嗜极微生物Janibacter limosus产生的新型胞外多糖的理化与功能表征

《Microorganisms》：Physicochemical and Functional Characterization of a Novel Extremophilic Exopolysaccharide Produced by Janibacter limosus

　　

极端环境微生物产生的嗜极胞外多糖（exopolysaccharides, EPSs）具有多功能性和特异性，与食品、制药和环境应用相关。本研究报道了分离自第勒尼安海的海洋放线菌Janibacter limosus分泌的一种新型胞外多糖（JlEPS）的理化特征。研究人员对该生物聚合物进行了分子质量、单糖组成、官能团、流变学和热行为表征。JlEPS被鉴定为由八种单糖组成的酸性杂多糖。中性和酸性糖占主导，其中葡萄糖（36.60 ± 0.46 mol%）、鼠李糖（23.62 ± 0.15 mol%）和半乳糖醛酸（16.54 ± 0.18 mol%）。还检测到氨基糖，包括半乳糖胺（8.70 ± 0.01 mol%）和葡萄糖胺（4.00 ± 0.10 mol%）。阿拉伯糖（7.8 ± 0.76 mol%）、半乳糖（1.35 ± 0.01 mol%）和岩藻糖（1.42 ± 0.06 mol%）为少量成分。该生物聚合物的平均分子量（Mw）为1.60 × 10⁶ Da，多分散指数为1.022，表明其群体相对均一。FT-IR表明存在糖醛酸和糖苷键，TGA证明其稳定性可达250 °C。JlEPS溶液表现为假塑性流体，其流动曲线采用Carreau模型拟合（R² = 0.96–0.99）。零剪切粘度从0.5%时的0.542 ± 0.187 Pa·s增加到(5.01 ± 0.91) × 10⁴ Pa·s，而流动指数从0.368 ± 0.032降至0.100 ± 0.028，证实了强假塑性行为及广泛的分子缠结。JlEPS是一种组成明确且高粘度的复合物，支持其多种应用潜力。

本文发表于《Microorganisms》，针对海洋稀有放线菌胞外多糖（exopolysaccharide, EPS）研究不足的问题，首次系统表征了第勒尼安海来源的Janibacter limosus所产新型EPS（JlEPS）的理化性质。研究人员通过补料分批发酵获得JlEPS，综合运用单糖组成分析、元素分析、分子量测定、FT-IR、TGA和流变学等手段，揭示了其酸性杂多糖结构、高分子量、低分散性、优异热稳定性及强剪切变稀流变行为。该研究填补了Janibacter属EPS表征空白，为理解极端微生物多糖构效关系提供了新框架。

研究背景显示，微生物EPS因结构多样性和功能特性在食品、制药及环境领域备受关注。海洋放线菌适应高盐、贫营养等极端环境，可能产生结构罕见且热稳定性增强的EPS。然而，多数稀有海洋放线菌的产EPS能力尚未开发。J. limosus虽被报道为第勒尼安海优势可培养放线菌，但此前无EPS相关表征。因此，研究人员针对该菌株开展研究，旨在解析其EPS的化学组成、分子尺度特征及宏观物性，评估其应用潜力。

主要研究方法方面，研究人员从意大利第勒尼安海沉积物中分离的J. limosus CS 621012（GenBank登录号KT265291）以葡萄糖为碳源，在3 L生物反应器中补料分批培养后，经超滤（100 kDa截留）纯化冻干得JlEPS。关键技术包括：采用高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测（HPAEC-PAD）分析单糖组成；采用元素分析仪测定C、H、N、S含量；采用凝胶渗透色谱-尺寸排阻色谱（GPC-SEC）测定分子量及分布；采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）鉴定官能团；采用热重分析（TGA）评估热稳定性；采用流变仪测定不同浓度（0.5、1、3、5 wt%）溶液的流变曲线，并用Carreau模型拟合。

研究结果部分，3.1 JlEPS的产生：通过补料分批培养，J. limosus在5天内生物量最高达50.7 ± 0.37 g L^?1（117 h），EPS产量在95 h达到峰值1.83 ± 0.01 g L^?1，平均体积生产力约0.019 g L^?1 h^?1。结果表明JlEPS主要在指数生长期分泌，与多数嗜盐菌产EPS规律一致。3.2.1 单糖组成：HPAEC-PAD分析显示JlEPS由八种单糖组成，葡萄糖（36.60 ± 0.46 mol%）、鼠李糖（23.62 ± 0.15 mol%）和半乳糖醛酸（16.54 ± 0.18 mol%）为主要组分，同时含有半乳糖胺（8.70 ± 0.01 mol%）、葡萄糖胺（4.00 ± 0.10 mol%）等氨基糖，以及少量阿拉伯糖、半乳糖和岩藻糖。该组成赋予JlEPS明显多阴离子特征，与乳酸菌及土壤放线菌产生的中性EPS显著不同。3.2.2 元素组成：元素分析测得C、H、N、S含量分别为33.91 ± 1.12 wt%、5.56 ± 0.28 wt%、5.39 ± 0.87 wt%、0.32 ± 0.20 wt%。硫含量极低表明硫酸酯基团可忽略，阴离子性主要源于糖醛酸；氮含量高于纯多糖理论值，提示回收胞外部分存在共纯化含氮成分。3.2.3 分子量分布：GPC-SEC测得JlEPS的Mw为1.60 × 10⁶ ± 0.04 Da，Mn为1.57 × 10⁶ ± 0.06 Da，PDI为1.02 ± 0.01，表明分子群体高度均一。其分子量处于放线菌EPS报道范围上限，高于多数海洋细菌EPS。3.2.4 官能团分析：FT-IR光谱显示3273 cm^?1处宽峰（O-H伸缩）、2956–2850 cm^?1（C-H伸缩）、1635 cm^?1（C=O）、1544 cm^?1（N-H变形）、1042 cm^?1（C-O/C-C）等特征吸收，证实多糖骨架、羧基和氨基糖存在，并提示含有β-糖苷键。3.2.5 热性质：TGA显示两阶段失重，35–140 °C失重13%对应结合水释放，200–757 °C失重67.3%对应多糖骨架分解。JlEPS在约250 °C内保持稳定，热稳定性优于部分已报道放线菌EPS。3.2.6 流变学性质：JlEPS溶液在0.5–5 wt%浓度范围内呈剪切变稀行为，零剪切粘度从0.542 ± 0.187 Pa·s增至(5.01 ± 0.91) × 10⁴ Pa·s，流动指数n从0.368 ± 0.032降至0.100 ± 0.028，Carreau模型拟合良好（R² = 0.965–0.999）。高浓度下强分子缠结和网络结构解释了其显著增稠效率。

讨论部分指出，JlEPS的组成特征（高糖醛酸、氨基糖）和巨大分子量共同支撑其独特流变和热性能。其粘度远超多种已知微生物EPS（如Pseudomonas stutzeri AS22和Lactobacillus rhamnosus E/N），且热稳定性与多种海洋细菌EPS相当。氮含量异常提示多糖-蛋白质复合物形成，这符合细胞外聚合物基质的组织特性，但不影响主体结构归属。综上，JlEPS代表一种结构新颖、功能可期的新型放线菌EPS，为进一步的精细结构解析和构效关系研究提供了基础。研究结论翻译如下：本研究报道了Janibacter limosus产生的一种未描述过的EPS的表征，明确了其主要组成和理化特性。单糖分析揭示了一种由葡萄糖、鼠李糖和半乳糖醛酸为主的非均质酸性聚合物，表明其为结构复杂的杂多糖。FT-IR证实了多糖骨架的官能团，包括羟基、羧基和糖苷键。分子量分析显示高Mw（约1.6 × 10⁶ Da）和低分散性，表明相对均一的大分子群体。热分析表明其稳定至约250 °C；流变测量显示强烈的浓度依赖性粘度以及明显的剪切变稀行为。综合来看，这些结果确立了JlEPS作为一种结构独特的高分子量聚合物，其组成和理化性质不同于大多数已知的放线菌EPS。实验测定的氮含量超过纯多糖骨架的理论值，表明回收的胞外部分存在相关含氮组分，而非仅内在结构取代。这种组成复杂性符合胞外聚合物基质的已知组织方式，且不影响色谱和光谱分析得出的结构归属。总之，该研究将JlEPS引入新型放线菌胞外多糖行列，并为其分类提供了理化框架，为未来靶向结构解析和拓展构效关系奠定了基础。