乳酸菌及生物工程研究新進展
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摘要:乳酸菌作為發酵糖類的核心產物，是一類無芽孢、革蘭染色細菌之統稱。一切從葡萄糖或是乳糖發酵中得到的乳酸細菌，均被叫作乳酸菌。作為人體的一種益生菌，乳酸菌可以調節胃腸道菌群、維持微生態平衡，促進食物消化和增加生物價，減少血清膽固醇和內毒素，防止腐敗菌在人體腸道中過肆地繁殖，對營養狀態、細胞感染、毒性、免疫反應均有較大的作用，同時還能延緩腫瘤形成、遏制應急反應。體外研究表明，利用細胞的pH環境條件，乳酸菌能夠吸收機體中的基因毒性、致癌原。本文介紹了乳酸的生理特性、功能，綜述了其研究新進展，并對未來的發展前景做出展望。
乳酸菌有助于蛋白質、鐵等多類營養物質的快速吸收，誘導腸道益生菌的生長，防止有害菌的增殖，提高人體免疫力和抵抗力，達到美容養顏、預防腸癌、保護肝臟之目的。伴隨生物工程學技術的進步，應用于食品、醫藥這些板塊中的乳酸菌類型日漸增多。由于乳酸菌菌株獨特的生理功能，它不僅是干酪或是酸制奶油常見的發酵劑，而且還是泡菜、醬油釀造必要的發酵素，能夠改善機體的腸道菌群。探索乳酸菌及其生物工程的最新進展，對乳酸菌在現代工業中的深度應用有較大的推動作用。
1乳酸菌的生理特性和生物學功能
1．1常見乳酸菌的分類人類首次從牛奶中成功分離得到了乳酸菌，通過對8種以上的食物、發酵產品進行檢測后得知，乳酸菌的種類十分多，分布較廣。適合乳酸發酵的基本上是細菌，部分球菌或是桿菌。通常，它們無法運動，以單糖(果糖或是半乳糖)、雙糖(如蔗糖、乳糖)為重要基質，并產生一種核心的代謝產物———乳酸。部分乳酸菌，是典型的厭氧微生物，在無氧的情況下可以產能。而有無氧的情況下，可以進行乳酸發酵［1］。在自然界中，已知的均屬在細菌分類學上不低于18個，其有關屬相對要更多。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，多源自動物或是動物性制品;明串珠菌屬，源自植物體或是相關制品。目前，已將乳酸菌用于膳食，以補充Vk2或是甲基萘醌類物質;而片球菌屬，還有一種說法是足球菌，多源自植物或是相關制品。一般的桿形乳酸菌，均歸為乳桿菌屬，大概有20種。對乳桿菌屬來說，它是一種無芽孢桿菌，形狀類似桿狀，稍彎曲。微需氧，在厭氧環境下可以得到更茁壯的生長。最佳的生長溫度30℃～40℃，最佳pH值5．5～6．2。不過，當pH=3．5時，它還是可以生長，我們在一些動、植物身上都可以發現。經乳酸發酵，乳酸菌可以對糖類進行分解，得到乳酸。從生化機制上講，發酵有2類:若乳酸(≥80%)，叫正型乳酸發酵，例如乳酸鏈球菌(Streptoeoccuslactis)、干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)。該過程也是經雙磷酸己糖途徑。在2次磷酸化后，得到l-6二磷酸果糖;在經過經醛縮酶分解，得到2個重要的三碳化合物，再次經脫氫氧化，產生一種二分子丙酮酸，在接受氫的情況下將其還原為乳酸。在發酵產物中，如果還摻雜乙酸、二氧化碳、H2，則叫做異型乳酸發酵，如乳酸桿菌(Lactobacillus)就是很好的代表。對葡萄糖來說，經單磷酸己糖途徑可以轉為一種6-磷酸葡萄糖酸，經脫羧再次得到5-磷酸木酮糖，在裂解作用下產生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功能
乳酸菌都可以歸為乳酸菌科(Lactobacteriaceae)。形態方面，這些細菌有很大的差別，有些是長桿或是短桿狀，有些則是圓形;各個種類均為革蘭陽性菌，很少產生芽孢，一般不運動，是典型的專性發酵菌。在空氣或是氧氣環境下，乳酸菌可以自由地生長。盡管它們屬于厭氧菌，但還是有較強的耐氧能力。對乳酸菌而言，其生長離不開輔助因子，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，乳酸菌中的多數微生物均缺乏自身的利用能力，以裂殖為主，表現出不同的生活特點。一是乳酸菌本身有很強的抗酸能力，在部分含糖較多的食物中，盡管其他菌類也可以生長，但由于乳酸菌會持續地釋放乳酸，其生長環境也會酸性，并滅殺不耐酸的其他細菌。二是很多乳酸菌都表現較高的抗鹽性，在NaCl濃度≥5%的環境中能夠存活下來。如部分腌制品中，一些抗鹽性很低的有害菌無法存活，只有乳酸菌才可以，并增加食物的風味。需要指出的一點，一般的乳酸菌均未包含細胞色素氧化酶。因此，硝酸鹽幾乎很難還原成為亞硝酸鹽。正因為此，各乳制品或是腌制品中由于乳酸菌代謝而釋放出亞硝酸鹽的概率非常小，對人體健康也并無很大的壞處。乳酸菌并無任何的氨基酸脫羧酶，很少分泌胺類物質，也沒有吲哚、H2S。所以，食物中摻雜乳酸菌是不會腐敗或有其他異味的。此外，乳酸菌還可以影響和調節機體中的腸道菌群。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;釋放出過氧化氫;搶奪營養;分解成抗菌性代謝物。很明顯，乳酸菌能夠刺激和誘導分泌型IgA的繁殖，促進干擾素-Υ的產生，同時還能激活各大免疫細胞。
2乳酸菌及其生物工程研究新進展
2．1技術研究
2．1．1電穿孔法。伴隨生物工程技術的誕生，該法才得以使用。如今，其發展日漸完善，可以改良乳酸菌特性，優化菌種品質。該技術的核心在于微生物、菌桿相互的轉化，要保持一種很高的電轉化效率。在很多生產領域，該方法均已得到使用。2．1．2原生質體融合法。使優質的菌株能夠和關聯性較高的菌株進行結合，提高乳酸菌菌種培育的概率，保證菌種質量。除上述外，該技術還能夠使乳制品具備更強的發酵能力，促進基因重組，某種程度上拓展了乳酸菌在使用時的范疇。2．1．3基因送遞系統。將它用于基因重組，是最新的進展，也是乳酸菌今后的發展方向。該系統在使用時，要注意安全，生產各類食品，也要結合食品的性質來選擇恰當的應用方案，確保食品的安全性。2．1．4接合技術。在遺傳、生化方面有很高的價值。拿乳球菌來說，生產中會產生不少和乳球菌掛鉤的產品，如乳糖或是細菌素。接合技術可以掙脫DNA重組的桎梏，建立優良乳酸菌。據報道，乳糖發酵或是細菌素產生時都會有這種接合的情況。利用接合技術，能夠生產很多的乳酸，促進基因的轉移。生產中，生物工程有多種不同的方法。拿奶制品來說，如果發酵奶制品的口味不好，很難真正吸引到市面上的消費者。該情況下，企業業績滑坡、利潤少，在發酵時借助生物工程技術就能夠干預，抑制噬菌體過多地吸附菌種，使奶制品保持良好的風味。如干酪，它的時間相對較長，在成熟期，冷藏干預可能會擴大生產成本。為了確保成熟，需要節約成本，選用適當的方法來加快成熟。生物工程技術，即在干酪中摻加一定的蛋白酶，利用霉菌作用來促進成熟，提高菌種自身的抗噬能力，避免受污染和影響干酪品質。
2．2應用研究
2．2．1細菌素本質上，乳酸菌細菌素可以歸為蛋白質，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的肽，可以抑制革蘭氏陽性菌和部分革蘭氏陰性菌。20世紀中葉，乳制品或是罐頭食品中都用到了乳酸菌，現國家已批準將nisin使用于干酪抗菌。研究認為，除用于防腐劑外，nisin還可以對牛乳房炎進行治療。針對革蘭氏陰性菌，microgar有不錯的抑制效果。受定點突變的影響，細菌素抑菌譜可以得到延展。如今，nisin已基本做到克隆和測序。不少細菌素，在質粒或是座子上已基本定位，為轉移提供諸多的便利。結合技術可以構建快產酸活力，并產生乳酸乳球菌亞種。將它作為發酵劑，有助于增加產品的安全系數，并保證產品質量。2．2．2異源性蛋白質。易源性蛋白質技術，是一項重要的生物工程技術，將易源性DNA用于人體，能夠使機體表達出易源性蛋白質。微生物在結構上比較簡單，很少引起排斥。在發酵期間，借助該技術有助于增加易源性蛋白質表達，得到更多的目標蛋白質。此外，還能改進乳制品質量。2．2．3特殊酶乳酸菌。乳酸菌有很高的生產效益，其價值十分突出:(1)產生乳酸菌的全部酶系。(2)乳酸菌能夠生成特殊酶系，如有機酸、分解脂肪以及降膽固醇酶系。酶除了加速乳酸菌發酵外，還能保持體內的腸道清潔，維護健康。雙歧因子，是一種十分特殊的乳酸菌，能夠產生雙歧桿菌。區別于一般的常規乳酸菌，它的特點之處在于生成特殊酶。如生成果糖-6-磷酸酮酶，并在葡萄糖中進行使用。有研究稱，現已找到加速N-末端氨基酸分解的一類乳酸菌，借助生物工程技術可以將這種乳酸菌運用于食品生產，加速成熟。同時，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、厭氧環境下可以生長。如雙歧桿菌，要在完全厭氧環境下才可以生長，這就給實驗、生產帶來很大的困難。利用生化、遺傳分析，可以找到乳酸菌機理，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氧的反應度進行分類。以遺傳、生化為視角，由于活性相對偏小，有些厭氧菌在短期內可以處于一種含氧環境。有研究者選取了20多種微生物，對超氧化物、過氧化氫酶進行研究，并測定二者的含量。從中得知:有8種微生物中同時包括2種酶，在氧氣狀態下，該類酶可以很好地抵抗毒害。通過對10種厭氧菌進行檢測，得知歧化酶活性并不高，甚至很難測定［4］，另外，它的抗毒害性也不高。上述研究表明，將生物工程技術運用到歧化酶生產中，可以提高它的耐氧性。目前，該技術已生成耐氧性相對較高的乳酸菌。2．2．5食用性乳酸菌。乳酸菌中分布著較多的可食用物質，如乳酸、丙酮還有丁二酮。拿酸奶來說，酸奶的風味多源自乙醛。但是，乙醛則源于乳酸菌。正因為此，不同乳酸菌也會生成不一樣的乙醛。利用生物工程技術，要想生成最佳的乙醛，即優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，利用氨基酸代謝法還能生成乙醛。如蘇氨酸酶，經分解可以得到乙醛、氨酸。對于該反應，有人提議在奶制品中添加適量的蘇氨酸，使其充滿芳香風味。如丁二酮、發酵黃油在味道方面有很大的相關，能夠將檸檬酸轉化為丁二酮。除上述外，乳酸菌黏性也很關鍵。根據現有研究，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胞進行結合，并在表面完成定植，產生一種屏障。如果該屏障遭受抗生素的威脅，機體也將喪失抵抗病菌的能力，甚至形成耐藥。該情況下，腸道內部也會失去原有的平衡。利用乳酸菌，有助于恢復腸道平衡，達到治愈之目的。易位被認為是細菌及其產物，如內毒素可以從指腸腔內轉向于外部，易位來自機體的腸道或是呼吸道。該類部位的細菌很少會轉移至外部，由于數量不多，在免疫機制下幾乎很難得到轉移。如果轉移量太大，則周邊組織也會受損。由于定植能力下降，一些陰性菌將會入侵到機體的腸道中，繁殖并且傳播，造成感染。有學者認為，乳酸菌可以帶來如下益處:一是減少致病菌的入侵;二是提供腸道營養方面的支撐，使腸道屏障得到盡快的修復;三是增強機體對細胞的吞噬活力，以更好地抵抗病菌;四是減少致病菌的繁殖［5］。
3乳酸菌的應用展望
現代社會，保健食品已成為潮流。除了要具備食品的色、香、味，還應當對生理功能進行調節。從發酵食品的屬性分析，它是典型的營養保健食品，滿足時代之需求。如今，我國很多領域已廣泛地使用乳酸菌，但還是有很多地方有待改進。無論乳酸菌發酵食品的類別、功能還是機理研究上，相比發達國家均有很大的距離。不少乳酸菌發酵制品尚未實現工業化生產，需利用乳酸菌發酵最大的優勢，推出其他的新品種，并投放到市場中。正因為此，在未來的食品工業中，乳酸菌是一類前途明朗的微生物。伴隨人類對生長規律以及作用機理的深度探索，乳酸菌的用途也會得以擴大，對豐富食品有很大的幫助。3結語伴隨人類對乳酸菌生理特性、功能的認知，加上分子生物技術的進步與創新，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出現，為人類創造可觀的經濟、社會以及生態效益。21世紀，必將迎來乳酸菌的輝煌時期。
參考文獻:
［1］隋曉峰．保加利亞乳桿菌的高密度培養及大豆發酵飲料的研制［D］．中國海洋大學，2017．
［2］石寧．地衣芽孢桿菌和低聚木糖及乳酸對肉雞腸絨組織及腸道菌群的影響［D］．河南工業大學，2016．
［3］閆波，劉寧．乳酸菌及其在食品工業中的應用與展望［J］．食品研究與開發，2004，8，25(4):22-25．
［4］劉屹峰．乳酸菌的生理特性和生物學功能［J］．丹東紡專學報，2012，6，9(2):6-7．
［5］余煥玲，晏萍．乳酸菌的生理功能及在食品中的應用［J］．飲料工業，2000，3(4):10-13．
作者:王怡明 單位:天津科技大學濱海校區