《LWT》：Optimized production of a probiotic exopolysaccharide and its application as a natural stabilizer in fermented milk
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为解决发酵乳制品在储存过程中出现的乳清析出、后酸化和质构劣化等稳定性问题，研究人员对加氏乳杆菌(Lactobacillus gasseri)所产的胞外多糖(GS-EPS)进行了优化生产与结构表征，并将其作为清洁标签稳定剂应用于发酵乳。研究发现，优化后GS-EPS产量达4.49 g/L，在发酵乳中添加0.4 g/L的GS-EPS可显著改善其流变性、质构、持水力，并延缓后酸化，表明GS-EPS是一种可有效提升发酵乳品质与储存稳定性的天然稳定剂。这项研究为基于EPS的功能性乳制品的开发提供了实践依据。
酸奶、开菲尔等发酵乳制品因其丰富的营养、良好的感官特性和健康益处而广受欢迎。然而，它们也有个“小烦恼”：在货架期存放时，容易出现乳清析出（俗称“出水”）、口感变酸（后酸化）以及质地变差等问题。为了应对这些挑战，食品工业传统上会添加明胶、果胶等亲水胶体作为稳定剂。但随着消费者越来越青睐配料表简单、天然的“清洁标签”（clean-label）食品，寻找源自天然、能有效改善产品品质且不牺牲配料透明度的替代稳定剂，成为了行业的研究热点。
正是在这样的背景下，由乳酸菌（Lactic Acid Bacteria, LAB）产生的胞外多糖（Exopolysaccharides, EPS）走入了研究者的视野。这些由微生物发酵产生的多糖，具有良好的生物相容性、出色的持水能力，并能与乳蛋白网络相互作用，因而被视为极具潜力的清洁标签稳定剂。然而，不同菌株产生的EPS在产量、结构（如分子量、单糖组成）和功能上差异很大，其稳定效果也参差不齐。目前大多数研究要么专注于优化EPS的生产，要么只评估其对产品宏观品质的影响，很少有研究能系统地将EPS的结构特征与其在复杂的蛋白-多糖基质中的功能表现联系起来，对其作用机制的深入理解也往往局限于单一的分析技术。
为了填补这些知识空白，并探索一种高效、天然的稳定解决方案，中国农业大学食品科学与营养工程学院的研究团队开展了一项深入研究。他们选取了加氏乳杆菌（Lactobacillus gasseri）LG145菌株，对其所产的胞外多糖（命名为GS-EPS）进行了从生产优化、结构解析到功能应用的系统性探索。这项研究成功发表于食品科学领域的知名期刊《LWT-Food Science and Technology》上。
为了系统研究GS-EPS，研究人员采用了多项关键技术方法。首先，他们通过单因素实验结合响应面法（Response Surface Methodology, RSM）对GS-EPS的发酵生产条件进行了优化，以最大化其产量。其次，利用凝胶渗透色谱（Gel Permeation Chromatography, GPC）、高效液相色谱（High-Performance Liquid Chromatography, HPLC）和傅里叶变换红外光谱（Fourier-Transform Infrared spectroscopy, FT-IR）等技术对优化后获得的GS-EPS进行了全面的结构表征，包括分子量、单糖组成和官能团分析。接着，他们将纯化后的GS-EPS以不同浓度（0.2, 0.4, 0.6 g/L）添加到巴氏杀菌奶中，接种商业发酵剂进行发酵，制备成发酵乳样品。最后，通过一系列分析来评估GS-EPS的应用效果：使用质构分析仪（Texture Profile Analysis, TPA）和流变仪测定样品的质地和流变特性；通过离心法和过滤法分别测定持水力（Water-Holding Capacity, WHC）和乳清析出率（Syneresis）；利用滴定法监测储存期间的滴定酸度（Titratable Acidity, TA）变化以评估后酸化情况；通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察凝胶微观结构；并联合使用拉曼光谱（Raman spectroscopy）和FT-IR光谱分析蛋白质的二级结构变化，以从分子层面探究GS-EPS的作用机制。所有实验均设置重复，数据以均值±标准差表示，并进行统计学分析。
3.1. GS-EPS的生产优化
研究人员首先通过单因素实验探究了碳源、氮源、发酵时间和温度对GS-EPS产量的影响。结果发现，麦芽糖是最佳的碳源，酵母蛋白胨是最佳的氮源，发酵36小时、温度在30-37°C范围内产量较高。基于这些结果，他们采用Box-Behnken设计-响应面法进行了多因素优化。建立的二次多项式模型高度显著，预测在麦芽糖浓度19.88 g/L、酵母蛋白胨浓度10.16 g/L、发酵时间35.83小时、温度30.77°C的条件下，GS-EPS产量可达4.499 g/L。验证实验在实际调整条件（20 g/L麦芽糖，10 g/L酵母蛋白胨，36小时，30.77°C）下获得了4.492 g/L的产量，与预测值高度吻合，证实了优化策略的可靠性。此优化条件被用于后续所有实验中GS-EPS的制备。
3.2. GS-EPS的结构分析
对优化条件下生产的GS-EPS进行结构表征发现，它是一种异质多糖，绝对分子量为14.1 kDa。单糖组成分析表明，它主要由葡萄糖（36.27%）、甘露糖、核糖、葡萄糖醛酸和岩藻糖构成。FT-IR光谱显示GS-EPS具有多糖的典型特征吸收峰，并在855.86和761.59 cm-1处存在弱吸收，证实了其同时含有α-和β-糖苷键。这些结构特征，包括中等分子量、丰富的羟基（用于氢键结合）以及葡萄糖醛酸带来的负电荷（可用于静电相互作用），为其作为发酵乳质构改良剂提供了分子基础。
3.3. 强化GS-EPS的发酵乳的感官评价
感官评价结果表明，GS-EPS的添加显著改善了发酵乳的外观、质地和总体可接受性。添加0.4 g/L GS-EPS的样品获得了最高的总体可接受性评分（4.6 ± 0.70），比对照组提高了约64.28%，评价人员一致认为其光滑度、稠度和均匀性更佳。当浓度增至0.6 g/L时，尽管粘度感知更高，但过度的厚重感导致可接受性略有下降。因此，0.4 g/L被确定为感官层面的最优添加浓度。
3.4. 强化GS-EPS的发酵乳在储存期间的保质期稳定性
在4°C下储存28天的过程中，研究人员监测了样品的滴定酸度和持水力。所有样品的酸度都随时间增加，但添加GS-EPS的样品，特别是0.4 g/L组，其酸度上升速度显著慢于对照组，表明GS-EPS能有效延缓后酸化。在持水力方面，对照组的WHC在储存期间增加了约16.51%，而GS-EPS强化样品的WHC增加更为缓慢和稳定，其中0.4 g/L组的增加幅度最小（仅5.59%），显示出更好的水分保持和网络稳定性。过高浓度（0.6 g/L）的GS-EPS反而会导致WHC改善效果减弱。
3.5. 强化GS-EPS的发酵乳的发酵特性分析
质构分析显示，GS-EPS的添加以浓度依赖的方式改善了发酵乳的硬度、稠度、内聚性和内聚功，在0.4 g/L时达到最佳，进一步增加至0.6 g/L则改善效果减弱。扫描电镜观察发现，添加GS-EPS后，酪蛋白网络更加致密和互连，特别是在0.4 g/L时，蛋白基质的孔隙中出现了丰富的丝状结构，似乎起到了桥接蛋白聚集体的作用。流变学测试表明，添加GS-EPS（尤其是0.4 g/L）显著提高了凝胶的弹性模量（G‘）和粘性模量（G“"），增强了凝胶强度。同时，GS-EPS的添加显著降低了乳清析出率，提高了持水力，其中0.4 g/L组的效果最佳。表面疏水性分析也发现，GS-EPS的添加降低了蛋白质的表面疏水性，表明亲水性的GS-EPS分子可能通过氢键和静电力与乳蛋白相互作用，屏蔽了疏水域。
3.6. GS-EPS发酵乳的蛋白质结构和相互作用分析
为了从分子层面理解GS-EPS的作用机制，研究人员利用拉曼光谱和FT-IR光谱分析了蛋白质结构。拉曼光谱显示，与对照组相比，添加0.4 g/L GS-EPS的样品中蛋白质的β-折叠和β-转角的相对比例增加，而无规卷曲结构减少，这种向更有序结构的转变通常与凝胶网络的稳定化相关。在高波数区域，GS-EPS强化样品的酰胺A带信号增强，表明蛋白质-水相互作用环境的改变。FT-IR光谱进一步显示，GS-EPS强化样品的O-H伸缩振动带强度降低，暗示水分从自由态向结合态转移，这与观察到的持水力提高相一致。同时，酰胺II带和酰胺III带的变化也提示蛋白质二级结构的重排。这些光谱学证据共同表明，GS-EPS的加入与发酵乳中蛋白质结构特征的改变相关，它不仅仅是增稠剂，更充当了凝胶结构的调节者，通过影响蛋白质构象和水分状态来改善宏观品质。
本研究通过系统的优化，将加氏乳杆菌LG145产胞外多糖（GS-EPS）的产量提升至4.492 g/L，并对其结构进行了详细解析，确认其为一种分子量14.1 kDa、含有葡萄糖醛酸和混合糖苷键的异质多糖。将其应用于发酵乳的关键发现是，在0.4 g/L的最优添加浓度下，GS-EPS能全方位提升产品品质：它显著增强了凝胶的硬度、弹性等流变与质构特性，大幅提高了持水力并减少了乳清析出，有效延缓了储存期间的后酸化进程，从而获得了更佳的感官接受度。
研究的深入之处在于，通过拉曼和FT-IR等光谱技术，将宏观的性能改善与微观的分子结构变化联系起来。结果表明，GS-EPS的掺入促进了蛋白质β-折叠结构的形成，改变了蛋白质-水的氢键网络，使水分更牢固地结合在凝胶网络中。这揭示了GS-EPS并非简单地通过增加粘度起作用，而是作为一种结构调节剂，整合到酪蛋白凝胶基质中，参与并稳定了凝胶网络的形成。
这项工作的意义在于，它成功展示了一种由特定益生菌（加氏乳杆菌）产生的EPS作为高效“清洁标签”稳定剂的巨大潜力。研究不仅提供了从生产优化到功能应用的全链条方案，还初步阐释了其“结构-功能”关系，为开发基于EPS的、更天然健康的功能性乳制品提供了重要的理论依据和实践指导。当然，研究也指出了当前工作的局限性，例如GS-EPS并非高纯度样品，且所有实验均在实验室规模进行，其工业化放大生产的可行性和在实际生产条件下的表现仍需未来进一步验证。
