甘蔗汁发酵产胞外多糖的代谢机制解析及其结构功能表征

本研究针对工业用胞外多糖(EPS)生产成本高、农业废弃物利用率低的问题，以甘蔗汁为廉价底物，采用Leuconostoc mesenteroides DRP105菌株发酵生产EPS。通过代谢组学分析揭示了蔗糖特异性利用向多样化碳代谢的转变机制，获得分子量6.46×105 Da的α-(1,6)/α-(1,3)葡聚糖，其具有优异的热稳定性、抗氧化性和乳化性，为农业副产品高值化利用提供了新策略。

　　

在食品工业和生物医学领域，胞外多糖(EPS)因其独特的流变特性和生物活性备受关注。然而传统EPS生产成本高昂，且大量农业副产品未被有效利用。甘蔗作为热带地区重要经济作物，其汁液富含蔗糖、矿物质等营养成分，是微生物发酵的理想底物。Leuconostoc mesenteroides等乳酸菌(LAB)作为公认安全(GRAS)菌株，能合成具有α-(1,6)和α-(1,3)糖苷键的葡聚糖类EPS，这类物质不仅可改善食品质构，还具有抗氧化、免疫调节等功能。

黑龙江高校的研究人员创新性地采用广西百色产甘蔗汁为发酵基质，通过L. mesenteroides DRP105菌株实现了42.63 mg/mL的EPS高产。研究团队系统解析了EPS的分子特征：采用凝胶渗透色谱(GPC)测定分子量为6.46×10⁵ Da，红外光谱(FT-IR)和核磁共振(NMR)证实其为纯葡萄糖单元构成的α型葡聚糖，扫描电镜(SEM)显示其具有多孔无定形结构。代谢组学分析揭示了发酵过程中从蔗糖主导代谢向多元碳源利用的转变规律，这种代谢重编程可能帮助菌株适应酸性环境并维持EPS持续合成。

主要技术方法：研究建立甘蔗汁发酵体系，采用紫外分光光度法检测EPS纯度，HPLC分析糖组成，GPC测定分子量，FT-IR和NMR解析结构，SEM观察形貌，差示扫描量热法(DSC)评估热稳定性，并通过DPPH自由基清除实验、金属螯合实验等评价生物活性。

研究结果：

1. Purity assessment of EPS：紫外光谱在200 nm处显示典型多糖吸收峰，260/280 nm无蛋白核酸特征峰，证实获得高纯度EPS。
2. Analysis of pH, colony number, and EPS content variations：发酵60小时达产峰，pH从3.94降至3.52，菌落数先增后稳，显示菌株良好环境适应性。
3. Conclusion：EPS具有片层多孔结构，热分解温度达286.7°C，DPPH清除率超80%，乳化指数为65.3%，显著优于商业阿拉伯胶。

该研究不仅阐明了L. mesenteroides在廉价底物中的代谢适应机制，更开发出兼具高产率与卓越功能特性的EPS生产工艺。所获EPS的抗氧化和乳化性能使其在功能性食品、化妆品等领域具有广阔应用前景，同时为农业副产品资源化提供了范例。研究获得黑龙江省高校基础科研业务费等项目支持，相关成果发表于《Food Quality and Preference》，为工业微生物发酵技术升级提供了重要参考。