乳酸菌胞外多糖的流变学研究进展-食品物性学论文

乳酸菌胞外多糖的流变学研究进展-食品物性学论文 乳酸菌胞外多糖的流变学特性的研究进展 摘要:乳酸菌胞外多糖在乳制品中具有特殊的功能，胞外多糖的形成有利于改善产品的流变学特性，并赋予产品优良的感官特性和营养保健性能。乳酸菌所产胞外多糖为典型的非牛顿流体，在不同的多糖浓度、温度、pH、振荡以及盐条件下，探讨胞外多糖的流变学特性。 关键字:乳酸菌;胞外多糖;流变学特性;粘度 Research progress of the rheological properties of lactic acid bacteria extracellular polysaccharides Abstract:Lactic acid bacteria exopolysaccharides in dairy products has a special function, the formation of extracellular polysaccharide will help to improve the rheological properties of the product, and to give the product excellent organoleptic properties and nutritional care performance. Exopolysaccharides produced by lactic acid bacteria for the typical non-Newtonian fluid, the polysaccharide concentration, temperature and pH, oscillations, and salt conditions, explore the extracellular polysaccharide rheological properties. Keywords: lactic acid bacteria ? extracellular polysaccharides ? Rheological properties ? Viscosity 0、前言 微生物胞外多糖的形成，有利于微生物抵抗不良环境因素如干燥条件、抗生素或有毒物质的作用、渗透压的作用、以及巨噬细胞或噬菌体的侵袭等。通常细菌产生胞外多糖的现象较多，而酵母和真菌相对较少形成胞外多糖;微生物可分泌多糖于细胞面形成荚膜多糖或分泌多糖于细胞周边培养基中形成粘液多糖。 乳酸菌是一类能发酵利用碳水化合物并产生大量乳酸的细菌，其中乳杆菌、明串珠菌、链球菌和乳酸乳球菌等属的部分菌株能够产生胞外多糖。它们分泌多糖于细胞外，形成荚膜多糖黏附于细胞表面，或以黏质多糖形式存在于细胞周边培养基中，这些多糖有利于改善产品的黏度和质地。研究发现部分胞外多糖具有 [ 2]降胆固醇、免疫调节和抗肿瘤等功能。起初研究者认为乳酸菌在牛奶中发酵产生的胞外多糖的化学组成是糖蛋白或者是结合有蛋白质的多糖，后来认识到它们是由许多重复单元构成的或带有分支结构的多糖，每个重复单元由3,7个单糖组成。根据结构重复单元中单糖的组成成分，胞外多糖可分为同质多糖和异质多糖。与同质多糖相比，异质多糖结构复杂，但组成具有一定的相似性，通常含有 46[ 3]D-葡萄糖、D- 半乳糖或 L- 鼠李糖，分子质量在4×10,6×10D 之间。 在食品中，多糖作为一种增稠剂，可以改善发酵乳制品的流变学特性;作为一种物理稳定剂，能够结合水并限制物料脱水收缩，赋予产品吸引人的外观和令人满意的口感。研究人员从天然发酵乳制品中筛选的嗜热链球菌ST1能够产生一定量的中性胞外多糖，其单糖成分是葡萄糖和半乳糖(质量比为2:1)，多糖重复单元的结构为?3)[α-D-Glcp-(1?4)]-β-D-Galp-(1?4)-β-D-Glcp-(1?4)[β-D-Galf-(1?6)]-β-D-Glcp-(1?6)-β-D-Glcp-。为了进一步该乳酸菌产生的胞外多糖对发酵乳品质特性的影响，将探讨质量浓度、温度、振荡、pH 值等条件对乳酸菌胞外多糖流变特性的影响，为乳酸菌在发酵乳制品中的应用提供指导[ 1]。 1. 乳酸菌胞外多糖(EPS-A)的生物合成及其结构特性 1.1 乳酸菌胞外多糖(EPS-A)的生物合成 乳酸菌胞外多糖的生物合成是在多糖基因簇的指导下进行的， 主要分三个步骤: 首先是细胞浆内被激活的单糖在糖基转移酶的作用下，在细胞膜内侧的脂质载体上合成多糖结构重复单元;其次是已合成的多糖重复单元在细胞分泌酶的作用下， 通过细胞膜被运载到细胞表面; 最后是在聚合酶的作用下，几百或数千个多糖结构重复单元聚合形成多糖。胞外多糖合成的整个过程是在多糖基因簇中的调节基因的控制下，由基因簇中多糖基因指导合成的各类酶类的共同作用下完成的，基因簇中糖基转移酶基因的排序决定多糖重复单元中糖基的序列。由 于不同乳酸菌中存在着大量的特异性的糖基转移酶，而且一种糖基转移酶可能指 [ 9]导不同糖基的转移 ，因此乳酸菌胞外多糖具有多种不同的分子结构。 乳酸菌胞外多糖的生物合成是一个能量消耗的过程。首先类异戊二烯脂质载体的磷酸化需要一个 A T P，每个单糖分子的磷酸化需消耗一个A T P， 而单糖进一步活化形成糖基核苷酸、 多糖的聚合反应和运输需消耗更多的能量。在乳酸菌生长过程中， 由于所产生的能量非常有限， 乳酸菌的生物形成量包括胞外多糖的产量将极大地受到限制 。同时由于类异戊二烯脂质载体除被用于胞外多糖的生物合成外， 也参与细胞壁聚合物( 如肽聚糖、 磷壁酸) 的生物合成。在细胞生长的不同阶段，胞外多糖的形成将不同程度地受到影响。因此，乳酸菌胞外多糖的组成和特性与培养基的组成、多糖生物合成途径、菌体生长阶段和生 [ 10]长速率等因素密切相关，胞外多糖生物合成的机理仍待进一步研究。 1. 2乳酸菌胞外多糖结构特性 乳酸菌胞外多糖与其它细菌产生的胞外多糖一样， 都由多个结构相同的重复单元组成。 胞外多糖结构重复单元中单糖成分最常见的是匍萄糖半乳糖和鼠李糖等， 此外还有果糖 、 苷露糖、 N 一乙酰葡糖胺或 N 一乙酰半乳糖胺等。单糖具有α、β端向异构体，或以吡喃糖 、吠喃糖的形式存在有的结构重复单元具有分支结构。 乳酸菌中嗜热乳链球菌在酸奶生产中应用广泛，而且酸奶发酵过程中胞外多糖的形成有助于改善产品的粘度和质地 ，因此对嗜热乳链球菌胞外多糖分子结构有广泛的研究。 D o c o 等报道了第一个嗜热乳链球菌( C N C MI 7 3 3 ) 产的胞外多糖的分子结构，该多糖由四糖结构重复单元组成 ( G a l : G l c : G a l N A c=2: l:1 ) 。后来 ， S t i n g e l e 等报道另一菌株 S f i 6产胞外多糖具有与 C N C — MI 7 3 3相同的分子结构。S f i 3 9胞外多糖也由四糖 结构重复单元组成( G a l: G l c = 2: 2) ， T HS菌株能产生由五糖结构重复单元组成的胞外多糖。 齐沙沙筛选出一株产粘嗜热乳链球菌，其胞外多糖的的分别为半乳糖和葡 [11] 萄糖其比例接近于1:1。 2. 乳酸菌胞外多糖的流变学特性 2.1 浓度对EPS-A溶液粘度的影响 浓度是考察流体流变学特性非常重要的一个因素，对于不同的乳酸菌中均表现出相似的性质，高浓度(,1%)的EPS-A溶液的表观粘度随剪切速率的增加呈现出剪切变稀的行为，证明它为非牛顿流体;而在低浓度区域表观粘度不随着剪切变稀甚至剪切到最后有微微升高的趋势，表现为牛顿流体行为。随着EPS-A溶液浓度的增加，表观粘度值呈明显的上升趋势。这可能是由于浓度增大，溶液中分子之间易缠绕而导致在相同的剪切速率时流动阻力增加而使得表观粘度值增大。张铁华等研究嗜热链球菌ST1胞外多糖时发现了相似的结果，随着多糖溶液质量浓度的增大黏度也得到提高可能是多糖质量浓度的增大使多糖链之间的 [4] 相互作用加强。 2.2 温度对EPS-A溶液粘度的影响 温度对EPS-A溶液表观粘度的影响随乳酸菌的种类不同而不同，在剪切速率 -1范围0~100s)内乳酸菌胞外多糖溶液的黏度随着温度的上升而呈现不同的变化，在10,80?的温度范围内1.0,的乳酸菌胞外多糖溶液的黏度大多是比较稳定的，因为在这样大的温度范围内黏度变化不大。说明这种乳酸菌胞外多糖可以适应需要加热而保持黏度相对稳定的操作过程。而Moreno等人研究发现:一种新 [7] 65 ?)黏度下降明显型庭荠种子胶的30 g,L质量浓度溶液随温度的升高(5,。 2.3 pH对EPS-A溶液粘度的影响 pH值的改变对多糖溶液流变特性具有较大影响，,,,溶液在酸性条件,,,~, 下黏度稳定有很好的耐酸能力，但在中性和碱性条件溶液黏度急剧升高 ， 表明该,,,溶液在中性和碱性条件具有一定的增稠性。有研究枸杞多糖时发现 p,值为,时多糖黏度最大，当,,值小于,时随着,,值的增大多糖黏度逐渐升高，当,,值大于,时多糖黏度又逐渐下降，认为多糖在酸性或者碱性条件下，会造成氢键的断裂，发生水解作用生成小分子的糖，从而降低了多糖的分子质量 [6]致使黏度降低。张岩春等 在研究一株融合菌株G23产胞外多糖的流变学特性时，也得出相似的结论，即质量浓度为10 g,L的乳酸菌胞外多糖溶液在pH值发生变化时(黏度变化较稳定，即在pH值为4,10范围内有很好的酸碱耐受能 力。 2.4 盐对EPS-A溶液粘度的影响 添加不同浓度的NaCl都使得EPS-A溶液的表观粘度有所下降，浓度越小下降越多;添加不同浓度的CaCl，当浓度低于0.05M的时候下降的非常多，其余2 浓度使得粘度下降不大，当浓度大于0.5M时影响几乎可以忽略。总体来讲，添加等浓度的CaCl比NaCl对溶液粘度的影响小些。盐对粘度的影响可能是因为改2 [5] 变了溶液内多糖分子间的缠绕有关。 2.5 动态振荡剪切实验 对多糖溶液施以一定的剪切应力，乳酸菌胞外多糖表现出粘弹特性。即同时具有固体和液体的性质。储能模量G'(描述固体特性，即弹性)和损耗模量G''(描述液体特性，即黏度)的大小随胞外多糖所处的状态小同而不同。随着剪切振动频率升高(0-100 Hz)，G'和G''同时升高，并在达到一定频率时G'和G''曲线相交，交点处频率称为交叉频牢。在剪切振动频率低于交叉频率时，胞外多糖主要表现为液体黏性性质。即G''G''。大量研究表明，随着胞外多糖溶液质餐浓度的提高(交叉频率值也随之变大，这说明随着胞外多糖质量浓度的提高，胞外多糖溶 [8] 液的胶体化程度越高，表现出更多的同体弹性性质。 2.6 对脱脂乳溶液流变学性质的影响 乳酸菌产生的胞外多糖对脱脂乳的质地影响显著，添加质量浓度为10 g,L胞外多糖的脱脂乳溶液的黏度比不添加胞外多糖的脱脂乳溶液的黏度显著提高，随着剪切速率的增大，溶液的黏度快速下降，表现出明显的剪切变稀作用。有研究表明，乳酸菌胞外多糖作为质地改良剂，能够明显提高乳产品的黏度。还能够 [12]通过与乳成分如蛋白质胶粒相巨作用，从而增强酪蛋白网络的刚性和稳定性。 3. 结论 乳酸菌能产生多种结构不同的胞外多糖，乳酸菌作为食品级细菌在其生长过程中形成的胞外多糖是天然的生物增稠剂，它可以替代其它目前正在应用的、来 源于非食品级细菌的稳定剂或增稠剂， 在食品加工中具有重要的用途。 随着人 们对乳酸菌胞外多糖生物合成的分子机理和生物化学的进一步了解，如何通过胞 外多糖的分子结构修饰，获得粘度较好并能明显改变食品质构的胞外多糖是当前 乳品科学研究的一个热点。 参考文献: [1] 张天琪, 杨贞耐, 孔保华. 乳杆菌胞外多糖及其在酸乳中的应用[J].食品科学, 2008, 29(9): 637-642. 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