白 英，劉乃齊

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

胞外多糖（exopolysaccharides，EPS）是一種具有高分子質量的聚合物，由發(fā)酵乳制品中一定的乳酸菌（如鏈球菌、乳酸桿菌、乳球菌和明串珠菌）原位代謝產(chǎn)生，其溶于水后形成一種膠體，可增加發(fā)酵乳的黏度[1]。能夠改善產(chǎn)品的流變性和加工特性。因此，產(chǎn)EPS的乳酸菌被廣泛用于乳制品工業(yè)中。腸球菌（Enterococcus spp.），包括糞腸球菌（E. faecalis）和屎腸球菌（E. faecium），作為乳酸菌家族中的一員，是人體及動物腸道中的正常菌群[2]。Bhat等[3]研究發(fā)現(xiàn)，分離自E. faecium K1的多糖具有明顯的生物活性。另有研究表明，菌株E. faecium MC13所產(chǎn)多糖具有良好的乳化及絮凝活性[4]。產(chǎn)EPS菌株E. faecium RI 41、RI 56、RT 81均有良好的自聚集和與Escherichia coli ATCC 11230的共聚集能力[5]。

本研究中菌株E. faecium AS8所產(chǎn)EPS分別通過Sephadex G-100和Sephadex G-50進行分離純化；通過流變儀對不同發(fā)酵乳進行流變學分析，分別研究純化EPS及菌株E. faecium AS8對發(fā)酵乳流變學特性的影響；采用氣相色譜-質譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）法對單糖組成進行測定；傅里葉變換紅外光譜儀進行多糖結構分析。實驗從EPS結構方面分析發(fā)酵乳凝膠的形成、流變學特性，為以后發(fā)酵乳生產(chǎn)優(yōu)化提供參考，以乳酸菌本身含有的成分改善發(fā)酵乳的特性，具有良好的安全性，在一定程度上減少了制作發(fā)酵乳過程中添加劑的使用，具有很好的經(jīng)濟價值。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

E. faecium AS8[6]分離自內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟地區(qū)的傳統(tǒng)發(fā)酵奶油制品；嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）、保加利亞乳桿菌（Lactobacillus bulgaricus） 內(nèi)蒙古雙奇藥業(yè)股份有限公司；脫脂乳粉 內(nèi)蒙古伊利實業(yè)集團股份有限公司。

Sephadex G-100 美國Pharmacia公司、Sephadex G-50 北京Coolaber公司；Solarbio透析袋（8 000～10 000 Da） 內(nèi)蒙古仁玖商貿(mào)有限公司。

脫脂乳培養(yǎng)基：脫脂乳粉10 g，加入100 mL的蒸餾水，加熱攪拌均勻，調節(jié)pH值至6.8，110 ℃滅菌15 min后迅速冷卻；MRS液體培養(yǎng)基：蛋白胨1 g、磷酸氫二鉀0.2 g、酵母浸膏0.5 g、牛肉膏1 g、乙酸鈉（3H2O）0.5 g、檸檬酸氫二銨0.2 g、硫酸鎂1 g、硫酸錳0.2 g、吐溫-80 0.1 mL、葡萄糖2 g，加蒸餾水100 mL，攪拌加熱溶解后調pH值至6.8，121 ℃滅菌20 min。

牛肉膏、酵母浸膏、蛋白胨、瓊脂粉（均為生化試劑） 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司；吐溫-80、氯化鈉、氫氧化鈉、氫氧化鉀、乙酸鈉、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、硫酸錳（均為化學純） 天津市大茂化學試劑廠；苯酚、濃硫酸、95%乙醇、無水葡萄糖、鹽酸、氯仿、雙氧水、正丁醇、標準蛋白質、考馬斯亮藍-G250（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司；標準單糖（鼠李糖、巖藻糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖） 美國Sigma公司。

1.2 儀器與設備

SX-500全自動高壓蒸汽滅菌鍋 日本TOMY公司；T6-新世紀紫外-可見分光光度儀 北京普析通用儀器有限責任公司；HC-2T18R型冷凍高速離心機 日本Hitachi公司；BX50型光學顯微鏡 日本Olympos公司；SW-CJ-1D型超凈臺 蘇州安泰空氣技術公司；303-OA型生化培養(yǎng)箱 天津市通利信達儀器廠；DW-86L338A型凍干機（－80 ℃） 青島海爾特種電器有限公司；YC-2型層析實驗冷柜 上海谷寧儀器有限公司；Haake RS6000旋轉流變儀 美國Thermo Fisher公司。

1.3 方法

1.3.1 菌株活化

將乳酸菌AS8接種到滅菌后的脫脂乳培養(yǎng)基中，37 ℃培養(yǎng)24 h。將其轉接到MRS液體培養(yǎng)基中，37 ℃培養(yǎng)24 h。將3%（V/V）MRS培養(yǎng)物（108CFU/mL）接種到含有300 mL MRS培養(yǎng)基的500 mL錐形瓶中，在30 ℃培養(yǎng)24 h，用于后續(xù)實驗。

1.3.2 EPS產(chǎn)量的測定

取活化后菌液10 mL，8 000 r/min離心10 min，收集上清液，加入4 倍體積的95%乙醇溶液（4 ℃預凍），在4 ℃的條件下過夜，然后將混合液10 000 r/min離心10 min，收集沉淀，用約10 mL蒸餾水進行溶解，以蒸餾水作為透析液對溶解液進行透析，共透析12 h（隔2 h換一次透析液）。用苯酚-硫酸法對透析液吸光度進行測定，最后根據(jù)EPS的標準曲線計算其產(chǎn)量。0～32 h內(nèi)每隔4 h用苯酚-硫酸法測定EPS產(chǎn)量的變化情況并繪制曲線。

1.3.3 EPS粗提

將實驗菌株在37 ℃、24 h的條件下培養(yǎng)3 代后，將培養(yǎng)液9 000 r/min離心8 min，收集上清液，加入4 倍體積的95%冷乙醇溶液，在4 ℃條件下進行過夜處理，于4 ℃、10 000 r/min離心10 min，收集沉淀，用少量蒸餾水復溶，透析過夜（用蒸餾水作為透析液，隔2 h換一次透析液）；用Sevag法除去收集液中的蛋白質，再用活性炭和過氧化氫法除掉色素，即可得到粗EPS成品。

1.3.4 EPS分離純化

將處理好的Sephadex凝膠顆粒一次完全裝入用20%乙醇溶液清洗后的1 cm×50 cm層析柱里，然后靜置，使凝膠自然沉降完全。

用去離子水將粗EPS進行復溶，然后吸取1 mL的復溶液上柱，進行層析，洗脫液為去離子水，洗脫力為重力洗脫，每隔5 min收集1管，一共收集30～46 管。用苯酚-硫酸法檢測收集液體的EPS含量，按試管順序分別從每管收集液中吸取1 mL，于490 nm波長處測定吸光度，以試管號為橫坐標，以吸光度為縱坐標，繪出洗脫曲線。

1.3.5 發(fā)酵乳樣品的制備

參照Khanal等[7]的方法，以10 g/100 mL的復原脫脂乳作為原料用乳進行發(fā)酵乳的制備。本實驗分別以S. thermophilus+L. bulgaricus（1∶1）的復合菌株和菌株E. faeciumAS8為發(fā)酵菌種，接種量均為3%。37 ℃培養(yǎng)至pH值為4.7，4 ℃貯存5 d。發(fā)酵乳樣品的詳細參數(shù)見表1。

表1 發(fā)酵乳的制作Table 1 Manufacturing of fermented milk

1.3.6 流變學特性的測定

在Haake RS6000流變儀中以旋轉和振蕩模式進行發(fā)酵乳的流變學指標檢測。系統(tǒng)溫度設定在20 ℃，剪切速率為30 r/min時測定發(fā)酵乳的表觀黏度。剪切速率從0 r/min增加到300 r/min，加速度相同但負值減小，直至剪切速率降為0。通過在固定頻率（1 Hz）下的應力掃描，測試確定線性黏彈性區(qū)域。在線性范圍內(nèi)的應變（0.01%～100%）下評價儲能模量（G’）和損耗模量（G’’）。進行溫度斜坡測試以確定黏彈性模量和溫度之間的關系。實驗以50 r/min的控制速率和6 ℃/min的加熱速率，從4 ℃加熱至30 ℃。每天對樣品進行流變學特性的檢測。

1.3.7 EPS結構測定

使用P e r k i n E l m e r傅里葉紅外光譜儀，取200 mg KBr，研磨，壓片，紅外全掃描，結果作為背景；然后取EPS樣品1 mg，加入200 mg KBr，研磨，壓片，紅外全掃描，掃描范圍為400～4 000 cm－1。

1.3.8 EPS單糖組成測定

稱取EPS 2 mg，用1 mL 2 mol/L三氟乙酸溶液水解90 min，經(jīng)過旋轉蒸發(fā)儀蒸干，加入2 mL甲醇，蒸干，重復2 次。殘基加入2 mL雙蒸水，60 mg硼氫化鈉還原8 h，加入冰醋酸中和，用旋轉蒸發(fā)儀蒸干，加入甲醇3 mL，反復3 次，旋蒸至得到粉末，在110 ℃烘箱烘干，然后加入1 mL乙酸酐乙?；?，100 ℃反應1 h，冷卻，然后加入3 mL甲苯，減壓濃縮蒸干，重復4～5 次，以除去多余的醋酐。將乙?；蟮漠a(chǎn)物用3 mL氯仿溶解后轉移至分液漏斗，加入少量蒸餾水充分振蕩后，除去上層水溶液，如此重復4 次。氯仿層以適量的無水硫酸鈉干燥，定容至10 mL待GC-MS分析。

GC-MS條件：Hp-5（Agilent 19091J-413）色譜柱（30 m×0.25 mm，320 μm）；程序升溫條件為：起始溫度120 ℃，以3 ℃/min升溫至250 ℃；保持5 min；進樣口溫度250 ℃，檢測器溫度250 ℃，氫氣流量30 mL/min，空氣流量400 mL/min；載氣為He，流速1 mL/min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)利用Origin 7.5進行繪圖，SPSS 16.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

2 結果與分析

2.1 E. faecium AS8的EPS產(chǎn)量

圖1 菌株E. faecium AS8生長、EPS產(chǎn)量及pH值隨時間變化Fig. 1 Growth of E. faecium AS8, EPS production by E. faecium AS8 and change in pH value with fermentation time

圖1顯示活菌計數(shù)、pH值和EPS積累的時間過程?；罹鷶?shù)在20 h后達到其最大值（4.9×108CFU/mL），EPS的形成趨勢與活菌計數(shù)的形成趨勢相似。然而，E. faeciumAS8的EPS產(chǎn)量在24 h達到最大值，為69.81 mg/L。在隨后的發(fā)酵過程中，EPS呈現(xiàn)下降的趨勢。這是由于EPS屬于次級代謝產(chǎn)物，菌株到對數(shù)末期及穩(wěn)定期才開始大量的積累，但是隨著菌株培養(yǎng)時間的延長，EPS會受到糖水解酶[8]和培養(yǎng)基物理參數(shù)改變的影響而發(fā)生降解[9]。

2.2 E. faecium AS8 EPS的分離及純化

向EPS粗提液中加入Sevag液進行蛋白去除，于595 nm波長處測定吸光度為0。將已脫除蛋白質和脫色后的粗EPS用旋轉蒸發(fā)儀濃縮、冷凍干燥所得粗EPS產(chǎn)量為1.68 g/L。由圖2可以看到，AS8-EPS經(jīng)過凝膠柱洗脫后出現(xiàn)了兩個峰，分別出現(xiàn)在第9、29管和30管，因此初步判斷AS8-EPS含有2 種多糖組分，分別收集峰I和峰II的洗脫液，進一步用Sephadex G-50進行純化。由圖3可以看到，峰I和峰II洗脫液經(jīng)過凝膠柱后只出現(xiàn)一個峰，因此初步判斷其為單一的多糖組分，分別命名為AS8-1-EPS和AS8-2-EPS。

圖2 AS8-EPS Sephadex G-100凝膠柱洗脫曲線Fig. 2 Elution curve of AS8-EPS on Sephadex G-100 column

圖3 AS8-EPS Sephadex G-50凝膠柱洗脫曲線Fig. 3 Elution curve of AS8-EPS on Sephadex G-50 column

2.3 發(fā)酵乳流變學特性

了解發(fā)酵乳的流變特性對于工藝設計、產(chǎn)品開發(fā)、加工和處理、質量控制和貯存非常重要[10]。G’值用于表示剪切過程中，存儲在樣品中的變形能量，并且表示樣品的彈性行為[11]。圖4顯示在1 Hz頻率下，不同發(fā)酵乳G’和G’’的平均值。所有發(fā)酵乳在貯存期間都表現(xiàn)出G’值大于G’’值的弱黏彈性凝膠特征，這與之前的一些結果相一致[10,12-13]。表明所有類型的酸奶都具有彈性或類似固體的特征[10]，EPS和酸奶凝膠形成的蛋白質網(wǎng)絡之間具有相互作用。Gentès等[14]研究指出，這可能是EPS與酪蛋白和乳清蛋白的靜電相互作用。相比對照及菌株AS8制備的發(fā)酵乳，分別添加AS8-1-EPS和AS8-2-EPS的發(fā)酵乳顯示出較低的模量。EPS在與蛋白質相互作用時可以充當活性填料并增加黏彈性模量。凝膠形成之前，在乳中存在EPS會產(chǎn)生大孔隙，導致黏彈性模量降低。凝膠化后，EPS的產(chǎn)生似乎不影響網(wǎng)絡的孔隙率，但可能導致硬度增加[12]。高濃度EPS可能促進了與蛋白質網(wǎng)絡的更多不相容性[15]，這也可能是導致添加EPS發(fā)酵乳的G’值下降的原因。

觸變環(huán)是指剪切應力與剪切速率曲線中，向上和向下曲線之間的區(qū)域，是進行黏彈性材料的剪切速率掃描時經(jīng)?？捎^察到的，反映了食物結構破壞和重建所需能量之間的差異，與食物的觸變性呈正比[16]。在食物結構被打破后，靜置一段時間，觸變性能可以通過重新獲得其初始結構的能力被量化[17]。在已有研究中，新鮮酸奶的觸變性已經(jīng)被很好地確立[18-19]。對照組和分別添加AS8-1-EPS及AS8-2-EPS發(fā)酵乳的觸變環(huán)相似，且面積大于菌種AS8發(fā)酵乳的面積（圖5）。這表明前一發(fā)酵乳樣品在上升周期中比其他發(fā)酵乳受到更多的結構破壞。黏度越高，觸變環(huán)面積越大[20]。EPS的數(shù)量和類型以及它們在蛋白質網(wǎng)絡中的相互作用和分布是影響網(wǎng)絡結構的重要因素。與用菌株AS8制備的發(fā)酵乳相比，分別添加EPS的AS8-1-EPS和AS8-2-EPS發(fā)酵乳觸變環(huán)面積相對較高，可能額外添加的EPS賦予連續(xù)相更多的聚合物樣流變行為[12]。隨著貯藏時間的延長，菌種AS8發(fā)酵乳觸變環(huán)面積明顯減小，添加AS8-1-EPS發(fā)酵乳的面積略有下降，表明添加EPS有助于提高發(fā)酵乳在貯藏期的穩(wěn)定性。

圖5 貯藏5 d內(nèi)4 種發(fā)酵乳的觸變環(huán)Fig. 5 Thixotropic loop of four different fermented milks during storage for 5 days

4 ℃貯存期間，穩(wěn)定狀態(tài)下測量發(fā)酵乳樣品表觀黏度如圖6所示。與其他樣品相比，菌株AS8發(fā)酵樣品顯著降低了發(fā)酵乳的表觀黏度。然而外源添加EPS明顯增加了樣品的表觀黏度，尤其添加AS8-2-EPS樣品表觀黏度最高。這與已有研究結果相一致[21-22,13]。貯存第4天時，分別添加AS8-1-EPS和AS8-2-EPS的發(fā)酵乳黏度值達到最高，隨著貯藏期增加，黏度開始降低。表觀黏度結果與觸變性檢測結果（圖5）一致。

圖6 貯藏期4 種發(fā)酵乳表觀黏度變化Fig. 6 Comparison of apparent viscosity of four different fermented milks during storage for 5 days

李全陽等[23]研究指出，在形成發(fā)酵乳凝膠期間，EPS由乳酸菌緩慢代謝。酪蛋白開始凝集后，伴隨著凝膠構建過程，乳酸菌原位產(chǎn)生的EPS具有空間屏障作用。隨著EPS產(chǎn)量的逐漸增加和網(wǎng)絡的干擾，酪蛋白的三維網(wǎng)絡結構趨于一致。然而，當原奶中添加純化的EPS時，大分子的EPS在酪蛋白聚集之前完成了原料乳的空間分割。在強烈的空間屏障作用下，酪蛋白的三維網(wǎng)絡結構會不連續(xù)地形成，發(fā)酵乳的結構會變得非常薄弱。與之相似，本研究的流變特性檢測結果顯示，貯藏期間，添加AS8-1-EPS和AS8-2-EPS的實驗組較菌株AS8組可增加發(fā)酵乳表觀黏度及穩(wěn)定性，能很好地維持發(fā)酵乳的熱穩(wěn)定性。

2.4 EPS單糖組成

與標準單糖保留時間相對照（表2），AS8-1-EPS鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖、半乳糖的保留時間分別為15.921、16.621、17.626、27.7、28.22、28.653 min，其中甘露糖峰的長度、寬度以及峰面積最大，強度為164.6；葡萄糖的峰面積其次，強度為74.8；半乳糖的峰面積第3，強度為22；其余3 種糖的峰長度、寬度以及峰面積非常小，其強度也小，分別為4.1、6.1和4.4。確定AS8-1-EPS的單糖組成主要為甘露糖，還有一些葡萄糖和半乳糖，它們的物質的量占比為59.1%、26.8%、7.9%；含有非常少量的鼠李糖、阿拉伯糖和木糖，它們的物質的量占比為1.7%、2.6%、1.9%。AS8-2-EPS的鼠李糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖的保留時間分別為15.789、27.607、28.156 min和28.601 min，其中甘露糖峰的長度、寬度以及峰面積最大，強度為19。確定AS8-2-EPS的單糖組成為甘露糖和葡萄糖，含有少量的半乳糖和鼠李糖，它們的物質的量占比為65.4%、21.3%、8.9%、4.4%。實驗菌株E. faeciumAS8所產(chǎn)2 種多糖的單糖組成與目前報道不同，Bajaj等[24]研究表明，E. faecium1.1、E.faecium2.0和E. faecium4.0 所產(chǎn)多糖為均一葡萄糖聚合物。而產(chǎn)自菌株E. faeciumMC13的多糖為雜多糖，主要單糖組成為半乳糖和葡萄糖[25]。

表2 標準樣品出峰保留時間和AS8-EPS物質的量占比Table 2 Peak retention times of monosaccharide standards and molar percentages of AS8-EPS

2.5 EPS紅外光譜

紅外光譜用于確認多糖的結構特征和官能團[26]。在4 000～400 cm－1的區(qū)域內(nèi)對EPS進行紅外光譜檢測。如圖7所示，AS8-1-EPS在3 441.05～579.47 cm－1區(qū)域，AS8-2-EPS在3 350.06～407.81 cm－1區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)典型吸收峰。3 200～3 600 cm－1附近峰表明有大量的羥基（O—H）[27]，為糖類化合物。而AS8-1-EPS在2 923.55 cm－1和2 852.85 cm－1在處有—CH2和C=O的特征吸收峰。在1 652 cm－1附近的吸收峰（AS8-1-EPS：1 652.03 cm－1；AS8-2-EPS：1 650.85 cm－1）可以被認為是羧酸鹽鍵的伸縮振動[28]。在1 400 cm－1處的峰（AS8-1-EPS：1 401.91 cm－1；AS8-2-EPS：1 403.15 cm－1）可能是由于COO—基團中C=O的對稱伸縮[29]。1 210 cm－1和1 270 cm－1之間的峰（AS8-1-EPS：1 258.24 cm－1）與硫酸鹽基團中S=O鍵的伸縮振動有關[30]。950～1 200 cm－1區(qū)域內(nèi)的強吸收（AS8-1-EPS：1 060.91 cm－1；AS8-2-EPS：1 083.11 cm－1）主要由吡喃糖環(huán)醚鍵C—O—C和醇羥基—OH伸縮振動引起的[31]。此外，據(jù)報道，每種特定的多糖具有在1 200～1 000 cm－1范圍內(nèi)的特定帶（AS8-2-EPS：1 195.26 cm－1），其由與C—O—H側基的伸縮振動和C—O—C糖苷鍵振動重疊的環(huán)振動支配[32]。563～875 cm－1附近的峰（AS8-1-EPS：579.47 cm－1；AS8-2-EPS：601.66 cm－1和859.18 cm－1）表明有糖的部分存在[33]。579.47 cm－1處的吸收峰和601.66 cm－1處的吸收峰是C—C—O變形振動引起的，而407.81 cm－1處的吸收峰是C—C—C和C—C—O變形振動引起的[34]。在859 cm－1附近是吡喃糖β-型C—H變角振動的特征峰，由此可以推斷AS8-2-EPS中有β-型糖苷鍵[34]，有報道顯示，在879 cm－1和810 cm－1附近的吸收峰（AS8-2-EPS：859.18 cm－1）對應于甘露糖的存在[35]，這一結果與單糖組成分析相同（表2）。EPS的紅外光譜顯示AS8-1-EPS和AS8-2-EPS均為雜多糖。

圖7 AS8-1-EPS（a）和AS8-2-EPS（b）紅外光譜圖Fig. 7 Infrared spectra of AS8-1-EPS (a) and AS8-2-EPS (b)

3 結 論

本研究采用Sephadex G-100柱、Sephadex G-50柱、紅外光譜和GC-MS對E. faecium AS8所產(chǎn)2 種多糖進行分離純化和鑒定，同時對其流變學特性進行研究。分別用菌株E. faecium AS8進行發(fā)酵及添加純化后的AS8-EPS發(fā)酵乳流變學特性不同，發(fā)酵乳的流變學特性非常復雜，這種復雜性的主要因素是EPS濃度和EPS結構的變化，這決定了EPS與發(fā)酵乳中蛋白質網(wǎng)絡的相互作用。本研究為進一步揭示乳蛋白與乳酸菌EPS的凝膠形成機理提供一定的參考。