探析乳酸菌及其生物工程研究新進(jìn)展

摘 要：乳酸菌生物工程是研究乳酸菌功能及應(yīng)用的重要學(xué)科，它是乳酸菌生產(chǎn)應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文簡(jiǎn)單介紹了乳酸菌及其發(fā)展歷史，分析了乳酸菌生物工程研究的重要性。分別從生物工程育種、無(wú)耐藥因子乳酸菌株、乳酸菌的特殊酶系等多個(gè)方面探討了乳酸菌微生物學(xué)技術(shù)的研究進(jìn)展，旨在為乳酸菌的生產(chǎn)及應(yīng)用提供一些參考。

關(guān)鍵詞：乳酸菌;生物工程;研究進(jìn)展;育種;功能

乳酸菌可以促進(jìn)蛋白質(zhì)、鈣、鐵等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，有利于促進(jìn)腸道益生菌的增殖，抑制有害菌的生長(zhǎng)，能改善人體免疫力和提高抵抗力，有預(yù)防腸癌、保護(hù)肝臟、美容養(yǎng)顏等作用。隨著生物工程學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)了解和應(yīng)用在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的乳酸菌類(lèi)型越來(lái)越多。根據(jù)不同乳酸菌菌株生理功能特性功能，乳酸菌可應(yīng)用于干酪、酸制奶油的發(fā)酵劑菌種，可用于泡菜、醬油釀造的發(fā)酵素，可用于改善腸道菌群的益生菌素。研究乳酸菌及其生物工程的進(jìn)展，對(duì)促進(jìn)乳酸菌在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用有著重要的意義。

一、乳酸菌及其發(fā)展歷史

（一）乳酸菌概述

（1）定義。乳酸菌指利用可發(fā)酵碳水化合物、分解消化牛奶中的乳糖而生產(chǎn)乳酸的一類(lèi)細(xì)菌。因乳酸菌具有促進(jìn)腸道蠕動(dòng)、促進(jìn)消化的作用，被稱為時(shí)“腸道清道夫”。

（2）乳酸菌分類(lèi)。目前已經(jīng)研究證明的乳酸菌分為十一個(gè)屬，每個(gè)屬有上白株菌株。常見(jiàn)的乳酸菌分為嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、雙歧桿菌三個(gè)菌屬。常見(jiàn)的嗜酸乳桿菌屬有嗜酸乳桿菌、食淀粉乳桿菌、卷取乳桿菌、加氏乳桿菌、約氏乳桿菌等。常見(jiàn)的干酪乳桿菌屬有干酪乳桿菌、類(lèi)干酪乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、路氏乳桿菌、胚芽乳桿菌等。常見(jiàn)的雙歧桿菌屬有乳雙歧桿菌、長(zhǎng)雙歧桿菌、青春雙歧桿菌、動(dòng)物雙歧桿菌、模式種雙歧桿菌、短雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌等。

（3）乳酸菌保健功能。生物工程研究表明，乳酸菌具有提高乳糖利用率，改善腸道菌群起調(diào)節(jié)人體免疫系統(tǒng)和預(yù)防癌癥，降低血液中膽固醇含量，抗菌活性及抗衰老等保健作用。

（4）乳酸菌的應(yīng)用。人類(lèi)對(duì)乳酸菌的應(yīng)用最早可追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代的人類(lèi)不自覺(jué)的食品釀造。19世紀(jì)中葉，法國(guó)巴斯德在研究酒變酸的原因時(shí)發(fā)現(xiàn)了乳酸菌。后因認(rèn)識(shí)到雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌等腸道有益菌的生理功能，開(kāi)始了對(duì)各類(lèi)乳酸菌在發(fā)酵制品中的應(yīng)用。

（二）發(fā)展歷史

1857年，法國(guó)的巴斯德在研究酒變成醋的原因時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了乳酸菌。后有英國(guó)的Lister發(fā)現(xiàn)了乳球菌。1882年，俄國(guó)梅契尼科夫發(fā)現(xiàn)了高加索乳桿菌，又發(fā)現(xiàn)了高加索人有長(zhǎng)期食用酸奶的習(xí)慣，高加索有許多的長(zhǎng)壽老人。猜想乳球菌有益于人的身體健康。1899年，法國(guó)的Tissier發(fā)現(xiàn)了雙歧桿菌。

目前，乳球菌廣泛作為發(fā)酵菌種應(yīng)用于食品發(fā)酵中，如乳酸菌風(fēng)味的酸奶。保加利亞的人有長(zhǎng)期應(yīng)用乳酸菌發(fā)酵乳的習(xí)慣，而那里的人多長(zhǎng)壽。這一發(fā)現(xiàn)再次證明了食用乳酸菌有益人體健康。研究證明，保加利亞人食用的發(fā)酵乳中含有亞乳桿菌、嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌等。這類(lèi)乳酸菌具有抑制腸道腐敗菌、減少有害菌定植和成長(zhǎng)的作用。食用含有乳酸菌的食品有利于減少腸道內(nèi)腐敗菌產(chǎn)生的靛基質(zhì)、糞臭素、酚等在腸道內(nèi)的生長(zhǎng)、發(fā)育、常駐。

二、乳酸菌生物工程研究的重要性

1991年，Hose等研究表明乳酸菌等益生菌可以抑制腸道內(nèi)有害菌的定植和生長(zhǎng)，維持腸道內(nèi)的正常菌群的平衡。1994年，Denter等研究表明含有乳酸菌的食品大分子被消化成小分子后，能夠提高游離氨基酸、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的產(chǎn)生。1995年，Maiamaa等研究表明，正常人食用乳酸菌一段時(shí)間后，可促進(jìn)血清和腸道的抗體免疫的反應(yīng)。1997年，Schiffrin等研究表明，乳酸菌可借由細(xì)胞壁的多糖成分，強(qiáng)烈吸附腸道內(nèi)有害的致病變代謝物，食用Lactobacillus acidophilus LAI及Bifidobacterium bifidum Bb13等發(fā)酵的酪乳，具有抑制惡性腫瘤的作用。此外，大量研究表明，發(fā)酵的乳制品中存在有大量的有機(jī)酸uric、orotic等可移植膽固醇合成的物質(zhì)。長(zhǎng)期服用含有乳酸桿菌的乳品具有降低血清和膽固醇含量的作用。它還具有促進(jìn)維生素合成和酵素生產(chǎn)的代謝作用，具有促進(jìn)糖利用、蛋白酶活性、吞噬菌防衛(wèi)機(jī)制及抗生素的生產(chǎn)的作用。以上研究證明，乳酸菌在促進(jìn)社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益方面有著重要的作用。

三、乳酸菌生物工程的研究進(jìn)展

（一）生物工程育種

確定生產(chǎn)菌種來(lái)源是生物工程研究的工業(yè)生產(chǎn)的三個(gè)要素之一。它研究的內(nèi)容包括生產(chǎn)菌種的性能、發(fā)酵及提純工藝條件、生產(chǎn)設(shè)備。確定優(yōu)良的菌種是微生物發(fā)酵工業(yè)的靈魂，也是菌種能否成功發(fā)酵的內(nèi)因。乳酸菌菌種生產(chǎn)來(lái)源的確定利用了軟酸菌的結(jié)合作用。Sanders等研究利用結(jié)合作用提高了乳球菌的噬菌體抗性，直接越過(guò)DNA重組獲得了優(yōu)良的乳球菌。這種微生物育種方法為乳球菌的工業(yè)化生產(chǎn)及其應(yīng)用奠定了優(yōu)良的菌種基礎(chǔ)。

20世紀(jì)60年代，法國(guó)Bariski發(fā)現(xiàn)了不同類(lèi)型動(dòng)物細(xì)胞混合培養(yǎng)時(shí)具有融合作用。1974年Kao發(fā)現(xiàn)PEG在適量Ca2+存在下能有效誘導(dǎo)植物原生質(zhì)體融合。1979年，匈牙利的Pesti將原生質(zhì)體融合技術(shù)應(yīng)用到青霉素生產(chǎn)中。1980年，Zimmermann等研究表明電場(chǎng)具有提高誘導(dǎo)細(xì)胞融合頻率的作用。1988年張聞迪等研究表明激光可以誘導(dǎo)動(dòng)物細(xì)胞融合。1980年Gasson將原生質(zhì)體融合技術(shù)應(yīng)用于乳球菌亞種712的質(zhì)粒和染色體編碼基因的融合。1983年，Okamoto等研究表明原生質(zhì)體融合技術(shù)可應(yīng)用于乳球菌乳酸亞種營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變?nèi)旧w基因重組。1990年俄羅斯的Nisin研究表明原生質(zhì)體融合技術(shù)產(chǎn)生的乳酸菌菌株要高原原菌株的10—20倍。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，原生肢體融合技術(shù)就成為乳酸菌菌種育種及生產(chǎn)的重要技術(shù)，為乳酸菌發(fā)酵食品優(yōu)良菌種的生產(chǎn)提供了技術(shù)及工藝支撐。因原生質(zhì)體融合技術(shù)遺傳信息量傳遞大、重組類(lèi)型多、不受親緣關(guān)系影響、雜交頻率高等特征，成為生物工程遺傳一種的關(guān)鍵手段，也成為工業(yè)生產(chǎn)中獲得軟酸菌優(yōu)良菌株的重要方法之一。它的應(yīng)用為乳酸菌食品的多樣化奠定了基礎(chǔ)，在乳酸菌工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中取得了顯著的效果。

此外，乳酸菌遺傳育種還有電穿孔法、基因遞送系統(tǒng)。Harlander、Chassy、Kim等的研究均表明，電穿孔法能夠?qū)崿F(xiàn)不同菌屬的乳酸菌間的電轉(zhuǎn)化，從而獲得優(yōu)良乳酸菌菌種。Plat-teeuw C等研究了食品級(jí)克隆表達(dá)系統(tǒng)，證明乳酸菌的基因表達(dá)系統(tǒng)包括組成型表達(dá)、受控表達(dá)，受控表達(dá)系統(tǒng)有噬菌體衍生系統(tǒng)、pH誘導(dǎo)系統(tǒng)、Nisin誘導(dǎo)系統(tǒng)、糖誘導(dǎo)系統(tǒng)等。Kondo、Mckay等在乳球菌的研究中引入了載體枯草芽孢桿菌、大腸桿菌等復(fù)制乳酸菌。Mckay、Baldwin等采用轉(zhuǎn)導(dǎo)法利用乳酸、蛋白酶基因組合乳糖軍亞種C2衍生株染色體，證明基因整合具有穩(wěn)定乳酸菌發(fā)酵特性的作用。這些研究結(jié)果證明基因遞送系統(tǒng)傳遞的載體有益于重組改善乳酸菌基因的作用，從而獲得工業(yè)生產(chǎn)需要的優(yōu)良乳酸菌菌種。

（二）無(wú)耐藥因子乳酸菌株

在益生菌被應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)之前，抗生素一直是治療細(xì)菌性疾病的主要藥物。眾所周知，抗生素較長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)使細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性。細(xì)菌的耐藥性有自然耐藥性和獲得耐藥性。自然耐藥性由染色體突變或介導(dǎo)產(chǎn)生，能使遺傳物質(zhì)DNA發(fā)生變化。獲得耐藥性由質(zhì)粒介導(dǎo)耐藥性。乳酸菌所攜帶的野生菌種沒(méi)有耐藥性，而部分乳酸菌自身攜帶有多種抗生素。研究無(wú)耐藥因子的乳酸菌菌株對(duì)于解決抗生素在食品領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的耐藥性問(wèn)題有著重要的意義。利用乳酸菌的自然耐藥性特征可以為抗生素的應(yīng)用提供一些理論依據(jù)。將攜帶有多種抗生素的乳酸菌作為食品或動(dòng)物飼料的添加劑，作為醫(yī)藥成分活菌制劑，有利于防止耐藥因子的傳遞，將敏感菌株轉(zhuǎn)變?yōu)槟退幘辍?/p>

（三）乳酸菌的特殊酶系

乳酸菌具有一般酶系和特殊酶系。乳酸菌的特殊酶系決定了其具有特殊的生理功能。如分解脂肪的酶系、控制內(nèi)霉素的酶系、降低膽固醇的酶系、產(chǎn)生分解亞硝酸銨的酶系、分解乳酸菌生長(zhǎng)隱私的酶系、合成多糖的酶系、產(chǎn)生有機(jī)酸的酶系等。特殊酶系能夠促進(jìn)乳酸菌的繁殖與生長(zhǎng)，維持腸道菌群平衡。乳酸菌的特殊霉素為乳酸菌風(fēng)味食品的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)乳酸菌菌株特殊酶系及其生理功能，可以在食品生產(chǎn)中選擇不同酶系的乳酸菌，或添加不同比例的乳酸菌菌株，來(lái)促進(jìn)乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)品的代謝，生產(chǎn)具有不同保健功能的乳酸菌風(fēng)味制品。如生產(chǎn)低膽固醇含量的干酪、乳酪、風(fēng)味酸奶等，將含有膽固醇氧化酶系的基因轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)乳桿菌中，就可以使產(chǎn)品具有降低膽固醇的功能。

四、研究展望

乳酸菌容易發(fā)生變異，育種和正確的選擇乳酸菌菌株對(duì)其在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值至關(guān)重要。只有選擇有益菌株，才能發(fā)揮乳酸菌作為人體所需要的益生菌的作用，在生產(chǎn)、貯存的過(guò)程中使其保持一定的耐受力和穩(wěn)定性，確保益生菌能夠產(chǎn)生期望的作用。從乳酸菌菌株選擇的重要性來(lái)看，乳酸菌育種及其菌株的選擇是未來(lái)生物工程研究的重點(diǎn)。在乳酸菌育種方面，要加強(qiáng)對(duì)容易變異的乳酸菌菌株的篩選，選擇耐受力強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)的菌株作為食品及醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用的菌株。此外，未來(lái)乳酸菌生物工程研究將側(cè)重于乳酸菌生理作用及其保健功能的研究。我們不期望一種乳酸菌有多種功能，但可以通過(guò)對(duì)乳酸菌的合成來(lái)開(kāi)發(fā)更多的乳酸菌保健功能，或經(jīng)過(guò)對(duì)乳酸菌的分離、篩選，選擇保健功能效果明顯的菌株作為乳酸菌發(fā)酵制品的菌株或醫(yī)藥產(chǎn)品的菌株。如果能生產(chǎn)出具有多種功效的乳酸菌菌株，將為乳酸菌在食品及醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用打開(kāi)更加廣闊的市場(chǎng)。

五、結(jié)語(yǔ)

人類(lèi)對(duì)于乳酸菌的應(yīng)用有著非常悠久的歷史。隨著人類(lèi)對(duì)乳酸菌生理功能的研究和認(rèn)識(shí)，乳酸菌越來(lái)越多的保健功能被人們發(fā)現(xiàn)，并將其廣泛應(yīng)用于食品釀造及益生菌產(chǎn)品的加工中。當(dāng)前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的乳酸菌包括嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、雙歧桿菌等。隨著乳酸菌生物工程育種技術(shù)的進(jìn)步，食品級(jí)乳酸菌菌株和工程菌株將被育種出來(lái)，并在食品領(lǐng)域和醫(yī)藥領(lǐng)域做出更大的貢獻(xiàn)，創(chuàng)造大社會(huì)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：張文杰（1999— ），男，漢族，湖北當(dāng)陽(yáng)河溶人，本科，研究方向：生物工程。