乳酸菌及生物工程研究新进展

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摘要:乳酸菌作为发酵糖类的核心产物,是一类无芽孢、革兰染色细菌之统称。一切从葡萄糖或是乳糖发酵中得到的乳酸细菌,均被叫作乳酸菌。作为的一种益生菌,乳酸菌可以调节胃肠道菌群、维持微生态平衡,促进食物消化和增加生物价,减少血清胆固醇和内毒素,防止菌在肠道中过肆地繁殖,对营养状态、细胞感染、毒性、免疫反应均有较大的作用,同时还能延缓肿瘤形成、遏制应急反应。体外研究表明,利用细胞的pH环境条件,乳酸菌能够吸收机体中的基因毒性、致癌原。本文介绍了乳酸的生理特性、功能,综述了其研究新进展,并对未来的发展前景做出展望。

乳酸菌有助于蛋白质、铁等多类营养物质的快速吸收,诱导肠道益生菌的生长,防止有害菌的增殖,提高免疫力和抵抗力,达到美容养颜、预防肠癌、保护肝脏之目的。伴随生物工程学技术的进步,应用于食品、医药这些板块中的乳酸菌类型日渐增多。由于乳酸菌菌株独特的生理功能,它不仅是干酪或是酸制奶油常见的发酵剂,而且还是泡菜、酱油酿造必要的发酵素,能够改善机体的肠道菌群。探索乳酸菌及其生物工程的最新进展,对乳酸菌在现代工业中的深度应用有较大的推动作用。

1.1常见乳酸菌的分类人类首次从牛奶中成功分离得到了乳酸菌,通过对8种以上的食物、发酵产品进行检测后得知,乳酸菌的种类十分多,分布较广。适合乳酸发酵的基本上是细菌,部分球菌或是杆菌。通常,它们无法运动,以单糖(果糖或是半乳糖)、双糖(如蔗糖、乳糖)为重要基质,并产生一种核心的代谢产物———乳酸。部分乳酸菌,是典型的厌氧微生物,在无氧的情况下可以产能。而有无氧的情况下,可以进行乳酸发酵[1]。在自然界中,已知的均属在细菌分类学上不低于18个,其有关属相对要更多。该类属指的是:乳酸杆菌属(Lactobacillus)、气球菌属(Aerococcus)、漫游球菌属(Vagococcus)、利斯特氏菌属(Listeria)、环丝菌属(Brochothrix)、芽孢乳杆菌属(Sporolactobacilus)、丹毒丝菌属(Erysipelothrix)以及糖球菌属(Saccharococcus)等。典型的球形乳酸菌大致有:链球菌属,多源自动物或是动物性制品;明串珠菌属,源自植物体或是相关制品。目前,已将乳酸菌用于膳食,以补充Vk2或是甲基萘醌类物质;而片球菌属,还有一种说法是足球菌,多源自植物或是相关制品。一般的杆形乳酸菌,均归为乳杆菌属,大概有20种。对乳杆菌属来说,它是一种无芽孢杆菌,形状类似杆状,稍弯曲。微需氧,在厌氧环境下可以得到更茁壮的生长。最佳的生长温度30℃~40℃,最佳pH值5.5~6.2。不过,当pH=3.5时,它还是可以生长,我们在一些动、植物身上都可以发现。经乳酸发酵,乳酸菌可以对糖类进行分解,得到乳酸。从生化机制上讲,发酵有2类:若乳酸(≥80%),叫正型乳酸发酵,例如乳酸链球菌(Streptoeoccuslactis)、干酪乳杆菌(Lactobacilluscasei)。该过程也是经双磷酸己糖途径。在2次磷酸化后,得到l-6二磷酸果糖;在经过经醛缩酶分解,得到2个重要的三碳化合物,再次经脱氢氧化,产生一种二分子丙酮酸,在接受氢的情况下将其还原为乳酸。在发酵产物中,如果还掺杂乙酸、二氧化碳、H2,则叫做异型乳酸发酵,如乳酸杆菌(Lactobacillus)就是很好的代表。对葡萄糖来说,经单磷酸己糖途径可以转为一种6-磷酸葡萄糖酸,经脱羧再次得到5-磷酸木酮糖,在裂解作用下产生3-磷酸醛以及乙酰磷酸;在丙酮酸的参与下,3-磷酸醛得以转化成为乳酸;乙酰磷酸最终接受氢并且还原得到乙醇[2]。

乳酸菌都可以归为乳酸菌科(Lactobacteriaceae)。形态方面,这些细菌有很大的差别,有些是长杆或是短杆状,有些则是圆形;各个种类均为革兰阳性菌,很少产生芽孢,一般不运动,是典型的专性发酵菌。在空气或是氧气环境下,乳酸菌可以自由地生长。尽管它们属于厌氧菌,但还是有较强的耐氧能力。对乳酸菌而言,其生长离不开辅助因子,很多均要利用核黄素、泛酸、叶酸或是生物素等维生素,以及氨基酸、嘧啶等。同时,乳酸菌中的多数微生物均缺乏自身的利用能力,以裂殖为主,表现出不同的生活特点。一是乳酸菌本身有很强的抗酸能力,在部分含糖较多的食物中,尽管其他菌类也可以生长,但由于乳酸菌会持续地释放乳酸,其生长环境也会酸性,并灭杀不耐酸的其他细菌。二是很多乳酸菌都表现较高的抗盐性,在NaCl浓度≥5%的环境中能够存活下来。如部分腌制品中,一些抗盐性很低的有害菌无法存活,只有乳酸菌才可以,并增加食物的风味。需要指出的一点,一般的乳酸菌均未包含细胞色素氧化酶。因此,硝酸盐几乎很难还原成为亚硝酸盐。正因为此,各乳制品或是腌制品中由于乳酸菌代谢而释放出亚硝酸盐的概率非常小,对健康也并无很大的坏处。乳酸菌并无任何的氨基酸脱羧酶,很少分泌胺类物质,也没有吲哚、H2S。所以,食物中掺杂乳酸菌是不会或有其他异味的。此外,乳酸菌还可以影响和调节机体中的肠道菌群。在肠道中,可以拮抗其他微生物,如释放出有机酸、乳酸,减小氧化还原电位与pH值,防止外袭菌的定植;释放出过氧化氢;抢夺营养;分解成抗菌性代谢物。很明显,乳酸菌能够刺激和诱导分泌型IgA的繁殖,促进干扰素-Υ的产生,同时还能激活各大免疫细胞。

2.1.1电穿孔法。伴随生物工程技术的诞生,该法才得以使用。如今,其发展日渐完善,可以改良乳酸菌特性,优化菌种品质。该技术的核心在于微生物、菌杆相互的转化,要保持一种很高的电转化效率。在很多生产领域,该方法均已得到使用。2.1.2原生质体融合法。使优质的菌株能够和关联性较高的菌株进行结合,提高乳酸菌菌种培育的概率,保证菌种质量。除上述外,该技术还能够使乳制品具备更强的发酵能力,促进基因重组,某种程度上拓展了乳酸菌在使用时的范畴。2.1.3基因送递系统。将它用于基因重组,是最新的进展,也是乳酸菌今后的发展方向。该系统在使用时,要注意安全,生产各类食品,也要结合食品的性质来选择恰当的应用方案,确保食品的安全性。2.1.4接合技术。在遗传、生化方面有很高的价值。拿乳球菌来说,生产中会产生不少和乳球菌挂钩的产品,如乳糖或是细菌素。接合技术可以挣脱DNA重组的桎梏,建立优良乳酸菌。据报道,乳糖发酵或是细菌素产生时都会有这种接合的情况。利用接合技术,能够生产很多的乳酸,促进基因的转移。生产中,生物工程有多种不同的方法。拿奶制品来说,如果发酵奶制品的口味不好,很难真正吸引到市面上的消费者。该情况下,企业业绩滑坡、利润少,在发酵时借助生物工程技术就能够干预,抑制噬菌体过多地吸附菌种,使奶制品保持良好的风味。如干酪,它的时间相对较长,在成熟期,冷藏干预可能会扩大生产成本。为了确保成熟,需要节约成本,选用适当的方法来加快成熟。生物工程技术,即在干酪中掺加一定的蛋白酶,利用霉菌作用来促进成熟,提高菌种自身的抗噬能力,避免受污染和影响干酪品质。

2.2.1细菌素本质上,乳酸菌细菌素可以归为蛋白质,易于降解,有较好的抑菌效果。除上述外,还可用于防腐剂,如nisin、microgard。nisin是乳酸亚种释放出来的肽,可以抑制革兰氏阳性菌和部分革兰氏阴性菌。20世纪中叶,乳制品或是罐头食品中都用到了乳酸菌,现国家已批准将nisin使用于干酪抗菌。研究认为,除用于防腐剂外,nisin还可以对牛乳房炎进行治疗。针对革兰氏阴性菌,microgar有不错的抑制效果。受定点突变的影响,细菌素抑菌谱可以得到延展。如今,nisin已基本做到克隆和测序。不少细菌素,在质粒或是座子上已基本定位,为转移提供诸多的便利。结合技术可以构建快产酸活力,并产生乳酸乳球菌亚种。将它作为发酵剂,有助于增加产品的安全系数,并保证产品质量。2.2.2异源性蛋白质。易源性蛋白质技术,是一项重要的生物工程技术,将易源性DNA用于,能够使机体表达出易源性蛋白质。微生物在结构上比较简单,很少引起排斥。在发酵期间,借助该技术有助于增加易源性蛋白质表达,得到更多的目标蛋白质。此外,还能改进乳制品质量。2.2.3特殊酶乳酸菌。乳酸菌有很高的生产效益,其价值十分突出:(1)产生乳酸菌的全部酶系。(2)乳酸菌能够生成特殊酶系,如有机酸、分解脂肪以及降胆固醇酶系。酶除了加速乳酸菌发酵外,还能保持体内的肠道清洁,维护健康。双歧因子,是一种十分特殊的乳酸菌,能够产生双歧杆菌。区别于一般的常规乳酸菌,它的特点之处在于生成特殊酶。如生成果糖-6-磷酸酮酶,并在葡萄糖中进行使用。有研究称,现已找到加速N-末端氨基酸分解的一类乳酸菌,借助生物工程技术可以将这种乳酸菌运用于食品生产,加速成熟。同时,还可以减小食品里面的胆固醇含量[3]。2.2.4耐氧性乳酸菌。乳酸菌多为厌氧菌,或是兼性厌氧菌,在少氧、厌氧环境下可以生长。如双歧杆菌,要在完全厌氧环境下才可以生长,这就给实验、生产带来很大的困难。利用生化、遗传分析,可以找到乳酸菌机理,提高它的耐氧性。以分子为视角,厌氧菌、兼性厌氧菌多是按照菌对氧的反应度进行分类。以遗传、生化为视角,由于活性相对偏小,有些厌氧菌在短期内可以处于一种含氧环境。有研究者选取了20多种微生物,对超氧化物、过氧化氢酶进行研究,并测定二者的含量。从中得知:有8种微生物中同时包括2种酶,在氧气状态下,该类酶可以很好地抵抗毒害。通过对10种厌氧菌进行检测,得知歧化酶活性并不高,甚至很难测定[4],另外,它的抗毒害性也不高。上述研究表明,将生物工程技术运用到歧化酶生产中,可以提高它的耐氧性。目前,该技术已生成耐氧性相对较高的乳酸菌。2.2.5食用性乳酸菌。乳酸菌中分布着较多的可食用物质,如乳酸、丙酮还有丁二酮。拿酸奶来说,酸奶的风味多源自乙醛。但是,乙醛则源于乳酸菌。正因为此,不同乳酸菌也会生成不一样的乙醛。利用生物工程技术,要想生成最佳的乙醛,即优先考虑保加利亚乳酸菌。该乳酸菌可以脱氢酶,并且积累乙醛。同时,利用氨基酸代谢法还能生成乙醛。如苏氨酸酶,经分解可以得到乙醛、氨酸。对于该反应,有人提议在奶制品中添加适量的苏氨酸,使其充满芳香风味。如丁二酮、发酵黄油在味道方面有很大的相关,能够将柠檬酸转化为丁二酮。除上述外,乳酸菌黏性也很关键。根据现有研究,乳脂链球菌、瑞士乳酸菌都可以提高黏性。2.2.6定植性乳酸菌。黏附,是定植的基础和前提。以黏附为前提,乳酸菌可以在肠道中得到定植。定植有助于提高微生物在的繁殖能力,以更好地抵抗致病菌。乳酸菌作为增强定植的生物群,有人也将其称作定植抗力因子。在黏附素的作用下,乳酸菌能够和肠道中分布的黏膜细胞进行结合,并在表面完成定植,产生一种屏障。如果该屏障遭受抗生素的威胁,机体也将丧失抵抗病菌的能力,甚至形成耐药。该情况下,肠道内部也会失去原有的平衡。利用乳酸菌,有助于恢复肠道平衡,达到治愈之目的。易位被认为是细菌及其产物,如内毒素可以从指肠腔内转向于外部,易位来自机体的肠道或是呼吸道。该类部位的细菌很少会转移至外部,由于数量不多,在免疫机制下几乎很难得到转移。如果转移量太大,则周边组织也会受损。由于定植能力下降,一些阴性菌将会入侵到机体的肠道中,繁殖并且传播,造成感染。有学者认为,乳酸菌可以带来如下益处:一是减少致病菌的入侵;二是提供肠道营养方面的支撑,使肠道屏障得到尽快的修复;三是增强机体对细胞的吞噬活力,以更好地抵抗病菌;四是减少致病菌的繁殖[5]。

现代社会,保健食品已成为潮流。除了要具备食品的色、香、味,还应当对生理功能进行调节。从发酵食品的属性分析,它是典型的营养保健食品,满足时代之需求。如今,我国很多领域已广泛地使用乳酸菌,但还是有很多地方有待改进。无论乳酸菌发酵食品的类别、功能还是机理研究上,相比发达国家均有很大的距离。不少乳酸菌发酵制品尚未实现工业化生产,需利用乳酸菌发酵最大的优势,推出其他的新品种,并投放到市场中。正因为此,在未来的食品工业中,乳酸菌是一类前途明朗的微生物。伴随人类对生长规律以及作用机理的深度探索,乳酸菌的用途也会得以扩大,对丰富食品有很大的帮助。3结语伴随人类对乳酸菌生理特性、功能的认知,加上分子生物技术的进步与创新,集多类有益基因的乳酸菌以及工程菌菌株有望在不久的将来出现,为人类创造可观的经济、社会以及生态效益。21世纪,必将迎来乳酸菌的辉煌时期。

[1]隋晓峰.保加利亚乳杆菌的高密度培养及大豆发酵饮料的研制[D].中国海洋大学,2017.

[2]石宁.地衣芽孢杆菌和低聚木糖及乳酸对肉鸡肠绒组织及肠道菌群的影响[D].河南工业大学,2016.

[3]闫波,刘宁.乳酸菌及其在食品工业中的应用与展望[J].食品研究与开发,2004,8,25(4):22-25.

[4]刘屹峰.乳酸菌的生理特性和生物学功能[J].丹东纺专学报,2012,6,9(2):6-7.

[5]余焕玲,晏萍.乳酸菌的生理功能及在食品中的应用[J].饮料工业,2000,3(4):10-13.

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