嗜热链球菌胞外多糖对其发酵乳体系的稳定机制研究

The fermented milk (FM) always needs additional stabilizer to improve the quality and solve the whey separation problem. However, the development of endo-stabilizer to stabilize the FM system has become a hot research topic as the increase of the demand of additive-free FM. Our previous study found that the exopolysaccharide (EPS) from Streptococcus thermophiles could improve the stability of FM effectively, but no clear stabilizing mechanism. Based on the structure analysis of EPS from S. thermophiles, the current project tries to study the interaction of EPS and casein (micelle) in aqueous and milk system by using light scattering, thermodynamic analysis and confocal laser scanning microscope (CLSM) techniques, etc. The genome-editing technique based on Crispr/Cas9 is applied on S. thermophiles to prepare non-EPS and higher EPS producing strains, respectively. The stability of FM systems prepared by different EPS-producing ability of S. thermophiles is studied to finally illustrate the stabilizing mechanism of EPS on FM system. This study will establish the theoretical basis for the application of EPS and development of additive-free FM in molecular and complex food levels.

添加外源稳定剂改善乳品品质、防止乳清析出是发酵乳生产中最常用的手段，然而随着生活品质的提高，消费者对无添加发酵乳需求日益增加，开发内源稳定体系的发酵乳成为当前的研究热点。申请人前期研究发现，产黏嗜热链球菌胞外多糖（EPS）能有效改善乳品稳定性，但对EPS稳定发酵乳体系的机制还不清楚。本项目在嗜热链球菌EPS结构研究的基础上，采用光散射、热力学分析、激光共聚焦等现代仪器分析技术从分子水平上研究EPS与酪蛋白（胶束）在水溶液和牛乳体系中的相互作用，通过Crispr/Cas9基因编辑技术构建高产和不产EPS嗜热链球菌株，利用不同产EPS能力的乳酸菌构建发酵乳体系，动态研究不同体系中EPS和酪蛋白胶束的微观结构和互作位点，探讨EPS对发酵乳的稳定效果，最终阐明嗜热链球菌EPS稳定发酵乳体系的内在机制。本项目通过从分子水平到食品宏观体系的研究为乳酸菌EPS的应用和无添加发酵乳的开发提供理论基础。

产黏嗜热链球菌胞外多糖（EPS）能有效改善发酵乳的稳定性，可实现无添加发酵乳的生产，但其稳定发酵乳体系的机制还不清楚。本项目以高产EPS的嗜热链球菌AR333和S-3为研究对象，对其产EPS的结构特征和溶液行为进行了系统的分析，在此基础上，研究了EPS与酪蛋白（CM）在二元溶液体系中的相互作用关系及其热力学分析，结果表明：EPS能与CM中的α-CN结合，与β-CN、 κ-CN没有明显的亲和力结合，在模拟酸化过程中，EPS与酪蛋白在溶液中的相互作用力呈动态变化，即由最初的静电相互作用转化为疏水相互作用或氢键，再在后熟阶段转化为静电相互作用，这种动态变化也导致溶液体系黏度、浊度、ζ-电位、粒径和粒径分布及横向驰豫时间（T2）等表观现象的动态变化，从而对稳定发酵乳体系起着重要作用。进一步的，通过模拟脱脂乳体系的酸化过程研究了EPS与酪蛋白胶束的相互作用，证明酪蛋白与EPS的结合影响了蛋白质簇的排列和凝胶网络内孔隙的大小，维持了酪蛋白聚集体的均核增长过程，降低了表面疏水能力，增强了酸化乳凝胶的稳定性。为了阐释嗜热链球菌EPS稳定发酵乳体系的作用机制，本项目还构建了嗜热链球菌CRISPR/Cas9基因编辑技术，利用该技术获得低产和高产EPS的工程菌株。分别以野生型菌株、低产和高产EPS的工程菌株、不产EPS的乳酸菌等作为发酵剂，构建发酵乳体系，并与外源添加EPS及其他商业多糖增稠稳定剂比较，结果表明：与商业多糖和外源添加比较，原位发酵产EPS可稳定发酵乳的酸化速率和体系表观黏度，显著改善发酵乳的脱水收缩敏感性及持水能力，提高发酵乳对外界环境的抵抗能力，从而有助于牛乳蛋白形成致密的网络结构，阻止脂肪及乳清的析出，进而改善发酵乳质量。本项目为乳酸菌胞外多糖资源和无添加发酵乳的开发提供了重要的科学理论依据，同时对促进我国乳品科学技术的发展和乳品产业的升级转型具有重要的学术意义和应用价值。