《食品科学》：中国农业大学常畅副教授等：植物乳植杆菌-30产胞外多糖的结构表征及降尿酸作用

近年来，乳酸菌作为益生菌，不仅在维持肠道健康、调节免疫功能等方面表现出显著优势，还能通过其代谢产物参与多种生理调节活动。研究表明，乳酸菌通过糖酵解和乳酸发酵的过程，能够有效降低宿主的尿酸水平，具有潜在的降尿酸作用和功效。乳酸菌代谢产生的胞外多糖（EPS）因独特的结构、理化特性和生物学活性，已逐步成为功能性食品与健康科学研究的热点。

高尿酸血症是人体血液中尿酸水平异常升高的病理状态，不仅与嘌呤代谢紊乱相关，还可能引发痛风，进而诱发心血管疾病。黄嘌呤氧化酶（XO）是尿酸生成的关键酶，能够催化嘌呤化合物的氧化，最终生成尿酸。研究表明，乳酸菌代谢产物的积累可以显著降低XO活性，减少尿酸生成，进而对高尿酸血症和痛风有潜在的干预作用。进一步分析发现，EPS作为乳酸菌代谢的主要分泌产物，具有一定的结构特点和生物学活性，可能在抑制XO活性中起关键作用。

中国农业大学食品科学与营养工程学院的韩冬、张佳辉、常畅*等研究通过系统的菌株筛选和鉴定，筛选出 1 株具有高产 EPS 能力的菌株植物乳植杆菌 -30 （ HZB-30 ），并提取纯化 HZB-30 产 EPS ，表征其结构特征。通过构建高尿酸细胞模型，探究 HZB-30 产 EPS 的降尿酸作用，结合其对炎症因子的调控作用，解析 HZB-30 产 EPS 的降尿酸机制。

1 HZB-30的菌株鉴定及其生长特性分析

分别对菌株HZB-30进行形态学观察、生理生化特性分析及16S rRNA基因序列测定，结果如图1、2和表2所示。菌株HZB-30为革兰氏阳性菌，形态特征与典型的植物乳植杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）相符。在生理生化特性测试中，HZB-30展现出与植物乳植杆菌属一致的代谢特征。通过最大似然法构建了HZB-30基于16S rRNA基因序列的系统发育树，结果表明，该菌株在系统发育树上与植物乳植杆菌DSM 10667位于同一节点，该节点自展值为99%，表明HZB-30的进化位置具有高度统计学可靠性，且与植物乳植杆菌DSM 10667的进化关系最为密切。

研究微生物的生长特性对于理解其生长过程及代谢产物的积累规律具有重要意义，有助于揭示微生物在不同生长阶段的代谢动态。如图3所示，菌株HZB-30在培养4 h后迅速进入对数生长期，发酵液的pH值显著下降，最终稳定在pH 3.5左右，表明菌株在代谢前期积累了大量乳酸，导致发酵液酸度增加。之后，菌体浓度（OD595 nm）迅速上升至1.5。乳酸的快速积累与菌体浓度的同步上升，反映出菌株活跃的代谢和增殖状态。随着发酵16～18 h后，菌株生长进入稳定期，OD595 nm不再显著增加，进入生长与衰老的动态平衡阶段。值得注意的是，HZB-30在对数生长期便开始合成EPS，在稳定期内也持续产生。经过28 h发酵，EPS的质量浓度高达230.66 mg/L。

研究表明，植物乳植杆菌具有高度的基因组多样性，其基因组大小范围在2.9～3.7 Mb，能够通过本身的代谢多样性适应各种生态环境。该菌株存在于发酵植物、奶制品和动物肠道中，通过基因组中的适应性基因与环境条件发生相互作用。菌株HZB-30与植物乳植杆菌DSM 10667的基因特征高度相似，在代谢调节和健康促进方面具有潜力。同时，HZB-30在常规培养条件下能够迅速生长并繁殖，产生大量EPS，具备良好的代谢活性。

2 EPS的结构表征及其消化稳定性分析

通过对比不同分子质量的葡聚糖标准品及色谱图分析，发现HZB-30产EPS的分子质量较小，约为14 639 Da。利用傅里叶变换红外光谱仪分析EPS的成键类型，结果如图4所示。在3 400 cm-1处宽而强的吸收峰代表—OH的伸缩振动，而2 940 cm-1处的吸收峰为C—H伸缩振动峰，表明EPS具有典型的多糖特征。在1 658.38 cm-1和1 549.94 cm-1处的吸收峰对应羧基的对称和非对称伸缩振动。1 410～1 200 cm-1处的吸收峰反映了C—H的变角振动特征，而在1 026～1 049 cm-1和920～927 cm-1处的吸收峰则与吡喃糖环的对称或非对称伸缩振动有关。在858.17 cm-1处的吸收峰表明α-吡喃糖环中的C—H变角振动。通过高效液相色谱分析发现，HZB-30产EPS主要由多种单糖组成。其中，葡萄糖含量最高，占37.76%，其次是核糖（21.89%）、半乳糖（19.15%）、甘露糖（9.89%）、葡萄糖醛酸（6.16%）和半乳糖醛酸（3.20%），还有少量单糖，如岩藻糖（1.33%），而鼠李糖、木糖、阿拉伯糖和N-乙酰氨基半乳糖的含量均不足1%（图5）。

为进一步探究HZB-30产EPS的应用潜力和生物学活性，测定体外模拟消化各阶段中EPS的消化率和XO抑制率，结果如表3所示。未消化的EPS具有较高的XO抑制率，为80.2%。EPS的消化率和XO抑制率在口腔消化阶段和胃消化阶段无显著差异（P＞0.05），说明HZB-30产EPS可以耐受模拟唾液和模拟胃液的消化，消化后仍可保持较高的XO抑制率（76.2%～78.3%）。然而，经过进一步肠液消化后，EPS的消化率显著增加（P＜0.05），达到20.7%，XO抑制率下降至43.3%。

通常情况下，多糖的生物学活性与分子质量密切相关，分子质量较小的多糖具有较好的水溶性和膨胀性，体现出较强的生物学活性。与其他植物乳植杆菌产EPS相比，HZB-30产EPS分子质量介于植物乳植杆菌H31（10 700 Da）和植物乳植杆菌BC-25（18 300 Da）产EPS分子质量之间，分子质量较低，有利于与底物竞争XO活性位点，通过阻塞底物与XO的结合通道，抑制XO的催化活性。另外，多糖中的单糖组成对其功能活性具有重要影响，而特定单糖能通过调节细胞膜受体、影响信号通路，或者改变代谢酶的活性发挥生理调节功能。例如，植物乳植杆菌H31-2产EPS主要由甘露糖和葡萄糖组成，能够有效抑制胰腺α-淀粉酶的活性，在II型糖尿病的预防中具有一定应用价值。HZB-30产EPS中葡萄糖和甘露糖占比接近50%，而分子质量低于植物乳植杆菌H31-2产EPS分子质量。另外HZB-30产EPS中部分羧基在水溶液中发生电离，带负电荷，能够吸引蛋白质中带正电荷的残基，有助于与XO的活性位点结合，抑制XO的催化活性。

在体外模拟消化过程中，虽然HZB-30产EPS可以在模拟唾液和模拟胃液中保持较高的XO抑制率，但胰酶可以降解EPS，降低XO抑制活性。研究发现，两株乳酸菌（植物乳植杆菌LZ-R-5和戊糖乳杆菌LZ-R-17）产EPS在模拟胃肠道消化中表现出较强的稳定性，虽然释放了少量单糖，但其主要结构并未受到显著影响。因此，乳酸菌属产EPS在模拟消化过程中可以在一定程度上保持结构完整，在消化后仍具有一定的生物学活性。然而，HZB-30产EPS是一种复杂的杂多糖，主要由葡萄糖、半乳糖等单糖组成，并含有少量的糖醛酸和氨基糖，这种单糖组成特点对生物学活性的影响尚未明确，尤其是与肠道微生物和宿主细胞的相互作用及其对生物学活性的影响仍有待进一步研究。

3 HZB-30产EPS的降尿酸作用

本研究通过腺苷诱导并外源添加XO建立高尿酸HK-2细胞模型，分析HZB-30产EPS的降尿酸作用。如图6所示，加入腺苷和XO后，细胞上清液中的尿酸浓度显著升高，达到43.7 μmol/L，远高于无腺苷无XO组和无腺苷有XO组，表明高尿酸HK-2细胞模型构建成功。为了评估HZB-30产EPS在高尿酸HK-2细胞模型中的降尿酸作用，以别嘌呤醇为阳性对照，明确EPS的安全浓度，结果如图7所示。当EPS质量浓度为0～40 μg/mL、别嘌呤醇质量浓度为0～20 μg/mL时，HK-2细胞存活率无显著差异（P＞0.05），高于95%。尽管在EPS质量浓度为60 μg/mL时，HK-2细胞存活率有所降低（P＜0.05），但该质量浓度仍被视为EPS的上限质量浓度，并作为实验组进行添加，以便全面评估不同EPS质量浓度对细胞的影响。

如图8所示，不同质量浓度EPS和别嘌呤醇均无法完全将细胞培养液中的尿酸降低至正常水平。然而，相比于模型组，40、60 μg/mL的EPS和20 μg/mL别嘌呤醇可以显著降低尿酸水平（P＜0.05），且60 μg/mL EPS的效果与20 μg/mL别嘌呤醇的效果接近（P＞0.05）。因此，HZB-30产EPS进入HK-2细胞后，能够有效减少尿酸生成。

由于过量的可溶性尿酸可通过多种机制引发炎症反应，导致大量促炎细胞因子的生成，如TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-8。所以，本研究从细胞炎症因子生成的角度，进一步探究HZB-30产EPS的降尿酸作用（图9）。与空白组相比，模型组的促炎细胞因子含量显著升高（P＜0.05），而20 μg/mL别嘌呤醇的加入能够有效降低这些促炎细胞因子的水平，减轻因尿酸过量堆积而引发的炎症反应。添加HZB-30产EPS后，促炎细胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-8的生成均发生变化。当EPS的质量浓度为20～60 μg/mL时，促炎细胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6的质量浓度均显著下降（P＜0.05），并具有明显的剂量依赖关系；IL-8的水平仅在EPS为40 μg/mL时显著下降（P＜0.05），EPS质量浓度为20 μg/mL和60 μg/mL时，IL-8的水平没有显著变化（P＞0.05）。

本研究成功建立了高尿酸HK-2细胞模型，有腺苷有XO组的尿酸含量与其他研究中利用同种方法建立的细胞模型的尿酸水平相符，证实该模型的可靠性。随着EPS的质量浓度增加，其降尿酸作用也显著增强（P＜0.05）。玉米花丝多糖的XO抑制率为50.2%，在高尿酸HK-2细胞模型中展现出显著的降尿酸效果。另一项研究发现白参菌多糖具有较强的XO抑制活性，在高尿酸大鼠模型中，通过促进肾脏尿酸代谢，显著降低血清尿酸水平。因此，HZB-30产EPS体外XO抑制活性是其在细胞水平上发挥降尿酸作用的基础。

研究表明，HK-2细胞中的尿酸可以激活核因子-κB（NF-κB）、细胞外调节蛋白激酶、c-Jun氨基末端激酶和p38丝裂原活性蛋白激酶等信号通路，上调核苷酸结合寡聚化结构域样受体家族含pyrin结构域蛋白3（NLRP3）、凋亡相关斑点样蛋白含半胱天冬酶激活与募集结构域、Caspase-1和IL-18的mRNA及蛋白的表达水平，导致炎症反应发生。然而，褐藻多糖硫酸酯能够有效降低促炎细胞因子水平，抑制NLRP3炎性体的表达，阻碍NF-κB信号通路的活化。植物乳植杆菌具有明显的降尿酸和抗炎作用。例如，植物乳植杆菌LLY-606能够调节肠道菌群，阻断Toll样受体4/髓样分化主要反应基因88/NF-κB信号通路，显著降低高尿酸小鼠的血清尿酸水平和减轻炎症反应。

单糖组成与多糖的生物学活性密切关系，特别是含有葡萄糖和半乳糖的EPS具有多种生理调节功能。植物乳植杆菌1.0665产EPS分子质量为95 276 Da，由甘露糖、葡萄糖和半乳糖组成，具有一定XO抑制活性。分子质量为17.5 kDa的金银花多糖，主要由葡萄糖醛酸、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖和木糖组成，在高尿酸大鼠模型中可以抑制XO活性，降低血清尿酸含量，减少IL-1β、IL-6、TNF-α和环氧合酶-2等炎症因子的生成。HZB-30产EPS的分子质量较小，葡萄糖和半乳糖含量较高，通过降低促炎细胞因子的生成和结合XO活性位点，抑制XO活性，减少尿酸生成。

结论

本研究通过对奶豆腐中的乳酸菌进行筛选，获得了1 株高产EPS乳酸菌，通过对形态学特征、理化特性和基因组的分析，确定其为植物乳植杆菌，命名为HZB-30。该菌株在发酵过程中表现出较强的增殖和产酸能力，在稳定期内持续产EPS，质量浓度高达230.66 mg/L。HZB-30产EPS主要由单糖（葡萄糖和半乳糖）组成，分子质量较小，具有较高的XO抑制率及消化稳定性。在高尿酸HK-2细胞模型中，HZB-30产EPS通过降低促炎细胞因子水平，减少尿酸生成，具有较强的降尿酸作用。本研究可为HZB-30产EPS在降尿酸功能食品中的应用奠定理论基础。

本文《植物乳植杆菌-30产胞外多糖的结构表征及降尿酸作用》来源于《食品科学》2025年46卷第9期148-155页，作者： 韩冬, 张佳辉, 江正强， 常畅 * 。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20241031-211. http://www.spkx.net.cn 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：申婧婧；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。