張釗瑞，張晨，李大鵬

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018）

隨著生活水平的日益提高，人們對(duì)健康飲食愈發(fā)關(guān)注。多糖是一類(lèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子聚合物，其不僅參與生命體的組成，還具備抗氧化[1]、抗疲勞[2]、抗輻射[3]、抗腫瘤[4]、降血脂[5]、抑制炎癥和調(diào)節(jié)免疫[6]等功能效應(yīng)，對(duì)富含多糖的健康營(yíng)養(yǎng)食品需求也隨之增多。時(shí)下科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，已有越來(lái)越多的功能性多糖被逐步開(kāi)發(fā)與利用。

自然界中的多糖主要來(lái)自植物、動(dòng)物和微生物。近年來(lái)，微生物多糖具備多種優(yōu)點(diǎn)且可以通過(guò)生物技術(shù)途徑從廉價(jià)的可再生原料中制備，在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域開(kāi)發(fā)潛力巨大，因而受到大家的密切關(guān)注[7]。微生物多糖包括胞外多糖、胞壁多糖和胞內(nèi)多糖。其中，微生物胞外多糖因無(wú)毒安全、生產(chǎn)周期短、易于分離純化等特點(diǎn)研究較多，逐漸成為植物和動(dòng)物等多糖產(chǎn)品的有效替代品[8]。隨著研究的推進(jìn)與發(fā)展，微生物胞壁多糖也越發(fā)受到矚目。本文主要圍繞細(xì)胞外和細(xì)胞壁多糖的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與利用微生物多糖提供參考。

1 細(xì)胞外多糖（exopolysaccharides）

細(xì)胞外多糖即胞外多糖（exopolysaccharides，EPS），是微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中的代謝產(chǎn)物之一，通常會(huì)在分泌的過(guò)程中以莢膜的形式貼合于細(xì)胞的表面或者分泌到外部環(huán)境中[9]。研究顯示，許多EPS具有促進(jìn)人體健康的作用，加上它們獨(dú)特的流變學(xué)性質(zhì)，在食品領(lǐng)域成為了良好的乳化劑、穩(wěn)定劑和增稠劑[10-12]。目前所研究的EPS中，結(jié)冷膠、黃原膠和普魯蘭等已在食品工業(yè)中廣泛使用，此外威蘭膠、透明質(zhì)酸等也展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

1.1 結(jié)冷膠（gellan）

1.1.1 結(jié)構(gòu)特性

結(jié)冷膠是自假單胞菌中分離出的EPS的總稱(chēng)，是一種陰離子線性多聚體，由葡萄糖、鼠李糖和葡萄糖醛酸構(gòu)成其重復(fù)單元，具體見(jiàn)圖1[13]。

圖1 結(jié)冷膠的結(jié)構(gòu)組成Fig.1 The structure formula of gellan

天然結(jié)冷膠具備高乙酰基結(jié)構(gòu)，在C-2位置存在甘油基取代基，部分C-6位置還存在乙?；Ｔ谏虡I(yè)生產(chǎn)中，常通過(guò)熱堿處理發(fā)酵液除去兩種類(lèi)型的取代基。結(jié)冷膠黏性高，對(duì)熱和酸穩(wěn)定，具有良好的抗酶解性，纖維素酶、果膠酶、淀粉酶等均不會(huì)對(duì)結(jié)冷膠的性質(zhì)產(chǎn)生影響。結(jié)冷膠溶于熱水，冷凝后可形成水合形式的凝膠，高乙?；Y(jié)冷膠形成的凝膠較為柔軟富有彈性，脫去乙?；螽a(chǎn)生的膠體剛性更強(qiáng)[13]。結(jié)冷膠還可與多價(jià)陽(yáng)離子絡(luò)合形成透明凝膠，膠凝速率會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，研究表明，較低的凝膠化速率可促進(jìn)結(jié)冷膠羧基與陽(yáng)離子之間的相互作用，對(duì)其凝膠強(qiáng)度產(chǎn)生積極影響[14]。

1.1.2 結(jié)冷膠的應(yīng)用狀況

結(jié)冷膠于食品中廣泛應(yīng)用，在糖果、仿制果醬、果汁、冰激凌和凍類(lèi)制品中常作為添加劑出現(xiàn)。Xu等[15]研究表明，高乙?；Y(jié)冷膠可以賦予藍(lán)莓果汁更高的黏度與更佳的感官特性，并對(duì)果汁色澤有一定的保護(hù)作用，這與之前Sherafati等[16]在胡蘿卜果汁中的研究結(jié)論相匹配。

研究顯示，通過(guò)控制鹽離子的濃度可以改變結(jié)冷膠凝膠的質(zhì)地，這種性質(zhì)與海藻酸鈉類(lèi)似[17]，因此結(jié)冷膠可用于遞送載體的組裝。Prezotti等以鋁離子為交聯(lián)劑利用結(jié)冷膠和果膠制備緩釋性微膠囊，并對(duì)白藜蘆醇[18]和酮洛芬[19]進(jìn)行了封裝，該微膠囊可以靶向作用于結(jié)腸部位并讓藥物得到持續(xù)釋放。此外，結(jié)冷膠形成的熱響應(yīng)和可逆的物理水凝膠網(wǎng)絡(luò)在各種環(huán)境下都具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，因此能夠替代瓊脂作為微生物培養(yǎng)基[20]或在食品和制藥工業(yè)替代明膠[21]；在組織工程中結(jié)冷膠也應(yīng)用廣泛，Bonifacio等[22]將結(jié)冷膠、甘油與高黏度蜂蜜進(jìn)行混合，以埃落石納米管為無(wú)機(jī)填料，通過(guò)上述材料混合形成的水凝膠具有良好的生物相容性與機(jī)械性能，可用作軟骨修復(fù)材料。

1.2 黃原膠（xanthan）

1.2.1 結(jié)構(gòu)特性

黃原膠的結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖2[23]。

圖2 黃原膠的結(jié)構(gòu)組成Fig.2 The structure formula of xanthan

黃原膠主要由黃單胞桿菌產(chǎn)生，主鏈構(gòu)成與細(xì)菌纖維素相似，均由線性1→4-β-D-葡萄糖單元組成，C-3位置上的每個(gè)葡萄糖殘基被帶電荷的三糖側(cè)鏈取代，三糖鏈由兩個(gè)D-甘露糖與一個(gè)D-葡糖醛酸組成，糖醛酸存在于兩個(gè)甘露糖之間，末端的D-甘露糖單元連接著丙酮酸殘基，而與主鏈連接的D-甘露糖含有一個(gè)乙?；鵞24]。黃原膠分子間存在較強(qiáng)的氫鍵作用，擁有高黏度及良好的乳化性，對(duì)酸堿穩(wěn)定，耐高溫。與結(jié)冷膠相似的是黃原膠也具有較強(qiáng)的抗酶解性，纖維素酶、半纖維素酶和淀粉酶等常見(jiàn)酶都不能有效分解黃原膠。

1.2.2 黃原膠的應(yīng)用狀況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年黃原膠的產(chǎn)量高達(dá)30 000 t，在蛋糕、糖果、罐頭、面包、醬料等多種食品中可以作為增稠劑、穩(wěn)定劑、懸浮劑和改良劑[25]；淀粉在加工和貯藏過(guò)程中的性狀并不穩(wěn)定，在木薯淀粉中添加黃原膠可以改善產(chǎn)品的流變性與凍融穩(wěn)定性；黃原膠也能作為一些肉制品的脂肪替代品，具有成為減肥食品的潛質(zhì)[25]。據(jù)報(bào)道，食用薄膜和涂層可以降低食品煎炸期間吸油量，一定程度上避免水分的蒸發(fā)散失。Sothornvi等[26]將黃原膠與瓜爾豆膠用于香蕉片的涂層，減少了產(chǎn)品油脂的吸收而不影響感官。除了食品，黃原膠在組織工程、醫(yī)學(xué)、化妝品等領(lǐng)域也有大量應(yīng)用，是目前應(yīng)用最廣泛的胞外多糖。

1.3 熱凝膠多糖（curdlan）

1.3.1 結(jié)構(gòu)特性

熱凝膠多糖的結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖3[27]。

圖3 熱凝膠多糖的結(jié)構(gòu)組成Fig.3 The structure formula of curdlan

熱凝膠多糖是一種由土壤產(chǎn)堿桿菌屬所產(chǎn)生的中性葡聚糖，僅由β-（1，3）糖苷鍵組成，沒(méi)有額外的支鏈或取代基存在，不溶于水，但可溶于堿性介質(zhì)（pH>12）、二甲基亞砜和甲酸等。盡管熱凝膠多糖水溶性不佳，但通過(guò)加熱其水懸浮液可形成凝膠，根據(jù)加熱溫度可以形成兩種類(lèi)型的凝膠，其中一種是高固化熱不可逆凝膠，即加熱到80℃以上形成凝膠，溫度變化對(duì)于凝膠狀態(tài)不會(huì)造成大的影響；而另一種是低凝固熱可逆凝膠，加熱到55℃左右再冷卻形成的凝膠，在溫度重新上升后會(huì)溶解分散于水中，屬于可逆性的凝結(jié)；據(jù)報(bào)道，只有當(dāng)加熱到100℃以上時(shí)，該凝膠的狀態(tài)才達(dá)到絕對(duì)不可逆性[28]。

1.3.2 熱凝膠多糖的應(yīng)用狀況

熱凝膠多糖獨(dú)特的凝膠性使其成為食品工業(yè)中的增稠劑或脂肪模擬替代品[29]；在蛋糕等烘焙食品中熱凝膠多糖可增加產(chǎn)品穩(wěn)定性和保濕性；在面食、冷凍食品及調(diào)味品中加入可以增添口感，改善質(zhì)地；也可作為功能性成分，生產(chǎn)低熱減肥的保健食品。熱凝膠多糖成膜性良好，現(xiàn)常與其它膠體共混制備食品薄膜或生物材料[30]。天然熱凝膠多糖具有免疫調(diào)節(jié)和抗腫瘤活性，但水不溶性限制了其發(fā)展，時(shí)下凝膠多糖衍生物成為了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。據(jù)報(bào)道，胺化后的熱凝膠多糖可用于小干擾RNA靶向腫瘤細(xì)胞的輸送[31]，酯化、磷酸化和羧甲基化可使熱凝膠多糖成為良好的藥物載體。此外，硫酸化有可能為其引入新的抗病毒特性[32]，值得進(jìn)一步研究。

1.4 普魯蘭（pullulan）

1.4.1 結(jié)構(gòu)特性

普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖4[33]。

圖4 普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)組成Fig.4 The structure formula of pullulan

普魯蘭多糖是一種水溶性中性真菌多糖，自出芽短梗霉的發(fā)酵液中提取。普魯蘭首先經(jīng)α-（1，6）鍵連接構(gòu)成麥芽三糖基本單元，三糖之間再通過(guò)α-（1，4）鍵形成線性無(wú)支鏈的多聚體[34]。普魯蘭多糖在低濃度的堿性溶液中也具備良好的溶解性，其對(duì)酸堿與鹽離子穩(wěn)定，具有一定黏度，不溶于乙醇和其他有機(jī)溶劑，但可溶于二甲基亞砜和甲酰胺。

1.4.2 普魯蘭多糖的應(yīng)用狀況

普魯蘭多糖主鏈中含有高濃度羥基，使得它具備多種潛在的生理活性，例如抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、促進(jìn)消化、降低膽固醇等，在食品、制藥、生物醫(yī)學(xué)及組織工程中有著廣泛的應(yīng)用。普魯蘭多糖難以被人腸道消化吸收，可用于生產(chǎn)低熱量減肥食品以及益生元食品[35]；在液體和固體食物中可替代淀粉使用；也可作為飲料和調(diào)味汁中的低黏度填充物或糖果制品中的粘合劑等。普魯蘭多糖透明性高，隔氧性好，成膜性與機(jī)械性能卓越，可用作食用薄膜[36]，研究發(fā)現(xiàn)，普魯蘭多糖膜可保持食物中的水分，并通過(guò)抑制微生物的呼吸作用來(lái)減少微生物在食品表面的生長(zhǎng)，這使得其在食品包裝材料方面也頗具優(yōu)勢(shì)。普魯蘭多糖及其衍生物具有治愈創(chuàng)傷的潛在作用[34]，可制作醫(yī)用敷料。此外，低分子量的普魯蘭還可作為血漿的替代品。

1.5 細(xì)菌纖維素（bacterial cellulose）

1.5.1 結(jié)構(gòu)特性

細(xì)菌纖維素的結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖5[37]。

圖5 細(xì)菌纖維素的結(jié)構(gòu)組成Fig.5 The structure formula of bacterial cellulose

細(xì)菌纖維素（bacterial cellulose，BC）是經(jīng) β-（1，4）糖苷鍵連接而成的直鏈多糖，重復(fù)單元為兩個(gè)葡萄糖分子結(jié)合的纖維二糖[37]。細(xì)菌纖維素可由多種細(xì)菌產(chǎn)生，例如產(chǎn)堿桿菌、假單胞菌、葡糖醋酸桿菌、根瘤菌和八疊球菌等[38]，商業(yè)化的細(xì)菌纖維素主要由葡糖醋桿菌進(jìn)行生產(chǎn)。細(xì)菌纖維素?fù)碛腥S多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且在微纖維束的表面上含有許多親水性羥基，這使得其存在高度的持水性，同時(shí)還擁有卓越的機(jī)械性能，這是其它胞外多糖所不具備的。

1.5.2 細(xì)菌纖維素的應(yīng)用狀況

BC具有良好的pH值、溫度和凍融適用范圍，常在調(diào)味醬中作為增稠劑，在豆制品中作為膠凝劑，在冰激凌中作為穩(wěn)定劑，在風(fēng)味飲料中用作懸浮劑。因其具有可食用性、降解性、生物相容性和良好的阻隔性，也可成為卓越的食品包裝材料[39]。BC還具有顯著的降血脂和降膽固醇作用，因此，可以用其生產(chǎn)無(wú)脂、低膽固醇和低熱量的保健食品，同時(shí)它也可以乳化肉制品中的成分從而改善產(chǎn)品品質(zhì)[40]。另一方面，BC纖維中存在的高密度氫鍵導(dǎo)致BC具有高結(jié)晶度和低可塑性，這限制了其在傷口敷料和新型材料等領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，在之后的發(fā)展中，BC的改性化研究將會(huì)占據(jù)重要地位。

1.6 威蘭膠（welan gum）

1.6.1 結(jié)構(gòu)特性

威蘭膠的結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖6[41]。

圖6 威蘭膠的結(jié)構(gòu)組成Fig.6 The structure formula of welan gum

威蘭膠（welan gum，WLG）是通過(guò)產(chǎn)堿桿菌屬細(xì)菌發(fā)酵而產(chǎn)生的陰離子多糖，由四糖重復(fù)單元構(gòu)建，由2個(gè)葡萄糖、葡萄糖醛酸和鼠李糖組成，在第3個(gè)連接的葡萄糖處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)單糖側(cè)鏈，這個(gè)單糖為鼠李糖或者甘露糖，并且超過(guò)一半的重復(fù)單元具有乙酰基和甘油基取代基[42]。據(jù)研究，WLG水溶液具備高黏度，耐酸堿，在150℃的條件下可保持穩(wěn)定，這種膠體對(duì)極端條件的優(yōu)異耐受性主要?dú)w因于其水溶液形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其次，WLG溶液也是典型的非牛頓流體，具有剪切稀化行為。

1.6.2 威蘭膠的應(yīng)用狀況

據(jù)報(bào)道，威蘭膠在提高石油采收率方面具有良好的潛質(zhì)，特別是在高溫和高鹽度儲(chǔ)層中，能提高二次采油的采油率[41]；另外，威蘭膠與結(jié)冷膠、透明質(zhì)酸等EPS類(lèi)似，含有大量羧基，屬于陰離子多糖，可用于凝膠的合成，故其在遞送載體方面具有一定發(fā)展?jié)摿?。到目前為止，威蘭膠食用安全性數(shù)據(jù)尚且不足，限制其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用，因此亟需展開(kāi)對(duì)威蘭膠的安全性評(píng)估，研究其在食品中的利用價(jià)值。

1.7 透明質(zhì)酸（hyaluronic acid）

1.7.1 結(jié)構(gòu)特性

透明質(zhì)酸的結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖7[43]。

圖7 透明質(zhì)酸的結(jié)構(gòu)組成Fig.7 The structure formula of hyaluronic acid

透明質(zhì)酸（hyaluronic acid，HA）是一種天然非硫酸化糖胺聚糖，由D-葡糖醛酸和N-乙酰葡糖胺經(jīng)β-（1，3）糖苷鍵形成雙糖基本單元，雙糖單元之間又以β-（1，4）鍵進(jìn)一步結(jié)合促成長(zhǎng)鏈聚合物。HA具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有大量的親水基團(tuán)，保水能力出眾。HA在自然界廣泛分布，存在于人類(lèi)，動(dòng)物（如兔、牛、公雞），細(xì)菌中，然而，它在真菌，植物和昆蟲(chóng)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)[44]。在人體中，70 kg成人的HA總含量約為15 g，大約50%的總HA存在于皮膚的真皮和表皮中。

1.7.2 透明質(zhì)酸的應(yīng)用狀況

通過(guò)微生物發(fā)酵獲得的HA在結(jié)構(gòu)上與內(nèi)源HA相同；因此，HA及其衍生物廣泛用于化妝品工業(yè)、醫(yī)藥和外科手術(shù)。HA生物活性與分子量密切相關(guān)[45]，高分子量HA具有抗炎和抗血管生成特性，而低分子量HA具有促炎和促血管生成活性[46]。此外，研究表明HA促進(jìn)巨噬細(xì)胞分化為M2表型，通過(guò)與可生物降解的材料混合并用，可以改善細(xì)胞增殖和促進(jìn)組織再生。

HA在美國(guó)、加拿大、韓國(guó)和日本等作為膳食補(bǔ)充劑銷(xiāo)售，主要用于緩解關(guān)節(jié)疼痛或皮膚皺紋。據(jù)報(bào)道，將HA添加至低脂肪酸奶并將其提供給輕度膝關(guān)節(jié)疼痛患者，改善男性患者的肌肉功能[47]；在對(duì)大鼠的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，口服攝入的HA可以遷移到大鼠的皮膚中，從而減少皮膚干燥[48]。目前微生物來(lái)源的HA來(lái)自獸疫鏈球菌，但由于其可能產(chǎn)生外毒素、發(fā)酵條件難以控制以及培養(yǎng)基昂貴限制了其應(yīng)用。近期有研究將鏈球菌產(chǎn)生HA相關(guān)的基因?qū)氲饺樗崛榍蚓衃49]，從而獲得了可生產(chǎn)HA的傳統(tǒng)發(fā)酵菌株，為微生物大量生產(chǎn)HA提供了可能。

總體而言，EPS可在食品工業(yè)中開(kāi)發(fā)多種應(yīng)用，具體見(jiàn)表1。

表1 不同微生物來(lái)源胞外多糖的研究近況Table 1 Research status of exopolysaccharides from different microorganism

上述EPS中，結(jié)冷膠、黃原膠、透明質(zhì)酸、威蘭膠具有的羧基結(jié)構(gòu)可與多價(jià)陽(yáng)離子形成較強(qiáng)的凝膠，在制作糖果，膠囊等產(chǎn)品有著較大的優(yōu)勢(shì)；在增稠穩(wěn)定方面黃原膠效果最佳，因其用量低，黏度高，在生產(chǎn)中可節(jié)省一定成本；具凝膠特性的EPS還可廣泛用于各種生物膜的制作與生產(chǎn)。除細(xì)菌真菌外，少數(shù)粘菌也可產(chǎn)生EPS，但目前粘菌EPS報(bào)道極少。

2 細(xì)胞壁多糖（cell wall polysaccharides）

2.1 脂多糖（lipopolysaccharide）

2.1.1 結(jié)構(gòu)特性

脂多糖的一般結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖8[72]。

微生物中的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）主要在革蘭氏陰性菌的細(xì)胞壁外層上大量存在，由脂質(zhì)A、核心寡糖和O特異性多糖三部分構(gòu)成[72]。脂質(zhì)A以β-（1，4）相連的兩個(gè)氨基葡萄糖多糖為核心，連接著長(zhǎng)鏈脂肪酸與磷酸基團(tuán)并鑲嵌在細(xì)菌外膜上。不同細(xì)菌來(lái)源的脂多糖組成有所不同，體現(xiàn)在聚糖區(qū)域的結(jié)構(gòu)組成、脂質(zhì)A區(qū)域的長(zhǎng)鏈脂肪酸和磷酸基團(tuán)這三者的區(qū)別。LPS暴露于菌體表面且具備抗原特征，能夠刺激人體的免疫系統(tǒng)從而產(chǎn)生各種免疫反應(yīng)及不良癥狀，被認(rèn)為是內(nèi)毒素的一種。脂質(zhì)A是LPS起毒素作用的所負(fù)責(zé)的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，是主要的免疫刺激中心[73]。

圖8 脂多糖的一般結(jié)構(gòu)組成Fig.8 The common structure of lipopolysaccharides

2.1.2 脂多糖的應(yīng)用狀況

LPS在醫(yī)藥領(lǐng)域研究較多，常用作疫苗佐劑。百日咳是一種由革蘭氏陰性細(xì)菌百日咳博德特氏菌引起的呼吸道傳染病。據(jù)報(bào)道，Toll樣受體4（toll-like receptors 4，TLR4）可以識(shí)別LPS與其相結(jié)合從而激活信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子并產(chǎn)生免疫反應(yīng)。Geurtsen等[74]將LPS衍生物單磷酰脂質(zhì)A與奈瑟氏球菌突變菌株的LPS作為佐劑加入到百日咳疫苗中，采用小鼠實(shí)驗(yàn)對(duì)治療效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，兩種成分的加入成功改善疫苗的效果，且LPS相關(guān)物添加的百日咳疫苗有著較低的反應(yīng)原性。在近期的研究中，Ledov等[75]從志賀氏菌中分離了LPS，將五?；土；コ?，以獲取修飾化的LPS，通過(guò)動(dòng)物與臨床試驗(yàn)論證，與完整LPS相比，修飾化的LPS有著較低的毒性與致熱原性并保持了免疫原性，這說(shuō)明了通過(guò)減少LPS酰化程度可以一定水平上降低其毒性作用。

還有調(diào)查顯示，LPS具備傷口治愈的作用。早期有報(bào)告稱(chēng)低濃度下的LPS具有促進(jìn)創(chuàng)傷愈合的功效[76]，在最近的研究中，Morishima等[77]將含有LPS成分的軟膏涂抹到患者的傷口上，結(jié)果顯示，傷口在藥物處理過(guò)后有著不同程度的愈合，這很可能歸功于LPS的促進(jìn)了M2型巨噬細(xì)胞的增加，一定程度提高了抗炎因子的水平，加速了血管組織的修復(fù)與重建。另外，LPS本身也能激活TLR4信號(hào)通路，這條信號(hào)通路與創(chuàng)傷愈合過(guò)程有關(guān)。因此，無(wú)毒的LPS衍生物以及新型LPS的開(kāi)發(fā)是今后研究的一個(gè)重要方向。

2.2 肽聚糖（peptidoglycan）

2.2.1 結(jié)構(gòu)特性

肽聚糖（peptidoglycan，PTN）是大量存在于細(xì)菌細(xì)胞壁中的多重網(wǎng)狀聚合物，是參與細(xì)胞壁組成的重要成分，屬于糖胺聚糖的一種，由交替組裝的β-（1，4）連接的N-乙酰葡糖胺和N-乙酰胞壁酸的二糖單元組成，重復(fù)的雙糖聚合鏈再通過(guò)短肽鏈進(jìn)一步交聯(lián)，短肽鏈最初為五肽，末端位置通常為D-丙氨酸，成熟的PTN分子中末端氨基酸往往會(huì)發(fā)生裂解脫落[78]。細(xì)胞壁中的PTN由于這種縱橫交錯(cuò)的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以保護(hù)細(xì)胞不因細(xì)胞質(zhì)的滲透壓增大而破裂，并能進(jìn)一步維持細(xì)菌細(xì)胞的特定形狀。不同菌種的PTN組成不同，革蘭氏陽(yáng)性菌細(xì)胞壁較革蘭氏陰性菌厚，多糖組成更為復(fù)雜，體現(xiàn)在聚糖鏈長(zhǎng)度的差異和氨基酸的多樣性[79]。PTN中肽的連接方式有多種，目前研究較多的結(jié)合模式為4→3交聯(lián)，即短肽的三號(hào)位氨基酸與相鄰短肽的四號(hào)位氨基酸直接相連構(gòu)成肽鍵或以橋接形式相連。革蘭氏陰性菌一般為直接交聯(lián)，而陽(yáng)性菌通常會(huì)額外存在一段肽橋。目前除了4→3交聯(lián)，還有4→2，3→3交聯(lián)等形式[80]，每種菌株的交聯(lián)方式可能不盡相同。

肽聚糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)本身較為保守，但其非晶體排列使其結(jié)構(gòu)的可視化變得困難。此外，聚糖鏈和肽鏈的交聯(lián)結(jié)構(gòu)難以通過(guò)傳統(tǒng)電子顯微鏡觀察，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)解析較為困難[81]。目前，根據(jù)相對(duì)于細(xì)菌膜方向的差異，討論最多的肽聚糖模型有兩種，分別為鋪設(shè)和支架[82]，肽聚糖可能的存在模式見(jiàn)圖9[82]。

圖9 肽聚糖可能的存在模式Fig.9 The possible pattern of peptidoglycans

在鋪設(shè)模型A中，聚糖鏈在平行于膜的方向延伸；而在支架模型B中，聚糖鏈垂直于膜排列。已有研究表明，低溫電子斷層掃描（cryo-electron tomography，CET）和原子力顯微鏡（atomic force microscopy，AFM）等直接成像的方法在揭示PTN的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)方面起到重大作用。在CET的成像報(bào)告中，對(duì)革蘭氏陰性菌中的新月柄桿菌與大腸桿菌的PTN進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示這兩種菌的PTN多為單層且垂直于細(xì)胞的長(zhǎng)軸并以散亂的箍狀形式圍繞菌體，更契合上述的第一種模型[83]；革蘭氏陽(yáng)性菌的PTN結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在對(duì)枯草芽孢桿菌的AFM觀察中，呈現(xiàn)其細(xì)胞壁內(nèi)表面規(guī)則的宏觀結(jié)構(gòu)，其中聚糖鏈橫穿細(xì)胞短軸，比菌體本身更長(zhǎng)[84]，研究還提出了新的卷曲螺旋模型，但這種模型同樣存在爭(zhēng)議。

2.2.2 肽聚糖的應(yīng)用狀況

肽聚糖的功能及應(yīng)用一直處于探索中，其對(duì)于生物機(jī)體是否存在益處一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。迄今為止，已經(jīng)有大量關(guān)于益生菌的報(bào)道，它們可以在一定的數(shù)量下為宿主帶來(lái)諸多益處[85]，包括調(diào)節(jié)胃腸道菌群、降低血液膽固醇、調(diào)節(jié)免疫、預(yù)防病原體感染和癌癥等，這些作用都與肽聚糖息息相關(guān)。有研究報(bào)告，滅活后的鼠李糖乳桿菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)不良小鼠的呼吸免疫也有著一定的改善[86]，這證明了菌體的某些結(jié)構(gòu)存在著一定功能，鼠李糖乳桿菌屬于革蘭氏陽(yáng)性菌，其所富含的肽聚糖極可能是益生菌發(fā)揮作用的關(guān)鍵物質(zhì)?，F(xiàn)今已有報(bào)道證明益生菌肽聚糖具有免疫調(diào)節(jié)[87]、抑制炎癥[88]、抗腫瘤等[89]多重功效，在與宿主的相互作用中充當(dāng)信號(hào)物質(zhì)，通過(guò)激活巨噬細(xì)胞，提高白細(xì)胞介素1（interleukin-1，IL-1）和IL-6等因子的表達(dá)，增強(qiáng)宿主的防御體系，因此，肽聚糖具有作為保健食品的潛質(zhì)。但是，肽聚糖的水溶性不佳，產(chǎn)量較低，這使其應(yīng)用受到很大限制。有3種方式可用于提高肽聚糖的水溶性，一是酶解，據(jù)報(bào)道，溶菌酶[90]、變?nèi)芫豙91]能夠分解肽聚糖；二是酸處理，利用強(qiáng)酸水解肽聚糖，但這種手段很可能會(huì)過(guò)度破壞肽聚糖結(jié)構(gòu)從而影響其活性；三是化學(xué)改性，此種方式國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道，有待后續(xù)研究。

2.2.3 其它

細(xì)胞壁多糖除了上述兩類(lèi)外，還有真菌細(xì)胞壁中的葡聚糖、殼多糖及其復(fù)合物等[92]。它們大多具備抗氧化、抗菌、抗腫瘤和增強(qiáng)免疫等作用，部分細(xì)胞壁多糖還擁有預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化、抑制肥胖[93]以及傷口治愈[94]的潛在功效，其在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用空間。酵母β葡聚糖報(bào)道較多且已得到商業(yè)化，而對(duì)真菌中殼多糖的研究仍然不足[94]。目前商業(yè)化殼多糖主要從甲殼動(dòng)物中分離，在之后的發(fā)展中，對(duì)真菌殼多糖的研究會(huì)趨于完善，同時(shí)微生物來(lái)源的殼多糖也將占據(jù)一定的市場(chǎng)。

3 結(jié)論與展望

綜上，微生物來(lái)源的多糖具有多種功能特性和健康效應(yīng)，擁有廣闊的發(fā)展前景。今后，新的微生物多糖的研究與開(kāi)發(fā)將成為該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。首先，值得注意的是益生菌胞外多糖對(duì)人體具有良好的健康調(diào)節(jié)作用，但因產(chǎn)量限制尚未得到商業(yè)化應(yīng)用[95]，因此，益生菌胞外多糖的商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)將成為研究的熱點(diǎn)之一。其次，許多研究證明了改性可以為多糖引入新的性質(zhì)或增強(qiáng)原本的生物活性[96]。因此，加強(qiáng)對(duì)各類(lèi)微生物多糖的衍生化修飾研究，可一定程度上開(kāi)拓微生物多糖的應(yīng)用空間。另外，還需要繼續(xù)對(duì)肽聚糖結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，其中糖鏈終止和釋放的機(jī)制、肽鏈間的結(jié)合模式以及其它類(lèi)型基團(tuán)的連接位點(diǎn)等研究仍需深入，為肽聚糖進(jìn)一步研究與開(kāi)發(fā)提供更可靠的理論基礎(chǔ)。

隨著科研工作的深入，已有越來(lái)越多的微生物多糖被發(fā)掘，而以它們?yōu)槟繕?biāo)所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫(kù)卻很少[97]。所以，進(jìn)一步梳理和分析不同微生物來(lái)源多糖的性質(zhì)和應(yīng)用，構(gòu)建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺(tái)也成為該領(lǐng)域一項(xiàng)十分有意義的工作。同時(shí)，微生物多糖作為一個(gè)龐大的群體，在資源日趨緊張的環(huán)境下，開(kāi)發(fā)微生物源的健康食品也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。