Arbeitsgemeinschaft für Wirkstoffe in der Tierernährung e.v. (Hrsg.) Probiotika. in der Tierernährung

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1 Arbeitsgemeinschaft für Wirkstoffe in der Tierernährung e.v. (Hrsg.) Probiotika in der Tierernährung

2 Herausgeber Arbeitsgemeinschaft für Wirkstoffe in der Tierernährung e.v. (AWT) Ansprechpartnerin: Dr. E. Süphke Roonstr. 5 D Bonn Tel / Fax / Wirtschaftsverband AWT Die AWT als deutscher Wirtschaftsverband mit internationaler Tätigkeit vertritt die fachlichen, wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Interessen der führenden Hersteller und Verarbeiter von Zusatzstoffen für die Tierernährung. Aufgaben und Ziele Wahrnehmung der Mitgliederinteressen und deren Vertretung gegenüber Behörden, Regierungsstellen, gesetzgebenden Körperschaften, Fachorganisationen und anderen Institutionen auf nationaler Ebene Vertretung der deutschen Interessen für Zusatzstoffe auf internationaler Ebene Mitarbeit bei der Harmonisierung der Zulassungsbedingungen von Zusatzstoffen Unterrichtung und Beratung der Mitglieder in allen fachspezifischen Angelegenheiten und insbesondere über aktuelle Gesetzgebungsverfahren Information der Öffentlichkeit über Nutzen, Sicherheit und Qualität von Zusatzstoffen in der Tierernährung

3 Arbeitsgemeinschaft für Wirkstoffe in der Tierernährung e.v. (Hrsg.) Probiotika in der Tierernährung Verantwortlich für den Inhalt Dr. Angela Busch, Hoffmann-La Roche Dr. Hans-Heinrich Herrmann, Pioneer Hi-Bred Northern Europe Dr. Imke Kühn, Lohmann Animal Health Prof. Dr. Ortwin Simon, Freie Universität Berlin Dr. Jürgen Struck, Hoechst Roussel Vet Dr. Elvira Süphke, AWT

4 ISBN X 1999 by Buchedition Agrimedia GmbH in Bergen in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Fachverlag in Frankfurt am Main. Telefon ( ) Telefax ( ) Internet: Alle Rechte vorbehalten.

5 Inhalt 1. Einführung Ziel des Probiotikaeinsatzes Der Magen-Darmtrakt und seine Mikroflora Wirkungsweise der Probiotika Die verschiedenen Probiotika Milchsäurebakterien Bacillussporen Hefen Probiotika als Futterzusatzstoffe Futtermittelrechtliche Regelungen Einsatzempfehlungen Kompatibilität mit anderen Wirkstoffen Ökonomischer und ökologischer Nutzen Produktqualität und Umwelt Herstellung und Qualitätssicherung Anwendungssicherheit Stabilität und Nachweisbarkeit in Futtermitteln Aktivität im Verdauungstrakt...39

6 Inhalt 6. Zusammenfassung Erläuterung verwendeter Begriffe Weiterführende Literatur...42

7 1. Einführung Probiotika sind lebende, mikrobielle Historisch betrachtet leisten Mikroorga- Zusatzstoffe, die die Darmflora in einem nismen schon seit Jahrtausenden dem für das Wirtstier positiven Sinne beein- Menschen in der Landwirtschaft und flussen. Dies wird auch als Unterstüt- Ernährung gute Dienste. Die bekannteszung des Gleichgewichts der Darmflora ten Beispiele dafür sind die Herstellung bezeichnet (Fuller, 1992). Dementspre- von Silage, Sauerkraut und Sauermilchchend werden Probiotika futtermittel- produkten wie Joghurt, Quark und auch rechtlich in der Gruppe der Mikroorga- Kefir. Die systematische Erforschung der nismen als Futterzusatzstoffe zur Stabili- Probiotika beim Menschen begann sierung der Darmflora geregelt. bereits Anfang dieses Jahrhunderts. Gebräuchliche Synonyme sind die Begriffe: Bioregulatoren, Darmflorastabi- Eli Metchnikoff, ein russischer Biologe, lisatoren oder»direct fed microbials«der um 1900 am Institut Pasteur in Paris (DFM, nordamerikanisches Schrifttum). arbeitete, studierte das Geheimnis der Im engeren Sinne werden zu den Probio- hohen Lebenserwartung der Kosaken in tika nur Produkte zur Stabilisierung der Bulgarien. Er führte das überdurch- Darmflora gezählt, die aus einem oder schnittlich hohe Alter der Kosaken, 115 wenigen, genau definierten Mikroorga- Jahre und mehr, auf folgende Ursache nismus-stämmen bestehen (WHO, zurück: Allen gemein war ein hoher Kon- 1994). Mischkulturen zur Etablierung der sum von fermentierten Milchprodukten Darmflora werden normalerweise nicht Den für die Fermentation maßgeblichen zu den Probiotika gezählt. Mikroorganismus nannte Metchnikoff Bacillus bulgaricus, später Lactobacil- Auch in der Humanernährung und Medi- lus bulgaricus. Bereits in den 20er Jahzin eingesetzte Mikroorganismen werden ren wurden diese Mikroorganismen beim meist als Probiotika bezeichnet, wobei Menschen eingesetzt, um Durchfälle und darunter jedoch nicht nur wie in der andere Darmkrankheiten zu bekämpfen. Tierernährung lebende, sondern auch abgetötete Mikroorganismen verstanden In den darauffolgenden Jahrzehnten werden. wurde es relativ still um die Probiotika. Erst in den 60er und 70er Jahren dieses Jahrhunderts hat sich die Human- und 9

8 Einführung Tierernährung wieder auf die Probiotika besonnen. Erste leistungsfähige Produkte für die Tierernährung, die den spezifischen Anforderungen für den Einsatz als Futterzusatzstoffe gerecht wurden, kamen in Europa jedoch erst Mitte der 80er Jahre auf den Markt. Heute stehen der Tierernährung eine Reihe definierter Stämme als Probiotika zur Verfügung, die zu den Gruppen der Milchsäurebakterien, der Bacillussporen oder der Hefen gehören. 10

9 2. Ziel des Probiotikaeinsatzes 2.1 Der Magen-Darmtrakt und seine Mikroflora Mensch und Tier werden mit einem sterilen Verdauungstrakt geboren. Aber schon sehr rasch erfolgt die Besiedelung von Magen und vor allem Darm mit lebenden Keimen, der Mikroflora. Sie bildet dort ein offenes, komplexes Ökosystem, welches sehr wichtig für den Organismus ist. Die Mikroflora ist einer- seits an der Verdauung der Nährstoffe beteiligt, andererseits wirkt sie lokal auf das Immunsystem im Darm. Hierdurch ergeben sich ideale Möglichkeiten, auf natürlichem Wege Gesundheit, Wohlbe- finden und Leistung über die Mikroflora positiv zu beeinflussen. Auf diesem Gebiet gibt es seit langem Erfahrungen und in jüngerer Zeit wird wieder verstärkt wissenschaftlich darüber gearbeitet. Aufgabe, Aufbau und Funktionsweise des Magen-Darmtraktes Um die Zusammenhänge zwischen Darm- flora und Verdauung aufzuzeigen, soll zunächst kurz auf den Aufbau und die Aufgaben des Verdauungstraktes einge- gangen werden. Die Hauptaufgabe von Magen und Darm besteht darin, die auf- genommene Nahrung zu verdauen und somit die darin enthaltenen Nährstoffe dem Stoffwechsel bereitzustellen. Der Magen-Darmtrakt gliedert sich in Magen, Dünndarm (Zwölffinger-, Leerund Hüftdarm) und Dickdarm (Blind-, Grimm- und Mastdarm). Im Magen wird die aufgenommene Nahrung durch die von der Schleimhaut gebildete Säure stark angesäuert und die Eiweißverdauung vorwiegend durch die Wirkung von Pepsin eingeleitet. Im Dünn- darm wirken die unterschiedlichsten Verdauungsenzyme ein und zerlegen die Nahrungspartikel in absorbierbare Bestandteile. Um die Nährstoffabsorption möglichst effizient zu gestalten, besitzt der Magen-Darmtrakt eine sehr große Schleimhautoberfläche, die etwa das 100fache der Hautoberfläche beträgt. Eine extrem große Absorptionsfläche entsteht hauptsächlich durch die fingerförmigen Ausstülpungen, die Zotten der Dünndarmwand (s. Abb.1). Hierdurch wird der Dünndarm zum Hauptort der Aufnahme von Nährstoffen, die über die Darmwand ins Blut übertreten. Nicht absorbierte Nahrungsbestandteile werden insbesondere im Dickdarm, 11

10 Ziel des Probiotikaeinsatzes Abbildung 1 Schematische Darstellung der Vergrößerung der Darm- Falten (Plicae) ~ 1cm Höhe Zotten (Villi) ~ 1mm Höhe Mikrozotten (Mikrovilli) ~ 1µm Höhe oberfläche durch Falten, Zotten und Mikrozotten (aus: Aspekte 8/97) Krypte > ~ 0,3 m² ~ 1 m² ~ 10 m² ~ 100 m² x 3 x 10 x Neben der Nährstoffabsorption hat der Darm eine bedeutende Rolle als größtes Immunorgan des Körpers. Damit ist er Bestandteil des körpereigenen Abwehr- systems und stellt eine wichtige Barriere gegen eindringende Krankheitskeime dar. Neben allgemeinen Schutzmechanismen ist das Immunsystem mit seinen unspe- zifischen und spezifischen Reaktionen an der Keimabwehr beteiligt. Durch die Magensäure und die Gallensalze sowie durch spezifisch wirkende Antikörper werden krankmachende (pathogene), potentiell pathogene, aber auch apathogene Keime gehemmt und ihr Eindringen in den Körper weitestgehend verhindert. Dieser Vorgang wird durch die verdrängend wirkende Darmflora sinnvoll ergänzt. z.t. durch die dort lebenden Mikroorganismen (Darmflora), abgebaut und verdaut, bis schließlich unfermentierte Reste zusammen mit den Bakterien mit dem Kot ausgeschieden werden. Der Wiederkäuer verfügt im Gegensatz zum Tier mit einhöhligem Magen (Monogaster) über ein mehrhöhliges Magensystem. Die Vormägen (Pansen-, Netzund Blättermagen) enthalten große Mengen lebender Mikroorganismen, die das überwiegend aus pflanzlichen Komponenten bestehende Futter vorverdauen. Der sich anschließende Labmagen entspricht in seiner Funktion dem einhöhligen Magen der Monogaster.

11 Ziel des des Probiotikaeinsatzes Die Mikroflora und unabdingbar für die Nährstoffversorgung des Wirtstieres. Die Vor- Unter der Mikroflora des Magen- Darmtraktes versteht man die Gesamtheit aller Bakterien, Protozoen und Pilze. Sie umfaßt beim erwachsenen Menschen insgesamt 10 Mikroorganismen, was einer kleineren Anzahl von Pilzen (Hefen). Mit Hilfe dieser Vormagenflora ist es Wiederkäuern im Gegensatz zu Tieren mit einhöhligem Magen möglich, Nahrungsbestandteile, die mit den eigenen Körperenzymen nicht abgebaut werden können, zu nutzen. Außerdem werden durch die Mikroorganismen im Pansen die Futterproteine größtenteils abgebaut und in mikrobielles Protein umgewandelt. In vielen Fällen bedeutet dies eine Aufwertung des Proteins. Im Dünndarm werden anschließend die Bakterien verdaut und so die Protein- versorgung der Wiederkäuer verbessert. Außerdem sind die Mikroorganismen in der Lage, sehr rohfaserreiche Futtermittel in energieliefernde kurzkettige Fettsäuren umzuwandeln. Im Gegensatz zur Mikroflora in ein- dem fachen der derzeitigen Weltbevölkerung entspricht. Damit hat der Mensch im Verdauungstrakt ca. 10-mal mehr Zellen aus Mikroorganismen, als er Körperzellen besitzt. Diese Mikroflora wird aus ca verschiedenen Arten zusammengesetzt. Bereits ab der Geburt und in den ersten Lebensstunden wird der ursprünglich sterile Verdauungstrakt mit Keimen besiedelt. Über seine gesamte Länge weist er sehr unterschiedliche Keimkonzentrationen auf. So ist die Mikroflora im Inhalt des einhöhligen Magens (z.b. bei Schwein 1 und Geflügel) zahlenmäßig klein ( magenflora besteht aus ca. 10 Bakterien 5 6 je ml, Protozoen je ml und 10 Bakterien / ml) und spielt dort nach höhligen bzw. mehrhöhligen Mägen heutigem Kenntnisstand für die Funk- unterscheiden sich Monogaster und tionen des Verdauungskanals nur eine Wiederkäuer in der Zusammensetzung untergeordnete Rolle. und Funktion der Mikroflora ihres Darmes kaum. In den Wiederkäuervormägen hingegen Prinzipiell läßt sich feststellen, daß vom ist die Mikroflora sehr zahlreich vertreten Dünndarm bis zum Blinddarm die 13

12 Ziel des Probiotikaeinsatzes Da bereits im mittleren Dünndarm nur noch geringe Reste von Sauerstoff auftreten, nimmt der Anteil aerober (unter Zufuhr von Sauerstoff wachs- ender) Mikroorganismenarten vom Zwölffingerdarm zum Mastdarm drastisch ab, der Anteil anaerober Mikroorganismen (ohne Sauerstoff wachsende) entsprechend zu. Gesamtzahl und die Artenvielfalt der Bakterien deutlich zunimmt (Abb. 2). Vom Zwölffingerdarm bis zum Mastdarm ändern sich die Lebensbedingungen für die Mikroorganismen stark (Sauerstoffgehalt, ph-wert, Nährstoff- und Wassergehalt des Verdauungsbreies). Dadurch ändern sich auch Zahl und Zusammensetzung der Darmmikroflora. Abbildung 2 Besiedelung verschiedener Darmabschnitte mit Mikroorganismen (modifiziert nach Gedek, 1991) Speiseröhre Nahrungskeime 1 3 Magen / ml Lactobazillen Streptokokken Enterobakterien Bacteroides 1 4 Zwölffingerdarm / ml gleiche Keime wie im Magen 5 8 Dünndarm / g 4 7 Bacteroides Streptokokken Lactobakterien Enterobakterien 9 12 Dickdarm / g Bifidus Bacteroides Enterobakterien Enterokokken Lactobazillen Clostridien Fusobakterien Veillornellen Staphylokokken Hefen Proteus Pseudomonas > 10 14

13 Ziel des Probiotikaeinsatzes Neben solchen Bakterienarten, die den Verdauungstrakt dauerhaft besiedeln (residente Flora), gibt es auch Arten, die nur vorübergehend anzutreffen sind (transiente Flora). Viele Vertreter der logischen Bedingungen immer ein Fließresidenten Flora (z. B. milchsäure- bildende Arten) können die Schleimhaut und/oder die ihr aufgelagerte Schleim- schicht (Mukus) kolonisieren. Die transiente Flora siedelt sich im Darm berücksichtigen, daß nur die kultiviernicht an, sondern wird kontinuierlich mit dem Verdauungsbrei (Digesta) durch den Darm fortbewegt und schließlich mit Befindet sich die Mikroflora im Fließdem Kot ausgeschieden. Protozoen und der Flora. Die typische Mikroflora einzelner Darmabschnitte schwankt nur innerhalb bestimmter Grenzen (vgl. Tab. 1, S. 16) und bildet unter physio- gleichgewicht. Man unterscheidet zwischen der Haupt-, Begleit- und Restflora. Dabei ist zu baren Mikroorganismen in derartigen Untersuchungen erfaßt werden. gleichgewicht, so beträgt der Anteil der Pilze spielen im Darm eine unter- Hauptflora (dominante Flora) über 90 % geordnete Rolle. Das Fließgleichgewicht der Mikroflora (Eubiose) Das Zusammenleben der verschiedenen Bakterienarten im Magen-Darmtrakt im Sinne eines offenen Ökosystems, ist im Idealfall fein aufeinander abgestimmt. Abhängig von den jeweiligen Bedingungen im Verdauungstrakt stellt sich das Verhältnis der einzelnen Bakterienarten zueinander im Sinne eines dynamischen Gleichgewichts der Gesamtflora. Sie setzt sich vorwiegend aus anaerob lebenden Arten zusammen, die Milchsäure und andere kurzkettige Fettsäuren bilden (Bifidobakterien, Lactobazillen, Bacteroides, Eubakterien). Die Begleitflora hat einen Anteil von ca. 1 % an der Gesamtflora und besteht u.a. aus Enterokokken und E. coli. Der Anteil der Restflora liegt unter 0,01 %. Sie wird zumeist von schädlichen Mikroorganismen wie Proteus, Staphylokokken und Pseudo- monas gebildet. Ist die Haupt-, Begleit- und Restflora (Fließgleichgewicht) ein. etwa im Verhältnis > 90 : 1 : 0,01 Mit den sich ändernden Bedingungen im Darm wechselt die Zusammensetzung zusammengesetzt, so wird dieser Zustand als Eubiose bezeichnet. 15

14 Ziel des Probiotikaeinsatzes Tabelle 1 Zusammensetzung der Darmflora beim jungen Schwein unter Berücksichtigung der Hauptund Begleitflora* Darm- Lakto- Eubac- Bakteroi- E. coli Entero- Haupt- Begleit abschnitt bacillen/ teria daceae kokken 1 flora 2 flora 3 (n=9) Bifidobakterien Zwölffinger- Darm 6,3 ± 1,4 6,3 ± 1,3 4,1 ± 1,3 2,9 ± 0,7 2,3 ± 0,7 6,6 ± 1,3 3,0 ± 0,4 Leerdarm 7,7 ± 0,6 7,8 ± 0,6 5,4 ± 1,1 4,8 ± 1,5 3,9 ± 1,5 8,1 ± 0,6 4,9 ± 1,4 Hüftdarm 8,0 ± 1,1 8,3 ± 0,7 6,7 ± 0,8 6,6 ± 1,2 5,7 ± 0,7 8,6 ± 0,7 6,8 ± 1,0 Blinddarm 8,5 ± 0,2 8,9 ± 0,3 7,9 ± 0,6 7,0 ± 0,9 5,8 ± 0,2 9,2 ± 0,2 7,0 ± 0,9 Grimmdarm 8,7 ± 0,4 9,0 ± 0,5 7,9 ± 0,6 7,2 ± 1,0 5,8 ± 0,9 9,2 ± 0,4 7,3 ± 0,9 Angaben der Keimzahlen als arithmetisches Mittel und Standardabweichung in Logharithmen / g Probe, 6,3 d.h. 6,3 entspricht 10 = Keime/g) Lactobazillen/ Bifidobakterien, Eubacterien, Bacteroidaceae, E. coli, Enterokokken, Anzahl der Untersuchungen * modifiziert nach Gedek et al. (1992) 16 von Stoffwechselprodukten. Im Gegen- Aus dem Griechischen frei übersetzt bedeutet Eubiose»gutes Zusammenleben«der Mikroorganismenarten untereinander und mit dem Wirtsorganismus. In diesem Zustand leben Wirtstier und Mikroflora symbiontisch (zum beiderseitigen Nutzen) zusammen. Ist dieses Verhältnis empfindlich gestört, spricht man von Dysbiose (»schlechtes«zusammenleben). Das Wirtstier bietet der Darmflora ideale Lebensbedingungen, wie konstante Temperatur, ph-wert-regulation, Nährstoffbereitstellung und Abtransport zug unterstützt die Darmflora im Zustand der Eubiose das Wirtstier durch wesent- liche Aktivitäten wie: Schutz der Darmschleimhaut vor Fremdkeimen Antagonistische Wirkung gegen Fremdkeime Beitrag zur Ausreifung und Stimulierung des Immunsystems des Wirtes, z. B. Immunglobulin A Verdauung von Nährstoffen Vitamin-Synthese

15 Ziel des Probiotikaeinsatzes Störungen des Fließgleichgewichtes der Mikroflora (Dysbiose) Das Ökosystem Magen-Darmflora ist einer Vielzahl äußerer Einflußfaktoren ausgesetzt. Dabei sind Einflüsse der Fütterung von solchen zu unterscheiden, die vom Wirtstier ausgehen. Das Futter stellt die Nahrungsgrundlage Schon lange bevor es zu Durchfällen kommt, können mikrobielle Ungleichgewichte (Dysbiosen) vorliegen und die Nährstoffverwertung des Futters deutlich verschlechtert sein. Solche Imbalancen der Darmflora sind charakterisiert durch eine Abnahme der Keime der Hauptflora zu Gunsten der schädigenden Keime der Begleit- und Restflora. In einer Dysbiose kann der Anteil der Restflora in einzelnen Darm- abschnitten durch Förderung der Wachstumsbedingungen von potentiell pathogenen Erregern, die sonst auf sehr niedrigem Wachstumsniveau gehalten werden, auf bis 40 % der Gesamtflora ansteigen. Die negativen Folgen einer Dysbiose können für das Wirtstier erheblich sein und äußern sich z. B. in einem schlechten Allgemeinzustand und unzureichendem Wachstum bis hin zu Krankheitserscheinungen wie Blähungen, Durchfall oder Verstopfung. Ursache hierfür sind vor allem bakterielle Toxine, die dem Wirtstier schaden durch: - Beeinträchtigung des Darmepithels sowie Verdickung der Darmwand und damit Verschlechterung der Nährstoffabsorption der Mikroorganismen dar. Fütterungsfehler, drastische Futter- wechsel, minderwertige Futterkompo- nenten und ungenügende Futterhygiene wirken sich störend auf die Eubiose aus. Daneben wirken im Wirtstier gebildete Verdauungssekrete (Gallensaft, Enzyme, Puffer- und Schleimsubstanzen) sowie Immunsubstanzen im Magen-Darmtrakt direkt auf die Mikroorganismen ein. Die Freisetzung der Verdauungssekrete sowie die Art und Häufigkeit der Darmbewegungen (Peristaltik) wird im hohen Maße durch Streß beeinflußt. Wichtige Streßursachen sind in diesem Zusammenhang Trächtigkeit, Geburt, Absetzen der Nachkommen von der Mutter, Neuordnung von Tiergruppen, Transport, hohe Besatzdichte, fehlerhaftes Stallklima und Krankheiten. 17

16 Ziel des Probiotikaeinsatzes - Schwächung des Immunsystems des Wirtstieres - Stoffwechselbelastung des Wirtes durch die Entgiftung dieser bakteriellen Stoffe 2.2 Wirkungsweise der Probiotika Den wesentlichen Teil der Darmflora stellen in der Eubiose die erwünschten Mikroorganismen dar. Bestimmte, dem Futter gezielt zugesetzte Mikroorganismen (Probiotika) wirken Störungen des Fließgleichgewichts der Darmflora entgegen und führen zur Eubiose. Hierdurch kann der Besiedlung unerwünschter Keime im Darm entgegengewirkt werden. Nicht alle Wirkungen von Probiotika konnten bis heute ausreichend wissenschaftlich begründet werden. Ihre positive Gesamtwirkung, die auf der Entfaltung der Stoffwechselaktivität beruht, setzt sich aus direkten, aber vor allem aus einer Vielzahl von indirekten Wirkungen zusammen (vgl. Abb. 3). Als Wirkungsmechanismen für Probiotika allgemein werden angenommen: 18 Erzeugung von Hemmstoffen wie kurzkettige Fettsäuren ( ph- Wert-Absenkung) sowie weiteren Substanzen, die gegen andere Mikroorganismen einen Selektionsvorteil bieten, ohne die gewünschte Darmflora zu unterdrücken Verdrängung bzw. Verhinderung der Anheftung potentiell pathogener Keime an der Darmschleimhaut Unterdrückung der Bildung mikrobieller Toxine Stimulierung des lokalen Immunsystems im Darm Beeinflussung der physikochemischen Verhältnisse im Darm, z. B. ph-wert und Redox-Potential, wodurch die Wachstums- bedingungen nicht erwünschter Keime begrenzt werden Beeinflussung des Gallensäure- abbaus und damit Unterstützung der Fettabsorption Beeinflussung des Darmepithels Verbesserung der Absorptionskapazität

17 Ziel des Probiotikaeinsatzes Die Immunantwort wird stimuliert, die Wirksamkeit von Wirtsantikörpern gesteigert. Nährstoffkonkurrenz Probiotika und Erreger konkurrieren um wichtige Nährstoffe. Probiotika blockieren Darmrezeptoren und schließen so Erreger aus:»competitive exclusion«abbildung 3 Mikrobiotische Wechselwirkungen im Darm Maskierung Wo Probiotika Darmrezeptoren besetzen, können Enterotoxine nicht binden. Erkrankung Erreger und deren Toxine haften an Schleim- und Zellrezeptoren des Darmes und schädigen diesen. Durch Aggregation behindern Probiotika die Anhaftung und Vermehrung von Erregern. modifiziert nach Stewart et al.,

18 3. Die verschiedenen Probiotika Die in der Tierernährung eingesetzten Probiotika lassen sich in drei wesentliche Gruppen unterteilen: Milchsäurebakterien, Bacillussporen und Hefen. Die als Probiotika verwendeten Stämme unterscheiden sich in bestimmten Merkmalen von den in der Natur vorkommenden Wildstämmen derselben Gattung. Dies betrifft insbesondere ihre hohe Anwendersicherheit und die Wirkung im Magen- Darmtrakt. Es bestehen deutliche Unterschiede zwischen den Probiotikagruppen in Bezug auf ihre Eigenschaften, ihre Herkunft und ihre Wirkungsweise. 3.1 Milchsäurebakterien Milchsäurebakterien werden seit Jahrtausenden zur Herstellung von fermentierten Milchprodukten und Silagen genutzt. Einige Milchsäurebakterien bilden die Hauptflora des Darmes und sind somit unabdingbarer Bestandteil der residenten Mikroflora bei Mensch und Tier. Milchsäurebakterien wandeln durch Vergärung bestimmte Zuckerarten vornehmlich in Milchsäure um. Aus einer breiten Palette bekannter Arten wurden einige geeignete Stämme ausgewählt und als probiotische Futterzusatzstoffe entwickelt. Wichtige Milchsäurebakterien-Probiotika gehören zu den Gattungen: Lactobazillen, Bifidobakterien und Enterokokken. Die bedeutendste Rolle in der Tierernährung spielt dabei die Art Enterococcus faecium (früher bezeichnet als Streptococcus faecium). Abbildung 4 Milchsäurebakterien unter dem 20 Elektronenmikroskop Die Besonderheit der Milchsäure produzierenden Probiotika beruht nach derzeitigem Wissensstand hauptsächlich auf der Entfaltung ihrer Stoffwechselaktivität im Darm sowie der Freisetzung antimikrobieller Substanzen und der Ausbildung eines Biofilms zum Schutz der Darmschleimhaut.

19 Die verschiedenen Probiotika Freisetzung antimikrobieller Substanzen Milchsäure sowie von einzelnen Stämmen gebildetes Wasserstoffperoxid hemmen andere Bakterien. Darüber hinaus senkt Milchsäure lokal den ph-wert im Darm, wodurch säurelabile Keime reduziert werden. Laborbefunde (in-vitro Tests) deuten darauf hin, daß einige Milchsäurebakterien darüber hinaus Stoffe freisetzen, die das Anheften anderer Keimarten an das Darmepithel stören. Welche Bedeutung diese Stoffe für die tatsächlichen Verhältnisse im Darm haben, ist noch ungeklärt. Außerdem beeinflussen Milchsäurebakterien das Redoxpotential im Darm und nehmen dadurch Einfluß auf die Lebensbedingungen anderer Keime. Aufbau einer bakteriellen Barriere Durch die rasche Vermehrung der probiotischen Milchsäurebakterien im Darm wird eine Barriere gegen andere Bakterien aufgebaut. Teil dieses Schutzwalls sind die von einigen Milchsäurebakterien gebildeten Mukopolysaccharide und andere Schleimsubstanzen. In diese Schleimschicht sind vor allem die Bakterien der Hauptflora sowie Immunglobuline eingebettet. Daneben gibt es positive Auswirkungen 3.2 Bacillussporen Spore Vegetativer Keim Die Gattung Bacillus umfaßt eine Vielzahl stäbchenförmiger, grampositiver Mikroorganismen, die natürlicherweise im Boden vorkommen. Aus dieser heterogenen Gruppe sind einige wenige Stämme auf Grund ihrer guten Wirksamkeit für den Einsatz in der Tierernährung ausgewählt worden. Die natürliche Versporung der Bacillus- Probiotika bietet einen guten Schutz gegenüber äußeren Einflüssen (s. Kap. 5.3). Dadurch bleibt die für die Wirksamkeit essentielle Lebensfähigkeit dieser Mikroorganismen auch unter Abbildung 5 der Milchsäurebakterien auf das Wirtstier Bacillussporen und durch die Stärkung der unspezifischen vegetative Keime Abwehrkraft. unter dem Lichtmikroskop 21

20 Die verschiedenen Probiotika hohen Belastungen gewährleistet. Eine Optimierung dieser Versporung bei der Herstellung solcher Probiotika ist daher eine wichtige Voraussetzung für eine gute Produktqualität. wechselaktivität drastisch an. Stoffwechselprodukte werden dabei in die Umgebung freigesetzt. Solche Stoffe können eine der Ursachen für die selektive Verschlechterung der Entwicklungsmöglichkeiten krankmachender Keime sein. Auch die nachgewiesene Stabilisierung der im Darm etablierten, erwünschten Hauptflora durch Bacillus- Probiotika, steht voraussichtlich hiermit im Zusammenhang. 3.3 Hefen Schon seit Jahrhunderten werden ausgewählte Stämme der Hefe Saccharomyces cerevisiae vom Menschen für die Herstellung von Lebensmitteln, z. B. als Backhefe oder zur Produktion alkoholischer Getränke, eingesetzt. Aus der Vielzahl der in der Natur vorkommenden Stämme von S. cerevisiae wurden verschiedene auf ihre Wirksamkeit im Verdauungstrakt untersucht und in Reinkultur weiter vermehrt. Hieraus wurden dann Produkte entwickelt, die sich aus lebensfähigen Hefezellen eines Reinkultur- Zuchtstammes und seines getrockneten Nährsubstrates zusammensetzen. Durch ihre Stoffwechselaktivität unterscheiden sich die spezifischen Probiotika-Hefen von gewöhnlichen Brauereihefen, die als Einzelfuttermittel Werden Bacillussporen über das Futter aufgenommen, so keimen sie im Verdauungstrakt aus und wachsen als vegetative Zellen heran, vermehren sich jedoch nur unwesentlich. Bezüglich der Besiedelung des Verdauungstraktes von Tieren spielen Bacillusarten keine Rolle. Man zählt sie deshalb definitionsgemäß zur transienten Flora. Als exogene Keime besitzen Bacillus- Probiotika ein starkes Potential zur Stimulierung der lokalen Immunität im Darm der Tiere. Der Auskeimungsprozeß, ein typisches Merkmal der Bacillusarten, erfolgt nur unter Wasserzutritt und Wärmeeinwirkung. Inwieweit auch andere Faktoren, wie z.b. der ph-wert, die Auskeimungsrate beeinflussen, ist nicht abschließend geklärt. Die als Probiotikum eingesetzten Bacillussporen müssen zum überwiegenden Teil im oberen Verdauungstrakt auskeimen, um ihre Wirksamkeit bereits in den für die Nährstoffabsorption wichtigsten Darmabschnitten zu entfalten. Vergleichbar mit einem auskeimenden Getreidekorn steigt auch in der keimenden Spore die Stoff- 22

21 Die verschiedenen Probiotika Abbildung 6 Bindung von E. coli an die Hefeoberfläche (Gedek, 1990) wegen ihres Nährstoffgehaltes in abgetöteter Form verfüttert werden. Nach der Verfütterung sind die Probiotika-Hefen im Magen und Dünndarm stoffwechselaktiv, sterben in den hinteren Darmabschnitten jedoch ab. Ihre wesentliche Wirkung, der Verbrauch von Sauerstoff, ist insbesondere im Vormagen der Wiederkäuer von Bedeutung. Dadurch verändern sie das Redoxpotential und schaffen ungünstige Bedingungen für aerobe Keimarten. Gleichzeitig verhelfen sie anaeroben Mikroorganismen zu günstigen Bedingungen. Dies ist insbesondere für faserspaltende (zellulolytische) und milchsäurezehrende Mikroorganismen im Pansen von Bedeutung. Eine gesteigerte zellulolytische Aktivität im Pansen erhöht die Nährstoffverdaulichkeit, insbesondere die von rohfaserreichen Rationen. Auch bei Pferden tragen Probiotika- Hefen dazu bei, daß die Gesamt- verdaulichkeit der Rohfaser steigt. 23

22 4. Probiotika als Futterzusatzstoffe 4.1 Futtermittelrechtliche Regelungen Ist ein Probiotikum zugelassen, so wird der in dem Produkt enthaltene Mikro- organismus in die Liste der zugelassenen Zusatzstoffe der o.g. Zusatzstoff-Richtlinie 70/524/EWG eingetragen. Aus der Eintragung ist u.a. ersichtlich, für welche Tierarten und in welchem Dosierungsrahmen das Probiotikum in der Tierernährung eingesetzt werden kann. Die in der Tierernährung eingesetzten Probiotika müssen EG-einheitlich als mikrobielle Futterzusatzstoffe zugelassen sein. Hierzu belegen die Herstellerfirmen die Unbedenklichkeit, Wirksamkeit und Stabilität ihrer Produkte an Hand umfangreicher Versuche. Die sowohl unter Labor- als auch unter Praxisbedingungen durchgeführten Untersuchungen entsprechen den Zulassungsvorschriften der europäischen Gemeinschaft (Richtlinie 70/524/EWG über Zusatzstoffe in der Tierernährung und Richtlinie 87/153/EWG zur Festlegung von Leitlinien zur Beurteilung von Zusatzstoffen). Dabei ist u.a. detailliert festgelegt, welche Daten zur Identität, zur Kombinierbarkeit mit anderen Zusatzstoffen und zur Wirksamkeit des Mikroorganismus vorzulegen sind. Zudem werden grundlegende Untersuchungen gefordert, die sicherstellen, daß eine Toxizität sowie eine Weitergabe von Resistenzen, die eine wirksame Behandlung von Krankheiten durch Antibiotika behindern könnten, ausgeschlossen werden können. Die Zulassung erfolgt erst dann, wenn die Sachverständigen aller Mitgliedstaaten sowie der wissenschaftliche Ausschuß der Kommission das betreffende Probiotikum hinsichtlich seiner Qualität, Wirksamkeit und seiner Sicherheit für Mensch, Tier und Umwelt positiv beurteilt haben. 4.2 Einsatzempfehlungen Eine Stabilisierung der Darmflora von Tieren kann nur wirkungsvoll erreicht werden, wenn Probiotika kontinuierlich mit dem Futter verabreicht werden. Die kontinuierliche Zufuhr mit dem Futter ist erforderlich, da die in der Tierernährung eingesetzten Probiotika-Stämme sich nicht dauerhaft im Darm ansiedeln. Kurzfristige, erhöhte Probiotika-Gaben können in bestimmten Belastungssituationen sinnvoll sein, sollten jedoch durch eine langfristige Verabreichung mit dem Futter fortgeführt werden. Pauschale Angaben zur optimalen Dosierung und zum Einsatzzeitraum von Probiotika sind nicht möglich, weil Faktoren wie die Stabilität im Futter und im Verdauungstrakt sowie die 24

23 Probiotika als Futterzusatzstoffe Allgemein ist jedoch für alle Probiotika davon auszugehen, daß in Phasen mit einer instabilen Zusammensetzung der Darmflora eine höhere Einmischrate eines Probiotikums erforderlich ist, als in Phasen, in denen eine stabile Mikroflora im Verdauungstrakt etabliert ist. Hinzu kommt, daß die Gesamtaufnahme der dem Futter zugesetzten Probiotika bei älteren Tieren, bedingt durch die erhöhte Futteraufnahme, größer ist, als bei Jungtieren. So kann bei kontinuierlicher Probiotikazufuhr die Einmischrate im Wachstumsverlauf meist reduziert werden, ohne daß die zur Wirkung erforderliche Menge an probiotisch wirksamen Mikroorganismen im Verdauungstrakt unterschritten wird. Allgemein gilt, daß höhere Probiotikagehalte im Futter empfohlen werden, wenn die Darmflora noch nicht etabliert ist (Jungtiere) spezifischen Wirkungsmechanismen der jeweils enthaltenen Mikroorganismen ebenso wie der Status der Darmflora im Zieltier die Wirksamkeit der jeweiligen Produkte beeinflussen. Demzufolge ist es nicht möglich, allein vom Gehalt der kolonie-bildenden Einheiten (KBE) die Einmischrate im Futter bzw. die zu verabreichende Menge je Tier und Tag unabhängig vom Produkt abzuleiten. Daraus folgt auch, daß Produkte nicht auf Basis der KBE-Gehaltsangaben hinsichtlich ihrer Wirksamkeit verglichen werden können. Vielmehr muß die optimale Dosierung für jedes einzelne Produkt und für die verschiedenen Tier- arten im Fütterungsversuch ermittelt werden. Grundlage für den Einsatz sind daher die auf Wirksamkeitsuntersuchungen basierenden Angaben der Hersteller. Streßfaktoren wie z.b. Futterumstellung, Umstallung und Stallklima die Darmflora destabilisieren ein erhöhter Infektionsdruck erwartet wird (z.b. Zusammenführen verschiedener Tierbestände, Klimaeinfluß) die Futterzusammensetzung eine Vermehrung pathogener Keime im Verdauungstrakt begünstigt (höherer Gehalt an puffernden Inhaltsstoffen, wie z.b. Proteine, Phosphor oder Kalzium, geringer Rohfasergehalt) die Darmflora durch einen Therapeutikaeinsatz, speziell durch Antibiotika, negativ beeinflußt wird 25

24 Probiotika als Futterzusatzstoffe Die Dosierung der Probiotika erfolgt in Gewichtseinheiten bezogen auf eine Tonne Mischfutter. In den verschiedenen Produkt-Formulierungen ist der Gehalt der Mikroorganismen unterschiedlich [KBE/g]. Hierdurch kommt es oft zu Verwirrungen bezüglich der jeweiligen Einmischrate der Probiotika in Vormischungen oder im Mischfutter. Auch weicht die Deklaration der entsprechenden Einheiten [KBE/g bzw. KBE/kg] von der für die meisten anderen Zusatzstoffe üblichen Gewichtsangabe [mg/kg] ab. Im folgenden werden zur Verdeutlichung Beispiele für die am häufigsten eingesetzten Probiotika-Formulierungen und gängigen Dosierungen in Alleinfuttern oder in Vormischungen und Ergänzungsfuttern mit verschiedenen Einmischraten aufgeführt (s. Tab. 2). Zudem sind die jeweils zu deklarierenden koloniebildenden Einheiten angegeben. 4.3 Kompatibilität mit anderen Wirkstoffen Wirkstoffvormischungen sowie Mischfuttermittel enthalten eine Vielzahl von Einzelsubstanzen, deren Kombinierbarkeit untereinander geprüft werden muß. Die Stabilität der Probiotika in diesen Mischungen sowie die Verfügbarkeit und Effektivität im Tier muß gegeben sein. Da insbesondere antibiotische Wirkstoffe Mikroorganismen hemmen, erhebt sich die Frage, ob sie die Probiotika-Wirkung beeinträch- tigen. Auf den ersten Blick erscheint es daher widersprüchlich diese zusammen mit Mikroorganismen dem Futter zuzufügen. Jedoch weisen Versuchsergebnisse darauf hin, daß man über die Unterdrückung pathogener Keime mittels antibiotischer Wirkstoffe und die Unterstützung der Darmflora durch Probiotika sogar positive Kombinationswirkungen erzielen kann. Im Hinblick auf Mikroorganismen, deren Wirksamkeit stark von ihrer Stoff- wechselaktivität im Verdauungstrakt abhängt (Vermehrung, Auskeimung von Sporen), muß belegt sein, daß diese in Gegenwart antibiotischer Substanzen erhalten bleibt. Futtermittelrechtlich ist der gemeinsame Einsatz von Probiotika mit Leistungsförderern sowie Kokzidiostatika und anderen Arzneimitteln zulässig. Welche dieser Substanzen mit einem Probiotikum kombiniert werden können, ist Bestandteil der Zulassung des betreffenden Probiotikums. Auch andere Substanzen wie z.b. Säuren, pflanzliche Wirkstoffe, Spurenelemente und Mineralstoffe können Mikroorganismen beeinträchtigen, so daß eine Kombination ggf. geprüft werden muß. 26

25 Probiotika als Futterzusatzstoffe Tabelle 2 Umrechnung für die Einmischung verschiedener Formulierungen von Probiotika in Futtermitteln 9 10 Beispiel: Ein Alleinfutter für Mastschweine soll 0,2 x 10 KBE/kg enthalten. Eingesetzt wird Probiotikum A (1x 10 KBE/g) A) Würde das Probiotikum direkt eingemischt, so müßten von Produkt A 20 mg/kg Futter zugeführt werden (Produkt A= 1x 10 KBE/g; d.h. 20 mg enthalten 0,02 x 10 KBE = 0,2 x 10 KBE). 9 B) Würde das Probiotikum über eine 0,5%ige Vormischung dem Alleinfutter zugesetzt, so müßten von Produkt A 4000 mg/kg Vormischung eingesetzt werden, um die geforderten 0,2 x 10 KBE je kg Futter (=20 mg) zu erzielen (20 mg : 0,5% = 4000 mg) ,5 x 10 2,5 x Alleinfutter 1,0 x 10 1,0 x ,7 x 10 0,7 x ,2 x 10 0,2 x ,5 x 10 62,5 x Ergänzungsfutter 1 1,0 x 10 25,0 x (4 %) 0,7 x 10 17,5 x ,2 x 10 5,0 x ,5 x 10 83,3 x Ergänzungsfutter 2 1,0 x 10 33,3 x (3 %) 0,7 x 10 20,0 x ,2 x 10 6,67 x ) 2,5 x x10 KBE/g ) Vormischung 1,0 x x10 KBE/g ) (0,5 %) 0,7 x x10 KBE/g ) 0,2 x 10 40x10 KBE/g Mischung Soll im Deklaration der Dosierung der verschiedenen Formulierungen [g/t] Alleinfutter Mischung Produkt A Produkt B Produkt C Produkt D Produkt E [KBE/kg] [KBE/kg] 1) 10 [1 x 10 ] 2) 9 [5 x 10 ] 2) 9 [3,5 x 10 ] 2) 9 [1 x 10 ] 2) 9 [0,2 x 10 ] 2) Die Dosierung muß laut futtermittelrechtlichen Vorschriften bei Zusatzstoffen und Vormischungen in KBE/g und bei Mischfuttermitteln in KBE/kg angegeben werden. Konzentration der Mikroorganismen in den jeweiligen Probiotika-Formulierungen, angegeben in KBE/g. KBE= Koloniebildende Einheit 27

26 Probiotika als Futterzusatzstoffe Methoden zur Überprüfung der Kompatibilität 4.4 Ökonomischer und ökologischer Nutzen Zur Beurteilung der Kompatibilität Alle Probiotika wirken nach bisherigem kommen international mehrere Test- Kenntnisstand insbesondere durch die verfahren zum Einsatz. Unterstützung des Fließgleichgewichts der Darmflora (s. Kap. 2). Hierdurch In-vitro Tests (»Labor-Verfahren«) kann die Vitalität und das Wohlbefinden 1. Dilutionstest der Tiere gesteigert werden. 2. Agardiffusionstest Ernährungsbedingte Verdauungs- 3. Epsilon-Test (E-Test) störungen und Verluste werden reduziert. Die mit diesen Verfahren bestimmte Vitale Tiere setzen die mit dem Futter Minimale-Hemm-Konzentration (MHK, aufgenommenen Nährstoffe in gleichengl. MIC) gibt einen ersten Eindruck mäßiges Wachstum um. Somit resultiert darüber, inwieweit eine Kombination der direkte Einfluß auf die Darmflora eines Mikroorganismus mit anderen auch in einer Absicherung hoher Substanzen möglich ist. Leistungen wie z.b. der Reduzierung des Futteraufwands und der Verbesserung Diskrepanz zwischen in-vitro und der täglichen Zunahme. in-vivo Ergebnissen Einige Untersuchungen haben gezeigt, Die Auswertung vieler wissenschaftlicher daß die anhand des MHK-Wertes Untersuchungen und Praxisstudien erwartete Hemmung eines Probiotikums belegt den positiven Einfluß von durch eine Substanz im Fütterungs- Probiotika (s. Tab. 3). versuch (in-vivo) nicht nachgewiesen wurde. Dies ist erklärbar, da in dem Wie aus Tabelle 3 aber ebenfalls ersichtkomplexen Darmsystem viele Faktoren lich ist, wurden in einigen Versuchen die hemmende Wirkung von Substanzen durch die Verwendung von Probiotika abschwächen können. keine zusätzlichen Effekte erzielt. Dies ist Die in-vitro Methoden können somit auch verständlich, da der Ausgangszwar wichtige Hinweise auf eventuelle status bezüglich der mikrobiellen Interaktionen zwischen Probiotika und Besiedelung im Verdauungstrakt sehr anderen Substanzen liefern. In unterschiedlich sein kann. Zweifelsfällen sollte aber die Kompatibilität im Fütterungsversuch Das Ausmaß einer Verbesserung bzw. überprüft werden. Erhaltung von Wohlbefinden und 28

27 Probiotika als Futterzusatzstoffe Produktions- Tägliche Zunahme Futteraufwand zweig [% zur Kontrolle] [% zur Kontrolle] Ferkelaufzucht + 4,8-1,5 (- 8,1 bis + 24,3) (+ 3,1 bis - 9,3) Kälberaufzucht + 5,4-2,5 (- 5,3 bis + 21,7) (+ 3,6 bis -7,9) Schweinemast + 3,7-5,1 (- 0,3 bis + 6,7) (- 1,4 bis - 7,1) Rindermast + 3,4-2,7 (- 4,3 bis + 7,2) (+ 7,6 bis - 4,7) Tabelle 3 Einfluß verschiedener Probiotika auf die Leistung einiger landwirtschaftlicher Nutztiere (in Anlehnung an Freitag et al., 1998) Leistung hängt zudem von weiteren Sau und Jahr. Darüberhinaus lassen sich Faktoren ab, insbesondere der Rations- erhebliche betriebswirtschaftliche Vorgestaltung, den Hygienebedingungen teile durch geringere Verluste erzielen. und dem Leistungsniveau. In der Mast äußert sich eine ungünstige Eine genaue Voraussage der zu Zusammensetzung der Darmflora selten erwartenden Höhe der Probiotika-Effekte in deutlich erkennbaren Durchfallist daher nicht möglich. erscheinungen und damit verbundenen Verlusten. Jedoch sind Leistungsdepres- In der Ferkelaufzucht z.b. werden sionen häufig auf eine Dysbiose zurückinsbesondere die Parameter Verluste, zuführen. Die Stabilisierung der Darmtägliche Zunahme und Futteraufwand flora mittels Probiotika sichert daher bei durch Probiotika positiv beeinflußt. Masttieren ein hohes Leistungsniveau. Daneben werden häufig aber auch ein Der jeweilige wirtschaftliche Nutzen in gleichmäßigeres Wachstum der Tiere der Mast errechnet sich dabei und somit homogenere Gruppen erzielt, insbesondere über den Anstieg der woraus ebenfalls ein zusätzlicher Gewinn täglichen Zunahme sowie die Reduktion beim Verkauf der Ferkel resultieren kann. der Mastdauer und des Futteraufwands. Grundsätzlich entspricht ein um ca. 0,5 kg höheres Ferkelgewicht bei 20 Zudem können mittels Probiotika der Ferkeln je Sau und Jahr ca. 10 kg Arzneimitteleinsatz vermindert und damit zusätzlichem Verkaufsgewicht und damit die daraus entstehenden Kosten reduziert einem Mehrerlös. Eine Futtereinsparung werden. von 50 g je kg erzeugtem Ferkelgewicht (d.h. ca. 1 kg Futter weniger je Ferkel) bedeutet ca. 20 kg weniger Saugferkelfutter bei 20 aufgezogenen Ferkeln je 29

28 Probiotika als Futterzusatzstoffe Tabelle 4 Einfluß der Probiotikagabe auf die Proteinverdaulichkeit und den Rohproteinansatz bei Ferkeln Stickstoff-Verdaulichkeit Stickstoff-Ansatz Autoren -0,75-1 [%] [gx W Tag ]* Kontrolle Probiotikum** Kontrolle Probiotikum** a b a b 81,05 82,86 1,24 1,34 Scheuermann, 1993 c d 78,70 83,20 1,76 1,81 Tossenberger et al., * bezogen auf das metabolische Körpergewicht, ** Dosierung: 1 x 10 KBE je kg Ferkelfutter a,b,c,d: mit Hochbuchstaben gekennzeichnete Ergebnisse unterscheiden sich signifikant Durch die Absicherung hoher Leistungen Ausscheidungen wie Dung und Gülle mit und die Vermeidung von Problem- vermindertem Restnährstoffgehalt situationen tragen Probiotika auch zu entlastet. So ist es z.b. möglich, durch einer umwelt- und ressourcen- Probiotika die Stickstoffausscheidung schonenden Tierhaltung bei. Die Umwelt über eine verbesserte Verdaulichkeit und wird dabei hauptsächlich durch die einen höheren Ansatz von Stickstoff zu reduzierte Menge tierischer senken (s. Tab. 4). 30

29 5. Produktqualität und Umwelt 5.1 Herstellung und Qualitätssicherung Selektion der Produktionsstämme Wirksamkeit im Tier. Entscheidend sind zudem Aspekte der Sicherheit (s. Kap. 5.2). Für die Produktion ist wichtig, daß der Mikroorganismus sich im Großmaßstab effektiv vermehren läßt und dabei genetisch stabil bleibt. Mikroorganismen, die zur Herstellung eines Probiotikums eingesetzt werden, unterliegen einem aufwendigen Herstellung Ausleseverfahren. Aus ihrer natürlichen Umwelt selektierte Probiotika werden mittels Fermentation Mikroorganismen durchlaufen spezifi- hergestellt. Hierbei handelt es sich um sche Prüfungen, zuerst mikrobiologische ein biologisches Verfahren zur Tests, dann Selektionsverfahren im Anzüchtung und Vermehrung von Hinblick auf ihre Eignung für die Mikroorganismen unter kontrollierter Tierernährung. Dazu stellt man u.a. das Zugabe von Nährstoffen. Alle einjeweilige Fermentationsprofil des gesetzten Rohstoffe, die der Herstellung Mikroorganismus fest, d.h. welche dienen, unterliegen strengen Qualitäts- Substrate kann er zu welchen kontrollen. Der sterile Fermenter wird mit Substanzen verstoffwechseln (im API- der mikrobiologischen Stammkultur Testverfahren z.b. Zucker zu Milchsäure). (master seed) direkt oder über eine Auch ist eine umfassende und genaue Vorkultur beimpft. Alle maßgeblichen Charakterisierung des Mikroorganismus Parameter in der Prozeßkontrolle werden erforderlich. Hierzu dient z.b. der permanent überwacht. Danach erfolgt die»genetische Fingerabdruck«, der mittels Konzentrierung, auch Zellernte genannt. molekularbiologischer Methoden (z.b. Spezielle Trocknungsverfahren und ggf. DNA-Analyse) bestimmt wird. die Zugabe spezifischer Stabilisatoren Außerdem wird geprüft, wie sich der schließen den Herstellungsprozeß Mikroorganismus im landwirtschaft- ab. Bei einigen Produkten werden die lichen Nutztier verhält; ob er die Mikroorganismen zur Verbesserung der Magenpassage überlebt; wie lange er im Stabilität durch Mikrokapseln oder Darm bleibt und ob er das Ökosystem Mikrospheren geschützt. Darmflora bioregulativ beeinflußt. Dies Eine schematische Darstellung des ist die Grundlage für ein weiteres Herstellungsprozesses zeigt Ab- Selektionskriterium, die Überprüfung der bildung 7. 31

30 Produktqualität und Umwelt Abbildung 7 Darstellung der Probiotika- Produktion Identifikation der Stammkultur (z.b. morphologische, biochemische und plasmid-elektrophoretische Methoden) Vergleich von»master Seed«und Starterkultur mit den originalen Isolaten Produktion der Zellkultur bzw. Zellkulturen in Fermentern Aufkonzentrieren (z.b. durch Zentrifugation) Trocknung Gefriertrocknung, Stabilisierung und Standardisierung Qualitätskontrolle KBE pro g, Trockensubstanz, Reinheit, Vergleich mit Stammkultur ggf. zusätzliche Schutzmaßnahmen (z.b. durch Umhüllung) ggf. Mischen mit Trägerstoff Qualitätskontrolle Verpackung 32

31 Produktqualität und Umwelt Qualitätssicherung Während des Herstellungsprozesses sowie im Endprodukt erfolgt eine Qualitätskontrolle. Diese umfaßt die Überprüfung der genetischen Reinheit, die Keimzahl und die Reinheit von unerwünschten Substanzen (z.b. Mykotoxine und Schwermetalle). Die Keimzahl wird mit Hilfe dezimaler Verdünnungsreihen und spezifischer Nährböden bestimmt (s. Abb. 8). Die Endformulierung und Standardisierung erfolgt in der Regel durch Mischen mit einem Trägerstoff, um eine homogene Verteilung des Probiotikums im jeweiligen Futtertyp zu gewährleisten. Abbildung 8 Dezimale Verdünnungsreihe zur Keimzahlbestimmung Anwendungssicherheit Als Probiotika in der Tierernährung werden nur solche Mikroorganismen eingesetzt, die mittels modernster Methoden charakterisiert und gemäß der Zulassungsvorschriften geprüft wurden. Alle verwendeten Stämme sind in amtlich anerkannten Kultursammlungen hinterlegt. Es wird sichergestellt, daß die spezifischen Stammeigenschaften der Probiotika konstant bleiben und den höchsten Reinheitsanforderungen genügen

32 Produktqualität und Umwelt Sicherheit für den Menschen Sicherheit für das Tier Der Mensch hat mit Probiotika in der Tierernährung auf zweierlei Weise Kontakt: Als Mitarbeiter bei der Herstellung von Vormischungen und Mischfuttermitteln und als Tierhalter bei der Fütterung. Durch den Umgang mit Probiotika besteht in beiden Fällen keine Gefährdung für den Anwender. In umfangreichen Untersuchungen ist belegt worden, daß ein direkter Kontakt mit zugelassenen Probiotika über Haut, Mund oder Nase zu keinen Beeinträchtigungen der menschlichen Gesundheit führt. In Modellversuchen wurde nachgewiesen, daß auch die längerfristige oder erhöhte Verabreichung keine gesundheitlichen Schäden nach sich zieht. Als Konsument von Nahrungsmitteln hingegen kommt der Mensch mit den verfütterten Probiotika nicht in Berührung. Probiotika werden nur mit dem Futter verabreicht und ihre Wirkung ist ausschließlich auf den Magen und Darm beschränkt. Da sie nicht absorbiert werden, können Probiotika nicht in die vom Tier stammenden Nahrungsmittel übertreten und damit nicht zu Rückständen führen. Die als Futterzusatzstoff in der Tierernährung zugelassenen Mikroorganismen zeichnen sich generell durch eine sehr gute Verträglichkeit aus. Selbst bei Überschreitung der empfohlenen Dosierungen im Futter um das mehr als tausendfache kommt es nicht zu einer Dysbiose im Verdauungstrakt. Probiotika stellen somit keine Gefahr für die Gesundheit der Tiere dar. Da sie aus dem Darm nicht in den Tierkörper gelangen, können sie nicht in Stoffwechselvorgänge eingreifen bzw. das Tier nicht negativ beeinträchtigen. Sicherheit für die Umwelt Nach ihrer Wirkung im Magen und Darm des Tieres gelangen die probiotischen Mikroorganismen sowie die übrigen Keime, die den Verdauungstrakt besiedeln, mit dem verdauten Nahrungsbrei zum Darmausgang. Auf diesem Wege stirbt ein Großteil der probiotischen Mikroorganismen ab, da ihr Wachstum oder ihre Vermehrung im Rahmen der Keimkonkurrenz in den hinteren Darmabschnitten eingeschränkt wird. Die Entwicklung der Hefen wird zudem durch den Sauerstoffmangel im Dickdarm stark unterdrückt. Zum Teil werden die Probiotika wie andere organische Nahrungsbestandteile bereits 34

33 Produktqualität und Umwelt im Darm abgebaut und verdaut. Nur ein geringer Teil der probiotischen Mikroorganismen wird lebend mit dem Kot der Tiere ausgeschieden. Hiervon wiederum überleben nur wenige in Mist und Gülle und gelangen auf Äcker und Grünland zurück. Gegenstand der Zulassung eines Probiotikums ist ein entsprechender Nachweis der Unbedenklichkeit für die Umwelt. Grundsätzlich sind in dieser Hinsicht keine negativen Auswirkungen zu erwarten, da alle Mikroorganismen der Natur entstammen. 5.3 Stabilität und Nachweisbarkeit in Futtermitteln Stabilität Milchsäurebakterien bilden als natürliche Darmbewohner keine Sporen. Deshalb sind sie den chemischen und physikalischen Belastungen, z.b. während der Pelletierung, in einfacher, getrockneter Form zunächst schutzlos ausgeliefert. Somit ist es notwendig, diese Bakterien entweder nur in Futtertypen mit relativ geringer technischer Beanspruchung der Keime (z.b. in Milchaustauschern) einzusetzen oder sie speziell gegen mechanische und thermische Einflüsse bei der Futter- Abbildung 9 herstellung, bei Transport und Lagerung Aufbau einer Mikrokapsel zu schützen. Bei der Herstellung von Mischfuttermitteln, insbesondere bei der Pelletierung und in Mineralfuttermitteln sind die Probiotika unterschiedlichen chemischen, mechanischen und thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Für die Wirksamkeit der Probiotika ist es jedoch unerläßlich, daß ihre Lebensfähigkeit nicht beeinträchtigt wird. Die Vitalität, d.h. die Stabilität der Probiotika während des Herstellungsprozesses und der Lagerung von Futtermitteln muß also gewährleistet sein, damit die Probiotika ihre Wirkung im Magen-Darmtrakt entfalten können. Die in der Tierernährung zur Zeit eingesetzten Probiotika unterscheiden sich grundsätzlich in ihren technischen Eigenschaften. Milchsäurebakterien Schutzhüllen Milchsäurebakterien 35

34 Produktqualität und Umwelt Abbildung 10 Aufbau einer Mikrosphere Schutzhülle Milchsäurebakterien Exemplarisch werden in Abbildung 9 und 10 diese Umhüllungen von lebenden Bakterien dargestellt. Die Stabilität der Verkapselung wird durch die Qualität des angewandten Verfahrens bestimmt. Bacillussporen Abbildung 11 Schematische Darstellung einer Bacillusspore 36 Mittels technischer Verfahren (z.b. Mikrokapsel / Mikrosphere) können Milchsäurebakterien mit einem speziellen Schutzmantel versehen werden. So kann gesichert werden, daß auch unversporte Bakterien lebend an den Ort ihrer Wirksamkeit gelangen und dort aktiv werden. Bei den Probiotika dieser Gruppe handelt es sich um versporte, lebensfähige Keime. Sporen sind ihre natürliche Dauerform, mit der sie sich in ihrem ursprünglichen Lebensraum, dem Boden, vor extremer Hitze, Kälte und mechanischer Belastung schützen und ungünstige Umwelteinflüsse ohne Einbuße der Lebensfähigkeit überstehen. Die verschiedenen Zellwände der Spore (s. Abb. 11) schützen den Zellkern gegenüber äußeren Belastungen. Dieser natürliche Schutz ermöglicht es, daß Bacillus-Produkte massiven Beanspruchungen während der Futterherstellung und -lagerung widerstehen (z.b. hohe Temperaturen, Druck, Scherkräfte, oxidative Einflüsse). Bacillussporen sind somit uneingeschränkt für alle Futtertypen geeignet. Zudem wird die Lebensfähigkeit der Keime nicht durch niedrige ph-werte, wie sie im Magen von Monogastern vorherrschen, beeinträchtigt. Über die Fermentationsbedingungen bei der Herstellung wird Einfluß auf die