陳 臣 盧艷青 于海燕 田懷香

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 香料香精技術(shù)與工程學(xué)院 上海201418）

乳酸菌是一類革蘭氏染色呈陽(yáng)性、 發(fā)酵己糖以乳酸為主要代謝終產(chǎn)物的兼性厭氧細(xì)菌的總稱[1]，常見的包括乳桿菌屬（Lactobacillus）、乳球菌屬（lactococcus）、雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）等。乳酸菌分布廣泛， 包括營(yíng)養(yǎng)豐富的食品， 如乳制品、肉制品、果蔬中，也包括土壤、腸道等營(yíng)養(yǎng)貧瘠的環(huán)境。在這些環(huán)境中，乳酸菌主要通過(guò)糖酵解途徑（Glycolytic pathway）、Leloir 途徑（Leloir pathway）、磷酸戊糖途徑（Phosphopentose pathway）及磷酸乙酮醇酶途徑 （Phosphoketolase pathway）等對(duì)糖類進(jìn)行分解代謝[2]，代謝能量來(lái)自于同型乳酸發(fā)酵和異型乳酸發(fā)酵[3]。大部分乳酸菌是腸道中的土著菌群，主要分布在腸道的空腸、盲腸以及結(jié)腸部位， 對(duì)于宿主的健康起著非常重要的促進(jìn)作用[4-5]。大量研究表明，乳酸菌在腸道中定殖數(shù)量對(duì)于其功能的發(fā)揮至關(guān)重要， 然而由于腸道的蠕動(dòng)和腸道菌群的相互競(jìng)爭(zhēng)， 大部分乳酸菌難以長(zhǎng)期定殖。為了保證乳酸菌高效地發(fā)揮益生作用，除了要求必備粘附能力外， 利用腸道中存在的低聚糖也是其定殖的必要條件。

低聚糖（Oligosaccharides）又名寡聚糖，是由2～10 個(gè)相同或不同的單糖殘基通過(guò)糖苷鍵連接起來(lái)的具有直鏈或支鏈結(jié)構(gòu)的小分子物質(zhì)。 低聚糖進(jìn)入人體后， 其特殊的糖苷鍵組成使得不能被人體吸收而直達(dá)大腸， 選擇性地供給腸道中的有益菌，如雙歧桿菌和乳桿菌[6-7]。 近年來(lái)，乳酸菌如何在腸道內(nèi)利用低聚糖已成為腸道微生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[8]。對(duì)微生物代謝低聚糖進(jìn)行體外研究發(fā)現(xiàn)，并不是所有乳酸菌都能利用低聚糖，乳酸菌和低聚糖之間存在著特異性的對(duì)應(yīng)關(guān)系[9]。體內(nèi)情況則更加復(fù)雜。研究表明，一些腸道內(nèi)存在的其它微生物， 如擬桿菌（Bacteroides）、 大腸桿菌（Escherichia coli）也可以利用低聚糖，而且腸道內(nèi)不同菌群間還存在“交叉喂養(yǎng)（Cross feeding）”現(xiàn)象[10]，這使得低聚糖在腸道中發(fā)揮作用的機(jī)制還不明晰。 需要通過(guò)解析乳酸菌代謝低聚糖過(guò)程中的變化和糖代謝調(diào)控方式， 進(jìn)一步了解腸道微生物與低聚糖間的相互作用情況， 從而為選擇合適的益生元、益生菌組合提供參考[11]，為人類的腸道健康做出更大貢獻(xiàn)。

本文主要綜述乳酸菌代謝常見低聚糖分子機(jī)理的研究進(jìn)展，包括低聚果糖（FOS）、低聚半乳糖（GOS）、低聚木糖（XOS）、低聚異麥芽糖（IMO）、棉籽糖系列低聚糖（RFO）及其它常見的低聚糖，分別從糖轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、 糖基水解酶類和代謝調(diào)控等方面進(jìn)行分析和討論，并展望未來(lái)的研究熱點(diǎn)。

1 乳酸菌對(duì)低聚果糖的代謝

低聚果糖（Fructo-oligosaccharides，F(xiàn)OS）又稱蔗果低聚糖，是指以2～10 個(gè)果糖基為鏈節(jié)，以1個(gè)葡萄糖基為鏈的端基， 以果糖基和果糖連接鍵[β-（2-1）鍵或β-（2-6）鍵）]為主體骨架連結(jié)形成的碳水化合物[12]。 FOS 廣泛存在于雪蓮果、朝鮮薊、洋蔥和菊苣根中[13-14]。 除具有一般功能性低聚糖的物理化學(xué)性質(zhì)外[15]，F(xiàn)OS 最引人注目的生理特性就是它能明顯改善腸道內(nèi)微生物種群比例，是腸道內(nèi)乳酸菌活化增殖因子[11-12]。

研究表明， 乳酸菌主要通過(guò)兩種方式對(duì)FOS進(jìn)行分解代謝（圖1）：一是FOS 完整的轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)胞內(nèi)后再由胞內(nèi)的果糖苷酶進(jìn)行水解成單糖， 然后分別進(jìn)入糖酵解過(guò)程，包括植物乳桿菌（Lb. plantarum）、嗜酸乳桿菌（Lb. acidophilus）[8]、唾液乳桿菌（Lb. salivarius）和大部分雙歧桿菌；另一種是先由胞外的酶對(duì)FOS 進(jìn)行水解再將水解產(chǎn)物運(yùn)輸入胞內(nèi)，例如在副干酪乳桿菌（Lb. paracasei）1195[16]和戊糖乳桿菌（Lb. pentosus）中，F(xiàn)OS 是先由胞外的果糖苷酶進(jìn)行水解，形成果糖和葡萄糖，再分別將水解產(chǎn)物通過(guò)運(yùn)輸?shù)桨麅?nèi)，分別轉(zhuǎn)化成果糖-6-磷酸和葡萄糖-6-磷酸，進(jìn)入糖酵解[6，12]。 一般編碼低聚糖代謝相關(guān)功能的基因均位于同一個(gè)基因簇中，主要由編碼轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，水解酶系及相應(yīng)調(diào)控蛋白的基因組成。 例如，加利福尼亞大學(xué)的Barrangou 等[2，8]在對(duì)嗜酸乳桿菌NCFM 研究中發(fā)現(xiàn)一個(gè)大小為10kb 的基因簇 （msm）參與NCFM 代謝FOS 的過(guò)程，該基因簇分別編碼1 個(gè)LacI 阻遏蛋白家族的轉(zhuǎn)錄調(diào)控子 （MsmR）、ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MsmEFGK）、1 個(gè)果糖苷酶（BfrA）和1 個(gè)蔗糖磷酸化酶（GtfA）。 本課題組在利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)和基因敲除手段對(duì)植物乳桿菌ST-III 利用FOS 的代謝通路進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)， 有兩個(gè)大小分別為7.5 kb 和4.5 kb 的基因簇sacPTS1 和sacPTS2 均參與到植物乳桿菌對(duì)FOS 的代謝過(guò)程。 FOS 是通過(guò)sacPTS1 和sacPTS2 兩個(gè)PTS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)胞內(nèi)后，被胞內(nèi)的果糖苷酶（SacA）水解成單糖[17]。

在乳酸菌代謝FOS 的過(guò)程中， 負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)FOS的蛋白主要有3 種（圖1）：①ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（ATPbinding cassette）， 該系統(tǒng)主要存在于嗜酸乳桿菌和彎曲乳桿菌（Lb. curvatus）中[18]。 它是一組跨膜蛋白， 一些不能通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)，可通過(guò)ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，以主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)方式完成多種分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。 ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)大多是單向轉(zhuǎn)運(yùn)，可通過(guò)高保守性的ABC 結(jié)合框進(jìn)行識(shí)別[18-19]。②磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng) （Phosphotransferase system，PTS），屬于基團(tuán)移位的一種，是原核生物與古生菌獨(dú)有的系統(tǒng)模式。 磷酸烯醇式丙酮酸（Phosphoenolpyruvic acid，PEP）將磷?；D(zhuǎn)移至其糖類底物同時(shí)伴有PTS 糖類易位穿過(guò)細(xì)菌膜轉(zhuǎn)移至胞內(nèi)，該系統(tǒng)在桿菌、乳球菌中比較常見[20-21]。③透性酶系統(tǒng)，屬于主動(dòng)運(yùn)輸?shù)囊环N。透性酶在細(xì)胞膜外與底物之間以高親和力的方式牢固結(jié)合， 在能量供給的條件下，逆濃度差將物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到菌體內(nèi)，該轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)主要在雙歧桿菌中發(fā)現(xiàn)[2，12]。在FOS 水解的過(guò)程中有多種酶參與，包括果糖苷酶、菊粉酶、果聚糖酶、 果聚糖β-果糖苷酶和2，6-β-果聚糖6-果聚糖水解酶等，他們都屬于糖苷水解酶32 家族和68 家族[8]。 這些酶有一個(gè)共同點(diǎn)是結(jié)構(gòu)中均含有保守域NDPNG、FRDP 和ECP，催化中心含有Asp，Glu、Cys 等[22]。

研究表明，乳酸菌的FOS 代謝過(guò)程受到宿主糖代謝調(diào)控的控制，F(xiàn)OS 代謝相關(guān)的基因簇在蔗糖或者FOS 存在條件下是共轉(zhuǎn)錄的，但是葡萄糖會(huì)抑制它們的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[23]。 近年來(lái)，各國(guó)科學(xué)家對(duì)于乳酸菌糖代謝過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制做了大量的研究工作， 研究表明乳酸菌的糖代謝過(guò)程常常會(huì)受到全局調(diào)控和局部調(diào)控的雙重效應(yīng)， 全局調(diào)控通常由一種易被宿主所利用的糖（如葡萄糖）所誘導(dǎo)的代謝控制蛋白A（Catabolite control protein A，CcpA）與代謝反應(yīng)元件 （Catabolite response element，Cre）的結(jié)合來(lái)完成，CcpA 與位于啟動(dòng)子區(qū)域或其下游的Cre 位點(diǎn)相結(jié)合而阻止該結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄[24]。 局部調(diào)控則是局部轉(zhuǎn)錄因子（也稱阻遏蛋白）在無(wú)誘導(dǎo)物存在時(shí)，與相應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合使得結(jié)構(gòu)基因不能正常轉(zhuǎn)錄； 誘導(dǎo)物存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄因子與之結(jié)合，轉(zhuǎn)錄因子從結(jié)合位點(diǎn)上脫離，RNA 聚合酶啟動(dòng)結(jié)構(gòu)基因的正常轉(zhuǎn)錄[25]。在對(duì)FOS 代謝調(diào)控的研究中，Goh 等[16，23]在副干酪乳桿菌1195 代謝FOS 的相關(guān)基因簇中發(fā)現(xiàn)了局部調(diào)控因子fosR， 同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了潛在的CcpA 結(jié)合位點(diǎn)Cre，表明該基因簇的表達(dá)受到了CcpA 和fosR 因子的雙重調(diào)控；Barrangou 等[8]在研究參與嗜酸乳桿菌NCFM 代謝FOS 的msm 基因簇中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄調(diào)控子SacR 對(duì)該基因簇起調(diào)控作用。 本課題組在研究植物乳桿菌ST-III 的FOS 代謝調(diào)控中發(fā)現(xiàn)，sacPTS1 和sacPTS2 基因簇中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)基因sacR1 和sacR2 編碼GalR-LacI 家族類型的轉(zhuǎn)錄蛋白；同時(shí)在兩個(gè)基因簇中均發(fā)現(xiàn)潛在的Cre位點(diǎn)和局部調(diào)控因子結(jié)合位點(diǎn)[12，17]。后續(xù)正在利用基于親和力篩選的生物學(xué)策略包括凝膠遷移實(shí)驗(yàn)（Electrophoretic mobility shift assay，EMSA）染色質(zhì)免疫共沉淀 （Chromatin immunoprecipitation，ChIP）等來(lái)鑒定轉(zhuǎn)錄因子與結(jié)合位點(diǎn)的相互作用。

圖1 乳酸菌代謝FOS 的基本途徑Fig.1 Metabolic pathway of fructo-oligosaccharides in Lactic acid bacteria

2 乳酸菌對(duì)低聚半乳糖的代謝

低聚半乳糖（Galacto-oligosaccharides，GOS），是一種具有天然屬性的功能性低聚糖， 其分子結(jié)構(gòu)一般是在半乳糖或葡萄糖分子上連接2～8 個(gè)半乳糖基，即Gal-（Gal）n-Glc/Gal（n 為1～6）[26]。在自然界中，動(dòng)物乳汁中含有微量的GOS，而人母乳中含量較多， 嬰兒體內(nèi)的雙歧桿菌菌群的建立在很大程度上依賴母乳中的GOS 成分[27]。

研究表明， 乳酸菌主要通過(guò)兩種途徑對(duì)GOS進(jìn)行代謝（圖2）：一是乳糖滲透酶（LacS）的轉(zhuǎn)運(yùn)和半乳糖苷酶的水解作用[3]。GOS 由LacS 進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，被β-半乳糖苷酶（LacZ、LacLM）水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖和半乳糖， 隨后分別進(jìn)入Lelior 途徑和糖酵解過(guò)程[2-3，28]。 二是磷酸轉(zhuǎn)移酶（LacEF）轉(zhuǎn)運(yùn)、磷酸化作用和磷酸半乳糖苷酶的水解作用。 GOS 可以通過(guò)LacEF 磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)， 伴隨著磷酸化作用PEP 轉(zhuǎn)化為丙酮酸鹽， 生成半乳糖-6-磷酸，隨后被LacG 水解，轉(zhuǎn)化成葡萄糖和半乳糖，隨后進(jìn)入上述代謝過(guò)程， 在乳酸乳球菌乳酸亞種（Lc. lactis subsp. lactis）和變異鏈球菌（Streptococcus mutans）中均發(fā)現(xiàn)這種代謝途徑[3，28]。

LacEF/LacG 代謝途徑與LacS/LacZ （或LacLM）的代謝途徑有兩點(diǎn)不同：①機(jī)體中的LacEF/LacG 代謝途徑對(duì)GOS 代謝具有高度專一性[29]，能同時(shí)利用葡萄糖和半乳糖， 而LacS/LacZ （或LacLM）的代謝途徑是優(yōu)先利用葡萄糖再利用半乳糖[9，30]。 ②LacEF/LacG 被乳糖誘導(dǎo)表達(dá)，而LacS/LacZ（或LacLM）在乳酸菌中的表達(dá)是組成型的，通常作為α-半乳糖苷的代謝酶，位于同一遺傳基因座[30]。

參與乳酸菌代謝GOS 的基因一般也位于一個(gè)基因簇內(nèi)，例如Andersen 等[21]在研究嗜酸乳桿菌NCFM 對(duì)GOS 的代謝調(diào)控中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)大小為16.6kbp 的基因簇lac 參與GOS 代謝的調(diào)控，在相對(duì)復(fù)雜的乳酸菌中如彎曲乳桿菌、 約氏乳桿菌（Lb. johnsonii）和瑞士乳桿菌（Lb. helveticus）中均能發(fā)現(xiàn)相似基因簇的存在[31-32]。對(duì)其調(diào)控的研究表明，當(dāng)嗜酸乳桿菌NCFM 分別以GOS 和葡萄糖作為唯一碳源生長(zhǎng)時(shí)，GOS 誘導(dǎo)lac 基因簇基因上調(diào)，葡萄糖則抑制該基因簇的表達(dá)[21]。 通過(guò)轉(zhuǎn)錄水平的分析表明，嗜酸乳桿菌NCFM 對(duì)GOS 代謝可能受到3 個(gè)調(diào)控蛋白CcpA、HPrK/P 和HPr 的調(diào)控，該基因簇上共發(fā)現(xiàn)7 個(gè)Cre 結(jié)合位點(diǎn)。 此外發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)基因編碼潛在的局部調(diào)控蛋白LacR 和LBA1461。

圖2 乳酸菌代謝GOS 的基本途徑Fig.2 Metabolic pathway of galacto-oligosaccharides in Lactic acid bacteria

3 乳酸菌對(duì)低聚木糖的代謝

低聚木糖（Xylo-oligosaccharides，XOS）又稱木寡糖，是由2～7 個(gè)木糖分子以β-（1，4）糖苷鍵結(jié)合而成的功能性低聚糖。 低聚木糖一般是從富含木聚糖的植物（水果、蔬菜）細(xì)胞壁中提取，再通過(guò)木聚糖酶水解分離出一類非消化性低聚糖[33-34]。低聚木糖作為“腸動(dòng)力源”[35]，較之其他低聚糖，有效用量最少，功能最強(qiáng)，到達(dá)結(jié)腸后，被宿主在結(jié)腸中的微生物利用，極大改善了胃腸功能，促進(jìn)了食物的消化、吸收及腸道廢物的排出[36]。

XOS 主要由腸道內(nèi)的雙歧桿菌所利用 （圖3），代謝途徑包括ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)和胞內(nèi)酶的水解作用。XOS 與細(xì)胞表面的α-阿拉伯呋喃糖酶和β-阿拉伯木糖苷酶等糖蛋白結(jié)合，通過(guò)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將XOS 轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)，隨后被胞內(nèi)的β-（1，4）-木聚糖酶和β-木糖苷酶水解成D-木糖，然后由木糖異構(gòu)酶轉(zhuǎn)化成木桐糖， 最后在木桐糖激酶的作用下再轉(zhuǎn)化成木桐糖-5-磷酸[33，37]。 雙歧桿菌BB-12 （B. animalis subsp. lactis BB-12）和雙歧桿菌BL-04 （B.animalis subsp. lactis Bl-04）都是通過(guò)這種方式進(jìn)行分解代謝， 丹麥科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)分別從轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)角度對(duì)雙歧桿菌BB-12 和BL-04 進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)由編碼ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、水解酶、轉(zhuǎn)錄因子和一些起媒介作用的酶組成的基因簇參與這兩株雙歧桿菌對(duì)XOS 對(duì)的代謝，然而其基因簇組成存在一定的差異。 在雙歧桿菌BB-12 中，基因簇是由XOS降解酶、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、D-木糖代謝酶和轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子等共17 個(gè)操縱子組成的， 位于該基因簇上的BIF00212 轉(zhuǎn)錄子對(duì)其進(jìn)行調(diào)控， 而在雙歧桿菌BL-04 中， 基因簇分別編碼轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、GH43 家族的β-木糖苷酶和阿拉伯呋喃糖酶、酯酶及一些起媒介作用的酶， 轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白R(shí)eg 對(duì)該基因簇起調(diào)控作用。 當(dāng)雙歧桿菌BB-12 和雙歧桿菌BL-04分別以XOS 和葡萄糖作為唯一碳源生長(zhǎng)時(shí)，XOS誘導(dǎo)相關(guān)基因的表達(dá)， 而葡萄糖則起到抑制作用[22，33，37-38]。

4 乳酸菌對(duì)低聚異麥芽糖的代謝

低聚異麥芽糖 （Isomalto-oligosaccharides，IMO）， 也稱異麥芽寡糖或分枝麥芽低聚糖， 是由α-（1，6）和α-（1，4）糖苷鍵將葡萄糖單體進(jìn)行連接而成[39-40]。IMO 廣泛分布于大麥、小麥、馬鈴薯等植物中。 商品化的IMO 主要成分是異麥芽糖、異麥芽三糖、異麥芽四糖和潘糖，大部分在人體中不能被消化， 但可以被人體結(jié)腸中的微生物發(fā)酵所利用[41]。

乳酸菌對(duì)IMO 的代謝存在兩個(gè)途徑： 一是ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)和糖苷酶的水解作用 （圖4）。在嗜酸乳桿菌和干酪乳桿菌中，IMO 通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MalE，MalF，MalG 和MsmK）轉(zhuǎn)運(yùn)，在細(xì)胞內(nèi)被3 個(gè)糖苷酶（MalN，MalL 和DexB）[42-44]水解轉(zhuǎn)化成葡萄糖和異麥芽糖， 然后后者由麥芽糖磷酸化酶（MalP）轉(zhuǎn)化成葡萄糖-1-磷酸，再經(jīng)葡萄糖磷酸變位酶（PgmB）轉(zhuǎn)化成葡萄糖-6-磷酸，隨后葡萄糖進(jìn)入糖酵解途徑，葡萄糖-6-磷酸則進(jìn)入磷酸戊糖途徑[3，39，43]。MalEFG-MsmK 蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)廣泛分布在乳酸菌中， 但是加拿大阿爾伯塔大學(xué)Gnazle發(fā)現(xiàn)以麥芽糖作為唯一碳源所生長(zhǎng)的乳酸菌缺少該轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)[3]。 二是麥芽糖H+質(zhì)子同向轉(zhuǎn)運(yùn)和糖苷酶的水解作用。 嗜酸乳桿菌中也分布著H+質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)， 可以調(diào)解與代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)相關(guān)的前體物質(zhì)的轉(zhuǎn)化[45]。 但是關(guān)于H+質(zhì)子的同向轉(zhuǎn)運(yùn)方式代謝IMO 的通路還不明晰，這也是未來(lái)研究IMO代謝的一個(gè)方向[45]。

關(guān)于IMO 的代謝調(diào)控的報(bào)道并不多，在嗜酸乳桿菌NCFM 的gal-lac 家族基因簇中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)由malN，malL，malP，pgmB 和ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因mmalEFG-msmK 組成的基因操縱子參與IMO的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝， 位于操縱子基因下游的調(diào)控因子編碼的蛋白MalR 對(duì)該操縱子起調(diào)控作用[46]。 IMO能夠誘導(dǎo)基因簇中相關(guān)基因的表達(dá)， 而這些基因受到葡萄糖的抑制[47]。

圖3 乳酸菌代謝XOS 的基本途徑Fig.3 Metabolic pathway of xylooligosaccharides in Lactic acid bacteria

圖4 乳酸菌代謝IMO 的基本途徑Fig.4 Metabolic pathway of isomalto-oligosaccharides in Lactic acid bacteria

5 乳酸菌對(duì)棉籽糖系列低聚糖的代謝

棉籽糖系列低聚糖（raffinose family oligosaccharides，RFO）， 是由一系列半乳糖通過(guò)α-（1-6）糖苷鍵連接到蔗糖上的6-葡萄糖基，主要包括棉籽糖、水蘇糖和毛蕊草糖。 RFO 在甜菜、棉籽、麥類、玉米和豆科類植物等中廣泛分布[48]。 人體攝入RFO 后， 由于消化道內(nèi)缺乏α-D-半乳糖苷酶，水蘇糖不經(jīng)消化吸收可直接到達(dá)大腸內(nèi)為雙歧桿菌所利用，快速增殖雙歧桿菌，然而，與其他低聚糖如FOS、GOS 不同的是，RFO 被看作抗?fàn)I養(yǎng)因子，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致腸胃氣脹和腸道不適[49]。

乳酸菌對(duì)RFO 的代謝存在兩個(gè)主要途徑 （圖5）： 一是在細(xì)胞外，RFO 被果聚糖蔗糖酶水解，轉(zhuǎn)化成α-低聚半乳糖和果糖， 隨后α-低聚半乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)被α-半乳糖苷酶水解。 羅伊氏乳酸菌（Lb. reuteri）可以采用這種方式代謝RFO[3，50]。二是RFO 被整體轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，隨即被α-半乳糖苷酶水解生成蔗糖和半乳糖， 然后轉(zhuǎn)化成單糖類物質(zhì)， 雙歧桿菌主要利用該方式進(jìn)行RFO 的代謝[50-51]。

圖5 乳酸菌代謝RFO 的基本途徑Fig.5 Metabolic pathway of raffinose family oligo-saccharides in Lactic acid bacteria

6 乳酸菌對(duì)其它功能性低聚糖的代謝

如前所述， 乳酸菌和低聚糖之前存在著特異性的關(guān)系，一些乳酸菌，如植物乳桿菌、約氏乳桿菌、干酪乳桿菌及嗜酸乳桿菌，都具有特定的低聚糖代謝能力，可以對(duì)海藻糖、纖維二糖及人乳低聚糖等一些其他常見的低聚糖類進(jìn)行分解代謝[3]。

海藻糖（Trehalose），是由兩個(gè)葡萄糖分子以（1，1）-糖苷鍵構(gòu)成的非還原性糖， 在自然界的許多可食用動(dòng)植物及微生物體內(nèi)都廣泛存在[52]。 海藻糖的代謝主要是通過(guò)PTS 系統(tǒng)和磷酸果糖基水解酶。 在干酪乳桿菌（Lb. casei）及植物乳桿菌中，海藻糖可以通過(guò)PTS 轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)將其運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，在磷酸化的作用下，形成海藻糖-6-磷酸鹽，然后水解成葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸[9，53-54]。

纖維二糖（Cellobilse）是纖維素在纖維二糖水解酶和內(nèi)切葡聚糖酶的水解作用產(chǎn)生的終產(chǎn)物[3，55]。纖維二糖主要也是通過(guò)PTS 系統(tǒng)和磷酸果糖基水解酶的方式進(jìn)行代謝， 例如干酪乳桿菌等[3，55]。

人乳低聚糖 （Human milk oligosaccharides，HMO），是母乳中除了乳糖和脂質(zhì)外，含量最豐富的成分，含1%的低聚糖，主要由D-葡萄糖、D-半乳糖、N-乙酰氨基乳糖、 乳糖-N-己糖、L-巖藻糖和唾液酸等成分組成[56-58]。 然而，由于不同HMO的組成存在一定的差異，對(duì)乳酸菌分解代謝HMO機(jī)理的研究數(shù)據(jù)相對(duì)較少[9]。 對(duì)純化過(guò)的HMO 的研究表明，乳酸桿菌能分解代謝巖藻糖和N-乙酰氨基乳糖而不能以HMO 做為生長(zhǎng)碳源[59-60]，相反，雙歧桿菌在HMO 為碳源的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)良好。研究表明，雙歧桿菌代謝HMO[61]主要存在兩種途徑，一是先轉(zhuǎn)運(yùn)后水解。 ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將HMO 運(yùn)輸?shù)桨麅?nèi)，隨后被多種胞內(nèi)水解酶水解，由于HMO組成成分復(fù)雜，所以生成了葡萄糖、半乳糖、N-乙酰氨基乳糖等多種單糖和雙糖[62-63]，嬰兒雙歧桿菌（B. longum subsp. infantis）主要以這種形式進(jìn)行代謝； 二是先水解后轉(zhuǎn)運(yùn)。 在兩岐雙歧桿菌（B.bifidum）中， 首先HMO 與膜表面的α-半乳糖苷酶、 巖藻糖苷酶和唾液酸酶及乳糖-N-己糖酶（Lacto-N-biosidase）等結(jié)合酶結(jié)合，不同的結(jié)合酶可以特異性地從HMO 中分離出對(duì)應(yīng)的組分，然后分別通過(guò)相應(yīng)的ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)，隨后經(jīng)胞內(nèi)水解生成葡萄糖和半乳糖等單糖[64]。

7 總結(jié)與展望

乳酸菌作為腸道中土著菌群， 對(duì)人體健康起著非常重要的作用， 而低聚糖可以促進(jìn)腸道乳酸菌的增殖、調(diào)節(jié)腸道菌群的平衡，是乳酸菌在腸道中定殖的必要條件。通過(guò)上述分析，可以發(fā)現(xiàn)一些乳酸菌利用低聚糖的共同特點(diǎn)。 一是不同種類的乳酸菌對(duì)不同低聚糖的代謝都有特異性，比如，嗜酸乳桿菌可以利用包括FOS、GOS 等在內(nèi)的多種低聚糖，而XOS 主要被雙歧桿菌利用。 二是參與乳酸菌代謝低聚糖的基因大多位于一個(gè)基因簇內(nèi)，主要由編碼轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、水解酶系及相應(yīng)調(diào)控蛋白的基因組成， 但是其作用方式卻不盡相同。 三是， 乳酸菌利用低聚糖分為先轉(zhuǎn)運(yùn)再水解和先水解再轉(zhuǎn)運(yùn)兩種方式。對(duì)于先轉(zhuǎn)運(yùn)再水解來(lái)說(shuō)，由于轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能力的限制， 使得他們對(duì)聚合程度低的低聚糖有更好的利用能力， 而不能利用高聚合度的糖類。而對(duì)于先水解再轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)說(shuō)，由于低聚糖是在細(xì)胞外進(jìn)行水解的， 使得部分水解生成的單糖也可以被周圍的其它共棲菌群所利用， 對(duì)其選擇性增殖并沒(méi)有利。

低聚糖作為面向二十一世紀(jì)“未來(lái)型”新一代功效食品，在促進(jìn)腸道中有益菌的增殖、調(diào)節(jié)腸道菌群平衡等方面對(duì)人類健康有非常積極的作用。然而腸道內(nèi)菌群微生物數(shù)量繁多，種類復(fù)雜，選擇特定的具有選擇性增殖益生菌能力的益生元就顯得十分重要。在將來(lái)的研究中，一方面要繼續(xù)探索不同乳酸菌利用低聚糖的途徑， 選擇最合適的乳酸菌-低聚糖組合以達(dá)到更大的益生效應(yīng)。 此外，截至目前研究， 只能表明乳酸菌對(duì)低聚糖代謝存在多種調(diào)控機(jī)制，但是其具體調(diào)控機(jī)理尚不明晰，因此， 研究其代謝調(diào)控機(jī)制以更好地促進(jìn)乳酸菌對(duì)低聚糖的利用，是將來(lái)該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一，也為進(jìn)一步通過(guò)體內(nèi)試驗(yàn)探索乳酸菌在腸道內(nèi)利用低聚糖的生理活動(dòng)規(guī)律并合理利用奠定基礎(chǔ)。