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本文聚焦细菌胞外多糖（EPS），阐述其生物功能、合成途径及影响生产的因素。重点探讨以变质无花果和葡萄为底物生产 EPS 的优势，以及 EPS 在多领域的应用，为推动微生物生物技术发展、实现可持续生产提供参考。
引言
细菌胞外多糖（Exopolysaccharides，EPS）是微生物分泌到细胞外环境的高分子量糖聚合物，在医药、食品、化妆品、农业和环境管理等众多领域发挥着关键作用。与植物、动物或藻类来源的多糖不同，细菌 EPS 具有微生物生产迅速、适应多种条件和可遗传优化的独特优势，能实现规模化、不受季节影响的工业合成。不过，当前 EPS 生产主要依赖葡萄糖或蔗糖等昂贵且不可再生的底物，在经济和环境方面面临挑战。而农业废弃物，尤其是变质的无花果和葡萄，含有丰富糖分，是极具潜力的替代底物。利用它们生产 EPS，既能减少浪费、降低成本，又能增强环境可持续性，为微生物生物技术发展开辟新途径。
细菌 EPS 的生物学功能
细菌 EPS 除了在工业上有广泛应用，还承担着重要的生物学功能。它能保护细胞免受极端温度、高盐、干旱、紫外线辐射、pH 波动、渗透压力、吞噬作用以及抗生素和重金属等多种恶劣环境条件的侵害。在海洋和北极环境中，EPS 有助于微生物生存。
细菌 EPS 的生物合成
细菌 EPS 的生物合成涉及细胞内和细胞外过程，主要有依赖 Wzx/Wzy、ATP 结合盒（ATP-binding cassette，ABC）转运体、合酶的途径，以及由蔗糖酶蛋白介导的细胞外生物合成途径。
- Wzx/Wzy 依赖途径：该途径分三个主要阶段。首先是核苷酸糖合成，细胞摄取糖残基并转化为不同单体，单体随后附着到内膜的十一碳烯基磷酸载体上。接着，糖基转移酶添加更多糖单元形成重复结构。最后进行聚合和输出。
- ABC 转运体依赖途径：此途径对多种细胞表面聚糖和糖缀合物的形成至关重要，包括荚膜多糖、分枝杆菌阿拉伯半乳聚糖、O 抗原、糖基化 S 层蛋白和磷壁酸等。它参与合成同多糖（Homopolysaccharides，HoPs）和某些具有较短重复序列（核心结构中最多含三个糖单元）的杂多糖（Heteropolysaccharides，HePs）。
- 合酶依赖途径：该途径用于合成由单一类型糖单元组成的 HoPs，如纤维素和藻酸盐。在合成过程中，膜嵌入合酶和内膜转运体协同工作，组装 UDP - 葡萄糖单元，而负责细菌纤维素合成的操纵子具有高度变异性，且因物种而异。
- 蔗糖酶蛋白介导的细胞外生物合成：在细胞外，蔗糖酶将蔗糖分解为单体单元，随后糖基转移酶催化这些单糖单元聚合成支链多糖，如左旋糖酐和右旋糖酐。在益生菌中，葡聚糖蔗糖酶可分为交替聚糖蔗糖酶、右旋糖酐蔗糖酶、变聚糖蔗糖酶和罗伊氏蔗糖酶等不同类型，果聚糖蔗糖酶也有相应分类。
EPS 产生菌及其常见产物
EPS 产生菌分布于多种细菌类群。革兰氏阳性菌中，芽孢杆菌属（Bacillus）、类芽孢杆菌属（Paenibacillus）和乳杆菌属（Lactobacillus）属于芽孢杆菌纲；葡萄球菌属（Sarcina）属于梭菌纲；双歧杆菌属（Bifidobacterium）和红球菌属（Rhodococcus）属于放线菌纲。革兰氏阴性菌中，醋杆菌属（Acetobacter）、葡糖杆菌属（Gluconobacter）、葡糖酸醋杆菌属（Gluconacetobacter）、科玛嘉氏菌属（Komagataeibacter）、科扎基亚属（Kozakia）、新亚细亚菌属（Neoasaia）、农杆菌属（Agrobacterium）、根瘤菌属（Rhizobium）和发酵单胞菌属（Zymomonas）属于 α - 变形菌纲。
多糖的化学结构
多糖是自然界中含量最丰富的碳水化合物，由通过糖苷键连接的单糖单元组成，这些单元还可与脂质、肽和氨基酸等其他结构相连。HoPs 由相同的单糖组成，而 HePs 含有多种单糖。多糖中最常见的单糖是 D - 葡萄糖，此外，L - 阿拉伯糖、D - 甘露糖、D - 半乳糖等也较为常见。
影响细菌 EPS 生产的因素
实验室分离 EPS 通常需要细菌经历较长的培养期，达到稳定期时 EPS 产量最高。但要注意，细菌产生代谢产物的最佳条件与细菌生长的最佳条件可能不同。研究主要集中在确定影响 EPS 生产的关键因素。
- 碳源的影响：培养基中的碳源对 EPS 的质量和产量都有显著影响。不同细菌菌株对特定糖底物有偏好，导致 EPS 产量有所差异。例如，干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）CRL87 在半乳糖培养基中培养时产生的 EPS 比在葡萄糖培养基中更多；乳酸乳球菌乳脂亚种（Lactococcus lactis subsp. cremoris）NIZO B40 在葡萄糖培养基中的 EPS 产量高于果糖培养基。
- 氮源的影响：氮源对细菌 EPS 的生产和优化至关重要。优化细菌培养基中的氮利用对提高产量十分关键，氮源平衡可促进 EPS 生产，而过量氮则可能产生负面影响，因此需要优化培养基中的含氮化合物以获得较高的 EPS 产量。培养基中存在多种氮衍生物，如铵盐等。
- pH 和温度变化的影响：细菌生长的最适温度和 pH 不一定是其产生最高 EPS 产量的条件。例如，汉逊葡糖杆菌（Gluconobacter hansenii）在 30°C 和 pH 4 时生长最佳，但在温度低于 30°C 和 pH 5 时 EPS 产量最高。
葡萄
埃及的葡萄产业每年出口额约 2.9 亿美元，但由于采后基础设施不完善，葡萄的 spoilage 率高达 30%。研究发现，将这些废弃葡萄用于生产 EPS，产量可达 4.8 - 6.2 g/L，与基于葡萄糖的培养基相比，原材料成本降低了 40 - 60%。葡萄是埃及的主要水果作物，种植范围从北部的亚历山大延伸到南部的阿斯旺。
无花果
无花果是桑科小树的可食用果实，自公元前 3000 - 2000 年起就在东地中海地区种植，如今在全球广泛种植，兼具食用和观赏价值。2019 年，全球无花果收获面积达 286,197 公顷，产量为 1,315,588 吨，相比上一年增长了 6.9%，过去十年增长了 13.1%。2019 年，土耳其的无花果产量居全球首位，达 310,000 吨，收获面积为 52,116 公顷。
利用变质无花果和葡萄作为产 EPS 细菌的培养基
随着对可持续和经济高效生物技术过程需求的增加，研究人员开始探索用于微生物培养的非常规底物。变质的无花果（Ficus carica）和葡萄（Vitis vinifera）是丰富且营养丰富的资源，常被当作废弃物丢弃。这些水果变质时会经历自然发酵过程，为微生物生长创造有利环境。
变质无花果和葡萄的营养成分
无花果和葡萄富含碳水化合物，尤其是葡萄糖、果糖和蔗糖，这些是细菌生长的主要碳源。新鲜无花果含糖量约为 19%（按重量计算），葡萄含糖量约为 15 - 20%（因品种而异）。水果变质时，酵母和乳酸菌等微生物的活动会将部分糖分解为乙醇、乳酸和醋酸等更简单的化合物，这种发酵过程进一步改变了水果的成分。
细菌 EPS 的应用
细菌 EPS 在多个领域都有广泛应用。
- 黄原胶：野油菜黄单胞菌（Xanthomonas campestris）分泌的黄原胶，因其独特的流变学特性，在食品工业中应用广泛。即使在低浓度下，黄原胶溶液也具有高粘度，且在较宽的温度和 pH 范围内都很稳定，是高效的增稠剂。
- 药物递送：水凝胶是由亲水性聚合物组成的三维网络，能吸收和保持大量水分。因其生物相容性、可调节性质以及调节和维持治疗剂释放的能力，在药物递送系统中备受重视。例如，从褐藻中提取的藻酸盐常用于制备水凝胶，以实现药物的控释。
- 透明质酸：透明质酸是人体结缔组织中的天然物质，以其卓越的保湿性能而闻名，是许多护肤品的主要成分。它能吸收自身重量 1000 倍的水分，是强大的保湿剂，有助于维持皮肤水分，减少细纹。
- 土壤改良剂（保水）：土壤微生物产生的 EPS 能将土壤颗粒结合在一起，形成稳定的团聚体，改善土壤孔隙度和通气性，便于根系穿透，增强水分渗透和保持能力。EPS 的亲水性使其能保留大量水分，在干旱和半干旱地区对土壤保水意义重大，有助于提高土壤健康水平。
- 石油开采：在一次和二次采油技术耗尽后，会采用强化采油（Enhanced Oil Recovery，EOR）方法。EPS 在化学 EOR 过程中至关重要，它可提高注入流体的粘度，改善驱油效果，提高石油采收率。例如，将黄原胶注入油藏，可增加注水时水的粘度，从而推动被困原油流动。
- 重金属去除和废水处理：微生物产生的胞外聚合物（EPS）在环境修复中发挥关键作用，其具有多种结合和吸附特性。EPS 通过螯合、沉淀和离子交换等过程与金属离子形成稳定的复合物，凭借其高表面积和多孔结构增强金属结合能力。这一能力源于生物吸附，EPS 中的羧基、羟基和硫酸根等功能基团在其中发挥重要作用。
结论
细菌胞外多糖（EPS）是微生物学、生物技术和工业创新的重要结合点。这些高分子量聚合物具有多样的功能特性，在微生物抵御环境压力、形成生物膜以及调节宿主 - 病原体相互作用等方面发挥着关键作用。其结构的多样性和适应性使其在众多行业得到广泛应用。未来研究应聚焦于发现新型细菌菌株、阐明结构 - 功能关系以及优化可持续生产方法。同时，解决监管和安全问题对于充分发挥 EPS 在各行业的潜力至关重要。利用水果废弃物作为底物生产 EPS，使生产更具成本效益且环保，有助于推动全球可持续发展，促进循环经济原则的落实。
