探析乳酸菌及其生物工程研究新進展

摘 要：乳酸菌生物工程是研究乳酸菌功能及應用的重要學科，它是乳酸菌生產應用的基礎。本文簡單介紹了乳酸菌及其發展歷史，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、無耐藥因子乳酸菌株、乳酸菌的特殊酶系等多個方面探討了乳酸菌微生物學技術的研究進展，旨在為乳酸菌的生產及應用提供一些參考。

關鍵詞：乳酸菌;生物工程;研究進展;育種;功能

乳酸菌可以促進蛋白質、鈣、鐵等營養物質的吸收，有利于促進腸道益生菌的增殖，抑制有害菌的生長，能改善人體免疫力和提高抵抗力，有預防腸癌、保護肝臟、美容養顏等作用。隨著生物工程學技術的發展，人們已經了解和應用在食品、醫藥等領域的乳酸菌類型越來越多。根據不同乳酸菌菌株生理功能特性功能，乳酸菌可應用于干酪、酸制奶油的發酵劑菌種，可用于泡菜、醬油釀造的發酵素，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展，對促進乳酸菌在工業生產中的應用有著重要的意義。

一、乳酸菌及其發展歷史

（一）乳酸菌概述

（1）定義。乳酸菌指利用可發酵碳水化合物、分解消化牛奶中的乳糖而生產乳酸的一類細菌。因乳酸菌具有促進腸道蠕動、促進消化的作用，被稱為時“腸道清道夫”。

（2）乳酸菌分類。目前已經研究證明的乳酸菌分為十一個屬，每個屬有上白株菌株。常見的乳酸菌分為嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、雙歧桿菌三個菌屬。常見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。常見的干酪乳桿菌屬有干酪乳桿菌、類干酪乳桿菌、鼠李糖乳桿菌、路氏乳桿菌、胚芽乳桿菌等。常見的雙歧桿菌屬有乳雙歧桿菌、長雙歧桿菌、青春雙歧桿菌、動物雙歧桿菌、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，改善腸道菌群起調節人體免疫系統和預防癌癥，降低血液中膽固醇含量，抗菌活性及抗衰老等保健作用。

（4）乳酸菌的應用。人類對乳酸菌的應用最早可追溯到遠古時代的人類不自覺的食品釀造。19世紀中葉，法國巴斯德在研究酒變酸的原因時發現了乳酸菌。后因認識到雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌等腸道有益菌的生理功能，開始了對各類乳酸菌在發酵制品中的應用。

（二）發展歷史

1857年，法國的巴斯德在研究酒變成醋的原因時首次發現了乳酸菌。后有英國的Lister發現了乳球菌。1882年，俄國梅契尼科夫發現了高加索乳桿菌，又發現了高加索人有長期食用酸奶的習慣，高加索有許多的長壽老人。猜想乳球菌有益于人的身體健康。1899年，法國的Tissier發現了雙歧桿菌。

目前，乳球菌廣泛作為發酵菌種應用于食品發酵中，如乳酸菌風味的酸奶。保加利亞的人有長期應用乳酸菌發酵乳的習慣，而那里的人多長壽。這一發現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酵乳中含有亞乳桿菌、嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌等。這類乳酸菌具有抑制腸道腐敗菌、減少有害菌定植和成長的作用。食用含有乳酸菌的食品有利于減少腸道內腐敗菌產生的靛基質、糞臭素、酚等在腸道內的生長、發育、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有害菌的定植和生長，維持腸道內的正常菌群的平衡。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、維生素等營養物質的產生。1995年，Maiamaa等研究表明，正常人食用乳酸菌一段時間后，可促進血清和腸道的抗體免疫的反應。1997年，Schiffrin等研究表明，乳酸菌可借由細胞壁的多糖成分，強烈吸附腸道內有害的致病變代謝物，食用Lactobacillus acidophilus LAI及Bifidobacterium bifidum Bb13等發酵的酪乳，具有抑制惡性腫瘤的作用。此外，大量研究表明，發酵的乳制品中存在有大量的有機酸uric、orotic等可移植膽固醇合成的物質。長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。它還具有促進維生素合成和酵素生產的代謝作用，具有促進糖利用、蛋白酶活性、吞噬菌防衛機制及抗生素的生產的作用。以上研究證明，乳酸菌在促進社會效益、經濟效益方面有著重要的作用。

三、乳酸菌生物工程的研究進展

（一）生物工程育種

確定生產菌種來源是生物工程研究的工業生產的三個要素之一。它研究的內容包括生產菌種的性能、發酵及提純工藝條件、生產設備。確定優良的菌種是微生物發酵工業的靈魂，也是菌種能否成功發酵的內因。乳酸菌菌種生產來源的確定利用了軟酸菌的結合作用。Sanders等研究利用結合作用提高了乳球菌的噬菌體抗性，直接越過DNA重組獲得了優良的乳球菌。這種微生物育種方法為乳球菌的工業化生產及其應用奠定了優良的菌種基礎。

20世紀60年代，法國Bariski發現了不同類型動物細胞混合培養時具有融合作用。1974年Kao發現PEG在適量Ca2+存在下能有效誘導植物原生質體融合。1979年，匈牙利的Pesti將原生質體融合技術應用到青霉素生產中。1980年，Zimmermann等研究表明電場具有提高誘導細胞融合頻率的作用。1988年張聞迪等研究表明激光可以誘導動物細胞融合。1980年Gasson將原生質體融合技術應用于乳球菌亞種712的質粒和染色體編碼基因的融合。1983年，Okamoto等研究表明原生質體融合技術可應用于乳球菌乳酸亞種營養缺陷型突變染色體基因重組。1990年俄羅斯的Nisin研究表明原生質體融合技術產生的乳酸菌菌株要高原原菌株的10—20倍。從20世紀90年代開始，原生肢體融合技術就成為乳酸菌菌種育種及生產的重要技術，為乳酸菌發酵食品優良菌種的生產提供了技術及工藝支撐。因原生質體融合技術遺傳信息量傳遞大、重組類型多、不受親緣關系影響、雜交頻率高等特征，成為生物工程遺傳一種的關鍵手段，也成為工業生產中獲得軟酸菌優良菌株的重要方法之一。它的應用為乳酸菌食品的多樣化奠定了基礎，在乳酸菌工業生產應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。Harlander、Chassy、Kim等的研究均表明，電穿孔法能夠實現不同菌屬的乳酸菌間的電轉化，從而獲得優良乳酸菌菌種。Plat-teeuw C等研究了食品級克隆表達系統，證明乳酸菌的基因表達系統包括組成型表達、受控表達，受控表達系統有噬菌體衍生系統、pH誘導系統、Nisin誘導系統、糖誘導系統等。Kondo、Mckay等在乳球菌的研究中引入了載體枯草芽孢桿菌、大腸桿菌等復制乳酸菌。Mckay、Baldwin等采用轉導法利用乳酸、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定乳酸菌發酵特性的作用。這些研究結果證明基因遞送系統傳遞的載體有益于重組改善乳酸菌基因的作用，從而獲得工業生產需要的優良乳酸菌菌種。

（二）無耐藥因子乳酸菌株

在益生菌被應用于醫藥行業之前，抗生素一直是治療細菌性疾病的主要藥物。眾所周知，抗生素較長時間使用會使細菌產生耐藥性。細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產生，能使遺傳物質DNA發生變化。獲得耐藥性由質粒介導耐藥性。乳酸菌所攜帶的野生菌種沒有耐藥性，而部分乳酸菌自身攜帶有多種抗生素。研究無耐藥因子的乳酸菌菌株對于解決抗生素在食品領域、醫療領域應用的耐藥性問題有著重要的意義。利用乳酸菌的自然耐藥性特征可以為抗生素的應用提供一些理論依據。將攜帶有多種抗生素的乳酸菌作為食品或動物飼料的添加劑，作為醫藥成分活菌制劑，有利于防止耐藥因子的傳遞，將敏感菌株轉變為耐藥菌株。

（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、控制內霉素的酶系、降低膽固醇的酶系、產生分解亞硝酸銨的酶系、分解乳酸菌生長隱私的酶系、合成多糖的酶系、產生有機酸的酶系等。特殊酶系能夠促進乳酸菌的繁殖與生長，維持腸道菌群平衡。乳酸菌的特殊霉素為乳酸菌風味食品的研發奠定了基礎。根據乳酸菌菌株特殊酶系及其生理功能，可以在食品生產中選擇不同酶系的乳酸菌，或添加不同比例的乳酸菌菌株，來促進乳酸菌發酵產品的代謝，生產具有不同保健功能的乳酸菌風味制品。如生產低膽固醇含量的干酪、乳酪、風味酸奶等，將含有膽固醇氧化酶系的基因轉導進乳桿菌中，就可以使產品具有降低膽固醇的功能。

四、研究展望

乳酸菌容易發生變異，育種和正確的選擇乳酸菌菌株對其在食品和醫藥領域的應用價值至關重要。只有選擇有益菌株，才能發揮乳酸菌作為人體所需要的益生菌的作用，在生產、貯存的過程中使其保持一定的耐受力和穩定性，確保益生菌能夠產生期望的作用。從乳酸菌菌株選擇的重要性來看，乳酸菌育種及其菌株的選擇是未來生物工程研究的重點。在乳酸菌育種方面，要加強對容易變異的乳酸菌菌株的篩選，選擇耐受力強、穩定性強的菌株作為食品及醫藥領域應用的菌株。此外，未來乳酸菌生物工程研究將側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，但可以通過對乳酸菌的合成來開發更多的乳酸菌保健功能，或經過對乳酸菌的分離、篩選，選擇保健功能效果明顯的菌株作為乳酸菌發酵制品的菌株或醫藥產品的菌株。如果能生產出具有多種功效的乳酸菌菌株，將為乳酸菌在食品及醫藥領域的應用打開更加廣闊的市場。

五、結語

人類對于乳酸菌的應用有著非常悠久的歷史。隨著人類對乳酸菌生理功能的研究和認識，乳酸菌越來越多的保健功能被人們發現，并將其廣泛應用于食品釀造及益生菌產品的加工中。當前，已經廣泛應用于食品和醫藥領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的進步，食品級乳酸菌菌株和工程菌株將被育種出來，并在食品領域和醫藥領域做出更大的貢獻，創造大社會價值及經濟效益。

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作者簡介：張文杰（1999— ），男，漢族，湖北當陽河溶人，本科，研究方向：生物工程。