非發酵豆制品中微生物耐熱機理探討

郭佳婧，李宗軍*，王遠亮

(湖南農業大學食品科學技術學院，食品科學與生物技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128)

非發酵豆制品中微生物耐熱機理探討

郭佳婧，李宗軍*，王遠亮

(湖南農業大學食品科學技術學院，食品科學與生物技術湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128)

非發酵性豆制品殺菌不徹底是影響產品質量安全的重要因素之一，本文從微生物自身耐熱機制和非發酵豆制品中蛋白質對微生物耐熱性的影響兩方面，初步探討非發酵豆制品殺菌時影響微生物耐熱性的因素。

非發酵豆制品；耐熱微生物；耐熱機制

我國在公元前就已開始種植大豆，大豆富含優質蛋白質、必需脂肪酸和礦物質等多種營養素[1]。常食豆制品可降低體內膽固醇、血脂等，在體內起到保護心血管，預防動脈粥樣硬化、糖尿病的作用[2]。豆制品種類多樣，非發酵性豆制品是目前市場主流豆制品之一，作為傳統豆制品的一種，不但營養豐富，而且口味多樣，適于多人群食用[3]。由于非發酵豆制品蛋白質含量高以及微生物的特殊耐熱機制，使得巴氏殺菌不能達到理想的殺菌效果，貨架期較短。

王敏等[4]發現引起非發酵豆制品的腐敗菌為短小芽孢桿菌和巨大芽孢桿菌。汪立平等[5]研究腐敗豆漿中的腐敗菌為地衣芽孢桿菌、短小芽孢桿菌和短芽孢桿菌。芽孢的熱抵抗力非常強，尤其在干燥條件下更具有超強的耐熱力，會明顯影響殺菌效果。通過研究非發酵豆制品中微生物自身耐熱機制以及其中營養成分對微生物的保護作用，尋找適宜的殺菌工藝，達到延長產品貨架期，保證食用安全的目的，同時減少經濟資源的浪費。

1 耐熱微生物自身耐熱機制

耐熱微生物是最高生長溫度在45～50℃之間，低于30℃也能生長的一類嗜熱菌[6]。而嗜熱菌俗稱高溫菌或嗜熱微生物，指最低生長溫度45℃左右，最適生長溫度在50～60℃之間，最高生長溫度在70℃或70℃以上的一群微生物[7]。獨特的耐熱機制是耐熱微生物能夠在高溫環境中生長并繁殖的必要條件，這些特殊的耐熱機制主要包括芽孢、細胞膜的組成成分、嗜熱酶、蛋白質空間結構以及遺傳物質[8]。

1.1 芽孢

菌體含有芽孢是其耐熱的主要原因之一。芽孢是細菌細胞內的一種休眠構造，形成于產芽孢菌生長發育后期，為圓形或橢圓形，具有含水量很低的厚壁，可逆性強[9]。由于沒有新陳代謝，芽孢可經受多種環境傷害，耐熱、耐干燥和耐紫外線等一切物理化學因素[10]。

芽孢特有的生命構造和由此產生的完善的熱脅迫應激調控機能使得其擁有極強的耐熱性[11]。芽孢的耐熱機制尚無統一說法，最具代表性的是滲透調節皮層膨脹學說。該學說認為，芽孢外層所包裹的疏水性角蛋白即芽孢衣，很難使多價的陽離子和水透過，同時離子強度很高的皮層可產生很高的滲透壓奪取核心水分，結果就是芽孢核心部分失水而皮層部分吸水膨脹，最終導致芽孢對熱的抗性增加[12]。

1.2 細胞膜組分

耐熱微生物的細胞膜由雙層具有高度飽和的脂肪酸構成，這些結構特殊的復合類脂主要是甘油脂肪酰二酯，可形成強大的疏水鍵[13]。復合類脂隨環境溫度升高總量增加，并且增加的是熔點高、熱穩定性好的直鏈飽和脂肪酸，沒有不穩定的不飽和脂肪酸。耐熱微生物的細胞膜含有異型脂肪酸、穩定型脂肪酸和環烷型脂肪酸，通過自動調節磷脂組分來維持高熔點的液晶態結構，使其耐受高溫[14]。

1.3 嗜熱酶

在高溫(60～120℃)下具有最佳活性，80℃以上環境中能發揮功能的酶稱為嗜熱酶。對其耐熱性發揮重要作用的是酶的一級結構，其中關鍵區域的個別氨基酸改變就會引起高級結構的改變，增加酶蛋白質結構中的氫鍵、離子鍵或疏水鍵，從而提高其熱穩定性[15]。與常溫菌的同源氨基酸相比，耐熱微生物氨基酸的組成和順序具有更高的穩定性。盧柏松等[16]研究認為耐熱微生物蛋白質中的Leu、Pro和Arg的含量明顯高于常溫菌，這些氨基酸通過促進蛋白質的折疊，增加疏水作用及離子間相互作用來提高蛋白質的熱穩定性。

1.4 蛋白質空間結構

蛋白質空腔個數和體積、緊密度、疏水性及溫度因子是三維結構中影響其耐熱性的主要因素。丁彥蕊等[17]研究發現高溫細菌類蛋白質的空腔個數和體積小于常溫細菌類蛋白質，認為空腔個數對蛋白質結構的規整性和緊密性有顯著影響，空腔體積影響蛋白質的穩定性。

溫度因子體現了蛋白質在晶體中的構象狀態，溫度因子越高，相應部位的構象就越不穩定[18]。Parthasarathy等[19]發現耐熱蛋白質Ser和Thr的溫度因子比常溫蛋白質的值小(柔性小)，在高溫度因子區，耐熱蛋白質中Glu和Lys的比例比常溫蛋白質大，認為溫度因子的差異可說明耐熱蛋白質和常溫蛋白質在動力學方面的差異，并驗證氨基酸取代可改變蛋白質耐熱性的理論。

1.5 遺傳物質

DNA雙螺旋結構的穩定性由氫鍵及相鄰堿基間的堆集力決定，堿基對G-C間含有3個雙鍵，G-C配對越多，解鏈所需溫度就越高[20]。耐熱微生物G-C堿基對含量為53.2%(常溫菌為44.9%)，同時耐熱微生物DNA雙螺旋結構中核苷酸排列更有序，堿基堆集力更強，從而增加其對高溫的耐受力[21]。

tRNA在蛋白質合成中起運載作用。耐熱微生物tRNA具有很好的熱穩定性，并且周轉速度快于常溫菌，有利于保護熱不穩定的代謝產物，使其可迅速合成[22]。

2 非發酵豆制品中蛋白質對微生物耐熱性的影響

2.1 蛋白質對微生物的保護作用

食品中蛋白質對微生物細胞具有緩沖保護作用，岳青等[23]研究發現蛋白質可提高微生物的熱抵抗力，尤其是明膠、血清等能增加芽孢的耐熱性。陳健凱等[24]使用牛奶蛋白做包埋劑包埋乳酸菌，可使乳酸菌保持更高的存活率，具有更加穩定的生物活性，耐酸耐高溫。Dave等[25]研究發現牛乳中添加半胱氨酸可顯著提高雙歧桿菌的存活率，乳清蛋白可促進其存活。劉成梅等[26]研究認為豆奶中蛋白質可降低瞬時高壓協同加熱對嗜熱芽孢桿菌的殺滅效果，認為在一定濃度范圍內，蛋白質基質濃度越高，對菌體的保護作用越強。Metric等[27]使用雞肉做培養基培養沙門氏菌，后將培養過的沙門氏菌暴露于高溫高壓環境中90min仍不能滅活，蛋白質對微生物的保護作用可認為蛋白質生物大分子有機物可緩沖高溫高壓對微生物的傷害，同時蛋白質作為微生物的培養基成分，能夠加速微生物的繁殖與自我復制[28]。

2.2 鹽橋與微生物耐熱性的關系

鹽橋，又稱離子鍵，是蛋白質結構中靜電作用的一種，在蛋白質折疊、穩定蛋白質結構和功能方面有重要作用。豆腐形成過程中需在豆漿中加入氯化鈣溶液，鈣離子可屏蔽蛋白質分子間的靜電力，同時可在帶負電荷的蛋白質分子間形成鹽橋[29]。Remondteeo等[30]認為鹽濃度與凝膠微觀結構存在緊密關系，低鹽濃度范圍可誘導凝膠形成網絡結構。隨著CaCl2濃度的增加，誘導生成的凝膠脆性、硬度都相應增加[31]，凝膠脆性、硬度的增加可增強其對菌體的保護作用[32]。

當帶相反電荷的兩個原子之間的距離小于4A時可形成鹽橋。當3個以上帶電殘基側鏈基團聚集到一起時形成鹽橋網絡或離子對網絡。丁彥蕊等[33]研究發現鹽橋數量和鹽橋網絡的數量和分布與微生物耐熱性有直接關系。提高總鹽橋含量和鹽橋網絡的比例可顯著提高微生物耐熱性，即鹽橋總含量和鹽橋網絡在總鹽橋中的比例與微生物耐熱性呈正相關。

2.3 膠體與微生物耐熱性的關系

膠體類物質存在于豆腐中，由于膠體的存在使得豆漿凝結形成豆腐，并賦予豆腐致密有序的空間網絡結構。膠體類物質在滅菌過程中對于微生物起到抵抗熱力致死的作用，能夠提高微生物的耐熱性，主要是由于膠體物質可將菌體細胞嚴密包裹，起到包埋和保護菌體細胞的作用。

張強等[34]使用海藻酸鈉膠體包埋嗜熱鏈球菌，發現4%海藻酸鈉凝膠包埋乳酸菌可有效提高菌體的熱穩定性和耐久存特性。張久龍等[35]通過鹽誘導乳清蛋白冷凝膠保護乳酸桿菌，發現菌體的耐熱性隨凝膠網絡結構的致密性增加而提高。朱俊晨等[36]研究膠類物質對青春雙歧桿菌穩定性的影響，通過實驗發現膠類物質能夠增加菌體的穩定性、耐熱耐酸性、貯存期延長，說明膠體物質對菌體細胞有包埋及保護作用。

3 結 論

3.1 非發酵豆制品中微生物主要有芽孢桿菌，是耐熱性很強的微生物；此外，非發酵豆制品中食品基質對微生物的保護也是導致微生物耐熱性的主要因素。

3.2 對非發酵豆制品采用高溫高壓殺菌是食品安全性的重要保證，但會使產品感官發生不良改變，影響消費者對產品的可接受程度。

3.3 了解非發酵豆制品殺菌過程中微生物的耐熱機制，對完善非發酵豆制品殺菌工藝，延長食品貨架期，提高食品食用安全性等方面都有重要意義。

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Progress in the Research on Thermo-resistant Mechanisms of Microorganisms in Non-fermented Soybean Products

GUO Jia-jing，LI Zong-jun*，WANG Yuan-liang
(Hunan Province Key Laboratory of Food Science and Biotechnology, College of Food Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

The incomplete sterilization of non-fermented soybean products is an important factor for affecting the quality and safety of foods. In this paper, thermo-resistant mechanisms of microorganisms and the effect of non-fermented soybean product on the thermostability of microorganisms are discussed. Meanwhile, factors affecting the thermostability of microorganisms in non-fermented soybean products during sterilization process are explored.

non-fermented soybean products；thermo-resistant microorganism；thermo-resistant mechanism

TS201.3

A

1002-6630(2011)07-0332-03

2010-07-30

長沙市重點科技攻關計劃項目(K1001081-21)

郭佳婧(1986—)，女，碩士研究生，研究方向為食品生物技術。E-mail：guojiajing1986@yahoo.com.cn

*通信作者：李宗軍(1967—)，男，教授，博士，研究方向為食品生物技術。E-mail：lizongjun@yahoo.com.cn