Production of Galacto-Oligosaccharides - Physicochemical and Functional Characterization

Abstract

Galacto-oligosaccharides (GOS) were recently defined as “a mixture of those substances produced from lactose, comprising between 2 and 8 saccharide units, with one of these units being a terminal glucose and the remaining saccharide units being galactose, and disaccharides comprising of two units of galactose”. The preferred mode for GOS synthesis is by enzymatic catalysis from lactose using the transgalactosylation catalytic activity of glycoside hydrolases (EC 3.2.1). The ability of those oligosaccharides, when added to infant milk formulae, to replicate the bifidogenic effect of human milk, not only in bacterial numbers, but also with respect to the metabolic activity of the colonic microbiota, has attracted significant interest in their production and application in various food and pharmaceutical processes. In this work we proposed the production of GOS in a controlled bioreactor by Sterigmatomyces elviae growing on a simple medium. This process conducted to a maximum GOS yield around 68 g/100 g lactose, when lactose conversion is 94%. Next, the GOS produced were further purified, fractionated and fully characterized by mass spectrometry, methylation analysis and nuclear magnetic resonance. This characterization showed that the GOS mixture comprises mainly tri-, tetra- and pentasaccharides with 3144 and 3146 linkages. Furthermore, in order to optimize the process and storage conditions of GOS, the effect of moisture content on the thermal behavior of amorphous GOS powder was studied by dynamic scanning calorimetry. The interactions of GOS powder with different air humidities were also explored. Unlike amorphous lactose, the GOS powder obtained has weak crystallization ability and, at room temperature, became a transparent “solution-like” material when air relative humidity is above 55% (critical storage air humidity at room temperature). Prebiotics are defined as ‘a selectively fermented ingredients that allows specific changes, both in the composition and/or activity in the gastrointestinal microflora that confers benefits upon host wellbeing and health. In the present work, the potential prebiotic effect of the produced GOS was described, using a model of gastrointestinal digestion which includes gastric and small intestinal environments, and a colonic model consisting of in vitro fermentation systems with representative human gut bacteria. It was shown that the produced GOS mixture: 1) resists to gastric acidity and hydrolysis by mammalian enzymes; 2) are fermented by the intestinal microflora - fermentation of GOS resulted in a continuous increase of acetic, propionic and butyric acids with transient accumulation lactic acid until 8 h. 3) stimulates selectively the growth and/or activity of intestinal bacteria associated with health and wellbeing - GOS exhibited high specificity for Bifidobacteria and for Lactobacilli, and Eubacteria in some extent. The prebiotic index (PI) score of the GOS mixture was 7.4, 10.6 and 9.2 after 4, 8 and 24 hours fermentation, respectively. GOS produced were considered very effective prebiotics when compared with other oligosaccharide mixtures. Based on the results gathered in this work it was possible to conclude that the GOS mixture produced using the proposed process has a high potential as compared with the commercially available ones.

Os galacto-oligossacarídeos (GOS) foram recentemente definidos como “mistura de compostos produzidos a partir da lactose, com duas a oito unidades sacarídicas, do tipo glicose-galactosen, e dissacarídeos de galactose”. Os GOS são sintetizados a partir da lactose por acção catalítica de hidrolases glicosídicas (EC 3.2.1). A capacidade que estes oligossacarídeos possuem, quando adicionados a fórmulas lácteas infantis, de simularem o efeito bifidogénico do leite humano, não só no aumento do número de bactérias, mas também no que diz respeito à actividade metabólica do microbiota do cólon, tem atraído um interesse significativo para a sua produção e aplicação na indústria alimentar e farmacêutica. Neste trabalho propõe-se um método de produção de GOS, por fermentação em bioreactor controlado, utilizando a levedura Sterigmatomyces elviae cultivada em meio simples. O método proposto apresentou um rendimento de 68 g de GOS por 100 g de lactose, para conversões do substrato de 94%. Posteriormente, a mistura de GOS obtida foi purificada, fraccionada e caracterizada recorrendo a técnicas de espectrometria de massa, ressonância magnética nuclear e análise por metilação. Constatou-se que a mistura de GOS continha maioritariamente tri-, tetra- e pentassacarídeos com ligações :1;4 e :1;6. Adicionalmente, para optimizar as condições de processamento e armazenamento, foi estudado o comportamento térmico dos GOS secos e pulverizados, por calorimetria diferencial de varrimento, em função do conteúdo em água. Estudou-se ainda a interacção do GOS com a humidade do ar. Os GOS secos e pulverizados produzidos tinham um carácter amorfo e manifestaram pouca capacidade de cristalização. À temperatura ambiente, o pó transformava-se num material transparente e aquoso quando a humidade relativa do ar era superior a 54%. Os prebióticos definem-se como ‘ingredientes selectivamente fermentados que promovendo alterações específicas na composição e/ou actividade da microflora entérica contribuem para a saúde e bem-estar do hospedeiro”. Neste trabalho foi estudado o potencial efeito prebiótico dos GOS produzidos utilizando um modelo gastrointestinal que incluía o compartimento do estômago, do intestino delgado e do cólon. Demonstrouse que os GOS produzidos: 1) resistem à acidez gástrica e à acção das enzimas digestivas; 2) são fermentados pela microflora intestinal – a fermentação dos GOS resultou num aumento contínuo da concentração de ácido acético, ácido propiónico e ácido butírico e na acumulação transiente de ácido láctico. 3) estimulam selectivamente o crescimento das bactérias intestinais às quais se associam efeitos benéficos para a saúde e bem estar do hospedeiro – os GOS promoveram especificamente o crescimento de Bifidobactérias e, com menor especificidade, de Lactobacilos e Eubacatérias. O índice prebiótico (PI) da mistura de GOS foi de 7.4, 10.6 e 9.2 após 4, 8 e 24 horas de fermentação, respectivamente. Os GOS foram considerados prebióticos eficazes quando comparados com outras misturas oligossacarídicas. Com base nos resultados deste trabalho é possível afirmar que a mistura de GOS obtida pelo processo proposto tem um elevado potencial quando comparada com as misturas comercialmente disponíveis.