Exploring tree-derived hemicelluloses as a source for prebiotics

Den globale tre- og papir industrien møter store utfordringer gjennom sterkt redusert etterspørsel og stadig flere fabrikker lukker dørene for godt. Industrien anser utvikling av sammensatte bioraffineriløsninger for produksjon av nye (høyverdi) varestrømmer fra trebiomasse som et alternativ som kan redde flere fabrikker. Hemicellulose i form av xylan og mannan utgjør begge hovedbestanddeler i trær (ca. 1/3) og den overordnete strukturen i disse hemicellulosene er den samme i trebiomasse som i spiselige plantekilder. Slike typer hemicellulose kan fremme vekst av gunstige bakterier i tarmsystemet og hemicellulose fra ikke spiselige biomasser kan dermed fungere som en alternativ kilde til prebiotika. Dette prosjektet medfører lavpris-produksjon av flere høyt definerte mulige prebiotiske oligosakkarider fra ikke spiselige kilder som finnes i store mengder. Hemicellulosene har blitt produsert ved hjelp av en kombinasjon av ekstraksjoner og avanserte enzymatiske modifiseringer som har gått ut på å genere oligosakkarider og samtidig selektivt fjerne ulike substituenter på disse. Prosjektet har økt den fundamentale forståelsen av prebiotika, ved å identifisere strukturelementer i karbohydratene som stimulerer utnyttelsen av oligosakkarider hos gunstige bakterier i mage tarmkanalen til husdyr og mennesker. Dette analytisk krevende prosjektet har kombinert det aller siste innen karbohydrat separasjonsteknologi og karakterisering, ny enzymteknologi kombinert med mikrobiologi- og DNAteknologi. Prosjektet har knyttet til seg Norsk prosessindustri og verdensledende forskningsgrupper for å sikre økt forståelse av mikroflora i tarm og til gjennomføring av fôringsforsøk med gris. Dette prosjektet har generert billige fôringredienser fra ikke spiselig kilder som kan bidra til økt produksjon av sunnere husdyr. På lengre sikt kan kunnskapen som har blitt generert i prosjektet også bidra til at vi kan vurdere hemicellulose fra trær som en reell funksjonell fiberingrediens i mat.

Prosjektet har vært et viktig første steg for å finne nye måter å bruke treråstoff og har bidratt sterkt til å plassere Ås Campus på kartet innen bioraffinering av trebiomasse, detaljert forståelse om hvordan bakterier nyttiggjør seg av komplekse karbohydrater, og til sist hvordan dette påvirker bakteriesammensetningen i mus og gris. Dette har gitt dyp innsikt og et godt grunnlag for å identifisere ingredienser som kan benyttes som prebiotika i fremtiden. Prosjektet har bidratt til et nært samarbeid med forskningsgrupper i USA (University of Michigan Medical School) og Danmark (DTU). Vi har gjennomført studier som viser at vi kan selektivt stimulere vekst av 'gode' bakterier i dyreforsøk, og i in-vitro forsøk med human tarmflora. Dette kan gi store sammfunnsmessige effekter ved at trebaserte karbohydrater kan brukes i for og bidra til bedre dyrehelse, og i fremtiden også kunne brukes i mat der de erstatter stabilisatorer fra eksotiske planter.

The wood and paper industry worldwide and domestically in Norway suffers from low demand and low prices, with several pulping plants recently closing down. Developing consolidated biorefinery solutions which generate higher value products from woody biomass are seen as an alternative to pulp and paper and hence are of utmost importance. Hemicellulose in the form of xylan and mannan is a major constituent in trees (ca. 1/3). Interestingly, the overall structure of these glycans in woody plants resembles structures found in edible plant sources and may serve as a basis for prebiotics. This project entails the production of several low cost and highly defined prebiotic oligosaccharides from non-edible (high abundance) sources. These will be produced and tailored by advanced enzymatic modifications, selectively removing various substituents. This project will increase the understanding of prebiotics, by identifying key structural elements that are determinants for the utilization of oligosaccharides by commensal bacteria in both the GI tract of livestock and humans. This analytically challenging project, will utilizing state of the art in carbohydrate separation and characterization tools, novel enzyme technology combined with microbiology and DNA technology. A challenging element in the project is to successfully transfer knowledge acquired by selective oligosaccharide fermentation in vitro to the design of feed experiments identifying the growth of potentially beneficial microbiota as well as other positive nutritional effects. There are also challenges connected to the up-scaling of prebiotic production obtaining sufficient amounts required for pigs feed trials. A successful project will possibly generate a cheap feed ingredient from a non-edible source which may yield increased production of healthier livestock. On a long term basis, we may also be able to utilize prebiotics from wood in food.