[科普中国]-德氏乳杆菌

发现及特性

德氏乳杆菌是由 Beijerinck于1901年分离得来，并用德国细菌学家M. Delbruck的名字来命名的一种革兰氏阳性菌。德氏乳杆菌在培养时对培养基的要求比较高，可利用乳糖、葡萄糖、果糖、甘露糖多种糖类为单一碳源，由于此菌不能合成大部分的氨基酸，所以需要从培养基中获得。德氏乳杆菌在发酵工业中得以广泛应用，如乳制品的发酵、肉制品发酵和啤酒发酵，而德氏乳杆菌保加利亚亚种是乳制品发酵中最为常用的菌种之一，是最具有经济价值的发酵乳酸菌之一。

德氏乳杆菌保加利亚亚种与嗜热链球菌在乳中共同培养时其产酸能力及菌种数量都比单独在乳中培养时高，表明这两种菌存在着协同作用。这两种菌各自的代谢机制可利用彼此释放的物质满足自己代谢的需要。嗜热链球菌可以提供甲酸盐及二氧化碳刺激保加利亚乳杆菌的生长，而保加利亚乳杆菌能够合成胞外蛋白酶降解原料中的蛋白从而为缺少该种酶的嗜热链球菌提供生长所需的氨基酸及小肽类物质2。

主要亚种及特性德氏乳杆菌保加利亚亚种(Lactobacillus delbrueckii subspecies bulgaricus)通常称其为保加利亚乳杆菌(Xactobacillm bulgaricm)是用于酸奶生产的主要乳酸菌菌种之一。在其它天然发酵的产品中也会出现。1905年保加利亚Stamen Grigorov博士第一次将其分离鉴定。保加利亚乳杆菌是厌氧性、举兰氏阳性菌。菌体长约2 μm-9 μm，宽约0.5 μm-0.8 μm，单个菌体里长杆状或成链,两端钝圆,不具有运动性,也不产生孢子在乳基质培养基上生长,菌落呈无色或淡白色,菌落表面为不光滑絮状,直径在1mm-3mm之间。保加利亚乳杆菌属于化能异养型微生物,对营养需求较为苟刻。通常情况下,脱脂乳和乳清是乳酸菌的最佳培养基,实验表明:以乳清加6%脱脂乳作为培养基菌落数相对较多。在代谢其过程中,需要多种生长因子特别是B族维生素,如：吡哆酸(VB6)、钴胺酸(VB12)、叶酸等。最佳生长温度范围是37°C-45°C:,当温度高于50°C或者低于20°C时菌体不能生长。在培养保加利亚乳杆菌的过程中,碳源、氮源也有一定的要求,酵母粉是常用的培养基成分,其中尼克酸、叶酸、钴胺酸含量相对较高。研究证实:酵母粉的添加有较显著地促进了保加利亚乳杆菌的生长。保加利亚乳杆菌糖代谢会产生大量乳酸,乳酸对菌株的生长具有抑制作用,添加缓冲盐或中和剂可以增进菌株的生长3。

产酸特性酸奶甜酸适宜与其含有的有机酸和无机酸有关。高品质酸奶的生产脱离不了优良发酵剂的作用。作为酸奶发酵剂的主要菌种之一,保加利亚乳杆菌产酸能力不容忽视。保加利亚乳杆菌能利用葡萄糖、果糖、乳糖进行同型乳酸发酵产生D-型乳酸,最高产酸量可达2%。

产香特性酸奶味美适口与其特殊的风味密不可分,酸奶的风味是由以下几个部分构成:(1)原料奶本身所含有的风味物质;(2)原料乳中的某些物质经过微生物的分解代谢形成的风味物质;(3)发酵时产生的风味物质前体,在贮藏过程中产生了新的风味物质。例如:发酵剂代谢碳水化合物生成乳酸、两酮酸、丙酸、乙酸、甲酸;分解氨基酸产生乙酸、丙酸、丁酸和戊酸.等有机酸,这些有机无机酸不仅具有特殊的味道还可以赋予酸奶爽口感,除此之外,还能和醇类物质反应生成具有香气的西旨类,例如:乙酸与乙醇生成乙酸乙酷等。按照酸奶的香味可以将酸奶分为:醛香型和酮香型。保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌混合菌种发酵,代谢产物以乙酸为主属酵香型发酵乳;单独或结合使用丁二酮乳链球菌和梓檬明串珠菌作发酵剂的代谢风味物质主要为丁二酮,属酮香型发酵乳。在我国酵香型酸奶目前居多。研究进一步证实:作为影响酸奶风味的乙酸、双乙丑、挥发酸以及酸性物质等关键挥发性物质,两两间的相关性显著。

产黏特性高品质酸奶的生产与发酵剂菌种的代谢密不可分,菌种对碳水化合物、脂肪、蛋白质的分解代谢是生产高品质酸奶的关键。其中碳水化合物的分解代谢产生了大量的无机酸、有机酸、醇、醒等物质,这些物质与脂肪分解代谢产生的脂肪酸、短链脂肪酸共同赋予了酸奶特殊的风味;当然,蛋白质水解生成的多肽、短肽、氨基酸,对提高酸奶营养价值的作用更加不容忽视。菌种合成代谢在高品质酸奶的生产中同样不可小觑,因为合成代谢途径形成了有利于改善酸奶点度、质地和促进人体健康的胞外多糖。胞外多糖是乳酸菌合成代谢过程中分泌到细胞外,渗于培养基中的一类多糖化合物。这些多糖有的依附于菌体细胞壁形成荚膜,称为荚膜多糖;有的进入培养基形成粘液,称为粘液多糖。它们都是乳酸菌代谢的次级产物。胞外多糖不仅具有增稠、稳定、乳化、胶凝及持水作用,同时还具有提高免疫活性、抗肿瘤、抗溃疡等活性国内外学者对作为产胞外多糖乳酸菌菌种之一的德氏乳杆菌保加利亚亚种,进行了许多研究。据Ceming等报道德氏乳杆菌保加利亚亚种胞外多糖的产量一般为55-150mg/L。当然,并不是所有保加利亚乳杆菌菌株都产胞外多糖,菌种产胞夕多糖还与具体菌株有关。研究指出一株产胞外多糖的嗜热链球菌和一株不产胞外多糖的保加利亚乳杆菌一起在乳中培养时,胞外多糖的产量可达800mg/L,远远高于单菌株培养时胞外多糖的产量,说明保加利亚乳杆菌可促进嗜热链球菌产胞外多糖的量。产生胞外多糖的条件不一定是菌株的最佳生长条件一些研究表明,在低于菌株最适生长温度的条件下接种,可以提高胞外多糖产量。GassemM.A.等研究认为:较低的接种温度将活菌数量缓慢增加,延长了菌株对数期和稳定期,从而促进胞外多糖的形成。

在工业中的应用德氏乳杆菌可以提高食品的营养价值,改善食品风味,提高食品的保藏性和附加值。此外,大量研究表明,德氏乳杆菌具有许多特殊的生理功能。例如,德氏乳杆菌能够改善肠道微生态平衡,抑制有害物质的产生；提高蛋白质和微量元素的利用率；降低血清胆固醇降血压；抗肿瘤,提高机体免疫力等。由于德氏乳杆菌具有以上特殊的营养功效和生理功能,其与人类的生产生活密切相关,在食品、养殖、医疗保健、化工等行业均有广泛的应用前景4。

在食品工业中的应用德氏乳杆菌在乳制品加工业、植物蛋白饮料生产和蔬菜深加工等食品工业领域具有广泛的应用。其中,发酵乳制品是德氏乳杆菌发酵应用最多、最为成熟的领域,其主要产品有酸奶、奶油和奶酷德氏乳杆菌不仅为发酵乳制品提供了特殊的风味、质地和营养功效,而且赋予了发酵乳制品特殊的食疗功效。因此,德氏乳杆菌作为益生菌发酵剂是乳制品工业中生产中运用最广泛的菌种之一具有极高的经济价值。

在养殖业中的应用抗菌药物的滥用造成了药物残留及大量耐药菌株的产生,例如抗生素的应用等,给人类健康造成了极大危害。因此,发展绿色无公害的饲料添加剂,是二十一世纪饲料工业的重要研究方向,饲用微生物制剂是实现这一目标的主要途径,德氏乳杆菌在微生物制剂领域的应用愈来愈受到人们的重视。国内外均有大量词养临床研究证明,!氏乳杆菌作为饲料添加剂具有预防疾病、降低病死率、促进生长、提高饲料转化率等作用。例如,许提森研究发现德氏乳杆菌对肉鸡肠道菌群的影响与抗生素具有相近的效果,因此,在肉鸡的养殖中德氏乳杆菌可以作为饲料添加剂而取代抗生素的应用。

在化工领域中的应用乳酸可经过聚合生成的直链或环状聚乳酸,聚乳酸是乳酸衍生物在化工领域最显著的用途。聚乳酸是一种无毒、无剌激性、强度高、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,其分子中的长链经微生物生化代谢后,强度降低甚至脆化,变成小颗粒进入土壤,可以减少污染环境,用聚乳酸材料代替聚乙稀材料是解决当今存在的白色污染问题的途径之一。因此,通过微生物发酵生产乳酸己引起世界各国浓厚的兴趣,德氏乳杆菌作为产乳酸能力最强的乳杆菌拥有巨大的潜在市场。刘鹏等利用德氏乳杆菌保加利亚亚种经He-Ne激光器诱变筛选得到了高产乳酸的菌株。

面临的氧胁迫德氏乳杆菌凭借其在食品加工、活性功能和安全性方面的优势,在多种工业领域中得到了广泛的应用。然而,其在工业生产中会面临许多物理的、化学的或者营养因素的胁迫作用,包括氧胁迫、酸胁迫高温胁迫、冷胁迫、渗透压胁迫、饥饿胁迫和干燥胁迫等,从而影响细胞的许多重要生理功能和性质,并直接影响发酵过程和代谢产物的产生,抑制细胞的生长,严重时会导致生长停滞和细胞死亡。因此,对胁迫的抗性是作为工业微生物的德氏乳杆菌的重要生理功能之一,其中氧胁迫是目前较受关注的胁迫作用之一。氧本身对乳酸菌细胞无害,但是氧的还原过程、有氧呼吸等代谢过程中氧分子通过单电子还原反应会产生活性氧(reactive oxygen species,ROS),包超氧阴离子自由基(CV)、过氧化氢(H2O2)和轻自由基(OH)等中间产物,具有较氧分子活拨的化学反应性,对厌氧菌是有害的。德氏乳杆菌属于兼性厌氧菌,其在糖酵解中产生的NADH的再生主要依赖丙酮酸还原生成乳酸的过程,因而不需要氧的参与。虽然不同菌株对氧的耐受能力不同,但总的来说,氧对其生长不利。因为在有氧条件下其胞内的NADH氧化酶将02转化成H2O2。由于缺乏过氧化物酶和过氧化氢酶等清除H2O2的抗氧胁迫系统，其胞内大量积累H2O2。H2O2的氧化性很强,可以参与和生成氧自由基的的很多反应,例如通过Fenton反应生成损害性更强的轻自由基,这些氧自由基可以通过抽氧、歧化、化合、取代加成等多种反应与细胞中的生物大分子发生反应,从而加速细胞的老化和死亡,降低生长速率,形成氧胁迫,当细胞受到高浓度的ROS作用或胞内抗氧胁迫系统的抗氧化功能降低时,胞内的氧化还原平衡态被破坏时可引起脂质、蛋白质及DNA等生物大分子损伤和二硫键的形成,影响细胞膜的通透性和渗透调节作用,最终导致细胞的死亡。

虽然工业发酵中培养德氏乳杆菌都是在不通气条件下进行,但在实际操作过程中不可避免地会遇到氧,例如,为了使培养基分布均勾,必须进行低转速揽拌,这样,德氏乳杆菌在消耗氧的过程中,就会产生一系列活性氧,其对蛋白、脂质以及核苷酸的进攻所造成的细胞老化,从而降低菌株的最大生长速率和最终的细胞密度。德氏乳杆菌对环境中氧含量要求苟刻,这给生产厂家在技术管理上带来麻烦,并且若要在生产、包装、藏和摄入过程中长时间维持活菌量也十分困难。因此,选育耐氧型德氏乳杆菌菌株将会极大地促进其应用开发4。