乳酸菌胞外多糖的结构及益生功能研究进展

汪清美　赵丽平

摘 要：综述了乳酸菌胞外多糖的化学组成、结构以及对人类的益生功能。乳酸菌胞外多糖（exopolysaccharide，EPS）是一种高分子聚合物，它的生物活性依赖其结构和性质，揭示其结构与功能的关系是目前研究的热点。本文综合国内外的研究报告，概述了乳酸菌胞外多糖的结构特性和益生功能，对其他生物活性物质的研究具有重要意义。

关键词：乳酸菌；胞外多糖；结构；功能；意义

中图分类号：Q939.9 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.05.005

乳酸菌胞外多糖（extracellular polysaccharides，EPS）是一类糖类化合物，是细菌细胞外多糖结构的一部分[1]， 包括革兰氏阴性菌细胞膜外的多糖成分和革兰氏阳性菌肽聚糖部分，具体分为荚膜多糖和黏液多糖，在细胞壁上形成荚膜的为荚膜多糖；分泌到培养基中形成黏液的为黏液多糖[2-3]。所以，乳酸菌的益生功能一方面是EPS在起作用，另一方面是通过益生菌本身的代谢作用来实现的。Kitazawa等人[4]通过研究发现发酵乳之所以对人体健康有益，与乳酸菌细胞壁的成分有关，特别是与其合成的EPS有关，这是因为EPS本身还具有提高免疫力、抗肿瘤、抗溃疡及降低胆固醇等功能特性[5]，这种功能特性主要是由它的特殊结构决定的，EPS的生物活性功能与其高级结构的关系更为密切[6]。本文主要概述了乳酸菌胞外多糖的化学组成与结构特性、结构与功能的关系以及它的益生功能。

1 乳酸菌EPS结构与功能的关系

1.1 EPS的化学组成与结构特性

长期以来，对乳酸菌EPS的化学组成有很多争论。有研究结果证实，当同一菌种利用不同的糖作为碳源时产生的EPS化学组成不同，或者不同菌种利用同一种糖作为碳源产生的EPS的化学组成也不相同。Sundmna和Nsilosn的研究发现，从乳酸菌中提取的黏稠物质是一种类似蛋白质的物质，其他学者认为酸奶中的黏稠物质是糖蛋白。很多研究结果显示乳酸菌EPS是由多个复杂的单糖组成的多糖，但还有很多种乳酸菌EPS的组成不是很清楚。这些EPS的单体大部分特别相似，主要由D-半乳糖、D-葡萄糖和鼠李糖组成，但组成的比例不同，有待后来学者的进一步研究。

乳酸菌EPS分子量一般在4.0×104～6.0×l06，分子量是决定其功能特性的一个重要因素[7-8]。在不同状态下，EPS的性质与其结构是密切相关的，了解EPS的功能特性，首先得研究它的结构组成情况。许多重复单位构成带有分支结构的分子量大且结构较复杂的多糖就是乳酸菌EPS。因其高级结构取决于一级结构，所以一级结构的微小变化都会引起高级结构及特性的巨大改变[9]。糖链的结构比较复杂且合成没有模板，所以，糖链的一级结构一直不是很清楚，近几年糖链结构的测定技术突飞猛进，糖链的全部结构能被测出。Doco等人通过实验已经测出了S.thermphilus产生的杂多糖的重复单元结构，而其他乳酸菌EPS的支链结构也将逐一得到阐明。

1.2 结构与功能的关系

多糖的高级结构与蛋白质以及核酸的一样，也是取决于其一级结构，并且结构与功能有一定的相关性。有研究结果证实[10-11]，其一级结构是由β-（1→2）连接的葡聚糖、甘露聚糖 、半乳聚糖 或β-（1→3）连接的葡聚糖、 半乳聚糖组成。李荣芷等人经13C核磁共振分析推断β-（1→3）多糖链骨架上的多羟基基团对抗肿瘤活性起了重要作用，以β-（1→3）为主链的葡聚糖，有的具有抑瘤活性，有的则不具有。多糖高级结构的改变经常伴有活性的改变。

不同的研究方法表明，之所以引起研究者对EPS结构与功能的关注，是因为这些单体几乎没有相似点。以后“多聚糖工程”或“低聚糖工程”的研究基础将是那些涉及生物化学、分子生物学及关于EPS构象的研究。由于多糖结构复杂，其结构与功能的机理到目前还不完全清楚。所以，关于乳酸菌EPS结构与功能的关系，仍是学者研究的焦点问题。

2 乳酸菌胞外多糖的益生功能

2.1 提高免疫系统

众多研究者的相关试验得出EPS具有调节免疫系统的作用。Kitazawa等人从Lactobacillus bulgaricus OLLI073R-l中分离出来的胞外脂多糖具有增强巨噬细胞的作用。顾瑞霞等人在研究Streptococcus salivarius thermophilus时发现，EPS对小鼠的细胞免疫和体液免疫均有促进作用。Gomez等[12]从Bifidobacterium adolescentis ATCC 15703培养物的上清液中分离的EPS能诱导鼠脾淋巴细胞的活性且显示出较高的淋巴增殖应答内部促进作用。顾笑梅等人研究了Lactic acid bacteria Z222产生的EPS能提高荷瘤小鼠机体的免疫能力，产生的特异性抗体能降低小鼠的迟发型超敏反应应答。Matsuzaki等人通过小鼠动物的试验来研究干酪乳杆菌培养物的功能，结果显示，干酪乳杆菌培养物具有调节免疫系统的功能；Fudushima等人也选用老鼠作为试验的材料，用干酪乳杆菌和双歧杆菌的培养物饲喂老鼠，结果显示，二者的培养物同样具有调节免疫系统的功能。乳酸菌EPS还具有增加其他免疫系统的功能，比如，促进非特异性和特异性免疫应答反应，激活巨噬细胞释放刺激因子和增加细胞内溶酶体的含量，诱导细胞生长抑制素（干扰素-r和白介素-l）的产生等。

2.2 改善肠粘膜的粘附

乳酸活菌具有改善膳食中多糖的代谢来调节肠道有益菌的定植或粘附作用。各种细菌在肠道中的粘附作用基本分为两种：一种是非特异性的，是由菌体结构特异性决定的；另一种是特异性的，在非特异性结合的基础上，进一步与宿主细胞相应的受体之间特异性结合，从而提高菌体对肠道表面的非特异性粘附[13]。EPS在食品发酵过程中能增加其粘度，从而延长发酵制品在胃肠道内的定植时间，这可能对菌体在肠道内最初的粘附起了促进作用，也说明了益生菌在肠道内短暂的定植对人体的健康非常有益。

近期研究表明，乳杆菌对疾病的预防作用大于其治疗作用也可能基于其产生的EPS的作用。Watkins和Milller两位学者，以无菌小鸡为试验动物，进行嗜酸乳杆菌预防肠道有关疾病的预防试验，得出的结论是最初饲喂含有嗜酸乳杆菌饲料的无菌小鸡要比感染病原体后再饲喂含有嗜酸乳杆菌的饲料无菌小鸡明显生长良好。

2.3 抗肿瘤的作用[14]

很多研究报告证实乳酸菌EPS具有抗肿瘤的作用，其作用机理主要有以下4方面：（1）增强宿主免疫功能，主要通过激活体内多种细胞因子或免疫细胞而提高机体免疫功能；（2）促使肿瘤细胞凋亡，有些细菌多糖能诱导肿瘤细胞凋亡的比例而抑制肿瘤的发展；（3）某些具有细胞毒性的多糖（香菇多糖、牛膝多糖、芸芝多糖等）可直接杀死肿瘤细胞；（4）影响血液的供应，细菌素能引起肿瘤细胞出血性坏死。其他学者的研究也证实乳酸菌EPS抗肿瘤的作用机理，如黄泽波等人[15]的研究得出蓝细菌的EPS具有抗潜在的病毒和肿瘤、降低胆固醇含量等作用，早在20世纪Tojo等人[16]就经过研究认识到水生细菌EPS在海洋环境中不可逆的粘附作用，细菌的这种倾向是普遍存在的，而且与同种浮游的细菌相比来说具有较强的生存优势[17-18]。EPS抗肿瘤的机理还将进一步被研究证实。

2.4 防治结肠癌

近几年，结肠癌的发病率呈上升趋势，作为世界上最常见的恶性肿瘤之一，其严重威胁了人类的身心健康。虽然早期诊断和综合治疗领域有了长足的进步，但转移复发是影响愈后的首要原因[19]。

在肠道内抑制致癌物质的产生，主要是乳酸菌在其内繁殖改善了肠道菌群的组成，例如乳杆菌和双歧杆菌在肠道内繁殖代谢产生的生物活性物质能分解致癌物N-亚硝基胺 ，其中EPS就是一种对人体健康有巨大影响的生物活性代谢物。由于个人肠道消化功能的不同，EPS对人体健康的影响也不一样。肠道内的一些微生物降解EPS产生的短链脂肪酸 （SCFAs）可以被肠粘膜上皮细胞吸收，增强将要产生癌变细胞的免疫能力，控制致癌基因表达，从而在结肠癌的防治方面起到了关键的作用。马杉姗等人[20]从藏灵菇中筛选的Streptococcus thermophilus这个菌株在代谢中产生的EPS对人结肠癌HCT-8细胞增殖有影响，EPS通过直接杀伤结肠癌HCT-8细胞，使细胞周期阻滞于G1期而抑制细胞增殖，从而发挥抗肿瘤的作用。

3 展 望

源于微生物资源开展的相关生物活性物质的研究与开发已成为发酵工程的重点研究领域[20]，乳酸菌胞外多糖EPS的研究及相关产品的开发已成为近几年学术界关注的问题。乳酸菌能产生多种结构不同的EPS，这些EPS用途之一就是作为发酵食品的天然质构剂，可满足消费者对食品安全和健康以及无添加剂食品的要求[21]。

乳酸菌在发酵乳品、微生态制剂等很多方面已得到广泛的应用，现在关键是如何提高其生物活性物质的产量以及弄清楚结构与功能的关系。已知乳酸菌的主要功能特性除了定殖、改善肠道的环境外，它的一些次生代谢产物（如EPS）也在其中产生了重要的作用。目前用于食品中乳酸菌EPS的合成量较低，在改变其发酵条件或营养条件下，不同菌株合成EPS的化学组成和结构有很大的区别，所以，如何提高产量又不严重影响其结构和功能的稳定性成为众多研究者所关注的焦点问题。

参考文献：

[1] Igor M S， Vladimir V I. Extracellular polysaccharides and polysaccharides-containing bio polymers from Azospirillum species：Properties and the possible role in interaction with plant root[J].FEMS Microbiology Letters，1998，165：223-229.

[2] 李清春，张景强，贺稚非.乳酸菌胞外多糖的研究[J].电子科技大学学报，2003（6）：764-769.

[3] 赵时玮，任静，王荫榆，等.乳酸菌胞外多糖生物合成与遗传调控研究进展[J].山西农业科学，2010（12）：94-99.

[4] Kitazawa H， Yamaguchi T， Itoh T. B-cell mitogenicactivity of slime products produced from slime-forming encapsulated Lactococcus lactis subsp. cremoris[J]. Journal of Dairy Science， 1992， 75： 2 946-2 951.

[5] Luc D V. Heteropolysaccarides from lactic acid bacteria [J]. FEMS Microbiology Review， 1999， 23： 153-177.

[6] 阳佛送，李雪华.多糖结构研究的方法和进展[J].食品科技，2008（3）：200-203.

[7] Cerning J， Bouillanne C， Landon M， et al. Isolation and characterization of exocellular polysaccharide produced by Lactobacillus bulgaricus[J].J Daiyr Sei， 1992， 75：692-699.

[8] Esealnate A， Wach-Rodarte C， Garei-Garibay M， et al. Enzymes involved in ear bohy arte metbaolism nadtheirroleon exo polysaceharide production iIn streptococcus[J]. Thermopilus J APPI Mieorbiol， 1998， 84： 108-114.

[9] 杨洁彬.乳酸菌-生物学基础及应用[M].北京.中国轻工业出版社，1999：137-140.

[10] 林志彬.灵芝多糖的免疫药理学研究意义[J]. 北京医科大学学报，1992， 24（4）： 47 -49.

[11]王丽霞，杜德清.食用菌多糖研究[J].浙江林业科技，2005，25（5）：49-56.

[12] Gomez E，Melgar M M，Perez S， et al.Exceular produets from B.adolescentis as immuno modifdifiers in the lymphoproliferative reponses of mouse splenocytes [J]. FEMS Microbiology Letters，1988，56：47-52.

[13] Bengmark S.Ecological control of the gastrointestinal tract，the role of probiotic flora，gut[J].International Dairy J， 1998， 42： 2-7.

[14] Gabriela P， Juan C， Mirta R. Antitumour activity of yogurt：Study of possible immune mechanisms[J]. Dairy Res， 1998， 65：129-138.

[15] 黄泽波，刘永定.蓝细菌多糖及应用研究概况[J].生物技术通报， 1997， 4：26-32.

[16] Tojo M N， Yamashita D， Goldmann N， et al.Isolation and characterization of a capsule polysaccharide adhesion from Staphylococcus epidermidis[J].In-fect Dis，1988，157：713-722.

[17] Costerton J W， Cheng G G， Geesey T I， et al.burlgaricusacterial biofilms in nature and disease [J].Annu RevMicrobiol，1987， 41：435-464.

[18] Costerton J W， Stewart P S， Greenberg E P. Bacterial biofilms： A common cause of persistent infections [J].Science， 1999， 284： 1 318-1 322.

[19] 章国星，搡寄望. MACC1与结肠癌的研究进展[J].现代医院进展，2010， 10（3）：3 972.

[20] 马杉姗，王世平，连正兴，等.藏灵菇嗜热链球菌胞外多糖对人结肠癌细胞的增殖抑制[J].食品科学， 2008（29）：405-408.

[21] 汪清美，陈庆森，阎亚丽.响应面法优化德氏乳杆菌保加利亚亚种NCFB2772发酵生产胞外多糖的培养条件优化[J].乳品科学与技术，2011，34（5）： 201-206.