Biyopolimerler, bir canlı tarafından üretilebilen veya biyolojik olarak parçalanabilen polimerler olarak tanımlanmaktadır. Ekzopolisakkaritler (EPS), adından anlaşılacağı üzere, hücre dışına salgılanan polisakkarit (karbonhidrat) yapıdaki biyopolimerlerdir. Canlıların ancak bir kısmı ekzopolisakkarit üretebilme kabiliyetine sahiptir.
Ekzopolisakkaritler, mikroorganizma hücresinin içerisinde üretilip dışarısına salgılanan yapışkanımsı “bir yün yumağı” gibi hayal edilebilir.
Salgılanan bu yapı, mikroorganizmayı kurumaya karşı korunma, yüksek basınca dayanma, diğer mikroorganizmaların saldırılarından korunma, antibiyotik veya toksinlerden korunma ve birbirlerini tanıma gibi farklı kabiliyetleri mikroorganizmaya kazandırır.
Genel olarak, bu biyopolimerler üretici mikroorganizma tarafından bir enerji kaynağı olarak kullanılmazlar, ancak zorlu çevre koşullarına sahip bir ekosistemde mikrobiyal hücre bütünlüğünün etkin bir şekilde korunmasını sağlar.
Bu açıdan bakıldığında, bir mikroorganizmada EPS salgılama özelliğinin bulunması o mikroorganizmaya oldukça üstün meziyetler kazandırmaktadır.
(Bu resim, doktora çalışmam kapsamında geleneksel olarak üretilen tereyağı örneklerinden izole edip tanımladığım bir Lactobacillus rhamnosus suşunun sıvı besiyeri ortamındaki gelişimine ait. Genel olarak, EPS üretmeyen bir suşun kolonisi, bulanıklıkla birlikte dipte tortu şeklinde görünür. EPS üretenlerin ise dipte hafif pamukçuk gibi görünmesi beklenebilir. Ancak bu suşun EPS üretimi miktar olarak o kadar fazla idi ki, sıvı besiyerinde ciddi boyutta bulutumsu bir koloni oluşturdu.)
Ekzopolisakkaritleri insanlar açısından oldukça cezbedici yapan iki neden bulunmaktadır. Bunların ilki, bazı mikroorganizmalar tarafından salgılanan EPS’lerin insan sağlığı açısından son derece faydalı olabileceklerinin fark edilmesidir.
İkincisi ise, EPS’lerin, içinde bulundukları gıdanın yapısal özelliklerini yükseltmesidir.
Günümüzde, ekzopolisakkaritler gıda, ilaç ve kozmetik sanayinde kullanılmaktadır ve gün geçtikçe kullanımları daha da yaygınlaşmaktadır.
Araştırmalarda günümüzde gelinen nokta itibari ile ekzopolisakkaritlerin insan sağlığı açısından antioksidan, antibakteriyel, kolesterol düşürücü, immünoregülatör fonksiyon, antikarsinojen, antitümör, antikoagülan, antiviral özelliklerinin oldukları keşfedilmiştir.
Ekzopolisakkaritler ayrıca biyofilm oluşturmada ve bakterinin bir yüzeye tutunabilmesinde rol oynamaktadır. Bu şekilde bakterinin bir ortamda kolonize olması kolaylaşmaktadır. EPS’nin bu etkisi, bakterinin probiyotik özelliğine katkıda bulunabilmektedir. Yani, EPS üretebilen probiyotik bakteri, bağırsaklardan daha kolay geçebilmekte ve daha kolay tutunup daha kolay gelişebilmektedir. Çalışmalar, EPS’nin aynı zamanda prebiyotik etki de gösterebildiği bildirilmektedir.
Gıda teknolojisi açısından ise, içinde bulundukları gıdanın jelleşme, kıvam artırma, emülsifiye etme ve su bağlama gibi farklı karakteristiklerini artırma özelliklerine sahiptirler.
Dolayısıyla, içerisinde EPS üreten bir mikroorganizma bulunan fermente gıdanın yapısal özellikleri, EPS sayesinde herhangi bir gıda katkı maddesi ilave etmeden yükselebilmektedir. Bu durum yoğurtta çok belirgindir.
Eğer yoğurtta EPS üreten mikroorganizma bulunuyorsa, o yoğurt kaymak kıvamında olmaktadır ve su salması azalmaktadır. Bu açıdan, yoğurtta EPS varlığı gözlemsel olarak teşhis edilebilir.
EPS varlığında, yoğurdun kıvamı kaymak gibidir ve kaşığın altında bir uzama görülür. Bu haliyle düşünüldüğünde, EPS varlığında yoğurt hem daha güzel görünümde olmakta hem de sağlığa faydası son derece artmaktadır.
Elbette, fermente gıda üretiminde kullanılabilecek EPS üreten mikroorganizma türünün gıdada kullanımının güvenli olması gerekmektedir. Gıdalarda kullanılabilecek mikroorganizmalar açısından laktik asit bakterileri ve bifidobakteriler öne çıkmaktadır.
Çoğu LAB, özellikle Fructilactobacillus, Lacticaseibacillus, Lactiplantibacillus, Lactobacillus, Lactococcus, Latilactobacillus, Lentilactobacillus, Leuconostoc, Limosilactobacillus, Pediococcus, Streptococcus ve Weissella türü bakteriler EPS sentezleme yeteneğine sahiptir.
Ancak bu, bir cinsin tüm türlerinin EPS üretebildiği anlamına gelmez. Tür bazında dahi, EPS üretebilme kabiliyeti değişkenlik gösterebilmektedir. Örneğin, bir Streptococcus thermophilus suşu EPS üretebilirken, bir başka Streptococcus thermophilus suşu EPS üretemeyebilmektedir.
Bununla birlikte, şu ana kadar hiçbir Weissella türü, ABD Gıda ve İlaç İdaresi tarafından “genel olarak güvenli” (GRAS) olarak kabul edilmemiştir. Aynı şekilde, Avrupa Gıda Güvenliği Otoritesi tarafından, Avrupa’da yaygın olsalar bile, Weissella cinsi bakterilere nitelikli güvenlik varsayımı (Qualified Presumption of Safety, QPS) statüsü verilmemiştir.
Bu bağlamda, benim de dahil olduğum bir grup bilim insanı, yöresel fermente gıdalarda EPS üretebilen laktik asit bakterileri aramaktadır. Bu bakterilerin ve ürettikleri EPS’lerin özelliklerini araştırarak gıdalarda kullanım olanakları aranmaktadır.
Bu şekilde, üstün özelliklere sahip suşların keşfedilerek starter kültür olarak kullanılması ve fermente gıdaların katkı ilave etmeksizin özelliklerinin geliştirilmesi ve sağlığa faydasının arttırılması hedeflenmektedir.
Ekzopolisakkaritlerin Yapısı ve Sınıflandırılması
Daha önce, ekzopolisakkaritlerin adlarından da anlaşılacağı üzere karbonhidrat yapıda oldukları belirtilmişti. Ancak, ekzopolisakkarit denilince akla tekdüze standart bir yapı gelmemelidir.
EPS’nin yapısı, hangi bakteri suşu tarafından üretildiğine göre değişmektedir. Bir bakterinin salgılayacağı EPS’nin yapısı onun DNA’sında kodludur.
EPS yapısı, mikroorganizmanın içerisinde bulunduğu besin ortamına göre de değişebilmektedir. Bir bakteri, farklı besin ortamlarında farklı yapıda EPS üretebilmektedir. Aynı şekilde, salgılanan EPS miktarı da türden türe ve bulunduğu ortam koşuluna göre büyük farklılıklar gösterebilmektedir.
Doğal olarak, farklı yapıdaki EPS’lerin, gerek gıdanın yapısına gerekse de sağlığa faydası farklıdır.
Ekzopolisakkaritler, galaktoz, glikoz, mannoz, ramnoz, riboz, ksiloz, fruktoz, fukoz, arabinoz, galakturonik asit, glukuronik asit, glukozamin ve galaktozamin gibi şekerlerin ve şeker türevlerinin değişen oranlarını içerebilmektedir.
Yapısında yalnızca tek çeşit monosakkarit bulunan ekzopolisakkaritlere homopolisakkaritler (HoPS), farklı monosakkaritlerden oluşanlara ise heteropolisakkaritler (HePS) denilmektedir.
Bununla birlikte, HoPS ve HePS sadece yapılarını oluşturan monomerlerine göre değil, zincir uzunlukları, dallanma dereceleri ve şeker bağlantılarına göre de farklılık göstermektedir.
HoPS genellikle glukan veya fruktan oluşturan glikoz veya fruktoz birimlerinden oluşur. Bunların en yaygınları α-glukanlardır. Fruktanların iki genel alt grubu, levan tipi ve inülin tipi polisakkaritlerdir.
LAB tarafından üretilen EPS’lerin çoğu HePS’dir. Tekrar eden birimler genellikle D-glukoz, D-galaktoz ve L-ramnoz ve bazı durumlarda N-asetilglukozamin, N-asetilgalaktozamin veya glukuronik asittir.
Genel olarak ekzopolisakkaritler şu şekilde sınıflandırılmaktadır;
1.) Homopolisakkaritler
1.1.) Glukanlar
a)α Glukanlar
a.1.) Dekstran
a.2.) Mutan
a.3.)Reuteran
a.4.) Alternan
b) β Glukanlar
1.2.) Fruktanlar
a) Levanlar
b) inülin benzeri polisakkaritler
2.) Heteropolisakkaritler
2.1.) İçerdiği monosakkarit çeşidine göre
2.2.) Tekrar eden birimlere göre
2.3) Zincir yapısına göre; dallanmış veya düz zincir
2.4.) Modifikasyonuna göre
Ekzopolisakkaritlerin Biyokimyasal Özellikleri ve Biyosentezi
Laktik asit bakterileri tarafından EPS üretiminde yer alan enzimler iki ana gruba ayrılabilir.
Birinci grup, diğer hücre yolları tarafından kullanılan temel şeker nükleotitlerini sentezlemek için gerekli olan proteinleri içerir. Bu proteinler EPS’ye özgü değildir.
Diğer grup, sentez sırasında glikozil donörü olarak monomerik molekülleri veya polimerizasyon ve salgılamadan sorumlu enzimleri kullanan ve tüm süreci düzenleyen glikozil- ve asetil-transferazlar gibi EPS’ye özgü enzimleri içerir. Bununla birlikte, bazı EPS’ye özgü proteinlerin biyolojik işlevi şu anda bilinmemektedir.
EPS’ye özgü enzimler, belirli genler tarafından düzenlenir. Laktik asit bakterilerinde EPS biyosentezini kodlayan genler tipik olarak bir küme halinde düzenlenir ve termofilik suşlarda genellikle kromozomaldir (genofor), ancak mezofilik LAB’de plazmitler üzerinde de yer alabilir. İkinci durumda, EPS üretme yeteneği yüksek kararsızlığa sahip olabilir ve bakteriler seçim baskısı olmadan EPS üretim potansiyellerini kaybedebilir.
Biyokimyasal açıdan, HoPS sentezi nispeten basit bir işlemdir ve sentetik yolda aktif taşıma aşamaları olmadığından, gerekli hücre dışı enzimlerin biyosentezinden başka enerji harcaması yoktur. HePS sentezinin mekanizması daha karmaşık ve enerji yoğun bir süreçtir.
Farklı laktik asit bakterisi suşlarının EPS üretimi, farklı koşullarda 10 mg/L ile 400 mg/L arasında değişir ve eğer gelişim ve üretim için ideal ortam koşulları sağlanırsa bu miktarlardan çok daha fazla miktar da üretilebilmektedir.
Kaynakça
Akgül, H. İ. (2020). Tereyağlarından ekzopolisakkarit (EPS) üreten laktik asit bakterilerinin izolasyonu ve tereyağı üretiminde starter kültür olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
Erkmen, O. (Ed.). (2021). Gıda Mikrobiyolojisi (6. baskı). Efil Yayınevi.
Welman, A. D., & Maddox, I. S. (2003). Exopolysaccharides from lactic acid bacteria: perspectives and challenges. Trends in Biotechnology, 21(6), 269–274.
Ruas-Madiedo, P., & de los Reyes-Gavilán, C. G. (2005). Invited review: methods for the screening, isolation, and characterization of exopolysaccharides produced by lactic acid bacteria. Journal of Dairy Science, 88(3), 843–856.
Zhou, Y., Cui, Y., & Qu, X. (2019). Exopolysaccharides of lactic acid bacteria: Structure, bioactivity and associations: A review. Carbohydrate Polymers, 207, 317–332.
Korcz, E., & Varga, L. (2021). Exopolysaccharides from lactic acid bacteria: Techno-functional application in the food industry. Trends in Food Science & Technology, 110, 375–384.
Yadav, M. K., Song, J. H., Vasquez, R., Lee, J. S., Kim, I. H., & Kang, D.-K. (2024). Methods for Detection, Extraction, Purification, and Characterization of Exopolysaccharides of Lactic Acid Bacteria—A Systematic Review. Foods, 13(22), 3687.
Halil İbrahim Akgül
Halil Ibrahim Akgul, Ph.D., is an Assistant Professor of Food Engineering at Bayburt University, where he works in the Division of Food Sciences within the Faculty of Engineering. He received his B.Sc. in Food Engineering from Akdeniz University in 2010, followed by an M.Sc. and a Ph.D. in Food Engineering from Atatürk University in 2015 and 2020, respectively. His formally recognised academic fields are Food Sciences and Engineering, Food Technologies, Dairy and Dairy Products Technology, and Food Microbiology.
Dr. Akgul has more than fifteen years of professional, research, and academic experience in food science. Between 2011 and 2013, he worked as the food engineer responsible for operations at the Pilot Dairy and Bread Factory of Atatürk University’s Directorate of Agricultural Enterprises. This industrial experience, combined with his subsequent academic research, gave him extensive practical and scientific knowledge of milk processing, dairy production, food quality, hygiene, and product development.
His research is primarily focused on milk and dairy products, dairy microbiology, starter cultures, lactic acid bacteria, exopolysaccharides, butter technology, and the physicochemical, microbiological, sensory, and nutritional properties of foods. His studies have examined the quality and fatty-acid composition of traditional butter, aroma formation in butter produced with different starter cultures, raw-milk quality, the characterisation and antioxidant activity of bacterial exopolysaccharides, traditional dairy products such as çökelek and karın kaymağı, colostrum powder, and the use of fruit-derived ingredients in ice cream production.
His academic record includes peer-reviewed research articles published in national and international journals, including Mljekarstvo, Acta Scientiarum Technology, the Journal of Food Safety and Food Quality, the International Journal of Food Engineering, the Atatürk University Journal of Agricultural Faculty, and ATA Food Journal. Four of the research articles currently listed in his university profile were published in SCI-Expanded-indexed journals. He has also contributed to twelve national and international conference papers and presentations covering dairy products, food microbiology, butter quality, fatty-acid composition, starter cultures, exopolysaccharide-producing bacteria, colostrum, traditional foods, and functional ice-cream formulations.
Dr. Akgul has participated as a researcher or adviser in eleven completed scientific and applied research projects. These projects have addressed the modernisation of pilot dairy-processing facilities; the production and quality characteristics of colostrum powder; the physicochemical and microbiological quality of butter and raw milk; the identification of exopolysaccharide-producing lactic acid bacteria; the development and production optimisation of starter cultures for mould-ripened cheese; the standardisation of traditional dairy products; and the use of sloe berry and persimmon fibre in ice-cream production.
His teaching experience spans undergraduate, associate-degree, and graduate education. The courses he has taught include Food Chemistry, Analytical Chemistry, General Chemistry, Organic Chemistry, Fermented Dairy Products Technology, Butter Production and Processing Technology, Healthy Living and Nutrition, Organic Agriculture and Food, Popular Science, Digital Literacy, and Information Technologies. Through these courses, he combines fundamental food chemistry and engineering principles with dairy technology, nutrition, scientific literacy, and the practical communication of scientific knowledge.
He is the founder and Editor-in-Chief of Gıda ve Sağlık, a multilingual digital publication devoted to food, nutrition, health, food chemistry, food microbiology, and culinary science. Through this platform, he draws upon his academic background, teaching experience, research activity, and practical knowledge of food production to present scientifically grounded information in a detailed and accessible form for an international readership.