综述：工程化微生物胞外多糖在食品中的应用

这篇综述系统探讨了微生物胞外多糖（EPS）在食品领域的应用潜力与工程化策略，重点解析了通过酶工程（如蔗糖酶/合酶改造）、合成生物学手段优化同多糖（HoPS）和杂多糖（HePS）生产的技术路径，并展望了其在食品增稠剂、可降解包装及3D打印等新兴场景的应用前景。

　　

引言

微生物胞外多糖（EPS）作为天然生物聚合物，在食品工业中已有半个多世纪的应用历史。目前仅有黄原胶（xanthan）、结冷胶（gellan）、可得然胶（curdlan）和普鲁兰多糖（pullulan）等少数EPS获得FDA和EFSA的食品添加剂认证（E415、E418等）。这些水溶性胶体凭借增稠、凝胶、乳化等特性广泛应用于食品体系，但其商业化仍面临法规和成本的双重壁垒。近年来，EPS在可降解包装、食用薄膜等间接食品应用领域展现出更大潜力，而分子改造技术的进步为定制化EPS生产提供了新机遇。

食品应用潜力突出的EPS

安全性与来源优势

产自乳酸菌（LAB）和醋酸菌（如Kozakia baliensis）的EPS因菌株本身具有GRAS（公认安全）认证而备受关注。例如K. baliensis产生的类黄原胶多糖"kozan"产量可达7 g/L，其乙酰化/丙酮酸化修饰模式可能优于传统黄原胶。非致病性土壤细菌Paenibacillus polymyxa分泌的paenan（含三种亚型）则表现出优异的成膜特性。

高产同多糖的工程化突破

右旋糖酐（dextran）和果聚糖（levan）作为典型HoPS，其产量可达63-214.9 g/L。通过截短蔗糖酶N端可变域、构建双功能融合酶（如蔗糖酶-葡聚糖酶）等策略，已实现分子量（Mw）和分支度的精准调控。例如Ligilactobacillus animalis的截短蔗糖酶使右旋糖酐产量提升4.9倍，而温度敏感型融合酶可定向合成1000-2000 Da的低聚糖。

细菌纤维素与藻酸盐的替代价值

与植物来源相比，Komagataeibacter属细菌产生的纤维素具有更均一的孔隙率和更高分子量。通过表达外源UDP-GlcNAc合成途径，已成功制备几丁质-纤维素共聚物。假单胞菌藻酸盐的甘露糖醛酸（M）/古洛糖醛酸（G）比例和乙酰化修饰可通过C5差向异构酶进行定制，这对可食用涂层的机械性能调控至关重要。

EPS的工程化策略

蔗糖酶依赖途径改造

在右旋糖酐工程中，通过引入二硫键（如A结构域双突变）使酶热稳定性提升280%，同时改变产物分支模式。果聚糖的分子量调控则依赖于环3/4区氨基酸替换，或与自组装结构域融合表达。

合酶依赖途径优化

细菌纤维素的功能化通过纤维素结合域（CBD）与生物膜蛋白BslA的融合实现，其机械强度显著增强。CRISPRi调控galU基因可改变UDP-葡萄糖水平，从而调控纤维素结晶度。藻酸盐的G嵌段长度则可通过嵌合差向异构酶设计进行编程。

Wzx/Wzy依赖途径挑战

杂多糖的复杂组装机制（涉及5-8个单糖的重复单元）使其工程化尤为困难。目前主要通过GT糖基转移酶敲除改变侧链修饰（如黄原胶丙酮酸基缺失），或异源表达整个基因簇（如将X. campestris的gum簇转入Sphingomonas）。近期研究发现P. polymyxa的35 kb EPS基因簇实际编码三种独立聚合物，通过CRISPR-Cas系统可实现单一组分生产。

结论与展望

尽管微生物EPS在食品创新中潜力巨大，其发展仍受限于杂多糖结构-功能关系的认知缺口。未来需结合合成生物学（如GT糖基转移酶底物特异性改造）、先进分析技术（高通量多糖表征）和计算工具（酶分子动力学模拟），突破异源乙酰化/丙酮酸化修饰、侧链精准延长等关键技术瓶颈。随着3D食品打印等新兴技术的普及，定制化EPS或将开启食品工业的"分子设计"新时代。