乳酸菌的研究現狀及其應用
發布時間：2013-11-25
乳酸菌是發酵糖類主要產物為乳酸的一類無芽孢、革蘭染色陽性細菌的總稱。凡是能從葡萄糖或乳糖的發酵過程中產生乳酸的細菌統稱為乳酸菌。乳酸菌是一種存在于人類體內的益生菌，它能夠調節機體胃腸道正常菌群、保持微生態平衡，提高食物消化率和生物價，降低血清膽固醇，控制內毒素，抑制腸道內腐敗菌生長繁殖和腐敗產物的產生，制造營養物質，刺激組織發育，從而對機體的營養狀態、生理功能、細胞感染、藥物效應、毒性反應、免疫反應、腫瘤發生、衰老過程和突然的應急反應等產生作用。而在體外研究中發現，依靠細胞的應急和pH環境條件，乳酸菌可以吸收基因毒性和致癌原。綜述了乳酸菌的生理特性、生物學功能及其在工業中的應用，并對其研究進展及發展前景進行了展望。
關鍵詞：乳酸菌；生理功能；乳酸鏈球菌素；乳酸菌胞外多糖
中圖分類號：TS252.1文獻標志碼：A文章編號：1005-9989(2012)09-0025-05
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
乳酸菌第1次是從牛奶中分離出來的，現常在一些食物和發酵產品中發現，在自然界中種類繁多，分布極廣，其中能進行乳酸發酵的大部分是細菌，有些為球菌、有些為桿菌，一般都不會運動，它們以單糖(葡萄糖、果糖、半乳糖)、雙糖(蔗糖、麥芽糖、乳糖)為基質，代謝產物主要是乳酸，有些乳酸菌屬耐氣性厭氧微生物，它們的產能雖不需氧，但在有無氧的條件下都能進行典型的乳酸發酵[1]。
目前自然界已發現的這類菌在細菌分類學上劃分至少有18個屬，涉及到的有關屬則更多。這些屬包括：乳酸桿菌屬(Lactobacillus)、肉食桿菌屬(Carnobacterium)、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、鏈球菌屬(Streptococcus)、腸球菌屬(Enterococcus)、乳球菌屬(Lactococcus)、明串珠球菌(Leuconostoc)、片球菌屬(Pediococcus)、氣球菌屬(Aerococcus)、奇異菌屬(Atopobium)、漫游球菌屬(Vagococcus)、利斯特氏菌屬(Listeria)、芽孢乳桿菌屬(Sporolactobacilus)、芽孢桿菌屬(Bacillus)的少數種、環絲菌屬(Brochothrix)、丹毒絲菌屬(Erysipelothrix)、孿生菌屬(Gemella)和糖球菌屬(Saccharococcus)等[2]。常見的球形乳酸菌主要有：鏈球菌屬，多見于動物及動物性制品上[3]；明串珠菌屬，多見于植物體及植物制品之上?，F已實現用其進行膳食補充Vk2及甲基萘醌類物質[4]；片球菌屬，又稱足球菌，多數生活在植物及其制品上[5]。常見的桿形乳酸菌是乳桿菌屬，約有20多種。乳桿菌屬多為桿狀、直形或稍彎曲的無芽孢桿菌。微需氧，但在厭氧環境下生長更好。最適合生長的溫度為30~40℃，最適合生長的pH值為5.5~6.2，但在pH3.5時仍然生長，動、植物及其制品上均可找到它們。
乳酸菌經乳酸發酵的方式將糖類分解為乳酸。從其生化機制來看，乳酸發酵分為2大類型：若發酵產物中只有乳酸(達到80%以上)，稱為正型乳酸發酵，如乳酸鏈球菌(Streptoeoccuslactis)、乳酪鏈球菌(Streptococcuscremoris)、干酪乳桿菌(Lactobacilluscasei)等。整個過程是葡萄糖經雙磷酸已糖途徑，經2次磷酸化后形成l-6二磷酸果糖再經醛縮酶分解成2個三碳化合物，然后脫氫氧化成為二分子丙酮酸，最后丙酮酸接受氫還原成乳酸。若發酵產物中除乳酸之外還有乙酸、乙醇、二氧化碳、H2，稱為異型乳酸發酵，如明串珠菌(Leuconostoc)、乳酸桿菌(Lactobacillus)等。葡萄糖經單磷酸己糖途徑形成6-磷酸葡萄糖酸，然后脫羧形成5-磷酸木酮糖，再裂解成3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸；3-磷酸甘油醛經丙酮酸轉化為乳酸；而乙酰磷酸接受氫還原成為乙醇。
1.2乳酸菌的生理特性及生物學功能
乳酸菌均歸類于乳酸菌科(Lactobac-teriaceae)。這些細菌形態上差異頗大，既有長桿狀或短桿狀的，又有圓形的；所有種類都是革蘭陽性菌，不形成芽孢，大多不會運動，都屬于專性發酵菌。乳酸菌能夠在空氣或氧氣下生長，雖然它們是厭氧菌，但具有一定的耐氧能力[6]。乳酸菌的生長需要輔助因子，他們大多需要某些維生素(核黃紊、硫胺素、泛酸、煙酸、葉酸、生物素)、氨基酸、嘌呤和嘧啶，且乳酸菌具有大部分微生物所沒有的利用乳糖的能力，生殖方式為裂殖[7]，并具有一些特殊的生活特點。一方面，乳酸菌具有強抗酸能力，例如在一些含糖豐富的食物制作過程中，雖然其他很多的菌類也能生長，但因乳酸菌不斷地產生乳酸，可使得環境變酸而殺死多種不耐酸的細菌。另一方面，大部分乳酸菌具有很強的抗鹽性，能夠在5%以上NaCl濃度的環境中生存。例如在某些腌制品中，其他不抗鹽的有害菌不能生存而獨有乳酸菌能正常生長，可增加食物的風味。值得一提的是常見的乳酸菌都不具有細胞色素氧化酶，所以不大會使硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，因而各種乳制品、腌制品中因乳酸菌代謝產生亞硝酸鹽的可能性極小，這對于保護人體健康是非常有利的。乳酸菌也不具有氨基酸脫羧酶，不產生胺類物質，也不產生吲哚和H2S，因而乳酸菌不會使食物發生腐敗及產生異味。
乳酸菌對腸道內菌群的組成具有非常重要的影響，他們在腸道中對其他微生物具有拮抗作用，例如：產生有機酸、揮發性脂肪酸、乳酸，可降低生境內氧化還原電位和pH值，抑制外襲菌的生長和定植；產生過氧化氫；爭奪營養；產生抗菌性代謝產物[8]。乳酸菌可以刺激分泌型IgA的產生，并且增加干擾素-Υ的生成，而且乳酸菌還可以激活特異性和非特異性的免疫細胞，但只是部分特定的乳酸菌，這主要視細胞壁的組成而定[9]。相關報道指出，乳酸菌具有可以抑制植物病原體和真菌的作用[10]。
2·乳酸菌的應用
乳酸菌與人類的關系十分密切，它的應用歷史悠久，遠在古代，人類就巳經在釀造和食品加工等方面不自覺地啟用了乳酸菌。隨著科學技術的不斷發展，人類對乳酸菌進行了深入地研究，但是人類能動地研究和利用乳酸菌還是近半個世紀以來的事。為了擴大人類食物的來源，豐富食品種類，提高食品的營養價值，在乳酸菌的應用方面開辟了許多新的應用領域，特別是在食品工業方面，乳酸菌得到了非常廣泛的應用。
2.1乳酸菌在食品工業中的應用
2.1.1改善食品風味
乳酸菌生成的乳酸和醋酸等可與酵母產生的醇類酯化，形成酯類香味物質。例如利用明串珠菌屬和乳桿菌屬的部分乳酸菌進行乳酸發酵，它們能轉化糖生成雙乙酰、乙酰甲基原醇和3-羥基丁酮等芳香成分；此外，有的乳酸菌可將蛋白質分解成肽和氨基酸，這些分解產物可使食品具有豐富而獨特的風味。乳酸菌還能降解某些原料的異昧，如保加利亞乳桿菌在發酵牛奶時，可以除去牛奶的生臭味，并產生微弱的香味，同時，乳中的低聚糖還會在人體腸道內產生一股難聞的怪味，但經嗜熱鏈球菌或保加利亞乳桿菌發酵后，則生成無臭且可口的酸乳酪[11]。
2.1.2保健作用
微生物的平衡是腸道內維持動態平衡的重要因素之一，并且像酸奶酪和酸奶的補充已經被證實可以控制腹瀉。大量動物模型研究和臨床試驗證明發酵產品可以改善乳糖不耐癥、治療病毒性腹瀉或者與抗生素相關的腹瀉，而在這些微生物中，乳酸菌的治療效果是其他微生物的幾倍。乳酸飲料對許多致病菌和腐敗性腸內菌顯示出異常的阻礙作用，使腸內維持一定的生理狀態。乳酸菌進入腸道后迅速生長代謝，產生的乳酸、二氧化碳使腸內pH值迅速降低，抑制了一些腐敗菌、致病菌生長。同時，乳鏈球菌產生的多肽抗菌素-乳酸鏈球菌素(Nisin)能抑制革蘭陽性微生物的生長。
日本最初將酸乳稱為凝乳，1894年(明治27年)就將酸乳作為調整胃腸功能的藥物出售，我國現也有用于腸胃功能失調、助消化的藥如乳酶生、乳酸菌素片、促菌生等。最新資料報導：乳酸菌有分解腸道內亞硝酸鹽的作用，與降低腫瘤的發病率有關[12]。而且，細菌的乳糖分解酵素可以改善乳糖的吸收，而發酵產品可以降低其在小腸內的運輸，提高剩余乳糖分解酵素功能的發揮。利用這一特點，目前已經實現使用乳酸菌生產通過黏膜途徑傳送的疫苗，這將比一些內吸收的接種疫苗更高效更方便[13]。
2.1.3提高食品的保藏性能
在食品的乳酸菌發酵過程中，乳酸菌能轉化糖生成乳酸、醋酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸及醇類，這些物質能抑制有害菌的繁殖，同時某些乳酸菌還能產生乳鏈球菌素(Nisin)、過氧化氫等抗性物質。
2.1.4提高營養價值
鮮奶、蔬菜汁等經乳酸發酵，可增加食品中的乳酸、醋酸等有機酸及氨基酸等營養成分，大大提高其營養價值，且易被人體消化吸收，更益于老人及兒童食用。
2.2乳酸菌生成物的利用
2.2.1乳酸鏈球菌素(Nisin)
乳酸鏈球菌素(Nisin)是一種含有34種氨基酸的多肽，并且其在酸性pH條件下非常耐熱。Nisin是一個疏水化合物，并且具有一些非常重要的特性，可作為無毒，熱穩定性強，并且具有高貯藏穩定性的食品防腐劑，能被消化酶分解[14]。
Nisin在傳統上是用來防止干酪由脹氣引起的質量缺陷，也被用來抑制Camembert干酪中部分致病菌如Listeriamonocytogenesis的生長。在生產干酪時，向生奶中接入能產生Nisin的乳酸菌已被證明是一種有效地促進干酪中發酵劑菌體裂解的方法，從而有利于干酪特殊風味的形成[15]。
Nisin是迄今為止這些細菌素中唯一被用于食品防腐保鮮的品種，作為一種安全無毒的生物防腐劑，目前被美國、歐盟在內的50多個國家用于食品保鮮劑。Nisin是由Lactococcuslactissubsp.lactis產生的一種多肽類細菌素，因為含有多種脫水或羊毛硫氨基酸殘基而對革蘭陽性菌具有強烈的殺菌作用，如葡萄球菌、腸球菌、片球菌、明串球菌、李斯特菌，尤其是形成芽孢的細菌，如芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌有很強的抑制作用[16]。由于細菌的芽孢能耐受巴氏消毒和部分商業無菌處理措施，而Nisin能抑制芽孢的萌發，因此，Nisin被廣泛用于熱處理食品的防腐。
2.2.2乳酸菌胞外多糖
近10多年來的研究發現，具有一定生物學活性的多糖在生物體內不僅作為能量資源或結構材料，更重要的是參與了生命現象中細胞的各種活動，具有多種生物學功能。研究表明，活性多糖除了具有抗病毒、抗衰老、降血糖、刺激造血等作用外，還有免疫調節與抗腫瘤的生物學功效。其中，來源于乳酸菌的胞外多糖加入到食品中后可以起到增稠、穩定作用，充當乳化劑、凝膠劑并增加與水的結合能力[17]。由于對機體無毒副作用、來源安全可靠等優點，逐漸被人們所關注。
乳酸菌胞外多糖(LABEPS)是乳酸菌在生長代謝過程中分泌到細胞壁外的黏液多糖或莢膜多糖。生產EPS的菌株在瓊脂平板上的菌落表面可以拉出絲來，即形成所謂黏液性菌落(Mucoidcolony)，如在液體培養中可使培養液黏度增高，表示其具有生成EPS的能力。葡聚糖是由腸膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)的葡聚糖蔗糖酶通過生物合成而產生的EPS，它具有多種生理活性，如抗腫瘤活性[18]。目前研究發現，多糖發揮抗腫瘤作用的機制是多途徑的。其一，增強宿主免疫功能而發揮抗腫瘤作用，多糖通過激活巨噬細胞、網狀內皮系統、T淋巴細胞和B淋巴細胞、補體及促進干擾素(INF)、白細胞介素等多種細胞因子的生成等途徑而對機體免疫功能產生影響。其二，某些多糖具有細胞毒性，可直接殺死腫瘤細胞，如牛膝多糖、茯苓多糖、刺五加多糖、銀耳多糖、香菇多糖和蕓芝多糖等。其三，就是促腫瘤細胞凋亡的作用。凋亡異常是腫瘤發生發展的一個重要因素，在惡性腫瘤中，細胞凋亡比例明顯降低。有些多糖可以誘導腫瘤細胞凋亡比例增加，從而抑制腫瘤的發生發展，且多糖還可以通過抑制腫瘤細胞周期，影響血液供應等起到抗腫瘤作用[19]。此外，乳酸菌多糖還能產生細胞膜接觸抑制作用。腫瘤細胞表面具有很強的負電荷，而有些多糖可以結合這些電荷，使細胞表面被“中和”，從而有利于細胞接受信號終止分裂[20]。隨著生物技術的發展，乳酸菌胞外多糖在醫療、化妝品、細胞和酶技術等方面具有非常高的潛在開發價值。
3·乳酸菌的研究進展
3.1濃縮乳酸菌發酵劑
發酵劑制備對于乳酸菌發酵制品是非常重要的。傳統的乳酸菌發酵劑生產利用原始菌種進行活化復壯，再進行擴大培養而成，制備過程比較復雜，且容易造成污染，菌種質量不易控制。特別是中小型發酵乳制品廠，因生產條件簡陋、技術人員不足、生產批量小等原因，采用傳統的菌種生產工藝，菌種質量得不到保證，而且生產成本較高。隨著科學技術的發展，直接使用超濃縮型乳酸菌發酵劑(LyophilizedLacticStarterConcentrates)應運而生，由于該種發酵劑活力強、用量少、污染低、品種多，便于運輸、保藏，使用方便，在歐美等發達國家已經得到廣泛應用，特別是中小乳制品生產企業。濃縮發酵劑可直接用于制備生產發酵劑或發酵乳制品生產的接種，簡化了發酵乳制品的生產工藝，穩定產品質量，目前在酸奶、干酪等生產領域廣泛應用。
3.2乳酸菌的自溶
乳酸菌自溶的生物學機制已經成為目前的研究熱點。乳酸菌細胞中的N-乙?；?溶菌酶作用于細胞壁多糖，并允許更多的基質分子插入其中，然后形成新的細胞。細胞壁的破壞不會影響整個結構的，只位于水解酶存在的局部位置，最后細胞壁上分布的小孔越來越多，最后成為一些大的碎片，細胞失去它們特有的外觀。乳酸菌的自溶只涉及細胞壁，而細胞內的水解酶是不變的，當細胞降解后這些酶將釋放到基質中并繼續發揮其生物活性，這對發酵產業非常有益。
3.3乳酸菌的固定化
乳酸菌是食品工業中的重要菌種，篩選開發優良乳酸菌必須具備的幾個標準：(1)必須有好的宿主來源，能刺激宿主本身固有益生菌的生長，本身及其代謝產物能夠為宿主提供有益于健康的功能。(2)要有一定的生活力和足夠的濃度。在使用和貯備期間，能夠繼續穩定地維持其活性。(3)必須具有黏附或生長在胃腸黏膜上的能力，能夠在胃腸道內微生態環境中定植。(4)必須在宿主內主動爭奪營養。(5)要有比較高的蛋白水解酶和β-半乳糖苷酶的活性。
酸乳是現在比較流行的活菌保健飲品，但在酸乳生產過程中，乳酸菌的活化、擴培很繁瑣，且菌種易退化。目前研究的乳酸菌固定化，可使菌種長期保存不降低活力，并可重復使用，且不易污染，既經濟又方便。早期的固定化主要是使用海藻酸鈉當壁材，方法簡單易制備，適合工業化生產，但營養價值大打折扣，現多采用蛋白質進行包埋，例如乳清分離蛋白，含多種營養物質，且包埋率較高，既可以保護菌體，又能達到定位釋放的效果，進而可以使乳酸菌以較高的活菌數到達下消化道，充分發揮其益生功能。
3.4乳酸菌基因組學的研究
隨著乳酸菌在食品工業、保健品及醫藥業的廣泛應用，乳酸菌的基因組學研究也在不斷深入。目前對于乳酸菌全基因組的研究表明，由于對豐富的營養環境更易適應，促進了一些菌種基因組的簡化和退化，因此很多乳酸菌的生物合成能力大大的下降了。廣大學者正致力于通過對乳酸菌基因組學的研究及基因工程技術的應用，改良現有的乳酸菌菌種，從而選育出集多種優勢基因的對社會帶來更大效益的乳酸菌新菌種。
近年來，隨著乳酸菌分子生物學的重大發展，加之乳酸菌的模式菌乳酸乳球菌(Lactococcuslactis)的完整基因組已經測序完成，這為乳酸菌基因工程的發展和表達載體的構建奠定了堅實的基礎，也為其在食品、醫藥工程及其改良方面的應用提供了可能，人們希望通過微生物的自發突變或隨機突變可以產生更多安全的對產品對人類都有益的物質，因此乳酸菌食品級表達系統的構建及應用已成為該領域研究的前沿和熱點。
4·乳酸菌的應用展望
當今世界食品發展的潮流是保健食品。即不僅要具有一般食品的色、香、味，而且還需具有調節人體生理功能的作用。從乳酸菌發酵食品的特性來看，它屬于營養保健食品，符合時代要求。
目前，國內對乳酸菌的應用已較全面和廣泛，但仍存在有待發展的地方。例如，無論從乳酸菌發酵食品的種類和產量上，還是從乳酸菌發酵食品的功能和機理的研究上，與發達國家相比還有一定的差距，許多乳酸菌發酵制品還沒有形成工業化生產，應最大程度利用乳酸菌發酵產品的優勢，研究開發更多的新型品種，使之投放市場。因此，乳酸菌是食品工業中很有前途的微生物，隨著人們對其生長規律和作用機理的深入了解，乳酸菌的用途必將大大地拓展，必將為豐富人類食品發揮其更大的作用。
