Re: lactic acid 박테리아 fermentation --＞ EPS 2024년

[문형철]

Foods

. 2024 May 23;13(11):1621. doi: 10.3390/foods13111621

Biological Activity of Lactic Acid Bacteria Exopolysaccharides and Their Applications in the Food and Pharmaceutical Industries

Shengnan Liang 1, Xinyu Wang 1, Chun Li 1,2,*, Libo Liu 1

Editor: Célia CG Silva

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PMCID: PMC11172363  PMID: 38890849

Abstract

Exopolysaccharides are natural macromolecular bioactive substances produced by lactic acid bacteria. With their unique physiological activity and structural characteristics, they are gradually showing broad application prospects in the food and pharmaceutical industries. Exopolysaccharides have various biological functions, such as exerting antioxidant and anti-tumor activities and regulating gut microbiota. Meanwhile, as a food additive, exopolysaccharides can significantly enhance the taste and quality of food, bringing consumers a better eating experience. In the field of medicine, exopolysaccharides have been widely used as drug carriers due to their non-toxic properties and good biocompatibility. This article summarizes the biological activities of exopolysaccharides produced by lactic acid bacteria, their synthesis, and their applications in food and pharmaceutical industries, aiming to promote further research and development in this field.

요약

외부 다당류는 젖산균에 의해 생성되는

천연의 거대 분자 생리 활성 물질입니다.

독특한 생리 활성과 구조적 특성으로 인해

식품 및 제약 산업에서 폭넓은 응용 가능성이 점차 드러나고 있습니다.

외부 다당류는

항산화 및 항종양 활성을 발휘하고

장내 미생물군을 조절하는 등 다양한 생물학적 기능을 가지고 있습니다.

한편, 식품 첨가물로 사용될 경우

식품의 맛과 품질을 크게 향상시켜 소비자에게 더 나은 식사 경험을 제공합니다.

의학 분야에서는 비독성 특성과 우수한 생체적합성으로 인해

약물 전달체로 널리 활용되고 있습니다.

이 논문은 젖산균에 의해 생산된 외부 다당류의

생물학적 활성, 합성 방법, 식품 및 제약 산업에서의 응용을 요약하여

이 분야의 추가 연구 및 개발을 촉진하는 것을 목표로 합니다.

Keywords: lactic acid bacteria, exopolysaccharides, biosynthesis pathways, biological activity, food and medical applications

1. Introduction

Lactic acid bacteria (LAB) are a type of Gram-positive bacteria that can survive in acidic environments and ferment carbohydrates. They include multiple genera, with Lactobacillus being the largest genus [1]. Previous studies have shown that LAB possess multiple physiological functions, including strengthening the intestinal mucosa, enhancing immune regulatory capacity, improving the antioxidant capacity of the body, reducing cholesterol, and resisting biofilm [2]. In addition, studies have revealed that these features of LAB are closely related to the molecules produced by their metabolism, such as bacteriocins and exopolysaccharides (EPSs). Among them, EPSs have attracted much attention due to their unique properties and functions and have become a research hotspot. The research conducted by Garcia-Castillo et al. [3] found that Limosilactobacillus fermentum UCO-979C has the ability to regulate the innate immune response in the stomach and affect its anti-inflammatory activity due to its production of EPS.

LAB, widely acknowledged as food-grade microorganisms for their general safety, are similarly considered harmless when it comes to the EPS they produce. The production of EPS is closely related to the growth and metabolism of LAB. Bacteria can produce capsular polysaccharides (K-antigens) (CPSs) and EPSs, wherein CPSs are covalently bound to the cell surface through phospholipid or lipid A molecules, while EPSs are released from the cell surface into the medium, forming a mucus [4]. The main focus of this paper is to introduce EPS.

1. 서론

젖산균(LAB)은

산성 환경에서 생존할 수 있으며

탄수화물을 발효시키는 그람 양성균입니다.

여러 속으로 구성되어 있으며, 

Lactobacillus가 가장 큰 속입니다 [1].

이전 연구들은 LAB가

장 점막 강화, 면역 조절 능력 향상, 신체 항산화 능력 개선, 콜레스테롤 감소, 생물막 저항성 등 다

양한 생리적 기능을 갖는다는 것을 보여주었습니다 [2].

또한, 이러한 LAB의 특성은 대사 과정에서 생성되는 분자,

예를 들어 박테리오신과 외부 다당류(EPS)와 밀접하게 관련되어 있습니다.

그 중 EPS는

독특한 특성 및 기능으로 인해 많은 관심을 받으며

연구의 핫이슈로 부상했습니다.

Garcia-Castillo 등[3]의 연구는 

Limosilactobacillus fermentum UCO-979C가 EPS 생산을 통해

위의 선천적 면역 반응을 조절하고 항

염증 활성에 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다.

식품 등급 미생물로 널리 인정받는 LAB는

EPS 생산 측면에서도 무해한 것으로 간주됩니다.

EPS의 생산은

LAB의 성장과 대사 과정과 밀접하게 연관되어 있습니다.

세균은 캡슐 다당류(K-항원)(CPS)와 EPS를 생산할 수 있으며,

CPS는 인산지질 또는 지질 A 분자를 통해 세포 표면에 공액 결합되어 있으며,

EPS는 세포 표면에서 매질로 방출되어 점액층을 형성합니다[4].

본 논문의 주요 초점은

EPS를 소개하는 것입니다.

EPS produced by LAB has attracted much attention due to its rich biological activities, including antioxidation [5], immune regulation [6], antibacterial action [7], hypoglycemic properties [8], intestinal microbiota regulation [9], and anti-tumor properties [10]. These characteristics make EPSs produced by LAB have broad application prospects in the fields of health care products, therapeutic drug additives, and adjuvant therapy for inflammation and cancer. In addition, EPS plays a crucial biological role in the body, protecting bacterial cells from antibiotics and toxic compounds while promoting adhesion to eukaryotic cells, thereby effectively obtaining nutrients [11]. Therefore, EPS produced by LAB has demonstrated tremendous potential in the pharmaceutical industry and is considered to have significant benefits for human health. With further research, the application value and medical significance of EPS produced by LAB will be further explored and utilized. EPS plays a significant role in the food industry, where it is widely used and exhibits multiple functional properties. Apart from its emulsifying [12], thickening, and stabilizing properties [13], EPS can also impart ideal rheological characteristics, firmness, taste, and texture to food products. For instance, it can increase the viscosity of food, reduce dehydration and shrinkage, and improve hardness [14]. It is worth noting that EPS produced in situ by LAB can reduce or eliminate the dependence on food additives, thus optimizing the food production process while also catering to modern consumers’ preference for reduced additive usage. Therefore, the application of EPS produced by LAB in the food industry not only greatly improves the quality and taste of food but also perfectly aligns with consumers’ pursuit of healthy and natural food.

The advantages exhibited by EPS in terms of activity and structure have also been applied in the pharmaceutical industry. To further explore the diversity of EPS and promote its effective application, this review delves into the biological activities of EPS produced by LAB and systematically summarizes the potential of EPS in the food and pharmaceutical industries. By systematically organizing relevant theoretical knowledge, we aim to enhance people’s understanding and application of EPS, providing strong support for its application.

LAB가 생산하는 EPS는

항산화[5], 면역 조절[6], 항균 작용[7], 혈당 강하 효과[8], 장 미생물군 조절[9], 항종양 효과[10] 등

풍부한 생물학적 활성으로 인해 많은 관심을 받고 있습니다.

이러한 특성으로 인해

LAB에서 생성된 EPS는

건강 기능 식품, 치료제 첨가제, 염증 및 암 치료 보조 요법 등

다양한 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다.

또한 EPS는

체내에서 세균 세포를 항생제와 독성 화합물로부터 보호하며

진핵 세포와의 부착을 촉진하여 영양분을 효과적으로 흡수하는 데

중요한 생물학적 역할을 합니다[11].

따라서

LAB에 의해 생성된 EPS는

제약 산업에서 엄청난 잠재력을 보여주었으며

인간 건강에 중요한 혜택을 제공할 것으로 기대됩니다.

추가 연구를 통해 L

AB에 의해 생성된 EPS의 응용 가치와 의학적 중요성이 더욱 탐구되고 활용될 것입니다.

EPS는 식품 산업에서 널리 사용되며 다양한 기능적 특성을 나타냅니다. 유화[12], 증점, 안정화 특성[13] 외에도 EPS는 식품에 이상적인 유변학적 특성, 단단함, 맛, 텍스처를 부여할 수 있습니다.

예를 들어, 식품의 점도를 증가시키고 탈수 및 수축을 줄이며 경도를 개선할 수 있습니다[14]. 특히 LAB에 의해 현장 생산된 EPS는 식품 첨가물에 대한 의존도를 줄이거나 제거할 수 있어, 식품 생산 과정을 최적화하면서 현대 소비자의 저첨가물 선호 트렌드에도 부응합니다. 따라서 LAB에 의해 생산된 EPS의 식품 산업 적용은 식품의 품질과 맛을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 소비자의 건강하고 자연스러운 식품에 대한 추구와 완벽히 일치합니다.

EPS의 활성과 구조적 장점은 제약 산업에서도 적용되었습니다. EPS의 다양성을 더욱 탐구하고 효과적인 적용을 촉진하기 위해, 본 리뷰는 LAB에 의해 생성된 EPS의 생물학적 활성을 조사하고 식품 및 제약 산업에서의 잠재력을 체계적으로 요약합니다. 관련 이론적 지식을 체계적으로 정리함으로써, EPS에 대한 이해와 적용을 높이고 그 적용에 강력한 지원을 제공하기 위해 노력합니다.

2. Biosynthesis of EPS Produced by LAB

All LAB share similar EPS biosynthesis methods [15], including extracellular synthesis and intracellular synthesis pathways (Figure 1). The extracellular synthesis pathway mainly relies on sucrase: under the action of extracellular sucrase, the precursors obtained from the cleavage of sucrose molecules are assembled extracellularly to produce EPS. The reaction formula is as follows: sucrose →β-2,6- levan + D-glucose [16]. This pathway mainly forms homo-polysaccharides, which are composed of repeated units of the same type of monosaccharide and are connected to form linear or branched structures [17]. The EPS synthesized by LAB is mainly composed of α-D-glucans with linear backbones, especially in Leuconostoc and Weissella species [18]. The intracellular synthesis pathway mainly includes the following three types: (1) The first is the Wzx/Wzy-dependent pathway [19], which is mainly involved in the synthesis of capsular polysaccharides. Firstly, the glycosyl is actively transported from the extracellular space into the intracellular space and connects with the carrier on the cell membrane to form undecaprenyl pyrophosphate (Und-P). Subsequently, the glycosyl units are linked to produce repeating units and transferred from the intracellular space to the extracellular space under the action of Wzx flippase. After modification, the polysaccharides are polymerized by Wzy protein. (2) The second is the ABC transporter-dependent pathway [20]. In this pathway, free glycosyl units bind to Und-P on the cell membrane and are continuously catalyzed to form complete polysaccharides. Subsequently, the exocytosis pump complex located on the inner membrane transports them across the inner membrane to the cell surface. (3) The third is the synthetase-dependent pathway [19]. This pathway can secrete intact polymer chains without relying on flippases. Polymerization and translocation are completed by synthetases or membrane subunits, and they are often used for the assembly of homopolymers from monosaccharide precursors. This pathway mainly synthesizes hetero-polysaccharides, which are composed of repeated units of different monosaccharides, such as pentoses (D-ribose, D-arabinose, D-xylose), hexoses (D-glucose, D-galactose, D-mannose), N-acetylated monosaccharides (N-acetylglucosamine and N-acetylgalactosamine), or uronic acids (D-glucuronic acid and D-galacturonic acid) [21,22]. Hetero-polysaccharides are mainly produced by Lacticaseibacillus casei, Latilactobacillus sakei, Lacticaseibacillus rhamnosus, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, Lactobacillus helveticus, and Streptococcus salivarius subsp. thermophilus, among others [23].

2. LAB에 의해 생성된 EPS의 생합성

모든 LAB는 유사한 EPS 생합성 방법을 공유합니다 [15],

이는 세포외 합성 경로와 세포내 합성 경로로 구분됩니다 (그림 1).

세포외 합성 경로는 주로 설크레이스에 의존합니다:

세포외 설크레이스의 작용으로 설탕 분해로부터 얻어진 전구체가 세포외에서 조립되어 EPS를 생성합니다.

반응식은 다음과 같습니다:

설탕 →β-2,6- 레반 + D-글루코스 [16].

이 경로는 주로 동일한 유형의 단당류 단위로 반복된 구조를 가진 호모-다당류를 형성하며,

선형 또는 분지 구조로 연결됩니다 [17].

LAB에 의해 합성된 EPS는

주로 선형 골격을 가진 α-D-글루칸으로 구성되며,

특히 Leuconostoc 및 Weissella 종에서 두드러집니다 [18].

세포 내 합성 경로는 주로 다음과 같은 세 가지 유형으로 구분됩니다:

(1) 첫 번째는 Wzx/Wzy 의존적 경로 [19]로, 주로 캡슐 다당류 합성에 관여합니다. 먼저 글리코실은 세포 외 공간에서 세포 내 공간으로 능동적으로 운반되어 세포막상의 운반체와 결합하여 언데카프레닐 피로인산염 (Und-P)을 형성합니다. 이후 글리코실 단위는 Wzx 플립아제(flippase)의 작용으로 반복 단위로 연결되어 세포 내 공간에서 세포 외 공간으로 이동합니다. 수정 후 다당류는 Wzy 단백질에 의해 중합됩니다.

(2) 두 번째는 ABC 운반체 의존적 경로[20]입니다. 이 경로에서 자유로운 글리코실 단위는 세포막상의 Und-P에 결합하여 지속적으로 촉매되어 완전한 다당류로 형성됩니다. 이후 내막에 위치한 엑소시토시스 펌프 복합체가 이를 내막을 통해 세포 표면으로 운반합니다.

(3) 세 번째는 합성효소 의존적 경로 [19]입니다. 이 경로는 플리파제에 의존하지 않고 완전한 중합체 사슬을 분비할 수 있습니다. 중합과 수송은 합성효소나 막 서브유닛에 의해 완료되며, 이는 단당류 전구체로부터 동형 다당류의 조립에 자주 사용됩니다. 이 경로는 주로 이종 다당류를 합성하며, 이는 서로 다른 단당류의 반복 단위로 구성됩니다. 예를 들어 펜토스(D-리보스, D-아라비노스, D-크시로스), 헥소스(D-글루코스, D-갈락토스, D-만노스), N-아세틸 단당류(N-아세틸글루코사민과 N-아세틸갈락토사민) 또는 우론산(D-글루루론산과 D-갈락투론산)으로 구성됩니다 [21,22]. 헤테로폴리사카라이드는 주로 Lacticaseibacillus casei, Latilactobacillus sakei, Lacticaseibacillus rhamnosus, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, Lactobacillus helveticus 및 Streptococcus salivarius subsp. thermophilus 등에 의해 생성됩니다 [23].

Figure 1.

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The biosynthetic pathway of EPS produced by LAB. Note: (A) Wzx/Wzy-dependent pathway. (B) ABC transporter-dependent pathway. (C) Synthase-dependent pathway. (D) Extracellular synthesis pathway.

The synthesis of EPS produced by LAB is a complex biological process that is strictly regulated by specific EPS gene clusters. These gene clusters may be located on the chromatin or plasmids of LAB [24]. Structurally, the EPS gene cluster is usually located in an operon of 11–22 kb and consists of 13–23 specific functional regions [25]. Genes related to EPS production can be divided into three categories: genes encoding the biosynthetic pathway of nucleotide sugars or other components, genes encoding glycosyltransferases, and genes required for oligosaccharide or polysaccharide processing [26]. In the EPS gene cluster of LAB, epsA, epsB, epsC, epsD, and epsE exhibit high conservation and stability [27]. The EPS gene clusters among different strains exhibit diversity, leading to differences in EPS characteristics. Deo et al. [28]. analyzed 106 gene clusters from 27 species of LAB. Their findings revealed that, while epsA, epsB, epsC, epsD, and epsE showed high conservation, gt, wzx, and wzy exhibited significant variability in terms of the number and composition of protein families.

LAB에 의해 생성되는 EPS의 합성은

특정 EPS 유전자 클러스터에 의해 엄격히 조절되는

복잡한 생물학적 과정입니다.

이러한 유전자 클러스터는

LAB의 염색질 또는 플라스미드에 위치할 수 있습니다 [24].

구조적으로, EPS 유전자 클러스터는

일반적으로 11–22 kb의 오페론에 위치하며 13–23개의 특정 기능 영역으로 구성됩니다 [25].

EPS 생산과 관련된 유전자는 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다:

뉴클레오티드 당 또는 기타 구성 요소의 생합성 경로를 암호화하는 유전자,

글리코실전달효소를암호화하는 유전자,

올리고사카라이드 또는 폴리사카라이드 처리와 관련된 유전자 [26].

LAB의 EPS 유전자 클러스터에서 epsA, epsB, epsC, epsD, 및 epsE는

높은 보존성과 안정성을 보여줍니다 [27].

다양한 균주 간의 EPS 유전자 클러스터는 다양성을 보이며,

이는 EPS 특성의 차이를 초래합니다.

Deo 등 [28].은 27종의 LAB에서 106개의 유전자 클러스터를 분석했습니다.

그들의 연구 결과, epsA, epsB, epsC, epsD, 및 epsE는 높은 보존성을 보였으나, g

t, wzx, 및 wzy는 단백질 가족의 수와 구성 측면에서 상당한 변이성을 나타냈습니다.

3. The Biological Activity of EPS Produced by LAB

As a unique bioactive substance, EPS produced by LAB exhibits a wide range of biological activities (Figure 2A). EPS produced by LAB can regulate the immune response of the body, increase the ability to resist pathogens, and exert antioxidant effects to protect cells from the damage caused by free radicals. In addition, its role in maintaining intestinal health and promoting microbial balance cannot be ignored. These rich biological activities make EPS produced by LAB have broad application prospects in the fields of medicine, health products, and food.

3. LAB에 의해 생성된 EPS의 생물학적 활성

LAB에 의해 생성된 EPS는 독특한 생물활성 물질로 다양한 생물학적 활성을 나타냅니다(그림 2A). LAB에 의해 생성된 EPS는 신체 면역 반응을 조절하고 병원체 저항 능력을 향상시키며, 자유 라디칼로 인한 세포 손상을 방지하는 항산화 효과를 발휘합니다. 또한 장 건강 유지와 미생물 균형 촉진에 대한 역할도 무시할 수 없습니다. 이러한 풍부한 생물학적 활성은 LAB에 의해 생성된 EPS가 의학, 건강 제품, 식품 분야 등에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있음을 보여줍니다.

Figure 2.

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(A) The biological activity of EPS produced by LAB. (B) The mechanism of EPS regulating immune and anti-tumor activity. (C) The application of EPS produced by LAB in medicine.

3.1. Antioxidant

Superoxide anion, hydroxyl radical, hydrogen peroxide radical, and nitric oxide, as single-electron reduction products of oxygen in the body, are collectively referred to as reactive oxygen species (ROS). They are ubiquitous in organisms and are inevitable products of normal cell metabolism. At appropriate concentrations, ROS are crucial for maintaining normal life activities of the body. However, when the concentration of ROS is too high, they can cause damage to biological molecules such as lipids and proteins, leading to a series of diseases including diabetes, cancer, atherosclerosis, liver disease, and chronic degenerative diseases [29]. Studies have shown that the intake of natural antioxidants can help reduce the risk of chronic diseases [30]. In recent years, EPS have garnered widespread attention for their remarkable in vitro antioxidant activity. These polysaccharides not only bolster cellular defense mechanisms but also effectively neutralize free radicals and mitigate oxidative damage triggered by ROS, safeguarding cells from harm [31].

The antioxidant capacity of EPS is closely related to elements of the environment, such as pH, temperature, oxygen content, and the types of carbon and nitrogen sources [6]. Amiri et al. [32] conducted a thorough study on the production of EPS from Lactobacillus acidophilus LA5 and Bifidobacterium animalis subsp. lactis BB12, focusing on screening the three key variables of incubation temperature, fermentation time, and yeast extract concentration. The research results indicated that these variables have a significant impact on the production of EPS. By optimizing these conditions, the yield of EPS can be effectively increased. Furthermore, the EPS produced by L. acidophilus LA5 and B. animalis subsp. lactis BB12 possesses potential applications as a natural antioxidant and bioactive additive. The antioxidant capacity of EPS is closely related to its structure. As Xiao et al. [33] have demonstrated, modified EPS, especially sulfated EPS, exhibits stronger antioxidant capability. Liu et al. [34]. also demonstrated that sulfated EPS exhibits stronger antioxidant capability, enhancing the activities of antioxidant-related enzymes (superoxide dismutase, catalase, and glutathione peroxidase) as well as the expression‎ of genes (SODS, GPX2, and MT1M) in Caco-2 cells. There is controversy regarding the impact of molecular weight on the antioxidant capacity of EPS. Some scholars believe that low molecular weight promotes the exposure of hydrogen bonds in active fragments in the environment but that low molecular weight may also affect the binding of configuration-related enzymes and signals [35]. Moreover, the antioxidant capacity of EPS is also related to its monosaccharide composition. EPS rich in fucose, ribose, arabinose, and rhamnose is considered to have stronger antioxidant capability [36]. The presence of uronic acid gives EPS a negative charge, which can activate the hydrogen atoms of sugar residues through electric fields and induction, thus enhancing the ability to scavenge free radicals [37]. Yue et al. [38]. tested the antioxidant capacity of three purified components of EPS, and through correlation analysis, they also proved that the main factors affecting the antioxidant capacity of EPS are structure, molecular weight, and monosaccharide composition. EPS produced by LAB has been proven to be an effective natural antioxidant that can significantly counteract the oxidative stress caused by free radicals. Compared to synthetic antioxidants, naturally sourced antioxidants such as extracellular polysaccharides have unique advantages. Synthetic antioxidants may have potential toxicities and side effects, while natural antioxidants possess better biocompatibility and safety [39,40]. The EPS extracted from Lactiplantibacillus plantarum by Liu et al. [34] possesses excellent superoxide and hydroxyl radical scavenging abilities, effectively protecting Caco-2 cells from H2O2 damage and upregulating enzymes that produce antioxidants. Li et al. [41] Li et al., purified the EPS produced by Lactobacillus helveticus into three components, which had similar molecular weights and were composed of galactose, glucose, and mannose. The results showed that both crude EPS and purified EPS exhibited strong free radical scavenging activity, and the antioxidant capacity of crude EPS was stronger than that of purified EPS. The above research results indicate that the EPS produced by LAB exhibits significant activity in antioxidant aspects.

3.1. 항산화

초산화 이온, 하이드록실 라디칼, 과산화수소 라디칼, 및 질산산화물은 체내에서 산소의 단일 전자 환원 산물로, 반응성 산소 종(ROS)으로 통칭됩니다. 이들은 모든 생물체에 널리 존재하며 정상적인 세포 대사 과정에서 불가피하게 생성되는 물질입니다. 적절한 농도에서 ROS는 신체 정상 생명 활동 유지에 필수적입니다. 그러나 ROS 농도가 과도하게 증가하면 지질과 단백질 등 생물학적 분자에 손상을 입혀 당뇨병, 암, 동맥경화, 간 질환, 만성 퇴행성 질환 등 다양한 질병을 유발할 수 있습니다 [29]. 연구 결과, 자연 항산화제의 섭취가 만성 질환 위험을 감소시키는 데 도움이 된다는 것이 밝혀졌습니다 [30]. 최근 몇 년간 EPS는 뛰어난 체외 항산화 활성으로 인해 광범위한 관심을 받았습니다. 이 다당류는 세포 방어 메커니즘을 강화할 뿐만 아니라 자유 라디칼을 효과적으로 중화시키고 ROS에 의해 유발된 산화 손상을 완화하여 세포를 보호합니다 [31].

EPS의 항산화 능력은

pH, 온도, 산소 함량, 탄소 및 질소 원천의 유형과 같은

환경 요인과 밀접하게 관련되어 있습니다 [6].

Amiri 등 [32]은

Lactobacillus acidophilus LA5와 Bifidobacterium animalis subsp. lactis BB12에서 EPS 생산을 대상으로

배양 온도, 발효 시간, 효모 추출물 농도 등

세 가지 주요 변수를 중심으로 상세한 연구를 진행했습니다.

연구 결과, 이러한 변수가

EPS 생산에 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

이러한 조건을 최적화하면 EPS의 수율을 효과적으로 증가시킬 수 있습니다. 또한, L. acidophilus LA5 및 B. animalis subsp. lactis BB12에서 생산된 EPS는 천연 항산화제 및 생물활성 첨가제로서의 잠재적 응용 가능성을 가지고 있습니다. EPS의 항산화 능력은 그 구조와 밀접하게 관련되어 있습니다. Xiao 등 [33]이 입증한 바와 같이, 특히 황산화 EPS는 더 강한 항산화 능력을 나타냅니다. Liu 등 [34].도 황산화 EPS가 더 강한 항산화 능력을 보여주며, Caco-2 세포에서 항산화 관련 효소(슈퍼옥사이드 디스뮤타제, 카탈라제, 글루타티온 과산화효소)의 활성과 유전자(SODS, GPX2, MT1M)의 발현을 증진시킨다는 것을 입증했습니다. EPS의 항산화 능력에 대한 분자량의 영향에 대해서는 논란이 있습니다. 일부 연구자들은 저분자량이 활성 단편의 수소 결합 노출을 촉진하지만, 저분자량이 구조 관련 효소 및 신호와의 결합에도 영향을 미칠 수 있다고 주장합니다 [35]. 또한 EPS의 항산화 능력은 단당류 구성과도 관련이 있습니다. 푸코스, 리보스, 아라비노스, 라만노스가 풍부한 EPS는 더 강한 항산화 능력을 갖는 것으로 알려져 있습니다 [36]. 우론산은 EPS에 음전하를 부여하여 전기장과 유도 현상을 통해 당 잔기의 수소 원자를 활성화시켜 자유 라디칼 제거 능력을 향상시킵니다 [37]. Yue 등 [38]은 EPS의 세 가지 정제된 성분의 항산화 능력을 테스트했으며, 상관 분석을 통해 EPS의 항산화 능력에 영향을 미치는 주요 요인이 구조, 분자량, 단당류 구성임을 입증했습니다. LAB에 의해 생성된 EPS는 자유 라디칼에 의해 유발된 산화 스트레스를 크게 억제하는 효과적인 천연 항산화제로 입증되었습니다. 합성 항산화제와 비교할 때, 세포외 다당류와 같은 천연 항산화제는 독특한 장점을 가지고 있습니다. 합성 항산화제는 잠재적인 독성과 부작용을 가질 수 있지만, 천연 항산화제는 우수한 생체 적합성과 안전성을 갖추고 있습니다 [39,40]. Liu 등[34]이 Lactiplantibacillus plantarum에서 추출한 EPS는 우수한 슈퍼옥사이드 및 하이드록실 라디칼 제거 능력을 갖추고 있으며, Caco-2 세포를 H2O2 손상으로부터 효과적으로 보호하고 항산화 물질을 생성하는 효소의 발현을 증가시켰습니다. Li 등 [41] Li 등, Lactobacillus helveticus에서 생산된 EPS를 세 가지 성분으로 정제했으며, 이 성분들은 유사한 분자량을 가지고 갈락토스, 글루코스, 만노스로 구성되었습니다. 결과적으로 원료 EPS와 정제된 EPS 모두 강한 자유 라디칼 제거 활성을 보였으며, 원료 EPS의 항산화 능력이 정제된 EPS보다 더 강했습니다. 위 연구 결과는 LAB에서 생산된 EPS가 항산화 측면에서 유의미한 활성을 나타낸다는 것을 보여줍니다.

3.2. Immunoregulation

The immune response is an extremely complex and delicate process, involving precise regulation of numerous anti-inflammatory cytokines, cytokine inhibitors, and other molecules. These molecules play a crucial role in the balance and coordination of the immune system, jointly maintaining the healthy state of the body [42]. The importance of the innate immune system, as the first line of defense for the host against invasion by foreign pathogens, is self-evident. Among them, phagocytes such as macrophages, granulocytes, and monocytes play an indispensable role. They can quickly identify and phagocytize pathogens and trigger inflammation and host defense responses, thus effectively preventing the further invasion and spread of pathogens [43]. EPS regulates the immune function of the body through multiple pathways, thereby enhancing the host’s resistance to pathogens (Figure 2B). Firstly, EPS can activate immune cells such as macrophages, B lymphocytes, and T lymphocytes [44]. EPS binds to receptors on the surface of immune cells, triggering signal transduction pathways and subsequently activating the activity of immune cells. Activated immune cells can more effectively perform their functions, such as phagocytizing pathogens and secreting cytokines, thereby enhancing the immune response of the body. Monocytes are an important type of phagocyte that can phagocytize and clear pathogens and harmful substances in the body. EPS helps the body more effectively eliminate pathogens and reduce the risk of infection by enhancing the phagocytic activity of monocytes. In addition, EPS can also affect the secretion of immune factors by macrophages, such as TNF-α, IL-2, IL-6, and IL-10 [45]. Immunocytokines are an important class of signaling molecules that can regulate the activity and function of immune cells. By influencing the secretion of immunocytokines, EPS further regulates the immune response of the body. Lastly, the EPS produced by LAB promotes the differentiation of dendritic cells, facilitate their binding with immune factors, and further induces the differentiation of naive T cells into regulatory T cells, suppressing the regulatory response of T cells [6].

Activating immune cells can make them have stronger antigen recognition and killing abilities. As immune cells are activated to a higher degree, their ability to enhance their own functions and release immunomodulatory factors becomes stronger, thereby further boosting the immune capacity of the body. Zhang et al. [46] found that L. plantarum YW11 has several beneficial effects. It can effectively alleviate DSS-induced colitis; notably decrease the production of proinflammatory cytokines such as TNF-α, IL-1β, IL-6, IFN-γ, IL-12, and IL-18; enhance the production of the anti-inflammatory cytokine IL-10; and significantly improve intestinal microbiota. The study by Ciszek-Lenda et al. [47] delved into the impact of EPS produced by Lacticaseibacillus rhamnosus KL37 on inflammatory mediators in mouse peritoneal macrophages. These authors conducted a comparative analysis of the effects of EPS and lipopolysaccharides and revealed an association between EPSs and lipopolysaccharides in activating mitogen-activated protein kinases. The experimental results showed that this EPS can stimulate the production of proinflammatory cytokines and anti-inflammatory cytokines in mouse peritoneal macrophages, thus regulating inflammatory responses. Wang et al. [48] found in their research that EPS possesses significant immunomodulatory activity, which can improve the survival rate of RAW264.7 cells and enhance their phagocytic function, thereby promoting the production of NO and cytokines. Another study suggests that EPS with a higher molecular weight exhibits stronger immune activity, which can be demonstrated by the phagocytic ability of macrophages and the release of NO [49]. Wallimann et al. [50] discovered that EPS can inhibit the formation of osteoclasts from mouse bone marrow precursor cells under both normal and inflammatory conditions while promoting the deposition of mineralized matrix in osteoblasts. However, the inhibitory effect can be attenuated or blocked by TLR2 antibodies or MyD88 osteoclast precursors, suggesting that the mechanism of EPS is related to the TLR2 and MyD88 signaling pathways.

3.2. 면역 조절

면역 반응은

수많은 항염증성 사이토킨, 사이토킨 억제제 및 기타 분자의

정밀한 조절을 포함하는 극히 복잡하고 섬세한 과정입니다.

이러한 분자들은

면역 체계의 균형과 협응력을 유지하는 데 결정적인 역할을 하며,

신체 건강 상태를 공동으로 유지합니다 [42].

선천성 면역 체계는

외래 병원체의 침입에 대한 호스트의 첫 번째 방어선으로서의 중요성은 자명합니다.

이 중 대식세포, 과립구, 단핵구 등 식세포는 필수적인 역할을 합니다.

이들은 병원체를 신속히 식별하고 식균 작용을 통해 제거하며 염증과 호스트 방어 반응을 유발하여 병원체의 추가 침입과 확산을 효과적으로 방지합니다 [43].

EPS는

다중 경로를 통해 신체 면역 기능을 조절하여

호스트의 병원체 저항력을 강화합니다 (그림 2B).

첫째, EPS는 대식세포, B 림프구, T 림프구와 같은

면역 세포를 활성화합니다 [44].

EPS는 면역 세포 표면의 수용체에 결합하여

신호 전달 경로를 활성화하고 이후 면역 세포의 활동을 촉진합니다.

활성화된 면역 세포는

병원체를 식균작용으로 제거하고 사이토카인을 분비하는 등

기능을 더 효과적으로 수행하여 신체 면역 반응을 강화합니다.

단핵구는

체내에서 병원체와 유해 물질을 식균하고 제거하는 중요한 식균 세포입니다.

EPS는

단핵구의 식균 활성을 강화하여 체내에서 병원체를 더 효과적으로 제거하고 감염 위험을 감소시킵니다.

또한 EPS는

대식세포의 TNF-α, IL-2, IL-6, IL-10 등 면역 인자 분비에도 영향을 미칩니다[45].

면역 사이토킨은

면역 세포의 활동과 기능을 조절하는 중요한 신호 분자입니다.

EPS는 면역 사이토킨의 분비를 조절함으로써

신체의 면역 반응을 더욱 조절합니다.

마지막으로,

LAB에서 생성된 EPS는 ден드리틱 세포의 분화를 촉진하고 면역 인자와의 결합을 용이하게 하며,

이는 다시 미분화 T 세포가 조절 T 세포로 분화되도록 유도하여 T 세포의 조절 반응을 억제합니다 [6].

면역 세포를 활성화하면 항원 인식 및 살상 능력이 강화됩니다. 면역 세포가 더 활성화될수록 자체 기능 강화 및 면역 조절 인자 분비 능력이 강화되어 신체 면역 능력을 더욱 향상시킵니다. Zhang 등 [46]은 L. plantarum YW11이 여러 유익한 효과를 갖는다는 것을 발견했습니다. DSS로 유발된 대장염을 효과적으로 완화하며, TNF-α, IL-1β, IL-6, IFN-γ, IL-12, IL-18 등 염증성 사이토카인의 생산을 현저히 감소시키고, 항염증성 사이토카인 IL-10의 생산을 증가시키며, 장내 미생물군집을 크게 개선합니다. Ciszek-Lenda 등[47]의 연구는 Lacticaseibacillus rhamnosus KL37이 생성한 EPS가 쥐 복막 대식세포의 염증 매개체에 미치는 영향을 조사했습니다. 이 연구진은 EPS와 리포폴리사카라이드의 효과를 비교 분석했으며, EPS와 리포폴리사카라이드가 미토겐 활성화 단백질 키나아제 활성화에 연관되어 있음을 밝혀냈습니다. 실험 결과, 이 EPS는 쥐 복막 대식세포에서 염증성 사이토카인과 항염증성 사이토카인의 생산을 자극하여 염증 반응을 조절하는 것으로 나타났습니다. Wang 등[48]은 연구에서 EPS가 유의미한 면역 조절 활성을 가지고 있으며, RAW264.7 세포의 생존율을 개선하고 식작용 기능을 강화하여 NO 및 사이토카인의 생산을 촉진한다는 사실을 발견했습니다. 또 다른 연구에서는 분자량이 높은 EPS가 더 강한 면역 활성을 나타내며, 이는 대식세포의 식작용 능력과 NO 방출로 입증될 수 있다고 제안되었습니다 [49]. Wallimann 등[50]은 EPS가 정상 및 염증 조건 하에서 마우스 골수 전구세포로부터 골용해세포의 형성을 억제하며, 골아세포에서 광물화 매트릭스의 침착을 촉진한다는 사실을 발견했습니다. 그러나 이 억제 효과는 TLR2 항체나 MyD88 골용해세포 전구세포에 의해 약화되거나 차단될 수 있으며, 이는 EPS의 작용 메커니즘이 TLR2 및 MyD88 신호전달 경로와 관련이 있음을 시사합니다.

3.3. Antitumor Activity

Cancer is one of the main causes of high morbidity and mortality worldwide, and cancer cells are the main component of malignant tumors [51]. In response to this severe health challenge, numerous studies have focused on the anti-tumor activity of EPSs and revealed their mechanisms of action (Figure 2B). Firstly, EPSs exert anti-tumor effects by influencing the blood supply to tumors. Substances such as bacteriocins can cause ischemic necrosis in tumor cell tissue, suggesting that EPS may interfere with the blood supply to tumors through a similar mechanism, thereby inhibiting their growth [52]. Secondly, EPS can induce apoptosis in tumor cells, leading to vacuolation and cytoplasmic condensation in these cells [53]. Furthermore, EPS binds to cell receptors on the intestinal surface, enhancing the homeostasis of the intestinal mucosa and further preventing the spread of tumors. Finally, EPS can also inhibit tumor growth through a combination of various mechanisms, including altering the cell cycle of tumor cells, anti-mutagenesis, anti-oxidation, and anti-inflammatory effects [53]. It is worth noting that EPS exhibits selective toxicity and exerts little toxicity on normal cells [54].

Since Shiomi et al. [55] first reported in 1982 that the EPS produced by LAB has antitumor activity, its unique biological activity has attracted widespread academic attention. Kitazawa et al. [56] have revealed the unique anticancer role of EPS. Experimental results showed that injecting the lyophilized culture containing EPS into the abdominal cavity of tumor-bearing mice produced significant anticancer effects. This discovery strongly suggests that EPS is a key component in the anticancer action of the strain. After carboxymethylation, EPS exhibited a significant inhibitory effect on the proliferation of MCF-7 cells. This finding not only reveals a newly function of carboxymethylated EPS in cell biology but also provides a potential new strategy for cancer treatment [57]. Li et al. [58] discovered that EPS isolated from Limositobacillus fermentum exhibits significant anti-colon-cancer activity. By upregulating the Bax/Bcl-2 ratio, reducing mitochondrial membrane potential, and blocking the PI3K/AKT signaling pathway to arrest the cell cycle in the G1 phase, it can effectively induce apoptosis in colon cancer cells, thereby inhibiting tumor growth. Importantly, this EPS is harmless to normal human cells, demonstrating its tremendous potential as a nutritional drug for the prevention and treatment of colorectal cancer.

3.3. 항종양 활성

암은 전 세계적으로 높은 사망률과 morbidité의 주요 원인 중 하나이며, 암 세포는 악성 종양의 주요 구성 요소입니다 [51]. 이 심각한 건강 문제에 대응하여 수많은 연구가 EPS의 항종양 활성에 초점을 맞추었으며, 그 작용 메커니즘을 밝혀냈습니다 (그림 2B). 첫째, EPS는 종양의 혈액 공급에 영향을 미쳐 항종양 효과를 발휘합니다. 박테리오신과 같은 물질은 종양 세포 조직에서 허혈성 괴사를 유발하며, 이는 EPS가 유사한 메커니즘을 통해 종양의 혈액 공급을 방해함으로써 그 성장을 억제할 수 있음을 시사합니다 [52]. 둘째, EPS는 종양 세포에서 아포토시를 유도하여 이 세포에서 빈 공간 형성 및 세포질 응축을 유발합니다 [53]. 또한 EPS는 장 표면의 세포 수용체에 결합하여 장 점막의 항상성을 강화하고 종양의 확산을 추가로 방지합니다. 마지막으로 EPS는 종양 세포의 세포 주기 변화, 항돌연변이, 항산화, 항염증 효과 등 다양한 메커니즘의 조합을 통해 종양 성장 억제를 유발할 수 있습니다[53]. 주목할 점은 EPS가 선택적 독성을 나타내며 정상 세포에 대한 독성이 거의 없다는 점입니다[54].

Shiomi 등 [55]이 1982년에 LAB에서 생성된 EPS가 항종양 활성을 갖는다는 것을 처음 보고한 이후, 그 독특한 생물학적 활성은 광범위한 학술적 관심을 끌었습니다. Kitazawa 등 [56]은 EPS의 독특한 항암 역할을 규명했습니다. 실험 결과, 종양을 가진 쥐의 복강에 EPS를 함유한 동결건조 배양액을 주입했을 때 유의미한 항암 효과가 나타났습니다. 이 발견은 EPS가 균주의 항암 작용에서 핵심 성분임을 강력히 시사합니다. 카르복시메틸화 후 EPS는 MCF-7 세포의 증식을 유의미하게 억제했습니다. 이 결과는 카르복시메틸화 EPS의 세포 생물학에서의 새로운 기능을 밝힐 뿐만 아니라 암 치료를 위한 잠재적 신규 전략을 제시합니다 [57]. Li 등 [58]은 Limositobacillus fermentum에서 분리된 EPS가 대장암에 대한 유의미한 항암 활성을 나타낸다는 것을 발견했습니다. Bax/Bcl-2 비율을 증가시키고, 미토콘드리아 막 전위를 감소시키며, PI3K/AKT 신호 전달 경로를 차단하여 세포 주기를 G1 단계에서 정지시킴으로써 대장암 세포에서 세포 사멸을 효과적으로 유도하여 종양 성장 억제를 유발합니다. 특히 이 EPS는 정상 인간 세포에 무해하여 대장암의 예방 및 치료를 위한 영양제로서의 엄청난 잠재력을 보여줍니다.

3.4. Regulating Gut Microbiota

EPS can act as a protective barrier for bacterial strains, significantly enhancing their resistance to harsh gastrointestinal environments such as those with low pH, bile salts, or various digestive enzymes, thereby increasing their survival rates in the intestine. EPS adheres to intestinal mucus in a dose-dependent manner, exhibiting a potential shielding effect that inhibits the function of specific adhesion factors on the surface of bacterial cells. It may also interfere with electrostatic interactions, thereby hindering the binding of bacteria to receptors on the mucosal surface. This process effectively weakens the adhesion ability of bacteria and impairs the recognition mechanisms necessary for the formation of stable adhesion in animal cells [59]. The research conducted by Bengoa et al. [60] indicates that the EPS produced by Lacticaseibacillus paracasei can be effectively metabolized by the fecal microbiota, thereby enhancing the production of beneficial metabolites such as propionic acid and butyric acid. Kuang et al. [61] successfully isolated EPS-K4 from Bacillus amyloliquefaciens through anion exchange chromatography, with an average molecular weight of 10067 Da. The composition of EPS-K4 was determined to be mannose, rhamnose, glucuronic acid, and glucose, with the molar ratio of each component being 40.09:23.65:11.42:17.68, respectively. Further research found that EPS-K4 exhibits significant biological activity, capable of regulating the intestinal microbiota and thereby improving symptoms in mice with colitis. Additionally, EPS-K4 effectively suppresses the levels of intestinal pathogenic bacteria, increases the number of LAB, and enhances the diversity of the intestinal microbiota. Li et al. [62] found that when the gene cluster of Escherichia coli EC100 is overexpressed, it generates EPS. Through further experiments, they discovered that this EPS can significantly increase the production of short-chain fatty acids and have a positive impact on the composition of intestinal microbiota. Tarique et al. [63] found that EPSs produced by Lactobacillus delbrueckii and Lacticaseibacillus rhamnosus exhibited significant biological activity within in vitro fecal fermentation experiments. These EPSs enhance the growth of certain probiotic strains to a certain extent by promoting the metabolism of carbohydrates and the production of gases and short-chain fatty acids. These studies have revealed the positive regulatory effect of EPS on intestinal microbiota and their metabolites, suggesting that EPS has the potential to become a novel prebiotic component for improving intestinal health.

3.4. 장 미생물군 조절

EPS는 세균 균주의 보호 장벽으로 작용하여

저 pH, 담즙 염, 다양한 소화 효소와 같은 혹독한 위장 환경에 대한 저항력을 크게 향상시켜

장 내 생존율을 높입니다.

EPS는 장 점막에 용량 의존적으로 결합하여 특정 부착 인자의 기능을 억제하는 잠재적 보호 효과를 나타냅니다. 또한 정전기적 상호작용을 방해하여 세균이 점막 표면의 수용체에 결합하는 것을 방해할 수 있습니다. 이 과정은 세균의 부착 능력을 약화시키고 동물 세포에서 안정적인 부착 형성에 필요한 인식 메커니즘을 손상시킵니다 [59]. Bengoa 등[60]의 연구 결과에 따르면, Lacticaseibacillus paracasei가 생성한 EPS는 분변 미생물군에 의해 효과적으로 대사되어 프로피온산과 부티르산과 같은 유익한 대사산물의 생산을 증진시킵니다. Kuang 등[61]은 음이온 교환 크로마토그래피를 통해 Bacillus amyloliquefaciens에서 EPS-K4를 성공적으로 분리했으며, 평균 분자량은 10067 Da입니다. EPS-K4의 구성 성분은 만노스, 라만노스, 글루쿠론산, 글루코스이며, 각 성분의 몰비율은 각각 40.09:23.65:11.42:17.68로 확인되었습니다. 추가 연구에서 EPS-K4는 장 미생물을 조절하여 궤양성 대장염을 앓는 쥐의 증상을 개선하는显著한 생물학적 활성을 나타냈습니다. 또한 EPS-K4는 장 내 병원성 세균의 수준을 효과적으로 억제하며, LAB의 수를 증가시키고 장내 미생물 다양성을 향상시킵니다. Li 등 [62]은 Escherichia coli EC100의 유전자 클러스터가 과발현될 때 EPS를 생성한다는 것을 발견했습니다. 추가 실험을 통해 이 EPS가 단쇄 지방산 생산을 크게 증가시키고 장내 미생물 구성에 긍정적인 영향을 미친다는 것을 확인했습니다. Tarique 등[63]은 Lactobacillus delbrueckii와 Lacticaseibacillus rhamnosus가 생성한 EPS가 체외 분변 발효 실험에서 유의미한 생물학적 활성을 나타냈다고 보고했습니다. 이 EPS는 탄수화물 대사 촉진과 가스 및 단쇄 지방산 생산을 통해 특정 프로바이오틱 균주의 성장을 일정程度上 촉진합니다. 이 연구들은 EPS가 장내 미생물군집 및 그 대사산물에 대한 긍정적인 조절 효과를 보여주며, EPS가 장 건강 개선을 위한 새로운 프리바이오틱 성분으로의 잠재력을 시사합니다.

3.5. Anti-Biofilm

Bacteria possess a unique survival strategy, which is to communicate between strains or within a strain through biofilms. This communication mechanism enables bacteria to rapidly adapt to various unfavorable environments, such as those with adverse pH values, high temperatures, metal ions, antibiotics, and other harsh conditions [17]. The formation of biofilms not only provides a protective barrier for bacteria but also promotes information transmission and resource sharing among strains. Through biofilms, bacteria can jointly respond to external challenges and maintain their ability to survive and reproduce [11]. Biofilm is a colony aggregate formed by bacteria to adapt to various adverse environments and is wrapped by extracellular polymers secreted by itself [64]. This colony aggregate is mainly formed by extracellular polymers secreted by bacteria themselves, which include EPS, proteins, and extracellular DNA. EPS plays a crucial role in the formation of biofilms [65]. During the reproduction process of bacteria, EPS produces a large amount of water-soluble substances. These water-soluble macromolecular carbohydrates are not only the key components of biofilm formation but also can interact with proteins to maintain the structure and stability of biofilms together [66]. This interaction helps biofilms maintain their integrity in complex environments, thereby protecting bacteria from external adverse factors. Surprisingly, the LAB biofilm can inhibit the growth, adhesion, surface colonization, and biofilm formation of pathogenic bacteria. The interaction between the LAB biofilm and pathogenic cells evolves in competition for nutrients and space, inhibiting the initial attachment and development of the pathogenic biofilm or reducing the growth of pathogens in established biofilms [67]. Song et al. [68] found that the EPS of Lactiplantibacillus plantarum can reduce the minimum elimination concentration of antibiotics on Shigella flexneri biofilm. Mahdhi et al. [69] found that EPS extracted from Lactiplantibacillus plantarum exhibits significant anti-biofilm effects. As the concentration of EPS increases, its biofilm removal ability is enhanced, and it has broad-spectrum activity against multiple biofilm-forming bacteria, such as Staphylococcus aureus and Salmonella typhimurium. Sarikaya et al. [70] demonstrated that L. fermentum LB-69 has a significant anti-biofilm effect against Bacillus cereus RSKK 863. Data analysis showed a strong correlation between the amount of mannose in EPS and anti-biofilm activity (p < 0.01). Therefore, these authors believe that the EPS of L. fermentum LB-69 has the potential dual functions of stimulating bifidobacterial growth and exerting anti-biofilm activity, making it a potential candidate for effective drugs.

3.5. 항생물막

세균은 균주 간 또는 균주 내 소통을 통해 생존 전략으로 생

물막을 형성합니다.

이 통신 메커니즘은 세균이 불리한 환경 조건(예: 불리한 pH 값, 고온, 금속 이온, 항생제 등)에 신속히 적응할 수 있도록 합니다 [17]. 생물막의 형성은 세균에게 보호 장벽을 제공하는 동시에 균주 간 정보 전달과 자원 공유를 촉진합니다. 생물막을 통해 세균은 외부 도전 요인에 공동으로 대응하고 생존 및 번식 능력을 유지할 수 있습니다 [11]. 생물막은 세균이 다양한 불리한 환경에 적응하기 위해 형성하는 세균 집합체로, 자체 분비한 세포외 다당류로 둘러싸여 있습니다 [64]. 이 세균 집합체는 주로 세균이 자체 분비한 세포외 다당류로 구성되며, EPS, 단백질, 세포외 DNA 등이 포함됩니다. EPS는 생물막 형성에 결정적인 역할을 합니다 [65]. 세균의 번식 과정에서 EPS는 대량의 수용성 물질을 생성합니다. 이 수용성 고분자 탄수화물은 생물막 형성의 핵심 구성 요소일 뿐만 아니라 단백질과 상호작용하여 생물막의 구조와 안정성을 유지하는 데 기여합니다 [66]. 이 상호작용은 생물막이 복잡한 환경에서 구조적 완전성을 유지하도록 도와 외부 유해 요인으로부터 세균을 보호합니다. 놀랍게도 LAB 생물막은 병원성 세균의 성장, 부착, 표면 정착, 생물막 형성을 억제합니다. LAB 생물막과 병원성 세포 간의 상호작용은 영양분과 공간을 둘러싼 경쟁으로 진화하며, 병원성 생물막의 초기 부착과 발달을 억제하거나 이미 형성된 생물막 내 병원체의 성장을 감소시킵니다 [67]. Song 등 [68]은 Lactiplantibacillus plantarum의 EPS가 Shigella flexneri 생물막에 대한 항생제의 최소 제거 농도를 감소시킨다는 것을 발견했습니다. Mahdhi 등 [69]은 Lactiplantibacillus plantarum에서 추출한 EPS가显著한 항생물막 효과를 나타낸다는 것을 발견했습니다. EPS 농도가 증가함에 따라 생물막 제거 능력이 향상되며, Staphylococcus aureus 및 Salmonella typhimurium과 같은 다중 생물막 형성 세균에 대해 광범위한 활성을 나타냅니다. Sarikaya 등 [70]은 L. fermentum LB-69가 Bacillus cereus RSKK 863에 대해 유의미한 항생물막 효과를 나타낸다는 것을 입증했습니다. 데이터 분석 결과, EPS 내 만노스 함량과 항생물막 활성 사이에 강한 상관관계가 관찰되었습니다 (p < 0.01). 따라서 이 연구자들은 L. fermentum LB-69의 EPS가 bifidobacterial 성장 촉진과 항생물막 활성을 동시에 발휘하는 잠재적 이중 기능을 가지고 있어 효과적인 약물 후보로 잠재력을 지닌다고 결론지었습니다.

3.6. Hypoglycemic

Type II diabetes is one of the most common chronic diseases worldwide, belonging to the category of metabolic diseases and differing from type I diabetes. Its pathogenesis is quite complex, being a chronic metabolic disorder [71]. The main characteristics of type II diabetes are insulin resistance and pancreatic cell damage, which together lead to the occurrence of chronic hyperglycemia [72]. Therefore, for the prevention and treatment of type II diabetes, it is necessary to comprehensively consider multiple factors to control blood sugar levels and reduce the occurrence of related complications [73]. Traditional diabetes treatment drugs tend to be expensive and carry significant toxicity, leading to a range of adverse reactions. Long-term use of these drugs may not only lead to a series of side effects but also cause the body to develop tolerance to the drugs, making them unsuitable for long-term dependency [74].

Research has shown that LAB exhibits significant effects in the treatment and prevention of diabetes [75]. LAB can regulate the structure of the intestinal microbiota, reduce inflammatory responses, and thereby alleviate insulin resistance. At the same time, they can also regulate the release of gastrointestinal hormones, effectively controlling the absorption and balance of energy. Even more noteworthy is that LAB can regulate the expression‎ of related genes in sugar metabolism pathways, helping to maintain blood glucose homeostasis and effectively improving the symptoms of type II diabetes. This discovery provides new ideas and methods for the treatment of diabetes. Zhang et al. [76] conducted an experiment involving three probiotics: Lacticaseibacillus paracasei 1F-20, L. fermentum F40-4, and Bifidobacterium animalis subsp 01. The experiment found that these probiotics survive in the gastrointestinal tract, upregulating the expression‎ of peptide YY and glucagon genes, thereby reducing lipid accumulation and promoting glucose absorption. Notably, B. animalis subsp 01 effectively regulates sugar metabolism in the livers of diabetic rats, lowering hyperglycemia. As a derivative of probiotics, EPS produced by LAB has demonstrated significant effects in hypoglycemia. Huang et al. [77] conducted a thorough analysis of the EPS secreted by L. plantarum H31 isolated from kimchi. The results showed that EPS is primarily composed of mannose, which has the ability to inhibit the activity of various digestive enzymes and plays a crucial role in improving hyperglycemic symptoms. This discovery reveals the mechanism by which the EPS secreted by L. plantarum reduces blood glucose concentration by inhibiting the activity of relevant enzymes in the body, making it an important probiotic metabolite for alleviating type II diabetes. This research finding provides a beneficial exploration direction for the development of novel and efficient diabetes treatment methods.

3.6. 혈당 강하

제2형 당뇨병은 전 세계에서 가장 흔한 만성 질환 중 하나로, 대사 질환에 속하며 제1형 당뇨병과 구분됩니다. 그 병인은 매우 복잡하며 만성 대사 장애로 분류됩니다 [71]. 제2형 당뇨병의 주요 특징은 인슐린 저항성과 췌장 세포 손상으로, 이 두 요인이 결합되어 만성 고혈당을 유발합니다 [72]. 따라서 제2형 당뇨병의 예방 및 치료를 위해 혈당 수치를 조절하고 관련 합병증의 발생을 줄이기 위해 다각적인 요인을 종합적으로 고려해야 합니다 [73]. 전통적인 당뇨병 치료제는 비용이 높고 독성이 강해 다양한 부작용을 유발합니다. 이러한 약물을 장기적으로 사용하면 부작용이 발생할 뿐만 아니라 신체에 약물 내성이 생겨 장기적인 의존이 불가능해질 수 있습니다[74].

연구 결과,

LAB은 당뇨병의 치료 및 예방에显著한 효과를 나타냅니다[75].

LAB은 장내 미생물군집의 구조를 조절하고

염증 반응을 감소시켜 인슐린 저항성을 완화합니다.

동시에 위장관 호르몬의 분비를 조절하여

에너지 흡수 및 균형을 효과적으로 조절합니다.

더욱 주목할 점은

LAB이 당 대사 경로와 관련된 유전자 발현을 조절하여

혈당 균형을 유지하고 제2형 당뇨병 증상을 효과적으로 개선한다는 것입니다.

이 발견은 당뇨병 치료에 새로운 아이디어와 방법을 제공합니다.

Zhang 등 [76]은 Lacticaseibacillus paracasei 1F-20, L. fermentum F40-4, Bifidobacterium animalis subsp 01 세 가지 프로바이오틱스를 대상으로 실험을 진행했습니다.

실험 결과, 이 프로바이오틱스는 위장관에서 생존하며 펩타이드 YY와 글루카곤 유전자 발현을 증가시켜 지방 축적을 감소시키고 포도당 흡수를 촉진했습니다.

특히, B. animalis subsp 01은 당뇨병 쥐의 간에서 당 대사 조절을 효과적으로 수행하여 고혈당을 감소시켰습니다. 프로바이오틱스의 파생물인 LAB에 의해 생성된 EPS는 저혈당에 대한 유의미한 효과를 보여주었습니다.

Huang 등 [77]은 김치에서 분리된

L. plantarum H31이 분비하는

EPS에 대한 상세한 분석을 수행했습니다.

결과는 EPS가 주로 만노스로 구성되어 있으며,

다양한 소화 효소의 활성을 억제하는 능력을 가지고 있어

고혈당 증상 개선에 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었습니다.

이 발견은

L. plantarum이 분비하는 EPS가

체내 관련 효소의 활성을 억제하여

혈당 농도를 감소시키는 메커니즘을 밝혔으며,

이는 제2형 당뇨병 완화에 중요한 프로바이오틱스 대사산물로 자리매김했습니다.

이 연구 결과는

새로운 효율적인 당뇨병 치료법 개발을 위한 유익한 탐구 방향을 제시합니다.

4. Application of EPS Produced by LAB

4.1. The Application of EPS Produced by LAB in the Food Industry

EPS produced by LAB, as a natural biological macromolecule, has gradually attracted widespread attention in the field of food applications. With its unique physicochemical properties, such as good water solubility, stability, and distinctive taste and viscosity, EPS produced by LAB provides ample innovative opportunities for the food industry. EPS produced by LAB can play a significant role in various fields, including dairy products, beverages, and baked goods, serving as a thickening agent, stabilizer, or taste modifier to significantly enhance the quality and taste of food (Table 1).

4. LAB에 의해 생성된 EPS의 응용4.1. 식품 산업에서의 LAB에 의해 생성된 EPS의 응용

LAB에 의해 생성된 EPS는 자연적 생물학적 고분자로서 식품 응용 분야에서 점차 광범위한 관심을 받고 있습니다. LAB에 의해 생성된 EPS는 우수한 수용성, 안정성, 독특한 맛과 점도 등 독특한 물리화학적 특성을 갖추고 있어 식품 산업에 풍부한 혁신적 기회를 제공합니다. LAB에 의해 생성된 EPS는 유제품, 음료, 제과류 등 다양한 분야에서 증점제, 안정제, 맛 조절제 등으로 활용되어 식품의 품질과 맛을 크게 향상시킬 수 있습니다 (표 1).

Table 1.

Application of EPS produced by LAB in food.

StrainMonosaccharide CompositionApplicationReference

Lactiplantibacillus plantarum B51	-	Shorten the debittering time of olives and inhibit cell apoptosis	[78]
Lactiplantibacillus paraplantarum KM1	Glucose, galactose, and mannose	Emulsifier	[12]
Streptococcus salivarius subsp. thermophilus	Glucose, galactose, and rhamnose	Increase viscosity	[79]
Lacticaseibacillus rhamnosus LH43	Mannose, rhamnose, galacturonic acid, glucose, and galactose	Increase yogurt viscosity and improve texture	[80]
Lactiplantibacillus plantarum	-	Improve the rheological properties of plant-based milk	[81]
Lacticaseibacillus rhamnosus LH18	Mannose, rhamnose, galacturonic acid, glucose, and galactose	Improve yogurt gel properties	[82]
Weissella cibaria MG1	-	Improve the water-holding capacity of quinoa milk	[83]
Lactobacillus buchneri FUA3154	Glucose, galactose, and rhamnose	Affect the rheological properties of sorghum dough	[84]
Streptococcus salivarius subsp. thermophilus	-	Increase the flavor and chewiness of cheese	[85]
Leuconostoc mesenteroides XR1	Glucose and galactose	Improve the flocculation and thermal stability of yogurt	[86]
Lactobacillus helveticus MB2-1	Mannose, rhamnose, glucuronic acid, glucose, galactose, arabinose, and fucose	Improve the viscosity, texture, and microstructure of fermented milk	[87]
Streptococcus salivarius subsp. Thermophilus ZJUIDS-2-01	Glucose, galactose, N-acetyl-D-galactosamine, and rhamnose	Improve the emulsification and flocculation characteristics	[88]
Lactiplantibacillus plantarum MC5	-	Increase apparent viscosity and elastic modulus, reduce dehydration shrinkage	[89]
Lactiplantibacillus plantarum RS20D	Glucose, galactose, and glucosamine	Improve texture and reduce dehydration shrinkage	[90]
Levilactobacillus brevis UCLM-Lb47, Leuconostoc mesenterides subsp. mesenteroides 6F6-12 and Leuconostoc mesenterides subsp. mesenteroides 2F6-9	-	High water-holding capacity and oral viscosity value, improving texture	[91]

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4.1.1. Fermented Dairy Products

As a natural stabilizer, thickener, and gelling agent, EPS produced by LAB plays an indispensable role in fermented dairy products. Its unique properties can effectively change the rheological and emulsifying properties of fermented milk, giving it a unique and pleasant texture and full-bodied taste. Moreover, it can significantly enhance the viscosity of fermented dairy products, effectively reducing the separation of whey, thereby greatly improving the overall quality of fermented milk. The addition of this natural ingredient not only enriches the taste layers of dairy products but also enhances their nutritional value and health attributes, providing consumers with a more high-quality and healthy dairy product choice [92]. During the production process, EPS is produced slowly and stably through the metabolic action of LAB as the fermentation process advances. At the same time, EPS interacts synergistically with casein coagulation during the gel formation process, working together to exert its effects. With the gradual accumulation of EPS and the formation of a network structure, the three-dimensional network structure of casein is constructed uniformly and finely, which significantly improves the viscosity and texture of the fermented milk. This process makes the taste of fermented milk smoother and finer and makes the texture more uniform and stable [82,93,94]. Zhang et al. [80] found that yogurt fermented by LAB capable of producing high-molecular-weight EPS has a superior gel state. This advantage may be attributed to the tight connection between EPS and proteins, which effectively fills the network structure of casein clusters, thereby forming a more compact and stable gel network structure. In addition, during the production of yogurt, issues such as low viscosity, easy breakage of curds, and significant whey separation often arise. These problems not only compromise the taste of yogurt but also severely affect its quality. Fortunately, the EPS-producing LAB provide an effective approach to addressing these issues [95]. The viscosity of yogurt containing EPS increases significantly, and the viscosity of EPS is mainly influenced by its molecular weight, the linearity and stiffness of the main chain, and the complexity of the side chains [96]. In addition, the interaction between EPS and other components in the system is also a crucial factor determining its viscosity [97]. Specifically, EPS with negative charges exhibits higher viscoelasticity, stiffness, and viscosity due to its unique physicochemical properties [98]. These properties, along with the production time of EPS during fermentation, jointly determine the distribution pattern of EPS in the microstructure, which further affects its interference level in the gelation process and protein matrix. The situation becomes even more complex when EPSs interact with proteins. At the isoelectric point of proteins, they are in a neutral-charge state. If EPS can interact with the protein network through electrostatic interactions, it may interfere with the coagulation process of proteins, leading to the formation of a continuous branched protein network, which further enhances the viscoelasticity of the system [97]. However, if there are surface inert characteristics between EPS and proteins (such as casein), such as neutral or positively charged EPS, depletion effects or phase separation may occur, leading to the formation of protein and EPS aggregates and reducing viscoelasticity [99]. Yogurt containing EPS undergoes lower levels of mechanical damage during pumping, stirring, and filling processes, and its curds have a certain resistance to heat treatment and physical stress. Therefore, there is no need to add additional stabilizers when producing yogurt. This production process not only simplifies the workflow but also improves the quality and taste of the product.

4.1.1. 발효 유제품

LAB에 의해 생성된 EPS는

발효 유제품에서 천연 안정제, 증점제 및 응고제로 필수적인 역할을 합니다.

그 독특한 특성은

발효 우유의 유변학적 및 유화 특성을 효과적으로 변화시켜

독특하고 즐거운 텍스처와 풍부한 맛을 부여합니다.

또한 발효 유제품의 점도를 크게 향상시켜 유청 분리 현상을 효과적으로 감소시켜 발효 우유의 전체 품질을 크게 개선합니다. 이 천연 성분의 추가은 유제품의 맛의 층을 풍부하게 할 뿐만 아니라 영양 가치와 건강 기능을 향상시켜 소비자에게 더 높은 품질과 건강한 유제품 선택지를 제공합니다 [92]. 생산 과정에서 EPS는 LAB의 대사 작용을 통해 발효 과정이 진행됨에 따라 천천히 안정적으로 생성됩니다. 동시에 EPS는 젤 형성 과정에서 카제인 응고와 시너지 효과를 발휘하며 함께 작용하여 그 효과를 발휘합니다. EPS의 점진적 축적과 네트워크 구조 형성을 통해 카제인의 3차원 네트워크 구조가 균일하고 미세하게 형성되어 발효유 제품의 점도와 텍스처를 크게 개선합니다. 이 과정은 발효유의 맛을 더 부드럽고 미세하게 만들고 텍스처를 더 균일하고 안정적으로 만듭니다 [82,93,94]. Zhang 등 [80]은 고분자량 EPS를 생산하는 LAB로 발효된 요거트가 우수한 젤 상태를 갖는다는 것을 발견했습니다. 이 장점은 EPS와 단백질 간의 밀접한 연결에 기인할 수 있으며, 이는 카제인 클러스터의 네트워크 구조를 효과적으로 채워 더 밀집되고 안정적인 젤 네트워크 구조를 형성합니다. 또한 요거트 제조 과정에서 점도 저하, 커드 파열, 유청 분리 등 문제가 자주 발생합니다. 이러한 문제는 요거트의 맛을 저하시키며 품질에 심각한 영향을 미칩니다. 다행히 EPS를 생산하는 LAB은 이러한 문제를 해결하는 효과적인 접근 방법을 제공합니다 [95]. EPS를 함유한 요거트의 점도는 크게 증가하며, EPS의 점도는 주로 분자량, 주사슬의 선형성과 강성, 측쇄의 복잡성에 의해 영향을 받습니다 [96]. 또한 EPS와 시스템 내 다른 성분 간의 상호작용도 점도를 결정하는 중요한 요인입니다 [97]. 구체적으로, 음전하를 가진 EPS는 독특한 물리화학적 특성으로 인해 더 높은 점탄성, 경도, 점도를 나타냅니다 [98]. 이러한 특성들은 발효 과정에서 EPS의 생산 시간과 함께 미세 구조 내 EPS의 분포 패턴을 결정하며, 이는 다시 겔화 과정과 단백질 매트릭스에서의 간섭 수준에 영향을 미칩니다. EPS가 단백질과 상호작용할 때 상황은 더욱 복잡해집니다. 단백질의 등전점에서는 단백질이 중성 전하 상태에 있습니다. EPS가 정전기적 상호작용을 통해 단백질 네트워크와 상호작용할 경우 단백질의 응집 과정을 방해하여 연속적인 분지형 단백질 네트워크를 형성할 수 있으며, 이는 시스템의 점탄성을 더욱 강화합니다 [97]. 그러나 EPS와 단백질(예: 카제인) 사이에 표면 불활성 특성(중성 또는 양전하를 띤 EPS)이 존재할 경우, 고갈 효과나 상분리가 발생할 수 있으며, 이는 단백질과 EPS 집합체의 형성을 유발하고 점탄성을 감소시킵니다 [99]. EPS를 함유한 요거트는 펌핑, 교반, 충전 과정 중 기계적 손상이 덜 발생하며, 응고물은 열처리 및 물리적 스트레스에 대한 일정한 저항성을 보입니다. 따라서 식물성 유제품을 생산할 때 추가 안정제를 첨가할 필요가 없습니다. 이 생산 과정은 작업 흐름을 단순화할 뿐만 아니라 제품의 품질과 맛을 향상시킵니다.

4.1.2. Plant-Based Dairy Products

With the development of society, people have gradually focused their attention on vegetarian and green food, so plant-based yogurt has become a hot topic in today’s society. Therefore, the production and consumption of plant-based yogurt have begun to increase significantly, but the defects in flavor and taste of plant-based yogurt are still issues that need to be addressed. The starter cultures for plant-based yogurt products are usually LAB, yeast, and Acetobacter aceti, and this process is similar to the fermentation process of cereal products [100]. When LAB are used as starter cultures, their ability to produce EPS plays a crucial role in plant-based yogurt, as the EPS formed can improve its taste and texture characteristics. Therefore, manufacturers are highly interested in screening and developing LAB that produce EPS, aiming to replicate the taste and quality of dairy products. Both single LAB starter cultures and mixed LAB starter cultures improve the texture of plant-based products by producing EPS [101,102]. Previous studies have found that EPS produced by Lactiplantibacillus plantarum Lp90 can improve the rheological properties of oat-based foods, but the improvement effect disappears as the storage time of the product extends [103]. Lorusso et al. [104] found that EPS synthesized by W. confusa DSM 20194 improved the viscosity and water-holding capacity of quinoa-fermented beverages by generating a dense network structure with quinoa protein, thereby enhancing the acceptability of the beverage. Similarly, Zannini et al. [83] also found a similar phenomenon. The EPS produced by W. cibaria MG1 can improve the water-holding capacity and viscosity of quinoa-based yogurt drinks by forming a dense network structure with quinoa protein. This is mainly attributed to the network structure formed by EPS and protein. Therefore, it is speculated that EPS produced by LAB may affect the quality of plant-based foods by altering their protein conformations. Considering the above factors, the use of EPS-producing LAB to ferment plant-based yogurt is a promising approach that can replace the addition of additives to plant-based yogurt and also meet the market demand for fewer additives.

4.1.2. 식물성 유제품

사회 발전과 함께 사람들은 점차 채식주의와 친환경 식품에 관심을 기울이기 시작했으며, 이에 따라 식물성 요거트는 현대 사회에서 뜨거운 이슈로 부상했습니다. 따라서 식물성 요거트의 생산과 소비가 급격히 증가하고 있지만, 식물성 요거트의 맛과 향의 결점은 여전히 해결해야 할 문제입니다. 식물성 요거트 제품의 스타터 문화는 일반적으로 LAB, 효모, 및 Acetobacter aceti이며, 이 과정은 곡물 제품의 발효 과정과 유사합니다 [100]. LAB를 스타터 문화로 사용할 때, 그들이 생산하는 EPS의 능력은 식물성 요거트에서 중요한 역할을 합니다. 형성된 EPS는 그 맛과 텍스처 특성을 개선할 수 있기 때문입니다. 따라서 제조업체들은 유제품의 맛과 품질을 재현하기 위해 EPS를 생산하는 LAB의 선별과 개발에 높은 관심을 보이고 있습니다. 단일 LAB 스타터 문화와 혼합 LAB 스타터 문화 모두 EPS를 생산함으로써 식물성 제품의 텍스처를 개선합니다 [101,102]. 이전 연구에서 Lactiplantibacillus plantarum Lp90이 생성한 EPS가 오트 기반 식품의 유변학적 특성을 개선한다는 것이 확인되었지만, 제품의 보관 시간이 연장됨에 따라 개선 효과가 사라집니다 [103]. Lorusso 등 [104]은 W. confusa DSM 20194가 합성한 EPS가 퀴노아 발효 음료의 점도와 수분 유지 능력을 개선함으로써 음료의 수용성을 향상시킨다는 것을 발견했습니다. 이는 퀴노아 단백질과 밀접한 네트워크 구조를 형성하기 때문입니다. 유사하게, Zannini 등 [83]도 유사한 현상을 관찰했습니다. W. cibaria MG1에 의해 생성된 EPS는 퀴노아 단백질과 밀접한 네트워크 구조를 형성함으로써 퀴노아 기반 요거트 음료의 수분 유지 능력과 점도를 개선합니다. 이는 주로 EPS와 단백질로 형성된 네트워크 구조에 기인합니다. 따라서 LAB에 의해 생성된 EPS가 단백질 구조를 변화시켜 식물성 식품의 품질에 영향을 미칠 수 있다고 추측됩니다. 위 요소를 고려할 때, 식물성 요거트 발효에 EPS 생성 LAB를 사용하는 것은 식물성 요거트에 첨가물을 추가하는 것을 대체하고 시장 수요에 맞는 첨가물 감소 요구를 충족시킬 수 있는 유망한 접근 방식입니다.

4.1.3. Cheese

EPS can form stable gels and prevent water from leaking out of the pores in cheese, which is the main reason for its soft texture. The interaction between protein and water further enhances the viscoelasticity of cheese [105]. Due to its excellent water-holding capacity, EPS produced by LAB can significantly enhance the viscosity and optimize the texture of fermented milk. During the production and fermentation process of low-fat and non-fat cheese, this characteristic makes it an ideal natural stabilizer, eliminating the need for additional chemical stabilizers and ensuring the naturalness and safety of the product [106,107]. Research has shown that the addition of EPS to low-fat mozzarella cheese results in a higher water content and better melting properties compared to control cheese. This positive effect is mainly attributed to the accumulation of EPS in the cheese whey, which can reduce the concentration of whey protein and affect drying efficiency without adversely affecting the viscosity of the whey [108]. Surber et al. [109] found that the use of EPS-producing Lactococcus lactis in cheese making will give cheese a higher hardness, and the texture and dehydration-induced syneresis of cheese depend on the type of EPS and shear strength. Reyes et al. [110] conducted a thorough study on the impact of phospholipase A1 (PL-A1) and EPS-producing bacteria on cheese yield, microstructure, and texture. The results showed that while EPS could significantly increase the moisture content and fat retention rate in cheese, thus boosting the yield, it did have an impact on the overall flavor of the cheese. This indicated that although EPS could increase cheese yield, it also came with the sacrifice of some of the cheese’s fine flavor. However, the experimental data revealed that when PL-A1 was used in combination with EPS, the cheese produced exhibited optimal performance in both flavor and texture. This discovery provides new ideas and strategies for optimizing cheese production processes and enhancing the overall quality of the product.

4.1.4. Bakery Products

The properties of EPS produced by LAB are similar to those of water colloids in bread improvers, and it can effectively reduce the reliance on additives in the dough during bread making [23]. The addition of EPS to the dough can not only significantly enhance the water absorption capacity of wheat dough but also improve the strength of gluten, making the dough more extensible and positively affecting its gas-holding properties. Especially in the making gluten-free products or bean dough with low protein content or a lack of gluten structure, the addition of EPS has become particularly important. By adding EPS, high-quality gluten-free products can be produced that have a smoother taste, slower aging speed, longer shelf life, and a viscoelasticity that is acceptable to a wide range of consumers [111]. The improvement mechanism mainly lies in the formation of a network structure through the arrangement of hydrogen bonds among the linear macromolecular glucans in EPS, which enhances the stability and gas-holding properties of the dough [112]. The dryness and hardness of bread are mainly caused by the degradation of starch and the loss of moisture. EPS can slow down the aging process by binding water and preventing water loss, thereby delaying starch crystallization [113]. Lactobacillus sanfranciscensis has the ability to produce EPS, which can effectively enhance the viscosity and gas-holding properties of bread dough when applied in bread making. Through this effect, the hardness of the bread crumb is reduced and the volume of the bread is increased, thereby improving the overall quality of the bread [114]. Sourdough rich in polysaccharides can also significantly improve the quality of bread, making it have a more fluffy structure, better elasticity, and higher water retention [115].

4.1.5. Meat Products

Since ancient times, LAB has played an important role in the processing and production of meat products in the evolution of human civilization, creating a wide range of traditional foods around the world [116]. LAB can not only reduce the content of nitrite in meat products but also significantly enhance their antioxidant properties and effectively inhibit the growth of spoilage bacteria and pathogenic bacteria, thereby extending the shelf life of the products [117,118]. Moreover, LAB can produce EPS, and when the production of EPS reaches a certain level, it can further improve the quality and structure of meat products, especially for the improvement of low-fat meat products [119]. Therefore, the use of LAB that produces EPS can not only replace commonly used additives in meat products (such as hydrophilic colloids and phosphates) but also meet the modern consumers’ demand for foods with fewer additives. In meat processing, LAB are often used in fermented raw sausages and cured ham. The main role of LAB in these products is to improve the taste and texture of the products, as well as extend the shelf life of meat products. These effects are achieved through the production of EPS, and the most commonly used LAB are Lacticaseibacillus and Pediococcus [119]. According to the research by Hilbig et al. [120], the use of EPS-producing L. sakei TMW 1.411 or L. curvatus TMW 1.1928 can produce a spreadable fermented raw sausage with a lower fat content. This product is significantly softer and easier to spread compared to the control samples that do not produce EPS. Dertli et al. [121] found that Lactiplantibacillus plantarum and Leuconostoc mesenterides subsp. mesenteroides that produce EPS produce sausages that are more resilient compared to those fermented by LAB that do not produce EPS, meeting the texture and quality demands of consumers. Therefore, LAB that can produce EPS are a very promising method for improving the texture of meat products. However, there are still many shortcomings in the widespread use of EPS-producing LAB in the meat products industry. Currently, only a few EPS-producing LAB are applied in meat processing, and the impact of most EPS-producing LAB on specific parameters of meat products still needs further exploration. With the ongoing research on the impact of EPS produced by LAB on meat products, LAB capable of producing EPS will be more widely utilized in meat processing and gradually supersede traditional additives, thereby providing consumers with a broader array of healthier and more delicious food options.

4.2. Application of EPS Produced by LAB in the Pharmaceutical Industry4.2.1. Drug Delivery

EPS produced by LAB is not only easy to prepare and low cost but also environmentally friendly and biodegradable. Its rich content of hydroxyl, carboxyl, and amino groups makes it a quality material for preparing hydrogels [122]. These properties enable it to effectively capture biomolecules (such as drugs) within its internal structure or adsorb them to its outer surface. This capturing and adsorbing effect not only helps to prolong the residence time of drugs in the body, thereby improving the bioavailability of drugs, but also contributes to reducing the required drug dosage and thus decreasing the cytotoxicity of drugs [123]. Therefore, EPS has broad application prospects in the field of drug carriers. EPS serves as an ideal carrier for drugs, primarily due to the following reasons: Firstly, EPS exhibits excellent biocompatibility and safety, which means it can minimize stimulation and immune response to human tissues, ensuring the safety and reliability of the drug delivery process [124]. Secondly, the structural characteristics of EPS endow it with abundant functional groups and modifiable side chains, which provide the possibility for chemical or biological modifications. This can further improve the stability and permeability of the carrier and optimize the drug encapsulation effect [125]. In addition, EPS also possesses the ability to bind to specific receptors, which enables targeted drug delivery, significantly increasing the local concentration of drugs at the target site and enhancing the therapeutic effect [126]. In addition to the above advantages, EPS also has characteristics such as renewability, sustainability, biodegradability, and affordability [127]. These features make EPS an economical and environmentally friendly drug delivery carrier. Pradeepa et al. [128] used Lactiplantibacillus plantarum EPS to prepare gold nanoparticles and found that the nanostructures exhibited superior antibacterial activity compared to free drugs. This activity was mainly mediated through penetration, loss of cytoplasmic contents, and cell lysis. Kalimuthu et al. [129] used bacterial EPS as a carrier for quercetin to achieve targeted release to breast cancer cells, which exerted concentration-dependent toxicity on breast cancer cells and even enhanced the effect of quercetin.

4.2.2. Biopolymer Delivery

Attention has been focused on vaccines, proteins, peptides, hormones, and small interfering RNA (siRNA) for the treatment of fatal diseases, and the frequency of using such treatments has been increasing in recent years. However, the key lies in ensuring biological macromolecules cross membranes unhindered, as they are readily eliminated by the liver or other tissues during body transmission, hindering their arrival to the target site. For example, amylopectin nanoparticles carry cholesterol protect insulin from enzymatic degradation [123]. In addition, in the research on oral insulin delivery, the use of insulin-loaded dextran sulfate and chitosan nanoparticles has revealed that these nanoparticles exhibit good protective effects in simulated intestinal fluid [130]. In the field of vaccination, EPS can be used as an antigen carrier or antigen itself in the preparation of vaccines, stimulating the formation of antibodies and providing strong immune effects against several microorganisms [131]. Furthermore, when conjugated with proteins, purified capsular polysaccharides of Haemophilus influenzae type b can be used as a component of multiagent vaccines against various infections (such as meningitis) among children [132]. Therefore, EPS has significant potential value in the production of recombinant macromolecular biopharmaceuticals.

4.2.3. Gene Delivery

Polymers, especially polymers from microorganisms, are conducive to transporting genetic materials, so EPS has been expanded in the field of gene delivery. Raemdonck et al. [133] found that cationic dextran-based nanocarriers combined with photosensitizers help deliver siRNA across the plasma membrane into the cytosol and achieve transfection in liver cancer Huh-7 cells. Han et al. [134]. also found that nanoparticles formed by the complexation of water-soluble 6-amino-curdlan with siRNA can effectively deliver siRNA to human cancer cells and mouse primary cells and reduce the target mRNA level by 70–90%. These studies have demonstrated that EPS has the role of a non-viral vector for gene delivery, which can be used in the treatment of cancer genes, but specific applications still require further research and clinical trial development.

4.2.4. Diagnosis

EPS-based nanocarriers have been used in various medical diagnostic and bioimaging applications. Studies have shown that Fe2O3-dextran cross-linked aggregates can be used for in vivo molecular diagnosis, such as fluorescence molecular tomography, positron emission tomography, magnetic resonance imaging, and diagnostic magnetic resonance [135,136]. Amino-modified cholesterol branched proteins can enhance the fluorescence intensity of tumor cells, improve the sensitivity of imaging, and promote the development of medical imaging [137]. Biopolymers can be grafted with specific types of structures. Compared with traditional complexes that require grafting, cholesterol-grafted pullulan nanocomposites exhibit high autofluorescence in cancer cells [138].

In summary, EPS’s unique functional properties and biological activities suggest vast potential in drug delivery and medical diagnosis despite the slow research progress and its unclear in vivo bioavailability (Figure 2C). Furthermore, the potential applications of EPS and its derivatives in emerging therapeutic areas, particularly in diabetes, cancer treatment, and vaccination, still warrant in-depth exploration and research globally.

5. Conclusions

Due to its safety, non-toxicity, and unique biochemical properties, EPS produced by LAB has been widely used in the food and pharmaceutical industries. As a potential prebiotic, EPS produced by LAB not only broadens its application scope but also provides more food-derived materials for the development of prebiotics. The addition of EPS to functional foods and medical health products is also an effective means to enhancing the added value of the products. The unique structure and properties of EPS lay the foundation for its applications in industrial fields such as biomaterials, wastewater treatment, and cosmetics. However, the process of EPS synthesis through natural strain fermentation is complex and costly, and its production is still in the laboratory stage, limiting its large-scale industrial production and application. The current research is primarily concentrated on boosting the production of EPS by optimizing fermentation conditions and media composition and by employing genetic engineering techniques. Currently, only a few bacterial EPSs are being used for commercial purposes. With the continuous development of biotechnologies such as genetic engineering and metabolic engineering, the production efficiency and quality of EPS will be further improved. This will reduce production costs and promote the widespread application of EPS in industrial and commercial fields. At the same time, the development of biotechnology will also provide more possibilities for studying the structure–activity relationship and metabolic pathways of EPS, further exploring its potential value. Due to the complexity of EPS’s structure–activity relationship and metabolic pathways, its mechanism of action in food, medicine, and other fields still needs further exploration to fully realize its potential value.

Author Contributions

S.L. was responsible for writing the manuscript, X.W. checked the manuscript, and C.L. and L.L. proposed ideas and made revisions to the manuscript. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest.

Funding Statement

This article was funded by the Foundation of Construction of Lactic Acid Bacteria Resource Bank in Southwest China and Research and Industrialization of Excellent Characteristic Strains, Project of National Dairy Technology Innovation Center (2022-Scientific Research Tackling-9) and research and development of characteristic buffalo-milk-protein-based materials and creation of functional dairy products, with special funds from the central government to guide local scientific and technological development (Guike Zhongyin Special Project 2023-3).

Footnotes

Disclaimer/Publisher’s Note: The statements, opinions and data contained in all publications are solely those of the individual author(s) and contributor(s) and not of MDPI and/or the editor(s). MDPI and/or the editor(s) disclaim responsibility for any injury to people or property resulting from any ideas, methods, instructions or products referred to in the content.

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