Zapach kiszonej kapusty, kwaskowatość jogurtu, charakterystyczna nuta zakwasu na chleb. Żadna z tych cech nie pochodzi z surowca: świeża kapusta nie pachnie kiszonką, a mleko nie jest kwaśne. To, co czujemy i smakujemy, jest efektem pracy bakterii, a dokładniej związków, które te bakterie wytworzyły. Nazywamy je metabolitami.
Metabolit – definicja bez żargonu
Metabolit to każdy związek chemiczny powstający w komórce w wyniku przemian materii, czyli metabolizmu. Komórka pobiera ze środowiska substancje odżywcze, przetwarza je i wydziela produkty przemian na zewnątrz albo gromadzi je wewnątrz siebie.
Dotyczy to każdego organizmu, także człowieka: metabolitami są między innymi kwas mlekowy powstający w mięśniach podczas wysiłku czy mocznik wydalany przez nerki. W przypadku bakterii mechanizm jest ten sam, różni się jedynie skład produktów.
Określenie „metabolity bakteryjne” oznacza więc związki wytworzone przez bakterie w trakcie ich życia i podziałów. Nie jest to jedna substancja ani ustalona mieszanina, tylko cała grupa związków o różnej budowie i właściwościach.
Metabolity pierwotne i wtórne
Biochemia dzieli metabolity na dwie grupy. Metabolity pierwotne powstają w podstawowych szlakach przemian i wiążą się bezpośrednio ze wzrostem i podziałem komórki. Należą do nich kwasy organiczne, aminokwasy, witaminy i podstawowe cukry.
Metabolity wtórne nie są konieczne do samego wzrostu. Komórka wytwarza je zwykle w późniejszych fazach hodowli, w reakcji na warunki środowiska, na przykład na wyczerpywanie się pożywienia. Zalicza się do nich między innymi bakteriocyny, czyli białka hamujące wzrost innych mikroorganizmów.
Podział ten jest przydatny, ale nieostry, bo ten sam związek może pełnić różne funkcje w zależności od gatunku bakterii i warunków hodowli. Ważniejsze od klasyfikacji jest to, że skład mieszaniny zależy od tego, kto ją wytwarza i w jakich warunkach.
Jak przebiega fermentacja bakteryjna
Fermentacja to beztlenowy proces pozyskiwania energii, w którym komórka rozkłada związki organiczne bez udziału tlenu. Bakterie sięgają po ten sposób, gdy tlenu brakuje albo gdy dany gatunek w ogóle go nie wykorzystuje. Proces zachodzi tak samo w beczce z kapustą i w kontrolowanym bioreaktorze.
Co bakterie zjadają
Podstawowym paliwem są węglowodany, czyli cukry: w kapuście i ogórkach cukry proste z soku komórkowego warzyw, w mleku laktoza, w zakwasie skrobia i cukry uwolnione z mąki. Ten materiał wyjściowy nazywa się substratem.
Poza źródłem energii komórka potrzebuje azotu, najczęściej w postaci aminokwasów lub peptydów, oraz składników mineralnych i witamin. Zestaw tych składników nazywa się podłożem hodowlanym, a jego skład decyduje o przebiegu całego procesu.
Co po sobie zostawiają
Po zużyciu substratu bakterie wydzielają do środowiska produkty przemian. W fermentacji mlekowej głównym z nich jest kwas mlekowy, który obniża odczyn pH i utrwala produkt. Obok niego powstają kwas octowy, dwutlenek węgla, etanol oraz związki obecne w bardzo małych ilościach, decydujące o zapachu i smaku.
Powstają też substancje nieodczuwalne zmysłowo: peptydy, czyli krótkie łańcuchy aminokwasów, egzopolisacharydy, czyli wielocukry wydzielane na zewnątrz komórki, a w przypadku niektórych szczepów witaminy z grupy B. Osobną kategorią są krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe, powstające głównie w jelicie grubym podczas fermentacji błonnika.
Więcej: Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA) – co o nich mówią badania nad mikrobiotą
Przykłady metabolitów, które znasz z kuchni
| Metabolit | Gdzie go spotykasz | Po czym go poznajesz |
|---|---|---|
| Kwas mlekowy | Kiszona kapusta, ogórki kiszone, jogurt, kefir | Kwaśny smak, obniżony odczyn pH produktu |
| Kwas octowy | Zakwas chlebowy, ocet, część kiszonek | Ostrzejsza, octowa nuta zapachowa |
| Dwutlenek węgla | Zakwas, kefir, kiszonki w słoiku | Pęcherzyki gazu, unoszenie się ciasta |
| Diacetyl | Masło, maślanka, niektóre sery | Maślany aromat |
| Egzopolisacharydy | Kefir, niektóre jogurty | Gęstsza, ciągnąca konsystencja |
Wszystkie te cechy mają to samo źródło: bakterie przetworzyły surowiec i zostawiły po sobie związki, których wcześniej w produkcie nie było. Żywność fermentowana jest naturalnym środowiskiem występowania metabolitów bakteryjnych.
Więcej: Żywność fermentowana w polskiej kuchni – kiszonki, zakwas, kefir
Dlaczego metabolity można oddzielić od bakterii
Metabolity wydzielane na zewnątrz komórki znajdują się w płynie hodowlanym, a nie w samych bakteriach. Można je oddzielić przez wirowanie lub filtrację. Bakterie i wytworzone przez nie związki to dwie różne rzeczy, choć jedno powstaje dzięki drugiemu.
W procesach technologicznych stosuje się dodatkowo inaktywację, czyli zabieg pozbawiający komórki zdolności do namnażania. Wykorzystuje się do tego obróbkę termiczną, wysokie ciśnienie, promieniowanie UV lub liofilizację, czyli suszenie w stanie zamrożonym. Metoda nie jest obojętna dla efektu, bo różne techniki w różnym stopniu naruszają strukturę komórki i obecnych w niej związków.
Na tym opiera się kategoria postbiotyków, czyli preparatów z nieożywionych mikroorganizmów lub ich składników, zdefiniowana w stanowisku ISAPP z 2021 roku. Ich zawartość podaje się w jednostkach masy, na przykład w miligramach na porcję, a nie w CFU, które odnoszą się wyłącznie do żywych komórek.
Więcej: Postbiotyki – czym są i czym różnią się od probiotyków oraz prebiotyków
Jak nauka bada metabolity
Do opisu składu mieszaniny metabolitów wykorzystuje się przede wszystkim chromatografię i spektrometrię mas. Pozwalają one rozdzielić złożoną próbkę na poszczególne związki i określić ich ilość. Dziedzinę zajmującą się całościowym opisem zestawu metabolitów w próbce nazwano metabolomiką.
W badaniach nad interakcjami metabolitów z komórkami organizmu stosuje się modele in vitro, czyli hodowle komórkowe poza organizmem, oraz modele zwierzęce. Naukowcy obserwują w nich zachowanie komórek nabłonka jelitowego i układu odpornościowego. Wyniki uzyskane w takich warunkach mają charakter wstępny i nie przekładają się bezpośrednio na organizm człowieka (Salminen i wsp., 2021).
Trudnością pozostaje sam materiał badawczy. Mieszanina metabolitów zmienia się wraz ze szczepem, składem podłoża, temperaturą, odczynem pH i czasem procesu, a metody opisu składu nie są ujednolicone, co utrudnia porównywanie wyników (Salminen i wsp., 2021).
Podsumowanie
Metabolity bakteryjne to związki powstające w wyniku przemian zachodzących w komórkach bakterii. Nie są nowością, tylko zjawiskiem obecnym w kuchni od tysięcy lat, odpowiedzialnym za smak, zapach i konsystencję produktów fermentowanych.
Ich skład zależy od szczepu i warunków fermentacji, więc nie jest stały. Ponieważ znaczna część tych związków trafia poza komórkę, można je od bakterii oddzielić, co wykorzystuje się w technologii preparatów nieożywionych. Wiedza o interakcjach poszczególnych metabolitów z organizmem człowieka jest wciąż na wczesnym etapie.
FAQ
Czy metabolity bakteryjne to toksyny?
Nie w sensie ogólnym. Metabolit to każdy produkt przemian komórki, a „toksyna” dotyczy wąskiej grupy związków wytwarzanych przez niektóre gatunki bakterii. Kwas mlekowy z kiszonej kapusty i toksyna bakteryjna to dwie różne rzeczy, mimo że oba pojęcia mieszczą się w kategorii metabolitów.
Czy w jogurcie z lodówki są metabolity?
Tak, jest to naturalna konsekwencja fermentacji. Kwaśny smak jogurtu pochodzi z kwasu mlekowego wytworzonego przez bakterie w trakcie procesu, a aromat od związków obecnych w bardzo małych ilościach.
Czym różnią się metabolity od żywych bakterii w preparacie?
Żywe bakterie to komórki zdolne do namnażania, a metabolity to związki, które te komórki wytworzyły. Preparat może zawierać jedno, drugie albo oba naraz, a informacja o tym powinna być na etykiecie. Różni się też jednostka deklaracji: CFU dla żywych komórek, jednostki masy dla preparatów nieożywionych.
Źródła
- Salminen S., Collado M.C., Endo A. i wsp., The International Scientific Association of Probiotics and Prebiotics (ISAPP) consensus statement on the definition and scope of postbiotics, Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2021, t. 18, nr 9, s. 649-667.
- Marco M.L., Sanders M.E., Gänzle M. i wsp., The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) consensus statement on fermented foods, Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2021, t. 18, nr 3, s. 196-208.
- Gibson G.R., Hutkins R., Sanders M.E. i wsp., Expert consensus document: The International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics (ISAPP) consensus statement on the definition and scope of prebiotics, Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2017, t. 14, nr 8, s. 491-502.
- Rozporządzenie Komisji (UE) nr 432/2012 z dnia 16 maja 2012 r. ustanawiające wykaz dopuszczonych oświadczeń zdrowotnych dotyczących żywności, innych niż oświadczenia odnoszące się do zmniejszenia ryzyka choroby oraz rozwoju i zdrowia dzieci.
- Koh A., De Vadder F., Kovatcheva-Datchary P., Bäckhed F., From dietary fiber to host physiology: short-chain fatty acids as key bacterial metabolites, Cell, 2016, t. 165, nr 6, s. 1332-1345.