微生物多糖在酸奶中的應用研究進展

孫慶申，許艷玲，馬華美，李夢洋

（1.黑龍江大學農業微生物技術教育部工程研究中心，黑龍江 哈爾濱 150500；2.黑龍江大學生命科學學院黑龍江省普通高等學校微生物重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學生命科學學院黑龍江省普通高等學校分子生物學重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080）

多糖是由不少于10個單糖分子經過失水縮合、由糖苷鍵以特定連接方式拼接而成的復雜生物大分子。多糖的分布十分廣泛，遍布于動物、植物、微生物中，而且這些多糖因其獨特的結構及修飾方式而具有不同的功能特性，且安全性好[1]。近年來，隨著提取工藝、結構修飾及功能評價手段的日益完善，特別是伴隨著大健康產業的發展，越來越多的人開始重視多糖功效方面的研究。與動物多糖和植物多糖相比，微生物多糖在食品、醫藥等領域的研究及應用更為廣泛。

酸奶作為一種口感鮮美，營養全面的功能性飲品已經成為世界上最受歡迎的發酵乳制品之一。研究發現，不同類型的多糖添加到酸奶后對酸奶營養、質地等方面具有重要的影響[2]。為了深入開發微生物多糖強化酸奶產品，本文首先闡述了添加到酸奶中具有代表性的微生物多糖，然后就微生物多糖加入酸奶后對酸奶品質和功能的影響進行了系統闡述。

1 微生物多糖的來源、分類、結構及功能特性

1.1 來源及分類

微生物多糖是自然界中的細菌、酵母等在代謝過程中產生的一類多糖，具有其它多糖所不具備的優勢，即它們生產周期短，在空間上不受季節、地域等條件的制約。乳酸菌胞外多糖（extracellular polysaccharide，EPS）是乳酸菌在生長代謝過程中分泌的一種糖類化合物，根據化學組成，可以分為同型多糖和異型多糖。EPS的分子量、糖苷鍵連接類型、化學基團、結構單元和單糖組成等因素是影響其功能的關鍵[3]。酵母多糖（yeast polysaccharide，YPS）是從酵母細胞中提取出來的功能性復合多糖，葡聚糖和甘露聚糖是其主要活性形式[4]。而真菌多糖（如食用菌多糖）則是從真菌子實體、菌絲體或其發酵液中分離得到的一類生物活性良好的高分子碳水化合物[5]。

根據多糖在微生物細胞中的存在位置，微生物多糖可分為EPS、胞壁多糖和胞內多糖。胞壁多糖多是微生物細胞的骨架成分，如肽聚糖；胞內多糖是微生物細胞代謝產生的，是存在于胞漿或者細胞器內的多糖成分；EPS則是細胞代謝過程產生并分泌到細胞外的多糖，這部分多糖可黏附于細胞表面，保護微生物細胞，也可以分泌到細胞培養基質中。

1.2 結構及功能特性

多糖具有螺旋狀的立體構型，主鏈是由β-D糖苷鍵連接的葡萄糖基組成的[6]。多糖結構包括兩種類型：初級結構（一級結構）和高級結構（二、三、四級結構）。真菌多糖的一級結構主鏈是同型多糖，一種是葡聚糖以β（1→3）糖苷鍵連接為主，兼有少量的 β（1→4）或β（1→6）糖苷鍵連接，云芝多糖等屬于這種結構；另一種是以α-糖苷鍵連接的甘露聚糖為主鏈，銀耳多糖、黑木耳多糖和靈芝多糖是這種連接方式。多糖的二級結構是指單糖通過糖苷鍵連接而成的聚合體，與側鏈的空間排布沒有關系。多糖通過鏈的連接以及各種基團間相互作用構成了多糖鏈的三級結構。多糖的四級結構是指多聚鏈間非共價鍵結合形成的聚合體[7]。乳酸菌多糖具體劃分為同型多糖和異型多糖兩大類[8]。同型EPS分為α-D-葡聚糖、β-D-葡聚糖、果聚糖、半乳聚糖4種類型。在乳酸菌同型EPS中右旋糖酐較為典型，它的主鏈由α-D-吡喃型葡萄糖基（1→6）、α-D-吡喃型葡萄糖基（1→3）連接而成，異型多糖的結構與主鏈相比更具有多樣性[9]。在酵母細胞壁多糖中外層為甘露糖和蛋白質形成的復合物，中間層為β-（1，3）、β-（1，6）葡聚糖，內層為幾丁質[10]。

近年來乳酸菌EPS已經成為乳酸菌資源開發利用的熱點問題。研究發現，某些乳酸菌分泌的EPS具有較強的自由基清除能力、亞鐵離子螯合能力和氧自由基吸收平衡能力[11]，目前已有研究表明，乳酸菌EPS具有抗腫瘤[12]、調節免疫力[13]、保護益生菌[14]等多種生物活性。

真菌多糖結構中的醇羥基可以延緩脂質過氧化、清除自由基，也能起到抗皮膚衰老的效果。在食用菌多糖中，β-葡聚糖已被認為是食用菌中主要的活性成分，富含β-葡聚糖的多糖普遍具有可以抑制腫瘤蛋白酶活性的特點[15]。

2 微生物多糖在酸奶中的作用

2.1 發揮益生元作用

益生元作為一種膳食補充劑，可以通過胃、小腸到達結腸，選擇性地刺激結腸中細菌的生長，使腸道微生態朝有利于宿主健康方向轉變[16]。β-葡聚糖已經被歸類為多糖類益生元[17]。在研究過程中也發現其它一些微生物多糖具備潛在的益生元活性，且能影響酸奶的活菌數。酸奶中的益生元到達腸道中，可以調節微生態平衡，增強免疫系統功能，促進嬰兒的健康[18]。

EPS在保護細胞活性方面發揮了重要作用[19]。雙歧桿菌INIA P132和雙歧桿菌INIA P731接種牛乳發酵成酸奶后，發現其產生的多糖在低溫儲藏時可保護菌種使其存活，并且接種雙歧桿菌INIA P132的酸奶表現出更好的穩定性[20]。給小鼠灌胃含發酵乳桿菌Lf2EPS的酸奶后，其糞便樣本中總短鏈脂肪酸含量顯著升高，雙歧桿菌屬豐度也隨時間的推移而逐漸增加，這表明EPS和益生菌株在調節腸道微生態方面具有協同作用，該研究為開發一種具有合生元特性的功能性酸奶提供了技術可行性[21]。

食用菌多糖方面，李廣富等[22]將茶新菇、真姬菇中的多糖添加到酸奶中，研制了兩種食用菌多糖功能性酸奶，結果發現，茶新菇多糖和真姬菇多糖均可與酸奶發揮協同作用，有效延緩D-半乳糖致衰老模型小鼠的皮膚衰老進程，且存在劑量效應關系。香菇與乳酸菌可以產生共生作用，在某些酶的作用下香菇產生了乳酸菌可利用的單糖，促進了乳酸菌的增殖，起到益生元的效果[23]。將香菇多糖和保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌聯合制備香菇多糖酸奶，在一定濃度范圍內，香菇多糖促進兩株菌種生長，當高于某一濃度時，這種促進作用則會降低[24]。從香菇廢料中提取的多糖加入到酸奶中后，嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌和長雙歧桿菌在酸奶冷藏期間的存活率也得到了提高，保持在107CFU/mL以上，并且在模擬胃液和膽汁條件下，這些益生菌也受到了顯著的保護作用，達到了有益宿主健康的效果[25]。金針菇多糖[26]、銀耳多糖[27]也都制成了多糖酸奶。此外，由于低pH值、貯藏過程中的低溫、營養物質缺乏等因素往往導致酸奶中益生菌的活力降低，β-葡聚糖作為益生元可以減少這些壓力因素，在低溫保存時對酸奶中雙歧桿菌具有保護作用[28]。因此，食用菌多糖在酸奶中作為益生元具有良好的開發前景。

本文基于系統涌現理論構建企業價值共創體系價值創造能力評價指標體系和評價模型，并據此對我國膜企業價值共創體系的價值創造能力的綜合評價值和主因子評價值進行分析和計算。主要結論如下：

2.2 改善酸奶質地

酸奶的質地包括黏度、酸度、持水力和流變學特性等方面，口感也是評價酸奶好壞的一個重要指標。在保證酸奶品質的前提下，有資料記載多糖可以改善酸奶質地，人們將不同來源的多糖添加到酸奶后對功能性酸奶品質的影響進行了大量研究[29]。乳酸菌可分泌黏性EPS，在應用于酸奶中時可顯著改善其特定的質構和風味特性。

酸奶流變學的研究主要集中在酸奶的黏度和持水力等方面，EPS有助于提高酸奶的黏度和質地。研究發現，多糖在酸奶發酵產生凝膠的過程中會與乳中的酪蛋白分子相互作用，促進了酪蛋白之間的相互聚集，酪蛋白膠束結構的改變使酪蛋白膠束的酸凝膠行為有了顯著的改善，從而提高其黏度和黏聚力。葡聚糖由于顆粒尺寸較大，加入希臘酸奶后，具有更強的黏性而流動性較差，該結果也被證明是開發希臘酸奶的一種切實有效的技術選擇[30]。從泡菜中分離出的一株菌株，該菌株發酵酸奶產生的EPS可增加酸奶的黏度[31]，從發酵乳桿菌黏液中產生的EPS也增加了酸奶的黏度等流變特性[32]。發酵劑EPS原位生產水平及其構象特征取決于很多因素，包括EPS結構中糖苷鍵的可獲得性、EPS產生的復雜遺傳機制、培養溫度和時間、養分可獲得性、單糖組成、連接類型、側鏈、分子量、與酪蛋白的相互作用等，研究顯示EPS的原位生產在酸奶、奶酪等多種乳制品的生產中發揮著重要作用[33]。

有研究分別在酸奶里添加了黃綠蜜環菌胞外硒多糖、松茸多糖和人參多糖并對多糖酸奶的持水力進行了分析，發現黃綠蜜環菌胞外硒多糖添加量為0.04%時酸奶持水力最好，0.04%的松茸多糖可提高酸奶持水力并改變酸奶組織性狀，但人參多糖對酸奶持水力的影響并不明顯。酸奶的保水性受總固形物和總蛋白含量的影響，而人參多糖的添加量很少，酸奶的總固形物含量和蛋白含量變化微弱，所以持水力變化不大[34-36]。

一些酸奶中脂肪含量較低，容易出現乳清析出、穩定性不佳等問題。乳酸菌產生的EPS可以使酸奶的穩定性顯著提升，緩解了乳清析出的情況，使酸奶有更好的口感。毛木耳多糖能夠顯著改善酸奶質構，使產酸量增加，當發酵劑添加量0.6%、發酵溫度42℃、發酵時間10 h、多糖添加量為0.4%時質地最佳[37]。李偉欣等[38]評估了雙歧桿菌22-5 EPS對酸奶質構的影響，結果顯示，當添加量為12.0 g/L時，其EPS對酸奶作用最為明顯，酸奶黏度增加、pH值降低、酸度升高。

在松茸多糖酸奶[35]以及乳酸菌EPS酸奶[39]的制備過程中，一定濃度的多糖會使最終酸奶的硬度和黏稠性變得良好，并且在整個過程中，多糖與酪蛋白相互作用力的類型在不同階段是動態變化的，主要從靜電作用（初始階段）到疏水或氫鍵作用（中期）再到靜電作用（后期）[35，39]。

此外，滑菇多糖添加到酸奶中可作為一種天然穩定劑和功能性添加劑，使得酸奶品質得到改善，貨架期延長且發酵乳風味、質地、黏度、色澤和口感都優于未添加多糖對照組[40]。不同多糖對發酵乳產酸速率及后酸化也有影響，甘南藏族傳統發酵乳中高產EPS可抑制酸奶的酸度上升，延緩后酸化過程[41]。產生EPS的雙歧桿菌YS108R在發酵過程中改善了酸奶的理化特性，包括降低乳清脫水收縮力，增加保水能力（water holding capacity，WHC）和表觀黏度。此外，有研究表明，黏度與乳清的協同作用和WHC顯著相關[42]。綜上，多糖的添加都會不同程度地提高酸奶的品質。

2.3 抗氧化活性

正常細胞代謝過程中產生的自由基會導致脂質過氧化，破壞膜蛋白，改變細胞膜通透性，導致細胞失活和免疫系統受損。多糖的抗氧化作用機制主要是通過內源性抗氧化應激通路（Nrf2-ARE通路），調節編碼下游抗氧化酶基因的表達。這些抗氧化酶能夠阻斷自由基鏈式反應，從而減少自由基的生成，消除過多自由基，從根源上防治疾病的產生[43]。研究顯示，相同來源的多糖組分、分子量不同，抗氧化活性也會不同[44]。多糖具有很強的抗氧化活性，因此具有作為抗氧化劑的潛力。

對茶樹菇多糖益生菌酸奶進行體外抗氧化活性試驗和D-半乳糖致衰老模型小鼠的衰老效果實驗，結果都表明其抗氧化活性明顯高于普通酸奶，且與茶樹菇多糖添加量呈正相關[45]。一些EPS，如瑞士乳桿菌MB2-1莢膜多糖[46]、植物乳桿菌酸性EPS[47]，在酸奶中都發揮了良好的抗氧化活性，延長了酸奶保質期且改善了酸奶的質地。這些結果都顯示出EPS具有作為天然抗氧化劑的巨大潛力，它們主要通過清除自由基、促進抗氧化酶活性而表現出抗氧化活性。

2.4 免疫調節活性

一些多糖被很多國家認為是先天免疫調節分子，它們在促進哺乳動物長壽方面起著重要的作用。多糖具有免疫調節活力，被認為是由于它們能夠激活巨噬細胞、T淋巴細胞、B淋巴細胞、自然殺傷性細胞（natural killer cell，NK）等免疫細胞，且通過促進細胞因子生成等各種途徑調節免疫功能[48]。

植物乳桿菌RS20D分泌的總EPS可刺激巨噬細胞RAW264.7顯著釋放NO，并在mRNA水平上上調促炎細胞因子的基因表達。目前的研究表明，植物乳桿菌RS20D可能是具有免疫調節活性的多糖的一個潛在來源，并可能作為一種功能性發酵劑用于改善酸奶質地[49]。含有菌株1073R-1的發酵酸奶具有增強免疫力、抗流感病毒作用，該菌株產生的黃芪多糖是其中的活性成分之一[50]。最近的研究表明，益生菌產生的EPS能夠調節全身和黏膜的免疫反應，對健康有促進作用[51]。從蘑菇子實體中提取的β-葡聚糖對免疫系統的刺激有助于識別入侵的病原體，對巨噬細胞有刺激作用，可用于功能性免疫酸奶的研制[47]。

2.5 其它作用

除上述多糖添加到酸奶中所體現的一些功能活性外，產EPS的乳酸菌和雙歧桿菌具有從酸奶中去除黃曲霉毒素的潛力。利用這一現象去除受污染食品和飼料中的霉菌毒素，是提高食品和飼料安全的迫切需要[52]。嗜熱鏈球菌所產鼠曲糖-葡萄糖多糖能夠參與解毒過程[53]，香菇中β-葡聚糖以酸奶為載體可通過調節胃腸道發生氧化應激抑制結腸炎性細胞因子的分泌，激活白細胞，轉移和抑制腫瘤生長[54]。金針菇多糖的發酵行為和消化率試驗表明其在胃腸唾液中不會被降解且促進有益腸道菌群的生長，這一發現為金針菇多糖體外消化的研究提供了新的思路，也可用于其它多糖的研究[55]。灰樹花是一種白色腐木真菌，其多糖可用于降壓，有應用于功能性酸奶中的潛力[56]。蛹蟲草多糖酸奶對酒精性肝損傷有協同保護作用[57]。除了上述介紹的典型微生物多糖種類外，目前越來越多的微生物多糖被應用到食品領域，甚至添加到酸奶中。結冷膠耐酸堿，制成的凝膠不隨pH值改變，可在酸奶中充當穩定劑，提高酸奶在貯藏過程中的持水力[58]；短梗霉多糖在酸奶中加入后，產品的滑潤性得到提高，產品具有更好的風味和口感[59]。由此可見，以微生物多糖作為強化酸奶成分的研究及開發工作正在興起中。

3 微生物多糖功能性酸奶產品展望

近年來，我國關于功能性酸奶的研究在不斷地深入。微生物多糖的安全性、抗氧化性、免疫性、益生性等特性使其成為一種天然成分被添加到酸奶中，關于多糖強化酸奶的研發和應用已經取得了很大的進展[2，49，60-62]。近幾年的文獻研究了微生物多糖對酸奶本身感官和質地的改善，對于產品功能活性的體現上目前也有一些發現，比如抗氧化活性、延緩衰老、保護益生菌、提高免疫抗炎活性，但是關于它的功效機制理解尚淺。在后續研究中，應加強對具有特殊生物活性的多糖酸奶產品的開發與利用，進一步在多糖篩選、構效關系、起效機制、加工復配等方面深入探索，相信在不遠的將來，多糖類酸奶必將在功能性發酵乳制品領域發揮出更為重要的作用。