保加利亞乳桿菌在酸奶制品中的應用及其研究進展

符 恒，袁 爽，陳 杰，趙 寧，劉永峰

(陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西西安710062)

近年來，隨著人民生活水平的提高，越來越多的乳制品進入人民的生活，其中由新鮮牛奶發酵成的酸奶由于其豐富的營養、特殊的風味和口感以及消除了部分人群由于原奶中乳糖引起的“乳糖不耐癥”等諸多優點而備受人們的青睞。酸奶發酵劑是為制作酸奶和乳酸菌飲料而調制的特定微生物的培養物［1］，主要由保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌組成，其種類和質量對酸奶的品質產生很大的影響。

1 保加利亞乳桿菌概況

保加利亞乳桿菌(Lactobacillus bulgaricus)是一種被冠以國名的細菌。該亞種最初是由保加利亞微生物學家賽德蒙·格里戈羅夫(Stamen Grigorov)在1905年確定并命名，1984年時韋斯等人又將其確認為德式乳桿菌的亞種。

1.1 保加利亞乳桿菌的形態和生長特征

保加利亞乳桿菌個體形態為細桿狀，寬0.1～0.8μm，長4～6μm，呈現單桿狀或成鏈，兼性厭氧，生長適宜溫度為44～43℃，最低生長溫度22℃，最高生長溫度52.5℃［2］。能發酵葡萄糖、甘露糖、果糖、乳糖等。在牛奶上培養，菌落為無色到淡白色，通常呈不光滑棉花狀，直徑1～3mm［3］。

1.2 保加利亞乳桿菌的保健功能

作為益生菌中的一員，保加利亞乳桿菌對人體有非常重要的保健作用。主要具有促進有益菌的生長定殖、清腸、抗腹瀉，維持胃腸道健康［4－6］，促進消化吸收的作用［7］，增加免疫［8］及抗癌、抗腫瘤［9－10］等重要的生理功能。在食品發酵、工業乳酸發酵、飼料行業和醫療保健領域均有比較廣泛的應用。

2 保加利亞乳桿菌的研究進展

保加利亞乳桿菌是酸奶發酵劑中應用較早的菌種，近年來，許多學者對其抗凍性、抗氧化性和微量元素富集等方面進行研究并取得了新的進展。

2.1 保加利亞乳桿菌抗凍性研究

保加利亞乳桿菌是酸奶發酵常用菌種，對低溫非常敏感。真空冷凍干燥法是制備乳酸菌菌粉的常用方法，但菌種在凍干過程中會造成細胞損傷或死亡以及酶蛋白分子鈍化，從而降低活菌數及菌活力［11］。為了提高其發酵后冷卻及冷凍保藏過程中的存活率，國內很多學者從保護劑方面和乳酸菌自身抵抗環境變化的保護機制方面進行了研究。蒲麗麗等［12］研究比較了多種保護劑的保護作用，其中海藻糖的保護效果最好。關海濱等［13］通過正交實驗優化4種常用凍干保護劑:乳糖、谷氨酸鈉、抗壞血酸、脫脂奶粉的添加量，為保加利亞乳桿菌的凍干工藝提供了基礎。余華［14］等篩選出來凍干保加利亞乳桿菌增菌培養基，并確定出了最適發酵收獲期，為保加利亞乳桿菌增殖培養提供了基礎。雷雨婷等［15］研究了保加利亞乳桿菌的冷適應性和冷應激蛋白的抗凍保護作用，研究發現在冷凍前進行20℃預處理可以使保加利亞乳桿菌的存活率增加100倍，低溫預處理可以增強菌體抗凍能力，初步推測低溫誘導冷應激蛋白的表達抵御了冷凍對保加利亞乳桿菌的傷害，為利用乳酸菌自身的抗凍機制來加以遺傳改造，提高乳酸菌凍干存活率以及工業應用提供一定的理論基礎。

2.2 保加利亞乳桿菌抗氧化性研究

乳桿菌屬的一些菌株具有抗氧化作用，如瑞士乳桿菌、鼠李糖乳桿菌等，為了搞清楚保加利亞乳桿菌發酵乳清的抗氧化活性，劉晶等［16］研究發現保加利亞乳桿菌在pH6.0，溫度為39℃發酵乳清可以提高乳清清除羥基自由基和DPPH自由基的能力。在發酵20h時達到最大，均高于未發酵乳清和保加利亞乳桿菌菌體。該研究對綜合利用乳清、開發新的功能性乳飲料具有重要的理論和實踐意義。

2.3 保加利亞乳桿菌在微量元素富集方面的研究

微量元素在人體內含量少但作用巨大。微量元素的缺乏會導致一系列疾病，缺鐵會導致缺鐵性貧血，缺鉻會導致胰島素功能障礙，誘發高血糖、高血脂等疾病。為了解決微量元素富集的難題，劉文群等［17］研究了保加利亞乳桿菌通過生物轉化作用將無機態微量元素鉻富集轉化為細胞內的有機態微量元素鉻的影響因素。保加利亞乳桿菌的這一生物轉化過程，有利于微量元素的吸收，同時提高了營養和保健作用。

3 保加利亞乳桿菌在酸奶加工中的影響

傳統的酸奶發酵劑主要是保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌的混合菌株，兩菌株雖然都可以發酵乳糖產生乳酸，但其在酸奶中的作用有較大區別，在不同發酵階段具有不同的影響。乳酸菌發酵生成的乳酸使乳的pH下降，當pH下降至4.5時，酪蛋白沉淀，乳凝固。酸奶也正是利用這一原理來生產的［18］。

3.1 保加利亞乳桿菌與嗜熱鏈球菌的協同和拮抗作用

保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌存在著互利共生的關系。混合培養后，兩菌迅速生長繁殖，大大提高了產酸速度及產酸量，減弱了后酸化程度，并有利于風味物質(揮發性物質和肽類)的形成［19］。1950年，Pette［20］等人首次證實保加利亞乳桿菌發酵乳中的無菌過濾物可以促進嗜熱鏈球菌的生長。進一步的研究指出，保加利亞乳桿菌對蛋白水解力較強，能將酪蛋白水解成氨基酸和小分子多肽供嗜熱鏈球菌利用。在無氧或氧含量很低的情況下，嗜熱鏈球菌能代謝產生一些促進保加利亞乳桿菌生長的化合物，如甲酸、丙酮酸等，從而提高保加利亞乳桿菌的酸化能力［21］。

然而近年來的研究表明，并非所有的嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌菌株之間都是共生關系，部分菌株存在拮抗作用，即使表現為共生的菌株，在某些機制上也同樣存在著競爭現象。Vinderola和Mochivilt［22］的研究表明，當培養液中含有嗜熱鏈球菌無細胞發酵液時，保加利亞乳桿菌部分菌株的生長受到明顯的抑制，主要由于無細胞發酵液中具有殺菌作用的蛋白類物質，能殺死與該細菌親緣關系相近的敏感細菌。Van de Guchte和Ehrlich［23］的研究表明，保加利亞乳桿菌可以產生除乳酸外的多種抑菌物質，包括過氧化氫和細菌素等生長抑制因素，破壞了球菌和桿菌之間穩定的平衡關系。

研究嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌之間的協同和拮抗作用，可以為篩選適合工業化生產的優良菌株以及制備穩定高效的酸奶發酵劑提供重要的科學依據，從而保證酸奶制品的品質。

3.2 保加利亞乳桿菌在酸奶產酸和酸奶后酸化過程中的影響

保加利亞乳桿菌是乳酸菌中產酸能力最強的菌種，最高產酸量2%，能利用葡萄糖、果糖、乳糖進行同型乳酸發酵產生D型乳酸。秦南冰［24］等研究發現，接種時嗜熱鏈球菌占優勢的酸奶發酵速度整體上快于保加利亞乳桿菌占優勢的酸奶，但當桿菌和球菌接種體積比為1∶1時，其產酸速度最快。產酸過程為β－半乳糖苷酶分解乳糖為葡萄糖和半乳糖。葡萄糖通過糖酵解途徑生成2分子丙酮酸，再經乳酸脫氫酶催化生成乳酸。半乳糖通過各種酶催化依次生成半乳糖－1－磷酸、葡萄糖－1－磷酸、葡萄糖－6－磷酸，最后進入糖酵解途徑，也被轉換成2分子丙酮酸，然后被還原為乳酸。乳酸使奶的pH降低至酪蛋白沉淀產生酸奶。

酸奶在完成正常的發酵過程后，在產品貯藏、運輸、銷售、食用前乳酸菌仍能繼續發酵乳糖產生乳酸，使酸奶的pH繼續下降，稱作酸奶后酸化過程。后酸化會導致酸奶過酸，感官品質降低甚至達到消費者難以接受的程度，嚴重影響酸奶正常的銷售情況。郭清泉［25］等研究發現后酸化過程中，保加利亞乳桿菌將繼續發酵乳糖產酸，當酸奶的pH下降到3.5時，保加利亞乳桿菌細胞壁或細胞膜喪失了調節作用，細胞內外pH趨于一致，從而使乳糖酶活性受到抑制，所以增加發酵劑中嗜熱鏈球菌的比例，可有效減弱酸奶的后發酵。

防止后酸化的方法多種多樣，孫懿琳等［26］通過實驗篩選出了天然弱后酸化菌株，可保證乳制品口感良好，酸度適中，具有廣闊的市場應用前景。然而在乳酸菌中，控制后酸化最好的方法是控制保加利亞乳桿菌的生長和能量代謝［27］。龐啟亮等［28］利用新霉素篩選保加利亞乳桿菌H+－ATPase是原有親本活性的60%，通過高密度發酵，對篩選菌株后酸化活性檢測，并篩選出適宜增殖培養基，為保加利亞乳桿菌H+－ATPase酶缺陷型菌株延緩后酸化發酵劑的開發奠定了基礎。

3.3 保加利亞乳桿菌對酸奶風味的影響

酸奶的典型香氣和風味來源于乳酸和羰基化合物。乳酸賦予酸奶一定的酸度和爽滑的口感，而羰基化合物則構成酸奶獨特的風味。酸奶中存在的羰基化合物主要有乙醛和丁二酮。保加利亞乳桿菌單獨發酵乳糖產生D型乳酸，有酸澀味，適口性差，研究發現保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌在共生條件下，嗜熱鏈球菌中與蘇氨酸生物合成途徑相關的thrB基因產生了超表達現象，這說明很可能改變了參與酸乳中重要風味物質乙醛生成的蘇氨酸的合成［29］，所以混合發酵提高了氨基酸以及短肽的產量，改善了酸奶的產品風味。實際上，許多氨基酸和短肽都是酸乳中的風味物質或是風味物質的前體。

3.4 保加利亞乳桿菌對酸奶粘度的影響

選購酸奶時，人們一般都偏愛黏稠質地、口感柔和的酸奶，所以企業中普遍添加了穩定劑，但人為添加穩定劑可能會對酸奶的風味和品質造成不利影響，進而降低了酸奶的營養價值。牛乳發酵后黏度增加有兩個原因:一是蛋白增加了發酵乳的黏稠度;二是保加利亞乳桿菌產生的胞外多糖多聚物作為增稠劑、膠凝劑增加了發酵乳的黏稠度［30］。胞外多糖(EPS)是酸奶發酵過程中天然產生的黏性物質，將有助于改善酸乳的組織狀態和黏度，特別是對固形物含量低的酸乳尤為重要。一般來說，乳桿菌產胞外多糖量不高，而嗜熱鏈球菌可以大量的產生胞外多糖(EPS)。同時胞外多糖也是一種物理穩定劑，能夠結合水并限制物料脫水收縮［31］，賦予產品吸引人的外觀和令人滿意的口感。

4 保加利亞乳桿菌在酸奶制品中的應用

酸奶是以鮮牛奶為原料，由保加利亞乳桿菌與嗜熱鏈球菌共同發酵的產品。保加利亞乳桿菌是發酵酸乳必須菌株。2005年，內蒙古蒙牛集團股份有限公司與益生菌研究機構丹麥科漢森公司攜手合作，研制最適合中國人的、高品質的LABS益生菌群，其中L指保加利亞乳桿菌，A指嗜酸乳桿菌，B指雙歧桿菌，S指嗜熱鏈球菌，四種菌共同作用，發揮更優越的營養保健功能。在蒙牛酸奶、酸酸乳等一系列低溫產品中均有添加。蒙牛不僅帶給消費者優質的酸奶，更把益生菌的知識傳遞給了消費者。目前市面上的乳品品牌如蒙牛、伊利、光明等的酸奶制品都是由保加利亞乳桿菌混合其他乳酸菌發酵制成的。由此可見，作為酸奶發酵劑中的重要組成部分，保加利亞乳桿菌在酸奶制品中應用廣泛。

選育出發酵性能優良，抗冷凍干燥性強，后酸化弱的保加利亞乳桿菌是乳品廠生產優質酸奶制品的前提，也是發展制備高效濃縮型酸奶發酵劑的基礎。楊瑩［32］等通過從國內知名酸奶產品及國外直投式發酵劑中分離選育出發酵性能優良、抗冷凍干燥性強、后酸化力弱的5株桿菌(ADR、S－1、SY、TX－B、MS2)，并將其與優良的球菌進行優化搭配，組成發酵劑，通過鮮奶發酵實驗，選育出可生產優質酸奶的乳酸菌種(株)，制得的產品香氣濃郁，酸甜適宜。程艷宇［33］通過牛奶發酵實驗篩選出具有優良發酵特性的3株保加利亞乳桿菌L3、LB、M28。此3株菌在對發酵的牛乳產酸、產粘及發酵乳組織狀態、風味口感和后酸化方面各有優勢，都具有較強蛋白分解能力，實際生產過程中可根據需求選擇單獨或搭配使用。

5 展望

保加利亞乳桿菌在食品發酵領域應用日趨廣泛，并且乳酸菌的生理保健功能也日益被大家接受。隨著科技的進步，在分子生物和基因工程領域，保加利亞乳桿菌的應用還將更加廣泛，前景更加美好。

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