[科普中国]-棒状杆菌表面成熟

棒状杆菌

棒状杆菌属为革兰染色阳性,形态近似类白喉杆菌,具有一定致病性的独立群体,归于放线菌门。该属内细菌主要分离自人类、动物以及土壤、水等环境资源,部分菌种属条件致病菌,而大部分则为正常菌群,至今未见有致病报道。新近发布的“原核细胞一览表”显示,该属目前含有个菌种,包括可导致人类疾病的致病群,可引起其它动物疾病,农作物病害的动植物致病类群和非致病性土壤类群,用于工业化生产的棒状杆菌均属于土壤类群。

显微镜下,棒状杆菌常为细长弯曲,多形态,排列不规则,可呈栅栏状或V字状等；染色不均匀,两端为棒状,无芽胞,无动力,经美蓝或奈瑟染色后可见着色较深的异染颗粒,细菌生长衰退期消失1。

棒状杆菌在多种培养基中均生长缓慢,并经常需要某种特殊营养素以供代谢所用。例如,产左旋糖棒状杆菌，在生长过程中需要生物素、硫胺素和泛素多种成分,而该属内相当部分的需脂性菌则需要在培养基中添加一定量化学制剂或动物血清。值得注意的是,这些需脂性棒状杆菌与临床多见的痤疮丙酸杆菌共同组成“需脂性细菌”,此类细菌属于极端微生物,培养条件特殊,一般情况下难以生长。在临床检验室中,吕氏血清斜面是专用于棒状杆菌培养的培养基,除此之外,各种血平板也是常见选择对象。在琼脂平板上,该属细菌呈现出圆形,边缘光滑,中央隆起,灰白色半透明菌落,在吕氏斜面上颜色略发黄。大多需氧或兼性厌氧培养,适宜生长温度从20至42℃不等,pH值为7.0-7.6。

非致病性棒状杆菌的工业用途根据美国生物制品评估及研究中心和药物评价及研究中心要求,人类工业生产所用微生物必须无致病性,不产生芽胞,生长速度较快,营养要求较低。棒状杆菌中的非致病性土壤类群完全符合这些标准,此外,此类细菌先天不分泌蛋白水解酶,基因组结构相对稳定,因此被大量研究并应用于食品工业,医药、化妆品开发等领域。

生产氨基酸目前,二十余种氨基酸的工业化生产是通过微生物发酵进行的,非致病性棒状杆菌是最主要的一类发酵用菌,其中谷氨酸棒状杆菌是发现最早,研究历史最长,应用最广泛的菌种,例如,谷氨酸作为一种重要食品添加剂味精的生产原料,现在全球范围内均采用谷氨酸棒状杆菌发酵生产完成。谷氨酸棒状杆菌发酵产出谷氨酸是生物技术在食品工业的最早应用,具有里程碑的意义。这一技术发现于1957年的日本,成功替代了低效的传统水解植物蛋白生产法,其后微生物发酵技术工业化应用的研究在日本企业中广为开展。

70年代,通过基因随机突变,谷氨酸棒状杆菌被发现可用于发酵生产两种重要的必需氨基酸,赖氨酸和苏氨酸。随着分子生物时代的到来,编码相关转氨酶的基因表达可供调控,同时结合化学分析法研究细菌代谢终产物,细菌发酵领域得到了巨大发展动力,不仅已知的可发酵生产氨基酸得到了更高产量,棒状杆菌还被用于生产更多种氨基酸甚至维生素等其它营养分子。基因重组技术不仅可增强棒状杆菌对单一氨基酸的表达,还可通过转化入携带不同目的基因的质粒诱导其表达具备完整结构和功能的蛋白质。利用谷氨酸棒状杆菌合成表达转氨酞胺酶以及丝氨酸酶以供食品工业使用。

奶酪表面成熟奶酪是一种发酵的牛奶制品,每公斤奶酪制品浓缩了10公斤牛奶的蛋白质、钙和磷等人体所需的营养素。奶酪的发酵过程被称为“熟成”,各种酵母及以棒状杆菌为主的发酵细菌在此过程中发挥作用,可以提升营养素的吸收率至96%-98%。

棒状杆菌可作为干酪加工时使用的表面成熟菌种。在奶酪熟成的初始阶段,主要由耐酸性较强的酵母发挥作用,当大量乳酸盐被分解后,奶酪表面pH值上升,发酵进入第二阶段,各种发酵细菌得以生长。奶酪的不同风味取决于氨基酸代谢结果：氨基酸首先经转氨酶作用生成氨基和酮酸,随后形成的酮戊二酸盐,此盐量多少直接和奶酪口味相关。这一代谢过程发生于第二阶段,主要由乳酪棒状杆菌,可变棒状杆菌协同其它短杆菌、金黄色葡萄球菌完成。特别是乳酪棒状杆菌,可以在仅含谷氨酸、脯氨酸等种氨基酸的培养基中生长,且可耐较高盐浓度,因此在工艺制作过程中,可以在熟成的后期补加一定量氨基酸,引发乳酪棒状杆菌的再次生长高峰,增添奶酪风味2。

目前在此制作领域主要存在的问题是起作用细菌种类或量不足以及杂菌污染破坏奶酪风味、营养甚至可致病。因此构建优良的发酵菌群是生产的关键。快速特异的检测技术,实时荧光定量已被引入该产业进行奶酪表面菌群的分析,研究再次表明,乳酪棒状杆菌在品质好的奶酪表面起主导作用。