bliver til to nye. For eksempel hvis der er én bakterie til at starte med, så er den efter fem generationer blevet til 1*2*2*2*2*2 = 2⁵ = 32. I en fermentering er der dog ikke kun én bakterie, men flere milliarder til at starte med, og man lader dem ikke kun dele sig fem gange, men derimod mange flere gange. Denne fase kaldes den eksponentielle fase. Denne fase stopper dog, når der ikke er så mange næringsstoffer tilbage, og affaldsstofferne fra bakterierne begynder at ophobe sig. Så vil nogle bakterier vokse, mens andre dør resulterende i en fase, hvor der ikke er nogen øgning af det totale antal bakterier. Denne fase kaldes den stationære fase. Når næringsstofferne er væk, og der er endnu flere affaldsstoffer, begynder der at dø flere bakterier, end der dannes nye, og det samlede antal af bakterier falder derfor. Dette kaldes dødsfasen.

Figur 48. Ved produktion af probiotika til mælkevarer fermenteres bakterierne i mælk og høstes i slutningen af den eksponentielle fase (angivet på figuren) for at sikre, at bakterierne kan vokse videre i den endelige fødevare.

Fermenteringen foregår i en stor beholder (fermenteringstank), hvor pH skal holdes konstant, fordi de probiotiske mælkesyrebakterier gør miljøet omkring dem surt. Hvis pH ikke blev holdt konstant, ville bakterierne hæmmes af deres eget affaldsprodukt og dermed ikke vokse så godt.

Ved produktion af probiotika til mælkevarer skal bakterierne fermenteres i mælk. Således er de vant til at befinde sig i mælk og kan inkorporeres og vokse i mælkevaren uden at få stress og dø. Ved produktion af disse probiotika høstes bakterierne i slutningen af den eksponentielle fase, selvom bakterieantallet er størst i den stationære fase. Dette begrundes i, at bakterierne skal være sunde og kunne vokse videre i fødevaren. Hvis de var høstet i den stationære fase, ville der være en latensfase, før bakterierne voksede igen.

Figur 49. Ved produktion af probiotika til farmaprodukter fermenteres bakterierne i et medie uden allergener og høstes i starten af den stationære fase, så der er så mange af bakterierne som muligt. Desuden vil bakterierne også have produceret stressfaktorer, som beskytter dem.

Ved produktion af probiotika til tabletter eller lignende produkter fermenteres bakterierne derimod i et medie, som ikke indeholder allergifremkaldende stoffer. Således kan produktet anvendes af alle, selv allergikere. Disse probiotika høstes i den stationære fase, hvor bakterieantallet er størst. Bakterierne skal nemlig ikke vokse videre i det endelige produkt og har derfor ikke brug for at være i stand til at vokse uden en latensfase. Derudover har bakterierne i den stationære fase produceret stressfaktorer for at undgå at dø (lidt ligesom at vi tager jakke på, når det er koldt). Disse stressfaktorer kan beskytte cellerne i det færdige produkt.

Afsluttende processer

Efter fermenteringen skal cellerne centrifugeres for at størstedelen af vandet kan blive fjernet. Centrifugeringskraften og –tiden er meget forskellig bakteriestammerne imellem og er afhængig af stammens slimproduktion.

Efterbehandlingen af probiotika, der skal indgå i fødevarer er ikke så kompliceret – de skal bare køles ned og opbevares på frost, indtil de tilsættes fødevaren.

Ved produktion af kosttilskudsprodukter er processen mere kompliceret. Cellerne beskyttes efter centrifugeringen med en bestemt blanding af stoffer (sammensætningen er en virksomhedshemmelighed), kaldet ”cryo protectance” – kryobeskyttelse. Denne beskyttelse er vigtig for at cellerne kan overleve under indfrysningen og efterfølgende frysetørring. Hvis cellerne beskadiges i disse processer, har de svært ved at holde sig i live længe, hvilket kan påvirke produktets holdbarhed.

Derefter fryses bakterierne ned ved at hælde dem gennem et slags bruserhoved og direkte ned i flydende nitrogen,hvorved der dannes små kugler af bakterier og kryo. Disse kugler skal så frysetørres. Ved frysetørring udsættes kuglerne for meget lavt tryk, sådan at vandet går direkte fra frossen fase til damp (vandet sublimerer). Dermed opnås, at cellerne stadig er frosne, og at de ikke kommer i kontakt med vand i den flydende fase, hvilket aktiverer dem. Var cellerne i kontakt med den flydende vandfase, ville de mærke en stigning i koncentrationen af salte, hvilket er toksisk for cellerne.De frysetørrede kugler skal derefter males (grinding) for at lave dem til pulver. Til sidst blandes hjælpestoffer i og produktet sælges i størrelsesordenen 10⁹ celler pr. kapsel, tablet eller pulverpose.

Under produktionen af kosttilskudsprodukter, foretages kvalitetskontrol ved mange af procestrinene i henhold til GMP (Good Manufacturing Practice), hvilket er et krav for produktion af lægemidler. Det er hovedsageligt for at teste, at man har den rigtige bakterie (og kun den ene!). Derudover dokumenterer det kvaliteten af produktet.

Figur 50. Der udføres kvalitetskontrol ved mange af procestrinene i henhold til GMP. Dette er et krav for produktion af lægemidler.

Holdbarhed

Når produktet står på hylderne i supermarkederne og i apotekerne, er det vigtigt, at celleantallet er stabilt, så forbrugerne indtager cellerne i en virksom mængde. Det er især vigtigt for kosttilskudsprodukterne, da de skal kunne holde sig i mere end to år, hvorimod en yoghurt alligevel ikke holder sig længere end 3 uger. Holdbarheden kan øges på flere måder – ved at udvikle en god kryobeskyttelse, ved at undgå at cellerne kommer i kontakt med vand og oxygen, og derudover er det en god ide at opbevare dem ved lav temperatur (i køleskabet). Grunden til, at de ikke skal i kontakt med oxygen, er, at oxygen er meget reaktivt, og ligesom med alle fødevarer, hvis emballage er åbnet, vil produktet hurtigere blive dårligt. Den lave temperatur sikrer lav stofaktivitet, hvormed alle kemiske og biokemiske processer går langsommere. Produktet holder derfor længere. Kosttilskudsprodukterne er ofte emballeret i bestemte beholdere med aluminiumvæg og et vandsugende låg. Aluminium er nemlig fuldstændig impermeabelt for fugt (i modsætning til plast).

Figur 51. Kosttilskudsprodukterne er emballeret i en aluminiumbeholder, som er impermeabel for fugt. Beholderen har desuden et vandsugende låg.

Probiotika til dyr

Gennem det 20. århundrede er efterspørgslen på fødevarer steget drastisk, og dette mønster har ikke ændret sig og vil sandsynligvis heller ikke komme til at ændre sig i det 21. århundrede. Det har udfordret fødevaresektoren til at producere større mængder fødevarer på kortere tid. For produktionen af dyr har dette blandt andet betydet, at der er blevet tilført forskellige stoffer til dyrenes mad. Stofferne skal bl.a. bidrage til, at dyrene spiser mere, udnytter deres føde bedre (så de vokser hurtigere og bliver større på samme mængde føde), og at de får færre sygdomme. Disse stoffer har traditionelt set været hormoner, vitaminer, antibiotika eller mineraler, fx kobber og zink. Det har dog vist sig, at den udbredte anvendelse af denne slags stoffer kan have konsekvenser for miljøet, for fødevaresikkerheden og for kvaliteten af fødevarerne. Disse konsekvenser er man først blevet opmærksom på i 80’erne og 90’erne (i størstedelen af det 20. århundrede var folk ikke særlig miljøbevidste, og et ord som miljøforurening blev for eksempel først indført i det danske ordforråd i 1969).

Et område, der har været i fokus, har været, at brugen af antibiotika kan medføre udvikling af resistente bakterier, hvilket gør det svært at bekæmpe simple mikrobielle infektioner. Dette er en stor trussel mod vores samfund, for vi risikerer, at dyr og mennesker ligesom i gamle dage kan dø af simple infektioner såsom diarré eller halsbetændelse. Resistente bakterier opstår ved, at bakterierne muterer spontant, og en specifik mutation i en bakteries DNA kan medføre, at denne bakterie ikke længere er følsom overfor et bestemt antibiotikum. Ved efterfølgende tilførsel af dette antibiotikum er det kun den resistente bakterie, der overlever. Denne resistente bakterie kan så formere sig, hvormed de ikke-resistente bakterier er blevet udskiftet med resistente bakterier, som ikke kan dræbes af det anvendte antibiotikum.

Figur 52. Bakterier er af natur forskellige, og nogle vil være mere resistente over for et bestemt stof (fx antibiotika) end andre. Når bakterierne udsættes for det stof, er det kun de resistente bakterier, der overlever og formerer sig. Dette hedder selektion.

Antibiotikaresistens kan også overføres mellem bakterier ved at et bestemt DNA-element, som koder for resistens, kan optages af en bakterie, hvorefter denne bakterie selekteres for (dvs. udsættes for antibiotika og overlever). Bakterier benytter specifikke metoder til DNA-overførsel såsom optagelse af fri DNA (fx fra en død bakterie), direkte overførsel mellem levende bakterier eller overførsel medieret af en virus.

For at undgå mulige risici ved brugen af antibiotika, er der forsket i alternative metoder til at øge dyrenes foderudnyttelse, vækst og sundhed. Et sådant alternativ er brugen af probiotika, somer fordelagtigt på mange måder. For det første fremmer probiotika dyrenes sundhed og styrker deres immunforsvar. Probiotika er derfor pr. definition et alternativ til brugen af antibiotika til dyr. Derudover medfører brugen også en optimeret produktion, fordi dyrenes sundhedstilstand styrkes, og der dermed e færre af dem, der dør. Samtidig vokser de sig hurtigere store og stærke. Derudover tager dyrene nemmere på efter indtag af disse bakterier. Det skyldes, at bakterierne kan nedbryde en stor del af den ufordøjelige mad, sådan at dyrekroppen kan få gavn af en ekstra energikilde. Der er dermed mindre forbrug af fødevarer til dyrene, hvilket giver en mindre belastning af miljøet.

Figur 53. Probiotika til dyr hjælper dyret med at blive sundere. Ved indtag af probiotika spiser dyret mere, de udnytter deres foder bedre, de har mindre vægttab, de får mindre diarré. Smågrise der indtager probiotika har også lavere dødelighed.

Probiotika anvendes allerede i dag til mange forskellige dyr, nemlig svin, drøvtyggere (køer, geder og får) og fjerkræ. Til dyr anvendes for det meste bakterier af Bacillus-slægten i stedet for Lactobacilli og Bifidobakterierne, som anvendes til mennesker. Det skyldes, at dyrefoder som regel pelleteres, dvs. fodermel omdannes til større, faste partikler. Pelletering forløber ved høj temperatur, hvorved mange mikroorganismer dør. Bacilli kan overleve pelleteringen, fordi de danner sporer, der er meget hårdføre, inaktive strukturer, som indeholder bakteriens DNA. Sporerne kan overleve ekstreme omgivelser, og vil, når de er i gode omgivelser (med næring, god temperatur, osv.), omdannes til ’normale’, aktive bakterieceller.

Figur 54. Pelleteret foder.