益生菌胞外多糖的生物活性研究進(jìn)展

王俊永 姚蒙蒙 王曉冰 張日俊

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)飼料生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100193）

益生菌是在數(shù)量充足時(shí)能夠給宿主帶來有益影響的活性微生物。它們通過調(diào)節(jié)腸道內(nèi)菌群平衡或者調(diào)節(jié)宿主黏膜與系統(tǒng)免疫功能，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)吸收、保持腸道健康，從而產(chǎn)生有益作用的單微生物或組成明確的混合微生物。傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為只有活的益生菌才能發(fā)揮其益生作用，但是越來越多的研究表明細(xì)菌所產(chǎn)生的代謝物在其中也扮演著不可忽略的作用。

胞外多糖（Exopolysaccharides, EPS）是由一些特殊微生物（包括藻類、細(xì)菌、真菌等）在生長(zhǎng)代謝過程中分泌到細(xì)胞壁外的次級(jí)代謝物，是一類長(zhǎng)鏈的、高分子質(zhì)量的多糖，其不同的單糖組成、糖苷鏈接以及支鏈結(jié)構(gòu)使其擁有不同的功能。EPS 的分類方法有多種：基于單糖組成的不同，分為同型多糖和異型多糖：同型多糖是由一種單糖聚合而成，單糖種類主要包括α-D-葡聚糖、β-D-葡聚糖、β-D-果聚糖、聚半乳糖等；異型多糖一般是由多種單糖組成的3～8個(gè)重復(fù)單元，其中重復(fù)單元組成以D-葡萄糖、D-半乳糖、L-鼠李糖、蔗糖等最為常見，有些還含有其他的成分，如：L-巖藻糖、乙?；被牵ɡ鏝-乙?；?D-半乳糖胺）、D-核糖、D-葡萄糖醛酸和D-壬酸，以及非糖組分如甘油、磷酸鹽、丙酮酰胺和乙酰基等；而基于多糖存在的位置不同又可以分為莢膜多糖和黏多糖兩類，但這兩類多糖結(jié)合在一起難以區(qū)分

EPS 最初由于其出色的流變學(xué)特性被廣泛的應(yīng)用于食品加工領(lǐng)域，但隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)其在抗氧化、抗炎、抗腫瘤等生物活性功能研究方面也有著出色的潛力。并且EPS作為益生菌的代謝產(chǎn)物，在菌體發(fā)揮功能的過程中也起著重要作用。2020 年7月1日起，我國(guó)開始飼料端全面禁抗，益生菌添加劑作為抗生素的替代品之一，對(duì)其以及代謝產(chǎn)物的研究也將激發(fā)新一輪的熱度。因此，本文綜述了益生菌的代謝產(chǎn)物EPS在體內(nèi)外的相關(guān)生物活性研究，為其在動(dòng)物生產(chǎn)中進(jìn)一步的應(yīng)用提供參考。

1 抗氧化活性

活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）是有氧代謝以及宿主防御機(jī)制的天然副產(chǎn)物，并且參與已知各種生物過程。正常情況下，機(jī)體中的活性氧在細(xì)胞的生命活動(dòng)中是積極存在的：機(jī)體通過自身的抗氧化防護(hù)和修復(fù)機(jī)制將體內(nèi)的活性氧維持在平衡狀態(tài)，但當(dāng)機(jī)體處于疾病、感染等不利的環(huán)境條件或者遭受外源自由基入侵的情況下，自由基與抗氧化劑體系之間的平衡被打破，自由基累積就會(huì)出現(xiàn)氧化應(yīng)激。氧化應(yīng)激會(huì)損壞生物大分子（脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA和RNA）并可能導(dǎo)致組織損傷而引發(fā)機(jī)體產(chǎn)生一系列的事件，造成多種疾病的發(fā)生或發(fā)展。抗氧化劑可以消除ROS和自由基，對(duì)機(jī)體健康有益，化學(xué)合成的抗氧化劑雖然能夠清除活性氧，但是長(zhǎng)期使用會(huì)對(duì)宿主機(jī)體產(chǎn)生損傷，因此研究和開發(fā)新的天然、無毒的抗氧化劑以替代化學(xué)合成的抗氧化劑勢(shì)在必行。

雙歧桿菌作為益生菌，其營(yíng)養(yǎng)性和治療作用已被廣泛認(rèn)可，主要功能包括平衡腸道菌群、改善乳糖耐受性、降低血液中的膽固醇水平及促進(jìn)維生素B族的生物合成等，并且其在抗氧化相關(guān)研究中也廣為報(bào)道。謝瑩等研究了雙歧桿菌BB12 EPS 的抗氧化功能，結(jié)果表明雙歧桿菌EPS 具有較強(qiáng)的還原能力，但對(duì)羥基自由基和超氧陰離子自由基的50%清除濃度均低于抗壞血酸。副干酪乳桿菌EPS 對(duì)羥基自由基清除能力較好，能夠顯著地提高細(xì)胞超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性、總抗氧化能力并抑制丙二醛的生成。李艷等的研究中德氏乳桿菌QS306 所產(chǎn)的EPS 對(duì)DPPH 自由基的清除能力為47.20%，羥基的清除能力為80.30%。邵春各的研究表明，植物乳桿菌KX041 EPS 對(duì)DPPH、ABTS 和羥基自由基都具有較強(qiáng)的清除活性，對(duì)超氧陰離子自由基具有一定的清除活性，同時(shí)用鐵氰化鉀換元法評(píng)價(jià)了EPS 的還原力，結(jié)果表明其具有一定的還原力。真菌的EPS 因其獨(dú)特的物理學(xué)特性，廣泛的應(yīng)用于各種食品的增稠、穩(wěn)定、乳化等。紅曲霉菌為散囊菌目子囊菌屬曲霉菌科真菌，是一種珍貴的藥食兩用真菌，具有殺菌、防腐、解毒、消食活血、健脾等功效。賈紅倩等通過分離、純化等得到其EPS 的三個(gè)組分，并且三個(gè)組分對(duì)DPPH和羥基自由基均有較高的清除能力，并在一定的濃度范圍內(nèi)EPS 對(duì)羥基自由基和DPPH的清除作用與濃度呈現(xiàn)正相關(guān)，除此之外，云芝SWFC8557 EPS的也同樣具有出色的抗氧化能力。

大量的研究表明了益生菌EPS 具有作為天然抗氧化劑的潛力。但機(jī)體氧化應(yīng)激的影響是多方面的，活性氧和自由基的過量產(chǎn)生會(huì)引起組織損傷、細(xì)胞癌變等問題，并且作用于NF-κB、p53等信號(hào)通路，影響細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子的活性。EPS 的抗氧化能力也是多方面的，單純的抗氧化指標(biāo)測(cè)定并沒有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，只有將其氧化應(yīng)激所產(chǎn)生的表型特征與相關(guān)信號(hào)通路聯(lián)系起來，了解EPS 抗氧化功能的深層機(jī)理，進(jìn)而應(yīng)用于實(shí)踐。

2 抗腫瘤活性

癌癥是由于某些原癌基因和抑癌基因的突變對(duì)DNA 造成不可挽回的損傷而導(dǎo)致的阻止生長(zhǎng)的異常類型，其中某些細(xì)胞表現(xiàn)出不受控制的分裂，導(dǎo)致分裂細(xì)胞的數(shù)量逐漸增加。近些年關(guān)于癌癥的研究逐漸深入，各種抗腫瘤藥物的研發(fā)也如火如荼，但大部分藥物都有利有弊，因此研制無毒害的新型抗腫瘤藥物也十分重要，而EPS因其在對(duì)癌癥的輔助治療上具有安全性高、毒副作用小以及抑瘤效果好等優(yōu)點(diǎn)有可能成為良好的抗腫瘤藥物替代物。

目前已經(jīng)有大量的研究表明EPS 對(duì)人骨肉瘤細(xì)胞U2OS、宮頸癌細(xì)胞Hela、人結(jié)腸癌細(xì)胞HCT116、非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞A549細(xì)胞、人肝癌細(xì)胞Huh7.5細(xì)胞、人肺癌細(xì)胞H1299、H460、WI-38細(xì)胞、腸癌細(xì)胞HT-29等多種癌細(xì)胞都有抑制作用，并且多數(shù)EPS抑癌作用是通過調(diào)控細(xì)胞凋亡和細(xì)胞周期實(shí)現(xiàn)的。細(xì)胞凋亡受到胞內(nèi)和胞外兩種途徑、多種細(xì)胞因子的調(diào)控，Yahya等研究表明海洋細(xì)菌的EPS MSA1能夠抑制抗凋亡基因BCL-2 的表達(dá)，促進(jìn)Caspase-8、p53、TNFα、TLR-2等多種促凋亡因子的表達(dá)，同時(shí)MSA1能夠上調(diào)促凋亡蛋白BAD、BAX、BID 和BIM 的表達(dá)并且下調(diào)抗凋亡蛋白家族BCL-2的表達(dá)。干酪乳桿菌（L.casei）SB27 所產(chǎn)的EPS 同樣也通過激活Caspase-8 基因上調(diào)凋亡基因Bad和Bax的表達(dá)引起HT-29細(xì)胞的凋亡，并且引起HT-29細(xì)胞凋亡形態(tài)學(xué)改變。張將等發(fā)現(xiàn)植物乳桿菌EPS同樣通過激活Caspase-8來抑制HT-29細(xì)胞增殖，從而達(dá)到治療癌癥的效果。EPS除了通過細(xì)胞凋亡水平發(fā)揮抗腫瘤作用，同時(shí)也可以通過調(diào)控細(xì)胞周期發(fā)揮抗腫瘤的作用，Gambus 等研究表明EPS通過將癌細(xì)胞的細(xì)胞周期阻止在G1-S期以及促進(jìn)凋亡蛋白Caspase-3 的表達(dá)起到抑癌作用，當(dāng)細(xì)胞遭受DNA 破壞時(shí)，PARP 被激活，它是Caspase-3的主要靶標(biāo)，其激活可以介導(dǎo)細(xì)胞凋亡中潛在的蛋白水解，而EPS 的處理增加了Caspase-3 的表達(dá)和被切割的PARP比例，促進(jìn)了癌細(xì)胞的凋亡。此外，You等研究也表明EPS 通過調(diào)控細(xì)胞周期和促進(jìn)細(xì)胞凋亡而表現(xiàn)出對(duì)頭頸部鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞系的抗癌作用。

細(xì)胞凋亡作為一種程序性死亡不僅在癌癥中扮演著重要的角色，同時(shí)在免疫調(diào)節(jié)、胚胎形成以及組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)等方面都起著十分重要的作用。EPS 通過激活宿主細(xì)胞的凋亡反應(yīng)從而達(dá)到預(yù)防和抑制腫瘤生長(zhǎng)的作用，相比于創(chuàng)痛的抗癌藥物，EPS 不直接殺死細(xì)胞，而是提升宿主自身的抗腫瘤水平，對(duì)一些關(guān)鍵組織和器官起保護(hù)作用。同時(shí)EPS 的抗腫瘤能力與其抗氧化水平之間也存在著一定的聯(lián)系，但具體的機(jī)制仍需進(jìn)一步的研究。雖然EPS 出色的抗腫瘤能力不是其能否在畜牧生產(chǎn)中應(yīng)用的關(guān)鍵，但是對(duì)我們理解EPS在動(dòng)物體內(nèi)的作用機(jī)理是必不可少的。

3 抗炎活性

炎癥廣泛的存在于經(jīng)濟(jì)動(dòng)物生長(zhǎng)過程中，例如在豬生產(chǎn)中，因腸道炎癥引起的仔豬腹瀉對(duì)仔豬的存活率、生長(zhǎng)速度、體質(zhì)等都有影響。EPS 作為益生菌的代謝產(chǎn)物，在炎癥反應(yīng)中扮演著重要的角色。EPS主要通過調(diào)節(jié)炎癥信號(hào)分子如促炎細(xì)胞因子[腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細(xì)胞介素（IL-2、IL-6）、抗炎細(xì)胞因子（IL-4、IL-10）]等來改變免疫系統(tǒng)的應(yīng)答反應(yīng)，從而起到抑制感染，預(yù)防和治療炎癥相關(guān)疾病。

EPS 與炎癥相關(guān)的工作中主要以巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞為載體進(jìn)行研究，巨噬細(xì)胞是機(jī)體固有免疫系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛分布在各個(gè)組織與器官，具有吞噬、抗原呈遞和分泌多種細(xì)胞因子的功能，在炎癥、防御、修復(fù)、代謝等多個(gè)生理過程中起重要作用。黏膜乳桿菌DPC6426 的EPS 誘導(dǎo)鼠巨噬細(xì)胞中IL-6 表達(dá)量的增加，NO生成量呈劑量依賴性增加，同時(shí)在所有劑量水平下TNF-α分泌均增加，增強(qiáng)了巨噬細(xì)胞的免疫活性。植物乳桿菌JLK0142 的EPS 可以提高巨噬細(xì)胞的吞噬活性和NO 的分泌，并且高劑量的EPS 可以提高腸道免疫球蛋白A、IL-2、TNF-α的含量，另一株植物乳桿菌JLAU103 EPS 不僅能夠促進(jìn)IL-6、TNF-α、NO等適量表達(dá)，同時(shí)還抑制了IL-6、TNF-α、前列腺素E2和NO的過度表達(dá)，即EPS即可以適當(dāng)促進(jìn)炎癥反應(yīng)加快機(jī)體修復(fù)，也能防止免疫過度。長(zhǎng)雙歧桿菌35624?EPS 可以降低TLR-2 和IL-10 介導(dǎo)的呼吸道炎癥小鼠模型中肺內(nèi)嗜酸性粒細(xì)胞的募集，證明了EPS 可以緩解慢性嗜酸性粒細(xì)胞相關(guān)氣道疾病。布氏乳桿菌TCP016 EPS抑制了血漿中肝酶和細(xì)胞因子的水平，增加了超氧化物歧化酶和谷胱甘肽的活性，并減少了體內(nèi)細(xì)菌向肝臟和腸系膜淋巴結(jié)的易位，改善了脂多糖/d-半乳糖胺誘導(dǎo)的肝損傷。乳酸菌EPS116可以通過促進(jìn)緊密連接蛋白表達(dá)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子STAT3信號(hào)通路，以此來調(diào)控腸道黏膜屏障調(diào)節(jié)能力進(jìn)而減輕硫酸葡聚糖誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎癥的程度。雖然目前對(duì)EPS 調(diào)節(jié)炎癥活性的研究大多集中在免疫細(xì)胞中進(jìn)行，但德氏乳酸桿菌TUA4408L 對(duì)非免疫細(xì)胞豬腸上皮細(xì)胞中的免疫調(diào)節(jié)活性的相關(guān)研究證明了EPS 能夠通過減少病毒復(fù)制和調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)來提高豬腸上皮細(xì)胞對(duì)輪狀病毒感染的抵抗力。這些研究表明了EPS 作為炎癥調(diào)控因子具有相當(dāng)復(fù)雜的作用機(jī)制以及廣泛的應(yīng)用前景。

益生菌的EPS 能夠有效地抑制動(dòng)物機(jī)體炎癥的發(fā)生，并且EPS的抗炎能力與抗氧化水平之間也存在聯(lián)系，兩者之間具體以什么樣的機(jī)制聯(lián)系在一起也需進(jìn)一步的探索。同時(shí)EPS 的益生作用對(duì)替抗工作意義重大，而且EPS 對(duì)動(dòng)物機(jī)體無毒害作用，這也為EPS 在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。雖然大量的研究也揭示了EPS在對(duì)抗炎癥過程中的作用機(jī)制，但EPS 在實(shí)際應(yīng)用中是否會(huì)產(chǎn)生其他的副作用我們?nèi)晕吹弥酥?，在?duì)EPS 的功能探索中，針對(duì)豬、家禽、反芻動(dòng)物等的研究并不多見，從小鼠模型以及人源細(xì)胞上的研究結(jié)果能否照搬至家畜仍需驗(yàn)證。

4 展望

隨著全面禁抗工作的進(jìn)行，尋找優(yōu)秀的抗生素替代品刻不容緩。益生菌因其安全性高、無耐藥性以及對(duì)宿主良好的益生效果被廣泛關(guān)注。而EPS 作為益生菌的主要代謝產(chǎn)物之一，其具有出色的抗氧化、抗炎、抗腫瘤等功能，毒副作用小，而且相比于其他種類的多糖，益生菌產(chǎn)生的EPS 可以通過發(fā)酵生產(chǎn)：生產(chǎn)周期短，不受時(shí)間、空間等條件限制，因此具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用市場(chǎng)。但目前針對(duì)EPS 在大動(dòng)物的研究相對(duì)較少，多數(shù)仍集中在腫瘤治療、食品加工等方面，因此EPS在畜牧生產(chǎn)上的應(yīng)用仍然需要大量的研究和論證。