[论文荐读]乳酸菌胞外多糖构效关系的研究进展

乳业科学与技术 2018-04-15 09:27:36
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乳酸菌发酵过程中产生的胞外多糖(exopolysaccharidesEPS)广泛应用于发酵乳制品的生产中,尤其是发酵乳和干酪等产品。在发酵乳的生产中,EPS能够减少酸乳的颗粒感,产生细滑的质地和口感,能够增加产品结构的稳定性、提升黏度、减少脱水收缩作用,并且为减少其他成分的添加提供可能。在干酪的生产中,由于EPS的持水力较强,因此可以提升干酪产量;同时EPS能够显著改善低脂干酪的质构和感官特性,使其品质接近于全脂干酪;此外,EPS还能改善马苏里拉等干酪的熔化性,且不影响其他特性。乳酸菌产生的EPS除了能够影响发酵乳制品的物理性质外,还可能具有多种生理功能,包括抗肿瘤、免疫调节、抗氧化及降低胆固醇含量等作用。

然而,不是所有的EPS都能够改善发酵乳制品的物理性质或者具有生理功能。EPS的效用与其结构联系紧密,例如EPS的单糖组成、分子质量和键接方式等均可能影响产品的物理性质及多种生物活性。基于构效关系进行深入研究才能更好地改善发酵乳制品的品质,充分应用EPS的生理活性。

一、乳酸菌EPS的基本性质

目前,产EPS的乳酸菌包括嗜热链球菌、保加利亚乳杆菌、植物乳杆菌和干酪乳杆菌等,约有30余种,不同菌种或菌株产生的EPS结构组成可能存在差异,且同一株菌可能产生2 种以上的EPS。根据表型可将乳酸菌产生的EPS分为黏液多糖和荚膜多糖2 类,根据EPS单糖组成的差异性可将其分为同型多糖和杂型多糖2 种类型。

    EPS产量来看,乳酸菌产生的同型多糖产量一般能够达到几克每升,相比于同型多糖,杂型多糖的产量较低,仅为50200 mg/L。大部分乳酸菌EPS的产量较低,目前仅有极少数乳酸菌EPS被成功应用于全天然发酵乳等产品的生产中。然而,乳酸菌产生的EPS属于食品级别且被认定为“一般认为安全(generally recognized as safeGRAS)”,在乳制品发酵过程中通过自然产生而非人为添加,是一种更为理想的EPS来源。

二、EPS结构对发酵乳制品物理性质的影响
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发酵乳的流变性质

发酵乳中由乳酸菌代谢形成的EPS能够显著影响发酵乳的黏度等流变性质,且有利于提高产品的稳定性。但是不同菌株形成的EPS性质具有较大差异,不是所有菌株的EPS均能对发酵乳的流变性质产生显著影响。EPS的产量高低不是影响发酵乳流变性质的必然因素,而结构决定功能,需要充分考虑EPS的结构对发酵乳流变性质的影响。

1) EPS分子质量对发酵乳流变性质的影响

高分子质量的EPS有利于提高发酵乳的凝胶强度和黏度。有研究表明,部分乳杆菌的EPS分子质量较小,尽管其产生的EPS浓度较高,发酵乳的黏度仍较低;将含有高分子质量部分的EPS添加到乳中形成的发酵乳黏度比其他EPS产量相当的菌株更高,且形成了凝胶结构。

2) EPS单糖组成对发酵乳流变性质的影响

单糖组成可能是影响发酵乳黏度的因素之一,且部分研究人员推测EPS的单糖组成中葡萄糖比例较高时有利于提高发酵乳的黏度。

3) EPS电荷对发酵乳流变性质的影响

EPS的电荷是影响发酵乳流变性质的另一个重要因素,带负电荷的酸性EPS能够提高发酵乳的剪切稳定性,改变凝胶形成的过程以及增强酪蛋白网络结构。

EPS能够改变发酵乳凝胶形成的进程,一般而言,在乳酸菌酸性EPS中较常出现的酸性基团包括硫酸根、磷酸根、糖醛酸根、醋酸根和丙酮酸根等,相比于中性EPS,可能由于受到EPS和酪蛋白之间排空相互作用的影响,酸性EPS会引起凝胶的延迟;而大部分来自乳酸菌的EPS属于中性多糖,主要在结构形成的早期影响凝胶进程。

4) EPS链刚性对发酵乳流变性质的影响

EPS高分子链具有刚性时有利于提高发酵乳的黏度。一般来说,单糖的连接方式中,相比于β-1,2β-1,3 β-1,6糖苷键,β-1,4糖苷键连接形成的高分子链刚性更高,α-糖苷键连接形成的高分子链柔性更高。此外,支链基团也会影响链刚性。

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干酪的质构特性

在干酪的制作过程中,温度降低或升高的速率过快时,结构成分容易聚合过度,形成过大的聚合物,从而导致质构缺陷,结构成分适度聚合才能获得消费者理想的质构特性,如均匀、滑腻等,而乳酸菌产生的EPS能够显著影响微凝胶颗粒的聚合过程,从而改善干酪的质构及口感等特性。EPS通过氢键与水分子结合的能力很强,有利于提高干酪的水分含量,增加干酪产量,进而改变干酪的质构特性和感官特性。目前EPS的菌种作为发酵剂或辅助发酵剂已成功应用于干酪的生产过程中。

三、EPS结构与其生理功能

抗氧化活性:乳酸菌EPS的抗氧化活性受多种因素的影响,包括单糖组成比例、分子质量、糖苷键的构型和比例等。

抗肿瘤活性:相比于非硫酸化多糖,硫酸化多糖的抗肿瘤活性更高,同时单糖及糖苷键构型对抗肿瘤活性也有显著影响。

免疫调节活性:不同乳酸菌EPS的免疫调节能力存在差异,含有磷酸盐(带负电荷)的酸性杂多糖能够较好地诱导免疫应答。高分子质量的EPS可能会抑制免疫应答,目前在干酪乳杆菌Shirota、鼠李糖乳杆菌RW-9595M以及类植物乳杆菌BGCG11 EPS等的研究中都得到了验证。低分子质量的EPS可能会诱导免疫应答。

 其他功能:部分乳酸菌EPS具有降低胆固醇水平的能力,相比于中性多糖,酸性多糖降低胆固醇水平的能力更强。此外,EPS能够调节皮肤免疫力。

结语


乳酸菌EPS在发酵乳制品领域具有广阔的应用前景,但关于其结构及构效关系的研究仍存在一些问题需要解决。首先,培养条件(时间、温度和pH值)、培养基的组成及提取方法等都会影响乳酸菌EPS的结构,为构效关系的研究和EPS的应用带来了一定困难。其次,目前乳酸菌EPS的产量仍然远低于一些商业化非乳酸菌菌株,其应用受到一定程度的限制,关于EPS产量的提升仍有待研究。此外,目前对于乳酸菌EPS的一级结构及构效关系的研究已较为明确,但是其高级结构对发酵乳制品物理性质和生理功能的影响方面的相关报道较少。因此,需要进一步探究其构效关系,将EPS与发酵乳制品的物理性质和生理功能充分结合,进而开发出符合消费者需求的高品质、健康、新型的发酵乳制品。


本文《乳酸菌胞外多糖构效关系的研究进展》来源于《乳业科学与技术》201740卷第4期,作者:姜陈波,洪青,杭锋(光明乳业股份有限公司乳业研究院,上海乳业生物工程技术研究中心,乳业生物技术国家重点实验室)。基金项目:上海乳业生物工程技术研究中心项目(16DZ2280600),DOI: 10.15922/j.cnki.jdst.2017.04.007