乳酸菌產胞外多糖及其在食品中的應用

多糖是由糖苷鍵連接在一起的單糖單元形成的高分子量聚合碳水化合物，植物來源的多糖雖然相對便宜，但是受季節和氣候的影響較大，而且植物多糖在其物理特性、純度和實用性方面仍然不太穩定。相比之下，微生物多糖可以通過廉價的原料發酵獲得，成本低廉，而且微生物多糖的功能和理化特性研究廣泛，很多微生物多糖如海藻酸鹽和黃原膠等在食品、化工等方面有著廣泛的應用，且已經實現商業化的生產。微生物多糖根據它們在細胞中的位置進行分類，在細胞內的多糖是細胞間質多糖，作為細胞的組成部分，難以進行分離，而分泌到細胞外的多糖稱為胞外多糖（Extracellular polysaccharide，EPS），它們可以較為容易地從細胞中分離出來。

在眾多的產胞外多糖的微生物中，乳酸菌（Lactic Acid Bacteria，LAB）一直受到研究者們的關注。乳酸菌是一種革蘭氏陽性、兼性厭氧細菌，在食品、乳制品、農業、制藥和醫療中發揮著重要的作用[1]。因為乳酸菌具有特殊的生理功能，如通過調節腸道內菌群平衡促進營養吸收保持腸道健康，所以一般被視為益生菌。由于人類食用LAB的歷史悠久，LAB一直是美國食品藥品監督管理局認證的“公認安全使用物質”（Generally Recognized as Safe，GRAS），并擁有歐盟食品安全局（European Food Safety Authority，EFSA）的安全資格認定（Qualified Presumption of Safety，QPS）[2]。LAB的生物合成能力強大，不僅能合成氨基酸和維生素，還能合成細菌素、有機酸、胞外多糖、低聚果糖、亞油酸和短鏈脂肪酸等多種有機物。研究表明，乳桿菌屬、乳球菌屬、腸球菌屬、明串珠菌屬、片球菌屬、鏈球菌屬和魏氏菌屬等多種乳酸菌均可產EPS。

EPS結構不同，具有的功能也不盡相同，除了作為微生物的儲備碳源之外，它還可以在惡劣的環境條件下為微生物細胞提供保護。此外，EPS可以從物理上保護細胞免受有毒化合物的影響，如乳酸鏈球菌素、溶菌酶等，對抗生素、噬菌體和吞噬作用更具有抵抗力。近年來的研究也表明，乳酸菌的益生作用和EPS的生物活性有關，LAB通過EPS對胃腸道產生積極影響，并有助于在人體腸道內定殖。此外，EPS還具有多種生理作用，如抗病毒、抗炎、抗腫瘤、免疫調節和降低膽固醇等，使其作用更加廣泛[3]。

LAB產的EPS因為其特殊理化特性，可以成為商業添加劑的一種天然替代品，在食品生產中，EPS具有很多優勢，除了具有乳化、增稠和穩定等特性外，還為食品賦予其所需的流變學特性，如增加黏度、減少失水和改善質構等。此外，EPS還可以提供食品理想的緊實度、乳脂感和口感，甚至可以應用于食品包裝的制備。LAB產的EPS在食品中的應用可以減少或避免添加劑的使用，這不僅可以優化生產工藝，還可以滿足消費者減少食品添加劑使用的期望。

本綜述將從EPS的組成與生產、功能等角度出發，并主要介紹其在食品中的應用研究進展。

1 胞外多糖的分類

基于單糖的多樣性，EPS可以是同多糖（Homopolysaccharide，HoPS），即其中所有單糖都是相同的，也可以是雜多糖（Heteropolysaccharide，HePS），其中單糖各不相同，通常由2～8個不同的單元組成。

1.1 同多糖

近年來，大多數LAB產多糖的研究都集中在HoPS上，包括這些菌株的EPS合成、EPS結構和分子特征，以及HoPS的各種應用。HoPS的特征是僅含有一種中性單糖，如果是葡萄糖，那么HoPS也被稱為葡聚糖。同理，由半乳糖合成的則為低聚半乳糖，由果糖合成的HoPS則被稱為果聚糖。關于HoPS的生物合成，它們是通過細胞外的蔗糖分子進行合成。通過糖苷水解酶（Glycoside Hydrolase，GH）的作用，蔗糖分子將充當相應單糖單元的供體。隨后通過兩種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。這兩種酶的作用是催化源自蔗糖的HoPS聚合，然后將分子分別轉移到葡聚糖或果聚糖還原末端。

1.2 雜多糖

與HoPS不同，HePS具有非常復雜的結構，其主鏈由幾個重復單元組成，這些重復單元可以是支鏈或非支鏈結構。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，但范圍較小，如一些單糖（如核糖和果糖）、N-乙?；瘑翁牵ò∟-乙酰氨基葡萄糖和N-乙酰半乳糖胺）。此外，HePS還可以含有一些無機取代基（如葡萄糖醛酸、磷酸鹽、甘油等）。與HoPS相反，HePS的重復單元在細胞內合成，但它們在細胞外聚合。

一般來說，來自LAB的HePS產量明顯低于HoPS。而影響HePS產量的因素有很多，包括菌株本身以及其他培養條件，如培養基成分、生長周期、初始pH值、溫度和通氣等。許多研究表明，控制和優化生長條件可提高HePS產量。據報道，優化生長條件后 HePS 產量從25 mg·L-1增加到600 mg·L-1。甚至，在優化培養條件后，一些菌株（如鼠李糖乳桿菌RW-9595M）的HePS產量提高到2 g·L-1[4]。

2 乳酸菌胞外多糖在食品工業中的應用

在食品工業中，LAB通過原位發酵產生EPS，這些EPS在食品感官特性中發揮著重要作用。LAB產的EPS在工業中應用廣泛。例如，它們作為膠凝劑、增稠劑、乳化劑、穩定劑、水結合劑和增粘劑使用。此外，LAB生產的EPS在乳制品和谷類產品的生產中也具有潛在的作用。同時，一些EPS具有生理活性，如抗氧化、抗癌、免疫調節、抗病毒、抗凝血和抗膽固醇升高活性。此外，它們還可以減少病原體形成的生物膜并促進腸道益生菌定殖[5]。乳酸菌產生的β-葡聚糖具有益生元特性和免疫調節活性。因此，在食品中添加EPS也是一種功能性食品開發的研究方向。

2.1 EPS在乳制品的應用

LAB生產的EPS應用于乳制品可以減少乳制品中添加劑的使用，同時也不會改變產品的整體特性（香氣、質地和風味）。因為EPS可以使發酵乳制品組織化，改善食品的結構和質地，同時增加其黏度而不影響香氣和味道。此外，EPS的存在改善了最終產品的口感，并避免了在發酵過程或產品儲存過程中可能發生的被稱為“脫水收縮”的乳清分離。以酸奶為例，保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌分別產生60～150 mg·L-1和30～890 mg·L-1的原位雜多糖，但這兩種細菌都會發酵牛奶中的乳糖，從而產生乳酸，導致pH值降低到5.5左右。酸奶生產過程中pH值的降低會導致酪蛋白不穩定，從而影響質地并導致脫水收縮。目前，一般會通過增加穩定劑、固體乳蛋白和糖等方法改善。研究表明，使用產EPS的發酵劑或含EPS的發酵產物，例如使用產EPS的黏膜乳桿菌DPC 6426，能改善酸奶的保水性，減少了脫水收縮，并改善了黏度和彈性等整體流變特性[6]。另外一種解決方案是使用菊粉（一種益生元EPS）來生產功能性食品，如流變特性得到改善的功能性羊奶酸奶[7]。

對于奶酪來說，LAB在其中扮演著不同的角色。一種是參與發酵過程（乳酸乳球菌、明串珠菌屬、嗜熱鏈球菌、德氏乳桿菌和瑞士乳桿菌），而另一種則是參與成熟階段（乳桿菌屬、明串珠菌屬、乳酸片球菌和戊糖片球菌）。由于高脂奶酪對消費者健康的負面影響，消費者更青睞低脂奶酪。然而，降低奶酪中脂肪的百分比會影響產品最終的質地和風味。但是新的研究表明，在制造奶酪期間使用產EPS的菌株，可以改善奶酪的質地和味道，并且無需添加額外的添加劑。許多屬于乳桿菌屬的菌種（保加利亞乳桿菌、瑞士乳桿菌和干酪乳桿菌）產生的雜多糖能顯著影響奶酪的流變特性。而且，EPS的存在對奶酪風味沒有任何負面影響[8]。

在冰淇淋制造中，葡聚糖可以作為穩定劑并且增加產品黏度。DERTLI等[9]測試了由嗜熱鏈球菌菌株原位產生的EPS對冰淇淋的物理化學、分子、微觀結構、流變學和感官特性的影響，試圖開發一種不需要穩定劑的功能性發酵冰淇淋。添加EPS合成培養物后，冰淇淋的理化和流變特性得到改善，微觀結構特征也發生了積極變化。

總的來說，EPS可以制造傳統上各種發酵乳制品，如酸奶、開菲爾、發酵奶油、牛奶甜點和奶酪。主要是生產EPS的LAB可以改善各種食品的質地和感官特性，尤其是在低脂的情況下[10]。

2.2 EPS在烘焙行業和谷物制品中的應用

一些EPS可以通過改善面團的加工性能、質地、體積、流變性等提高面包的保質期。因此，可以通過發酵過程中LAB合成的EPS來改善面包的質地特性，從而降低成本并減少或避免添加劑的使用。酸面團面包是一種在酵母發酵過程中添加乳酸菌混合發酵的面包，因為乳酸菌的加入，使得酸面團面包在香氣、質地、保質期和營養等方面顯著提升。酸面團中，香氣的形成、酸化和特殊代謝活動及EPS的合成等都和乳酸菌相關。當存在蔗糖時，乳酸菌在酵母發酵過程中通過糖基水解酶的作用產生同多糖，產生的葡萄糖或果糖用于合成葡聚糖或果聚糖[11]。此外，乳酸菌對殘留果糖的代謝形成具有抗真菌活性的乙酸鹽，但高濃度的乙酸鹽對口感、面團流變特性、面包芯硬度和面包體積有負面影響。但只有那些能夠在發酵中占主導地位的LAB才能用于酸面團的發酵，而LAB的選擇是影響面包最終質量的主要因素[12]。用于酸面團中能生產同多糖的主要LAB菌種為舊金山乳桿菌、橋乳桿菌、路氏乳桿菌、面包乳桿菌和谷物乳桿菌[11]。

近年來，為滿足消費者對健康食品的追求，許多食品開始添加膳食纖維。在烘焙行業，尤其是面包行業，通常使用麩皮作為纖維來源，但麩皮會降低面筋水合作用，從而破壞面筋網絡的形成，繼而對小麥面團的結構產生負面影響。為克服這個問題，研究者使用了融合乳桿菌，因為它能夠在麥麩中產生EPS——葡聚糖，它作為一種水膠體，可以提高高纖維小麥面包的質量[8]。

另外，隨著無法食用麩質的乳糜瀉患者數量不斷增加，烘焙行業面臨的另一個挑戰是開發無麩質產品，而無麩質面包通?？诟泻惋L味不佳。但通過使用EPS，例如葡聚糖（腸膜明串珠菌和魏斯氏乳酸菌）、果聚糖（舊金山乳桿菌）能明顯改善面團流變性、面包質地，并且可以替代或減少面包改良劑等添加劑的使用[8]。

2.3 發酵肉制品中乳酸菌胞外多糖

LAB在肉類生產中的應用可以追溯到史前時代，并在世界范圍內產生了種類繁多的傳統食品。目前，最常用的乳酸菌是乳酸桿菌和乳酸片球菌，它們通過產生乳酸、乙酸和細菌素來降低生肉制品中細菌的濃度，從而延長肉制品的保質期。而這些過程也會影響肉制品的水分含量、質地和顏色。

隨著消費者對減脂肉類產品的需求不斷增長，研究者們已經進行了多次嘗試來減少或替代脂肪。HILBIG等[13]發現，在一種名為“Teewurst”的傳統德國涂抹發酵生香腸中，LAB能夠在肉基質中形成EPS，并且EPS影響了產品的質量特性并改善了這些減脂生香腸的延展性。LOEFFLER等[14]也闡述了LAB產EPS在肉制品中的使用，描述了它們在各種肉類基質中的作用，例如熟火腿、重組火腿、生發酵香腸和減脂生發酵香腸。

上述研究表明，通過LAB生產EPS是一種很有前景的改善肉制品質地的方法。然而，在EPS廣泛應用于工業之前，仍有許多問題需要解決。例如，LAB生產的EPS需要保持在特定的濃度范圍內，才能保證食品質量的一致性。

3 植物性飲料中乳酸菌合成的胞外多糖

近年來，由于一些健康原因（如牛奶蛋白過敏或乳糖不耐癥）以及可持續性或道德問題導致了無肉和無奶飲食的出現。雖然植物源乳制品的生產和消費量大幅增加，但要使目前產品的口味和質地達到消費者的預期仍然是一項挑戰。

LAB合成EPS在植物性發酵食品中發揮著重要作用，例如生產類似酸奶的飲料和奶酪替代品，EPS改善了植物衍生產品的質構和感官特性并延長了保質期[15]。在利用谷物代替乳制品的發酵型非乳制品的研究中，純LAB培養物和混合LAB培養物都可以通過形成EPS來改善非乳制品的質構。此外，研究者們還發現能夠產生EPS的發酵劑有助于提高發酵豆漿產品的流變性和稠度。LAB形成的EPS具有改變流體的流動特性、增加持水能力、絮凝顆粒、乳化和穩定懸浮液的重要作用。究其原因，是因為EPS和大豆蛋白之間的相互作用影響了發酵豆漿的微觀結構和質構特征。總體而言，EPS可以提高產品的儲藏穩定性。因此，在各種大豆食品中使用產EPS的LAB開始變得越來越普遍。在基于藜麥面粉的發酵飲料中，同時添加了益生菌鼠李糖乳桿菌、產EPS的融合魏斯氏菌和植物乳桿菌菌株。其中融合魏斯氏菌生產的葡聚糖型EPS可以提高藜麥飲料的黏度和保水能力。此外，穩定的EPS-蛋白質網絡的形成進一步改善了產品的質構特性。多項研究表明，EPS對谷物發酵飲料的口感有積極影響。綜合考慮，用產EPS的LAB發酵可以減少植物酸奶替代品中添加劑的使用。

4 結論

隨著消費者對于食品安全和天然食品的重視程度越來越高，就需要食品工業減少人工成分或添加劑的使用。因此，關于天然食品添加劑的研究逐年增多。其中，LAB產EPS因為可以改善食品物理化學特性成為添加劑的替代品，成為研究熱點。而關于LAB的研究也不斷給人類帶來驚喜，LAB生產的胞外多糖已引起了人們的持續關注，甚至已經產生了多項基于源自不同細菌屬產EPS的專利。它們在食品和乳制品行業中的應用可以改善產品品質、延長保質期以及替代脂肪和蛋白質。除此之外，EPS在制藥、臨床和診斷領域都具有巨大的應用潛力。但生產成本高、多糖得率低，以及分離純化EPS過程煩瑣是EPS生產中需要解決的主要問題。因此，需要在微生物生理學、遺傳學、多糖生物合成、最佳發酵條件以及分離和純化步驟的優化等方面進行更深入的研究，不斷降低EPS的生產成本和提高EPS產量和質量。只有這樣，EPS才有更加廣闊的發展前景。