益生菌胞外多糖的生物活性研究进展

王俊永 姚蒙蒙 王晓冰 张日俊

（中国农业大学饲料生物技术实验室动物营养学国家重点实验室，北京100193）

益生菌是在数量充足时能够给宿主带来有益影响的活性微生物。它们通过调节肠道内菌群平衡或者调节宿主黏膜与系统免疫功能，促进营养吸收、保持肠道健康，从而产生有益作用的单微生物或组成明确的混合微生物。传统的观念认为只有活的益生菌才能发挥其益生作用，但是越来越多的研究表明细菌所产生的代谢物在其中也扮演着不可忽略的作用。

胞外多糖（Exopolysaccharides, EPS）是由一些特殊微生物（包括藻类、细菌、真菌等）在生长代谢过程中分泌到细胞壁外的次级代谢物，是一类长链的、高分子质量的多糖，其不同的单糖组成、糖苷链接以及支链结构使其拥有不同的功能。EPS 的分类方法有多种：基于单糖组成的不同，分为同型多糖和异型多糖：同型多糖是由一种单糖聚合而成，单糖种类主要包括α-D-葡聚糖、β-D-葡聚糖、β-D-果聚糖、聚半乳糖等；异型多糖一般是由多种单糖组成的3～8个重复单元，其中重复单元组成以D-葡萄糖、D-半乳糖、L-鼠李糖、蔗糖等最为常见，有些还含有其他的成分，如：L-岩藻糖、乙酰化氨基糖（例如N-乙酰基-D-半乳糖胺）、D-核糖、D-葡萄糖醛酸和D-壬酸，以及非糖组分如甘油、磷酸盐、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为荚膜多糖和黏多糖两类，但这两类多糖结合在一起难以区分

EPS 最初由于其出色的流变学特性被广泛的应用于食品加工领域，但随着研究的深入，人们发现其在抗氧化、抗炎、抗肿瘤等生物活性功能研究方面也有着出色的潜力。并且EPS作为益生菌的代谢产物，在菌体发挥功能的过程中也起着重要作用。2020 年7月1日起，我国开始饲料端全面禁抗，益生菌添加剂作为抗生素的替代品之一，对其以及代谢产物的研究也将激发新一轮的热度。因此，本文综述了益生菌的代谢产物EPS在体内外的相关生物活性研究，为其在动物生产中进一步的应用提供参考。

1 抗氧化活性

活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）是有氧代谢以及宿主防御机制的天然副产物，并且参与已知各种生物过程。正常情况下，机体中的活性氧在细胞的生命活动中是积极存在的：机体通过自身的抗氧化防护和修复机制将体内的活性氧维持在平衡状态，但当机体处于疾病、感染等不利的环境条件或者遭受外源自由基入侵的情况下，自由基与抗氧化剂体系之间的平衡被打破，自由基累积就会出现氧化应激。氧化应激会损坏生物大分子（脂质、蛋白质、DNA和RNA）并可能导致组织损伤而引发机体产生一系列的事件，造成多种疾病的发生或发展。抗氧化剂可以消除ROS和自由基，对机体健康有益，化学合成的抗氧化剂虽然能够清除活性氧，但是长期使用会对宿主机体产生损伤，因此研究和开发新的天然、无毒的抗氧化剂以替代化学合成的抗氧化剂势在必行。

双歧杆菌作为益生菌，其营养性和治疗作用已被广泛认可，主要功能包括平衡肠道菌群、改善乳糖耐受性、降低血液中的胆固醇水平及促进维生素B族的生物合成等，并且其在抗氧化相关研究中也广为报道。谢莹等研究了双歧杆菌BB12 EPS 的抗氧化功能，结果表明双歧杆菌EPS 具有较强的还原能力，但对羟基自由基和超氧阴离子自由基的50%清除浓度均低于抗坏血酸。副干酪乳杆菌EPS 对羟基自由基清除能力较好，能够显著地提高细胞超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性、总抗氧化能力并抑制丙二醛的生成。李艳等的研究中德氏乳杆菌QS306 所产的EPS 对DPPH 自由基的清除能力为47.20%，羟基的清除能力为80.30%。邵春各的研究表明，植物乳杆菌KX041 EPS 对DPPH、ABTS 和羟基自由基都具有较强的清除活性，对超氧阴离子自由基具有一定的清除活性，同时用铁氰化钾换元法评价了EPS 的还原力，结果表明其具有一定的还原力。真菌的EPS 因其独特的物理学特性，广泛的应用于各种食品的增稠、稳定、乳化等。红曲霉菌为散囊菌目子囊菌属曲霉菌科真菌，是一种珍贵的药食两用真菌，具有杀菌、防腐、解毒、消食活血、健脾等功效。贾红倩等通过分离、纯化等得到其EPS 的三个组分，并且三个组分对DPPH和羟基自由基均有较高的清除能力，并在一定的浓度范围内EPS 对羟基自由基和DPPH的清除作用与浓度呈现正相关，除此之外，云芝SWFC8557 EPS的也同样具有出色的抗氧化能力。

大量的研究表明了益生菌EPS 具有作为天然抗氧化剂的潜力。但机体氧化应激的影响是多方面的，活性氧和自由基的过量产生会引起组织损伤、细胞癌变等问题，并且作用于NF-κB、p53等信号通路，影响细胞因子和生长因子的活性。EPS 的抗氧化能力也是多方面的，单纯的抗氧化指标测定并没有实际的应用价值，只有将其氧化应激所产生的表型特征与相关信号通路联系起来，了解EPS 抗氧化功能的深层机理，进而应用于实践。

2 抗肿瘤活性

癌症是由于某些原癌基因和抑癌基因的突变对DNA 造成不可挽回的损伤而导致的阻止生长的异常类型，其中某些细胞表现出不受控制的分裂，导致分裂细胞的数量逐渐增加。近些年关于癌症的研究逐渐深入，各种抗肿瘤药物的研发也如火如荼，但大部分药物都有利有弊，因此研制无毒害的新型抗肿瘤药物也十分重要，而EPS因其在对癌症的辅助治疗上具有安全性高、毒副作用小以及抑瘤效果好等优点有可能成为良好的抗肿瘤药物替代物。

目前已经有大量的研究表明EPS 对人骨肉瘤细胞U2OS、宫颈癌细胞Hela、人结肠癌细胞HCT116、非小细胞肺癌细胞A549细胞、人肝癌细胞Huh7.5细胞、人肺癌细胞H1299、H460、WI-38细胞、肠癌细胞HT-29等多种癌细胞都有抑制作用，并且多数EPS抑癌作用是通过调控细胞凋亡和细胞周期实现的。细胞凋亡受到胞内和胞外两种途径、多种细胞因子的调控，Yahya等研究表明海洋细菌的EPS MSA1能够抑制抗凋亡基因BCL-2 的表达，促进Caspase-8、p53、TNFα、TLR-2等多种促凋亡因子的表达，同时MSA1能够上调促凋亡蛋白BAD、BAX、BID 和BIM 的表达并且下调抗凋亡蛋白家族BCL-2的表达。干酪乳杆菌（L.casei）SB27 所产的EPS 同样也通过激活Caspase-8 基因上调凋亡基因Bad和Bax的表达引起HT-29细胞的凋亡，并且引起HT-29细胞凋亡形态学改变。张将等发现植物乳杆菌EPS同样通过激活Caspase-8来抑制HT-29细胞增殖，从而达到治疗癌症的效果。EPS除了通过细胞凋亡水平发挥抗肿瘤作用，同时也可以通过调控细胞周期发挥抗肿瘤的作用，Gambus 等研究表明EPS通过将癌细胞的细胞周期阻止在G1-S期以及促进凋亡蛋白Caspase-3 的表达起到抑癌作用，当细胞遭受DNA 破坏时，PARP 被激活，它是Caspase-3的主要靶标，其激活可以介导细胞凋亡中潜在的蛋白水解，而EPS 的处理增加了Caspase-3 的表达和被切割的PARP比例，促进了癌细胞的凋亡。此外，You等研究也表明EPS 通过调控细胞周期和促进细胞凋亡而表现出对头颈部鳞状细胞癌细胞系的抗癌作用。

细胞凋亡作为一种程序性死亡不仅在癌症中扮演着重要的角色，同时在免疫调节、胚胎形成以及组织内稳态等方面都起着十分重要的作用。EPS 通过激活宿主细胞的凋亡反应从而达到预防和抑制肿瘤生长的作用，相比于创痛的抗癌药物，EPS 不直接杀死细胞，而是提升宿主自身的抗肿瘤水平，对一些关键组织和器官起保护作用。同时EPS 的抗肿瘤能力与其抗氧化水平之间也存在着一定的联系，但具体的机制仍需进一步的研究。虽然EPS 出色的抗肿瘤能力不是其能否在畜牧生产中应用的关键，但是对我们理解EPS在动物体内的作用机理是必不可少的。

3 抗炎活性

炎症广泛的存在于经济动物生长过程中，例如在猪生产中，因肠道炎症引起的仔猪腹泻对仔猪的存活率、生长速度、体质等都有影响。EPS 作为益生菌的代谢产物，在炎症反应中扮演着重要的角色。EPS主要通过调节炎症信号分子如促炎细胞因子[肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素（IL-2、IL-6）、抗炎细胞因子（IL-4、IL-10）]等来改变免疫系统的应答反应，从而起到抑制感染，预防和治疗炎症相关疾病。

EPS 与炎症相关的工作中主要以巨噬细胞等免疫细胞为载体进行研究，巨噬细胞是机体固有免疫系统的重要组成部分，广泛分布在各个组织与器官，具有吞噬、抗原呈递和分泌多种细胞因子的功能，在炎症、防御、修复、代谢等多个生理过程中起重要作用。黏膜乳杆菌DPC6426 的EPS 诱导鼠巨噬细胞中IL-6 表达量的增加，NO生成量呈剂量依赖性增加，同时在所有剂量水平下TNF-α分泌均增加，增强了巨噬细胞的免疫活性。植物乳杆菌JLK0142 的EPS 可以提高巨噬细胞的吞噬活性和NO 的分泌，并且高剂量的EPS 可以提高肠道免疫球蛋白A、IL-2、TNF-α的含量，另一株植物乳杆菌JLAU103 EPS 不仅能够促进IL-6、TNF-α、NO等适量表达，同时还抑制了IL-6、TNF-α、前列腺素E2和NO的过度表达，即EPS即可以适当促进炎症反应加快机体修复，也能防止免疫过度。长双歧杆菌35624™EPS 可以降低TLR-2 和IL-10 介导的呼吸道炎症小鼠模型中肺内嗜酸性粒细胞的募集，证明了EPS 可以缓解慢性嗜酸性粒细胞相关气道疾病。布氏乳杆菌TCP016 EPS抑制了血浆中肝酶和细胞因子的水平，增加了超氧化物歧化酶和谷胱甘肽的活性，并减少了体内细菌向肝脏和肠系膜淋巴结的易位，改善了脂多糖/d-半乳糖胺诱导的肝损伤。乳酸菌EPS116可以通过促进紧密连接蛋白表达调节转录因子STAT3信号通路，以此来调控肠道黏膜屏障调节能力进而减轻硫酸葡聚糖诱导的小鼠结肠炎症的程度。虽然目前对EPS 调节炎症活性的研究大多集中在免疫细胞中进行，但德氏乳酸杆菌TUA4408L 对非免疫细胞猪肠上皮细胞中的免疫调节活性的相关研究证明了EPS 能够通过减少病毒复制和调节炎症反应来提高猪肠上皮细胞对轮状病毒感染的抵抗力。这些研究表明了EPS 作为炎症调控因子具有相当复杂的作用机制以及广泛的应用前景。

益生菌的EPS 能够有效地抑制动物机体炎症的发生，并且EPS的抗炎能力与抗氧化水平之间也存在联系，两者之间具体以什么样的机制联系在一起也需进一步的探索。同时EPS 的益生作用对替抗工作意义重大，而且EPS 对动物机体无毒害作用，这也为EPS 在生产实践中的应用奠定了基础。虽然大量的研究也揭示了EPS在对抗炎症过程中的作用机制，但EPS 在实际应用中是否会产生其他的副作用我们仍未得知，除此之外，在对EPS 的功能探索中，针对猪、家禽、反刍动物等的研究并不多见，从小鼠模型以及人源细胞上的研究结果能否照搬至家畜仍需验证。

4 展望

随着全面禁抗工作的进行，寻找优秀的抗生素替代品刻不容缓。益生菌因其安全性高、无耐药性以及对宿主良好的益生效果被广泛关注。而EPS 作为益生菌的主要代谢产物之一，其具有出色的抗氧化、抗炎、抗肿瘤等功能，毒副作用小，而且相比于其他种类的多糖，益生菌产生的EPS 可以通过发酵生产：生产周期短，不受时间、空间等条件限制，因此具有广阔的发展前景和巨大的应用市场。但目前针对EPS 在大动物的研究相对较少，多数仍集中在肿瘤治疗、食品加工等方面，因此EPS在畜牧生产上的应用仍然需要大量的研究和论证。