مقدمه
واحدهای سازنده پلی‌ساکاریدها، مونوساکاریدهایی هستند که بوسیله پیوند گلیکوزیدی به هم متصل گردیده‌اند، از این‌رو مولکول‌هایی با وزن مولکولی بالا محسوب می‌شوند. پلی‌ساکاریدهای باکتریایی هم توسط لاکتیک‌اسید باکتری‌ها و هم سایر باکتری‌ها قادر به تولید هستند. از آنجا که هر میکروارگانیسم توانایی خاصی در تولید این‌گونه ترکیبات دارد، هر ترکیب به لحاظ داشتن ساختار شیمیایی، متفاوت بوده و ویژگی‌های بیولوژیکی و عملکردی متفاوتی را از خود نشان می‌دهد.
طبقه‌بندی پلی‌ساکاریدها
پلی‌ساکاریدها را به دو دسته کلی می‌توان طبقه‌بندی کرد:
- پلی‌ساکاریدهای کپسولی یا لیپوساکاریدها که مانند لایه‌ای چسبناک به خارجی‌ترین غشاء باکتری چسبیده‌اند، هم عاملی برای ارتباط باکتری با محیط بیرون هستند و هم از سلول در برابر عوامل نامطلوب دفاع می‌کنند. تعدادی از این ترکیبات با وجود اتصال شدید به غشاء، قادر به جدا شدن می‌باشند اما این احتمال بسیار کم است.
- اگزوپلی‌ساکاریدها یا EPS که برخلاف پلی‌ساکاریدهای کپسولی، ارتباط محکمی با غشاء باکتری نداشته و قادر به آزاد شدن به محیط بیرون هستند. همین امر مزایایی را هم برای محصولات لبنی و غیرلبنی، مانند خاصیت امولسیون‌کنندگی، قوام‌دهنده، و ایجاد ژل، و هم برای سلول باکتری به همراه دارد، که می‌توان به تشکیل بیوفیلم و حفاظت از سلول باکتری در برابر شرایط نامطلوب محیطی (مانند حملات فاژ، فلزات سمی، pH و دمای نامساعد) اشاره کرد.
تولید این ترکیبات بستگی به عوامل مختلفی هم‌چون نوع گونه باکتری، نوع سویه، ترکیب محیط کشت (نوع مواد غذایی و منبع نیتروژن و کربن)، مرحله رشد، pH و شرایط دمایی و باکتری‌های کمکی دارد. می‌توان گفت شرایط رشد باکتری، بیشترین اثر را در تولید EPS دارد به نحوی که حتی ممکن است در شرایط محیطی متفاوت، یک سویه باکتری، اگزوپلی‌ساکاریدهای متفاوتی ایجاد کند.
تولید اگزوپلی‌ساکاریدها که آن‌ها را قوام دهنده‌های طبیعی می‌نامند، به دو صورت امکان‌پذیر است: تولید در داخل سلول باکتری و سپس ترشح شدن به محیط بیرون، و تولید توسط آنزیم‌های ترشح شده خود باکتری.
طبقه‌بندی اگزوپلی‌ساکاریدها
همان‌طور که گفته شد، اگزوپلی‌ساکاریدها دسته‌ای از پلی‌ساکاریدها هستند که از واحدهای مونوساکارید تشکیل شده‌اند، از این‌رو آن‌ها را براساس واحدهای سازنده می‌توان به دو گروه تقسیم‌بندی کرد:
- هموپلی‌ساکاریدها یا HoPS که تنها از یک نوع مونوساکارید تشکیل شده و خود در دو دسته قرار می‌گیرند:
دسته اول شامل گلوکان‌ها که توسط انواع گونه‌های لاکتیک‌اسید باکتری‌ها متعلق به جنس‌های Streptococcus, Lactobacillus, Leuconostoc, Weissella تولید می‌شود، از واحدهای D- گلوکز ایجاد شده و محل انشعابات آن بستگی به سویه باکتری مولد آن دارد. به همین دلیل در دو گروه آلفا- گلوکان‌ها و بتا-گلوکان‌ها تقسیم‌بندی می‌شوند.
آلفا-گلوکان‌ها شامل چهار دسته دکستران محلول در آب، روتران محلول در آب، آلترنان با حلالیت زیاد در آب اما ویسکوزیته کم و موتان نامحلول در آب می‌باشد، و بتا-گلوکان‌ها که توسط Streptococcus و Pediococcus و از واحدهای D- گلوگز تشکیل می‌یابند.
دسته دوم شامل فروکتان‌ها یا گالاکتان‌ها، متشکل از واحدهای D-فروکتوز یا D-گالاکتوز است. فروکتان‌ها خود در دو گروه لوان و اینولین طبقه‌بندی شده که محلول در آب بوده و توسط گونه‌های متفاوتی ایجاد می‌شوند که از شناخته‌شده‌ترین آن‌ها می‌توان به Streptococcus salivarius،mesenteriodes Leuconostoc، Lactobacillus johnsonii اشاره کرد. گالاکتان‌های محلول در آب که فراوانی کمتری نسبت به فروکتان‌ها دارند، توسط Lactococcus lactis subsp. lactis،Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus و Weissella confusa تولید می‌شوند.
- هتروپلی‌ساکاریدها یا HePS، از دو یا چند نوع مختلف مونوساکارید شاخه‌دار یا بدون شاخه، مانند هگزوز، مونوساکاریدهای N-استیله، پنتوز و اسیدهای اورونیک و توسطStreptococcus ، Lactobacillus و Lactococcus تولید می‌شوند. این باکتری‌ها میزان کمی هتروپلی‌ساکاریدها را ایجاد می‌کنند اما در همین میزان کم، قوام و انسجام زیادی را به همراه دارند مانند کفیران که بوسیله چند گونه لاکتوباسیلوس در دانه‌های کفیر تولید می‌شود. از دیگر باکتری‌های هترو که محلول در آب هستند، زانتان و زلان است که توسط غیر اسیدلاکتیک باکتری‌ها تولید می‌شوند.
به‌طور کلی اگزوپلی‌ساکاریدها عمدتا به شکل هترو بوده و در درون سلول اسیدلاکتیک باکتری‌ها تولید می‌شوند. در ادامه به کاربرد اگزوپلی‌ساکاریدها در صنایع مختلف غذایی می‌پردازیم.
ماست
ماست یکی از معمول‌ترین محصولات تخمیری در سراسر دنیا است که توسط استارترکالچرهایی که حاوی دو باکتری استرپتوکوکوس ترموفیلوس و لاکتوباسیلوس بوگاریکوس با نسبت مساوی است تولید می‌شود. در تولید ماست، ابتدا بولگاریکوس وارد عمل شده و مواد لازم برای رشد ترموفیلوس که به‌طور عمده آمینواسیدها هستند را فراهم می‌کنند و سپس با تولید متابولیت‌هایی هم‌چون اسید فرمیک و دی‌اکسیدکربن، رشد بولگاریکوس تحریک می‌شود.
یکی از مسائل مهم در تولید ماست، ثبات کیفیتی محصول چه از نظر بافت و چه از نظر عطر و طعم است. ترموفیلوس و بولگاریکوس هرکدام به ترتیب طعم معمولی و طعم ترش را در ماست ایجاد می‌کنند. برای ایجاد بافت مناسب، انتخاب استارترکالچرهایی که حاوی سویه‌هایی با میزان EPS مطلوب باشند از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. به‌طور کلی، ترموفیلوس‌ها 0.030 -0.89 و بولگاریکوس‌ها 0.424- 0.057 گرم در لیتر اگزوپلی‌ساکارید تولید و خواص رئولوژیکی متفاوتی مانند سفتی، قوام، صافی، و ویسکوزیته را در ماست‌های مختلف (قالبی و همزده) ایجاد می‌کنند.
در ماست‌های غیرصنعتی، آب‌اندازی در محصول معمول می‌باشد و باکتری‌های طبیعی ماست، مسئول ایجاد بافت هستند. یکی از معایب بافتی در ماست قالبی، آب‌اندازی است. در تولیدات صنعتی برای غلبه بر این نقص، با افزودن مواد خشک که ایجاد کننده بافت محصول هستند، مانند کازئینات کلسیم و سدیم، پروتئین آب‌پنیر، شیرخشک و استابیلایزرهایی مانند صمغ‌ها، نشاسته اصلاح شده، و ژلاتین، ماده خشک را تا 14% افزایش داده و آب‌اندازی را اصلاح می‌کنند. اما این روش هم تولیدکنندگان را متحمل هزینه‌های اضافی کرده و هم می‌تواند منجر به تغییر کیفیت محصول گردد. به همین دلیل است که در برخی کشورها برای استفاده از این گونه مواد، قوانین خاصی قرار داده شده است. با استفاده از سویه‌های تولید کننده EPS می‌توان به کاهش و یا حتی حذف آن‌ها امیدوار بود و محصولاتی با ویسکوزیته و ظرفیت نگهداری آب بیشتر، بافت صاف، یکدست، و خامه‌ای تولید کرد.
بافت ماست متشکل از شبکه کازئینی و گلبول‌های چربی که فواصل آن‌ها با سلول‌های اسیدلاکتیک باکتری‌ها و سرم اشغال شده است، می‌باشد. باکتری‌های LAB از نظر ایجاد بافت و قوام در سه دسته طبقه‌بندی می‌شوند: 1. باکتری‌هایی که هر دو EPS کپسولی و چسبناک (اسلایم) را تولید می‌کنند، 2. باکتری‌هایی که فقط EPS کپسولی تولید می‌کنند، و 3. باکتری‌هایی که EPS تولید نمی‌کنند.
در تولید استارترهای ماست از باکتری‌هایی استفاده می‌شود که قادر به تولید هر دو نوع EPS کپسولی و چسبناک باشد. EPS اسلایمی با این که منجر به افزایش ویسکوزیته محصول می‌شود، اما تولید بیش از اندازه آن در دهان کاملا مشخص بوده و نامطلوب به نظر می‌رسد. این در حالی است که میزان EPS کپسولی به‌دلیل ارتباط مستقیمی که با اندازه سلول باکتری دارد، به میزان زیاد تولید نمی‌شود.
در مطالعه‌ای نشان داده شد که استارترهایی که حاوی سویه‌های ایجادکننده EPS کپسولی هستند (بدون اسلایم)، محصولی پایدارتر با آب‌اندازی کمتر و بافت صاف‌تر را ایجاد می‌کنند نسبت به استارترهایی که حاوی باکتری‌هایی که قادر به سنتزEPS کپسولی نیستند. از دیگر مزایا می‌توان به این مورد اشاره کرد که کپسول‌ها، تولید اسیدلاکتیک را محدود و سرانجام با توقف تولید اسید توسط سلول باکتری، از ایجاد طعم ترش در ماست جلوگیری می‌کنند.
در آزمایشی بافت ماست‌هایی که با سویه EPS منفی تولید شده بودند مورد بررسی قرار گرفت. از آنجا که اگزوپلی‌ساکاریدها هرگز باعث تغییر عطر و طعم محصول نمی‌شوند و تنها روی ویژگی‌های بافتی محصول موثر هستند، با به‌کارگیری سویه‌هایی که EPS تولید می‌کنند به جای سویه‌ای EPS منفی، ویسکوزیته محصول 21-16% افزایش یافته و ظرفیت نگهداری آب بهبود یافت.
تاثیر EPS بر کیفیت پنیر
امروزه استفاده از محصولات لبنی کم‌چرب در بین مصرف‌کنندگان از اهمیت خاصی برخوردار است، اما همان‌طور که می‌دانیم از چالش‌های این محصولات، بافت خشک، دانه‌ای، و لاستیکی و همچنین عطر و طعم ضعیف در آن‌هاست که این موارد باید توسط تولیدکننده اصلاح گردد.
درحال حاضر استفاده از اسیدلاکتیک باکتری‌ها در تولید پنیر به عنوان شروع کننده تخمیر و یا به عنوان کمکی برای رفع این عیوب بسیار رایج می‌باشد. لازم به ذکر است که چون پنیرهای پرچرب از نظر بافت و طعم، معایب پنیرهای کم‌چرب را ندارند، کمتر مورد بررسی قرار گرفته است و تمرکز اصلی بر پنیرهای کم‌چرب می‌باشد. طی تحقیقات صورت گرفته، مشخص شد که اگزوپلی‌ساکاریدها منجر به بهبود کیفی پنیرهای کم‌چرب می‌شود و درنهایت محصولی مشابه پرچرب خود را ارائه می‌دهد.
مساله آب‌اندازی در پنیرهای تازه نسبت به پنیرهایی که نیاز به دوره رسیدن خاصی دارد، شدت بیشتری داشته که این امر به دلیل محتوای بالای آب در این پنیرها است. با استفاده از سویه‌های تولیدکننده EPS در تولید پنیرهای تازه کم‌چرب، بافت خشک و شکننده که پس از آب‌اندازی اتفاق می‌افتد، تبدیل به بافت نرم و خامه‌ای می‌شود، ضمن این که می‌توان از میزان کمتری هیدروکلوئیدها استفاده و یا به‌طور کلی آن‌ها را حذف نمود.
در تولید پنیر موزارلا که یکی از معمول‌ترین پنیرهای مورد استفاده پیتزا است، از استارترکالچرهای ترموفیل متفاوتی استفاده می‌شود. از سری ویژگی‌های عملکردی این محصول کشسانی و ذوب شدگی به حد کافی می‌باشد اما موزارلای کم‌چرب عاری از این مشخصات است. برای غلبه بر این مشکل، با به‌کارگیری سویه‌های تولیدکننده اگزوپلی‌ساکارید می‌توان رطوبت پنیر را 7-2% افزایش و خواص مطلوب را ارتقا بخشید.
نتیجه مشابه پنیرهای ذکر شده در سایر پنیرهای کم چرب نیز مشاهده گردید. به‌عنوان مثال در تولید پنیر چدار نیم‌چرب، از سویه خاصی از لاکتوکوکوس لاکتیس که EPS تولید می‌کند استفاده شد. اگزوپلی‌ساکاریدهای تولید شده هیچ تداخلی با سویه‌های شروع کننده تخمیر و یا حتی سویه‌هایی که در زمان رسیدن پنیر فعالیت می‌کنند نداشت و از نظر ویژگی‌های رئولوژیکی مانند طعم و حس دهانی، و بافت، مشابه پنیر چدار پرچرب بود. همچنین با افزودن لاکتوباسیلوس پلانتاروم که تولید اگزوپلی‌ساکارید می‌کند، پنیری با رطوبت بالا، پروتئولیز بالا و سختی کمتر به دست آمد.
تاثیر EPS بر سایر نوشیدنی‌های لبنی تخمیری
یکی از نوشیدنی‌های حاصل از تخمیر شیر، کفیر است که حاوی کمی گاز و همچنین اتانول (حدود 1-0.1%) می‌باشد. دانه‌های کفیر در تولید کفیر سنتی، حاوی باکتری‌های اسیدلاکتیک (هترو و همو)، باکتری‌های اسیداستیک و مخمرها است، اما در روش صنعتی به جای دانه‌های کفیر از استارتر کفیر استفاده می‌شود. طی عمل تخمیر، کفیران که نوعی اگزوپلی‌ساکارید محلول در آب با میزان مساوی گلوکز و گالاکتوز است و عمدتا به وسیله Lactobacillus Kefiranofaciens و همچنین توسط سایر LABها مانند لاکتوباسیلوس پلانتاروم، لوکونوستوک مزنتروئیدس، لاکتوباسیلوس پاراکازئی و غیره تولید می‌شود.
نکته قابل توجه این است که از دانه‌های کفیر تنها برای نوشیدنی کفیر استفاده نمی‌شود بلکه این دانه‌ها برای آن دسته از محصولات غیرلبنی که جامعه پیچیده‌تری از قندها را دارند نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند و همین تنوع باکتریایی و مخمری دانه‌های کفیر غیرلبنی است که باعث عدم ثبات تولیدات در این‌گونه محصولات می‌شود.
داهی نیز یک ماست سنتی بر پایه شیر در آسیای جنوبی است که چربی آن معمولا 8-5.3% می‌باشد اما برای تولید داهی کم‌چرب، جهت بهبود طعم و بافت مطلوب از باکتری‌های اسیدلاکتیک که ایجادکننده EPS است بهره می‌برند.
از سایر نوشیدنی‌ها می‌توان به Viili ، Langfil و Tette در منطقه اسکاندیناوی اشاره کرد که در تولید آن‌ها از اسیدلاکتیک باکتری‌های ترموفیل و مزوفیل (به‌صورت انتخابی)، کپک و مخمرها استفاده می‌کنند.
کاربرد EPS در تولیدات غیرلبنی
به‌غیر از محصولات لبنی، از اسید لاکتیک باکتری‌های مولد EPS می‌توان در نوشیدنی‌های گیاهی (برای داشتن طعم و بافت مطلوب و ایجاد حس دهانی)، صنعت نانوایی (برای داشتن اثر مثبت در پایداری خمیر و نهایتا بهبود بافت و حجم نان در محصولات با میزان قند کم، و همچنین به‌عنوان جایگزین چربی، حفظ کیفیت محصولات خمیری منجمد و محصولات بدون گلوتن)، و در محصولات گوشتی کم‌چرب (برای اصلاح بافت و سایر ویژگی‌های تکنولوژیکی، به‌عنوان مثال در سوسیس تخمیری) استفاده کرد.
کمک به سلامت
محققان اخیرا فعالیت اسیدلاکتیک باکتری‌ها و پتانسیل آن‌ها در تولید EPS در حوزه‌های مختلف تولید غذا و دارو را بیشتر از قبل مورد بررسی قرار داده‌اند. تحقیقات در این حوزه همچنان ادامه دارد. با توجه به اینکه فعالیت و عملکرد EPS بستگی به عوامل مختلفی مانند نوع آن (هترو یا همو)، وزن مولکولی، و ترکیب مونوساکارید دارد، با انجام تحقیقات دقیق‌تر در خصوص ساختار آن‌ها می‌توان به تولیدEPS هایی با ویژگی مطلوب و متناسب با صنعت مورد نظر دست پیدا کرد و به‌غیر از مزایای تکنولوژیکی که این ترکیبات دربر دارند، از ویژگی‌های مثبت آن‌ها در بخش سلامتی بهره برد. به‌عنوان مثال اسیدلاکتیک باکتری‌ها که ایجاد کننده هگزاپلی‌ساکارید هستند، باعث توقف بیشتر محصولات تخمیری در دستگاه گوارش شده و کلونی‌های بیشتری به‌وسیله باکتری‌های پروبیوتیک در روده تولید می‌گردد (در واقع این ترکیبات پری‌بیوتیک هستند). فعالیت ضدسرطانی، ضد زخم، فعالیت آنتی‌اکسیدانی، تنظیم سیستم ایمنی بدن، کاهش کلسترول خون و غیره نمونه‌های دیگری هستند که در آینده، بیشتر به آن‌ها خواهیم پرداخت.
منابع:
Jurášková D, Ribeiro SC, Silva CCG. Exopolysaccharides Produced by Lactic Acid Bacteria: From Biosynthesis to Health-Promoting Properties. Foods. 2022 Jan. DOI: 10.3390/foods11020156.
Berthold-Pluta, Anna & St, Antoni & Pluta, et al. Exopolysaccharide-producing lactic acid bacteria -health-promoting properties and application in the dairy industry. Advancements of Microbiology .2019 Mar. DOI: https://doi.org/10.21307/PM-2019.58.2.191
