《Food Science & Nutrition》：Dietary Microbial Polysaccharides in Food Systems: Production, Functional Properties, and Applications
微生物多糖是由细菌、真菌、酵母和藻类产生的结构多样的生物聚合物，根据生物体和生长条件的不同，其功能为胞外基质和/或胞内碳储备。其中，微生物胞外多糖（exopolysaccharides，EPSs）因其可调控的结构赋予理想的技术功能属性，同时具有新兴的生物功能潜力，而引起了广泛关注。本综述综合了EPS研究的最新进展，重点探讨微生物来源、生物合成途径和糖苷键连接模式如何塑造高级结构并最终决定其在食品体系中的功能表现。研究人员总结了主要的EPS类别和代表性生产微生物，概述了与配方和加工相关的关键结构-性质关系，并基于证据强度和转化相关性批判性地讨论了文献报道的生物活性。此外，研究人员比较了当前的生产、回收和纯化策略，强调了可规模化性、产品一致性和法规遵从性方面的实际考量。最后，研究人员指出了下一代膳食EPS的机遇和瓶颈，包括精准发酵、菌株工程和以应用为导向的设计，以满足清洁标签和可持续性目标。总体而言，本综述为合理选择和开发作为食品创新功能性成分的微生物EPS提供了一个框架。
1 引言
膳食纤维包括植物性食品中不可消化的碳水化合物聚合物及相关物质，其在上消化道抵抗消化和吸收，随后被结肠微生物群发酵。通过微生物发酵，膳食纤维能够重塑群落代谢并产生生物活性发酵产物，包括短链脂肪酸（SCFAs）和其他代谢物。这些代谢产物日益与宿主相关结局相关联，如改善屏障功能和预防肠道炎症。重要的是，当膳食底物被宿主微生物选择性利用并赋予健康益处时，其被归类为益生元。
乳酸菌（LAB）以乳酸作为主要代谢终产物，广泛分布于自然界，包括植物原料、乳和肉中，并通常被认为是安全菌株。除LAB外，一系列工业相关微生物，包括黄单胞菌属和鞘氨醇单胞菌属，产生结构多样的微生物胞外多糖，在食品体系中具有成熟的技术功能价值。在本综述中，研究人员使用术语"胞外多糖"（EPSs）指代微生物分泌至胞外的高分子量多糖，包括LAB来源的EPSs，其中一些已被报道表现出益生元样或肠道相关的生物活性。该定义应区别于胞外聚合物物质，后者描述的是更广泛的复合生物膜基质（多糖、蛋白质、核酸和脂质），而非单独的多糖组分。
从微生物角度来看，EPS生物合成可通过增强对环境胁迫的抵抗力并促进细胞间和细胞-表面相互作用来赋予生态优势。EPSs可以保护细胞免受不利条件影响，促进黏附和生物膜形成，从而支持在波动环境中的持久性。这些相同的属性支撑了EPSs在食品基质中的功能相关性，其中聚合物结构（包括单糖组成、分支和糖苷键）可以转化为配方相关性质，如黏度、凝胶化、水结合、稳定化和质构。
微生物多糖是由各种微生物（包括细菌、真菌、酵母和藻类）合成的高分子量碳水化合物。这些多糖既包括胞内储存聚合物（如作为能量和碳储备的糖原），也包括具有多种功能角色的胞外分泌聚合物。由于其多样的理化性质和生物性质，微生物胞外多糖广泛应用于食品工业，并在化妆品和制药领域也有应用。特别是，黄原胶、结冷胶、葡聚糖和LAB来源EPSs等因其作为食品体系中质构改良和功能性成分的前瞻性应用而引起了集中的研究兴趣。
已有若干综述总结了特定微生物类群、单一多糖或其生物功能的微生物胞外多糖。在这些前期研究基础上，本综述通过将微生物来源、结构特征、生产策略和食品应用联系起来，提供了食品体系中膳食微生物多糖的综合视角。特别强调了结构特征与微生物多糖在食品应用中相关的技术功能性质之间的关系。
2 膳食多糖生产微生物
产EPS的细菌分布于多样的系统发育类群，包括革兰氏阴性和革兰氏阳性类群。代表性产EPS类群包括革兰氏阴性的α-变形菌纲、β-变形菌纲和γ-变形菌纲，以及革兰氏阳性的芽孢杆菌纲、梭菌纲和放线菌纲。代表性产EPS细菌类群和属在表1中进行了总结。
3 微生物多糖的细胞定位分类
3.1 胞内多糖
尽管本综述主要关注胞外多糖，因为其与食品体系的相关性已明确，但胞内多糖（IPSs）也被简要讨论以提供微生物多糖多样性的更全面概述。IPSs主要来源于真菌，包括冠突散囊菌、秀珍菇和松生拟层孔菌等物种。如表2所示，若干IPSs已被报道具有生物活性，包括抗氧化、抗肿瘤和免疫调节效应。例如，从黄鳞伞子实体中分离的IPSs已被报道能保护免疫器官并增加血清细胞因子水平，与免疫调节活性一致。在刺芹侧耳中，研究人员鉴定了两个IPS组分（IPS-1和IPS-2）并评估了其保肝和抗氧化相关效应。IPS-2显示出更强的保肝活性，伴随血清甘油三酯和白蛋白水平降低，而血清胆红素升高；这些变化共同被解释为反映肝脏抗氧化状态的改善。总体而言，这些研究表明真菌IPSs在临床前模型中具有多种生物活性，支持其作为生物活性微生物多糖的潜力。然而，当前证据仍主要限于体外和动物研究，需要进一步研究以阐明其在食品和营养背景下的相关性和适用性。
3.2 胞外多糖
术语"胞外多糖"指分泌到微生物细胞外的多糖："exo"意为"外部"，"polysaccharide"指由多个糖单体组成的碳水化合物。在微生物中，EPSs有助于胞外基质、细胞保护以及与周围环境的相互作用。EPSs通常是高分子量生物聚合物，分子量范围为10-1000 kDa。微生物EPSs可通过调节微生物群落、免疫反应和屏障相关功能来支持肠道健康。根据其化学组成和生物合成途径，EPSs可分为两大类：同多糖（HoPS）和异多糖（HePS）。HoPS包括纤维素、葡聚糖和普鲁兰多糖等，由单一类型的单糖残基组成。相比之下，HePS如黄原胶和透明质酸含有两种或多种类型的单糖残基。细菌合成EPSs作为抵御吞噬作用和环境胁迫的防御机制。其中，LAB合成的EPSs因其对宿主健康的有益作用及其作为食品成分的潜在应用而受到特别关注。
3.2.1 同多糖
LAB产生的HoPS通常由D-葡萄糖或D-果糖的重复单元组成，且常达到高分子量（约10?-10? Da）。与HePS相比，HoPS通常以较高产量产生，这主要是因为许多HoPS是由蔗糖酶类酶以蔗糖作为供体底物在胞外合成的。HoPS的多样性源于主链结构、分支频率和键特异性的差异，这些差异又决定了其在食品基质中的溶解性和功能表现。
交替糖是一种具有高水溶性的支链葡聚糖，主要由通过α-(1→6)和α-(1→3)糖苷键连接的葡萄糖残基组成。交替糖由交替蔗糖酶以蔗糖为底物合成，已被报道由肠膜明串珠菌产生。在食品相关应用中，交替糖被描述为益生元候选物和填充/食品延伸成分。
葡聚糖是一种α-葡聚糖，主要由具有α-1,6糖苷键主链的葡萄糖组成。明串珠菌属和乳酸杆菌属内的几种LAB物种可通过蔗糖依赖性葡糖基蔗糖酶分泌葡聚糖。葡聚糖与抗氧化、降胆固醇和免疫调节效应相关联，广泛用于改善发酵食品和烘焙产品的流变性质和质构。
变聚糖主要由α-(1→3)-连接的葡萄糖单体组成，主要由变形链球菌合成。其水不溶性归因于α-1,3糖苷键的存在。变聚糖经典上由变形链球菌产生，也有报道来自明串珠菌属和乳杆菌属物种。在功能上，变聚糖通过增强细菌黏附和生物膜稳定性促进牙菌斑生物膜形成；由于其产生与蔗糖暴露密切相关，它是与饮食模式相关的口腔健康策略的相关靶点。
瑞氏葡聚糖是一种水溶性葡聚糖，其特征在于存在α-1,4和α-1,6糖苷键。已有几种罗伊氏乳杆菌菌株被报道合成瑞氏葡聚糖。瑞氏葡聚糖被报道具有益生元和延长保质期的特性。此外，在食品工业中，瑞氏葡聚糖主要应用于烘焙以改善烘焙产品的柔软度。
纤维素是植物细胞壁的主要组分，也由各种微生物产生，包括藻类、细菌和真菌。纤维素的特征在于β-1,4-连接的D-葡萄糖单元的结构组成，已知由驹形氏菌属合成。微生物纤维素及其衍生物被用作增稠、悬浮和稳定剂，也已被研究用于食品包装应用。此外，纤维素在食品中用作悬浮剂或稳定剂，并作为富含纤维、低热量和低胆固醇的膳食补充剂。
可得然胶是由产碱菌属、农杆菌属和类芽孢杆菌属细菌产生的中性EPS。其特点在于在碱性条件下的溶解性和在水中的不溶性。可得然胶的结构组成主要包含通过线性β-(1,3)-糖苷键相互连接的葡萄糖单元。临床前研究表明，可得然胶可能调节肠道微生物组并具有抗肥胖潜力。它也作为食品添加剂用于乳品工业。
果聚糖是由多种微生物产生的果聚糖，包括芽孢杆菌属、盐单胞菌属、假单胞菌属、气杆菌属、链球菌属和微杆菌属菌株。果聚糖蔗糖酶催化蔗糖中D-果糖基残基的转移，产生具有β-2,6-连接主链和β-2,1-分支的果聚糖。果聚糖已被证明具有护发功效、降胆固醇效应和益生元活性，以及抗刺激、抗氧化和抗炎性质。除食品应用外，果聚糖还已在养殖、医药、缓蚀和可持续生物加工领域得到探索。
多聚半乳聚糖是一种主要包含半乳糖的HoPS，其特征在于重复的半乳糖基单元。它已被报道由LAB分泌，包括乳酸乳球菌乳亚种和保加利亚乳杆菌。
综上所述，HoPS的功能多样性主要由糖苷键连接模式、主链结构和分支频率决定，而非仅由单糖组成决定。α-连接的葡聚糖如葡聚糖和瑞氏葡聚糖表现出优异的水溶性，广泛用于改善食品质构和保质期，而变聚糖中α-1,3键的优势导致水不溶性和生物膜形成。相反，β-连接的聚合物如纤维素和可得然胶提供结构刚性，使其可用于成膜、稳定化和凝胶化应用。然而，不同HoPS之间的直接比较仍具挑战性，因为其理化性质和食品功能性常在不同的实验条件、分析方法和食品基质中评估。因此，在为特定食品应用选择HoPS时，必须仔细考虑键类型和分子结构，而不是仅基于单糖组成假设相似的功能性。
3.2.2 异多糖
微生物HePS是由三至八个单糖的重复单元组成的复杂聚合物，可呈现分支或不分支结构。HePS的特征在于D-葡萄糖和D-半乳糖的重复单元，以及较少见的糖如L-鼠李糖、阿拉伯糖、甘露糖、木糖、L-岩藻糖、N-乙酰-D-氨基葡萄糖和N-乙酰-D-半乳糖胺。在某些情况下，非碳水化合物组分如乙酸、甘油酸、丙酸、丙酮酸、琥珀酸、氨基酸、L-谷氨酸、磷酸和硫酸也可能被掺入。HePS的合成和分泌受微生物生长条件影响，包括培养基组成、温度、pH、氧气可用性、搅拌和生长阶段。这些条件可显著影响HePS的生物合成、分泌、数量和类型，进而影响单糖组成，导致糖苷键的变化。
黄原胶是一种源自野油菜黄单胞菌、菜豆黄单胞菌和锦葵黄单胞菌的天然多糖，具有多种功能，在食品包装中用作增稠、稳定和悬浮剂。其在结构上以1,4-连接的β-D-葡萄糖残基为特征，其阴离子性质归因于侧链中丙酮酸和葡萄糖醛酸基团的存在。黄原胶已被研究用于抗菌和抗氧化应用，而其主要的食品相关性在于其增稠、稳定和悬浮性质。
透明质酸是一种线性多糖，由交替的D-葡萄糖醛酸和N-乙酰-D-氨基葡萄糖残基通过β-(1→3)和β-(1→4)糖苷键连接组成。它是皮肤和关节组织中细胞外基质的重要组分，广泛用于化妆品、食品和医疗领域。值得注意的是，透明质酸被认为能够刺激皮肤细胞活性并支持保湿和组织水合，具有与皮肤和眼部健康相关的应用。透明质酸由多种细菌菌株产生，其中链球菌属和多杀性巴氏杆菌最为普遍。它已被探索作为质构改良和保湿剂，并显示出功能性补充的潜力，此外还有在可食用涂层和生物基薄膜中的新兴应用。
结冷胶是由鞘氨醇单胞菌属的沼泽鞘氨醇单胞菌和假沼泽鞘氨醇单胞菌通过发酵合成的胞外多糖。结冷胶由含有β-1,3-D-葡萄糖、β-1,4-D-葡萄糖醛酸和α-1,4-L-鼠李糖的四糖重复单元组成。结冷胶的特点在于低浓度下的显著凝胶性质，与其他亲水胶体相比表现出热稳定性和低pH敏感性。结冷胶作为食品添加剂因其稳定、结构和增稠性质而发挥功能，从而作为多功能胶凝剂。
开菲尔多糖主要由LAB分泌，具体为开菲尔乳杆菌。在结构上，开菲尔多糖是一种水溶性葡半乳聚糖，主要由葡萄糖和半乳糖单元通过可变的糖苷键连接组成。它具有抗菌、降胆固醇、抗动脉粥样硬化和抗结肠炎性质，并具有作为乳化剂、食品添加剂、食品防腐剂和胶凝剂的应用。
海藻酸盐是一种由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸残基通过1,4-糖苷键连接的重复嵌段组成的线性共聚物。已知多种来自固氮菌属和假单胞菌属的细菌可合成海藻酸盐。海藻酸盐具有多种功能，包括增稠剂、乳化剂、稳定剂、水结合剂和成膜剂。
乙酰胶由驹形氏菌属和醋杆菌属分泌，通常含有葡萄糖、甘露糖、鼠李糖和葡萄糖醛酸；其主链由β-1,4-连接的D-葡萄糖残基组成。乙酰胶已被报道具有抗肿瘤、抗炎和抗氧化活性，并用作食品添加剂以及在包装和封装应用中。
琥珀酰聚糖由农杆菌属、根瘤菌属和假单胞菌属产生。这些聚合物含有β-连接的D-半乳糖和D-葡萄糖残基，并可能包含丙酮酸、琥珀酸和乙酸等取代基。琥珀酰聚糖已被报道具有抗肿瘤和抗菌活性，并在实验条件下减少脾细胞凋亡，也在食品应用中用作增稠剂、乳化剂和稳定剂。
除细菌HePS外，来自食品相关蓝藻（如螺旋藻属和念珠藻属）的EPSs也有报道。这些蓝藻EPSs通常是HePS，由多种单糖组成，常含有糖醛酸或硫酸基团，并已被与抗氧化和免疫调节性质相关联。尽管蓝藻EPSs尚未达到与细菌HePS相同的工业规模生产，但其天然来源和功能潜力继续吸引着功能性食品和营养保健品应用的兴趣。
总体而言，HePS的更高结构复杂性，源于其多样的单糖组成和非碳水化合物取代基的存在，使其比HoPS具有更广泛的理化性质和技术功能性质。重复单元组成、分支结构和带电官能团的变异影响关键功能特征，包括黏度、凝胶形成、水结合能力、乳液稳定性和质构修饰，从而决定各个HePS对特定食品应用的适用性。这些观察强调，HePS的功能性由多个结构特征的组合效应决定，而非任何单一组成特征。然而，报道的HePS之间的直接比较仍具挑战性，因为生产微生物、培养条件、纯化程序和分析方法的差异可显著影响聚合物组成和功能表现。因此，全面的结构表征配合标准化的功能评估对于建立稳健的结构-功能关系和促进HePS的合理选择以用于靶向食品应用至关重要。
4 微生物EPS的提取、回收和生产
在提取前，产EPS的LAB应在优化条件下培养，因为生长环境强烈影响EPS产量和聚合物组分分布。关键的发酵参数，包括碳氮比、pH和培养基温度，已被报道显著影响EPS生物合成、分子量和分支模式。一般来说，均衡的营养水平和微酸性至中性条件（通常约pH 6.0）可增加EPS产量，但最佳条件因菌株而异，在非优化条件下，大多数LAB的EPS产量低于1 g/L。
生产后，EPSs必须被分离和纯化以去除过程相关杂质，包括培养基组分、微生物生物质、核酸和蛋白质。这些步骤对于分析表征和食品相关应用都是必需的。为从培养液中回收EPSs，首先通过离心或过滤去除细胞，然后从无细胞上清液中回收聚合物。粗EPS制剂可进一步使用蛋白水解酶或化学方法（如三氯乙酸）进行脱蛋白以提高纯度。
EPS回收通常通过溶剂沉淀（乙醇或丙酮）和/或超滤实现。使用具有特定分子量截留（通常为10-500 kDa）膜的超滤可提供高回收率和纯度，但初始成本高，而乙醇沉淀简单、高效且可规模化，但可能共沉淀杂质并需要大量乙醇。所得沉淀物通过透析或色谱进一步纯化，然后冷冻干燥或喷雾干燥以获得EPSs。
总体而言，下游回收和纯化策略应根据预期应用选择，平衡产品纯度、回收率、加工成本、可规模化性和食品级兼容性。对于实验室规模表征，色谱和透析提供适合结构分析的高纯度EPS制剂，而工业生产通常倾向于具有成本效益的方法，如膜过滤和溶剂沉淀，因其操作简单和可规模化性。因此，结合优化发酵与面向应用的下游加工的一体化工艺设计对于确保一致的产品质量和促进微生物EPSs在食品体系中的更广泛应用至关重要。
5 未来展望
目前，LAB来源EPS在食品工业中的工业使用量仍显著低于已建立的植物和动物来源多糖。这种差距主要归因于LAB来源EPS的低产量，限制了其大规模工业应用。LAB来源EPS产量通常报道低于1 g/L，而已建立的微生物多糖如黄原胶、结冷胶、葡聚糖和细菌纤维素的优化生产可超过10 g/L。这一基准强调了在保持产品一致性和功能性的同时提高LAB来源EPS体积生产力的必要性，这仍是关键的研发优先事项。
尽管存在这一限制，LAB来源EPS在食品应用中具有多重作用，包括稳定剂、乳化剂和增稠剂，增强感官属性，包括口感和风味。它们改善各种食品（包括酸奶）中的油结合能力、保水性和黏度。这些性质与EPS结构特征密切相关，如分子量、糖苷键模式和分支程度，其中较高的分子量和柔性主链有助于黏度，而分支结构影响乳状液稳定性和持水能力。因此，将菌株选择和发酵控制与靶向结构-性质关系相联系的以应用为导向的EPS设计对于将LAB来源EPS定位为可靠的水胶体而非可变的发酵副产物至关重要。
研究LAB来源EPS的生物活性，特别是其益生元、抗氧化和抗炎性质，对于阐明其健康益处的机制至关重要。先前研究已证明LAB来源EPS通过选择性增强有益肠道微生物群的增殖在预防胃肠道疾病中的作用，从而促进整体肠道健康、减少心血管疾病和增强免疫系统支持。这些促进健康的性质可能提供超越传统水胶体应用的附加价值，证明将EPS定位为多功能食品成分而非简单质构改良剂的潜力。尽管积累的证据支持LAB来源EPS的生物功能潜力，但仍需进一步设计良好的人体干预研究来证实健康声称并促进其向功能性食品应用的转化。
从工业角度来看，下游回收策略的优化是一个关键因素，因为EPS分离所需的高能量和溶剂需求通常决定过程的整体经济可行性和商业可行性。乙醇沉淀因其简单性和对聚合物浓缩的有效性而被广泛应用，而基于膜的超滤能够改善对EPS纯度和分子量分布的控制。因此，未来的回收策略应根据预期食品应用量身定制，同时平衡产品质量、经济可行性和工艺可规模化性，确保所选工艺与EPS的分子结构及其所需功能性质相一致。在实践中，一体化工艺设计（发酵→澄清→分级→纯化→干燥）对于实现产品性能和成本竞争力可能都是必需的。未来的进展将进一步依赖于食品级、可规模化且环境可持续的制造工艺的开发，以确保一致的EPS质量同时最小化生产成本。
将LAB来源EPS整合到常见食品产品中有潜力增强其感官特性，同时可能支持健康导向食品的开发。此外，LAB来源EPS的微生物起源和生物降解性呈现了可持续和健康导向的合成添加剂替代方案，特别是在消费者对清洁标签成分的偏好和兴趣日益增长的背景下。几种微生物多糖已具有既定的食品添加剂法规地位，如欧盟的黄原胶（E415）和结冷胶（E418），为新兴EPS成分（包括LAB来源EPS）提供了有用的基准。因此，LAB来源EPS作为功能性食品成分的更广泛采用不仅需要持续的技术进步，还需要符合食品法规框架及其安全和功能声称的有力证实。
总体而言，LAB来源EPS在食品工业中的更广泛采用需要在菌株工程、发酵控制、下游回收和法规遵从性方面进行协调推进。进一步的研究和开发应聚焦于实现更高的滴度、定制的EPS结构、一致的产品质量、可规模化和低影响的纯化，以及安全和功能声称的稳健证实。随着这些发展，LAB来源EPS可能从利基成分转变为支持下一代可持续、功能性和健康导向食品的平台生物聚合物。
