微生物多糖在酸奶中的应用研究进展

孙庆申，许艳玲，马华美，李梦洋

（1.黑龙江大学农业微生物技术教育部工程研究中心，黑龙江 哈尔滨 150500；2.黑龙江大学生命科学学院黑龙江省普通高等学校微生物重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学生命科学学院黑龙江省普通高等学校分子生物学重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080）

多糖是由不少于10个单糖分子经过失水缩合、由糖苷键以特定连接方式拼接而成的复杂生物大分子。多糖的分布十分广泛，遍布于动物、植物、微生物中，而且这些多糖因其独特的结构及修饰方式而具有不同的功能特性，且安全性好[1]。近年来，随着提取工艺、结构修饰及功能评价手段的日益完善，特别是伴随着大健康产业的发展，越来越多的人开始重视多糖功效方面的研究。与动物多糖和植物多糖相比，微生物多糖在食品、医药等领域的研究及应用更为广泛。

酸奶作为一种口感鲜美，营养全面的功能性饮品已经成为世界上最受欢迎的发酵乳制品之一。研究发现，不同类型的多糖添加到酸奶后对酸奶营养、质地等方面具有重要的影响[2]。为了深入开发微生物多糖强化酸奶产品，本文首先阐述了添加到酸奶中具有代表性的微生物多糖，然后就微生物多糖加入酸奶后对酸奶品质和功能的影响进行了系统阐述。

1 微生物多糖的来源、分类、结构及功能特性

1.1 来源及分类

微生物多糖是自然界中的细菌、酵母等在代谢过程中产生的一类多糖，具有其它多糖所不具备的优势，即它们生产周期短，在空间上不受季节、地域等条件的制约。乳酸菌胞外多糖（extracellular polysaccharide，EPS）是乳酸菌在生长代谢过程中分泌的一种糖类化合物，根据化学组成，可以分为同型多糖和异型多糖。EPS的分子量、糖苷键连接类型、化学基团、结构单元和单糖组成等因素是影响其功能的关键[3]。酵母多糖（yeast polysaccharide，YPS）是从酵母细胞中提取出来的功能性复合多糖，葡聚糖和甘露聚糖是其主要活性形式[4]。而真菌多糖（如食用菌多糖）则是从真菌子实体、菌丝体或其发酵液中分离得到的一类生物活性良好的高分子碳水化合物[5]。

根据多糖在微生物细胞中的存在位置，微生物多糖可分为EPS、胞壁多糖和胞内多糖。胞壁多糖多是微生物细胞的骨架成分，如肽聚糖；胞内多糖是微生物细胞代谢产生的，是存在于胞浆或者细胞器内的多糖成分；EPS则是细胞代谢过程产生并分泌到细胞外的多糖，这部分多糖可黏附于细胞表面，保护微生物细胞，也可以分泌到细胞培养基质中。

1.2 结构及功能特性

多糖具有螺旋状的立体构型，主链是由β-D糖苷键连接的葡萄糖基组成的[6]。多糖结构包括两种类型：初级结构（一级结构）和高级结构（二、三、四级结构）。真菌多糖的一级结构主链是同型多糖，一种是葡聚糖以β（1→3）糖苷键连接为主，兼有少量的 β（1→4）或β（1→6）糖苷键连接，云芝多糖等属于这种结构；另一种是以α-糖苷键连接的甘露聚糖为主链，银耳多糖、黑木耳多糖和灵芝多糖是这种连接方式。多糖的二级结构是指单糖通过糖苷键连接而成的聚合体，与侧链的空间排布没有关系。多糖通过链的连接以及各种基团间相互作用构成了多糖链的三级结构。多糖的四级结构是指多聚链间非共价键结合形成的聚合体[7]。乳酸菌多糖具体划分为同型多糖和异型多糖两大类[8]。同型EPS分为α-D-葡聚糖、β-D-葡聚糖、果聚糖、半乳聚糖4种类型。在乳酸菌同型EPS中右旋糖酐较为典型，它的主链由α-D-吡喃型葡萄糖基（1→6）、α-D-吡喃型葡萄糖基（1→3）连接而成，异型多糖的结构与主链相比更具有多样性[9]。在酵母细胞壁多糖中外层为甘露糖和蛋白质形成的复合物，中间层为β-（1，3）、β-（1，6）葡聚糖，内层为几丁质[10]。

近年来乳酸菌EPS已经成为乳酸菌资源开发利用的热点问题。研究发现，某些乳酸菌分泌的EPS具有较强的自由基清除能力、亚铁离子螯合能力和氧自由基吸收平衡能力[11]，目前已有研究表明，乳酸菌EPS具有抗肿瘤[12]、调节免疫力[13]、保护益生菌[14]等多种生物活性。

真菌多糖结构中的醇羟基可以延缓脂质过氧化、清除自由基，也能起到抗皮肤衰老的效果。在食用菌多糖中，β-葡聚糖已被认为是食用菌中主要的活性成分，富含β-葡聚糖的多糖普遍具有可以抑制肿瘤蛋白酶活性的特点[15]。

2 微生物多糖在酸奶中的作用

2.1 发挥益生元作用

益生元作为一种膳食补充剂，可以通过胃、小肠到达结肠，选择性地刺激结肠中细菌的生长，使肠道微生态朝有利于宿主健康方向转变[16]。β-葡聚糖已经被归类为多糖类益生元[17]。在研究过程中也发现其它一些微生物多糖具备潜在的益生元活性，且能影响酸奶的活菌数。酸奶中的益生元到达肠道中，可以调节微生态平衡，增强免疫系统功能，促进婴儿的健康[18]。

EPS在保护细胞活性方面发挥了重要作用[19]。双歧杆菌INIA P132和双歧杆菌INIA P731接种牛乳发酵成酸奶后，发现其产生的多糖在低温储藏时可保护菌种使其存活，并且接种双歧杆菌INIA P132的酸奶表现出更好的稳定性[20]。给小鼠灌胃含发酵乳杆菌Lf2EPS的酸奶后，其粪便样本中总短链脂肪酸含量显著升高，双歧杆菌属丰度也随时间的推移而逐渐增加，这表明EPS和益生菌株在调节肠道微生态方面具有协同作用，该研究为开发一种具有合生元特性的功能性酸奶提供了技术可行性[21]。

食用菌多糖方面，李广富等[22]将茶新菇、真姬菇中的多糖添加到酸奶中，研制了两种食用菌多糖功能性酸奶，结果发现，茶新菇多糖和真姬菇多糖均可与酸奶发挥协同作用，有效延缓D-半乳糖致衰老模型小鼠的皮肤衰老进程，且存在剂量效应关系。香菇与乳酸菌可以产生共生作用，在某些酶的作用下香菇产生了乳酸菌可利用的单糖，促进了乳酸菌的增殖，起到益生元的效果[23]。将香菇多糖和保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌联合制备香菇多糖酸奶，在一定浓度范围内，香菇多糖促进两株菌种生长，当高于某一浓度时，这种促进作用则会降低[24]。从香菇废料中提取的多糖加入到酸奶中后，嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌和长双歧杆菌在酸奶冷藏期间的存活率也得到了提高，保持在107CFU/mL以上，并且在模拟胃液和胆汁条件下，这些益生菌也受到了显著的保护作用，达到了有益宿主健康的效果[25]。金针菇多糖[26]、银耳多糖[27]也都制成了多糖酸奶。此外，由于低pH值、贮藏过程中的低温、营养物质缺乏等因素往往导致酸奶中益生菌的活力降低，β-葡聚糖作为益生元可以减少这些压力因素，在低温保存时对酸奶中双歧杆菌具有保护作用[28]。因此，食用菌多糖在酸奶中作为益生元具有良好的开发前景。

本文基于系统涌现理论构建企业价值共创体系价值创造能力评价指标体系和评价模型，并据此对我国膜企业价值共创体系的价值创造能力的综合评价值和主因子评价值进行分析和计算。主要结论如下：

2.2 改善酸奶质地

酸奶的质地包括黏度、酸度、持水力和流变学特性等方面，口感也是评价酸奶好坏的一个重要指标。在保证酸奶品质的前提下，有资料记载多糖可以改善酸奶质地，人们将不同来源的多糖添加到酸奶后对功能性酸奶品质的影响进行了大量研究[29]。乳酸菌可分泌黏性EPS，在应用于酸奶中时可显著改善其特定的质构和风味特性。

酸奶流变学的研究主要集中在酸奶的黏度和持水力等方面，EPS有助于提高酸奶的黏度和质地。研究发现，多糖在酸奶发酵产生凝胶的过程中会与乳中的酪蛋白分子相互作用，促进了酪蛋白之间的相互聚集，酪蛋白胶束结构的改变使酪蛋白胶束的酸凝胶行为有了显著的改善，从而提高其黏度和黏聚力。葡聚糖由于颗粒尺寸较大，加入希腊酸奶后，具有更强的黏性而流动性较差，该结果也被证明是开发希腊酸奶的一种切实有效的技术选择[30]。从泡菜中分离出的一株菌株，该菌株发酵酸奶产生的EPS可增加酸奶的黏度[31]，从发酵乳杆菌黏液中产生的EPS也增加了酸奶的黏度等流变特性[32]。发酵剂EPS原位生产水平及其构象特征取决于很多因素，包括EPS结构中糖苷键的可获得性、EPS产生的复杂遗传机制、培养温度和时间、养分可获得性、单糖组成、连接类型、侧链、分子量、与酪蛋白的相互作用等，研究显示EPS的原位生产在酸奶、奶酪等多种乳制品的生产中发挥着重要作用[33]。

有研究分别在酸奶里添加了黄绿蜜环菌胞外硒多糖、松茸多糖和人参多糖并对多糖酸奶的持水力进行了分析，发现黄绿蜜环菌胞外硒多糖添加量为0.04%时酸奶持水力最好，0.04%的松茸多糖可提高酸奶持水力并改变酸奶组织性状，但人参多糖对酸奶持水力的影响并不明显。酸奶的保水性受总固形物和总蛋白含量的影响，而人参多糖的添加量很少，酸奶的总固形物含量和蛋白含量变化微弱，所以持水力变化不大[34-36]。

一些酸奶中脂肪含量较低，容易出现乳清析出、稳定性不佳等问题。乳酸菌产生的EPS可以使酸奶的稳定性显著提升，缓解了乳清析出的情况，使酸奶有更好的口感。毛木耳多糖能够显著改善酸奶质构，使产酸量增加，当发酵剂添加量0.6%、发酵温度42℃、发酵时间10 h、多糖添加量为0.4%时质地最佳[37]。李伟欣等[38]评估了双歧杆菌22-5 EPS对酸奶质构的影响，结果显示，当添加量为12.0 g/L时，其EPS对酸奶作用最为明显，酸奶黏度增加、pH值降低、酸度升高。

在松茸多糖酸奶[35]以及乳酸菌EPS酸奶[39]的制备过程中，一定浓度的多糖会使最终酸奶的硬度和黏稠性变得良好，并且在整个过程中，多糖与酪蛋白相互作用力的类型在不同阶段是动态变化的，主要从静电作用（初始阶段）到疏水或氢键作用（中期）再到静电作用（后期）[35，39]。

此外，滑菇多糖添加到酸奶中可作为一种天然稳定剂和功能性添加剂，使得酸奶品质得到改善，货架期延长且发酵乳风味、质地、黏度、色泽和口感都优于未添加多糖对照组[40]。不同多糖对发酵乳产酸速率及后酸化也有影响，甘南藏族传统发酵乳中高产EPS可抑制酸奶的酸度上升，延缓后酸化过程[41]。产生EPS的双歧杆菌YS108R在发酵过程中改善了酸奶的理化特性，包括降低乳清脱水收缩力，增加保水能力（water holding capacity，WHC）和表观黏度。此外，有研究表明，黏度与乳清的协同作用和WHC显著相关[42]。综上，多糖的添加都会不同程度地提高酸奶的品质。

2.3 抗氧化活性

正常细胞代谢过程中产生的自由基会导致脂质过氧化，破坏膜蛋白，改变细胞膜通透性，导致细胞失活和免疫系统受损。多糖的抗氧化作用机制主要是通过内源性抗氧化应激通路（Nrf2-ARE通路），调节编码下游抗氧化酶基因的表达。这些抗氧化酶能够阻断自由基链式反应，从而减少自由基的生成，消除过多自由基，从根源上防治疾病的产生[43]。研究显示，相同来源的多糖组分、分子量不同，抗氧化活性也会不同[44]。多糖具有很强的抗氧化活性，因此具有作为抗氧化剂的潜力。

对茶树菇多糖益生菌酸奶进行体外抗氧化活性试验和D-半乳糖致衰老模型小鼠的衰老效果实验，结果都表明其抗氧化活性明显高于普通酸奶，且与茶树菇多糖添加量呈正相关[45]。一些EPS，如瑞士乳杆菌MB2-1荚膜多糖[46]、植物乳杆菌酸性EPS[47]，在酸奶中都发挥了良好的抗氧化活性，延长了酸奶保质期且改善了酸奶的质地。这些结果都显示出EPS具有作为天然抗氧化剂的巨大潜力，它们主要通过清除自由基、促进抗氧化酶活性而表现出抗氧化活性。

2.4 免疫调节活性

一些多糖被很多国家认为是先天免疫调节分子，它们在促进哺乳动物长寿方面起着重要的作用。多糖具有免疫调节活力，被认为是由于它们能够激活巨噬细胞、T淋巴细胞、B淋巴细胞、自然杀伤性细胞（natural killer cell，NK）等免疫细胞，且通过促进细胞因子生成等各种途径调节免疫功能[48]。

植物乳杆菌RS20D分泌的总EPS可刺激巨噬细胞RAW264.7显著释放NO，并在mRNA水平上上调促炎细胞因子的基因表达。目前的研究表明，植物乳杆菌RS20D可能是具有免疫调节活性的多糖的一个潜在来源，并可能作为一种功能性发酵剂用于改善酸奶质地[49]。含有菌株1073R-1的发酵酸奶具有增强免疫力、抗流感病毒作用，该菌株产生的黄芪多糖是其中的活性成分之一[50]。最近的研究表明，益生菌产生的EPS能够调节全身和黏膜的免疫反应，对健康有促进作用[51]。从蘑菇子实体中提取的β-葡聚糖对免疫系统的刺激有助于识别入侵的病原体，对巨噬细胞有刺激作用，可用于功能性免疫酸奶的研制[47]。

2.5 其它作用

除上述多糖添加到酸奶中所体现的一些功能活性外，产EPS的乳酸菌和双歧杆菌具有从酸奶中去除黄曲霉毒素的潜力。利用这一现象去除受污染食品和饲料中的霉菌毒素，是提高食品和饲料安全的迫切需要[52]。嗜热链球菌所产鼠曲糖-葡萄糖多糖能够参与解毒过程[53]，香菇中β-葡聚糖以酸奶为载体可通过调节胃肠道发生氧化应激抑制结肠炎性细胞因子的分泌，激活白细胞，转移和抑制肿瘤生长[54]。金针菇多糖的发酵行为和消化率试验表明其在胃肠唾液中不会被降解且促进有益肠道菌群的生长，这一发现为金针菇多糖体外消化的研究提供了新的思路，也可用于其它多糖的研究[55]。灰树花是一种白色腐木真菌，其多糖可用于降压，有应用于功能性酸奶中的潜力[56]。蛹虫草多糖酸奶对酒精性肝损伤有协同保护作用[57]。除了上述介绍的典型微生物多糖种类外，目前越来越多的微生物多糖被应用到食品领域，甚至添加到酸奶中。结冷胶耐酸碱，制成的凝胶不随pH值改变，可在酸奶中充当稳定剂，提高酸奶在贮藏过程中的持水力[58]；短梗霉多糖在酸奶中加入后，产品的滑润性得到提高，产品具有更好的风味和口感[59]。由此可见，以微生物多糖作为强化酸奶成分的研究及开发工作正在兴起中。

3 微生物多糖功能性酸奶产品展望

近年来，我国关于功能性酸奶的研究在不断地深入。微生物多糖的安全性、抗氧化性、免疫性、益生性等特性使其成为一种天然成分被添加到酸奶中，关于多糖强化酸奶的研发和应用已经取得了很大的进展[2，49，60-62]。近几年的文献研究了微生物多糖对酸奶本身感官和质地的改善，对于产品功能活性的体现上目前也有一些发现，比如抗氧化活性、延缓衰老、保护益生菌、提高免疫抗炎活性，但是关于它的功效机制理解尚浅。在后续研究中，应加强对具有特殊生物活性的多糖酸奶产品的开发与利用，进一步在多糖筛选、构效关系、起效机制、加工复配等方面深入探索，相信在不远的将来，多糖类酸奶必将在功能性发酵乳制品领域发挥出更为重要的作用。