Re: 락토바실러스 박테리아가 생성하는 외부다당류 EPS 2021년

[문형철]

Open AccessReview

Recent Advances in the Production of Exopolysaccharide (EPS) from Lactobacillus spp. and Its Application in the Food Industry: A Review

by 

Amna Bibi

 1,†

,

Yongai Xiong

 2,†,

Muhammad Shahid Riaz Rajoka

 3,4,5

,

Hafiza Mahreen Mehwish

 3,

Emanuele Radicetti

 6,*

,

Muhammad Umair

 4

,

Mahtab Shoukat

 7,

Muhammad Kashif Iqbal Khan

 1,*

 and

Rana Muhammad Aadil

 1,*

1

National Institute of Food Science and Technology, University of Agriculture, Faisalabad 38000, Pakistan

2

College of Pharmacy, Zunyi Medical University, Zunyi 563000, China

3

Health Science Center, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China

4

Department of Food Science and Engineering, College of Chemistry and Engineering, Shenzhen University, Shenzhen 518000, China

5

Food and Feed Immunology Group, Laboratory of Animal Food Function, Graduate School of Agricultural Science, Tohoku University, Sendai 980-8572, Japan

6

Department of Chemical, Pharmaceutical and Agricultural Sciences (DOCPAS), University of Ferrara, 44121 Ferrara, Italy

7

Department of Agricultural Sciences, University of Naples Federico II, 80055 Portici, Italy

*

Authors to whom correspondence should be addressed.

†

These authors contributed equally to this work.

Sustainability 2021, 13(22), 12429; https://doi.org/10.3390/su132212429

Submission received: 17 October 2021 / Revised: 6 November 2021 / Accepted: 8 November 2021 / Published: 10 November 2021

(This article belongs to the Section Sustainable Food)

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Abstract

Exopolysaccharide (EPS) show remarkable properties in various food applications. In this review paper, EPS composition, structural characterization, biosynthesis pathways, and recent advancements in the context of application of EPS-producing Lactobacillus spp. in different food industries are discussed. Various chemical and physical properties of Lactobacillus EPS, such as the structural, rheological, and shelf-life enhancement of different food products, are mentioned. Moreover, EPSs play a characteristic role in starter culture techniques, yogurt production, immunomodulation, and potential prebiotics. It has been seen that the wastes of fermented and non-fermented products are used as biological food for EPS extraction. The main capabilities of probiotics are the use of EPS for technological properties such as texture and flavor enhancement, juiciness, and water holding capacities of specific food products. For these reasons, EPSs are used in functional and fermented food products to enhance the healthy activity of the human digestive system as well as for the benefit of the food industry to lower product damage and increase consumer demand. Additionally, some pseudocereals such as amaranth and quinoa that produce EPS also play an important role in improving the organoleptic properties of food-grade products. In conclusion, more attention should be given to sustainable extraction techniques of LAB EPS to enhance structural and functional use in the developmental process of food products to meet consumer preferences.

외부 다당류(EPS)는

다양한 식품 응용 분야에서 탁월한 특성을 나타냅니다.

본 리뷰 논문에서는

EPS 생성 Lactobacillus 종의 다양한 식품 산업 적용 맥락에서

EPS의 조성, 구조적 특성 분석, 생합성 경로 및 최근 발전 사항을 논의합니다.

Lactobacillus EPS의 다양한 화학적·물리적 특성, 즉

다양한 식품의 구조적·유변학적 특성 및 유통기한 향상 효과 등이 언급됩니다.

또한 EPS는

스타터 배양 기술, 요구르트 생산, 면역 조절 및 잠재적 프리바이오틱스에서 특징적인 역할을 수행한다.

발효 및 비발효 제품의 폐기물이

EPS 추출을 위한 생물학적 원료로 활용되는 것으로 확인되었다.

프로바이오틱스의 주요 기능은

특정 식품의 질감 및 풍미 향상, 육즙성, 수분 보유 능력과 같은

기술적 특성에 EPS를 활용하는 것이다.

이러한 이유로 EPS는

기능성 및 발효 식품에 사용되어 인간 소화계의 건강 활동을 증진시키고,

제품 손실을 줄이며 소비자 수요를 증가시키는 식품 산업의 이점을 제공한다.

또한,

아마란스와 퀴노아 같은 일부 유사곡류도

EPS를 생성하여 식품 등급 제품의 관능적 특성 개선에 중요한 역할을 합니다.

결론적으로, 소비자 선호도를 충족시키기 위한 식품 개발 과정에서

구조적·기능적 활용을 증진시키기 위해

유산균(LAB) EPS의 지속 가능한 추출 기술에 더 많은 관심을 기울여야 합니다.

Keywords: 

exopolysaccharide (EPS)-producing Lactobacillus; rheological activity; functional foods; texture and flavor enhancement; fermentation; yoghurt

1. Introduction

The food industry highly appreciates new and innovative trends in food and nutrition for healthy food design with the aim of minimal usage of synthetic food ingredients. Additionally, a significant boom has been observed in the number of new studies exploring the potential of various functional and nutraceutical ingredients in the design of healthier food products [1]. Various prebiotics and probiotics combinations are being investigated to enhance the functional value of food products [2]. Currently, probiotics, prebiotics, para-probiotics, and post-biotics are the main research focuses for functional and nutraceutical food product development. Lactic acid bacteria (LAB) are highly significant in a food system and have potential to be used in all these categories of biotics [1]. Among LAB, by-products of Lactobacillus genus are the most common sources of probiotics. Moreover, they are extensively used in fermented and non-fermented food products, served as functional and nutraceutical dietary supplements [3].

1. 서론

식품 산업은 합성 식품 원료 사용을 최소화하는 건강한 식품 설계를 위해 식품 및 영양 분야의 새롭고 혁신적인 트렌드를 높이 평가합니다. 또한, 더 건강한 식품 제품 설계에서 다양한 기능성 및 기능성 의약품 성분의 잠재력을 탐구하는 새로운 연구 수가 크게 증가하는 현상이 관찰되었다[1]. 식품 제품의 기능적 가치를 향상시키기 위해 다양한 프리바이오틱스와 프로바이오틱스 조합이 연구되고 있다[2]. 현재 프로바이오틱스, 프리바이오틱스, 파라프로바이오틱스, 포스트바이오틱스는 기능성 및 기능성 의약품 식품 제품 개발의 주요 연구 초점이다.

유산균(LAB)은

식품 시스템에서 매우 중요하며,

이러한 모든 생물학적 성분 범주에 활용될 잠재력을 지닙니다[1].

LAB 중에서도 Lactobacillus 속의 부산물이

가장 흔한 프로바이오틱스 공급원입니다.

또한 이들은

발효 및 비발효 식품에 광범위하게 사용되며,

기능성 및 뉴트라슈티컬 식이 보충제로 제공됩니다[3].

Lactobacillus play an important role as probiotics by modulating the human gastrointestinal system to confer different health benefits [4]. Lactobacillus synthesize various metabolites such as organic acids (lactic and acetic acid), aromatic compounds, fatty acids, and bacteriocins (lantibiotics). All these ingredients have great importance in the food industry [5] due to the status of Generally Recognized as Safe (GRAS) [6]. Some of the important Lactobacillus that are used by the food industry are Lactobacillus helveticus, L. plantarum, L. casei, L. curvatus, L. sakei, L. delbrueckii subsp. Bulgaricus, L. paracasei, L. pentosus, L. reuteri, L. vaginalis, L. fermentum, L. kifer, L. acidophillus, L. reuteri, L. brevis, Wisella cibaria, Streptococcus thermophilus, etc.

During the growth of Lactobacillus, they excrete extracellular polysaccharides, named exopolysaccharides (EPS). EPS are natural, non-toxic, and bio-products with diverse chemical structures and biological activities. Around 165 Lactobacillus species were recognized as EPS-producers, including L. plantarum, L. delbrueckii subsp. bulgaricus, L. casei, L. brevis, L. curvatus, L. helveticus, L. rhamnosus, L. acidophilus, and L. johnsonii [7]. The Lactobacillus produce a low yield of EPS as compared to other bacteria. However, EPS from Lactobacillus strains have higher functionality potential and resistance to environmental stress [5].

EPS from Lactobacillus have diverse functions due to the presence of exceptional rheological and water-binding properties. They have an extensive range of emulsification applications in the food industry. Moreover, they play a dominant role as a thickener, gelling, encapsulation, and hygroscopic agents [8]. Table 1 summarizes the relationship of EPS structure with their bioactivities.

락토바실러스는

인체 위장관을 조절하여 다양한 건강상의 이점을 제공하는 프로바이오틱스로서

중요한 역할을 합니다[4].

락토바실러스는

유기산(젖산 및 초산),

방향족 화합물,

지방산,

박테리오신(항생성 물질) 등 다양한 대사 산물을 합성합니다.

organic acids (lactic and acetic acid),

aromatic compounds,

fatty acids, and

bacteriocins (lantibiotics)

이러한 성분들은

일반적으로 안전하다고 인정되는(GRAS) 상태[6]로 인해

식품 산업에서 매우 중요합니다[5].

식품 산업에서 사용되는 주요 락토바실러스 종으로는

락토바실러스 헬베티쿠스(Lactobacillus helveticus),

L. 플란타룸(L. plantarum),

L. 카세이(L. casei),

L. 커르바투스(L. curvatus),

L. 사케이(L. sakei),

L. 델브루에키이 아종 불가리쿠스(Bulgaricus),

L. 파라카세이(L. paracasei),

L. 펜토수스(L. pentosus),

L. 로이테리(L. reuteri),

L. vaginalis, L. fermentum,

L. kifer, L. acidophillus, L. reuteri, L. brevis,

Wisella cibaria,

Streptococcus thermophilus 등이

있습니다.

Lactobacillus의 성장 과정에서

외부 다당류인 엑소폴리사카라이드(EPS)를 분비합니다.

EPS는

다양한 화학 구조와 생물학적 활성을 지닌

천연, 무독성 생물학적 제품입니다.

약 165종의 락토바실러스 종이 EPS 생산균으로 확인되었으며,

여기에는 L. 플란타룸, L. 델브루에키 아종 불가리쿠스, L. 카세이, L. 브레비스, L. 커르바투스, L. 헬베티쿠스,

L. 람노서스, L. 아시도필루스, L. 존소니 등이 포함됩니다 [7].

Lactobacillus는

다른 세균에 비해 EPS 생산량이 낮습니다.

그러나

Lactobacillus 균주의 EPS는

더 높은 기능성 잠재력과 환경 스트레스에 대한 저항성을 지닙니다 [5].

Lactobacillus 유래 EPS는

탁월한 유변학적 특성과 수분 결합 특성으로 인해 다양한 기능을 가집니다.

이들은 식품 산업에서 광범위한 유화 응용 분야를 가지고 있습니다. 또한 증점제, 겔화제, 캡슐화제 및 흡습제로서 주요 역할을 합니다 [8]. 표 1은 EPS 구조와 생물학적 활성 간의 관계를 요약합니다.

Table 1. Lactobacillus-derived EPS and their relationship between structural activity.

Different Strains of Lactobacillus spp.SourcesEPSStructures/Composition/Molecular WeightUseful EffectsReferences

L. helveticus	L. helveticus LZ-R-5	Tibetan Kefir	R-5-EPS (heteropolysaccharide)	→6)-β-D-Galp-(1→3)-β-DGlcp-(1→3)-β-D-Glcp-(1→3)-β-D-Glcp-(1→3)-β-D-Glcp-(1→ Average Mw of 5.41 × 105 Da.	Immunostimulatory activity and Immunomodulatory agent. Use as a functional food.	[9]
	L. helveticus MB2-1	-	EPS-2	EPS is composed of galactose, glucose and mannose. Mw distributions are about 2 × 105 Da.	Physicochemical properties and antioxidant activities.	[10]
L. plantarum	L. plantarum- 12	-	Exopolysaccharide (L-EPS)	Composed of Mannose, glucuronic acid, galactosamine, glucose, galactose and xylose Mw is 37 with a molar ratio of 32.26:0.99:1.79:5.63:0.05:4.07	Inhibit the biofilm formation, invasion and adhesion to HT-29 cells of S. Flexner. Avoid contamination of equipment from shigella.	[11]
	L. plantarum strain JNULCC001	Bioconversion of Cheese whey.	Hetero-exopolysaccharide (EPS-001)	Composed of galactose, glucose, mannose, and arabinose with several functional groups, including carboxyl, hydroxyl, and amide groups.	Excellent biosorption ability toward methylene blue (MB). Act as Stabilizer in the biosynthesis of selenium nanoparticles (SeNPs). Also used for thickening, bioremediation, and stabilizing nanomaterials.	[12]
	L. plantarum C70	Camel milk	(EPS C70) Heteropolysaccharide	→4)[b-d-Glcp(1→2)b-d-Glcp(1→6)a-d-Glcp(1→4)b-d-Glcp(1→3)]a-d-Galp(1→4)a-d-Manp(1→3)a-d-Glcp(1→ Arabinose (13.3%), mannose (7.1%), glucose (74.6%), and galactose (5.0%) were the major monosaccharides constituents. Average molecular weight (Mw) of 3.8 × 105 Da.	Have potential bioactivities, including anticancer, antidiabetic, and antioxidant activities, usage in the food industry.	[13]
	L. plantarum BR2	Cultured from Ripened jack fruit and inoculated in cassava starch hydrolysate.	EPS	The average molecular weight is 2200.6 kDa.	Development of prebiotic and probiotic-based dairy goods.	[14]
	L. plantarum strain AAS3	Dry fish-based fermented food (Hentak)	EPS	-	Used in food processing industries such as adjunct/starter culture.	[15]
	L. plantarum SP8	Traditional Chinese pickle juice	Heteropolysaccharide	Composed of D-rhamnose, arabinose, galactose, and D-acetylglucosamine, but glucose was not included.	Show specific antioxidant activity in the dairy and food industry.	[16]
	L. plantarum JLAU103	-	EPS103	The lower molecular weight of 12.4 KDa. It consists of consisted of arabinose, rhamnose, fucose, xylose, mannose, fructose, galactose, and glucose in an approximate molar ratio of 4.05:6.04:6.29:5.22:1.47:5.21:2.24:1.83	EPS103 possess strong scavenging abilities against hydroxyl, ABTS, and DPPH radicals. It has great potential for use as a natural antioxidant or functional additive in the foods industry.	[17]
Lactobacillus casei NA-2		Chinese Northeast Sauerkraut	Heteropolysaccharide	Rhamnose, glucose and mannose residues. The molar ratio was 24.3:1.0:42.9	Inhibit biofilm formation and disperse the biofilms of B. cereus, S. aureus, S. typhimurium and E. coli O157:H7, as these are foodborne pathogens.	[18]
Lactobacillus Brevis	L. brevis MSR104 strain	Chinese Koumiss	EPS	-	Used in the biosynthesis of AgNPs, AgNPs have many antimicrobial, antioxidant activities, and anticancer activities e.g., cytotoxic effect against HT-29 cells.	[19]
	L. brevis S82	Fermented green olives.	EPS	-	Used as starters and as bio preservative cultures in agriculture and food.	[20]
	L. brevis E25	-	-	-	EPS solutions were used to understand their adhesive properties on food surfaces.	[21]
Lactobacillis curvatus and Lactobacillus sakei		Meat products	Homopolysaccharide	L. curvatus TMW = 1.624 L. sakei TMW = 1.411	Its EPS is essential for the tumbling process step during cooked ham production.	[22]
Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus		Fermented milk, reconstituted skim milk, milk whey and soymilk whey.	Ropy strain producing heteropolysaccharide	-	It produces polysaccharides making the yogurt thicker and finer in texture	[23]
Lactobacillus paracasei H9		Fermented milk	EPS-S11	The average molecular weight of EPS is 1.68 × 107 Da. Composed of mannose, glucose, galactose and glucuronic acid in a molar ratio of 0.87:0.92:1:0.24.	Used as starters in dairy products	[24]
Lactobacillus pentosus.	L. pentosus 14FE and Lactobacilluspentosus 68FE.	Traditional cheese products.	EPS14FE and EPS68FE are Homopolysaccharide.	α, β-glucan with α-hexapyranosyl residue and β-anomeric configuration. The average molecular weight of both EPSs is 18 kDa, and 104 kDa for EPS14FE, and EPS68FE, respectively	Used for novel bioactive polymers for antimicrobial, anticoagulant, fibrinolytic, antioxidant, and emulsification activity.	[25]
	L.pentosus S42	Traditional fermented olives	EPS	-	Used as starters and as bio-preservative cultures in food.	[20]
	L. pentosus LZ-R-17	Tibetan kefir	R-17-EPS	→2)-α-D-Galp-(1→4)-β-D-Glcp-(1→4)-β-D-Glcp-(1→4)-β-D-Glcp-(1→ The average molecular weight of 1.20 × 106 Da Composed of galactose and glucose residues with a molar ratio of 1.00:3.15.	Have a potential immunostimulatory activity. Immunomodulator in functional food.	[26]
Lactobacillus reuteri SHA101 and Lactobacillus vaginalis SHA110		Gut cecum samples of healthy poultry birds (hen).	(EPS-lr) and (EPS-lvg)	-	Exhibit strong in vitro antibacterial activity against E. coli and Salmonella typhimurium (foodborne pathogens). Application in antitumor and antioxidant foods.	[27]
Lactobacillus fermentum	L. fermentum S1	Traditional fermented Fuyuan pickle	EPS1, EPS2 and EPS3	EPS2 and EPS3 were homogeneous with molecular weights of 4.45 × 106 and 2.82 × 106 Da, respectively. EPS1 is composed of glucose, galactose, mannose and arabinose, but with different molar ratios.	Favorable anti-biofilm activity against foodborne pathogens. S1 EPS have a promising functional adjunct for application in foods.	[28]
	L. fermentumR-49757	Bamboo shoot	Heteropolysaccharide EPS	[→6)-β-D-Glcp-(1→3)-β-D-Manp-(1→6)-β-D-Glcp-(1→]n The molecular mass of this EPS is 9.85 × 104 Da.	EPS-based diets are playing role in biomedical applications.	[29]
Lactobacillus kiferi WXD029		Kefir	EPS	The molecular weight of the EPS was 3.423 × 105 Da Composed of Glu, GlcN, and GalN in a molar ratio of 3.1:1:1.	Efficient immune-protective against S. aureus infections.	[30]
Lactobacillus acidophillus 20079		-	LA-EPS-20079 (pentasaccharide).	α-D-Glc (1→2)][α-L-Fuc(1→4)] α-D-GlcA(1→2) α-D-GlcA(1→2) α-D-GlcA.	Anticancer, immunomodulatory effects.	[31].
Lactobacillus reuteri 121		-	-	β- D-(2 → 6)- linked fructan (levan) Reuteran with α-(1→4), α-(1→6) linkages	-	[32]
Streptococcus thermophilus S3		Fermented milk	EPS-3	Composed of N-Acetyl-galactosamine, galactose and glucose in the molar ratio of 1:2:1 High molecular weight 574 kDa.	Prevention in syneresis in yoghurt.

2. Extraction of Lactobacillus EPS

EPS extraction methods include physical, chemical, or combinations from pure cultures or undefined mixed cultures [34]. The yield and composition of EPS was influenced by the extraction method [35]. Among physical methods, centrifugation, sonication, and heating were used to extract the EPS. Efficiency analysis indicated that the heating method exhibited a higher extraction yield (82 mg/g VSS) compared to sonication and centrifugation [35].

Furthermore, two physical extraction methods (centrifugation and ultra-sonication) were compared. The protein content was lower in EPS samples prepared by centrifugation compared to samples extracted by the ultra-sonication method [36].

The chemical-based extraction methods include cation exchange resin (CER), EDTA (Ethylene diamine tetra-acetic Acid), and NaOH methods [37,38,39]. Moreover, a study demonstrated that the physical method (sonication) was superior to the chemical ones (glutaraldehyde, formaldehyde, and NaOH). The protein content was higher (343–337 mg proteins/g EPS DW) with the physical method, compared to chemical extraction methods [40].

2. Lactobacillus EPS 추출

EPS 추출 방법은

순수 배양균 또는 미정의 혼합 배양균으로부터

물리적, 화학적 방법 또는 이들의 조합을 포함한다 [34].

EPS의 수율과 조성은

추출 방법에 의해 영향을 받았다 [35].

물리적 방법 중 원심분리, 초음파 처리 및 가열이 EPS 추출에 사용되었다.

효율성 분석 결과,

가열법이 초음파 처리 및 원심분리법 대비 더 높은 추출 수율(82 mg/g VSS)을 나타냈다[35].

또한 두 가지 물리적 추출법(원심분리 및 초음파 처리)을 비교한 연구에서,

원심분리로 제조된 EPS 시료의 단백질 함량이 초음파 처리법으로 추출된 시료보다 낮았다 [36].

화학적 추출 방법에는

양이온 교환 수지(CER), EDTA(에틸렌디아민테트라아세트산), NaOH 방법이 포함된다[37,38,39].

또한 한 연구에서는 물리적 방법(초음파 처리)이 화학적 방법(글루타르알데히드, 포름알데히드, NaOH)보다 우수함을 입증하였다. 물리적 방법(초음파 처리)은 화학적 추출 방법에 비해 단백질 함량이 더 높았다(343–337 mg 단백질/g EPS 건조 중량) [40].

3. Lactobacillus EPS Composition

LAB can produce a wide variety of EPSs, with an infinite diversity of structures [41]. They differ in their side chains, in the linkages between repeating units, in their substitutions, and their charges [42]. They are composed of fructose, rhamnose, mannose, arabinose, galactose, glucose, and some sugar derivatives such as N-acetyl galactosamine and N-acetylglucosamine [43]. Their nature is dependent on the following factors: composition of the growth medium, cultural strain, and bacterial strain. Moreover, proteins and enzymes are involved in EPS production that can be controlled by the regulation of gene expression‎ [43,44].

EPS are characterized into two groups: one is hetero-polysaccharides (HePS) and the other is homo-polysaccharides (HoPS) [45]. Lactobacillus homopolysaccharides (HoPSs) contain repeating units of the same type of sugar subunits with MW 105–106 Da [46]. α-glucans and β-fructans are synthesized from glucose and fructose by the activity of glycosyl hydrolase by utilizing the energy of glycosidic bonds present between them [47]. HoPSs are categorized into several different types: polyglucans, D-β-glucans, and D-α-glucans. The position of carbon bonds and glycosyl type depends on the linkage composition [46]. Lactobacillus produce some types of HoPSs, which are dextran, mutan, reuteran, alternan, β-D-glucans, levan, and insulin-type glucan [48]. The representative structures of HePSs and HoPSs are shown in Figure 1.

3. Lactobacillus EPS 조성

유산균(LAB)은

무한한 다양성을 지닌 구조의 다양한 EPS를 생성할 수 있다 [41].

이들은

측쇄, 반복 단위 간의 결합, 치환기, 전하 등에서 차이가 있다 [42].

EPS는

프럭토스, 람노스, 만노스, 아라비노스, 갈락토스,

글루코스 및 N-아세틸갈락토사민, N-아세틸글루코사민과 같은

일부 당 유도체로 구성됩니다 [43].

fructose, rhamnose, mannose, arabinose, galactose, glucose,

and some sugar derivatives such as N-acetyl galactosamine and N-acetylglucosamine [43

그들의 특성은

배지 조성, 배양 균주, 박테리아 균주에 따라 달라집니다.

또한, EPS 생산에는

단백질과 효소가 관여하며,

이는 유전자 발현 조절을 통해 제어될 수 있습니다 [43,44].

EPS는

이종 다당류(HePS)와 동종 다당류(HoPS)

두 그룹으로 분류됩니다[45].

hetero-polysaccharides (HePS) and the other is

homo-polysaccharides (HoPS)

Lactobacillus 동종 다당류(HoPS)는

분자량 105–106 Da의 동일 당 단위 반복 구조를 가집니다[46].

α-글루칸과 β-프럭탄은

글루코스와 프럭토스 사이의 글리코시드 결합 에너지를 활용하여

글리코실 가수분해 효소의 작용으로 합성됩니다 [47].

HoPS는

폴리글루칸, D-β-글루칸, D-α-글루칸 등 여러 유형으로 분류됩니다.

탄소 결합 위치와 글리코실 유형은

결합 구성에 따라 달라집니다 [46].

Lactobacillus는

덱스트란, 뮤탄, 로이터란, 알터난, β-D-글루칸, 레반, 인슐린형 글루칸 등

일부 유형의 HoPS를 생산한다 [48].

HePS와 HoPS의 대표적 구조는 그림 1에 제시되어 있다.

Figure 1. The representative structures of HoPSs (A) and HePSs (B).

HePS are much more complex as compared to HoPSs; as HePS comprise of different monosaccharides and have three to eight repeating units of galactose, glucose, and rhamnose in different proportions. Some other components (uronic acid, N-acetyl-d-galactosamine, and N-acetyl-d glucosamine) play crucial roles in the technological and physiological functions [49,50]. Moreover, some growth conditions affect the secretion of HePSs, including pH, turbidity, composition, oxygen level, temperature, growth phase, amount, type, and glycosidic linkages [51].

These hetero-polysaccharides and hexo-polysaccharides require lipids such as isoprenoid glycosyl and have an intracellular scope containing repeating units; hence, they play a significant role in the developmental processes [52]. A polymerization process continues with the transposition of the repetitive units through a membrane that occurs outside the cell. As stated in previous studies, EPS having only the same type of sugar monomers in their composition are HoPS and HePS, which are defined as those that comprise two or more different types of sugar monomers [53]. Some factors actively respond to EPS production such as fermentation conditions, as these define and characterize which type and how much EPS is present, as well as the secretion and biosynthesis of microbial EPSs, which are much more dependent on the growth and developmental phases of microorganisms, as stated by Dertli et al. [52].

One of the main components, i.e., glucan-type EPS production, relies on the activity of a special enzyme-termed glucan sucrase activity of Lactobacillus; it has a greater effect on the catalysis reactions of transglycosylation and hydrolysis of sucrose (sugar) as a substrate, immediately after the breakdown of the sugar (sucrose); as a result, polymeric glucan is formed [32]. Glucose-containing homopolysaccharides are composed of a-D glucans; 1-dextran linked by a-1,6-glycosidic bonds; 2-mutan linked by a-1,3-glycosidic bonds; 3-reuteran containing both a-(1,4)- and a-(1,6)-glycosidic linkages, with a ratio of both 58% and 42%, respectively; and beta-glucans. Whereas homopolysaccharides containing fructose include fructans, the 1-inulin-type which is linked by b-2,1-glycosidic bonds and arranged at position b-2,6 and 2-levan contain b-2,6-glycosidic linkages, and some molecules also have a variation such as b-2,1-linked branches [5]. The biosynthesis and structures of HePS are much more complex as compared to HoPSs as HePS comprises different monosaccharides as they may have repeating units of galactose, glucose, and rhamnose in different proportions. Some other components play crucial roles in technological and physiological functions, such as uronic acid, N-acetyl-d-galactosamine, and N-acetyl-d glucosamine, and some other non-carbohydrate substituents such as phosphate, succinate, pyruvate, and acetate are mentioned [49,50].

A major role of LAB is its EPS characterization in regulating activities, such as Streptococcus thermophilus CH9 producing EPS that exhibits antitumor activity in in vitro characterization against HepG2 cells (human liver cancer) [54].

EPS produced by Leuconostoc citreum strain B-2 with D-glucopyranose units, which are α-(1→6)-linkages in the major branch chain, α-(1→3) linkages (with proportions of 75% and 19%, respectively), and a few α-(1→2) chains [55].

A recent study revealed that Lactobacillus reuteri E81 producing EPS contains an α-glucan homopolysaccharide with α-(1→3) and α-(1→6) glycosidic linkages. This EPS is a promising option for the food industry due to its special characteristics such as its hygroscopic nature and heat-resistant thermal properties [56]. The Leuconostoc mesenteroides strain NRRL B-512 F produces EPS, which comprises α-(1→6) linkages, α-(1→3) linkages in a proportion of 95% and 5%, respectively, and some α-(1→4) branch linkages [57]. All of these studies show that EPS extracted from Lactobacillus covers a wide range of properties and structures that have potential applications in several key areas. Some other studies on EPS’ role in other food products are discussed below.

HePS는 HoPS에 비해 훨씬 더 복잡합니다.

HePS는

서로 다른 단당류로 구성되며 갈락토스, 포도당, 람노스의 반복 단위가 3~8개로

서로 다른 비율로 존재합니다.

다른 구성 요소들(우론산, N-아세틸-d-갈락토사민, N-아세틸-d-글루코사민)은

기술적 및 생리적 기능에서 중요한 역할을 합니다 [49,50].

또한 pH, 탁도, 조성, 산소 수준, 온도, 성장 단계, 양, 유형 및 글리코시드 결합 등

일부 성장 조건이 HePS 분비에 영향을 미칩니다[51].

이러한 이종 다당류 및 헥소 다당류는

이소프렌계 글리코실과 같은 지질을 필요로 하며

반복 단위를 포함하는 세포 내 범위를 가지므로 발달 과정에서 중요한 역할을 합니다 [52].

중합 과정은

세포 외부에서 발생하는 반복 단위의 전위를 통해 지속된다.

기존 연구에서 언급된 바와 같이,

구성 성분에 동일한 당 단량체만 포함된 EPS는 HoPS이며,

두 가지 이상의 서로 다른 당 단량체로 구성된 것은 HePS로 정의된다 [53].

발효 조건과 같은 일부 요인은 EPS 생산에 적극적으로 반응하는데,

이는 존재하는 EPS의 유형과 양을 정의하고 특성화할 뿐만 아니라,

Dertli 등[52]이 언급한 바와 같이 미생물의 성장 및 발달 단계에 훨씬 더 의존적인

미생물 EPS의 분비 및 생합성에도 영향을 미친다.

주요 구성 요소 중 하나인

글루칸형 EPS 생산은 Lactobacillus의 특수 효소인

글루칸 수크라아제 활성에 의존한다.

이는 당(자당) 분해 직후 기질로서의 자당(당류)의 트랜스글리코실화 및 가수분해 촉매 반응에 더 큰 영향을 미치며,

결과적으로 중합체 글루칸이 형성된다 [32].

포도당 함유 동종 다당류는

α-D 글루칸으로 구성되며,

α-1,6-글리코시드 결합으로 연결된 1-덱스트란,

α-1,3-글리코시드 결합으로 연결된 2-무탄,

3-레우테란은 α-(1,4)- 및 α-(1,6)-글리코시드 결합을 모두 포함하며,

각각의 비율은 58%와 42%이다;

그리고 β-글루칸이다.

반면 프럭토스를 포함하는 동종다당류에는

프럭탄이 포함되며,

1-이눌린형은 β-2,1-글리코시드 결합으로 연결되고

b-2,6 위치에 배열된 1-이눌린형과

b-2,6-글리코시드 결합을 가진 2-레반이 있으며,

일부 분자는 b-2,1-결합 분지 등의 변이를 보이기도 한다[5].

HePS는

갈락토스, 글루코스, 람노스 등의 단당류를 서로 다른 비율로 반복 단위로 포함할 수 있기 때문이다.

우론산, N-아세틸-d-갈락토사민, N-아세틸-d-글루코사민과 같은

다른 구성 요소들도 기술적 및 생리적 기능에서 중요한 역할을 하며,

인산염, 숙신산염, 피루브산염, 아세테이트염과 같은 비탄수화물 치환체들도 언급된다 [49,50].

LAB의 주요 역할은

EPS 특성에 따른 활동 조절입니다.

예를 들어,

Streptococcus thermophilus CH9는

시험관 내 특성 분석에서 HepG2 세포(인간 간암)에 대해 항종양 활성을 나타내는 EPS를 생산합니다 [54].

Leuconostoc citreum 균주 B-2가 생성한 EPS는

D-글루코피라노스 단위로, 주요 분기 사슬에서 α-(1→6)-결합, α-(1→3) 결합(각각 75%와 19%의 비율) 및

소량의 α-(1→2) 사슬을 나타낸다 [55].

최근 연구에 따르면 EPS를 생성하는

Lactobacillus reuteri E81 균주는 α-(1→3) 및 α-(1→6) 글리코시드 결합을 가진

α-글루칸 동종다당류를 함유한다.

이 EPS는

흡습성과 내열성 같은 특수 특성으로 인해

식품 산업에서 유망한 옵션이다 [56].

Leuconostoc mesenteroides 균주 NRRL B-512 F는 EPS를 생산하며,

이는 α-(1→6) 결합, α-(1→3) 결합(각각 95%와 5% 비율) 및 일부 α-(1→4) 분지 결합으로 구성된다[57].

이러한 모든 연구는 Lactobacillus에서 추출한 EPS가

여러 주요 분야에서 잠재적 응용 가능성을 지닌 광범위한 특성과 구조를 포괄함을 보여줍니다.

다른 식품 제품에서 EPS의 역할에 관한 추가 연구들은 아래에서 논의됩니다.

4. EPS Synthesis Pathways

Microorganisms use four commons pathways for EPS biosynthesis i.e., extracellular, the synthase-dependent, the ATP-binding cassette transporter-dependent pathway, and the Wzx/Wzy-dependent pathway (Figure 2). The Wzx/Wzy-dependent and extracellular synthesis pathways are common mechanisms for Lactobacillus EPS production [58].

4. EPS 생합성 경로

미생물은 EPS 생합성을 위해

네 가지 일반적인 경로를 사용한다.

즉,

세포외 경로,

합성효소 의존 경로,

ATP 결합 캐스케이드 수송체 의존 경로,

Wzx/Wzy 의존 경로이다(그림 2).

extracellular,

the synthase-dependent,

the ATP-binding cassette transporter-dependent pathway, and

the Wzx/Wzy-dependent pathway 

Wzx/Wzy 의존 경로와 세포외 합성 경로는

Lactobacillus EPS 생산의 일반적인 메커니즘이다[58].

Figure 2. Biosynthesis pathways of exopolysaccharides in microorganisms.

4.1. Extracellular Synthesis Pathway

The extracellular EPS biosynthesis pathway is typically used by the genera Pediococcus, Leuconostoc, and Weissella to generate HoPSs. This pathway consists of two major mechanisms [45]. The initial step is polymerization, which involves the transfer of a monosaccharide to an evolving polysaccharide chain. Enzymes such as glucansucrase and fructansucrase help speed up this process. The polymerized EPSs chain is released straight into the extracellular environment in the second stage [59].

4.1. 세포외 합성 경로

세포외 EPS 생합성 경로는

일반적으로 Pediococcus, Leuconostoc, Weissella 속이 HoPSs를 생성하는 데 사용한다.

이 경로는 두 가지 주요 메커니즘으로 구성된다[45].

초기 단계는 중합으로,

단당류가 성장 중인 다당류 사슬로 전달되는 과정이다.

글루칸수크라제 및 프럭탄수크라제와 같은 효소가

이 과정을 가속화한다.

중합된 EPS 사슬은

두 번째 단계에서 바로 세포외 환경으로 방출된다 [59].

4.2. Wzx/Wzy-Dependent EPSs Biosynthesis Pathway

The Wzx/Wzy-dependent EPSs biosynthesis pathway is used entirely by Streptococcus, Lactobacillus, and Leuconostoc. This pathway is more complex than extracellular EPSs production since it requires the employment of more enzymes and larger interaction sites [60]. It consists of five steps: (a) phosphorylation, (b) activation of monosaccharides, (c) synthesis of repeating units, (d) polymerization, (e) release of EPS.

For phosphorylation and transportation of monosaccharides and disaccharides, a phosphotransferase-assisted pathway and a permease-assisted pathway are required for the import of repeating subunits [19]. While, in activation of monosaccharides or the synthesis of sugar nucleotides, the phosphoglucomutase or galactose-1-phosphate uridylyltransferase starts the transformation from glucose-6-phosphate or galactose-1-phosphate to glucose-1-phosphate, which is then changed into UDP-galactose, dTDP-rhamnose, and UDP-glucose by using numerous enzymes such as UDP-galactose 4-epimerase, UDP-glucose pyrophosphorylase, and dTDP-glucose 4,6-dehydratase [19].

In the third step, the synthesis of repeating subunits occurs. Individual repeating subunits coupled with an undecaprenol diphosphate anchor on the surface membrane are accumulated in this stage by a series of glycosyltransferases. With the help of flippase, repeated subunits are transformed from the intracellular membrane to the extracellular membrane surface in the fourth phase (Wzx). The polymerization of repeated subunits by a polymerization protein (Wzy), followed by the release of long polymer chains into extracellular space [61,62].

4.2. Wzx/Wzy 의존성 EPS 생합성 경로

Wzx/Wzy 의존성 EPS 생합성 경로는 전적으로 Streptococcus, Lactobacillus 및 Leuconostoc에 의해 이용된다. 이 경로는 더 많은 효소와 더 큰 상호작용 부위의 사용을 필요로 하기 때문에 세포외 EPS 생산보다 더 복잡합니다 [60]. 이 경로는 다섯 단계로 구성됩니다: (a) 인산화, (b) 단당류 활성화, (c) 반복 단위 합성, (d) 중합, (e) EPS 방출.

단당류 및 이당류의 인산화 및 수송을 위해서는 반복 단위체의 수입을 위해 인산전달효소 보조 경로와 투과효소 보조 경로가 필요합니다 [19]. 반면 단당류 활성화 또는 당 뉴클레오티드 합성에서는 포스포글루코뮤타제 또는 갈락토스-1-인산 우리딜일전달효소가 포도당-6-인산 또는 갈락토스-1-인산으로부터 포도당-1-인산으로의 변환을 시작하며, 이는 이후 UDP-갈락토스, dTDP-람노스, 그리고 UDP-글루코스로 전환됩니다. 이 과정에는 UDP-갈락토스 4-에피머레이스, UDP-글루코스 피로포스포릴레이스, dTDP-글루코스 4,6-탈수화효소 등 다수의 효소가 관여합니다 [19].

세 번째 단계에서는 반복 단위의 합성이 이루어집니다. 막 표면에 고정된 11-프렌올 디포스페이트 앵커와 결합된 개별 반복 단위가 일련의 글리코실트랜스퍼레이즈에 의해 이 단계에서 축적됩니다. 플리파아제의 도움으로, 반복 단위는 네 번째 단계(Wzx)에서 세포 내막에서 세포 외막 표면으로 전환됩니다. 중합 단백질(Wzy)에 의한 반복 단위의 중합이 이루어지고, 이어서 긴 중합 사슬이 세포외 공간으로 방출된다[61,62].

5. Role of EPS in the Food Industry5.1. Rheological and Technological Functions in Food Products

A recent study by Ayyash et al. [13] eval‎uated the rheological and bioactive potential of EPS synthesized by a novel probiotic, L. plantarum C70. In this study, camel milk was used as a potential source to isolate EPS-C70. The EPS-C70 had an average molecular weight (Mw) of 3.8 × 105 Da while having main monosaccharide elements such as glucose (74.6%), mannose (7.1%), galactose (5.0%), and arabinose (13.3%). EPS-C70 (10 mg/mL) showed 88.1% and 73.1% cytotoxic activity against breast cancer and colon cancer lines, respectively. Moreover, at the same concertation of EPS-C70 with 2,2′-azino-bis (3-ethylbenzo-thiazoline-6-sulphonic acid) (ABTS) and 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH), the activity was 49.42% and 75.91%, respectively [13]. Additionally, EPSC70 has a strong bactericidal effect on some devastating foodborne pathogens such as Salmonella typhimurium, Listeria monocytogenes, E. coli O157:H7, and Staphylococcus aureus ATCC; this EPS shows a 2.0 to 3.0 log (CFU/mL) reduction in pathogenic foodborne microorganisms, which have initial growing populations of 9.0 log (CFU/mL). An overview of EPS technological and functional characteristics in the food industry are represented in Figure 3.

5.1. 식품 제품에서의 유변학적 및 기술적 기능

Ayyash 등[13]의 최근 연구는

새로운 프로바이오틱스인 L. plantarum C70에 의해 합성된

EPS의 유변학적 및 생리활성 잠재력을 평가했습니다.

이 연구에서는

EPS-C70을 분리하기 위한 잠재적 원료로 낙타 우유를 사용했습니다.

EPS-C70의 평균 분자량(Mw)은 3.8 × 105 Da였으며,

주요 단당류 성분으로는 포도당(74.6%), 만노스(7.1%), 갈락토스(5.0%), 아라비노스(13.3%) 등의

주요 단당류 성분을 포함했다.

EPS-C70(10 mg/mL)은

유방암 세포주와 대장암 세포주에 대해 각각 88.1%와 73.1%의 세포독성 활성을 나타냈다.

또한

동일한 농도의 EPS-C70과 2,2′-아지노-비스(3-에틸벤조-티아졸린-6-설폰산)(ABTS),

1,1-디페닐-2-피크릴하이드라질(DPPH)을 혼합했을 때

각각 49.42% 및 75.91%의 활성을 나타냈다[13].

더불어, EPSC70은

살모넬라 티피무리움(Salmonella typhimurium), 리스테리아 모노사이토제네스(Listeria monocytogenes),

대장균(E. coli) O157:H7, 황색포도상구균(Staphylococcus aureus) ATCC 등

일부 치명적인 식중독 병원균에 대해 강력한 살균 효과를 나타내며,

초기 증식 개체수가 9.0 log (CFU/mL)인 병원성 식중독 미생물을

2.0~3.0 log (CFU/mL) 감소시키는 것으로 나타났습니다.

식품 산업에서 EPS의 기술적 및 기능적 특성에 대한 개요는 그림 3에 제시되어 있습니다.

Figure 3. Technological function of Lactobacillus EPS in the food industry.

Recently, Hashemi et al. [63] revealed that the use of ultra-sonication treatment considerably improved the fermentation process by increasing goat milk’s bioactive properties, i.e., EPS content, a-amylase, and a-glucosidase inhibition, antioxidant and anticancer activities, and peptide content. The obtained results show that ultra-sonication, initially at 30% and then at 60% amplitude, increased the growth of some inoculated strains, e.g., L plantarum LP3. However, a 90% amplitude not only reduced the bacterial population but also exerted antagonistic effects on EPS. Similarly, the EPS potential was eval‎uated by the production of low-fat akawi cheese isolated from camel milk. Angiotensin-converting enzyme (ACE) inhibition, anti-proliferative, a-amylase, antioxidant, and a-glucosidase inhibitory activities were compared between commercial EPS and camel milk-EPS cultures. The ACE inhibition activity of camel milk-EPS cultures was more than 70%, while the anti-proliferation activity improved from 38% to 48% during one week of storage. Overall, the camel milk-EPS cultures showed significant health-boosting properties compared to the commercial EPS cultures [64]. A study [65] isolated a novel bacterial strain, L. lactis, from milk with promising EPS-producing properties. The extracted EPS showed higher antioxidant properties and have the potential to be applied as a thickening agent in the food industry.

Likewise, Lactiplantibacillus plantarum has three distinct LBIO1, LBIO14, and LBIO28 strains, which are isolated from fermented dairy products and are used to investigate the impact of polymers that are seen in skim milk fermentations. These three strains are to be used based on the presence and absence of a ropy character, where LBIO1 and LBIO28 show the presence of a ropy character and LBIO14 exhibit its absence; this ropy character can be used to eval‎uate the synthesis of a type of EPS [66]. Due to the presence of a high molecular weight EPS, the two strains show a ropy character, which is beneficial in the food industry.

Among the three L. plantarum strains, LBIO1 can produce milk gels with a less permeable structure; therefore, this strain is used for the manufacture of ready-to-use dairy products to increase water retention or avoid syneresis and maintain the nutritional needs of consumers [67]. Another beneficial impact of non-ropy LAB spp. is that the milk fermented by L. plantarum LBIO28 strain showed the highest viscosity of the product, which indicates that the in-situ polymer production can mainly be used to modify the rheological properties of food products with low calories. This will ultimately serve the function of a natural fat replacer [68]. All of these characteristics show the technological aspects of the Lab spp. EPS for use in dairy products.

L. paracasei isolated from Kefir grains are used as a fermentation starter for the development of functional products. Milk fermented with L. paracasei is suitable for human consumption as it can produce immunomodulatory metabolites during the fermentation process, also playing a role in prebiotic development [69]. The three strains, CIDCA8339, CIDCA83123, and CIDCA83124, of L. paracasei are used to produce bioactive moieties during the fermentation process, and the milk supernatants downregulate the innate immune response induced in vitro by >75% [70]. Moreover, L. paracasei CIDCA 8339 maintains EPS production and probiotic development properties, which are affected by different temperature variations, with a technological function in the food industry [69]. These strains’ survival depends upon a suitable amount of viable microbe during the storage of a specific product. Similarly, the L. paracasei CIDCA 8339 survived in fermented milk stored at 4 °C, with no significant reduction in viable bacteria when stored for 225 days. This strain also showed variation, having the best protection against Salmonella attacks on intestinal cells [71]. Due to the absence of hemolytic activity, the EPS is used for the healthy activity of the gastrointestinal tract, which is why they are used in functional fermented foods [70].

최근 Hashemi 등[63]은 초음파 처리 적용이 염소 우유의 생리활성 특성,

즉 EPS 함량,

α-아밀라제 및 α-글루코시다제 억제 활성,

항산화 및 항암 활성, 펩타이드 함량을 증가시켜

발효 공정을 현저히 개선함을 밝혔다.

얻어진 결과에 따르면 초음파 처리(초기 진폭 30%, 이후 60%)는

일부 접종 균주(예: L plantarum LP3)의 성장을 촉진했다.

그러나

90% 진폭에서는 세균 군집이 감소할 뿐만 아니라

EPS에 대해 항생 효과를 나타냈다.

마찬가지로,

낙타유에서 분리된 저지방 아카위 치즈 생산을 통해 EPS의 잠재력을 평가하였다.

상업용 EPS와 낙타유-EPS 배양액 간에

안지오텐신 전환 효소(ACE) 억제,

항증식, α-아밀라제,

항산화,

α-글루코시다제 억제 활성을 비교하였다.

낙타유 EPS 배양액의 ACE 억제 활성은 70% 이상이었으며,

항증식 활성은 1주일 저장 기간 동안 38%에서 48%로 향상되었다.

전반적으로 낙타유 EPS 배양액은 상업용 EPS 배양액에 비해 상당한 건강 증진 특성을 보였다 [64]. 한 연구[65]에서는 유망한 EPS 생산 특성을 지닌 우유에서 새로운 균주인 L. lactis를 분리했다. 추출된 EPS는 더 높은 항산화 특성을 보였으며 식품 산업에서 증점제로 활용될 잠재력을 지녔다.

마찬가지로, Lactiplantibacillus plantarum은 발효 유제품에서 분리된 LBIO1, LBIO14, LBIO28 세 가지 고유 균주를 보유하고 있으며, 이들은 탈지유 발효 과정에서 관찰되는 폴리머의 영향을 연구하는 데 활용된다. 이 세 균주는 점성 특성의 유무에 따라 사용되며, LBIO1과 LBIO28은 점성 특성을 나타내고 LBIO14는 이를 나타내지 않습니다. 이 점성 특성은 특정 유형의 EPS 합성 평가에 활용될 수 있습니다[66]. 고분자량 EPS의 존재로 인해 두 균주는 식품 산업에 유리한 점성 특성을 보입니다.

세 가지 L. plantarum 균주 중 LBIO1은 투과성이 낮은 구조의 우유 젤을 생산할 수 있으므로, 이 균주는 즉석 유제품 제조에 활용되어 수분 보유력을 높이거나 시네레시스(syneresis)를 방지하며 소비자의 영양 요구를 유지하는 데 사용됩니다 [67]. 비점성성 유산균 종의 또 다른 유익한 영향은 L. plantarum LBIO28 균주로 발효된 우유가 제품 중 가장 높은 점도를 보였다는 점으로, 이는 현장 중합체 생산이 주로 저칼로리 식품의 유변학적 특성 개선에 활용될 수 있음을 시사한다. 이는 궁극적으로 천연 지방 대체제 기능을 수행할 것이다[68]. 이러한 모든 특성은 유제품에 활용 가능한 LAB 종 EPS의 기술적 측면을 보여준다.

케피르 곡물에서 분리된 L. paracasei는 기능성 제품 개발을 위한 발효 시동균으로 사용된다. L. paracasei로 발효된 우유는 발효 과정에서 면역조절 대사물을 생성할 수 있어 인체 섭취에 적합하며, 프리바이오틱스 개발에도 기여한다 [69]. L. paracasei의 세 균주(CIDCA8339, CIDCA83123, CIDCA83124)는 발효 과정에서 생리활성 성분을 생산하는 데 사용되며, 우유 상층액은 시험관 내에서 유도된 선천성 면역 반응을 75% 이상 억제합니다[70]. 또한 L. paracasei CIDCA 8339는 다양한 온도 변화에 영향을 받는 EPS 생산 및 프로바이오틱 발달 특성을 유지하며, 식품 산업에서 기술적 기능을 수행한다 [69]. 이 균주의 생존은 특정 제품 저장 중 적절한 활성 미생물 수에 달려 있습니다. 마찬가지로, L. paracasei CIDCA 8339는 4°C에서 저장된 발효유에서 생존했으며, 225일 동안 저장 시 활성 세균 수가 유의미하게 감소하지 않았습니다. 이 균주는 또한 장 세포에 대한 살모넬라 공격에 대한 최상의 보호 효과를 보이며 변이를 나타냈다 [71]. 용혈 활성이 없기 때문에, EPS는 위장관의 건강한 활동을 위해 사용되며, 이 때문에 기능성 발효 식품에 사용된다 [70].

5.2. Radical Scavenging and Anti-Tumor Properties

L. plantarum JLK0142, having robust probiotic properties and EPS-production capability, was isolated from traditionally fermented dairy tofu. The results showed that its EPS had strong hydroxyl radical-scavenging activity, and it effectively induced apoptosis in human colon cancer HT-29 cells, hence effectively improving immunomodulatory activity to stimulate the immune system [72]. In 2019, Wang and colleagues conducted an experiment in which non-EPS-producing starter cultures were used along with purified EPS (ingredient) and Lb. plantarum JLK0142 (adjunct culture) to produce three batches of cheese. The ripening period of 90 days did not induce any negative effects on L. plantarum JLK0142 count (7.99 log CFU/g) in cheese. All experimental cheeses (with adjunct culture or EPS ingredient) had proteolytic activity, higher moisture, and sensory eval‎uations, but lower hardness and cohesiveness as compared with the control cheese. Wang reported that water-soluble extracts from the experimental cheeses also outperformed the control in scavenging 2,2′-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt (ABTS) and 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) and in inhibiting α-amylase, angiotensin-converting enzyme, hydroxyl radicals, and HT-29 cancerous cells growth in humans. Moreover, the improvement of low-fat cheese quality and bioactive moieties is directly proportional to the inoculation with the EPS-producing culture of the Lb. plantarum JLK0142 strain [73]. Schematic representation of the EPS anticancer mechanism is represented in Figure 4.

5.2. 활성산소 제거 및 항종양 특성

강력한 프로바이오틱 특성과 EPS 생산 능력을 지닌

L. plantarum JLK0142는

전통 발효 유제품 두부에서 분리되었다.

연구 결과,

이 균주의 EPS는 강력한 하이드록실 라디칼 제거 활성을 보였으며,

인간 대장암 HT-29 세포에서 효과적으로 세포사멸을 유도하여

면역조절 활성을 향상시켜 면역 체계 자극에 효과적이었다[72].

2019년 왕(Wang)과 동료들은

비-EPS 생산 스타터 배양균과 정제된 EPS(원료), 그리고

Lb. plantarum JLK0142 (보조 배양균)을 함께 사용하여

세 가지 배치의 치즈를 생산하는 실험을 수행했다.

90일의 숙성 기간 동안 치즈 내 L. plantarum JLK0142의 수(7.99 log CFU/g)에 부정적인 영향은 관찰되지 않았다. 모든 실험 치즈(보조 배양균 또는 EPS 원료 포함)는 대조군 치즈에 비해 단백질 분해 활성, 높은 수분 함량 및 감각 평가 점수를 보였으나 경도와 응집력은 낮았다. 왕(Wang)은 실험 치즈에서 추출한 수용성 추출물이 대조군보다 2,2′-아지노-비스(3-에틸벤조티아졸린-6-설포닉산) 디암모늄염 (ABTS) 및 1,1-디페닐-2-피크릴하이드라질(DPPH) 소거 능력과 α-아밀라아제, 안지오텐신 전환 효소, 하이드록실 라디칼, 인간 HT-29 암세포 성장 억제 능력에서 대조군보다 우수했다. 또한 저지방 치즈의 품질 및 생리활성 성분 개선 효과는 Lb. plantarum JLK0142 균주의 EPS 생성 배양액 접종량에 비례한다 [73]. EPS의 항암 작용 기전은 그림 4에 개략적으로 제시되어 있다.

Figure 4. Schematic representation of the EPS anticancer mechanism.

5.3. Flavor and Texture-Enhancing Properties

Whey, a lactose-rich byproduct, originated from cheese-making industries during the coagulation of a milk [74]. Some additional steps convert the lactose of whey using a β-galactosidase enzyme. This process also catalyzes the transgalactosylation and hydrolysis of lactose, which are further enhanced to be used as valuable by-products [75]. Many of the bacterial and fungal EPSs such as succinoglycan, curdlan, levan, pullunan, and EPS-605 are currently used as stabilizing and reducing agents for nanoparticle synthesis, which are metal in nature [76,77]. In food products, due to shear thinning properties (pseudoplastic non-Newtonian fluids), there may be a loss of EPS structural units, mainly caused by hydrodynamic forces [78], which plays a crucial role in forming the desired mouthfeel and flavor-enhancing properties [79]. Nowadays, this research is gaining attention due to the potential of converting cheese whey into valuable products.

Thus, EPS produced from L. plantarum is usually used as a textural agent, and potentially they can also be used as probiotics [80]. A specific strain (JNULCC001) of L. plantarum can convert cheese whey into a valuable EPS product as it shows a biosorption ability of methylene blue dye; it also plays a role in the thickening, gelling, stabilizing, and biosynthesis of selenium nanoparticles [12].

5.3. 풍미 및 질감 향상 특성

유청은

유당 함량이 높은 부산물로,

우유 응고 과정에서 치즈 제조 산업에서 발생합니다[74].

추가 공정에서

β-갈락토시다아제 효소를 이용해 유청의 유당을 전환합니다.

이 과정은 유당의 트랜스갈락토실화 및 가수분해를 촉매하며,

이는 가치 있는 부산물로 활용되도록 더욱 강화됩니다 [75].

숙신글리칸, 커들란, 레반, 풀루난, 및 EPS-605와 같은

많은 박테리아 및 곰팡이 EPS는 현재 금속 기반 나노입자 합성을 위한 안정화제 및 환원제로 사용되고 있다 [76,77].

식품 제품에서는 전단 묽어짐 특성(가소성 비뉴턴 유체)으로 인해,

주로 유체역학적 힘에 의해 EPS 구조 단위가 손실될 수 있다 [78].

이는 원하는 식감 형성과 풍미 증진 특성에 중요한 역할을 한다 [79].

현재 치

즈 유청을 가치 있는 제품으로 전환할 수 있는 잠재력으로 인해

이 연구가 주목받고 있다.

따라서

L. plantarum에서 생산된 EPS는

일반적으로 식감 조절제로 사용되며,

잠재적으로 프로바이오틱스로도 활용될 수 있다 [80].

특정 균주(JNULCC001)의 L. plantarum은 메틸렌 블루 염료의 생흡착 능력을 보여 치즈 유청을 가치 있는 EPS 제품으로 전환할 수 있으며, 증점, 겔화, 안정화 및 셀레늄 나노입자 생합성에도 역할을 합니다[12].

5.4. Lactobacillus EPS and Their Role as Bread Improvers

The EPS function in bread improvement mainly depends upon three factors, i.e., carbon source, incubation time, and sucrose concentration [81]. A liquid medium containing the Weisella cibaria C43-11 strain enriched with 10% sucrose indicated high EPS production. Liquid sourdoughs (LSs) with a dough yield (DY) of 500, based on wheat flour or pseudocereals (such as amaranth and quinoa) present in a 1:1 ratio with 3% sucrose as compared to the L. plantarum ITM21B strain, which does not produce EPS in mMRS, were tested [82]. The W. cibaria hydrolyzes protein fermentations, while the L. plantarum ITM21B strain causes protein degradation at a dough yield of 250. EPSs are responsible for technological and nutritional properties; similarly, phytases improve mineral bioavailability by reducing phytate components in bread [83]. Regarding the biotechnological aspects, the combination of EPS and pseudocereals is very helpful for enhancing the overall quality indicators of food products such as shelf-life, dough rheology, nutritional value, and flavor as well the aroma of the final products [84]. Hence, we can say that the use of pseudocereals enhanced the production of EPS, which are further used in bakery products as texture improvers.

All around the globe, the baking industry faces the major problem of how to reduce the salt levels in yeasted bread [85]. The industries have tried to solve this problem many times, but they have faced bad effects on organoleptic properties such as shelf-life reduction, crumb structure, and lack of salty taste. For this purpose, breads with a combination of sourdough levels (0%, 6%, 12%, 18%, 24%) and salt levels (0%, 0.3%, 1.2%) were prepared. These sourdough combinations have functional EPS of two spp., Weisella cibaria MG1 and Lactobacillus amylovorus DSM 19280, to reduce the quality problems in yeasted bread. The salt level was reduced to 0.3%, thus improving the sensory profile and increasing the volume and shelf life of bread, as well as the crumb texture [86]. Thus, functional sourdoughs containing EPS are the best way to compensate for the reduced level of salt in yeasted bread. In addition, we can naturally maintain a high quality of bread without the addition of synthetic additives.

Secondly, to find the functionality of the bread, the sourdoughs were fermented with EPS-producing (Weissella cibaria, Leuconostoc mesenteroides, Fructilactobacillus sanfranciscensis and Latilactobacillus sakei LS81) LAB spp. It is to be noted that EPS production by these lactobacilli spp. enhances the texture and specific volume but also reduces the stalling rate in bread and crumb hardness [18]. Similarly, the in situ production of EPS provides a natural replacer for hydrocolloids, enhancing the physicochemical properties of gluten and gluten-free bakery products [87].

5.4. 락토바실러스 EPS와 빵 개선제 역할

빵 개선에서의 EPS 기능은

주로 탄원, 배양 시간, 자당 농도라는 세 가지 요인에 달려 있다[81].

10% 자당으로 농축된 Weisella cibaria C43-11 균주를 함유한 액체 배지에서

높은 EPS 생산이 관찰되었다.

밀가루 또는 가짜 곡물(아마란스, 퀴노아 등)을 1:1 비율로 혼합하고

3% 자당을 첨가한 반죽 수율(DY) 500의 액상 사워도우(LS)를,

mMRS 배지에서 EPS를 생산하지 않는 L. plantarum ITM21B 균주와 비교하여 시험하였다[82]..

W. cibaria는 단백질 발효를 가수분해하는 반면,

L. plantarum ITM21B 균주는 반죽 수율 250에서 단백질 분해를 유발한다.

EPS는

기술적·영양적 특성에 기여하며,

마찬가지로 피타아제는 빵 내 피타트 성분을 감소시켜 미네랄 생체이용률을 향상시킨다 [83].

생명공학적 측면에서, EPS와 가짜곡물의 조합은

유통기한, 반죽 유변학, 영양가, 풍미 및 최종 제품의 향미와 같은 식품의 전반적인 품질 지표를 향상시키는 데 매우 유용하다[84].

따라서

가짜곡물의 사용이 EPS 생산을 증진시켰으며,

이는 제빵 제품에서 식감 개선제로 추가 활용된다고 말할 수 있다.

전 세계적으로 제빵 산업은 효모 빵의 염분 함량을 어떻게 줄일 것인가라는 주요 문제에 직면해 있습니다 [85]. 업계는 이 문제를 여러 차례 해결하려 시도했으나, 유통기한 단축, 빵 속 구조 변화, 짠맛 부족 등 관능적 특성에 부정적 영향을 받는 결과를 마주했다. 이를 위해 사워도우 함량(0%, 6%, 12%, 18%, 24%)과 염분 함량(0%, 0.3%, 1.2%)을 조합한 빵을 제조하였다. 이 사워도우 조합은 효모 빵의 품질 문제를 줄이기 위해 Weisella cibaria MG1과 Lactobacillus amylovorus DSM 19280 두 종의 기능성 EPS를 함유하고 있다. 소금 함량을 0.3%로 줄임으로써 감각적 특성을 개선하고 빵의 부피와 유통기한, 그리고 빵 속 조직을 증가시켰다 [86]. 따라서 EPS를 함유한 기능성 사워도우가 효모 빵의 감량된 염분 수준을 보완하는 최선의 방법이다. 또한 합성 첨가물 없이도 빵의 높은 품질을 자연적으로 유지할 수 있다.

둘째, 빵의 기능성을 확인하기 위해 사워도우를 EPS 생성(Weissella cibaria, Leuconostoc mesenteroides, Fructilactobacillus sanfranciscensis 및 Latilactobacillus sakei LS81) LAB 종으로 발효시켰다. 이 lactobacilli 종에 의한 EPS 생산은 빵의 조직과 특정 부피를 향상시킬 뿐만 아니라 빵의 경화 속도와 부스러기 경도를 감소시킨다는 점에 유의해야 한다 [18]. 마찬가지로, 현장 EPS 생산은 하이드로콜로이드의 천연 대체재 역할을 하여 글루텐 및 글루텐 프리 베이커리 제품의 물리화학적 특성을 향상시킵니다 [87].

5.5. Water-Holding Capacity and Juiciness of Meat Products

EPS-producing bacteria are currently used to improve the water-holding capacity and juiciness of meat products, but only a few experiments introducing EPS-producing LAB spp. to meat products are conducted to check the vulnerability and sustainability [88]. Applications of hydrocolloids improve the quality of meat products, including cooked hams. The in-situ usage of EPS-producing Lactobacillus spp. such as L. curvatus, L. sakei and L. plantarum in meat matrices improves the product characteristics, except that of isolated ones, and helps in the tumbling process during ham production [22].

EPS of the L. plantarum S2 strain was shown to be a potential candidate for use in the food industry, presenting the role of a natural preservative and also having the ability to be used as a starter culture as well as being an antimicrobial agent against four pathogenic strains: Staphylococcus aureus ATCC-6538, Listeria monocytogenes ATCC–7644, Enterococcus feacalis ATCC-29212, and Pseudomonas aeroginosa ATCC-27853 [89]. They also proposed that some factors that are essential for antimicrobial activity are pH, temperature, and several enzymes are α-chymotrypsin, α-amylase, trypsin, lysozyme, and pronase. This strain not only appeared to be used as a starter culture but also improved the food color, taste, smell, and appearance for prolonged use in the consumer market [90].

5.5. 육류 제품의 수분 보유 능력 및 육즙성

현재 EPS 생성균은 육류 제품의 수분 보유 능력과 육즙성을 개선하는 데 활용되고 있으나, 육류 제품에 EPS 생성 유산균 종을 도입하여 취약성과 지속 가능성을 검증한 실험은 극소수에 불과하다[88]. 하이드로콜로이드의 적용은 조리된 햄을 포함한 육류 제품의 품질을 향상시킵니다. L. curvatus, L. sakei 및 L. plantarum과 같은 EPS 생성 락토바실러스 종을 육류 매트릭스 내에서 현장 활용하면, 분리된 균주의 특성을 제외한 제품 특성을 개선하고 햄 생산 과정의 텀블링 공정에 도움을 줍니다

[22]. L. plantarum S2 균주의 EPS는 식품 산업에서 활용 가능한 잠재적 후보로 확인되었으며, 천연 방부제 역할을 수행할 뿐만 아니라 시동균 배양체로 사용될 수 있고, 다음 네 가지 병원성 균주에 대한 항균제 역할도 합니다:

Staphylococcus aureus ATCC-6538, Listeria monocytogenes ATCC–7644, Enterococcus faecalis ATCC-29212, Pseudomonas aeruginosa ATCC-27853 [89]또한 항균 활성에 필수적인 요인으로 pH, 온도, 그리고 α-키모트립신, α-아밀라아제, 트립신, 리소자임, 프로나아제 등 여러 효소를 제시하였다. 이 균주는 시동균으로 사용될 뿐만 아니라 소비자 시장에서 장기간 사용 시 식품의 색상, 맛, 향, 외관을 개선하는 것으로 나타났다 [90].

5.6. EPS as Emulsifying Agents

In recent years, many novel EPSs have emerged as promising emulsifying and stabilizing agents. These have enormous potential to develop and stabilize both oil-in-water as well as water-in-oil emulsions. This activity of EPS may provide the food industry with a suitable alternative to stabilizers and emulsifiers to enhance the organoleptic characteristics [91]. A recent study [92] studied EPS from Lactobacillus sakei L3 in terms of various technological attributes, including emulsifying activity. The emulsification indices of the Lactobacillus sakei L3 EPS varied from 2.61% to 62.30% with different vegetable oils, i.e., soybean oil, peanut oil, sunflower oil, and mustard oil. The most stable and active emulsion was with sunflower oil at 2.0 mg/mL L3 EPS concentration. More recently, EPS from Lactobacillus Plantarum S123 showed high emulsifying activity due to its spongy and highly porous structure. This EPS can be used as a potential stabilizer in food products [93]. Similarly, in another study, the Lactobacillus paracasei EPS emulsification index was quite high in toluene (79.20) and benzene (78.867) augmented medium, as compared to coconut oil [94].

The emulsifying activity of EPS from Lactobacillus is less well studied and has a lower potential. However, there are some promising EPSs from another genus that have provided some interesting and highly productive results. Furthermore, a study [95] discovered a novel EPS from Pantoea sp. BCCS 001 GH with promising antioxidant and emulsifying abilities. This EPS is expressed as one of the most effective emulsifying agents against various oils/hydrocarbons combinations. The high degradation temperature (318 °C) of this EPS makes it safe to be used in the dairy industry. The genus Pandoraea is generally not known for EPS-producing bacterial strains. However, a study indicated that two bacterial strains, i.e., Pandorea pnomenusa MS5 Pandorea pnomenusa AS3, had effective emulsifying and anti-biofilm activity [91].

Galactan EPS is Generally Regarded as Safe (GRAS) and has a favorable potential to be used as an emulsifier in the food industry. Recently, a study eval‎uated the Galactan EPS oil-in-water emulsion capacity extracted from Weissella confusa KR 780676. This EPS at 1% of concentration exhibited substantial emulsifying activity (50–70%) and stability (100%) against olive and groundnut oil. This emulsion was stable from −20 °C to 60 °C as well as in a wide range of pH (3.0–8.0) [96]. Pseudomonas ID1, a bacterium isolated from marine sediments of Antarctica Islands, released EPS with a molecular mass higher than 2 × 106 Da. It showed very high stable emulsifying activity against different food and cosmetic oils. Furthermore, the emulsifying activity was much higher than commercial gums such as xanthan gum and Arabic gum [97]. BMS is the first high molecular weight EPS from Leuconostoc citreum-BMS strain with good emulsifying activity. The emulsifying activity of EPS-BMS was the highest at pH 7 and 25 °C after 24 h of incubation. Moreover, EPS-BMS was able to stabilize the emulsions for 15 days in both acidic and neutral conditions. This EPS stabilized oil-in-water emulsions due to its thickening properties and developed a macromolecular block in the aqueous medium between the dispersed droplets [98].

5.6. 유화제로서의 EPS

최근 몇 년간 많은 새로운 EPS가 유망한 유화제 및 안정제로 부상했다. 이들은 유수(油水) 및 수유(水油) 에멀젼 모두를 개발하고 안정화할 수 있는 막대한 잠재력을 지닌다. EPS의 이러한 활성은 식품 산업에 안정제 및 유화제의 적절한 대안을 제공하여 관능 특성을 향상시킬 수 있다 [91]. 최근 연구[92]에서는 유산균(Lactobacillus sakei L3)의 EPS를 유화 활성을 포함한 다양한 기술적 특성 측면에서 연구하였다. Lactobacillus sakei L3 EPS의 유화 지수는 대두유, 땅콩유, 해바라기유, 겨자유 등 다양한 식물성 기름에 따라 2.61%에서 62.30%까지 다양하게 나타났다. 가장 안정적이고 활성 높은 유화액은 해바라기유를 사용했을 때 L3 EPS 농도 2.0 mg/mL에서 관찰되었다. 최근 연구에서는 Lactobacillus Plantarum S123의 EPS가 스폰지 같은 고다공성 구조로 인해 높은 유화 활성을 보였으며, 이 EPS는 식품 안정제로 활용 가능함을 제시하였다[93].

비슷하게, 다른 연구에서 Lactobacillus paracasei EPS의 유화 지수는 코코넛 오일과 비교하여 톨루엔(79.20) 및 벤젠(78.867) 증강 배지에서 상당히 높았다[94]. Lactobacillus의 EPS 유화 활성은 덜 연구되었으며 잠재력이 낮다.

그러나 다른 속(屬)에서 유래한 일부 유망한 EPS들은 흥미롭고 매우 생산적인 결과를 제공해왔다. 또한 한 연구[95]는 Pantoea sp. BCCS 001 GH로부터 항산화 및 유화 능력이 유망한 새로운 EPS를 발견했다. 이 EPS는 다양한 오일/탄화수소 조합에 대해 가장 효과적인 유화제 중 하나로 표현된다. 이 EPS의 높은 분해 온도(318°C)는 유제품 산업에서 안전하게 사용될 수 있음을 의미한다. Pandoraea 속은 일반적으로 EPS 생산 균주로 알려져 있지 않다. 그러나 한 연구에 따르면 Pandorea pnomenusa MS5 및 Pandorea pnomenusa AS3 두 균주가 효과적인 유화 및 항생물막 활성을 나타냈다[91].

갈락탄 EPS는 일반적으로 안전하다고 인정되는 물질(GRAS)이며 식품 산업에서 유화제로 사용될 유망한 잠재력을 지닌다. 최근 한 연구에서는 Weissella confusa KR 780676에서 추출한 갈락탄 EPS의 유수상(油水相) 유화 능력을 평가하였다. 이 EPS는 1% 농도에서 올리브유 및 땅콩유에 대해 상당한 유화 활성(50–70%)과 안정성(100%)을 나타냈다. 이 유화액은 −20 °C에서 60 °C까지, 그리고 넓은 pH 범위(3.0–8.0)에서 안정적이었다 [96]. 남극 제도 해양 퇴적물에서 분리된 박테리아 Pseudomonas ID1은 분자량이 2 × 106 Da를 초과하는 EPS를 분비하였다. 이 EPS는 다양한 식품 및 화장품용 오일에 대해 매우 높은 안정성의 유화 활성을 보였다. 또한, 그 유화 활성은 잔탄검 및 아라비검과 같은 상업용 검보다 훨씬 높았다 [97]. BMS는 우수한 유화 활성을 지닌 Leuconostoc citreum-BMS 균주에서 유래한 최초의 고분자량 EPS이다. EPS-BMS의 유화 활성은 24시간 배양 후 pH 7, 25°C에서 최고치를 기록했다. 또한 EPS-BMS는 산성 및 중성 조건 모두에서 15일간 유화액을 안정화시킬 수 있었다. 이 EPS는 증점 특성으로 인해 유-수(oil-in-water) 유화액을 안정화시켰으며, 분산된 액적 사이의 수성 매질 내에 고분자 블록을 형성하였다 [98].

5.7. Starter Culture and Potential Prebiotics

A high EPS-producing L. pentosus SLC 13 strain isolated from mustard pickle presented probiotic features, antibiotic tolerance, bacteriocin production ability, acid tolerance, bile tolerance, and immune-potentiation impacts [99]. It is recommended that plant-based fermented foods such as soymilk should be fermented with LAB isolated from plants. Whereas animal-based fermented foods such as cow milk drinks can be better fermented with animal-source LABs. In yogurt production, prebiotics could be used as an adjunct along with L. pentosus SLC 13 to boost the dairy industry production [92]. Another study [100] reported that capsular EPS (S. thermophilus ASCC 285) and ropy EPS (S. thermophilus ASCC 1275)-producing starter cultures can improve the physical attributes of set and stirred types of yogurt. These EPS-producing starter cultures reduced the level of syneresis and improved firmness. A recent study [101] conducted an in situ study to eval‎uate the impact of two EPS-producing starter cultures, i.e., YF-L903 and YC-X11 on the various quality attributes of goat milk set yogurt. There was a significant improvement in the physicochemical, microbiological, and sensory properties of yogurt. A significant reduction in syneresis and improvement in apparent viscosity was observed in the yogurt. In another study, the effect of EPS-producing starter cultures on the physicochemical properties of yogurt was assessed using an EPS-producing culture (Streptococcus thermophilus LB-50 and Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus LB-42) and using a non-EPS producing cultures (Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus LB-42 and Streptococcus thermophilus LB-53). The EPS-producing cultures induced low structural degradation and high structural recovery. Additionally, a compact milk gel formation also substantially reduced the syneresis [102].

Bifidobacterium is generally not considered a suitable starter culture due to its inferior fermentation properties. In 2019, a research study indicated that ropy EPS-producing Bifidobacterium longum YS108R is an appropriate adjunct culture for fermentation of various novel dairy products. This B. longum YS108R strain enhanced the fermented milk’s physicochemical properties by reducing syneresis as well as increasing apparent viscosity and water-holding capacity. Additionally, it was observed that this ropy EPS-producing strain in combination with a commercial starter culture also reduced acetic acid production with improved sensory properties [103]. More research in this area is needed in the future to improve the acceptability, which can be achieved by properly regulating the ratio of seasoning or sugar to acid [104].

5.7. 스타터 배양균 및 잠재적 프리바이오틱스

겨자 피클에서 분리된 고(高) EPS 생산성 L. pentosus SLC 13 균주는 프로바이오틱 특성과 항생제 내성, 박테리오신 생산 능력, 산 내성, 담즙 내성, 면역 증강 효과를 나타냈다 [99]. 식물성 발효 식품(예: 두유)은 식물에서 분리된 유산균(LAB)으로 발효하는 것이 권장된다. 반면 우유 음료와 같은 동물성 발효 식품은 동물 유래 LAB로 발효하는 것이 더 적합하다. 요구르트 생산 시 유제품 산업 생산성 향상을 위해 L. pentosus SLC 13과 함께 프리바이오틱스를 보조제로 사용할 수 있다 [92]. 또 다른 연구[100]에 따르면, 캡슐형 EPS(S. thermophilus ASCC 285) 및 끈적한 EPS(S. thermophilus ASCC 1275)를 생성하는 스타터 배양균은 응고형 및 교반형 요구르트의 물리적 특성을 개선할 수 있다. 이러한 EPS 생성 스타터 배양균은 수분 분리 현상(syneresis)을 감소시키고 경도를 향상시켰다. 최근 연구[101]에서는 염소유정식 요구르트의 다양한 품질 특성에 대한 두 가지 EPS 생산 스타터 배양균(YF-L903 및 YC-X11)의 영향을 평가하기 위한 현장 연구를 수행했다. 요구르트의 물리화학적, 미생물학적, 감각적 특성이 현저히 개선되었다. 요구르트에서 유수분리 현상이 현저히 감소하고 겉보기 점도가 개선되는 것이 관찰되었다. 또 다른 연구에서는 EPS 생성 스타터 배양균(Streptococcus thermophilus LB-50 및 Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus LB-42)과 비-EPS 생성 배양균(Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus LB-42 및 Streptococcus thermophilus LB-53)을 사용하여 EPS 생성 스타터 배양균이 요구르트의 물리화학적 특성에 미치는 영향을 평가하였다. EPS 생성 배양균은 낮은 구조적 분해와 높은 구조적 회복을 유도하였다. 또한, 비-EPS 생성 배양균은 높은 구조적 회복과 낮은 구조적 분해를 나타냈다. (Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus LB-42 및 Streptococcus thermophilus LB-53)를 사용하여 평가하였다. EPS 생성 배양균은 낮은 구조적 분해와 높은 구조적 회복을 유도하였다. 또한, 촘촘한 우유 젤 형성은 유청 분리를 상당히 감소시켰다 [102].

Bifidobacterium은 일반적으로 발효 특성이 열악하여 적합한 스타터 배양균으로 간주되지 않는다. 2019년 연구에 따르면 점성 EPS 생성 Bifidobacterium longum YS108R 균주는 다양한 신개념 유제품 발효에 적합한 보조 배양균이다. 이 B. longum YS108R 균주는 유청 유출을 감소시키고 겉보기 점도 및 수분 보유 능력을 증가시켜 발효유 제품의 물리화학적 특성을 향상시켰다. 또한, 이 점성 EPS 생성 균주를 상업용 스타터 배양균과 조합하면 아세트산 생성량이 감소하고 관능 특성이 개선되는 것으로 관찰되었다[103]. 수용성을 향상시키기 위해서는 양념이나 당류와 산의 비율을 적절히 조절하는 방식으로 향후 이 분야에 대한 추가 연구가 필요하다[104].

5.8. Texture Development in Yogurt

EPS produced by L. paracasei is used as starter cultures in yogurt preparations under controlled fermentation conditions [24]. The average molecular weight of EPS-S11 is 1.68 × 107 Da and is composed of glucose, mannose, galactose, and glucuronic acid with a molar ratio of 0.92:0.87:1:0.24 [105,106]. The zeta potential of casein solution dose-dependently increased concomitantly with the particle size by adding EPS-S11. However, the turbidity of the casein solution decreased in a dose-dependent manner, which indicates that this EPS inhibits casein aggregation that might enhance the stability. The average particle size and turbidity of the complex formed by sodium caseinate affected, as mentioned, the amount of EPS produced from probiotic bacterium, which increases with an increase in EPS content [107]. In this process, by comparing the particle size analysis and turbidity, there is a dose-dependent increase in the zeta potential of sodium caseinate solution by increasing the amount of EPS-S11 in the solution. These results showed that the sodium caseinate stability is enhanced when there is an interaction between EPS-S11 and sodium caseinate. It is known that when the pH value is lowered, the isoelectric point is held and there is an interaction exhibited by sodium caseinate that has a positive charge with a negative charge EPS-S11 [24]. Thus, we can conclude that EPS-S11 produced by L. paracasei H9 plays a crucial role in finalizing yogurt texture [24,108]

EPS from LAB are known as “natural bio-thickeners” in dairy product development [109]. EPS produced by yogurt starter cultures could affect the texture of yogurt and improve sensory characteristics such as mouthfeel, shininess, clean-cut, ropiness, and creaminess. Furthermore, the yogurt cultures producing EPS may decrease the extent of syneresis (lower whey separation) [110]. Another study [111] found that the Streptococcus thermophilus zlw TM11 strain showed the highest EPS content and viscosity out of 19 isolated strains from Chinese traditional dairy products. The combination of Streptococcus thermophilus zlw TM11 and Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus 3 4.5 was used as a starter culture for yogurt and compared with the commercial starter cultures. The results showed that this novel starter combination had the lowest syneresis (8.5%) as compared to the commercial starter cultures. Moreover, the yogurt had a better texture and sensory profile. Non-fat yogurts produced with different ropy EPS-producing co-cultures, i.e., Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus LTM, Streptococcus thermophilus S3.3, and Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus H+-ATPase-defective mutant L6 expressed different rheological properties under different fermentation conditions. Non-fat yogurt fermented with mutant L6 had a higher water-holding capacity and pH compared to those produced with the LTM strain; moreover, mutant strains improved the textural properties of non-fat yogurt [112].

5.8. 요구르트의 식감 발달

L. paracasei가 생산하는 EPS는 통제된 발효 조건 하에서 요구르트 제조 시 스타터 배양균으로 사용된다[24]. EPS-S11의 평균 분자량은 1.68 × 107 Da이며, 포도당, 만노스, 갈락토스, 글루쿠론산으로 구성되어 있으며 몰비는 0.92:0.87:1:0.24이다[105,106]. 카제인 용액의 제타 전위는 EPS-S11 첨가에 따라 입자 크기와 함께 용량 의존적으로 증가했다. 그러나 카제인 용액의 탁도는 용량 의존적으로 감소했는데, 이는 이 EPS가 카제인 응집을 억제하여 안정성을 향상시킬 수 있음을 시사한다. 나트륨 카제인산염으로 형성된 복합체의 평균 입자 크기와 탁도는 앞서 언급한 바와 같이 프로바이오틱 박테리아에서 생성된 EPS의 양에 영향을 받았으며, 이는 EPS 함량이 증가함에 따라 증가한다 [107]. 이 과정에서 입자 크기 분석과 탁도를 비교해 보면, 용액 내 EPS-S11 양을 증가시킬수록 카제인산나트륨 용액의 제타 전위가 용량 의존적으로 증가한다. 이러한 결과는 EPS-S11과 카제인산나트륨 간 상호작용이 있을 때 카제인산나트륨의 안정성이 향상됨을 보여준다. pH 값이 낮아지면 등전점이 유지되며 양전하를 띤 카제인산나트륨과 음전하를 띤 EPS-S11 간 상호작용이 발생한다는 것이 알려져 있다[24]. 따라서 L. paracasei H9가 생성한 EPS-S11이 요구르트 질감 결정에 핵심적인 역할을 한다고 결론지을 수 있다[24,108].

유산균 유래 EPS는 유제품 개발에서 “천연 생물학적 증점제”로 알려져 있다[109]. 요구르트 스타터 배양균이 생성하는 EPS는 요구르트 질감에 영향을 미치고 입안감, 윤기, 깔끔한 절단감, 실 같은 점도, 크리미함 등의 감각적 특성을 개선할 수 있다. 또한 EPS를 생성하는 요구르트 배양균은 유청 분리 정도(시네시스)를 감소시킬 수 있다[110]. 또 다른 연구[111]에 따르면, 중국 전통 유제품에서 분리된 19개 균주 중 Streptococcus thermophilus zlw TM11 균주가 가장 높은 EPS 함량과 점도를 나타냈다. Streptococcus thermophilus zlw TM11과 Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus 3 4.5를 조합한 스타터 배양균을 요거트에 적용하여 상업용 스타터 배양균과 비교하였다. 결과적으로 이 새로운 스타터 조합은 상업용 스타터 배지에 비해 가장 낮은 시너시스(8.5%)를 보였습니다. 또한 해당 요거트는 더 우수한 질감과 감각적 특성을 나타냈습니다. 다양한 점성 다당류(EPS) 생성 공동 배양균(즉, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus LTM, Streptococcus thermophilus S3.3, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus H+-ATPase 결함 돌연변이 L6)로 제조된 무지방 요거트는 발효 조건에 따라 서로 다른 유변학적 특성을 나타냈다. 돌연변이 L6 균주로 발효된 무지방 요거트는 LTM 균주로 생산된 제품에 비해 높은 수분 보유 능력과 pH를 보였으며, 돌연변이 균주는 무지방 요거트의 질감 특성을 개선했습니다 [112].

6. Lactobacillus EPS as an Immunomodulatory Agent

A dairy-based viscous and carbonated drink “kefir” is becoming popular around the globe [113]. Some LAB spp. can generate EPS, which are extracted from Tibetan kefir grains. Among these, some strains produce the highest quality EPS, named: L. lactis subsp. lactis LZ-R-12 (having the highest EPS yield), L. helveticus LZ-R-5, and L pentosus LZ-R-17 [26]. You and colleagues reported that L. pentosus LZ-R-17 can isolate EPS (R-17-EPS) from fermented milk, after which it is refined by anion exchange chromatography.

Kefir is known for its remarkable properties, such as lowering cholesterol, which proved to be beneficial in immunomodulatory functions, its antitumor and antimicrobial roles, and positive effects on gut microbiota [36,114]. Another study [115] reported that immunomodulating EPS performed a dual role. It regulates macrophages’ immune functions without any side-effects [70].

Cytotoxicity of R-17-EPS was assessed using RAW264.7 cells that gave the potential of control as 100% by comparing with the blank sample. When the concentration of R-17-EPS was kept at 50–400 µg/mL, it increased the feasibility of RAW264.7 macrophage cells in a dose-dependent manner (Pb 0.05); hence, it was found that R-17-EPS exhibited no cytotoxicity [26]. Also, the compositional structure of R-17-EPS was researched, which was →2)-α-D-Galp-(1→ and →4)-β-D-Glcp-(1→ residue having a molar ratio of 1.00:3.12, respectively, which shows a powerful impact on immunomodulatory activity. Thus, R-17-EPS can be employed as an immunomodulator in functional foods, due to chain conformation and specific glycosidic bonds [116]. Moreover, future research should be carried out to maximize the industrial applications of Tibetan kefir, which comprise in vivo experiments, to highlight its therapeutic applications.

A grain-based fermented food, tarhana, contains yogurt as an ingredient and is rich in microflora formed by yeast and LAB spp, which have beneficial impacts on gut microbiota [117]. Furthermore, a recent study [118] eval‎uated the ropy EPSs present in tarhana produced from six L. plantarum strains. The presence of sucrose and maltose significantly enhanced the production of ropy exopolysaccharide. The acidic environment positively influenced the viscosity of ropy EPS. PFC311E showed viscosity at neutral pH. Overall, ropy EPS production was between 120 and 400 mg/L. However, the L. plantarum strain PFC311 produced the highest level of ropy EPS. Additionally, there was degradation of ropy EPS at >300 °C, except for PFC311E, which degenerated at 295.7 °C.

Soybean whey, as a byproduct produced of L. plantarum W1 named EPS-W1 marked by phenylalanyl-tRNA sequencing method using a set of primers for PCR amplification, shows remarkable properties in production aspects, such as in functional foods, food industries, and biomedical applications [119]. Some other LAB spp. is also indicated for use in food industries, e.g., L. fermentum Lf2 and L. gasseri FR4 [49,120]. Moreover, L. brevis E25 extracts EPS solutions in concentrations of 0%, 20%, and 40% to enhance its adhesiveness on food surfaces [21].

EPSs produced by L. vaginalis SHA110 (EPS-lvg) and L. reuteri SHA101 (EPS-lr) separated from the cecum of hens have a significant role in anticancer activity against Caco-2 cancer cells [43]. He investigated that the water solubility, emulsifying activity, and water-holding capacity of EPS-lvg and EPS-lr were used in food industries. The functional characteristics of both EPSs enable food scientists to consider it a good source in terms of bio-absorbents, food hydrocolloids, heavy metal sequestrating agents, and an effective drug delivery agent. The in vitro mechanism reveals the scavenging activity and reducing the power of EPS-lvg and EPS-Ir on hydroxyl, DPPH, and superoxide anion radicals, which shows promising returns in the food industry as an antioxidant [121].

6. 면역 조절제로서의 락토바실러스 EPS

유제품 기반 점성 탄산 음료인 “케피어”가 전 세계적으로 인기를 얻고 있습니다 [113]. 일부 유산균 종은 티베트 케피어 곡물에서 추출되는 EPS를 생성할 수 있습니다. 이 중 일부 균주는 최고 품질의 EPS를 생산하며, 그 명칭은 다음과 같습니다: L. lactis subsp. lactis LZ-R-12 (최고의 EPS 수율 보유), L. helveticus LZ-R-5, 그리고 L. pentosus LZ-R-17 [26]. 당신과 동료들은 L. pentosus LZ-R-17이 발효유에서 EPS(R-17-EPS)를 분리할 수 있으며, 이후 음이온 교환 크로마토그래피로 정제된다고 보고했습니다.

케피어는 콜레스테롤 저하와 같은 놀라운 특성으로 알려져 있으며, 이는 면역 조절 기능, 항종양 및 항균 역할, 장내 미생물군집에 대한 긍정적 효과에 유익한 것으로 입증되었습니다[36,114]. 다른 연구[115]에서는 면역조절 EPS가 이중 역할을 수행한다고 보고했습니다. 이는 부작용 없이 대식세포의 면역 기능을 조절합니다[70].

R-17-EPS의 세포독성은 대조군을 100%로 설정하고 대조군 샘플과 비교하여 RAW264.7 세포를 사용하여 평가했습니다. R-17-EPS 농도를 50–400 µg/mL로 유지했을 때, 이는 용량 의존적 방식으로 RAW264.7 대식세포의 생존율을 증가시켰으며(P<0.05), 따라서 R-17-EPS는 세포 독성을 나타내지 않는 것으로 확인되었다[26]. 또한 R-17-EPS의 조성 구조를 연구한 결과, →2)-α-D-갈락토피라노실-(1→4)-β-D-글루코피라노실-(1→4) 잔기(몰비 1.00:3.12)로 확인되었으며, 이는 강력한 면역조절 활성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 R-17-EPS는 사슬 구조와 특정 글리코시드 결합으로 인해 기능성 식품의 면역 조절제로 활용될 수 있다[116]. 또한 티베트 케피어의 산업적 응용을 극대화하기 위한 향후 연구가 수행되어야 하며, 이는 생체 내 실험을 포함하여 그 치료적 응용을 부각시켜야 한다.

곡물 기반 발효 식품인 타르하나는 요구르트를 재료로 포함하고 있으며, 장내 미생물 군집에 유익한 영향을 미치는 효모 및 LAB spp로 구성된 미생물 군집이 풍부하다 [117]. 또한 최근 연구[118]에서는 6종의 L. plantarum 균주로 제조된 타르하나에 존재하는 점성 외부 다당류(EPS)를 평가하였다. 자당과 맥아당의 존재는 점성 외부 다당류의 생산을 현저히 증가시켰으며, 산성 환경은 점성 EPS의 점도에 긍정적인 영향을 미쳤다. PFC311E 균주는 중성 pH에서 점성을 나타냈다. 전반적으로 점성 EPS 생산량은 120~400 mg/L 사이였다. 그러나 L. plantarum 균주 PFC311이 가장 높은 수준의 점성 EPS를 생산했다. 또한 PFC311E(295.7°C에서 분해)를 제외한 모든 균주에서 점성 EPS는 300°C 이상에서 분해되었다.

대두 유청은 L. plantarum W1 균주에서 생성된 부산물로, PCR 증폭용 프라이머 세트를 이용한 페닐알라닐-tRNA 시퀀싱 방법으로 표지된 EPS-W1은 기능성 식품, 식품 산업 및 생의학 응용 분야와 같은 생산 측면에서 주목할 만한 특성을 보인다 [119]. 다른 일부 유산균 종(LAB spp.)도 식품 산업에 사용될 수 있음을 시사한다. 예를 들어, L. fermentum Lf2 및 L. gasseri FR4 [49,120]가 있다. 또한, L. brevis E25는 식품 표면에 대한 접착력을 향상시키기 위해 0%, 20%, 40% 농도의 EPS 용액을 추출한다 [21].

암탉의 맹장에서 분리된 L. vaginalis SHA110 (EPS-lvg) 및 L. reuteri SHA101 (EPS-lr)이 생산한 EPS는 Caco-2 암세포에 대한 항암 활성에서 중요한 역할을 한다 [43]. 그는 EPS-lvg 및 EPS-lr의 수용성, 유화 활성, 수분 보유 능력이 식품 산업에서 활용될 수 있음을 연구하였다. 두 EPS의 기능적 특성은 식품 과학자들이 이를 생체흡착제, 식품 수화 콜로이드, 중금속 격리제, 효과적인 약물 전달체 측면에서 우수한 원료로 고려할 수 있게 한다. 체외 실험 메커니즘은 EPS-lvg 및 EPS-Ir이 하이드록실, DPPH, 슈퍼옥사이드 음이온 라디칼에 대한 소거 활성과 환원력을 보여주며, 이는 식품 산업에서 항산화제로서 유망한 결과를 시사한다[121].

7. Conclusions and Future Perspectives

There are many examples of the use of Lactobacillus EPS, including dairy, meat, non-dairy, and bakery industry applications. In dairy foods, Lactobacillus EPS are primarily used as thickeners and texturizers to increase the viscosity of products. They may also act as stabilizers by binding water, decreasing syneresis, and interacting with various milk constituents. As for plant-derived fermented foods, yogurt-like beverages are increasingly produced with EPS-synthesizing Lactobacillus strains to enhance the texture, organoleptic properties, and storage stability of these plant-based products. The positive effect of EPS on baked goods is based on their ability to bind water and form a network with different dough components. Thus, EPS may improve the rheology, structure, and volume of bread, resulting in decreased staling rates and an extended shelf life.

EPS plays a major role in maintaining technological aspects such as texture and flavor enhancements, improved stability, increased shelf life, and rheological properties. EPS-producing LAB spp. is superior because of the improved functional and technical quality of their products. Novel EPS shows immunomodulation, antioxidant activity, emulsifying activity, and radical-scavenging activity.

Although lactic acid bacteria can typically synthesize small amounts of EPS, having many benefits to using them, the main problem is that the biopolymer production capacity of strains varies greatly in quantity and quality. This problem can be eliminated by carefully selecting the voltage and optimizing the production parameters. The type and quantity of EPS and the optimal growth conditions of the microorganisms used should be in line with the specific production process and characteristics of the food. A better understanding of EPS’ structural capabilities in the food industry is a challenge to further improve their application.

7. 결론 및 향후 전망

Lactobacillus EPS의 활용 사례는 유제품, 육류, 비유제품, 제빵 산업 등 다양한 분야에 걸쳐 존재한다. 유제품에서 Lactobacillus EPS는 주로 제품의 점도를 높이기 위한 증점제 및 질감 개선제로 사용됩니다. 또한 물을 결합하고 유수 분리를 감소시키며 다양한 우유 성분과 상호작용함으로써 안정제 역할을 할 수 있습니다. 식물 유래 발효 식품의 경우, 식물성 제품의 질감, 관능 특성 및 저장 안정성을 향상시키기 위해 EPS 합성 Lactobacillus 균주를 이용한 요구르트 유사 음료의 생산이 증가하고 있습니다. EPS가 제빵 제품에 미치는 긍정적 효과는 수분 결합 능력과 다양한 반죽 성분과의 네트워크 형성 능력에 기인합니다. 따라서 EPS는 빵의 유변학적 특성, 구조 및 부피를 개선하여 경화 속도를 감소시키고 유통기한을 연장할 수 있습니다.

EPS는 식감 및 풍미 향상, 안정성 개선, 유통기한 연장, 유변학적 특성 유지 등 기술적 측면을 유지하는 데 주요 역할을 합니다. EPS 생산 유산균 종은 제품의 기능적·기술적 품질이 향상되어 우수합니다. 새로운 EPS는 면역조절, 항산화 활성, 유화 활성, 자유라디칼 소거 활성을 나타냅니다.

일반적으로 유산균은 소량의 EPS를 합성할 수 있으며, 이를 활용하면 많은 이점이 있지만, 균주의 생체고분자 생산 능력이 양과 질 측면에서 크게 차이가 난다는 것이 주요 문제점이다. 이 문제는 전압을 신중하게 선택하고 생산 매개변수를 최적화함으로써 해결할 수 있다. 사용된 미생물의 최적 성장 조건과 EPS의 종류 및 양은 특정 생산 공정과 식품의 특성에 부합해야 한다. 식품 산업에서 EPS의 구조적 기능을 더 잘 이해하는 것은 그 응용을 더욱 개선하기 위한 과제이다.

Author Contributions

Conceptualization, A.B., Y.X. and M.S.R.R., draft preparation: A.B., Y.X., M.S.R.R. and H.M.M.; tables and figures preparation, E.R., M.U. and M.S.; writing—review and editing, Y.X., M.S.R.R., H.M.M., M.K.I.K., E.R. and R.M.A.; supervision, M.K.I.K., E.R. and R.M.A. All authors contributed equally to the original drafting, editing, and finalizing of the review paper. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

Funding

This research received no external funding.

Institutional Review Board Statement

Not applicable.

Informed Consent Statement

Not applicable.

Data Availability Statement

Not applicable.

Acknowledgments

The authors are thankful to the University of Agriculture, Faisalabad, Pakistan for their support.

Conflicts of Interest

The authors declare no conflict of interest.