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乳酸菌及其生物工程研究新进展

时间：2022-12-19 18:03 所属分类：理工论文 点击次数：

　　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。作为人体的一种益生菌，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，防止腐败菌在人体肠道中过肆地繁殖，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。

　　关键词: 乳酸菌; 生物工程; 研究进展

　　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，提高人体 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 乳酸菌的生理特性和生物学功能

　　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( Streptoeoccus lactis) 、干酪乳杆 菌( Lactobacillus casei) 。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-磷酸甘油醛以及乙酰磷酸; 在丙酮酸的参与下，3-磷 酸甘油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]。

　　1. 2 乳酸菌的生理特性及生物学功能

　　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，对人体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、H2 S。所 以，食物中掺杂乳酸菌是不会腐败或有其他异味的。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 乳酸菌及其生物工程研究新进展

　　2. 1 技术研究

　　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 应用研究

　　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 用于人体，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人体 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]。

　　3 乳酸菌的应用展望

　　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。

　　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。

　　参考文献:

　　[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.