Okropny zapach kwasu masłowego starszym pokoleniom najczęściej kojarzy się ze szkołą, kiedy to kilka kropel wylanych w kącie klasy potrafiło doprowadzić do odwołania lekcji. Młodsi czytelnicy tego raczej nie doświadczyli, bo pracownie w szkołach podstawowych i średnich są od lat niezwykle ubogo wyposażane w odczynniki chemiczne. Te kilka kropel czystego kwasu masłowego potrafiło zmienić atmosferę klasy w nieznośną do wytrzymania i dopiero długie, wielogodzinne wietrzenie mogło usunąć fetor. Winowajca – kwas masłowy (chem. kwas butanowy), zaliczany do krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (ang. SCFA), jest oleistą cieczą o ostrym zapachu zjełczałego masła. W środowisku wodnym kwas masłowy łatwo dysocjuje do maślanu i protonu. Sole sodowe, magnezowe i wapniowe, a także estry glicerolu i kwasu masłowego (np. tributyrin) są coraz chętniej i częściej stosowane w profilaktyce i leczeniu chorób przewodu pokarmowego u ludzi i zwierząt. Z palety dostępnych maślanów najczęściej wybierany jest maślan sodu z uwagi na jego cenę.
Tekst: prof. dr hab. Romuald Zabielski1,
dr Joanna Zarzyńska2
1Centrum Medycyny Translacyjnej SGGW w Warszawie
2KHŻiOZP, Instytut Medycyny Weterynaryjnej, SGGW w Warszawie
Kwas masłowy w przewodzie pokarmowym
Kwas masłowy jest obecny w siarze i mleku oraz w przetworach mlecznych, w maśle i serach. Kompozycje niewielkich stężeń kwasu masłowego oraz innych kwasów tłuszczowych mleka decydują o zapachu i smaku masła i serów, szczególnie żółtych serów twardych. Kwas masłowy jest także obecny w stosunkowo dużych ilościach w miodzie i niektórych ziołach (np. kozłek lekarski), a tributyrin jest istotnym składnikiem margaryny. Ilości kwasu masłowego codziennie spożywane w nabiale i innych pokarmach nie są duże i raczej nie mają większego wpływu na funkcje jelita, ponieważ maślan z pokarmu ulega szybkiemu wychwytowi przez komórki nabłonka jamy ustnej i żołądka. Maślan jest także chętnie wychwytywany przez bakterie jamy ustnej, te mniej korzystne dla zdrowia, i to chyba jedyne (poza osobliwym zapachem) niekorzystne oddziaływanie kwasu masłowego na organizm ludzi i zwierząt. Kwas masłowy z pokarmu nie ma większej szansy dotrzeć do jelit, ale w świetle jelita kwas masłowy jest wytwarzany przez część mikrobiomu. Zwłaszcza przez te bakterie, które intensywnie fermentują cukry (szczególnie pentozy). Należą do nich np. Clostridium spp., Eubacterium spp., Fusobacterium spp., Butyrivibrio spp., Megasphaera elsdenii, Mitsuokella multiacida. Często określa się je wspólnym mianem bakterii butyrogennych, czyli takich, które wytwarzają butyric acid – czyli kwas masłowy. Miejscem o największej intensywności wytwarzania kwasu masłowego przez bakterie jest jelito grube. U zdrowego człowieka bakterie dziennie produkują od 300 do 400 milimoli maślanu. Z wiekiem intensywność butyrogenezy w jelicie spada. Tkanki poza przewodem pokarmowym także wytwarzają kwas masłowy, ale w niewielkich ilościach. W pewnych okolicznościach wytwarzanie kwasu masłowego przez bakterie w jelicie grubym może być niewystarczające i prowadzić do poważnych zaburzeń funkcji przewodu pokarmowego. Deficyt kwasu masłowego obserwuje się przy diecie ubogiej we włókno pokarmowe, przy biegunce, w chorobach zapalnych jelita cienkiego i grubego oraz wskutek terapii antybiotykowej (szczególnie długotrwałej). Co więcej, deficyt wytwarzania maślanu jest obserwowany w starszym wieku, także przy racjonalnym żywieniu.
Substraty dla bakterii butyrogennych
Substratem dla bakterii butyrogennych są niestrawne węglowodany i oligomery heksozy o rozmaitym stopniu polimeryzacji, np. oporna skrobia, nieskrobiowe polisacharydy, oligosacharydy (inulina, oligofruktoza), dwusacharydy (laktoza, stachioza, rafinoza) i alkohole (sorbitol, mannitol). Do składników pokarmu dostarczających w wyniku fermentacji bakteryjnej największych ilości kwasu masłowego w świetle jelita należy zaliczyć: otręby pszenne, owies, ryż, kasze, nasiona, orzechy i rośliny strączkowe (soję, bób, groch czy fasolę). U noworodków ważnym substratem są oligosacharydy mleka. To szczególne istotne źródło kwasu masłowego u noworodków ludzkich i niemowląt, ponieważ mleko kobiece nie zawiera kwasu masłowego, ale za to stosunkowo sporo oligosacharydów. U ludzi tylko niewielka część kwasu masłowego (kilka %) może być wytwarzana z białka pokarmowego. Warto dodać, że kwas glukonowy bywa stosowany jako prebiotyczny dodatek wybiórczo stymulujący produkcję kwasu masłowego przez bakterie butyrogenne, ale w przypadku niedostatku bakterii butyrogennych taka stymulacja może się okazać mało skuteczna i lepszym rozwiązaniem będzie podanie kwasu masłowego.
Maślan a nabłonek jelitowy
Kwas masłowy wytwarzany przez bakterie w świetle jelita jest atrakcyjnym substratem dla innych członków mikrobioty jelitowej, ale także cennym substratem dla komórek jelita, a szczególnie dla komórek nabłonka. Na tyle cennym, że tylko niewielka część kwasu masłowego może ulec wchłonięciu i dotrzeć z krwią do innych narządów i tkanek. Intensywność wchłaniania kwasu masłowego do komórek nabłonka jest wprost proporcjonalna do jego stężenia w świetle jelita. W przewodzie pokarmowym maślan może oddziaływać na rozwój i naprawę tkanek: bezpośrednio (górny odcinek przewodu pokarmowego lub jelito grube) lub pośrednio (jelito cienkie). Bezpośrednie działanie troficzne na błonę śluzową żołądka i jelita grubego wykazano w badaniach nad proliferacją komórek, w których wykazano działanie przeciwzapalne oraz przyspieszenie odnowy obszarów martwiczych. Pośrednie działanie maślanu dotyczy wpływu poprzez układy endokrynny, nerwowy oraz immunologiczny jelita. Maślan powiązano także z obniżeniem zjadliwości bakterii patogennych i warunkowo patogennych, zarówno poprzez bezpośredni wpływ na te drobnoustroje, jak i działania zwiększające integralność nabłonka jelitowego. W rozwoju zwierząt i człowieka maślan jest przydatnym dodatkiem do diety, zwłaszcza wkrótce po urodzeniu, w celu poprawy funkcji i lepszego kontrolowania zaburzeń zdrowia jelit (preparaty mlekozastępcze, suplementy).
Korzystne działania maślanu
Odziaływanie na mikrobiom
Kwas masłowy wykazuje aktywność antybakteryjną wobec drobnoustrojów patogennych i warunkowo patogennych. Proces ten zaczyna się wniknięciem do komórki bakteryjnej niezdysocjowanej cząsteczki kwasu masłowego. Jego dysocjacja w cytoplazmie wiąże się z odłączeniem protonu, który zakwaszając cytoplazmę, prowadzi do uruchomienia mechanizmów zmierzających do odtworzenia fizjologicznego pH w świetle komórki bakteryjnej, wyczerpania rezerw energetycznych i jej śmierci. Z drugiej strony, drobnoustroje probiotyczne wchłaniają kwas masłowy i zużywają na swoje potrzeby życiowe. W ten sposób kwas masłowy prowadzi do selekcji i niszczenia jednych i stymulowania wzrostu innych bakterii jelitowych.
Oddziaływanie na przewód pokarmowy
Odziaływanie na tkanki przewodu pokarmowego obejmuje wiele zjawisk, z których większość jest ze sobą ściśle połączona. Najważniejszym efektem jest odżywienie komórek nabłonka, którym kwas masłowy dostarcza energii do procesów metabolicznych. Jest on szczególnie istotnym substratem dla komórek nabłonka jelita grubego. Kolejnym jest efekt troficzny wywoływany na błony śluzową i mięśniową jelita, dzięki czemu dochodzi do wzrostu liczby i wielkości komórek, co skutkuje wyższą sprawnością procesów trawienia i wchłaniania. Jednocześnie zostaje pobudzona motoryka jelita oraz lokalny przepływ krwi. Niezwykle istotnym efektem wynikającym z pobudzenia tempa proliferacji komórek krypt oraz hamowania apoptozy (tj. programowanej śmierci komórki) jest utrzymanie optymalnej integralności bariery jelitowej. Warto tu wspomnieć o tzw. paradoksie maślanu. Otóż z jednej strony maślan działa na proliferację i apoptozę normalnych komórek jak opisano wyżej, natomiast w odniesieniu do komórek nowotworowych odwrotnie – hamuje ich proliferację oraz pobudza apoptozę. Biorąc pod uwagę fakt, że codziennie tworzą się w nabłonku jelita grubego komórki nowotworowe, takie wspomaganie własnych systemów kontroli dodatkowo poprzez działanie kwasu masłowego jest niezwykle istotnym zabiegiem profilaktycznym. Do tego należy jeszcze dodać zauważony w kilku badaniach efekt cytoprotekcyjny maślanu i przyspieszenie regeneracji błony śluzowej okrężnicy. Efekt cytoprotekcyjny obserwowano także na komórkach błony śluzowej, zarówno na obszarze błony śluzowej żołądka (spontaniczne owrzodzenia), jak i jelit (regeneracja błony śluzowej okrężnicy). Na koniec należy jeszcze wspomnieć o działaniu kwasu masłowego na układ immunologiczny jelita poprzez hamowanie aktywności mediatorów zapalenia w nabłonki jelitowym.
Jak chronić maślan – mikrootoczkowanie i desant w jelitach?
Jak wcześniej wspomniano, intensywny wychwyt kwasu masłowego w jamie ustnej i żołądku powoduje, że doustna suplementacja celowana na jelito cienkie czy grube byłaby całkowicie nieskuteczna. A ponadto, ile osób by się przełamało na tyle, aby pokonać specyficzny zapach i połknąć dawkę maślanu? Co prawda, niektóre ssaki mają inny próg tolerancji, np. prosięta i cielęta przepadają za jego zapachem w takich stężeniach, które dla człowieka są już nieznośne. Pomocna okazała się intensywnie rozwijająca się pod koniec XX wieku technologia mikrootoczkowania, która jest wykorzystywana do desantowania w określone miejsce przewodu pokarmowego różnego rodzaju substancji, np. enzymów, lipidów, kwasów organicznych, pre- i probiotyków. Pokrótce technologia mikrootoczkowania polega na ukryciu otoczkowanej substancji, która jest wrażliwa na działanie enzymów przewodu pokarmowego albo mikrobiomu jelitowego w specjalnej matrycy. Na matryce wykorzystuje się różnego rodzaju materiały, np. wysokonasycone tłuszcze i wysokocząsteczkowe cukry. Otoczkowana substancja, np. krystaliczny maślan sodu, jest upakowywana w gniazdach w matrycy. Gotowy preparat to mikrogranulat (kulki o średnicy od 1 do kilku mm), którego struktura przypomina strukturę ciastka z rodzynkami (rodzynki to ta desantowana substancja). Matryca chroni przed np. utlenianiem i wilgocią, stąd mikrootoczkowane preparaty mogą mieć stosunkowo długi czas trwałości. W przypadku maślanu chroni także nos przed nieprzyjemnym zapachem. Granulat może być pakowany w kapsułki lub saszetki, ale też może być dodawany do gotowej karmy. Odpowiednie dobranie materiału na matrycę, dobór powłok ochronnych oraz sposobu mikrootoczkowania to tajemna wiedza producentów, która ma na celu wytworzyć produkt, który możliwie najprecyzyjniej dotransportuje do celu substancję, w naszym przypadku maślan sodu. Mikrootoczkowany maślan, wędrując wzdłuż przewodu pokarmowego, omija kolejne rafy: jamę ustną (nie należy rozgryzać ani żuć mikrokapsułek), przełyk i żołądek, w których mógłby być łatwo wykorzystany, i trafia do dwunastnicy. Enzymami trawiącymi mikrootoczkę są głównie enzymy soku trzustkowego, ale poprzez różnorodne modyfikacje matrycy można spowolnić trawienie matrycy i uwalnianie substancji czynnej. Stąd niektóre mikrogranulaty uwalniają substancje czynne w jelicie cienkim, a inne dopiero w jelicie grubym. Jest wiele kombinacji matrycy, które można wykorzystać do zoptymalizowania miejsca desantowania substancji czynnej. W przypadku maślanu sodu najkorzystniejsze jest jego stopniowe uwalnianie z matrycy w dalszym odcinku jelita cienkiego i w jelicie grubym. W jelicie grubym uwalnianie wspomagają enzymy bakteryjne. Z dużym prawdopodobieństwem, opartym na znajomości procesów trawiennych, bo takich badań dotąd nie było, większość preparatów dla ludzi zawierających mikrootoczkowany maślan sodu może być stosowana u psów.
Korzyści ze stosowania mikrootoczkowanego maślanu sodu
U ludzi mikrootoczkowany maślan sodu znalazł dotychczas wiele zastosowań, przede wszystkim w wielu ostrych i chronicznych chorobach przebiegających z zapaleniem błony śluzowej jelita (np. zapalenia poradiacyjne dalszych odcinków jelita grubego, wrzodziejące zapalenia jelita grubego, choroba Leśniowskiego-Crohna,
zespół jelita nadwrażliwego, biegunki podróżnych i poantybiotykowe oraz biegunki o nieznanej etiologii). W każdym z tych zastosowań jest cennym dodatkiem wspomagającym działanie leku zasadniczego. Co podkreślają wszystkie badania przedkliniczne na zwierzętach i kliniczne na ludziach, jest to preparat bezpieczny i dobrze tolerowany przez organizm zwierząt i człowieka. Warto dodać jeszcze jedno zastosowanie polegające na wspomaganiu mikrobiomu jelitowego. Z wiekiem u starszych zwierząt i ludzi spada aktywność bakterii butyrogennych w jelicie grubym. W konsekwencji wytwarza się coraz mniej kwasu masłowego, a coraz więcej kwasów rozgałęzionych, które nie posiadają korzystnych oddziaływań maślanu. To dlatego sugeruje się suplementację osobników starszych mikrootoczkowanym maślanem sodu, a najlepszym czasem do jej rozpoczęcia wydaje się ten, w którym pojawiają się naprzemiennie biegunki i zaparcia oraz wzdęcia niewiadomego pochodzenia.
U psów SCFA (włączając kwas masłowy) tylko w ok. 6–7% pokrywa podstawowe zapotrzebowanie psów na energię, a 95–99% jest absorbowana w jelicie grubym (NRC 2006). Naukowcy wykazali, że podobnie jak u ludzi SCFA może również odgrywać rolę w regulacji metabolizmu komórek przewodu pokarmowego i ich różnicowania. Maślan jest preferowanym paliwem metabolicznym dla kolonocytów i stymuluje proliferację kolonocytów oraz różnicowanie zarówno in vitro, jak i in vivo. Badanie in vitro na psach wykazało, że maślan był metabolizowany nie tylko przez kolonocyty, lecz także przez enterocyty środkowej części jelita czczego, i to ze stosunkowo dużą szybkością. W przeciwieństwie do szczurów, u psów utlenianie maślanu nie zostało zmniejszone przez inne substancje (glukozę, glutaminę, β-hydroksymaślan lub ich mieszaninę). U psów wykazano, że wchłanianie SCFA ma znaczący wpływ na wchłanianie sodu, potasu, wody i ogólnie na równowagę wodno-elektrolitową, ponieważ mechanizm transportu SCFA obejmuje wychwyt Na+ i H+ w komórkach. Naukowcy ustalili, że SCFA i Na+ są wchłaniane z tą samą szybkością przez błonę śluzową okrężnicy psów. Ten proces zwiększa absorpcję wody.
U psów karmionych dietą surową spada ilość Firmicutes i Bacteroidetes. Większość zredukowanych liczebnie bakterii jest związana z wytwarzaniem SCFA, co wskazuje na zmniejszenie fermentacji węglowodanów w wyniku zmniejszonego spożycia. Wzrasta zaś liczebność Proteobacteria, Fusobacteria i rodzajów związanych z przemianami białka. W badaniu porównującym dietę psów o wysokiej zawartości tłuszczu z dietą o wysokiej zawartości skrobi poziomy octanu, maślanu i propionianu nie różniły się u psów karmionych którąkolwiek dietą, co wskazuje, że wytwarzanie SCFA u psów nie zależy wyłącznie od zawartości węglowodanów w diecie. Inne badania wykazały, że dieta wysokobiałkowa u psów sprzyja zmianie profilu bioty jelitowej i zwiększa udział bakterii butyrogennych. Niedawne badania wykazały, że u zwierząt mięsożernych Clostridiaceae, a w szczególności C. perfringens, są powiązane ze szlakiem syntezy maślanu, który umożliwia wytwarzanie maślanu z białka! Inną bakterią wytwarzającą maślan ze źródeł białka jest F. varium, które występowało częściej w grupie psów karmionych surową dietą opartą na mięsie przez ponad rok, co sugeruje adaptację mikrobiomu do długotrwałej diety. Wykazano, że populacja bakterii z rodziny Fusobacteriaceae jest liczna u różnych gatunków mięsożerców, jak koty czy wilki – podobnie jak u psów karmionych surową dietą wysokobiałkową. Zaś u psów karmionych dietą odchudzającą znacznie wzrasta liczebność innych bakterii wytwarzających SCFA (Bacteroides, Prevotella i Faecalibacterium).
Pozytywne działanie maślanu można osiągnąć poprzez dodanie do diety włókna (np. psyllium), które zwiększa w profilu mikrobioty udział bakterii Faecalibacterium, Christensenellaceae, Oscillospira i Ruminococcus spp. Większość błonnika działa poprzez wzbogacanie Firmicutes wytwarzających SCFA. Fruktany typu inuliny mogą zwiększać zawartość octanu, maślanu i propionianu w jelicie i zmniejszać liczbę Enterobacteriaceae. Jednakże włókno może również oddziaływać na strawność i dostępność składników odżywczych, a zbyt duże ilości błonnika ulegającego fermentacji mogą powodować luźne stolce.
Bezpośredni dodatek maślanu do karmy dla psów może więc być cenną alternatywą dla błonnika pokarmowego. Naukowcy z Uniwersytetu w Wageningen przetestowali wpływ ekstruzji na właściwości zapachowe mikrootoczkowanego maślanu sodu (30%) w komercyjnej formule karmy dla psów. Podczas ekstruzji i pakowania karmy RT nie wykazano wyraźnej różnicy w zapachu między dietami kontrolnymi i dietami z maślanem. Na rynku można znaleźć także karmy dla psów z wrażliwym przewodem pokarmowym z dodatkiem maślanu.
Wpływ maślanu może zależeć od jakości i składu karmy oraz stanu zdrowia zwierzęcia. Na przykład badano 0,5% dodatek suplementu zawierającego 30% mikrootoczkowanego maślanu sodu do karmy suchej dla psów (testowano zdrowe dorosłe psy rasy beagle) i nie stwierdzono negatywnego wpływu na jakość stolca ani strawność składników pokarmowych. Jednak wysokie dawki maślanu mogą wywoływać efekt osmotyczny, powodujący zwiększone uwodnienie i gorszą konsystencję kału (NRC 2006). Zalecane dawki profilaktyczne to 50–100 mg/ kg mc/ dzień, leczniczo w schorzeniach jelit 100–200 mg/ kg mc/ dzień.
U psów z IBD analizy metagenomiczne wykazały mniejszą liczebność Firmicutes, Faecalibacterium spp. i Fusobacterium spp., podczas gdy liczba Proteobacteria wzrastała w porównaniu z psami zdrowymi. Ocena kwasów tłuszczowych w kale u psów chorych na IBD uwidoczniła zmiany w profilach SCFA, a także w składzie mikrobioty jelitowej. W grupie psów chorych na IBD w porównaniu z grupą kontrolną wykazano istotne zmniejszenie stężenia octanu i propionianu w kale. Wykazano korelację między spadkiem tych SCFA a liczebnością Bacteroidetes, Fusobacterium spp., Faecalibacterium spp., C. hiranonis, Blautia spp., Streptococcus spp., Ruminococcaceae, Bifidobacterium spp., C. perfringens i E. coli. W badaniu opartym na metaanalizie danych z badań porównujących poziomy SCFA między klinicznie zdrowymi i chorymi na IBD psami wykazano, że poziomy SCFA są na ogół wyższe u psów zdrowych w porównaniu z psami dotkniętymi chorobami, takimi jak nieswoiste zapalenie jelit (IBD). W związku z tym stwierdzono, że SCFA może być stosowany jako marker funkcjonalności, ponieważ kondycja zwierzęcia ma na ich poziom bezpośredni wpływ.
Suplementy z mikrootoczkowanym maślanem sodu są polecane dla psów z biegunkami ostrymi, przewlekłymi i poantybiotykowymi, przy przebiegu chronicznych chorób przebiegających z zapaleniem błony śluzowej jelita, przy zaburzeniach wchłaniania jelitowego, dla poprawienia równowagi bioty bakteryjnej – również przy dysbiozie. Również jako wspomaganie prawidłowej pracy przewodu pokarmowego i regeneracji błony śluzowej jelit. Dotyczy to również sytuacji stresowych oraz okresu rekonwalescencji po zabiegach chirurgicznych w obrębie jamy brzusznej. Warto podkreślić, że u psów, podobnie jak u ludzi, stwierdzono paradoks maślanu w odniesieniu do komórek nowotworowych. Zaczęto również wiązać maślan z działaniem antydepresyjnym i uspokajającym (badania na szczurach).
Mimo wysokiego bezpieczeństwa stosowania preparatów zawierających mikrootoczkowany maślan, zasadność jego użycia oraz dawkę warto skonsultować z lekarzem weterynarii.
