乳酸菌胞外多糖的結(jié)構(gòu)及益生功能研究進(jìn)展

汪清美　趙麗平

摘 要：綜述了乳酸菌胞外多糖的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)以及對人類的益生功能。乳酸菌胞外多糖（exopolysaccharide，EPS）是一種高分子聚合物，它的生物活性依賴其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，揭示其結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是目前研究的熱點(diǎn)。本文綜合國內(nèi)外的研究報告，概述了乳酸菌胞外多糖的結(jié)構(gòu)特性和益生功能，對其他生物活性物質(zhì)的研究具有重要意義。

關(guān)鍵詞：乳酸菌；胞外多糖；結(jié)構(gòu)；功能；意義

中圖分類號：Q939.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.05.005

乳酸菌胞外多糖（extracellular polysaccharides，EPS）是一類糖類化合物，是細(xì)菌細(xì)胞外多糖結(jié)構(gòu)的一部分[1]， 包括革蘭氏陰性菌細(xì)胞膜外的多糖成分和革蘭氏陽性菌肽聚糖部分，具體分為莢膜多糖和黏液多糖，在細(xì)胞壁上形成莢膜的為莢膜多糖；分泌到培養(yǎng)基中形成黏液的為黏液多糖[2-3]。所以，乳酸菌的益生功能一方面是EPS在起作用，另一方面是通過益生菌本身的代謝作用來實(shí)現(xiàn)的。Kitazawa等人[4]通過研究發(fā)現(xiàn)發(fā)酵乳之所以對人體健康有益，與乳酸菌細(xì)胞壁的成分有關(guān)，特別是與其合成的EPS有關(guān)，這是因?yàn)镋PS本身還具有提高免疫力、抗腫瘤、抗?jié)兗敖档湍懝檀嫉裙δ芴匦訹5]，這種功能特性主要是由它的特殊結(jié)構(gòu)決定的，EPS的生物活性功能與其高級結(jié)構(gòu)的關(guān)系更為密切[6]。本文主要概述了乳酸菌胞外多糖的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以及它的益生功能。

1 乳酸菌EPS結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

1.1 EPS的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)特性

長期以來，對乳酸菌EPS的化學(xué)組成有很多爭論。有研究結(jié)果證實(shí)，當(dāng)同一菌種利用不同的糖作為碳源時產(chǎn)生的EPS化學(xué)組成不同，或者不同菌種利用同一種糖作為碳源產(chǎn)生的EPS的化學(xué)組成也不相同。Sundmna和Nsilosn的研究發(fā)現(xiàn)，從乳酸菌中提取的黏稠物質(zhì)是一種類似蛋白質(zhì)的物質(zhì)，其他學(xué)者認(rèn)為酸奶中的黏稠物質(zhì)是糖蛋白。很多研究結(jié)果顯示乳酸菌EPS是由多個復(fù)雜的單糖組成的多糖，但還有很多種乳酸菌EPS的組成不是很清楚。這些EPS的單體大部分特別相似，主要由D-半乳糖、D-葡萄糖和鼠李糖組成，但組成的比例不同，有待后來學(xué)者的進(jìn)一步研究。

乳酸菌EPS分子量一般在4.0×104～6.0×l06，分子量是決定其功能特性的一個重要因素[7-8]。在不同狀態(tài)下，EPS的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的，了解EPS的功能特性，首先得研究它的結(jié)構(gòu)組成情況。許多重復(fù)單位構(gòu)成帶有分支結(jié)構(gòu)的分子量大且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的多糖就是乳酸菌EPS。因其高級結(jié)構(gòu)取決于一級結(jié)構(gòu)，所以一級結(jié)構(gòu)的微小變化都會引起高級結(jié)構(gòu)及特性的巨大改變[9]。糖鏈的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且合成沒有模板，所以，糖鏈的一級結(jié)構(gòu)一直不是很清楚，近幾年糖鏈結(jié)構(gòu)的測定技術(shù)突飛猛進(jìn)，糖鏈的全部結(jié)構(gòu)能被測出。Doco等人通過實(shí)驗(yàn)已經(jīng)測出了S.thermphilus產(chǎn)生的雜多糖的重復(fù)單元結(jié)構(gòu)，而其他乳酸菌EPS的支鏈結(jié)構(gòu)也將逐一得到闡明。

1.2 結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

多糖的高級結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)以及核酸的一樣，也是取決于其一級結(jié)構(gòu)，并且結(jié)構(gòu)與功能有一定的相關(guān)性。有研究結(jié)果證實(shí)[10-11]，其一級結(jié)構(gòu)是由β-（1→2）連接的葡聚糖、甘露聚糖 、半乳聚糖 或β-（1→3）連接的葡聚糖、 半乳聚糖組成。李榮芷等人經(jīng)13C核磁共振分析推斷β-（1→3）多糖鏈骨架上的多羥基基團(tuán)對抗腫瘤活性起了重要作用，以β-（1→3）為主鏈的葡聚糖，有的具有抑瘤活性，有的則不具有。多糖高級結(jié)構(gòu)的改變經(jīng)常伴有活性的改變。

不同的研究方法表明，之所以引起研究者對EPS結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)注，是因?yàn)檫@些單體幾乎沒有相似點(diǎn)。以后“多聚糖工程”或“低聚糖工程”的研究基礎(chǔ)將是那些涉及生物化學(xué)、分子生物學(xué)及關(guān)于EPS構(gòu)象的研究。由于多糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)與功能的機(jī)理到目前還不完全清楚。所以，關(guān)于乳酸菌EPS結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，仍是學(xué)者研究的焦點(diǎn)問題。

2 乳酸菌胞外多糖的益生功能

2.1 提高免疫系統(tǒng)

眾多研究者的相關(guān)試驗(yàn)得出EPS具有調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的作用。Kitazawa等人從Lactobacillus bulgaricus OLLI073R-l中分離出來的胞外脂多糖具有增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的作用。顧瑞霞等人在研究Streptococcus salivarius thermophilus時發(fā)現(xiàn)，EPS對小鼠的細(xì)胞免疫和體液免疫均有促進(jìn)作用。Gomez等[12]從Bifidobacterium adolescentis ATCC 15703培養(yǎng)物的上清液中分離的EPS能誘導(dǎo)鼠脾淋巴細(xì)胞的活性且顯示出較高的淋巴增殖應(yīng)答內(nèi)部促進(jìn)作用。顧笑梅等人研究了Lactic acid bacteria Z222產(chǎn)生的EPS能提高荷瘤小鼠機(jī)體的免疫能力，產(chǎn)生的特異性抗體能降低小鼠的遲發(fā)型超敏反應(yīng)應(yīng)答。Matsuzaki等人通過小鼠動物的試驗(yàn)來研究干酪乳桿菌培養(yǎng)物的功能，結(jié)果顯示，干酪乳桿菌培養(yǎng)物具有調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的功能；Fudushima等人也選用老鼠作為試驗(yàn)的材料，用干酪乳桿菌和雙歧桿菌的培養(yǎng)物飼喂老鼠，結(jié)果顯示，二者的培養(yǎng)物同樣具有調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的功能。乳酸菌EPS還具有增加其他免疫系統(tǒng)的功能，比如，促進(jìn)非特異性和特異性免疫應(yīng)答反應(yīng)，激活巨噬細(xì)胞釋放刺激因子和增加細(xì)胞內(nèi)溶酶體的含量，誘導(dǎo)細(xì)胞生長抑制素（干擾素-r和白介素-l）的產(chǎn)生等。

2.2 改善腸粘膜的粘附

乳酸活菌具有改善膳食中多糖的代謝來調(diào)節(jié)腸道有益菌的定植或粘附作用。各種細(xì)菌在腸道中的粘附作用基本分為兩種：一種是非特異性的，是由菌體結(jié)構(gòu)特異性決定的；另一種是特異性的，在非特異性結(jié)合的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步與宿主細(xì)胞相應(yīng)的受體之間特異性結(jié)合，從而提高菌體對腸道表面的非特異性粘附[13]。EPS在食品發(fā)酵過程中能增加其粘度，從而延長發(fā)酵制品在胃腸道內(nèi)的定植時間，這可能對菌體在腸道內(nèi)最初的粘附起了促進(jìn)作用，也說明了益生菌在腸道內(nèi)短暫的定植對人體的健康非常有益。

近期研究表明，乳桿菌對疾病的預(yù)防作用大于其治療作用也可能基于其產(chǎn)生的EPS的作用。Watkins和Milller兩位學(xué)者，以無菌小雞為試驗(yàn)動物，進(jìn)行嗜酸乳桿菌預(yù)防腸道有關(guān)疾病的預(yù)防試驗(yàn)，得出的結(jié)論是最初飼喂含有嗜酸乳桿菌飼料的無菌小雞要比感染病原體后再飼喂含有嗜酸乳桿菌的飼料無菌小雞明顯生長良好。

2.3 抗腫瘤的作用[14]

很多研究報告證實(shí)乳酸菌EPS具有抗腫瘤的作用，其作用機(jī)理主要有以下4方面：（1）增強(qiáng)宿主免疫功能，主要通過激活體內(nèi)多種細(xì)胞因子或免疫細(xì)胞而提高機(jī)體免疫功能；（2）促使腫瘤細(xì)胞凋亡，有些細(xì)菌多糖能誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的比例而抑制腫瘤的發(fā)展；（3）某些具有細(xì)胞毒性的多糖（香菇多糖、牛膝多糖、蕓芝多糖等）可直接殺死腫瘤細(xì)胞；（4）影響血液的供應(yīng)，細(xì)菌素能引起腫瘤細(xì)胞出血性壞死。其他學(xué)者的研究也證實(shí)乳酸菌EPS抗腫瘤的作用機(jī)理，如黃澤波等人[15]的研究得出藍(lán)細(xì)菌的EPS具有抗?jié)撛诘牟《竞湍[瘤、降低膽固醇含量等作用，早在20世紀(jì)Tojo等人[16]就經(jīng)過研究認(rèn)識到水生細(xì)菌EPS在海洋環(huán)境中不可逆的粘附作用，細(xì)菌的這種傾向是普遍存在的，而且與同種浮游的細(xì)菌相比來說具有較強(qiáng)的生存優(yōu)勢[17-18]。EPS抗腫瘤的機(jī)理還將進(jìn)一步被研究證實(shí)。

2.4 防治結(jié)腸癌

近幾年，結(jié)腸癌的發(fā)病率呈上升趨勢，作為世界上最常見的惡性腫瘤之一，其嚴(yán)重威脅了人類的身心健康。雖然早期診斷和綜合治療領(lǐng)域有了長足的進(jìn)步，但轉(zhuǎn)移復(fù)發(fā)是影響愈后的首要原因[19]。

在腸道內(nèi)抑制致癌物質(zhì)的產(chǎn)生，主要是乳酸菌在其內(nèi)繁殖改善了腸道菌群的組成，例如乳桿菌和雙歧桿菌在腸道內(nèi)繁殖代謝產(chǎn)生的生物活性物質(zhì)能分解致癌物N-亞硝基胺 ，其中EPS就是一種對人體健康有巨大影響的生物活性代謝物。由于個人腸道消化功能的不同，EPS對人體健康的影響也不一樣。腸道內(nèi)的一些微生物降解EPS產(chǎn)生的短鏈脂肪酸 （SCFAs）可以被腸粘膜上皮細(xì)胞吸收，增強(qiáng)將要產(chǎn)生癌變細(xì)胞的免疫能力，控制致癌基因表達(dá)，從而在結(jié)腸癌的防治方面起到了關(guān)鍵的作用。馬杉姍等人[20]從藏靈菇中篩選的Streptococcus thermophilus這個菌株在代謝中產(chǎn)生的EPS對人結(jié)腸癌HCT-8細(xì)胞增殖有影響，EPS通過直接殺傷結(jié)腸癌HCT-8細(xì)胞，使細(xì)胞周期阻滯于G1期而抑制細(xì)胞增殖，從而發(fā)揮抗腫瘤的作用。

3 展 望

源于微生物資源開展的相關(guān)生物活性物質(zhì)的研究與開發(fā)已成為發(fā)酵工程的重點(diǎn)研究領(lǐng)域[20]，乳酸菌胞外多糖EPS的研究及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)已成為近幾年學(xué)術(shù)界關(guān)注的問題。乳酸菌能產(chǎn)生多種結(jié)構(gòu)不同的EPS，這些EPS用途之一就是作為發(fā)酵食品的天然質(zhì)構(gòu)劑，可滿足消費(fèi)者對食品安全和健康以及無添加劑食品的要求[21]。

乳酸菌在發(fā)酵乳品、微生態(tài)制劑等很多方面已得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在關(guān)鍵是如何提高其生物活性物質(zhì)的產(chǎn)量以及弄清楚結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。已知乳酸菌的主要功能特性除了定殖、改善腸道的環(huán)境外，它的一些次生代謝產(chǎn)物（如EPS）也在其中產(chǎn)生了重要的作用。目前用于食品中乳酸菌EPS的合成量較低，在改變其發(fā)酵條件或營養(yǎng)條件下，不同菌株合成EPS的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別，所以，如何提高產(chǎn)量又不嚴(yán)重影響其結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性成為眾多研究者所關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

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