乳酸菌产胞外多糖及其在食品中的应用

多糖是由糖苷键连接在一起的单糖单元形成的高分子量聚合碳水化合物，植物来源的多糖虽然相对便宜，但是受季节和气候的影响较大，而且植物多糖在其物理特性、纯度和实用性方面仍然不太稳定。相比之下，微生物多糖可以通过廉价的原料发酵获得，成本低廉，而且微生物多糖的功能和理化特性研究广泛，很多微生物多糖如海藻酸盐和黄原胶等在食品、化工等方面有着广泛的应用，且已经实现商业化的生产。微生物多糖根据它们在细胞中的位置进行分类，在细胞内的多糖是细胞间质多糖，作为细胞的组成部分，难以进行分离，而分泌到细胞外的多糖称为胞外多糖（Extracellular polysaccharide，EPS），它们可以较为容易地从细胞中分离出来。

在众多的产胞外多糖的微生物中，乳酸菌（Lactic Acid Bacteria，LAB）一直受到研究者们的关注。乳酸菌是一种革兰氏阳性、兼性厌氧细菌，在食品、乳制品、农业、制药和医疗中发挥着重要的作用[1]。因为乳酸菌具有特殊的生理功能，如通过调节肠道内菌群平衡促进营养吸收保持肠道健康，所以一般被视为益生菌。由于人类食用LAB的历史悠久，LAB一直是美国食品药品监督管理局认证的“公认安全使用物质”（Generally Recognized as Safe，GRAS），并拥有欧盟食品安全局（European Food Safety Authority，EFSA）的安全资格认定（Qualified Presumption of Safety，QPS）[2]。LAB的生物合成能力强大，不仅能合成氨基酸和维生素，还能合成细菌素、有机酸、胞外多糖、低聚果糖、亚油酸和短链脂肪酸等多种有机物。研究表明，乳杆菌属、乳球菌属、肠球菌属、明串珠菌属、片球菌属、链球菌属和魏氏菌属等多种乳酸菌均可产EPS。

EPS结构不同，具有的功能也不尽相同，除了作为微生物的储备碳源之外，它还可以在恶劣的环境条件下为微生物细胞提供保护。此外，EPS可以从物理上保护细胞免受有毒化合物的影响，如乳酸链球菌素、溶菌酶等，对抗生素、噬菌体和吞噬作用更具有抵抗力。近年来的研究也表明，乳酸菌的益生作用和EPS的生物活性有关，LAB通过EPS对胃肠道产生积极影响，并有助于在人体肠道内定殖。此外，EPS还具有多种生理作用，如抗病毒、抗炎、抗肿瘤、免疫调节和降低胆固醇等，使其作用更加广泛[3]。

LAB产的EPS因为其特殊理化特性，可以成为商业添加剂的一种天然替代品，在食品生产中，EPS具有很多优势，除了具有乳化、增稠和稳定等特性外，还为食品赋予其所需的流变学特性，如增加黏度、减少失水和改善质构等。此外，EPS还可以提供食品理想的紧实度、乳脂感和口感，甚至可以应用于食品包装的制备。LAB产的EPS在食品中的应用可以减少或避免添加剂的使用，这不仅可以优化生产工艺，还可以满足消费者减少食品添加剂使用的期望。

本综述将从EPS的组成与生产、功能等角度出发，并主要介绍其在食品中的应用研究进展。

1 胞外多糖的分类

基于单糖的多样性，EPS可以是同多糖（Homopolysaccharide，HoPS），即其中所有单糖都是相同的，也可以是杂多糖（Heteropolysaccharide，HePS），其中单糖各不相同，通常由2～8个不同的单元组成。

1.1 同多糖

近年来，大多数LAB产多糖的研究都集中在HoPS上，包括这些菌株的EPS合成、EPS结构和分子特征，以及HoPS的各种应用。HoPS的特征是仅含有一种中性单糖，如果是葡萄糖，那么HoPS也被称为葡聚糖。同理，由半乳糖合成的则为低聚半乳糖，由果糖合成的HoPS则被称为果聚糖。关于HoPS的生物合成，它们是通过细胞外的蔗糖分子进行合成。通过糖苷水解酶（Glycoside Hydrolase，GH）的作用，蔗糖分子将充当相应单糖单元的供体。随后通过两种酶即葡聚糖蔗糖酶和果聚糖蔗糖酶的作用形成α-葡聚糖和β-果聚糖。这两种酶的作用是催化源自蔗糖的HoPS聚合，然后将分子分别转移到葡聚糖或果聚糖还原末端。

1.2 杂多糖

与HoPS不同，HePS具有非常复杂的结构，其主链由几个重复单元组成，这些重复单元可以是支链或非支链结构。HePS通常含有一些不同比例的糖，如D-葡萄糖、D-半乳糖或L-鼠李糖。然而，HePS也可以含有其他糖或取代基，但范围较小，如一些单糖（如核糖和果糖）、N-乙酰化单糖（包括N-乙酰氨基葡萄糖和N-乙酰半乳糖胺）。此外，HePS还可以含有一些无机取代基（如葡萄糖醛酸、磷酸盐、甘油等）。与HoPS相反，HePS的重复单元在细胞内合成，但它们在细胞外聚合。

一般来说，来自LAB的HePS产量明显低于HoPS。而影响HePS产量的因素有很多，包括菌株本身以及其他培养条件，如培养基成分、生长周期、初始pH值、温度和通气等。许多研究表明，控制和优化生长条件可提高HePS产量。据报道，优化生长条件后 HePS 产量从25 mg·L-1增加到600 mg·L-1。甚至，在优化培养条件后，一些菌株（如鼠李糖乳杆菌RW-9595M）的HePS产量提高到2 g·L-1[4]。

2 乳酸菌胞外多糖在食品工业中的应用

在食品工业中，LAB通过原位发酵产生EPS，这些EPS在食品感官特性中发挥着重要作用。LAB产的EPS在工业中应用广泛。例如，它们作为胶凝剂、增稠剂、乳化剂、稳定剂、水结合剂和增粘剂使用。此外，LAB生产的EPS在乳制品和谷类产品的生产中也具有潜在的作用。同时，一些EPS具有生理活性，如抗氧化、抗癌、免疫调节、抗病毒、抗凝血和抗胆固醇升高活性。此外，它们还可以减少病原体形成的生物膜并促进肠道益生菌定殖[5]。乳酸菌产生的β-葡聚糖具有益生元特性和免疫调节活性。因此，在食品中添加EPS也是一种功能性食品开发的研究方向。

2.1 EPS在乳制品的应用

LAB生产的EPS应用于乳制品可以减少乳制品中添加剂的使用，同时也不会改变产品的整体特性（香气、质地和风味）。因为EPS可以使发酵乳制品组织化，改善食品的结构和质地，同时增加其黏度而不影响香气和味道。此外，EPS的存在改善了最终产品的口感，并避免了在发酵过程或产品储存过程中可能发生的被称为“脱水收缩”的乳清分离。以酸奶为例，保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌分别产生60～150 mg·L-1和30～890 mg·L-1的原位杂多糖，但这两种细菌都会发酵牛奶中的乳糖，从而产生乳酸，导致pH值降低到5.5左右。酸奶生产过程中pH值的降低会导致酪蛋白不稳定，从而影响质地并导致脱水收缩。目前，一般会通过增加稳定剂、固体乳蛋白和糖等方法改善。研究表明，使用产EPS的发酵剂或含EPS的发酵产物，例如使用产EPS的黏膜乳杆菌DPC 6426，能改善酸奶的保水性，减少了脱水收缩，并改善了黏度和弹性等整体流变特性[6]。另外一种解决方案是使用菊粉（一种益生元EPS）来生产功能性食品，如流变特性得到改善的功能性羊奶酸奶[7]。

对于奶酪来说，LAB在其中扮演着不同的角色。一种是参与发酵过程（乳酸乳球菌、明串珠菌属、嗜热链球菌、德氏乳杆菌和瑞士乳杆菌），而另一种则是参与成熟阶段（乳杆菌属、明串珠菌属、乳酸片球菌和戊糖片球菌）。由于高脂奶酪对消费者健康的负面影响，消费者更青睐低脂奶酪。然而，降低奶酪中脂肪的百分比会影响产品最终的质地和风味。但是新的研究表明，在制造奶酪期间使用产EPS的菌株，可以改善奶酪的质地和味道，并且无需添加额外的添加剂。许多属于乳杆菌属的菌种（保加利亚乳杆菌、瑞士乳杆菌和干酪乳杆菌）产生的杂多糖能显著影响奶酪的流变特性。而且，EPS的存在对奶酪风味没有任何负面影响[8]。

在冰淇淋制造中，葡聚糖可以作为稳定剂并且增加产品黏度。DERTLI等[9]测试了由嗜热链球菌菌株原位产生的EPS对冰淇淋的物理化学、分子、微观结构、流变学和感官特性的影响，试图开发一种不需要稳定剂的功能性发酵冰淇淋。添加EPS合成培养物后，冰淇淋的理化和流变特性得到改善，微观结构特征也发生了积极变化。

总的来说，EPS可以制造传统上各种发酵乳制品，如酸奶、开菲尔、发酵奶油、牛奶甜点和奶酪。主要是生产EPS的LAB可以改善各种食品的质地和感官特性，尤其是在低脂的情况下[10]。

2.2 EPS在烘焙行业和谷物制品中的应用

一些EPS可以通过改善面团的加工性能、质地、体积、流变性等提高面包的保质期。因此，可以通过发酵过程中LAB合成的EPS来改善面包的质地特性，从而降低成本并减少或避免添加剂的使用。酸面团面包是一种在酵母发酵过程中添加乳酸菌混合发酵的面包，因为乳酸菌的加入，使得酸面团面包在香气、质地、保质期和营养等方面显著提升。酸面团中，香气的形成、酸化和特殊代谢活动及EPS的合成等都和乳酸菌相关。当存在蔗糖时，乳酸菌在酵母发酵过程中通过糖基水解酶的作用产生同多糖，产生的葡萄糖或果糖用于合成葡聚糖或果聚糖[11]。此外，乳酸菌对残留果糖的代谢形成具有抗真菌活性的乙酸盐，但高浓度的乙酸盐对口感、面团流变特性、面包芯硬度和面包体积有负面影响。但只有那些能够在发酵中占主导地位的LAB才能用于酸面团的发酵，而LAB的选择是影响面包最终质量的主要因素[12]。用于酸面团中能生产同多糖的主要LAB菌种为旧金山乳杆菌、桥乳杆菌、路氏乳杆菌、面包乳杆菌和谷物乳杆菌[11]。

近年来，为满足消费者对健康食品的追求，许多食品开始添加膳食纤维。在烘焙行业，尤其是面包行业，通常使用麸皮作为纤维来源，但麸皮会降低面筋水合作用，从而破坏面筋网络的形成，继而对小麦面团的结构产生负面影响。为克服这个问题，研究者使用了融合乳杆菌，因为它能够在麦麸中产生EPS——葡聚糖，它作为一种水胶体，可以提高高纤维小麦面包的质量[8]。

另外，随着无法食用麸质的乳糜泻患者数量不断增加，烘焙行业面临的另一个挑战是开发无麸质产品，而无麸质面包通常口感和风味不佳。但通过使用EPS，例如葡聚糖（肠膜明串珠菌和魏斯氏乳酸菌）、果聚糖（旧金山乳杆菌）能明显改善面团流变性、面包质地，并且可以替代或减少面包改良剂等添加剂的使用[8]。

2.3 发酵肉制品中乳酸菌胞外多糖

LAB在肉类生产中的应用可以追溯到史前时代，并在世界范围内产生了种类繁多的传统食品。目前，最常用的乳酸菌是乳酸杆菌和乳酸片球菌，它们通过产生乳酸、乙酸和细菌素来降低生肉制品中细菌的浓度，从而延长肉制品的保质期。而这些过程也会影响肉制品的水分含量、质地和颜色。

随着消费者对减脂肉类产品的需求不断增长，研究者们已经进行了多次尝试来减少或替代脂肪。HILBIG等[13]发现，在一种名为“Teewurst”的传统德国涂抹发酵生香肠中，LAB能够在肉基质中形成EPS，并且EPS影响了产品的质量特性并改善了这些减脂生香肠的延展性。LOEFFLER等[14]也阐述了LAB产EPS在肉制品中的使用，描述了它们在各种肉类基质中的作用，例如熟火腿、重组火腿、生发酵香肠和减脂生发酵香肠。

上述研究表明，通过LAB生产EPS是一种很有前景的改善肉制品质地的方法。然而，在EPS广泛应用于工业之前，仍有许多问题需要解决。例如，LAB生产的EPS需要保持在特定的浓度范围内，才能保证食品质量的一致性。

3 植物性饮料中乳酸菌合成的胞外多糖

近年来，由于一些健康原因（如牛奶蛋白过敏或乳糖不耐症）以及可持续性或道德问题导致了无肉和无奶饮食的出现。虽然植物源乳制品的生产和消费量大幅增加，但要使目前产品的口味和质地达到消费者的预期仍然是一项挑战。

LAB合成EPS在植物性发酵食品中发挥着重要作用，例如生产类似酸奶的饮料和奶酪替代品，EPS改善了植物衍生产品的质构和感官特性并延长了保质期[15]。在利用谷物代替乳制品的发酵型非乳制品的研究中，纯LAB培养物和混合LAB培养物都可以通过形成EPS来改善非乳制品的质构。此外，研究者们还发现能够产生EPS的发酵剂有助于提高发酵豆浆产品的流变性和稠度。LAB形成的EPS具有改变流体的流动特性、增加持水能力、絮凝颗粒、乳化和稳定悬浮液的重要作用。究其原因，是因为EPS和大豆蛋白之间的相互作用影响了发酵豆浆的微观结构和质构特征。总体而言，EPS可以提高产品的储藏稳定性。因此，在各种大豆食品中使用产EPS的LAB开始变得越来越普遍。在基于藜麦面粉的发酵饮料中，同时添加了益生菌鼠李糖乳杆菌、产EPS的融合魏斯氏菌和植物乳杆菌菌株。其中融合魏斯氏菌生产的葡聚糖型EPS可以提高藜麦饮料的黏度和保水能力。此外，稳定的EPS-蛋白质网络的形成进一步改善了产品的质构特性。多项研究表明，EPS对谷物发酵饮料的口感有积极影响。综合考虑，用产EPS的LAB发酵可以减少植物酸奶替代品中添加剂的使用。

4 结论

随着消费者对于食品安全和天然食品的重视程度越来越高，就需要食品工业减少人工成分或添加剂的使用。因此，关于天然食品添加剂的研究逐年增多。其中，LAB产EPS因为可以改善食品物理化学特性成为添加剂的替代品，成为研究热点。而关于LAB的研究也不断给人类带来惊喜，LAB生产的胞外多糖已引起了人们的持续关注，甚至已经产生了多项基于源自不同细菌属产EPS的专利。它们在食品和乳制品行业中的应用可以改善产品品质、延长保质期以及替代脂肪和蛋白质。除此之外，EPS在制药、临床和诊断领域都具有巨大的应用潜力。但生产成本高、多糖得率低，以及分离纯化EPS过程烦琐是EPS生产中需要解决的主要问题。因此，需要在微生物生理学、遗传学、多糖生物合成、最佳发酵条件以及分离和纯化步骤的优化等方面进行更深入的研究，不断降低EPS的生产成本和提高EPS产量和质量。只有这样，EPS才有更加广阔的发展前景。