乳酸菌的生物学功能

背景及概述^[1]

乳酸菌是指发酵糖类主要产物为乳酸的一类无芽孢、革兰氏染色阳性细菌的总称。大多数不运动，少数以周毛运动。菌体常排列成链。在其发酵产物中只有乳酸的称为同型乳酸发酵，而产物中除乳酸外还有较多乙酸、乙醇、CO2等物质的称为异型乳酸发酵。有微好氧菌和专性厌氧菌。根据细胞为球状或杆状，可分为两大类，即乳酸链球菌族(Streptococceae)和乳酸杆菌族(Lactobacilleae)。乳酸链球菌族，菌体球状，通常成对或成链，在固体培养基上菌落较小，生长缓慢。多数为同型发酵，如链球菌属(Streptococcus)，是与人类关系密切的重要菌群，有些菌是人和温血动物的致病菌；有些是人体的正常菌群存在于口腔和肠道；有些是乳制品及植物发酵食品中的常用菌，常在食品工业中使用，如乳链球菌(S.lactis)。少数为异型发酵，如肠膜状明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)是制药工业上生产右旋糖酐(即代血浆)的重要菌种，但也是制糖工业的一种害菌，常使糖汁发粘稠而无法加工。乳酸杆菌族，菌体杆状，单个或成链，有时成丝状、产生假分枝。根据其利用葡萄糖后的产物不同，分为同型发酵群和异型发酵群。多数种可发酵乳糖，而不利用乳酸，发酵后可将pH下降至6.0以下。本族中以乳酸杆菌属(Lactobacillus)最为重要，大多是工业上尤其是食品工业上的常用菌种。存在于乳制品，发酵植物食品如泡菜、酸菜，青贮饲料，及人的肠道、尤其是乳儿肠道中。工业生产乳酸常用高温发酵菌。例如德氏乳酸杆菌(L.delbrueckii)，最适生长温度为45℃，此菌在乳酸制造和乳酸钙制造工业上广泛应用。

分类^[3]

乳酸菌第1次是从牛奶中分离出来的，现常在一些食物和发酵产品中发现，在自然界中种类繁多，分布极广，其中能进行乳酸发酵的大部分是细菌，有些为球菌、有些为杆菌，一般都不会运动，它们以单糖(葡萄糖、果糖、半乳糖)、双糖(蔗糖、麦芽糖、乳糖)为基质，代谢产物主要是乳酸，有些乳酸菌属耐气性厌氧微生物，它们的产能虽不需氧，但在有无氧的条件下都能进行典型的乳酸发酵。目前自然界已发现的这类菌在细菌分类学上划分至少有18个属，涉及到的有关属则更多。这些属包括：乳酸杆菌属(Lactobacillus)、肉食杆菌属(Carnobacterium)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)、链球菌属(Streptococcus)、肠球菌属(Enterococcus)、乳球菌属(Lactococcus)、明串珠球菌(Leuconostoc)、片球菌属(Pediococcus)、气球菌属(Aerococcus)、奇异菌属(Atopobium)、漫游球菌属(Vagococcus)、利斯特氏菌属(Listeria)、芽孢乳杆菌属(Sporolactobacilus)、芽孢杆菌属(Bacillus)的少数种、环丝菌属(Brochothrix)、丹毒丝菌属(Erysipelothrix)、孪生菌属(Gemella)和糖球菌属(Saccharococcus)等。常见的球形乳酸菌主要有：链球菌属，多见于动物及动物性制品上；明串珠菌属，多见于植物体及植物制品之上。现实现用其进行膳食补充Vk2及甲基萘醌类物质；片球菌属，又称足球菌，多数生活在植物及其制品上。

常见的杆形乳酸菌是乳杆菌属，约有20多种。乳杆菌属多为杆状、直形或稍弯曲的无芽孢杆菌。微需氧，但在厌氧环境下生长更好。最适合生长的温度为30~40℃，最适合生长的pH值为5.5~6.2，但在pH3.5时仍然生长，动、植物及其制品上均可找到它们。乳酸菌经乳酸发酵的方式将糖类分解为乳酸。从其生化机制来看，乳酸发酵分为2大类型：若发酵产物中只有乳酸(达到80%以上)，称为正型乳酸发酵，如乳酸链球菌(Streptoeoccuslactis)、乳酪链球(Streptococcuscremoris)、干酪乳杆菌(Lactobacilluscasei)等。整个过程是葡萄糖经双磷酸已糖途径，经2次磷酸化后形成l-6二磷酸果糖再经醛缩酶分解成2个三碳化合物，然后脱氢氧化成为二分子丙酮酸，最后丙酮酸接受氢还原成乳酸。若发酵产物中除乳酸之外还有乙酸、乙醇、二氧化碳、H2，称为异型乳酸发酵，如明串珠菌(Leuconostoc)、乳酸杆菌(Lactobacillus)等。葡萄糖经单磷酸己糖途径形成6-磷酸葡萄糖酸，然后脱羧形成5-磷酸木酮糖，再裂解成3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸；3-磷酸甘油醛经丙酮酸转化为乳酸；而乙酰磷酸接受氢还原成为乙醇。

生理特性及生物学功能^[3]

乳酸菌均归类于乳酸菌科(Lactobac-teriaceae)。这些细菌形态上差异颇大，既有长杆状或短杆状的，又有圆形的；所有种类都是革兰阳性菌，不形成芽孢，大多不会运动，都属于专性发酵菌。乳酸菌能够在空气或氧气下生长，虽然它们是厌氧菌，但具有一定的耐氧能力。乳酸菌的生长需要辅助因子，他们大多需要某些维生素(核黄紊、硫胺素、泛酸、烟酸、叶酸、生物素)、氨基酸、嘌呤和嘧啶，且乳酸菌具有大部分微生物所没有的利用乳糖的能力，生殖方式为裂殖，并具有一些特殊的生活特点。一方面，乳酸菌具有强抗酸能力，例如在一些含糖丰富的食物制作过程中，虽然其他很多的菌类也能生长，但因乳酸菌不断地产生乳酸，可使得环境变酸而杀死多种不耐酸的细菌。另一方面，大部分乳酸菌具有很强的抗盐性，能够在5%以上NaCl浓度的环境中生存。例如在某些腌制品中，其他不抗盐的有害菌不能生存而独有乳酸菌能正常生长，可增加食物的风味。值得一提的是常见的乳酸菌都不具有细胞色素氧化酶，所以不大会使硝酸盐还原为亚硝酸盐，因而各种乳制品、腌制品中因乳酸菌代谢产生亚硝酸盐的可能性极小，这对于保护人体健康是非常有利的。乳酸菌也不具有氨基酸脱羧酶，不产生胺类物质，也不产生吲哚和H2S，因而乳酸菌不会使食物发生腐败及产生异味。乳酸菌对肠道内菌群的组成具有非常重要的影响，他们在肠道中对其他微生物具有拮抗作用，例如：产生有机酸、挥发性脂肪酸、乳酸，可降低生境内氧化还原电位和p值，抑制外袭菌的生长和定植；产生过氧化氢争夺营养；产生抗菌性代谢产物。乳酸菌可以刺激分泌型IgA的产生，并且增加干扰素-Υ的生成，而且乳酸菌还可以激活特异性和非特异性的免疫细胞，但只是部分特定的乳酸菌，这主要视细胞壁的组成而定。相关报道指出，乳酸菌具有可以抑制植物病原体和真菌的作用。

乳酸菌的应用^[3]

乳酸菌与人类的关系十分密切，它的应用历史悠久，远在古代，人类就巳经在酿造和食品加工等方面不自觉地启用了乳酸菌。随着科学技术的不断发展，人类对乳酸菌进行了深入地研究，但是人类能动地研究和利用乳酸菌还是近半个世纪以来的事。为了扩大人类食物的来源，丰富食品种类，提高食品的营养价值，在乳酸菌的应用方面开辟了许多新的应用领域，特别是在食品工业方面，乳酸菌得到了非常广泛的应用。

1. 乳酸菌在食品工业中的应用

1)改善食品风味：乳酸菌生成的乳酸和醋酸等可与酵母产生的醇类酯化，形成酯类香味物质。例如利用明串珠菌属和乳杆菌属的部分乳酸菌进行乳酸发酵，它们能转化糖生成双乙酰、乙酰甲基原醇和3-羟基丁酮等芳香成分；此外，有的乳酸菌可将蛋白质分解成肽和氨基酸，这些分解产物可使食品具有丰富而独特的风味。乳酸菌还能降解某些原料的异昧，如保加利亚乳杆菌在发酵牛奶时，可以除去牛奶的生臭味，并产生微弱的香味，同时，乳中的低聚糖还会在人体肠道内产生一股难闻的怪味，但经嗜热链球菌或保加利亚乳杆菌发酵后，则生成无臭且可口的酸乳酪。

2）保健作用：微生物的平衡是肠道内维持动态平衡的重要因素之一，并且像酸奶酪和酸奶的补充已经被证实可以控制腹泻。大量动物模型研究和临床试验证明发酵产品可以改善乳糖不耐症、治疗病毒性腹泻或者与抗生素相关的腹泻，而在这些微生物中，乳酸菌的治疗效果是其他微生物的几倍。乳酸饮料对许多致病菌和腐败性肠内菌显示出异常的阻碍作用，使肠内维持一定的生理状态。乳酸菌进入肠道后迅速生长代谢，产生的乳酸、二氧化碳使肠内pH值迅速降低，抑制了一些腐败菌、致病菌生长。同时，乳链球菌产生的多肽抗菌素-乳酸链球菌素(Nisin)能抑制革兰阳性微生物的生长。日本最初将酸乳称为凝乳，1894年(明治27年)就将酸乳作为调整胃肠功能的药物出售，我国现也有用于肠胃功能失调、助消化的药如乳酶生、乳酸菌素片、促菌生等。最新资料报导：乳酸菌有分解肠道内亚硝酸盐的作用，与降低肿瘤的发病率有关。而且，细菌的乳糖分解酵素可以改善乳糖的吸收，而发酵产品可以降低其在小肠内的运输，提高剩余乳糖分解酵素功能的发挥。利用这一特点，目前已经实现使用乳酸菌生产通过黏膜途径传送的疫苗，这将比一些内吸收的接种疫苗更高效更方便。

3）提高食品的保藏性能：在食品的乳酸菌发酵过程中，乳酸菌能转化糖生成乳酸、醋酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸及醇类，这些物质能抑制有害菌的繁殖，同时某些乳酸菌还能产生乳链球菌素(Nisin)、过氧化氢等抗性物质。

4）提高营养价值：鲜奶、蔬菜汁等经乳酸发酵，可增加食品中的乳酸、醋酸等有机酸及氨基酸等营养成分，大大提高其营养价值，且易被人体消化吸收，更益于老人及儿童食用。

2. 乳酸菌生成物的利用

1）乳酸链球菌素(Nisin)：乳酸链球菌素(Nisin)是一种含有34种氨基酸的多肽，并且其在酸性pH条件下非常耐热。Nisin是一个疏水化合物，并且具有一些非常重要的特性，可作为无毒，热稳定性强，并且具有高贮藏稳定性的食品防腐剂，能被消化酶分解。Nisin在传统上是用来防止干酪由胀气引起的质量缺陷，也被用来抑制Camembert干酪中部分致病菌如Listeriamonocytogenesis的生长。在生产干酪时，向生奶中接入能产生Nisin的乳酸菌已被证明是一种有效地促进干酪中发酵剂菌体裂解的方法，从而有利于干酪特殊风味的形成。Nisin是迄今为止这些细菌素中唯一被用于食品防腐保鲜的品种，作为一种安全无毒的生物防腐剂，目前被美国、欧盟在内的50多个国家用于食品保鲜剂。Nisin是由Lactococcus lactissubsp.lactis产生的一种多肽类细菌素，因为含有多种脱水或羊毛硫氨基酸残基而对革兰阳性菌具有强烈的杀菌作用，如葡萄球菌、肠菌、片球菌、明串球菌、李斯特菌，尤其是形成芽孢的细菌，如芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌有很强的抑制作用。由于细菌的芽孢能耐受巴氏消毒和部分商业无菌处理措施，而Nisin能抑制芽孢的萌发，因此，Nisin被广泛用于热处理食品的防腐。

2）乳酸菌胞外多糖：近10多年来的研究发现，具有一定生物学活性的多糖在生物体内不仅作为能量资源或结构材料，更重要的是参与了生命现象中细胞的各种活动，具有多种生物学功能。研究表明，活性多糖除了具有抗病毒、抗衰老、降血糖、刺激造血等作用外，还有免疫调节与抗肿瘤的生物学功效。其中，来源于乳酸菌的胞外多糖加入到食品中后可以起到增稠、稳定作用，充当乳化剂、凝胶剂并增加与水的结合能力。由于对机体无毒副作用、来源安全可靠等优点，逐渐被人们所关注。乳酸菌胞外多糖(LABEPS)是乳酸菌在生长代谢过程中分泌到细胞壁外的黏液多糖或荚膜多糖。生产EPS的菌株在琼脂平板上的菌落表面可以拉出丝来，即形成所谓黏液性菌落(Mucoidcolony)，如在液体培养中可使培养液黏度增高，表示其具有生成EPS的能力。葡聚糖是由肠膜明串珠菌的葡聚糖蔗糖酶通过生物合成而产生的EPS，它具有多种生理活性，如抗肿瘤活性。目前研究发现，多糖发挥抗肿瘤作用的机制是多途径的。其一，增强宿主免疫功能而发挥抗肿瘤作用，多糖通过激活巨噬细胞、网状内皮系统、T淋巴细胞和B淋巴细胞、补体及促进干扰素(INF)、白细胞介素等多种细胞因子的生成等途径而对机体免疫功能产生影响。其二，某些多糖具有细胞毒性，可直接杀死肿瘤细胞，如牛膝多糖、茯苓多糖、刺五加多糖、银耳多糖、香菇多糖和芸芝多糖等。其三，就是促肿瘤细胞凋亡的作用。凋亡异常是肿瘤发生发展的一个重要因素，在恶性肿瘤中，细胞凋亡比例明显降低。有些多糖可以诱导肿瘤细胞凋亡比例增加，从而抑制肿瘤的发生发展，且多糖还可以通过抑制肿瘤细胞周期，影响血液供应等起到抗肿瘤作用。此外，乳酸菌多糖还能产生细胞膜接触抑制作用。肿瘤细胞表面具有很强的负电荷，而有些多糖可以结合这些电荷，使细胞表面被“中和”，从而有利于细胞接受信号终止分裂。随着生物技术的发展，乳酸菌胞外多糖在医疗、化妆品、细胞和酶技术等方面具有非常高的潜在开发价值。

主要参考资料

[1] 中国中学教学百科全书·生物卷

[2] 乳酸菌的益生功能及作用机制研究进展

[3] 乳酸菌的研究现状及其应用