Postbiotyki jako alternatywa dla probiotyków – implikacje technologiczne i produkcyjne dla rynków suplementów diety

Wprowadzenie

Zainteresowanie produktami biotycznymi utrzymuje się od wielu lat, a świadomość znaczenia mikro-organizmów dla zdrowia systematycznie rośnie. W ostatnich dekadach dominującą kategorią w suplementacji były probiotyki, definiowane jako żywe mikroorganizmy, które podawane w odpowiednich ilościach wywierają korzystny wpływ na organizm gospodarza [1].

Wraz z rozwojem rynku rośnie jednak znaczenie stabilności, powtarzalności i kontroli jakości pro-duktów zawierających komponenty mikrobiologiczne. W odpowiedzi na te potrzeby coraz większe zainteresowanie budzą postbiotyki, stanowiące nową kategorię składników funkcjonalnych.

Termin ten został ustandaryzowany w 2021 roku przez Międzynarodowe Stowarzyszenie Naukowe ds. Probiotyków i Prebiotyków (ISAPP). Zgodnie z tym konsensusem, postbiotyk to preparat mikroorganizmów nieożywionych i/lub ich składników, który zapewnia korzyści zdrowotne gospodarzowi [2]. Oznacza to, że produkt końcowy zawiera inaktywowane komórki mikroorganizmów, ich fragmenty oraz metabolity o aktywności biologicznej.

Dynamiczny wzrost tego segmentu jest związany zarówno z postępem metod inaktywacji mikro-organizmów [3], jak i rozwojem narzędzi analitycznych umożliwiających identyfikację bioaktywnych komponentów odpowiedzialnych za obserwowane efekty biologiczne [4].

Postbiotyki wzbudzają szczególne zainteresowanie z perspektywy technologii wytwarzania suplementów diety. Eliminacja konieczności utrzymania żywotności mikroorganizmów wpływa na sposób projektowania procesu technologicznego, wymagania infrastrukturalne, kontrolę jakości oraz stabilność produktu końcowego. Celem artykułu jest przedstawienie najważniejszych różnic pomiędzy probiotykami i postbiotykami z perspektywy procesowej oraz omówienie ich konsekwencji dla przemysłowej produkcji suplementów diety.

Postbiotyki a probiotyki – różnice w procesie produkcyjnym

Pierwszy etap produkcji postbiotyków jest zasadniczo taki sam jak w przypadku probiotyków i opiera się na hodowli wyselekcjonowanych, dobrze scharakteryzowanych szczepów mikroorganizmów o określonych właściwościach funkcjonalnych. Etap hodowli jest procesem kluczowym, ponieważ jego warunki bezpośrednio wpływają na skład oraz ilość wytwarzanej biomasy i cennych metabolitów. Oprócz dobrania odpowiednich drobnoustrojów, niezwykle istotne są więc parametry hodowlane, które muszą być ściśle monitorowane. Rodzaj podłoża, a także parametry fizykochemiczne bezpośrednio wpływają na tempo wzrostu komórek i profil powstających metabolitów. W zależności od dobranych warunków hodowli, mikroorganizmy mogą preferencyjnie wytwarzać szeroką gamę bioaktywnych związków, takich jak bakteriocyny, krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA, ang. short-chain fatty acids), egzopolisacharydy czy bioaktywne peptydy [5-7].

W warunkach przemysłowych hodowla jest prowadzona w bio-reaktorach, które umożliwiają precyzyjną kontrolę parametrów środowiskowych oraz zapewniają wysoką powtarzalność. Wybór odpowiedniego urządzenia, a także trybu pracy hodowli są ko-lejnymi ważnymi czynnikami, które należy wziąć pod uwagę przy produkcji przemysłowej. Zazwyczaj stosuje się różne konfiguracje układów hodowlanych i w zależności od celu prowadzonego procesu możemy wyróżnić hodowle okresowe (batch), półciągłe (fed-batch) oraz ciągłe (continuous), które różnią się od siebie pod względem stopnia kontroli nad przebiegiem fermentacji, stabilności warunków procesu oraz złożoności operacyjnej [8].

Innym istotnym parametrem prowadzenia procesu hodowlane-go jest skalowanie produkcji. Przejście od skali laboratoryjnej do przemysłowej wiąże się z koniecznością uwzględnienia szeregu ograniczeń wynikających ze zmiany warunków fizykochemicznych układu. Kluczowe znaczenie zyskują tu zjawiska transportu masy i ciepła, wymiana gazowa oraz efektywność działania. Ich nieodpowiednia optymalizacja może prowadzić do powstawania lokalnych gradientów wewnątrz bioreaktora. W konsekwencji może to wpływać na aktywność metaboliczną mikroorganizmów oraz skład uzyskanego produktu. Skalowanie wymaga więc przeprowadzenia szeregu te-stów weryfikacyjnych, potwierdzających stabilność i powtarzalność procesu w kolejnych etapach zwiększania skali produkcji [9].

Po zakończeniu etapu hodowlanego biomasa mikroorganizmów, zarówno w produkcji probiotyków, jak i postbiotyków, poddawana jest podstawowym operacjom tzw. downstream processing. Obejmują one przede wszystkim oddzielenie komórek od podłoża hodowlanego, najczęściej poprzez wirowanie lub filtrację, a następnie zagęszczenie i przygotowanie do dalszych faz przetwarzania. Etap ten stanowi standardowy element procesu technologicznego i zapewnia uzyskanie materiału biologicznego w formie umożliwiającej jego dalsze wykorzystanie [10].

Zasadnicza różnica pomiędzy produkcją obu typów preparatów rozpoczyna się po zakończeniu etapu hodowlanego. W przypadku probiotyków, dalsze operacje jednostkowe ukierunkowane są na utrzymanie żywotności komórek, co wiąże się z ograniczeniami dotyczącymi temperatury, wilgotności czy ekspozycji na czynniki stresowe. Z kolei u postbiotyków, kluczowym etapem po procesie hodowlanym jest kontrolowana inaktywacja powstałej biomasy. Zgodnie z definicją, postbiotyki to preparaty zawierające nieożywione drobnoustroje i/lub ich komponenty i metabolity. Z tego względu proces ich dezaktywacji musi zapewniać całkowitą utratę zdolności do namnażania, przy jednoczesnym zachowaniu integralności struktur komórkowych i aktywności związków bioaktywnych.

Inaktywacja stanowi operację o znaczeniu krytycznym dla postbiotyku [2,11]. W zależności od przyjętej technologii, może ona obejmować metody termiczne (pasteryzacja, ogrzewanie omowe) lub nietermiczne (wysokie ciśnienie hydrostatyczne, pulsacyjne pole elektryczne, ultradźwięki). Rozwiązania termiczne są dobrze poznane i proste we wdrożeniu przemysłowym. Ich ograniczeniem może być jednak częściowa degradacja białek oraz innych wrażliwych związków bioaktywnych, co potencjalnie wpływa na aktywność biologiczną produktu końcowego. Z kolei metody nietermiczne pozwalają na dezaktywację komórek przy minimalnym naruszeniu struktury komponentów, co lepiej chroni ich funkcjonalność. Ich mankamentem są wyższe koszty wdrożenia oraz ograniczenia związane ze skalowaniem procesów w warunkach przemysłowych [12-13]. Postbiotyki charakteryzują się znacznie większą stabilnością termiczną i chemiczną w porównaniu do probiotyków. Z uwagi na brak żywych komórek, nie wymagają utrzymywania łańcucha chłodniczego ani stosowania specjalistycznych systemów zabezpieczających podczas transportu i przechowywania. Mogą być stabilne w temperaturze pokojowej, bez istotnej utraty aktywności biologicznej, co istotnie upraszcza ich logistykę oraz zastosowanie w różnych formulacjach. Dodatkowo ich skład jest bardziej powtarzalny, ponieważ nie zależy od dynamiki wzrostu i przeżywalności populacji mikroorganizmów. Brak konieczności utrzymania żywotności eliminuje również ryzyko mikrobiologiczne z nim związane, np. ryzyko przenoszenia genów oporności [6-7,11].

Wysoka stabilność oraz długi okres przydatności postbiotyków przekładają się na mniejsze wymagania formulacyjne oraz umożliwiają tworzenie szerokiego spektrum innowacyjnych form produktów – od klasycznych suplementów w postaci kapsułek i proszków, po bardziej złożone matryce spożywcze, takie jak napoje i żywność funkcjonalna. Ponieważ zachowują one aktywność w szerokim zakresie pH oraz temperatury, umożliwia to ich włączanie już na etapie mieszania składników, jeszcze przed obróbką termiczną, ograniczając jednocześnie ryzyko kontaminacji mikrobiologicznej. W praktyce przemysłowej oznacza to uproszczenie cyklu produkcyjnego, ponieważ nie ma konieczności stosowania specjalnych warunków chłodniczych ani prowadzenia testów żywotności przy każdej serii.

W efekcie proces wytwarzania postbiotyków projektuje się inaczej niż w technologii probiotycznej. O ile dla probiotyków kluczowe jest minimalizowanie strat żywych komórek na każdym etapie, o tyle w produkcji postbiotyków priorytetem staje się kontrola warunków prowadzących do uzyskania określonego, powtarzalnego składu finalnego preparatu. Różnice te wpływają nie tylko na przebieg procesu, ale również na jego skalowalność i organizację [2,6-7].

Wpływ na linie produkcyjne i kontrolę jakości

Z punktu widzenia organizacji wytwarzania suplementów diety, zastosowanie postbiotyków istotnie zmienia wymagania wobec infrastruktury technologicznej. W przypadku probiotyków konieczne jest utrzymanie żywotności mikroorganizmów na wszystkich etapach produkcji, co przekłada się na potrzebę stosowania kontrolowanej atmosfery, ograniczenia dostępu tlenu i wilgoci oraz często infrastruktury chłodniczej. Procesy takie jak liofilizacja lub suszenie rozpyłowe wymagają dodatkowo precyzyjnej optymalizacji parametrów, aby ograniczyć straty żywych komórek [15-16]. W praktyce przemysłowej stosuje się również techniki enkapsulacji lub mikroenkapsulacji (np. w matrycach polisacharydowych lub lipidowych), których celem jest zwiększenie stabilności podczas przechowywania oraz ochrona komórek przed niekorzystnymi warunkami środowiska przewodu pokarmowego [15].

Kluczowym elementem procesu produkcji probiotyków jest bieżąca kontrola przeżywalności mikroorganizmów. W praktyce przemysłowej stosuje się przede wszystkim oznaczenia liczby jednostek tworzących kolonie (CFU, ang. colony forming unit), testy żywotności oparte na barwieniach fluorescencyjnych, cytometrię przepływową oraz metody molekularne, takie jak qPCR, często w połączeniu z technikami takimi jak PMA-qPCR, umożliwiającymi różnicowanie komórek żywych i martwych [17-19]. Metody te są niezbędne do oceny jakości produktu, jednak mają istotne ograniczenia interpretacyjne oraz są podatne na zmienność wyników wynikającą z warunków hodowli i przechowywania. W przypadku postbiotyków konieczność monitorowania przeżywalności zostaje wyeliminowana, jednak nie oznacza to uproszczenia kontroli jakości, lecz jej przedefiniowanie. Kluczowym etapem procesu staje się kontrolowana dezaktywacja mikroorganizmów, która powinna zapewniać jednocześnie brak zdolności do namnażania oraz zachowanie struktury komórkowej i aktywnych metabolitów [13].

W praktyce oznacza to, że zamiast oceny żywotności stosuje się:

• charakterystykę strukturalną komponentów komórkowych z wykorzystaniem metod chromatograficznych i spektrometrycznych [3,13].

• potwierdzenie skuteczności inaktywacji (np. brak wzrostu w warunkach hodowlanych),

• analizę profilu metabolitów i składników bioaktywnych,
• charakterystykę strukturalną komponentów komórkowych z wykorzystaniem metod chromatograficznych i spektrometrycznych [3,13].

Zmienia się tym samym punkt ciężkości nadzoru jakościowego – z oceny parametrów biologicznych na ocenę parametrów fizyko-chemicznych i strukturalnych. Jednocześnie rośnie znaczenie kontroli procesowej, ponieważ powtarzalność produktu końcowego zależy bezpośrednio od stabilności warunków fermentacji i inaktywacji. Z punktu widzenia linii produkcyjnej oznacza to odmienne wymagania operacyjne. W produkcji probiotyków istotne pozostaje utrzymanie odpowiedniej liczby żywych komórek na każdym etapie procesu, a postbiotyków – zapewnienie powtarzalności procesu technologicznego oraz kontrola parametrów determinujących skład końcowego preparatu. Dodatkowo postbiotyki, jako materiały o zwiększonej stabilności, mogą być przetwarzane w standardowych warunkach technologicznych, bez konieczności stosowania specjalnych systemów ochronnych. Uproszczeniu ulega także pakowanie, magazynowanie i dystrybucja, ponieważ nie jest wymagany łańcuch chłodniczy [3].

W konsekwencji różnice między probiotykami a postbiotykami mają charakter nie tylko biologiczny, lecz przede wszystkim procesowy, determinując projektowanie całej linii produkcyjnej.

Wyzwania i ograniczenia

Pomimo licznych korzyści technologicznych produkcja postbiotyków wiąże się z szeregiem wyzwań. Jednym z najważniejszych jest brak pełnej standaryzacji procesów produkcyjnych. W literaturze wskazuje się, że nie istnieją jednolite wytyczne dotyczące doboru szczepów, metod inaktywacji ani sposobów analitycznej charakterystyki produktów, co utrudnia porównywalność wyników oraz harmonizację podejść produkcyjnych [3,13].

Dodatkowo właściwości końcowego produktu są silnie uzależnione od szczegółów procesu technologicznego. Nawet niewielkie zmiany parametrów fermentacji lub metod inaktywacji mogą prowadzić do istotnych różnic w profilu bioaktywnych komponentów, co wymaga ścisłej kontroli procesowej oraz ponownej walidacji przy zmianach technologicznych [13].

Skalę trudności związanych z utrzymaniem stabilności biologicznej dobrze ilustrują praktyki stosowane w produkcji probiotyków, w szczególności wykorzystanie tzw. naddatków technologicznych (overage). Polegają one na wprowadzaniu do formulacji większej liczby żywych komórek niż deklarowana na etykiecie, często na poziomie kilkudziesięciu do ponad 100% wartości deklarowanej, w zależności od stabilności szczepu i przewidywanych strat w czasie przechowywania [15-16].

Strategia ta wynika z nieuniknionych strat żywotności zachodzących podczas procesów produkcyjnych, magazynowania oraz dystrybucji. Czynniki takie jak temperatura, wilgotność, obecność tlenu czy interakcje z innymi składnikami formulacji prowadzą do stopniowego spadku liczby żywych komórek, co wymusza kompensację na etapie projektowania produktu [15-16].

Choć podejście to pozwala na utrzymanie deklarowanej liczby CFU do końca okresu przydatności, generuje dodatkowe konsekwencje technologiczne. Utrudnia precyzyjne bilansowanie formulacji, zwiększa zmienność między seriami oraz wpływa na koszty produkcji poprzez konieczność stosowania większej ilości biomasy mikroorganizmów. Ponadto rzeczywista zawartość mikroorganizmów bezpośrednio po produkcji znacząco odbiega od wartości deklarowanej, co może prowadzić do niejednoznaczności interpretacyjnych w ocenie jakości produktu.

W praktyce przemysłowej stosowanie naddatków technologicznych bywa również determinowane wymaganiami kontraktowymi oraz systemami zapewnienia jakości. Specyfikacje surowców lub produktów końcowych często definiują minimalną liczbę żywych komórek na koniec okresu przydatności do spożycia, co w połączeniu z audytami jakościowymi (np. w ramach systemów GMP) wymusza przyjęcie konserwatywnych założeń i odpowiednio wysokich poziomów overage.

W przypadku postbiotyków problem ten nie występuje, ponie-waż brak żywych komórek eliminuje zjawisko spadku żywotności w czasie. Nie oznacza to jednak braku wyzwań jakościowych. Postbiotyki stanowią złożone mieszaniny komponentów biologicznych, których pełna charakterystyka jest utrudniona i często nie ogranicza się do jednego jednoznacznego markera analitycznego [3]. W konsekwencji nadzór nad produktem opiera się w większym stopniu na standaryzacji procesu niż na oznaczeniu jednego parametru końcowego.

Istotnym ograniczeniem pozostaje również brak zdolności do kolonizacji przewodu pokarmowego, co sprawia, że postbiotyki nie zastępują wszystkich funkcji probiotyków, szczególnie w zastosowaniach wymagających odbudowy mikrobioty.

Podsumowanie

Postbiotyki stanowią istotną zmianę w podejściu do projektowania i wytwarzania suplementów diety zawierających komponenty mikrobiologiczne. Ich zastosowanie upraszcza część operacji technologicznych poprzez eliminację konieczności utrzymania żywotności mikroorganizmów. Przekłada się to na wyższą trwałość produktu, łatwiejszą kontrolę jakości oraz większą elastyczność formulacyjną.

Jednocześnie większe znaczenie zyskuje kontrola procesu technologicznego oraz utrzymanie powtarzalnego składu produktu końcowego. W praktyce oznacza to większy nadzór nad kontrolą procesową czy walidacją. Postbiotyki nie stanowią pełnego substytutu probiotyków, lecz ich uzupełnienie. Ich największa wartość ujawnia się w zastosowaniach wymagających stabilności, przewidywalności i łatwej integracji z istniejącymi liniami produkcyjnymi. W kontekście przemysłowym ich wdrożenie może przyczynić się do optymalizacji procesów produkcyjnych oraz zwiększenia powtarzalności jakości wyrobów końcowych.