Bộ môn Công nghệ Sinh học - Thực phẩm

1. Giới thiệu
Các axit béo chuỗi ngắn (SCFAs), là các chất chuyển hóa được vi khuẩn tạo ra sau quá trình lên men ở ruột già. SCFAs là các axit béo bão hòa có chứa sáu phân tử cacbon trở xuống bao gồm axetat, propionat, butyrat, axit pentanoic (valeric) và axit hexanoic (caproic). SCFAs, đặc biệt là axetat, propionat và butyrat, có ảnh hưởng đến cơ chế bệnh sinh của nhiều loại bệnh khác nhau, từ dị ứng và hen suyễn đến ung thư, bệnh tự miễn dịch, bệnh chuyển hóa và bệnh thần kinh.

Hình 1. Các axit béo chuỗi ngắn đặc trưng, từ trái qua phải và từ trên xuống dưới: Axetat, propionate, butyrat, valeric và caproic.

SCFAs có thể được tạo ra một cách tự nhiên thông qua các con đường trao đổi chất ở gan, và sự lên men của vi khuẩn đại tràng ở ruột kết. 
SCFA được tạo ra thông qua quá trình lên men chất xơ ở đại tràng với nồng độ rất cao (70–140 mM). Tỷ lệ mol của axetat, propionat và butyrat trong ruột kết tương ứng là 60:25:15. Tỷ lệ này có thể thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố như chế độ ăn uống, thành phần vi sinh vật đường ruột, địa điểm lên men trong ruột, và cơ địa từng người (1).
2. Sinh tổng hợp SCFA 
Các Polysaccharide không tiêu hóa là cơ chất chính tạo thành SCFA. Polysaccharide không tiêu hóa được hoặc tiêu hóa một phần trong ruột non có thể trải qua quá trình lên men bởi các vi khuẩn kỵ khí ở ruột già tạo SCFA, khí và sinh nhiệt. Những polysaccharid này được gọi là polysaccharid có thể lên men (FOODMAP) và được phân loại dưới dạng chất xơ và tinh bột kháng tiêu hóa (RS). 
1. Chất xơ được phân loại thành xơ không hòa tan hoặc xơ hòa tan có trong thành tế bào thực vật. Vd: Cellulos và lignin. Các chất xơ không hòa tan có khả năng lên men cao và do đó tạo ra SCFA nhiều hơn trong ruột kết trong khi các chất xơ hòa tan có khả năng lên men thấp hơn. 
2. RS có thể được chia nhỏ thành bốn loại: tinh bột dạng vật lý (ở dạng hạt thô), hạt RS giàu amylose tự nhiên (vd: Khoai tây sống), tinh bột đã giãn mạch (vd: Khoai tây nấu chín và để nguội) và tinh bột biến đổi hóa học (vd: Khoai tây đã qua chế biến thực phẩm). RS là chất nền tạo SCFAs mạnh nhất. 
3. Cuối cùng, ở mức độ thấp hơn, một số SCFA như isobutyrate và isovalerate được tạo ra trong quá trình dị hóa các axit amin chuỗi nhánh như valine, leucine và isoleucine và chất trung gian của quá trình lên men trong hệ vi sinh vật như lactate hoặc ethanol cũng có thể được chuyển hóa thành SCFA (1).
3. Tác dụng của SCFA với sức khỏe
3.1 Chống viêm
SCFAs có tác dụng chống viêm bằng cách điều chỉnh hóa chất tế bào miễn dịch, giải phóng các loại oxy phản ứng (ROS) cũng như giải phóng cytokine. Butyrate tạo ra tác dụng chống viêm thông qua ức chế IL-12 và điều hòa sản xuất IL-10 trong tế bào bạch cầu, ngăn chặn sản xuất các phân tử tiền viêm TNFa, IL-1b, oxit nitric, và giảm hoạt tính NF-ĸB. Quá trình giảm hoạt tính NF-ĸB có trong cả ba SCFA, hoạt tính theo thứ tự: Butyrate> propionate> acetate. 
Trong điều kiện viêm nhiễm, việc bổ sung acetate đã được chứng minh là ức chế sự di chuyển của bạch cầu ở người. Acetate thúc đẩy sự giải phóng ROS, là các yếu tố diệt khuẩn hiệu quả liên quan đến việc loại bỏ mầm bệnh.
SCFAs không chỉ điều chỉnh sự di chuyển mà còn cả hoạt động của tế bào. SCFAs có thể điều chỉnh các bệnh viêm bằng cách kiểm soát chặt chẽ sự di chuyển của các tế bào miễn dịch đến các vị trí viêm cũng như điều chỉnh trạng thái kích hoạt của chúng. Từ đó, đẩy nhanh quá trình loại bỏ mầm bệnh thông qua kích hoạt ROS. Tất cả các quá trình này sẽ làm giảm thương tích cho cơ thể, điều này còn có lợi cho sự tăng trưởng các nhóm vi khuẩn đường ruột lên men SCFA (1).
3.2 Chống ung thư 
Butyrate có liên quan đến hoạt động chống ung thư trên nhiều dòng tế bào ung thư ở người. Thí nghiệm trong việc điều trị tế bào u gan người cho thấy có sự tăng biểu hiện của các gen ức chế tế bào và đảo ngược kiểu hình ác tính, liên quan đến việc giảm hoạt động của telomerase (telomerase có thể duy trì sự tăng sinh của tế bào ung thư).
Hơn nữa, butyrate kích hoạt gen GPR109a trên tế bào ung thư ruột kết ở người làm tăng nồng độ chất vận chuyển butyrate MCT-1. Sự kích hoạt GPR109a do butyrate gây ra có thể trực tiếp ức chế sự phát triển của ung thư ruột kết bằng cách gây ra quá trình apoptosis (tế bào tự chết) hoặc gián tiếp thông qua tăng chất vận chuyển butyrate SMCT-1. Từ đó, SMCT-1 có thể vận chuyển butyrate vào các tế bào ruột kết và ngăn chặn sự phát triển của tế bào ung thư. 
Ngay cả khi cơ chế của SCFA đối với bệnh ung thu vẫn còn cần nhiều nghiên cứu, vẫn có nhiều bằng chứng cho thấy chất xơ làm giảm nguy cơ ung thư, đặc biệt là ung thư đại trực tràng. Phân tích của 25 nghiên cứu đã chứng minh rằng ngũ cốc và ngũ cốc nguyên hạt có liên quan đến việc giảm nguy cơ ung thư đại trực tràng, hỗ trợ vai trò có lợi của SCFAs trong phòng chống bệnh ung thư (1).
3.3 Khả năng kháng khuẩn
Các axit béo tự do chuỗi trung bình và ngắn có hoạt tính kháng khuẩn và được sử dụng trong nông nghiệp. Ví dụ, propionat thường được sử dụng như một chất phụ gia chống vi khuẩn trong thực phẩm. Trong khi sử dụng butyrate chống nhiễm khuẩn Salmonella. Một số cơ chế chính của các axit béo tự do trong các hoạt động kháng khuẩn bao gồm: Phá vỡ sự cân bằng nội mô và thẩm thấu, thay đổi pH, hấp thu chất dinh dưỡng tan trong chất béo và tạo nồng độ thấp.
Axit formic, axetat, propionat, butyrat, và axit hexanoic gây ra tác dụng diệt khuẩn hoặc ức chế tăng trưởng trên vi sinh vật hiếu khí ở nồng độ thấp. Axit propionat và hexanoic cũng có tác dụng kháng khuẩn bằng cách tạo peptit kháng khuẩn mà không gây ra phản ứng tiền viêm do sản xuất IL-1b. Butyrate kích thích bạch cầu tiết ra cathelicidin, một chất chống nhiễm khuẩn. 
Mặt khác, các hoạt động kháng khuẩn của SCFA không có tác động với nhóm vi khuẩn đường ruột nhưng lại có tác động mạnh đối với các vi sinh vật khác. Do đó, sinh tổng hợp SCFAs có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành hệ vi sinh vật đường ruột; tuy nhiên, những tác động chính xác của SCFAs đối với sự chọn lọc vi khuẩn đường ruột cần được nghiên cứu thêm (1).
3.4 Tính toàn vẹn của ruột
Tính toàn vẹn của ruột là một yếu tố quan trọng duy trì cân bằng nội môi của niêm mạc ruột, được đảm bảo bằng sự ngăn cách giữa cơ chất trong ruột và niêm mạc ruột, đây còn gọi là hàng rào biểu mô. Giảm tính toàn vẹn của ruột là do các bệnh đường ruột khác nhau như: Bệnh viêm ruột, celiac, hội chứng ruột kích thích và ung thư đại trực tràng. 
Hàng rào biểu mô là một lớp chất nhầy tạo thành một rào cản vật lý ngăn cách biểu mô khỏi môi trường đường ruột, và điều này góp phần vào tính toàn vẹn của ruột bằng cách hạn chế sự xâm nhập vật lý của vi khuẩn vào biểu mô, do đó hạn chế sự phát triển vi khuẩn và gây viêm nhiễm. 
Sự thiếu hụt chất nhầy làm trầm trọng các bệnh đường ruột khác nhau như: viêm niêm mạc ruột. SCFAs đóng vai trò quan trọng thúc đẩy tính toàn vẹn của ruột bằng cách tăng sinh hệ vi sinh vật đường ruột. Tuy nhiên, cơ chế hiệu ứng này vẫn cần được nghiên cứu thêm.
Người ta thấy rằng nồng độ SCFAs trong cả đường tiêu hóa và máu thấp làm tăng tính thấm của ruột, thường xảy ra ở những người có bệnh béo phì.
Ngoài tác động lên lớp biểu mô, SCFAs có thể thúc đẩy tính toàn vẹn của ruột bằng cách duy trì sự cộng sinh hệ vi khuẩn đường ruột bằng cách giảm pH và mặt khác, ức chế sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh. 
Tuy nhiên, một số vi khuẩn gây bệnh cơ hội đã phát triển khi pH giảm do SCFAs. Một số nghiên cứu cho thấy butyrate thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn E. coli trong ruột già (1).
3.5 Hoạt động của ruột
SCFAs, đặc biệt là butyrate, đảm bảo trạng thái hoạt động, sinh trưởng và phát triển bình thường của tế bào ruột kết. Ngoài vai trò cung cấp năng lượng, SCFA trong ruột thực hiện các chức năng sinh lý khác nhau bao gồm: Khả năng hoạt động của ruột kết, lưu lượng máu ở ruột kết và pH đường tiêu hóa, ảnh hưởng đến sự hấp thu và hấp thụ các chất điện giải và chất dinh dưỡng. SCFAs có tác động cục bộ hoặc một phần hay toàn bộ lên chức năng tiêu hóa các tế bào ruột và đóng vai trò chất nền miễn dịch chính trong ruột kết (1).
3.6 Dị ứng ở trẻ em
So sánh nồng độ SCFAs trong phân ở trẻ em dị ứng và không bị dị ứng. Kết quả cho thấy trẻ sơ sinh bị dị ứng có lượng propionat, acetate và butyrate trong phân thấp hơn so với những trẻ không bị dị ứng. Nghiên cứu này cho thấy SCFA có thể đóng một vai trò nào đó trong việc chống lại các bệnh lý dị ứng ở trẻ sơ sinh. Tuy nhiên, cơ chế này cần được nghiên cứu nhiều hơn (1).
Tài liệu tham khảo
1. Tan và cộng sự. The role of short-chain fatty acids in health and disease. Advances in immunology, 121, 91-119. 2014.
ThS Lâm Đức Cường (Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Văn Hiến)