Inimese nahal, limaskestadel ja sisemuses elavad mikroorganismid moodustavad inimese mikrobioota ehk mikrofloora. Suurim osa mikrobiootast, ligikaudu 1-2 kg mikroobimassi, elab inimese seedetraktis, peen- ja jämesooles. Soolestiku mikrobiootat on nimetatud ka kõhuelustikuks. Eriti arvukas ja mitmekesine on jämesoole mikroobikooslus. Kuna soolemikroobid viivad läbi paljusid biokeemilisi reaktsioone, mida inimese genoomis kodeeritavad valgud ei võimalda, siis on kõhuelustikku võrreldud ka täiendava metaboolse organiga.

Molekulaarsete uurimismeetoditega on inimese soolestikus leitud ligikaudu 1000 erinevat bakteriliiki. Kuigi see kooslus on küllalt kirju, kuulub enamik kõhubakteritest kolme hõimkonda: Firmicutes, Bacteroidetes ja Actinobacteria. Proteobakterite hõimkonda kuuluv soolekepike Escherichia coli ei ole sooles eriti arvukas. Siiski on seda bakterit sooles alati ning tema esinemise ja arvukuse järgi saab määrata näiteks fekaalset reostust veekogus või toidu saastumist.

Kõhuelustikul on oluline roll inimese poolt seedumatute toidukomponentide lagundamisel ja neist energia kättesaamisel, vitamiinide sünteesis, mineraalainete omastamises, immuunsüsteemi arengus ja soolepatogeenide vastu võitlemises. Soolestiku mikrobioota hakkab välja kujunema inimese sünnihetkest – esimesed mikroobid saab laps ema sünniteedest ja nahalt. Rinnapiimaga toidetavatel beebidel on sooles rohkesti bifidobaktereid, sest nende paljunemist stimuleerivad emapiimas sisalduvad sahhariidid ehk suhkrud ja glükoproteiinid.

Lapse kasvades muutub tema toit mitmekesisemaks ning mikrobioota muutuste puhul hakkavad järjest olulisemat rolli mängima toiduvalikud ja elustiil. Soolemikroobide mitmekesisus ja koosseis varieeruvad inimeseti üsna suurtes piirides ning sõltuvad lisaks toidule veel hügieenist, geneetilistest ja füsioloogilistest teguritest näiteks liikuvusest ja haigustest, aga ka ravimite, näiteks antibiootikumide kasutamisest.

Üheks kaasaegseks mõisteks toiduteaduses ja -tehnoloogias on funktsionaalne toit, mille veelgi kohasemaks vasteks võiks olla tervist toetav toit, mis peaks organismile lisaks kaloritele ja toitainetele andma tervislikke komponente. Nendeks võivad olla probiootilised bakterid, näiteks laktobatsillid ja bifidobakterid ning prebiootilised kiudained, mis tõstavad tervist toetavate bakterite arvukust soolestikus ja aktiveerivad nende elutegevust. Erinevate prebiootikumide toimet nii loomadele kui inimestele on juba aastakümneid uuritud.

On selgunud, et piisav kiudainete tarvitamine normaliseerib vere kolesterooli- ja glükoositaset, tõhustab soolest mineraalainete imendumist ja aktiveerib immuunsüsteemi, takistab soolehaiguste, näiteks käärsoolevähi arengut. Prebiootikumide mõju vahendavad nende lagundamisel eritatavad ained. Prebiootiliste kiudainete kääritamisel toodavad kasulikud soolebakterid lühikese ahelaga rasvhappeid, millest olulisemad on äädikhape ehk ioonina atsetaat, propaanhape ehk propionaat ja võihape ehk butüraat. Tekib ka piimhapet, mis aga ei kogune, kuna see kääritatakse edasi teisteks produktideks – või- ja propaanhappeks. Võihape on eriti oluline soole tervisele, sest soolt vooderdavad rakud saavad energiat just võihappest.

Suhkrud võivad olla ka kasulikud 



Levinud arvamuse kohaselt on liigne suhkru tarbimine tervisele kahjulik. See väide kehtib lihtsuhkrute ehk monosahhariidide – viinamarjasuhkru ehk glükoosi, puuviljasuhkru ehk fruktoosi ja disahhariidide, näiteks sahharoosi ehk lauasuhkuru kohta. Samas kuuluvad paljud pika ja keskmise ahelapikkusega suhkrud prebiootiliste kiudainete hulka. Nende ainete üheks oluliseks tunnuseks on see, et inimese seedeensüümid ja maohape neid ei lagunda ning nad liiguvad muutmata kujul läbi seedetrakti jämesoolde, kus neist toituvad soolebakterid.

Kõhuelustik on kauaaegse inimesega kooselu jooksul kohanenud "ülejääkidega" inimese toidulaualt ja neil on rikas arsenal valke ehk ensüüme suurte ja keeruliste kiudainete lagundamiseks. Kiudainete anaeroobsel lagunemisel või kääritamisel moodustuvad lühikese ahelaga rasvhapped ja gaasid. Moodustunud rasvhapped imenduvad jämesoolest ja nende edasisel lagunemisel inimorganismis saadakse kuni 10 protsenti inimese toiduenergiast. Tuntuimad prebiootikumid on taimedest pärinev fruktoosi polümeer inuliin ja sellest saadavad fruktooligosahhariidid (FOS), galaktoosist koosnevad galaktooligosahhariidid (GOS) ja ka leebe lahtistina tuntud laktuloos. Uute potentsiaalsete prebiootikumide hulka kuuluvad näiteks taimsed ksülooligosahhariidid (XOS), puuviljapektiin, mittelahustv tärklis, seente ja taimede beeta-glükaanid ja ka väheuuritud fruktaanid levaanid.

Taimedest, peamiselt sigurist eraldatavat inuliini lisatakse juba praegu toidule, näiteks jogurtitele, määrdejuustudele, margariinile, mahladele ja müslibatoonidele. Inuliiniga koostiselt väga sarnane fruktoosi polümeer on levaan. Põhiliseks erinevuseks inuliini ja levaani vahel on fruktoosijääkide vahel olev side. Levaani sünteesivad mitmed bakterid ning sellist tüüpi molekule leidub ka mõnedes taimedes, teiste hulgas toiduteraviljades ja agaavis. Võrreldes inuliiniga on levaane ja levaani-tüüpi sidemega fruktooligosahhariide väga vähe uuritud. Siiski ennustavad publitseeritud tulemused nendele ainetele mitmeid kasutusvõimalusi nii prebiootikumina toiduainetööstuses, kui ka muudes valdkondades.

Alusuuringutest biotehnoloogiani

Tartu ülikooli teadlased on uurinud tavalisest lauasuhkrust, sahharoosist, levaani ja levaani-tüüpi FOS-e sünteesivaid ensüüme – levaansukraase. Nad on näidanud, et taimedel leiduva bakteri Pseudomonas syringae pv. tomato levaansukraas Lsc3 on tänu oma kõrgele aktiivsusele ja heale stabiilsusele väga sobilik biotehnoloogilisteks rakendusteks. Näiteks võib seda ensüümi toatemperatuuril ilma märkimisväärse reaktsioonivõime languseta hoida ligi pool aastat. Ka kõrgematel temperatuuridel peab Lsc3 hästi vastu. Tema võimekust illustreerib fakt, et üks ensüümimolekul suudab lõhustada 500 sahharoosi molekuli sekundis.

Sahharoosi molekul toimib nii fruktoosijäägi andja ehk doonorina, kui ka saaja ehk aktseptorina ning järjestikusel fruktoosijääkide ülekandmisel tekivad nii FOS-id, kui ka väga suure molekulmassiga levaan. Esimese polümerisatsiooniproduktina tekib trisahhariid 6-kestoos ning kõrvalsaadusena vabaneb glükoosi molekul. Levaansukraas võib produkte sünteesida ka odavast suhkrutootmise kõrvalproduktist – melassist. Need tunnused teevad Lsc3-st ühe võimaliku kandidaadi kasutamaks seda biotehnoloogias levaani-tüüpi molekulide tootmiseks.

2012. aastal algatasid Tartu ülikooli molekulaar- ja rakubioloogia instituudi teadlased eesotsas dotsent Tiina Alamäega projekti "Uudsete levaansukraaskatalüsaatorite disain ja kasutamine funktsionaalsete toidulisandite tootmiseks (lühinimetus Functional Food Ingredients)". Sellega liitusid partneritena keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi ehk KBFI teadlased, kus alateema juht on Olesja Bondarenko, samuti Tallinna tehnikaülikooli toiduainete instituudi töögrupp eesotsas alateema juhi Signe Adambergi, toidu- ja fermentatsioonitehnoloogiate arenduskeskus ehk TFTAK, kus alateema juht on Kaarel Adamberg ning jäätisetootja AS Premia, eesotsas alateema juhi Kaja Räimega. TÜ ja KBFI uurimisrühmade eesmärk oli levaansukraasi abil toota levaani ja FOS-e, iseloomustada tekkinud produkte ja optimeerida nende tootmist.

Projekti eesmärgid ja tööjaotus erinevate partnerite vahel.

Rakenduslike uuringutega, mis viidi läbi peamiselt TTÜ-s, TFTAK-is ja TÜ-s, plaaniti välja selgitada levaani ja FOS-ide bioloogilisi efekte ning kasutusvõimalusi prebiootilise ainena ja potentsiaalse funktsionaalse toidu komponendina, mineraalsete nanoosakeste kattematerjalina ja immuunsüsteemi stimuleeriva vähivastase ainena.

Koostöös KBFI partneritega täiustati levaansukraasi reaktsioonis tekkinud FOS-ide analüüsimeetodeid ning leiti, et FOS-ide hulgas leidub erineva sidemetüübi- ja pikkusega molekule. Kuna FOS-ide segu sisaldas ka sahharoosist jääkproduktina tekkivat glükoosi, siis selle eemaldamiseks töödeldi segu pärmidega, kes tarvitavad ära glükoosi, kuid jätavad alles FOS-id. KBFI töögrupp näitas, et levaan stabiliseerib mineraalseid nanoosakesi, kattes neid polüsahhariidikihiga selliselt, et osakesed omavahel kokku ei kleepu. Sellistel levaaniga kaetud osakestel võiks olla rakendust näiteks toidulisandina. Koostöös testivad TTÜ, TFTAK-i ja AS Premia TÜ-s sünteesitud fruktaane bakterite kasvusubstraadina ja ka nende sobivust toidus kasutamiseks.

Värskes uurimistöös, mis ilmus ajakirjas Frontiers in Nutrition, näidati, et projekti raames toodetud levaan ja FOS-id on heaks substraadiks jämesooles väga arvukale ja erinevaid kiudaineid lagundavale bakterile Bacteroides thetaiotaomicron. Näidati ka seda, et fruktaanide kasutamise kiirus sõltub aminohapete kättesaadavusest kasvukeskkonnas. Kuna see bakter saab nii suurt polümeeri nagu levaan lagundada ainult väljaspool rakku, siis võiks levaani-tüüpi polüsahhariidide kasutamine toidulisandina pakkuda "toitu" ehk levaanist tekkivaid FOS-e ka teistele soolebakteritele.

On teada, et levaani-tüüpi fruktooligosahhariide on võimelised lagundama mitmed bifidobakterid ja ka laktobatsillid. Analoogilised uuringud reaalsete seedekulglakooslustega on TFTAK-is juba käimas. Meile pakub huvi, kas ja kuivõrd on levaaniga ehk levaani sisaldava toiduga võimalik soovitud suunas mõjutada kõhuelustiku koostist ja ainevahetust. Projekti FFI (3.2.0701.12-0041) rahastab Euroopa Liit Euroopa Regionaalarengu Fondi kaudu ja toetuse vahendajaks on SA Archimedes.