[科普中國(guó)]-德氏乳桿菌

發(fā)現(xiàn)及特性

德氏乳桿菌是由 Beijerinck于1901年分離得來(lái)，并用德國(guó)細(xì)菌學(xué)家M. Delbruck的名字來(lái)命名的一種革蘭氏陽(yáng)性菌。德氏乳桿菌在培養(yǎng)時(shí)對(duì)培養(yǎng)基的要求比較高，可利用乳糖、葡萄糖、果糖、甘露糖多種糖類為單一碳源，由于此菌不能合成大部分的氨基酸，所以需要從培養(yǎng)基中獲得。德氏乳桿菌在發(fā)酵工業(yè)中得以廣泛應(yīng)用，如乳制品的發(fā)酵、肉制品發(fā)酵和啤酒發(fā)酵，而德氏乳桿菌保加利亞亞種是乳制品發(fā)酵中最為常用的菌種之一，是最具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的發(fā)酵乳酸菌之一。

德氏乳桿菌保加利亞亞種與嗜熱鏈球菌在乳中共同培養(yǎng)時(shí)其產(chǎn)酸能力及菌種數(shù)量都比單獨(dú)在乳中培養(yǎng)時(shí)高，表明這兩種菌存在著協(xié)同作用。這兩種菌各自的代謝機(jī)制可利用彼此釋放的物質(zhì)滿足自己代謝的需要。嗜熱鏈球菌可以提供甲酸鹽及二氧化碳刺激保加利亞乳桿菌的生長(zhǎng)，而保加利亞乳桿菌能夠合成胞外蛋白酶降解原料中的蛋白從而為缺少該種酶的嗜熱鏈球菌提供生長(zhǎng)所需的氨基酸及小肽類物質(zhì)2。

主要亞種及特性德氏乳桿菌保加利亞亞種(Lactobacillus delbrueckii subspecies bulgaricus)通常稱其為保加利亞乳桿菌(Xactobacillm bulgaricm)是用于酸奶生產(chǎn)的主要乳酸菌菌種之一。在其它天然發(fā)酵的產(chǎn)品中也會(huì)出現(xiàn)。1905年保加利亞Stamen Grigorov博士第一次將其分離鑒定。保加利亞乳桿菌是厭氧性、舉蘭氏陽(yáng)性菌。菌體長(zhǎng)約2 μm-9 μm，寬約0.5 μm-0.8 μm，單個(gè)菌體里長(zhǎng)桿狀或成鏈,兩端鈍圓,不具有運(yùn)動(dòng)性,也不產(chǎn)生孢子在乳基質(zhì)培養(yǎng)基上生長(zhǎng),菌落呈無(wú)色或淡白色,菌落表面為不光滑絮狀,直徑在1mm-3mm之間。保加利亞乳桿菌屬于化能異養(yǎng)型微生物,對(duì)營(yíng)養(yǎng)需求較為茍刻。通常情況下,脫脂乳和乳清是乳酸菌的最佳培養(yǎng)基,實(shí)驗(yàn)表明:以乳清加6%脫脂乳作為培養(yǎng)基菌落數(shù)相對(duì)較多。在代謝其過(guò)程中,需要多種生長(zhǎng)因子特別是B族維生素,如：吡哆酸(VB6)、鈷胺酸(VB12)、葉酸等。最佳生長(zhǎng)溫度范圍是37°C-45°C:,當(dāng)溫度高于50°C或者低于20°C時(shí)菌體不能生長(zhǎng)。在培養(yǎng)保加利亞乳桿菌的過(guò)程中,碳源、氮源也有一定的要求,酵母粉是常用的培養(yǎng)基成分,其中尼克酸、葉酸、鈷胺酸含量相對(duì)較高。研究證實(shí):酵母粉的添加有較顯著地促進(jìn)了保加利亞乳桿菌的生長(zhǎng)。保加利亞乳桿菌糖代謝會(huì)產(chǎn)生大量乳酸,乳酸對(duì)菌株的生長(zhǎng)具有抑制作用,添加緩沖鹽或中和劑可以增進(jìn)菌株的生長(zhǎng)3。

產(chǎn)酸特性酸奶甜酸適宜與其含有的有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸有關(guān)。高品質(zhì)酸奶的生產(chǎn)脫離不了優(yōu)良發(fā)酵劑的作用。作為酸奶發(fā)酵劑的主要菌種之一,保加利亞乳桿菌產(chǎn)酸能力不容忽視。保加利亞乳桿菌能利用葡萄糖、果糖、乳糖進(jìn)行同型乳酸發(fā)酵產(chǎn)生D-型乳酸,最高產(chǎn)酸量可達(dá)2%。

產(chǎn)香特性酸奶味美適口與其特殊的風(fēng)味密不可分,酸奶的風(fēng)味是由以下幾個(gè)部分構(gòu)成:(1)原料奶本身所含有的風(fēng)味物質(zhì);(2)原料乳中的某些物質(zhì)經(jīng)過(guò)微生物的分解代謝形成的風(fēng)味物質(zhì);(3)發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)味物質(zhì)前體,在貯藏過(guò)程中產(chǎn)生了新的風(fēng)味物質(zhì)。例如:發(fā)酵劑代謝碳水化合物生成乳酸、兩酮酸、丙酸、乙酸、甲酸;分解氨基酸產(chǎn)生乙酸、丙酸、丁酸和戊酸.等有機(jī)酸,這些有機(jī)無(wú)機(jī)酸不僅具有特殊的味道還可以賦予酸奶爽口感,除此之外,還能和醇類物質(zhì)反應(yīng)生成具有香氣的西旨類,例如:乙酸與乙醇生成乙酸乙酷等。按照酸奶的香味可以將酸奶分為:醛香型和酮香型。保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌混合菌種發(fā)酵,代謝產(chǎn)物以乙酸為主屬酵香型發(fā)酵乳;單獨(dú)或結(jié)合使用丁二酮乳鏈球菌和梓檬明串珠菌作發(fā)酵劑的代謝風(fēng)味物質(zhì)主要為丁二酮,屬酮香型發(fā)酵乳。在我國(guó)酵香型酸奶目前居多。研究進(jìn)一步證實(shí):作為影響酸奶風(fēng)味的乙酸、雙乙丑、揮發(fā)酸以及酸性物質(zhì)等關(guān)鍵揮發(fā)性物質(zhì),兩兩間的相關(guān)性顯著。

產(chǎn)黏特性高品質(zhì)酸奶的生產(chǎn)與發(fā)酵劑菌種的代謝密不可分,菌種對(duì)碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)的分解代謝是生產(chǎn)高品質(zhì)酸奶的關(guān)鍵。其中碳水化合物的分解代謝產(chǎn)生了大量的無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸、醇、醒等物質(zhì),這些物質(zhì)與脂肪分解代謝產(chǎn)生的脂肪酸、短鏈脂肪酸共同賦予了酸奶特殊的風(fēng)味;當(dāng)然,蛋白質(zhì)水解生成的多肽、短肽、氨基酸,對(duì)提高酸奶營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的作用更加不容忽視。菌種合成代謝在高品質(zhì)酸奶的生產(chǎn)中同樣不可小覷,因?yàn)楹铣纱x途徑形成了有利于改善酸奶點(diǎn)度、質(zhì)地和促進(jìn)人體健康的胞外多糖。胞外多糖是乳酸菌合成代謝過(guò)程中分泌到細(xì)胞外,滲于培養(yǎng)基中的一類多糖化合物。這些多糖有的依附于菌體細(xì)胞壁形成莢膜,稱為莢膜多糖;有的進(jìn)入培養(yǎng)基形成粘液,稱為粘液多糖。它們都是乳酸菌代謝的次級(jí)產(chǎn)物。胞外多糖不僅具有增稠、穩(wěn)定、乳化、膠凝及持水作用,同時(shí)還具有提高免疫活性、抗腫瘤、抗?jié)兊然钚試?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)作為產(chǎn)胞外多糖乳酸菌菌種之一的德氏乳桿菌保加利亞亞種,進(jìn)行了許多研究。據(jù)Ceming等報(bào)道德氏乳桿菌保加利亞亞種胞外多糖的產(chǎn)量一般為55-150mg/L。當(dāng)然,并不是所有保加利亞乳桿菌菌株都產(chǎn)胞外多糖,菌種產(chǎn)胞夕多糖還與具體菌株有關(guān)。研究指出一株產(chǎn)胞外多糖的嗜熱鏈球菌和一株不產(chǎn)胞外多糖的保加利亞乳桿菌一起在乳中培養(yǎng)時(shí),胞外多糖的產(chǎn)量可達(dá)800mg/L,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單菌株培養(yǎng)時(shí)胞外多糖的產(chǎn)量,說(shuō)明保加利亞乳桿菌可促進(jìn)嗜熱鏈球菌產(chǎn)胞外多糖的量。產(chǎn)生胞外多糖的條件不一定是菌株的最佳生長(zhǎng)條件一些研究表明,在低于菌株最適生長(zhǎng)溫度的條件下接種,可以提高胞外多糖產(chǎn)量。GassemM.A.等研究認(rèn)為:較低的接種溫度將活菌數(shù)量緩慢增加,延長(zhǎng)了菌株對(duì)數(shù)期和穩(wěn)定期,從而促進(jìn)胞外多糖的形成。

在工業(yè)中的應(yīng)用德氏乳桿菌可以提高食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,改善食品風(fēng)味,提高食品的保藏性和附加值。此外,大量研究表明,德氏乳桿菌具有許多特殊的生理功能。例如,德氏乳桿菌能夠改善腸道微生態(tài)平衡,抑制有害物質(zhì)的產(chǎn)生；提高蛋白質(zhì)和微量元素的利用率；降低血清膽固醇降血壓；抗腫瘤,提高機(jī)體免疫力等。由于德氏乳桿菌具有以上特殊的營(yíng)養(yǎng)功效和生理功能,其與人類的生產(chǎn)生活密切相關(guān),在食品、養(yǎng)殖、醫(yī)療保健、化工等行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用前景4。

在食品工業(yè)中的應(yīng)用德氏乳桿菌在乳制品加工業(yè)、植物蛋白飲料生產(chǎn)和蔬菜深加工等食品工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。其中,發(fā)酵乳制品是德氏乳桿菌發(fā)酵應(yīng)用最多、最為成熟的領(lǐng)域,其主要產(chǎn)品有酸奶、奶油和奶酷德氏乳桿菌不僅為發(fā)酵乳制品提供了特殊的風(fēng)味、質(zhì)地和營(yíng)養(yǎng)功效,而且賦予了發(fā)酵乳制品特殊的食療功效。因此,德氏乳桿菌作為益生菌發(fā)酵劑是乳制品工業(yè)中生產(chǎn)中運(yùn)用最廣泛的菌種之一具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

在養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用抗菌藥物的濫用造成了藥物殘留及大量耐藥菌株的產(chǎn)生,例如抗生素的應(yīng)用等,給人類健康造成了極大危害。因此,發(fā)展綠色無(wú)公害的飼料添加劑,是二十一世紀(jì)飼料工業(yè)的重要研究方向,飼用微生物制劑是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要途徑,德氏乳桿菌在微生物制劑領(lǐng)域的應(yīng)用愈來(lái)愈受到人們的重視。國(guó)內(nèi)外均有大量詞養(yǎng)臨床研究證明,!氏乳桿菌作為飼料添加劑具有預(yù)防疾病、降低病死率、促進(jìn)生長(zhǎng)、提高飼料轉(zhuǎn)化率等作用。例如,許提森研究發(fā)現(xiàn)德氏乳桿菌對(duì)肉雞腸道菌群的影響與抗生素具有相近的效果,因此,在肉雞的養(yǎng)殖中德氏乳桿菌可以作為飼料添加劑而取代抗生素的應(yīng)用。

在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用乳酸可經(jīng)過(guò)聚合生成的直鏈或環(huán)狀聚乳酸,聚乳酸是乳酸衍生物在化工領(lǐng)域最顯著的用途。聚乳酸是一種無(wú)毒、無(wú)剌激性、強(qiáng)度高、可塑性好、具有良好生物可降解性的新型生物,最重要的是具有生物相容性,其分子中的長(zhǎng)鏈經(jīng)微生物生化代謝后,強(qiáng)度降低甚至脆化,變成小顆粒進(jìn)入土壤,可以減少污染環(huán)境,用聚乳酸材料代替聚乙稀材料是解決當(dāng)今存在的白色污染問(wèn)題的途徑之一。因此,通過(guò)微生物發(fā)酵生產(chǎn)乳酸己引起世界各國(guó)濃厚的興趣,德氏乳桿菌作為產(chǎn)乳酸能力最強(qiáng)的乳桿菌擁有巨大的潛在市場(chǎng)。劉鵬等利用德氏乳桿菌保加利亞亞種經(jīng)He-Ne激光器誘變篩選得到了高產(chǎn)乳酸的菌株。

面臨的氧脅迫德氏乳桿菌憑借其在食品加工、活性功能和安全性方面的優(yōu)勢(shì),在多種工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而,其在工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)面臨許多物理的、化學(xué)的或者營(yíng)養(yǎng)因素的脅迫作用,包括氧脅迫、酸脅迫高溫脅迫、冷脅迫、滲透壓脅迫、饑餓脅迫和干燥脅迫等,從而影響細(xì)胞的許多重要生理功能和性質(zhì),并直接影響發(fā)酵過(guò)程和代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生,抑制細(xì)胞的生長(zhǎng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)停滯和細(xì)胞死亡。因此,對(duì)脅迫的抗性是作為工業(yè)微生物的德氏乳桿菌的重要生理功能之一,其中氧脅迫是目前較受關(guān)注的脅迫作用之一。氧本身對(duì)乳酸菌細(xì)胞無(wú)害,但是氧的還原過(guò)程、有氧呼吸等代謝過(guò)程中氧分子通過(guò)單電子還原反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS),包超氧陰離子自由基(CV)、過(guò)氧化氫(H2O2)和輕自由基(OH)等中間產(chǎn)物,具有較氧分子活撥的化學(xué)反應(yīng)性,對(duì)厭氧菌是有害的。德氏乳桿菌屬于兼性厭氧菌,其在糖酵解中產(chǎn)生的NADH的再生主要依賴丙酮酸還原生成乳酸的過(guò)程,因而不需要氧的參與。雖然不同菌株對(duì)氧的耐受能力不同,但總的來(lái)說(shuō),氧對(duì)其生長(zhǎng)不利。因?yàn)樵谟醒鯒l件下其胞內(nèi)的NADH氧化酶將02轉(zhuǎn)化成H2O2。由于缺乏過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶等清除H2O2的抗氧脅迫系統(tǒng)，其胞內(nèi)大量積累H2O2。H2O2的氧化性很強(qiáng),可以參與和生成氧自由基的的很多反應(yīng),例如通過(guò)Fenton反應(yīng)生成損害性更強(qiáng)的輕自由基,這些氧自由基可以通過(guò)抽氧、歧化、化合、取代加成等多種反應(yīng)與細(xì)胞中的生物大分子發(fā)生反應(yīng),從而加速細(xì)胞的老化和死亡,降低生長(zhǎng)速率,形成氧脅迫,當(dāng)細(xì)胞受到高濃度的ROS作用或胞內(nèi)抗氧脅迫系統(tǒng)的抗氧化功能降低時(shí),胞內(nèi)的氧化還原平衡態(tài)被破壞時(shí)可引起脂質(zhì)、蛋白質(zhì)及DNA等生物大分子損傷和二硫鍵的形成,影響細(xì)胞膜的通透性和滲透調(diào)節(jié)作用,最終導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。

雖然工業(yè)發(fā)酵中培養(yǎng)德氏乳桿菌都是在不通氣條件下進(jìn)行,但在實(shí)際操作過(guò)程中不可避免地會(huì)遇到氧,例如,為了使培養(yǎng)基分布均勾,必須進(jìn)行低轉(zhuǎn)速攬拌,這樣,德氏乳桿菌在消耗氧的過(guò)程中,就會(huì)產(chǎn)生一系列活性氧,其對(duì)蛋白、脂質(zhì)以及核苷酸的進(jìn)攻所造成的細(xì)胞老化,從而降低菌株的最大生長(zhǎng)速率和最終的細(xì)胞密度。德氏乳桿菌對(duì)環(huán)境中氧含量要求茍刻,這給生產(chǎn)廠家在技術(shù)管理上帶來(lái)麻煩,并且若要在生產(chǎn)、包裝、藏和攝入過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間維持活菌量也十分困難。因此,選育耐氧型德氏乳桿菌菌株將會(huì)極大地促進(jìn)其應(yīng)用開(kāi)發(fā)4。