Novel, ferulic acid esterases from Bifidobacterium sp. produced on selected synthetic and natural carbon sources

• Autorzy: Szwajgier D. , Dmowska K.

Warianty tytułu

PL

Nowe esterazy kwasu ferulowego produkowane przez bakterie z rodzaju Bifidobacterium z uzyciem wybranych syntetycznych i naturalnych zrodel wegla

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Background. Ferulic acid esterases (or feruloyl esterases), a common group of hydrolases are very well distributed in the plant kongdom. The fungal feruloyl esterases were very extensively studied whereas probiotic lactic acid bacteria as the source of this enzyme were generally omitted. Free phenolic acids - strong antioxidants can be released from the dietary fiber by the action of intestinal lactic acid bacteria. The aim of this study was to examine the three probiotic Bifidobacterium strains to produce extracellular FAE on different synthetic and natural carbon sources. Material and methods. Studies were carried out using Bifidibacterium strains (B. ani- malis Bi30, B. catenulatum KD 14 and B. longum KN 29). The strains were cultivated using minimal growth media containing selected natural and synthetic carbon sources: German wheat bran, rye bran, barley spent grain, isolated larchwood arabinogalactan, apple pectin, corn pectin, methyl esters of phenolic acids. The production of extracellular feruloyl esterase was estimated using the post cultivation supernatants and methyl ferulate. The concentration of ferulic acid released from the ester was determined using HPLC with DAD detection. Results. The most efficient bacterial strain for FAE production was B. animalis cultivated in the presence of methyl p-coumarate and methyl ferulate as the main carbon sources (14.95 nmol mr' min"1 and 4.38 nmol ml ' min"1, respectively). In the case of each FAE, the highest activity was obtained at 37°C (pH 6.3) in Theorell/Steinhagen buffer (B. animalis Bi30) or in Tris/HCl buffer (B. catenulatum KD14 and B. longum KN29). Taking under consideration all results, it should be noticed that the highest feruloyl esterase activities were obtained using synthetic methyl esters of phenolic acids. Conclusions. The presented results broaden the knowledge about the production of the feruloyl esterase by probiotic bacteria. Although the enzyme is only accessory during the hydrolysis of food components during intestinal digestion, some conclusions on the role of lactic acid bacteria in the release of food antioxidants phenolic acids can be established.

PL

Wstęp. Esterazy kwasu ferulowego należące do pospolitej grupy hydrolaz są bardzo rozpowszechnione w świecie roślin. Grzybowe esterazy kwasu ferulowego były intensywnie badane w przeszłości, natomiast zwykle pomijano esterazy produkowane przez bakterie kwasu mlekowego. Wolne kwasy fenolowe - silne związki o charakterze przeciwutleniaczy mogą być uwalniane z frakcji błonnika pokarmowego pod wpływem aktywności esteraz kwasu ferulowego produkowanych przez jelitowe bakterie kwasu mlekowego. Celem pracy było zbadanie produkcji esterazy kwasu ferulowego przez wybrane bakterie z rodzaju Bifidobacterium w hodowlach prowadzonych z użyciem wybranych naturalnych i syntetycznych źródeł węgla. Materiał i metody. Badania prowadzono z użyciem bakterii z rodzaju Bifidibacterium {B. animalis Bi30, B. catenulatum KD 14 i B. longum KN 29). Bakterie hodowano w pożywkach minimalnych zawierających następujące źródła węgla: otręby orkiszowe, otręby żytnie, wysłodziny piwowarskie, oczyszczony arabinogalaktan z modrzewia, pektyny jabłkowe, pektyny kukurydziane, estry metylowe kwasów fenolowych. Produkcję zewnątrzkomórkowej esterazy kwasu ferulowego określano, używając supernatanty pohodowlane i ferulan metylu. Stężenie kwasu ferulowego uwolnionego z estru określono za pomocą HPLC z detekcją diodową DAD. Wyniki. Największe uzdolnienia do produkcji esterazy kwasu ferulowego wykazał szczep B. animalis Bi30 w obecności p-kumaranu metylu i ferulanu metylu jako jedynego źródła węgla (odpowiednio 14,95 nmol-ml-1-ml-1 and 4,38 nmol-ml-1-min-1). W przypadku każdego z wyprodukowanych enzymów, najwyższą aktywność zanotowano w temperaturze 37°C (pH 6,3) w obecności buforu Theorell/Steinhagena (B. animalis Bi30) lub Tris/HCl (B. catenulatum KD14 i B. longum KN29). Biorąc pod uwagę wszystkie uzyskane wyniki, należy stwierdzić, że najwyższe aktywności enzymu uzyskano po użyciu syntetycznych estrów kwasów fenolowych jako źródła węgla. Wnioski. Przedstawione wyniki wzbogacają wiedzę na temat produkcji esterazy kwasu ferulowego przez probiotyczne bakterie kwasu mlekowego. Pomimo że jest to jedynie poboczny enzym wykorzystywany przez mikroorganizmy do hydrolizy składników żywności, można sformułować wnioski na temat ważnej roli bakterii kwasu mlekowego w czasie uwalniania przeciwutleniaczy - kwasów fenolowych.

Słowa kluczowe

EN

ferulic acid; esterase; Bifidobacterium; synthetic carbon source; natural carbon source; probiotic bacteria; antioxidant; probiotic

• Wydawca: -
• Czasopismo: Acta Scientiarum Polonorum. Technologia Alimentaria
• Rocznik: 2010
• Tom: 09
• Numer: 3
• Opis fizyczny: p.305-318,fig.,ref.

Twórcy

autor

Szwajgier D.

• University of Life Sciences in Lublin, Skromna 8, 20-704 Lublin, Poland

autor

Dmowska K.

Bibliografia

• Andreason M.F., Kroon, P., Williamson G., Garcia-Conesa M.T., 2001. Esterase activity able to hydrolyze dietary antioxidant hydroxycinnamates is distributed along the intestine of mammals. J. Agric. Food Chem. 49, 5679-5684.
• Couteau D., McCartney A.L., Gibson G.R., Williamson G., Faulds C.B., 2001. Isolation and characterization of human colonic bacteria able to hydrolase chlorogenic acid. J. Appl. Microbiol. 90, 873-881.
• Deprez S., Brezillon C., Raport S., Philippe C., Mila I., Lapierre C., Scalbert A., 2000. Polymeric proanthocyanidins are catabolized by human colonic microflora into low-molecular-weight phenolic acids. J. Nutr. 130,2733-2738.
• Donaghy J., Kelly P.F., McKay A.M., 1998. Detection of FAE production by Bacillus spp. and lactobacilli. Appl. Microbiol. Biotechnol. 50, 257-260.
• Gerhäuser C., 2005. Beer constituents as potential cancer chemoprevential agents. Eur. J. Cancer. 41, 1941-1954.
• Gross M., Pfeiffer M., Martini M., Campbell D., Slavin J., Potter J., 1996. The quantitation of metabolites of quercetin flavonols in human urine. Cancer Epidem. Biomark. Prev. 5, 711-720.
• Itagaki S., Kurokawa T., Nakata C., Saito Y., Oikawa S., Kobayashi M., Hirano T., Iseki K., 2009. In vitro and in vivo antioxidant properties of ferulic acid: A comparative study with other natural oxidation inhibitors. Food Chem. 114, 466-471.
• Joshi G., Perluigi M., Sultana R., Agrippino R., Calabrese V., Buterfield D.A., 2006. In vivo protection of synaptosomes by ferulic acid ethyl ester (FAEE) from oxidative stress mediated by 2,2-azobis(2-amidino-propane)dihydrochloride (AAPH) or Fe2+ /H202: Insight into mechanisms of neuroprotection and relevance to oxidative stress-related neurodegenerative disorders. Neurochem. Int. 48, 318-327.
• Nardini M., D'Aquino M., Tomassi G., Gentili V., Di Felice M., Scaccini C., 1995. Inhibition of human low-density lipoprotein oxidation by caffeic acid and other hydrocinnamic acid derivatives. Free Rad. Biol. Med. 19, 541-552.
• Nserenko V., Smiley B.K., Rutherford W.M., Spielbauer A., Forrester K.J., Hettinger G.H., Harman E.K., Harman B.R., 2008. Influence of inoculating forage with lactic acid bacterial strains that produce ferulate esterase on ensilage and ruminal degradation of fiber. Anim. Feed Sci. Tech. 145, 122-135.
• Olthof M.R., Hollman P.C., Bujisman M.N., Van Amelsvoort J.M., Katan M.B., 2003. Chlorogenic acid, quercetin-3-rutinoside and black tea phenols are extensively metabolised in humans. J. Nutr. 133, 1806-1814.
• Plumb G.W., Garcia-Conesa M.T., Kroon P.A., Rhodes M, Ridley S., Williamson G., 1999. Metabolism of chlorogenic acid by human plasma, liver, intestine and gut microflora. J. Sci. Food Agric. 79, 390-392.
• Rechner A.R., Pannala A.S., Rice-Evans C.A., 2001. Caffeic acid derivatives in artichoke extract are metabolized to phenolic acids in vivo. Free Rad. Res. 35, 195-202.
• Rondini L., Peyrat-Maillard M.N., Marsset-Baglieri A., Berset C., 2002. Sulfated ferulic acid is the main in vivo metabolite found after short-term ingestion of free ferulic acid in rats. J. Agric. Food Chem. 50, 3037-3041.
• Saija A., Tomaino A., Trombetta D., De Pasquale A., Uccella N., Barbuzzi T., Paolino D., Bonina F., 2000. In vitro and in vivo evaluation of caffeic and ferulic acids as topical photoprotective agents. Int. J. Pharm. 199, 39-47.
• Scalbert A., Williamson G., 2000. Dietary intake and bioavailability of polyphenols. J. Nutr. 130, 2073S-2085S.
• Vardakou M., Palop C.N., Christakopoulos P., Faulds C.B., Gasson M.A., Narbad A., 2008. Evaluation of the prebiotic properties of wheat arabinoxylan fractions and induction of hydrolase activity in gut microflora. Int. J. Food Microbiol. 123, 166-170.
• Vardakou M., Palop C.N., Gasson M.A., Narbad A., Christakopoulos P., 2007. In vitro threestage continuous fermentation of wheat arabinoxylan fractions and induction of hydrolase activity by the gut microflora. Int. J. Biol. Macromol. 41, 584-589.
• Wang X., Geng X., Egashira Y., Sanada H., 2004. Purification and characterization of a FAE from the intestinal bacterium Lactobacillus acidophilus. App. Environ. Microb. 70, 2367- -2372.
• Wang X., Geng X., Egashira Y., Sanada H., 2005. Release of ferulic acid from wheat bran by an inducible FAE from an intestinal bacterium Lactobacillus acidophilus. Food Sci. Technol. Res. 11,241-247.
• Young J., Wahle K.W.J., Boyle S.P., 2008. Cytoprotective effects of phenolic antioxidants and essential fatty acids in human blood monocyte and neuroblastoma cell lines: Surrogates for neurological damage in vivo. Prostag. Leukotr. Ess. 78, 145-59.
• Yuan X., Wang J., Yao H., 2005. Ferulic acid oligosaccharides stimulate the growth of Bifidobacterium bifidum. Anaerob. 11, 225-229.
• Zeng H., XueY., Peng T., Shao W., 2007. Properties of xylanolytic enzyme system in bifidobacteria and their effects on the utilization of xylooligosaccharides. Food Chem. 101, 1172-1177.