乳酸菌胞外多糖生理功能及合成途徑的研究進(jìn)展

秦曉萌，張遠(yuǎn)森，柳陳堅(jiān)，張昆林，楊　恩

（昆明理工大學(xué)，生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南昆明650500）

乳酸菌胞外多糖生理功能及合成途徑的研究進(jìn)展

秦曉萌，張遠(yuǎn)森，柳陳堅(jiān)，張昆林，楊恩*

（昆明理工大學(xué)，生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南昆明650500）

乳酸菌（Lactic acid bacteria，LAB）是一類重要的益生微生物，同時(shí)也是一類重要的工業(yè)發(fā)酵菌，在食品發(fā)酵生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛，它的代謝產(chǎn)物也受到極大關(guān)注。本文總結(jié)了乳酸菌代謝合成的胞外多糖（Exopolysaccharide，EPS）的主要生理生化功能以及胞外多糖合成的四個(gè)主要過程，以期為乳酸菌EPS的應(yīng)用、產(chǎn)量提高及結(jié)構(gòu)改造提供指導(dǎo)。

乳酸菌，胞外多糖，生理功能，代謝途徑

乳酸菌（Lactic acid bacteria，LAB）是一類能發(fā)酵糖類產(chǎn)生乳酸的細(xì)菌的總稱，目前發(fā)現(xiàn)的這類細(xì)菌在分類學(xué)上至少有23個(gè)屬，其中在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用較多的有7個(gè)屬［1］，包括鏈球菌屬（Streptococcus），乳桿菌屬（Lactobacillus），明串珠菌屬（Leuconostoc），雙歧桿菌屬（Bifidobacterium），片球菌屬（Pediococcus）等。乳酸菌在食品行業(yè)中應(yīng)用廣泛，與人體健康關(guān)系密切，具有調(diào)節(jié)腸道菌群平衡、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤等多種生理活性［1］，有學(xué)者認(rèn)為上述生理活性與細(xì)胞表面多糖分子相關(guān)［2］。乳酸菌胞外多糖（Exopolysaccharide，EPS）是一種次生代謝產(chǎn)物，與細(xì)胞連接松散或直接分泌到環(huán)境中［3］。胞外多糖可分為粘液多糖和莢膜多糖，莢膜多糖和粘液多糖之間沒有明確的界限，細(xì)菌莢膜多糖經(jīng)常會失去與細(xì)胞膜的結(jié)合而溶解到溶液中［4］。乳酸菌EPS的分子量通常在4.0×104～6.0×106u之間［3］，可分為同多糖和雜多糖。同多糖僅由一種單糖所構(gòu)成，一般為葡萄糖或果糖。而雜多糖則是由多種單糖構(gòu)成，單糖先聚合為3～8個(gè)單體構(gòu)成的寡糖重復(fù)單元，再聚合成為多糖［5］。乳酸菌代謝產(chǎn)生的EPS是一種安全的天然產(chǎn)物，通常是作為食品添加劑和增稠劑使用［6-7］。

目前具有商業(yè)價(jià)值的乳酸菌多糖是由一種腸膜明串珠菌合成的同多糖——右旋糖苷，可以用于凝膠過濾的組分和血漿的替代品［8］。但是由于乳酸菌EPS的產(chǎn)量過低，提取成本高，無法滿足工業(yè)規(guī)模的需求［9］。如果將EPS用作食品添加劑，那么EPS發(fā)酵生產(chǎn)的濃度需要達(dá)到10～15g/L，而目前已報(bào)道的最高生產(chǎn)濃度是2.767g/L［5］。然而，現(xiàn)代分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)的不斷發(fā)展以及比較基因組學(xué)等方法應(yīng)用于乳酸菌的相關(guān)研究，為提高乳酸菌EPS產(chǎn)量提供了有效的理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。

1　乳酸菌胞外多糖的生理功能

1.1乳酸菌EPS的粘附作用。

EPS可以作為一種粘附因子，幫助乳酸菌在腸道黏膜上定植［10］，具有改善人體腸道環(huán)境的功能［4］。EPS還能選擇性促進(jìn)有益菌的增殖，進(jìn)而抑制有害菌的增殖和有害物質(zhì)的產(chǎn)生［11］。當(dāng)前，比較基因組學(xué)和功能基因組研究發(fā)現(xiàn)人乳中的特定的糖對嬰幼兒腸道微生物的發(fā)展起到了重要的作用［12］。然而，細(xì)菌胞外多糖的粘附作用也會產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，例如變異鏈球菌（S.mutans）能夠合成一種葡聚糖（Glucan），使菌體黏附在牙齒的表面腐蝕牙釉質(zhì)而導(dǎo)致齟齒［13］。

1.2乳酸菌EPS的抗氧化作用

乳酸菌EPS具有抗氧化活性并且具有低細(xì)胞毒性已得到廣泛的報(bào)道［14］，有研究認(rèn)為多糖的抗氧化性質(zhì)與分子量相關(guān)，分子量越小抗氧化活性越強(qiáng)［15］。Lai等［16］對分離自高粱酒糟泡菜的產(chǎn)EPS乳酸菌的抗氧化性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)短乳桿菌A3（L.brevis A3）、植物乳桿菌B2（L.plantarum B2）、短乳桿菌C9（L.brevis C9）和短乳桿菌D7（L.brevis D7）四種乳酸菌的完整細(xì)胞和無細(xì)胞提取物均具有抗氧化活性。在對羥自由基、DPPH和脂質(zhì)過氧化的分析中，L.brevis D7的完整細(xì)胞和無細(xì)胞提取物均具有最好的氧化清除活性，而同時(shí)L.brevis D7的胞外多糖產(chǎn)量也最高，說明EPS對乳酸菌的抗氧化性質(zhì)具有重要作用。將動(dòng)物雙歧桿菌RH（B.animalis RH）所產(chǎn)EPS分離純化，得到一種主要的胞外多糖EPSa，并發(fā)現(xiàn)濃度為0.2mg/mL時(shí)，EPSa片段對DPPH自由基的清除活性與0.25mg/mL的抗壞血酸相當(dāng)；而EPSa對羥自由基和超氧陰離子自由基的清除活力、脂質(zhì)超氧化的抑制能力都要明顯優(yōu)于抗壞血酸［17］。

1.3乳酸菌EPS的免疫調(diào)節(jié)作用

乳酸菌EPS具有免疫調(diào)節(jié)作用，但并不是所有的多糖都具有免疫活化功能，這表明多糖的理化特征與其生物功能特性密切相關(guān)。EPS的結(jié)構(gòu)特性與免疫調(diào)節(jié)性質(zhì)的關(guān)系包括以下兩個(gè)方面［18］：含有負(fù)電荷側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的酸性雜多糖具有良好的誘導(dǎo)免疫反應(yīng)的作用；雜多糖的體積或分子量大就會抑制免疫反應(yīng)的發(fā)生。

乳酸乳球菌乳脂亞種KSV20（Lactococcus lactis subsp.cremoris KSV20）是一種廣泛用于斯堪的納維亞發(fā)酵酸奶viili生產(chǎn)的菌種，該菌合成一種雜多糖能夠誘導(dǎo)體外培養(yǎng)的鼠脾巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IFNγ和IL-1α。這種多糖結(jié)構(gòu)中的吡喃型半乳糖側(cè)鏈被磷酸基團(tuán)所取代［19］，多糖中的酸性片段能夠有效地誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞的增殖和活化。將雜多糖中的磷酸基團(tuán)脫去后發(fā)現(xiàn)多糖的免疫刺激減弱，從而證明了磷酸基是一種免疫反應(yīng)的分子激活物［20］。除了磷酸基團(tuán)外，多糖中含有硫酸基團(tuán)也可以刺激免疫細(xì)胞分泌出細(xì)胞素類物質(zhì)。嗜鹽四聯(lián)球菌KK221（Tetragenococcus halophilus KK221）合成的巖藻聚糖（fucoidan）［21］（有26.7%硫酸基團(tuán)），通過比較完整多糖和脫硫酸化多糖的免疫刺激效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，在含有硫酸基團(tuán)的狀態(tài)下具有良好的免疫激活作用，而脫硫酸化多糖的免疫激活作用下降。多糖的免疫激活作用與硫酸基團(tuán)有關(guān)，而與多糖鏈的長度無關(guān)，這說明硫酸基團(tuán)對上調(diào)細(xì)胞素類物質(zhì)是必需的。

乳酸菌多糖分子量與免疫調(diào)節(jié)作用的關(guān)系也有一系列的報(bào)道。鼠李糖乳桿菌ATCC9595（L.rhamnosus ATCC9595）及其變異菌株鼠李糖乳桿菌RW-9595M（L.rhamnosus RW-9595M）產(chǎn)生的低分子量EPS和高分子量EPS分別刺激老鼠腹腔粘膜的巨噬細(xì)胞，L.rhamnosus ATCC9595合成的低分子量的EPS可以誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生高水平的TNF、IL-6和IL-12，而高分子量的EPS誘導(dǎo)產(chǎn)生的TNF和IL-6水平較低［22］。

此外，乳酸菌的免疫調(diào)節(jié)作用還具有菌株差異性，即不同的乳酸菌及計(jì)量可以引起不同的免疫反應(yīng)。一些乳酸菌主要是誘導(dǎo)發(fā)生先天性免疫反應(yīng)，包括抑制炎癥應(yīng)答、調(diào)節(jié)Toll樣受體（Toll-like receptors，TLRs）的表達(dá)、活化自然殺傷細(xì)胞（Nature killer cells，NK cells）、活化樹狀細(xì)胞（Dendritic cells，DCs）和其他抗原呈遞細(xì)胞（Antigen presenting cells，APC cells）；另一些乳酸菌則誘導(dǎo)后天免疫反應(yīng)，包括促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖、胃腸道特異性的IgA的產(chǎn)生以及Th1/Th2應(yīng)答的平衡［23］。

目前乳酸菌細(xì)胞表面糖類物質(zhì)的免疫調(diào)節(jié)作用已經(jīng)得到普遍認(rèn)同，未來研究的重點(diǎn)是了解乳酸菌與宿主在體內(nèi)的互作以及這些表面免疫物質(zhì)的分子基礎(chǔ)［24］。

1.4乳酸菌的抗腫瘤作用

乳酸菌具有抗腫瘤活性，特別是對結(jié)直腸癌具有很好的預(yù)防作用。一些研究對來自于乳酸菌的組分的抗腫瘤活性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)來自于乳酸菌的肽聚糖、多糖片段和糖蛋白都具有抗腫瘤作用［25］。Chong［11］認(rèn)為乳酸菌的抗癌效應(yīng)機(jī)制包括以下幾個(gè)方面：乳酸菌能夠利用胞外多糖粘附在腸道黏膜表面，競爭性抑制有害菌的附著，改善腸道的菌落結(jié)構(gòu)；改變腸道菌落的酶活性，抑制與致癌物產(chǎn)生相關(guān)的酶活性，包括β-葡糖苷酸酶（β-glucuronidase）、β-葡糖苷酶（β-glucosidase）、硝基還原酶（Nitroreductase）和偶氮還原酶（Azoreductase）。這些酶類催化產(chǎn)生致癌物，可以導(dǎo)致結(jié)直腸癌的發(fā)生；乳酸菌缺少7α-脫羥化酶（7α-dehydroxylase）活性，可以減少具有致癌作用的次級膽酸（脫氧膽酸Deoxycholic acid，DCA；石膽酸Lithocholic acid，LCA）的產(chǎn)生，EPS有利于機(jī)體中膽酸的排除。再者乳酸菌EPS及肽聚糖還可以結(jié)合體內(nèi)的N-亞硝基組分和黃曲霉毒素等致癌物、致突變劑，預(yù)防由DNA損傷誘導(dǎo)的癌變發(fā)生。

乳酸菌作為一類廣泛利用的微生物，不僅具有抗氧化、抗腫瘤、抗炎和免疫調(diào)節(jié)［26］等重要的生理活性，并具有分泌產(chǎn)糖的特性。這使得乳酸菌一直是工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥保健等領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點(diǎn)之一。而乳酸菌EPS由于其多方面的作用，且不同于其他的食品添加劑，是一種原位發(fā)酵的天然產(chǎn)物，因而被認(rèn)為是一種安全的食品物質(zhì)（General Recognised As Safe status，GRAS）［3］，受到越來越多的關(guān)注。但乳酸菌合成EPS的產(chǎn)量普遍較低，不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求，還不能成為動(dòng)物性多糖和植物性多糖的替代品［27］。因此，需要對乳酸菌胞外多糖合成相關(guān)的基因和合成途徑進(jìn)行全面研究，使基因工程操作成為可能。

2　乳酸菌EPS的合成

2.1乳酸菌雜多糖（Heteropolysaccharides，HePS）的合成

EPS的合成過程是復(fù)雜的，有大量的基因參與這個(gè)過程。目前了解還不全面，但可以確定EPS的合成途徑分為四個(gè)過程［6］，包括：將參與反應(yīng)的單糖轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中；葡糖-1-磷酸的合成；糖的活化和鏈接聚合；EPS的輸出過程。

EPS合成中編碼相關(guān)的酶和調(diào)節(jié)蛋白基因的座位是不同的，有的乳酸菌的基因位于質(zhì)粒上，而另一些乳酸菌的基因則位于染色體上［6］。乳酸菌產(chǎn)生胞外多糖的能力也是不穩(wěn)定的，這與細(xì)胞中遺傳物質(zhì)的不穩(wěn)定性有關(guān)。

2.1.1參與反應(yīng)的單糖轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)單糖的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)分為三類：初級轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)：通過轉(zhuǎn)運(yùn)特異性ATP酶將單糖的轉(zhuǎn)運(yùn)與ATP的水解偶聯(lián)起來，利用ATP水解獲得的能量實(shí)現(xiàn)單糖的運(yùn)輸；二級轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)：這一系統(tǒng)中單糖的轉(zhuǎn)運(yùn)不與ATP的水解偶聯(lián)，而是與離子或其他溶質(zhì)的同向或反向跨膜運(yùn)輸相偶聯(lián)；烯醇式丙酮酸-糖特異性磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（PEPPTS）。在這一系統(tǒng)中，磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）提供能量，糖特異性的磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（PTS）負(fù)責(zé)單糖的轉(zhuǎn)運(yùn)［7］。

將單糖轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的最常見機(jī)制是烯醇式丙酮酸-糖特異性磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（PEP-PTS）［28］。PEP-PTS系統(tǒng)包括一系列蛋白，分別負(fù)責(zé)底物連接、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)和底物的磷酸化。PEP-PTS系統(tǒng)中第一類蛋白包括酶I（即包含組氨酸殘基的磷酸載體蛋白HPr）和酶II（即糖特異性的透過酶復(fù)合物）［29］。如圖1所示［6］，首先磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）將磷酸基團(tuán)傳遞給酶I，酶I的組氨酸殘基接受磷酸基團(tuán)，HPr轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿峄腍Pr（His-P）［28］。同時(shí)酶II復(fù)合物與糖單體結(jié)合，負(fù)責(zé)糖的跨膜運(yùn)輸并將HPr（His-P）上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到糖單體上［30］。在單糖的運(yùn)輸及磷酸化的過程中，PEP是磷酸基團(tuán)的供體，單糖是磷酸基的最終受體。微生物不同，PEP-PTS系統(tǒng)的組成也可能不同，L.lactis的乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)PEP-PTS系統(tǒng)的酶II由三種蛋白構(gòu)成，分別是：酶IIA、酶IIB、酶IIC［31］。

第二類蛋白具有調(diào)節(jié)營養(yǎng)物質(zhì)吸收的功能。目前最清楚的調(diào)節(jié)蛋白是由一種代謝調(diào)控蛋白CcpA和PTS載體蛋白HPr形成的一種二聚體蛋白［32］。HPr有His和Ser兩個(gè)磷酸化位點(diǎn)。CcpA蛋白與Ser磷酸化的HPr（Ser-P）結(jié)合，抑制活性單糖的轉(zhuǎn)運(yùn)［33］。

2.1.2葡糖-1-磷酸的合成細(xì)胞質(zhì)中磷酸化單糖的代謝取決于其磷酸化的狀態(tài)，葡糖-6-磷酸進(jìn)入分解途徑，葡糖-1-磷酸參與多糖的合成。通過PEPPTS系統(tǒng)進(jìn)入細(xì)胞的一般是葡糖-6-磷酸。而在葡糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸?1-磷酸的過程中，磷酸葡糖變位酶（PGMs）發(fā)揮了重要作用。PGMs對糖的代謝具有調(diào)控作用［34-35］。細(xì)胞中存在兩種磷酸葡糖變位酶（PGMs）：α-PGM和β-PGM。如圖1所示，β-PGM的作用是將β-葡糖-1-磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸?6-磷酸；而α-PGM則是將葡糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?葡糖-1-磷酸并用于合成EPS［34-35］。但是用葡萄糖培養(yǎng)L.lactis時(shí)，葡萄糖必須先轉(zhuǎn)換為葡糖-6-磷酸再用于EPS的合成［36］。除了上述產(chǎn)生α-葡糖-1-磷酸的途徑外，還有一些替代途徑，這些途徑的不同之處在于糖原和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的差異［37-38］。

2.1.3糖核苷酸的合成與EPS重復(fù)單元的聚合此過程所需的基因分為兩組：核苷糖生物合成基因和EPS合成特異性基因。

第一組基因與核苷糖的合成有關(guān)，核苷糖用于重復(fù)單元的合成，主要有UDP-glucose、UDP-galactose和dTDP-rhamnose［6］。核苷糖合成完成，進(jìn)入EPS合成階段。這一階段的酶是EPS特異性酶，屬于第二組基因的編碼產(chǎn)物。這些基因的組成在不同細(xì)胞內(nèi)相對保守，由四個(gè)互不重疊的結(jié)構(gòu)域組成，如圖2所示［5］。在革蘭氏陽性細(xì)菌中，EPS特異性基因簇依次為調(diào)節(jié)序列、鏈長決定序列、重復(fù)單元合成序列、聚合及輸出序列［5］。

圖1　PEP-PTS系統(tǒng)對糖單體的轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖Fig.1　PEP-PTS system diagram of sugar monomer transfer

圖2　EPS特異性基因分布示意圖Fig.2　Distribution of EPS-specific genes

重復(fù)單元的合成是在細(xì)胞質(zhì)膜的內(nèi)表面完成的。首先在特異性糖基轉(zhuǎn)移酶作用下，UDP-糖作為糖基供體將糖轉(zhuǎn)移到脂質(zhì)載體（十一異戊烯磷酸，Und-P）上形成脂載體焦磷酸化糖（Und-PP-糖）。然后通過各種不同的糖基轉(zhuǎn)移酶將不同的糖依次轉(zhuǎn)移到脂質(zhì)載體上，形成脂載體焦磷酸化糖重復(fù)單元（Und-PP-糖重復(fù)單元）。最后在翻轉(zhuǎn)酶作用下將Und-PP-糖重復(fù)單元轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外［39］。

2.1.4EPS的聚合及分泌自然界中多糖的種類及結(jié)構(gòu)雖然千變?nèi)f化，但它們的合成途徑相對一致，即在特異性糖基轉(zhuǎn)移酶作用下將單糖依次轉(zhuǎn)移到脂質(zhì)載體上形成寡糖重復(fù)單元，再轉(zhuǎn)移到胞外并聚合為多糖。重復(fù)單元的起始、聚合和輸出是多糖合成的主要步驟，根據(jù)這些步驟的差異可將這一過程分為三種類型，即Wzy依賴途徑、ABC轉(zhuǎn)運(yùn)依賴途徑和合成酶依賴途徑［40］。

Wzy依賴途徑是O-抗原合成的主要途徑，并作為多糖合成的模型［41］。在糖基轉(zhuǎn)移酶作用下，脂載體焦磷酸化糖（Und-PP-糖）不斷延伸形成脂載體焦磷酸化重復(fù)單元（Und-PP-糖重復(fù)單元），Und-PP-糖重復(fù)單元在翻轉(zhuǎn)酶Wzx作用下輸出到細(xì)胞外；然后通過聚合酶Wzy形成一個(gè)長鏈的O-抗原；Wzz在O-抗原聚合過程中控制寡糖重復(fù)單元的數(shù)量，即決定了糖鏈的長度。

現(xiàn)在對重復(fù)單元的聚合方式以及參與整個(gè)過程的酶還不完全了解。但是可以概括出一個(gè)簡單的EPS聚合和轉(zhuǎn)運(yùn)的模型。首先在翻轉(zhuǎn)酶作用下，脂載體焦磷酸-糖重復(fù)單元（Und-PP-糖重復(fù)單元）從膜的內(nèi)表面轉(zhuǎn)移到外表面，然后聚合酶將重復(fù)單元連接為一個(gè)長鏈，最后酶催化脂載體和糖鏈的分離并起到控制鏈長的作用。

2.2乳酸菌同多糖（Homopolysaccharides，HoPS）的合成

在乳酸菌細(xì)胞中同多糖的合成要簡單許多。同多糖的合成發(fā)生在細(xì)胞外［3］，由特異性糖基轉(zhuǎn)移酶即葡聚糖-蔗糖酶（Glycansucrases）或果聚糖-蔗糖酶（Fructansucrase）催化合成。在細(xì)胞外，乳酸菌通過Glycansucrases利用蔗糖作為底物來合成同多糖，多糖合成過程所需的能量也來自蔗糖的水解［13］。同多糖合成不需要其他能量，因?yàn)槠溥^程中不需要將糖類轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，也不需要將單糖轉(zhuǎn)化為活性核苷糖形式，因此乳酸菌能很容易將蔗糖轉(zhuǎn)變?yōu)橥嗵?。由蔗糖轉(zhuǎn)化為HoPS的反應(yīng)如下［13］：

葡聚糖、果聚糖是最為常見的同多糖［13］，其中果聚糖中主要包括β-2，6糖苷鍵和β-2，1糖苷鍵；葡聚糖中主要通過α-1，6糖苷鍵、α-1，3糖苷鍵、α-1，4糖苷鍵和α-1，2糖苷鍵與α-D-葡糖基團(tuán)連接，而β-D-葡聚糖主要以β-1，3鍵和β-1，2鍵連接。由于HoPS的合成過程較為簡單，對能量要求不高，所以HoPS既可以在培養(yǎng)基中合成，也可以在無細(xì)胞的酶液中合成［42］。

3　結(jié)論及展望

乳酸菌胞外多糖是一種安全的微生物次生代謝產(chǎn)物，不僅能夠改善乳制品的口感和風(fēng)味，還具有抗氧化、抗腫瘤、抗炎癥和免疫調(diào)節(jié)等顯著的益生作用，應(yīng)用前景廣闊。

乳酸菌EPS作為一種粘附因子有助于乳酸菌在腸道中粘附定植，進(jìn)而競爭性抑制有害菌的附著增殖，減少有害菌數(shù)量，同時(shí)也減少了有害物質(zhì)的產(chǎn)生。EPS具有很好的抗氧化作用，這種抗氧化特性與分子量的大小關(guān)系密切，同時(shí)乳酸菌EPS具有很低的細(xì)胞毒性的優(yōu)點(diǎn)，是一種潛在的優(yōu)良抗氧化物質(zhì)。乳酸菌EPS還具有免疫調(diào)節(jié)作用，這種作用與EPS的來源，種類和結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常情況下含有負(fù)電荷側(cè)鏈的酸性多糖以及分子量越小的EPS具有較好的免疫調(diào)節(jié)作用。不同的乳酸菌對免疫系統(tǒng)的激活也具有差異性，有些主要誘導(dǎo)先天性免疫，另一些則誘導(dǎo)后天免疫。這種免疫激活的菌種特異性的分子基礎(chǔ)還有待進(jìn)一步研究。乳酸菌EPS具有抗腫瘤活性，這一特性與乳酸菌的粘附作用、抗氧化作用和免疫調(diào)節(jié)作用緊密相連?？寡趸钚钥梢砸种茩C(jī)體的氧化性損傷，防止DNA損傷誘發(fā)的癌變；免疫調(diào)節(jié)作用可以提高機(jī)體免疫系統(tǒng)活性，抑制癌細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移，促進(jìn)癌細(xì)胞的凋亡；EPS的附著吸附作用一方面能夠幫助菌體定植，增加EPS體內(nèi)留存時(shí)間以加強(qiáng)其作用效果，另一方面也可以吸附有害有毒成分，減小對細(xì)胞的破壞。

乳酸菌EPS的生物合成機(jī)制是胞外多糖研究的一個(gè)重要方面，可以為EPS的定向改造提供理論依據(jù)和指導(dǎo)方向。當(dāng)前乳酸菌EPS的合成機(jī)制還并不十分清楚完善，但可以確定乳酸菌合成胞外多糖的四個(gè)主要步驟，包括：單糖分子進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)；葡糖-1-磷酸的合成轉(zhuǎn)化；糖的活化與寡糖重復(fù)單元的合成；EPS的聚合與輸出。其中雜多糖的聚合過程較為復(fù)雜，組分與結(jié)構(gòu)多樣，并且主要過程發(fā)生于細(xì)胞質(zhì)中，需要ATP等提供能量；而同多糖的合成過程相對簡單，主要分為葡聚糖和果聚糖，底物通常是蔗糖，在細(xì)胞外合成，能量來源于蔗糖中糖苷鍵的水解。因此，乳酸菌同多糖的產(chǎn)量一般要高于雜多糖的產(chǎn)量。鑒于國內(nèi)外現(xiàn)狀，多糖合成機(jī)理的研究有限，重點(diǎn)主要集中在合成條件的研究篩選。

現(xiàn)在人們對于乳酸菌和大型可食用真菌（如香菇、靈芝）的多糖類物質(zhì)的研究不斷深入，對它們的特性也更加了解。這促使更多的人將目光集中在多糖的研究上，大量的新型菌株不斷被發(fā)現(xiàn)，更多的多糖被分離出來。陸地上的極端生境、海洋、極地以及太空都是具有巨大潛力的微生物種源地，其中大量有價(jià)值的微生物還有待開發(fā)。未來的研究重點(diǎn)在于多糖結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。多糖的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括單體的種類、單體數(shù)量、連鍵類型以及側(cè)鏈的差異。目前多糖的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系并不清楚，什么樣的結(jié)構(gòu)具有抗氧化作用，什么種類的側(cè)鏈能夠賦予多糖抗腫瘤特性等，弄清其結(jié)構(gòu)功能的關(guān)系有助于多糖產(chǎn)品的開發(fā)、改性與定向改造。

［1］張?bào)?，劉寧，孟祥?乳酸菌胞外多糖生物學(xué)活性［J］.國外醫(yī)學(xué)衛(wèi)生學(xué)冊，2004，31（4）：227-230.

［2］Fanning S，Hall JL，Cronin M，et al.Bifidobacterial surfaceexopolysaccharide facilitates commensal-host interaction through immune modulation and pathogen protection［J］.PNAS，2012，109（6）：2108-2113.

［3］Ruas-Madiedo P，Hugenholtz J，Zoon P.An overview of the functionality of exopolysaccharides produced by lactic acid bacteria［J］.Int Dairy J，2002，12：163-171.

［4］Costerton JW，Irvin RT，Cheng KJ，et al.The role of bacterial surface structures in pathogenesis［J］.Crit Rev Microbiol，1981，8（4）：303-338.

［5］Welman AD，Maddox IS.Exopolysaccharides from lactic acid bacteria：perspectives and challenges［J］.Trends Biotechnol，2003，21（6）：269-274.

［6］Laws A，Gu Y，Marshall V.Biosynthesis，characterization，and design of bacterial exopolysaccharides from lactic acid bacteria［J］.Biotechnol Adv，2001，19（8）：597-625.

［7］De Vuyst L，De Vin F，Vaningelgem F，et al.Recent developmentsinthebiosynthesisandapplicationsof heteropolysaccharides from lactic acid bacteria［J］.Int Dairy J，2001（11）：687-707.

［8］Badel S，Bernardi T，Michaud P.New perspectives for lactobacilli exopolysaccharides［J］.Biotechnol Adv，2011，29（1）：54-66.

［9］Nwodo UU，Green E，Okoh AI.Bacterial exopolysaccharides：functionality and prospects［J］.Int J Mol Sci，2012，13（11）：14002-14015.

［10］Vélez MP，De Keersmaecker SC，Vanderleyden J.Adherence factors of Lactobacillus in the human gastrointestinal tract［J］. FEMS Microbiol Lett，2007，276（2）：140-148.

［11］Chong ES.A potential role of probiotics in colorectal cancer prevention：review of possible mechanisms of action［J］.World J Microbiol Biotechnol，2014，30（2）：351-374.

［12］Zivkovic AM，German JB，Lebrilla CB，et al.Human milk glycobiome and its impact on the infant gastrointestinal microbiota［J］.PNAS，2011，108：4653-4658.

［13］Monsan P，Bozonnet S，Albenne C，et al.Homopolysaccharides from lactic acid bacteria［J］.Int Dairy J，2001，11：675-685.

［14］Pan D，Mei X.Antioxidant activity of an exopolysaccharide purified from Lactococcus lactis subsp.lactis 12［J］.Carbohyd Polym，2010，80：908-914.

［15］Chen H，Zhang M，Qu Z，et al.Antioxidant activities of different fractions of polysaccharide conjugates from green tea（Camellia Sinensis）［J］.Food Chem，2008，106：559-563.

［16］Lai Y，Tsai S，Lee M.Isolation of Exopolysaccharide Producing Lactobacillus Strains from Sorghum Distillery Residues Pickled Cabbage and their Antioxidant Properties［J］.Food Sci Biotechnol，2014，23（4）：1231-1236.

［17］Xu R，Shen Q，Ding X，et al.Chemical characterization and antioxidant activity of an exopolysaccharide fraction isolated from Bifidobacterium animalis RH［J］.Eur Food Res Technol，2011，232：231-240.

［18］Hidalgo-Cantabrana C，López P，Gueimonde M，et al. Immune modulation capability of exopolysaccharides synthesized by lactic acid bacteria and bifidobacteria［J］.Probiotics Antimicro Prot，2012，4：227-237.

［19］Nakajima H，Hirota T，Toba T，et al.Structure of the extracellular polysaccharide from slime-forming Lactococcus lactis subsp.cremoris SBT 0495［J］.Carbohyd Res，1992，224：245-253.

［20］Kitazawa H，Harata T，Uemura J，et al.Phosphate group requirement for mitogenic activation of lymphocytes by an extracellularphosphopolysaccharidefromLactobacillus delbrueckii ssp.bulgaricus［J］.Int J Food Microbiol，1998，40（3）：169-175.

［21］Kawashima T，Murakami K，Nishimura I，et al.A sulfated polysaccharide，fucoidan，enhances the immunomodulatory effects of lactic acid bacteria［J］.Int J Mol Med，2012，29（3）：447-453.

［22］Bleau C，Monges A，Rashidan K，et al.Intermediate chains of exopolysaccharides from Lactobacillus rhamnosus RW-9595M increase IL-10 production by macrophages［J］.J Appl Microbiol，2010，108（2）：666-675.

［23］Tsai YT，Cheng PC，Pan TM.The immunomodulatory effects of lactic acid bacteria for improving immune functions and benefits［J］.Appl Microbiol Biotechnol，2012，96（4）：853-862.

［24］Wells JM.Immunomodulatory mechanisms of lactobacilli［J］. Microb Cell Fact，2011，10：1-15.

［25］Lee do K，Jang S，Kim MJ，et al.Anti-proliferative effects of Bifidobacterium adolescentis SPM0212 extract on human colon cancer cell lines［J］.BMC Cancer，2008，8：1-8.

［26］Saad N，Delattre C，Urdaci M，et al.An overview of the last advances in probiotic and prebiotic field［J］.LWT-Food Sci Technol，2013，50：1-16.

［27］Canquil N，Villarroel M，Bravo S，et al.Behavior of the rheological parameters of exopolysaccharides synthesized by three lactic acid bacteria［J］.Carbohyd Polym，2007，68：270-279.

［28］PostmaPW，LengelerJW，JacobsonGR.Phosphoenolpyruvate：carbohydrate phosphotransferase systems of bacteria［J］.Microbiol Rev，1993，57（3）：543-594.

［29］Viana R，Monedero V，Dossonnet V，et al.Enzyme I and HPr from Lactobacillus casei：their role in sugar transport，carbon catabolite repression and inducer exclusion［J］.Mol Microbiol，2000，36（3）：570-584.

［30］Sliz P，Engelmann R，Hengstenberg W，et al.The structure of enzyme IIAlactosefrom Lactococcus lactis reveals a new fold and points to possible interactions of a multicomponent system［J］. Structure，1997，5（6）：775-788.

［31］Wang G，Louis JM，Sondej M，et al.Solution structure of the phosphoryl transfer complex between the signal transducing proteinsHPrandIIAGlucoseoftheEscherichiacoli phosphoenolpyruvate：sugar phosphotransferase system［J］.EMBO J，2000，19（21）：5635-5649.

［32］Van den Bogaard PT，Kleerebezem M，Kuipers OP，et al. Control of lactose transport，β-galactosidase activity，and glycolysis by CcpA in Streptococcus thermophiles：evidence for carbon catabolite repression by a non-phosphoenolpyruvate-dependent phosphotransferase system sugar［J］.J Bacteriol，2000，182（21）：5982-5989.［33］Suárez CA，Blancato VS，Poncet S，et al.CcpA represses the expression of the divergent cit operons of Enterococcus faecalis through multiple cre sites［J］.BMC Microbiol，2011（11）：1-13.

［34］Sj?berg A，Hahn-H?gerdal B.β-glucose-1-phosphate，a possible mediator for polysaccharide formation in maltoseassimilating Lactococcus lactis［J］.Appl Environ Microbiol，1989，55（6）：1549-1554.

［35］Degeest B，De Vuyst L.Correlation of activities of the enzymes α-phosphoglucomutase，UDP-galactose 4-epimerase，and UDP-glucose pyrophosphorylase with exopolysaccharide biosynthesis by Streptococcus thermophilus LY03［J］.Appl Environ Microbiol，2000，66（8）：3519-3527.

［36］Ramos A，Boels IC，De Vos WM，et al.Relationship between glycolysis and exopolysaccharide biosynthesis in Lactococcus lactis［J］.Appl Environ Microbiol，2001，67（1）：33-41.

［37］Grobben GJ，Smith MR，Sikkema J，et al.Influence of fructose and glucose on the production of exopolysaccharides and the activities of enzymes involved in the sugar metabolism and the synthesis of sugar nucleotides in Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus NCFB 2772［J］.Appl Microbiol Biot，1996，46：279-284.

［38］De Vos WM，Vaughan EE.Genetics of lactose utilization in lactic acid bacteria［J］.FEMS Microbiol Rev，1994，15（2-3）：217-237.

［39］丹彤，王俊國，張和平.乳酸菌胞外多糖的結(jié)構(gòu)、生物合成及其應(yīng)用［J］.食品科學(xué)，2013，34（7）：335-339.

［40］陳蕾蕾，王未名，祝清俊，等.細(xì)菌多糖的生物合成機(jī)制［J］.微生物學(xué)報(bào)，2010，50（12）：1583-1589.

［41］Whitfield C，Valvano MA.Biosynthesis and expression of cell-surface polysaccharides in gram-negative bacteria［J］.Adv Microb Physiol，1993，35：135-246.

［42］姚晶，任婧，吳正鈞，等.乳酸菌胞外多糖的生物合成及其遺傳調(diào)控［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2011，37（2）：11-16.

Progress on the physiological functions and synthesis pathways of lactic acid bacteria exopolysaccharide

QIN Xiao-meng，ZHANG Yuan-sen，LIU Chen-jian，ZHANG Kun-lin，YANG En*
（Kunming University of Science and Technology，F(xiàn)aculty of Life Science and Technology，Kunming 650500，China）

Lactic acid bacteria（LAB）were important probiotic microorganisms and critical industry bacteria，which were widely used in fermentation foods.The fermentation productions which produced by LAB were attracted great attention.This paper provided an overview of the main physiological and biochemical functions of exopolysaccharide（EPS）which produced by LAB.Besides，four metabolic pathways which related to exopolysaccharide biosynthesis also had been summarized，in order to provide evidence for the EPS applications，raising yields and structure modification.

lactic acid bacteria；exopolysaccharide；physiological functions；metabolic pathways

TS201.2

A

1002-0306（2015）14-0389-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.072

2014-10-28

秦曉萌（1990-），男，碩士研究生，研究方向：食品微生物。

楊恩（1982-），女，博士，講師，研究方向：食品微生物。

云南省昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)項(xiàng)目（14118480）；昆明理工大學(xué)分析測試基金（20140707）。