乳酸菌及生物工程研究新進(jìn)展
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摘要:乳酸菌作為發(fā)酵糖類的核心產(chǎn)物，是一類無(wú)芽孢、革蘭染色細(xì)菌之統(tǒng)稱。一切從葡萄糖或是乳糖發(fā)酵中得到的乳酸細(xì)菌，均被叫作乳酸菌。作為人體的一種益生菌，乳酸菌可以調(diào)節(jié)胃腸道菌群、維持微生態(tài)平衡，促進(jìn)食物消化和增加生物價(jià)，減少血清膽固醇和內(nèi)毒素，防止腐敗菌在人體腸道中過(guò)肆地繁殖，對(duì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、細(xì)胞感染、毒性、免疫反應(yīng)均有較大的作用，同時(shí)還能延緩腫瘤形成、遏制應(yīng)急反應(yīng)。體外研究表明，利用細(xì)胞的pH環(huán)境條件，乳酸菌能夠吸收機(jī)體中的基因毒性、致癌原。本文介紹了乳酸的生理特性、功能，綜述了其研究新進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展前景做出展望。
乳酸菌有助于蛋白質(zhì)、鐵等多類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的快速吸收，誘導(dǎo)腸道益生菌的生長(zhǎng)，防止有害菌的增殖，提高人體免疫力和抵抗力，達(dá)到美容養(yǎng)顏、預(yù)防腸癌、保護(hù)肝臟之目的。伴隨生物工程學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用于食品、醫(yī)藥這些板塊中的乳酸菌類型日漸增多。由于乳酸菌菌株獨(dú)特的生理功能，它不僅是干酪或是酸制奶油常見(jiàn)的發(fā)酵劑，而且還是泡菜、醬油釀造必要的發(fā)酵素，能夠改善機(jī)體的腸道菌群。探索乳酸菌及其生物工程的最新進(jìn)展，對(duì)乳酸菌在現(xiàn)代工業(yè)中的深度應(yīng)用有較大的推動(dòng)作用。
1乳酸菌的生理特性和生物學(xué)功能
1．1常見(jiàn)乳酸菌的分類人類首次從牛奶中成功分離得到了乳酸菌，通過(guò)對(duì)8種以上的食物、發(fā)酵產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)后得知，乳酸菌的種類十分多，分布較廣。適合乳酸發(fā)酵的基本上是細(xì)菌，部分球菌或是桿菌。通常，它們無(wú)法運(yùn)動(dòng)，以單糖(果糖或是半乳糖)、雙糖(如蔗糖、乳糖)為重要基質(zhì)，并產(chǎn)生一種核心的代謝產(chǎn)物———乳酸。部分乳酸菌，是典型的厭氧微生物，在無(wú)氧的情況下可以產(chǎn)能。而有無(wú)氧的情況下，可以進(jìn)行乳酸發(fā)酵［1］。在自然界中，已知的均屬在細(xì)菌分類學(xué)上不低于18個(gè)，其有關(guān)屬相對(duì)要更多。該類屬指的是:乳酸桿菌屬(Lactobacillus)、氣球菌屬(Aerococcus)、漫游球菌屬(Vagococcus)、利斯特氏菌屬(Listeria)、環(huán)絲菌屬(Brochothrix)、芽孢乳桿菌屬(Sporolactobacilus)、丹毒絲菌屬(Erysipelothrix)以及糖球菌屬(Saccharococcus)等。典型的球形乳酸菌大致有:鏈球菌屬，多源自動(dòng)物或是動(dòng)物性制品;明串珠菌屬，源自植物體或是相關(guān)制品。目前，已將乳酸菌用于膳食，以補(bǔ)充Vk2或是甲基萘醌類物質(zhì);而片球菌屬，還有一種說(shuō)法是足球菌，多源自植物或是相關(guān)制品。一般的桿形乳酸菌，均歸為乳桿菌屬，大概有20種。對(duì)乳桿菌屬來(lái)說(shuō)，它是一種無(wú)芽孢桿菌，形狀類似桿狀，稍彎曲。微需氧，在厭氧環(huán)境下可以得到更茁壯的生長(zhǎng)。最佳的生長(zhǎng)溫度30℃～40℃，最佳pH值5．5～6．2。不過(guò)，當(dāng)pH=3．5時(shí)，它還是可以生長(zhǎng)，我們?cè)谝恍﹦?dòng)、植物身上都可以發(fā)現(xiàn)。經(jīng)乳酸發(fā)酵，乳酸菌可以對(duì)糖類進(jìn)行分解，得到乳酸。從生化機(jī)制上講，發(fā)酵有2類:若乳酸(≥80%)，叫正型乳酸發(fā)酵，例如乳酸鏈球菌(Streptoeoccuslactis)、干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)。該過(guò)程也是經(jīng)雙磷酸己糖途徑。在2次磷酸化后，得到l-6二磷酸果糖;在經(jīng)過(guò)經(jīng)醛縮酶分解，得到2個(gè)重要的三碳化合物，再次經(jīng)脫氫氧化，產(chǎn)生一種二分子丙酮酸，在接受氫的情況下將其還原為乳酸。在發(fā)酵產(chǎn)物中，如果還摻雜乙酸、二氧化碳、H2，則叫做異型乳酸發(fā)酵，如乳酸桿菌(Lactobacillus)就是很好的代表。對(duì)葡萄糖來(lái)說(shuō)，經(jīng)單磷酸己糖途徑可以轉(zhuǎn)為一種6-磷酸葡萄糖酸，經(jīng)脫羧再次得到5-磷酸木酮糖，在裂解作用下產(chǎn)生3-磷酸甘油醛以及乙酰磷酸;在丙酮酸的參與下，3-磷酸甘油醛得以轉(zhuǎn)化成為乳酸;乙酰磷酸最終接受氫并且還原得到乙醇［2］。
1．2乳酸菌的生理特性及生物學(xué)功能
乳酸菌都可以歸為乳酸菌科(Lactobacteriaceae)。形態(tài)方面，這些細(xì)菌有很大的差別，有些是長(zhǎng)桿或是短桿狀，有些則是圓形;各個(gè)種類均為革蘭陽(yáng)性菌，很少產(chǎn)生芽孢，一般不運(yùn)動(dòng)，是典型的專性發(fā)酵菌。在空氣或是氧氣環(huán)境下，乳酸菌可以自由地生長(zhǎng)。盡管它們屬于厭氧菌，但還是有較強(qiáng)的耐氧能力。對(duì)乳酸菌而言，其生長(zhǎng)離不開輔助因子，很多均要利用核黃素、泛酸、葉酸或是生物素等維生素，以及氨基酸、嘧啶等。同時(shí)，乳酸菌中的多數(shù)微生物均缺乏自身的利用能力，以裂殖為主，表現(xiàn)出不同的生活特點(diǎn)。一是乳酸菌本身有很強(qiáng)的抗酸能力，在部分含糖較多的食物中，盡管其他菌類也可以生長(zhǎng)，但由于乳酸菌會(huì)持續(xù)地釋放乳酸，其生長(zhǎng)環(huán)境也會(huì)酸性，并滅殺不耐酸的其他細(xì)菌。二是很多乳酸菌都表現(xiàn)較高的抗鹽性，在NaCl濃度≥5%的環(huán)境中能夠存活下來(lái)。如部分腌制品中，一些抗鹽性很低的有害菌無(wú)法存活，只有乳酸菌才可以，并增加食物的風(fēng)味。需要指出的一點(diǎn)，一般的乳酸菌均未包含細(xì)胞色素氧化酶。因此，硝酸鹽幾乎很難還原成為亞硝酸鹽。正因?yàn)榇耍魅橹破坊蚴请缰破分杏捎谌樗峋x而釋放出亞硝酸鹽的概率非常小，對(duì)人體健康也并無(wú)很大的壞處。乳酸菌并無(wú)任何的氨基酸脫羧酶，很少分泌胺類物質(zhì)，也沒(méi)有吲哚、H2S。所以，食物中摻雜乳酸菌是不會(huì)腐敗或有其他異味的。此外，乳酸菌還可以影響和調(diào)節(jié)機(jī)體中的腸道菌群。在腸道中，可以拮抗其他微生物，如釋放出有機(jī)酸、乳酸，減小氧化還原電位與pH值，防止外襲菌的定植;釋放出過(guò)氧化氫;搶奪營(yíng)養(yǎng);分解成抗菌性代謝物。很明顯，乳酸菌能夠刺激和誘導(dǎo)分泌型IgA的繁殖，促進(jìn)干擾素-Υ的產(chǎn)生，同時(shí)還能激活各大免疫細(xì)胞。
2乳酸菌及其生物工程研究新進(jìn)展
2．1技術(shù)研究
2．1．1電穿孔法。伴隨生物工程技術(shù)的誕生，該法才得以使用。如今，其發(fā)展日漸完善，可以改良乳酸菌特性，優(yōu)化菌種品質(zhì)。該技術(shù)的核心在于微生物、菌桿相互的轉(zhuǎn)化，要保持一種很高的電轉(zhuǎn)化效率。在很多生產(chǎn)領(lǐng)域，該方法均已得到使用。2．1．2原生質(zhì)體融合法。使優(yōu)質(zhì)的菌株能夠和關(guān)聯(lián)性較高的菌株進(jìn)行結(jié)合，提高乳酸菌菌種培育的概率，保證菌種質(zhì)量。除上述外，該技術(shù)還能夠使乳制品具備更強(qiáng)的發(fā)酵能力，促進(jìn)基因重組，某種程度上拓展了乳酸菌在使用時(shí)的范疇。2．1．3基因送遞系統(tǒng)。將它用于基因重組，是最新的進(jìn)展，也是乳酸菌今后的發(fā)展方向。該系統(tǒng)在使用時(shí)，要注意安全，生產(chǎn)各類食品，也要結(jié)合食品的性質(zhì)來(lái)選擇恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用方案，確保食品的安全性。2．1．4接合技術(shù)。在遺傳、生化方面有很高的價(jià)值。拿乳球菌來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生不少和乳球菌掛鉤的產(chǎn)品，如乳糖或是細(xì)菌素。接合技術(shù)可以掙脫DNA重組的桎梏，建立優(yōu)良乳酸菌。據(jù)報(bào)道，乳糖發(fā)酵或是細(xì)菌素產(chǎn)生時(shí)都會(huì)有這種接合的情況。利用接合技術(shù)，能夠生產(chǎn)很多的乳酸，促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)移。生產(chǎn)中，生物工程有多種不同的方法。拿奶制品來(lái)說(shuō)，如果發(fā)酵奶制品的口味不好，很難真正吸引到市面上的消費(fèi)者。該情況下，企業(yè)業(yè)績(jī)滑坡、利潤(rùn)少，在發(fā)酵時(shí)借助生物工程技術(shù)就能夠干預(yù)，抑制噬菌體過(guò)多地吸附菌種，使奶制品保持良好的風(fēng)味。如干酪，它的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在成熟期，冷藏干預(yù)可能會(huì)擴(kuò)大生產(chǎn)成本。為了確保成熟，需要節(jié)約成本，選用適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)加快成熟。生物工程技術(shù)，即在干酪中摻加一定的蛋白酶，利用霉菌作用來(lái)促進(jìn)成熟，提高菌種自身的抗噬能力，避免受污染和影響干酪品質(zhì)。
2．2應(yīng)用研究
2．2．1細(xì)菌素本質(zhì)上，乳酸菌細(xì)菌素可以歸為蛋白質(zhì)，易于降解，有較好的抑菌效果。除上述外，還可用于防腐劑，如nisin、microgard。nisin是乳酸亞種釋放出來(lái)的肽，可以抑制革蘭氏陽(yáng)性菌和部分革蘭氏陰性菌。20世紀(jì)中葉，乳制品或是罐頭食品中都用到了乳酸菌，現(xiàn)國(guó)家已批準(zhǔn)將nisin使用于干酪抗菌。研究認(rèn)為，除用于防腐劑外，nisin還可以對(duì)牛乳房炎進(jìn)行治療。針對(duì)革蘭氏陰性菌，microgar有不錯(cuò)的抑制效果。受定點(diǎn)突變的影響，細(xì)菌素抑菌譜可以得到延展。如今，nisin已基本做到克隆和測(cè)序。不少細(xì)菌素，在質(zhì)粒或是座子上已基本定位，為轉(zhuǎn)移提供諸多的便利。結(jié)合技術(shù)可以構(gòu)建快產(chǎn)酸活力，并產(chǎn)生乳酸乳球菌亞種。將它作為發(fā)酵劑，有助于增加產(chǎn)品的安全系數(shù)，并保證產(chǎn)品質(zhì)量。2．2．2異源性蛋白質(zhì)。易源性蛋白質(zhì)技術(shù)，是一項(xiàng)重要的生物工程技術(shù)，將易源性DNA用于人體，能夠使機(jī)體表達(dá)出易源性蛋白質(zhì)。微生物在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，很少引起排斥。在發(fā)酵期間，借助該技術(shù)有助于增加易源性蛋白質(zhì)表達(dá)，得到更多的目標(biāo)蛋白質(zhì)。此外，還能改進(jìn)乳制品質(zhì)量。2．2．3特殊酶乳酸菌。乳酸菌有很高的生產(chǎn)效益，其價(jià)值十分突出:(1)產(chǎn)生乳酸菌的全部酶系。(2)乳酸菌能夠生成特殊酶系，如有機(jī)酸、分解脂肪以及降膽固醇酶系。酶除了加速乳酸菌發(fā)酵外，還能保持體內(nèi)的腸道清潔，維護(hù)健康。雙歧因子，是一種十分特殊的乳酸菌，能夠產(chǎn)生雙歧桿菌。區(qū)別于一般的常規(guī)乳酸菌，它的特點(diǎn)之處在于生成特殊酶。如生成果糖-6-磷酸酮酶，并在葡萄糖中進(jìn)行使用。有研究稱，現(xiàn)已找到加速N-末端氨基酸分解的一類乳酸菌，借助生物工程技術(shù)可以將這種乳酸菌運(yùn)用于食品生產(chǎn)，加速成熟。同時(shí)，還可以減小食品里面的膽固醇含量［3］。2．2．4耐氧性乳酸菌。乳酸菌多為厭氧菌，或是兼性厭氧菌，在少氧、厭氧環(huán)境下可以生長(zhǎng)。如雙歧桿菌，要在完全厭氧環(huán)境下才可以生長(zhǎng)，這就給實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)帶來(lái)很大的困難。利用生化、遺傳分析，可以找到乳酸菌機(jī)理，提高它的耐氧性。以分子為視角，厭氧菌、兼性厭氧菌多是按照菌對(duì)氧的反應(yīng)度進(jìn)行分類。以遺傳、生化為視角，由于活性相對(duì)偏小，有些厭氧菌在短期內(nèi)可以處于一種含氧環(huán)境。有研究者選取了20多種微生物，對(duì)超氧化物、過(guò)氧化氫酶進(jìn)行研究，并測(cè)定二者的含量。從中得知:有8種微生物中同時(shí)包括2種酶，在氧氣狀態(tài)下，該類酶可以很好地抵抗毒害。通過(guò)對(duì)10種厭氧菌進(jìn)行檢測(cè)，得知歧化酶活性并不高，甚至很難測(cè)定［4］，另外，它的抗毒害性也不高。上述研究表明，將生物工程技術(shù)運(yùn)用到歧化酶生產(chǎn)中，可以提高它的耐氧性。目前，該技術(shù)已生成耐氧性相對(duì)較高的乳酸菌。2．2．5食用性乳酸菌。乳酸菌中分布著較多的可食用物質(zhì)，如乳酸、丙酮還有丁二酮。拿酸奶來(lái)說(shuō)，酸奶的風(fēng)味多源自乙醛。但是，乙醛則源于乳酸菌。正因?yàn)榇耍煌樗峋矔?huì)生成不一樣的乙醛。利用生物工程技術(shù)，要想生成最佳的乙醛，即優(yōu)先考慮保加利亞乳酸菌。該乳酸菌可以脫氫酶，并且積累乙醛。同時(shí)，利用氨基酸代謝法還能生成乙醛。如蘇氨酸酶，經(jīng)分解可以得到乙醛、氨酸。對(duì)于該反應(yīng)，有人提議在奶制品中添加適量的蘇氨酸，使其充滿芳香風(fēng)味。如丁二酮、發(fā)酵黃油在味道方面有很大的相關(guān)，能夠?qū)幟仕徂D(zhuǎn)化為丁二酮。除上述外，乳酸菌黏性也很關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)有研究，乳脂鏈球菌、瑞士乳酸菌都可以提高黏性。2．2．6定植性乳酸菌。黏附，是定植的基礎(chǔ)和前提。以黏附為前提，乳酸菌可以在腸道中得到定植。定植有助于提高微生物在人體的繁殖能力，以更好地抵抗致病菌。乳酸菌作為增強(qiáng)定植的生物群，有人也將其稱作定植抗力因子。在黏附素的作用下，乳酸菌能夠和腸道中分布的黏膜細(xì)胞進(jìn)行結(jié)合，并在表面完成定植，產(chǎn)生一種屏障。如果該屏障遭受抗生素的威脅，機(jī)體也將喪失抵抗病菌的能力，甚至形成耐藥。該情況下，腸道內(nèi)部也會(huì)失去原有的平衡。利用乳酸菌，有助于恢復(fù)腸道平衡，達(dá)到治愈之目的。易位被認(rèn)為是細(xì)菌及其產(chǎn)物，如內(nèi)毒素可以從指腸腔內(nèi)轉(zhuǎn)向于外部，易位來(lái)自機(jī)體的腸道或是呼吸道。該類部位的細(xì)菌很少會(huì)轉(zhuǎn)移至外部，由于數(shù)量不多，在免疫機(jī)制下幾乎很難得到轉(zhuǎn)移。如果轉(zhuǎn)移量太大，則周邊組織也會(huì)受損。由于定植能力下降，一些陰性菌將會(huì)入侵到機(jī)體的腸道中，繁殖并且傳播，造成感染。有學(xué)者認(rèn)為，乳酸菌可以帶來(lái)如下益處:一是減少致病菌的入侵;二是提供腸道營(yíng)養(yǎng)方面的支撐，使腸道屏障得到盡快的修復(fù);三是增強(qiáng)機(jī)體對(duì)細(xì)胞的吞噬活力，以更好地抵抗病菌;四是減少致病菌的繁殖［5］。
3乳酸菌的應(yīng)用展望
現(xiàn)代社會(huì)，保健食品已成為潮流。除了要具備食品的色、香、味，還應(yīng)當(dāng)對(duì)生理功能進(jìn)行調(diào)節(jié)。從發(fā)酵食品的屬性分析，它是典型的營(yíng)養(yǎng)保健食品，滿足時(shí)代之需求。如今，我國(guó)很多領(lǐng)域已廣泛地使用乳酸菌，但還是有很多地方有待改進(jìn)。無(wú)論乳酸菌發(fā)酵食品的類別、功能還是機(jī)理研究上，相比發(fā)達(dá)國(guó)家均有很大的距離。不少乳酸菌發(fā)酵制品尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，需利用乳酸菌發(fā)酵最大的優(yōu)勢(shì)，推出其他的新品種，并投放到市場(chǎng)中。正因?yàn)榇?，在未?lái)的食品工業(yè)中，乳酸菌是一類前途明朗的微生物。伴隨人類對(duì)生長(zhǎng)規(guī)律以及作用機(jī)理的深度探索，乳酸菌的用途也會(huì)得以擴(kuò)大，對(duì)豐富食品有很大的幫助。3結(jié)語(yǔ)伴隨人類對(duì)乳酸菌生理特性、功能的認(rèn)知，加上分子生物技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng)新，集多類有益基因的乳酸菌以及工程菌菌株有望在不久的將來(lái)出現(xiàn)，為人類創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及生態(tài)效益。21世紀(jì)，必將迎來(lái)乳酸菌的輝煌時(shí)期。
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作者:王怡明 單位:天津科技大學(xué)濱海校區(qū)