德氏乳桿菌

德氏乳桿菌是一種革蘭氏陽性，長桿，無鞭毛，無芽孢，菌落圓形，乳白色，邊緣整齊，化能異養性，兼性厭氧，不液化明膠，可利用纖維二糖，果糖，葡萄糖，蔗糖，海藻糖。接觸酶陰性，氧化酶陰性，耐酸，喜溫，生長溫度30-40℃。為德氏乳桿菌作為一種D-乳酸發酵菌種，該菌株可以產較高光學純度的D-乳酸，但其最佳的發酵溫度為37 °C。當培養溫度達到40 °C左右時，D-乳酸的產率顯著降低。

基本介紹

• 中文名：德氏乳桿菌
• 外文名：Lactobacillus delbrueckii

發現及特性

德氏乳桿菌是由 Beijerinck於1901年分離得來，並用德國細菌學家M. Delbruck的名字來命名的一種革蘭氏陽性菌。德氏乳桿菌在培養時對培養基的要求比較高，可利用乳糖、葡萄糖、果糖、甘露糖多種糖類為單一碳源，由於此菌不能合成大部分的胺基酸，所以需要從培養基中獲得。德氏乳桿菌在發酵工業中得以廣泛套用，如乳製品的發酵、肉製品發酵和啤酒發酵，而德氏乳桿菌保加利亞亞種是乳製品發酵中最為常用的菌種之一，是最具有經濟價值的發酵乳酸菌之一。

德氏乳桿菌保加利亞亞種與嗜熱鏈球菌在乳中共同培養時其產酸能力及菌種數量都比單獨在乳中培養時高，表明這兩種菌存在著協同作用。這兩種菌各自的代謝機制可利用彼此釋放的物質滿足自己代謝的需要。嗜熱鏈球菌可以提供甲酸鹽及二氧化碳刺激保加利亞乳桿菌的生長，而保加利亞乳桿菌能夠合成胞外蛋白酶降解原料中的蛋白從而為缺少該種酶的嗜熱鏈球菌提供生長所需的胺基酸及小肽類物質。

主要亞種及特性

德氏乳桿菌保加利亞亞種(Lactobacillus delbrueckii subspecies bulgaricus)通常稱其為保加利亞乳桿菌(Xactobacillm bulgaricm)是用於優酪乳生產的主要乳酸菌菌種之一。在其它天然發酵的產品中也會出現。1905年保加利亞Stamen Grigorov博士第一次將其分離鑑定。保加利亞乳桿菌是厭氧性、舉蘭氏陽性菌。菌體長約2 μm-9 μm，寬約0.5 μm-0.8 μm，單個菌體裡長桿狀或成鏈,兩端鈍圓,不具有運動性,也不產生孢子在乳基質培養基上生長,菌落呈無色或淡白色,菌落表面為不光滑絮狀,直徑在1mm-3mm之間。保加利亞乳桿菌屬於化能異養型微生物,對營養需求較為苟刻。通常情況下,脫脂乳和乳清是乳酸菌的最佳培養基,實驗表明:以乳清加6%脫脂乳作為培養基菌落數相對較多。在代謝其過程中,需要多種生長因子特別是B族維生素,如：吡哆酸(VB6)、鈷胺酸(VB12)、葉酸等。最佳生長溫度範圍是37°C-45°C:,當溫度高於50°C或者低於20°C時菌體不能生長。在培養保加利亞乳桿菌的過程中,碳源、氮源也有一定的要求,酵母粉是常用的培養基成分,其中尼克酸、葉酸、鈷胺酸含量相對較高。研究證實:酵母粉的添加有較顯著地促進了保加利亞乳桿菌的生長。保加利亞乳桿菌糖代謝會產生大量乳酸,乳酸對菌株的生長具有抑制作用,添加緩衝鹽或中和劑可以增進菌株的生長。

產酸特性

優酪乳甜酸適宜與其含有的有機酸和無機酸有關。高品質優酪乳的生產脫離不了優良發酵劑的作用。作為優酪乳發酵劑的主要菌種之一,保加利亞乳桿菌產酸能力不容忽視。保加利亞乳桿菌能利用葡萄糖、果糖、乳糖進行同型乳酸發酵產生D-型乳酸,最高產酸量可達2%。

產香特性

優酪乳味美適口與其特殊的風味密不可分,優酪乳的風味是由以下幾個部分構成:(1)原料奶本身所含有的風味物質;(2)原料乳中的某些物質經過微生物的分解代謝形成的風味物質;(3)發酵時產生的風味物質前體,在貯藏過程中產生了新的風味物質。例如:發酵劑代謝碳水化合物生成乳酸、兩酮酸、丙酸、乙酸、甲酸;分解胺基酸產生乙酸、丙酸、丁酸和戊酸.等有機酸,這些有機無機酸不僅具有特殊的味道還可以賦予優酪乳爽口感,除此之外,還能和醇類物質反應生成具有香氣的西旨類,例如:乙酸與乙醇生成乙酸乙酷等。按照優酪乳的香味可以將優酪乳分為:醛香型和酮香型。保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌混合菌種發酵,代謝產物以乙酸為主屬酵香型發酵乳;單獨或結合使用丁二酮乳鏈球菌和梓檬明串珠菌作發酵劑的代謝風味物質主要為丁二酮,屬酮香型發酵乳。在我國酵香型優酪乳目前居多。研究進一步證實:作為影響優酪乳風味的乙酸、雙乙丑、揮發酸以及酸性物質等關鍵揮發性物質,兩兩間的相關性顯著。

產黏特性

高品質優酪乳的生產與發酵劑菌種的代謝密不可分,菌種對碳水化合物、脂肪、蛋白質的分解代謝是生產高品質優酪乳的關鍵。其中碳水化合物的分解代謝產生了大量的無機酸、有機酸、醇、醒等物質,這些物質與脂肪分解代謝產生的脂肪酸、短鏈脂肪酸共同賦予了優酪乳特殊的風味;當然,蛋白質水解生成的多肽、短肽、胺基酸,對提高優酪乳營養價值的作用更加不容忽視。菌種合成代謝在高品質優酪乳的生產中同樣不可小覷,因為合成代謝途徑形成了有利於改善優酪乳點度、質地和促進人體健康的胞外多糖。胞外多糖是乳酸菌合成代謝過程中分泌到細胞外,滲於培養基中的一類多糖化合物。這些多糖有的依附於菌體細胞壁形成莢膜,稱為莢膜多糖;有的進入培養基形成粘液,稱為粘液多糖。它們都是乳酸菌代謝的次級產物。胞外多糖不僅具有增稠、穩定、乳化、膠凝及持水作用,同時還具有提高免疫活性、抗腫瘤、抗潰瘍等活性國內外學者對作為產胞外多糖乳酸菌菌種之一的德氏乳桿菌保加利亞亞種,進行了許多研究。據Ceming等報導德氏乳桿菌保加利亞亞種胞外多糖的產量一般為55-150mg/L。當然,並不是所有保加利亞乳桿菌菌株都產胞外多糖,菌種產胞夕多糖還與具體菌株有關。研究指出一株產胞外多糖的嗜熱鏈球菌和一株不產胞外多糖的保加利亞乳桿菌一起在乳中培養時,胞外多糖的產量可達800mg/L,遠遠高於單菌株培養時胞外多糖的產量,說明保加利亞乳桿菌可促進嗜熱鏈球菌產胞外多糖的量。產生胞外多糖的條件不一定是菌株的最佳生長條件一些研究表明,在低於菌株最適生長溫度的條件下接種,可以提高胞外多糖產量。GassemM.A.等研究認為:較低的接種溫度將活菌數量緩慢增加,延長了菌株對數期和穩定期,從而促進胞外多糖的形成。

在工業中的套用

德氏乳桿菌可以提高食品的營養價值,改善食品風味,提高食品的保藏性和附加值。此外,大量研究表明,德氏乳桿菌具有許多特殊的生理功能。例如,德氏乳桿菌能夠改善腸道微生態平衡,抑制有害物質的產生；提高蛋白質和微量元素的利用率；降低血清膽固醇降血壓；抗腫瘤,提高機體免疫力等。由於德氏乳桿菌具有以上特殊的營養功效和生理功能,其與人類的生產生活密切相關,在食品、養殖、醫療保健、化工等行業均有廣泛的套用前景。

在食品工業中的套用

德氏乳桿菌在乳製品加工業、植物蛋白飲料生產和蔬菜深加工等食品工業領域具有廣泛的套用。其中,發酵乳製品是德氏乳桿菌發酵套用最多、最為成熟的領域,其主要產品有優酪乳、奶油和奶酷德氏乳桿菌不僅為發酵乳製品提供了特殊的風味、質地和營養功效,而且賦予了發酵乳製品特殊的食療功效。因此,德氏乳桿菌作為益生菌發酵劑是乳製品工業中生產中運用最廣泛的菌種之一具有極高的經濟價值。

在養殖業中的套用

抗菌藥物的濫用造成了藥物殘留及大量耐藥菌株的產生,例如抗生素的套用等,給人類健康造成了極大危害。因此,發展綠色無公害的飼料添加劑,是二十一世紀飼料工業的重要研究方向,飼用微生物製劑是實現這一目標的主要途徑,德氏乳桿菌在微生物製劑領域的套用愈來愈受到人們的重視。國內外均有大量詞養臨床研究證明,!氏乳桿菌作為飼料添加劑具有預防疾病、降低病死率、促進生長、提高飼料轉化率等作用。例如,許提森研究發現德氏乳桿菌對肉雞腸道菌群的影響與抗生素具有相近的效果,因此,在肉雞的養殖中德氏乳桿菌可以作為飼料添加劑而取代抗生素的套用。

在化工領域中的套用

乳酸可經過聚合生成的直鏈或環狀聚乳酸,聚乳酸是乳酸衍生物在化工領域最顯著的用途。聚乳酸是一種無毒、無剌激性、強度高、可塑性好、具有良好生物可降解性的新型生物,最重要的是具有生物相容性,其分子中的長鏈經微生物生化代謝後,強度降低甚至脆化,變成小顆粒進入土壤,可以減少污染環境,用聚乳酸材料代替聚乙稀材料是解決當今存在的白色污染問題的途徑之一。因此,通過微生物發酵生產乳酸己引起世界各國濃厚的興趣,德氏乳桿菌作為產乳酸能力最強的乳桿菌擁有巨大的潛在市場。劉鵬等利用德氏乳桿菌保加利亞亞種經He-Ne雷射器誘變篩選得到了高產乳酸的菌株。

面臨的氧脅迫

德氏乳桿菌憑藉其在食品加工、活性功能和安全性方面的優勢,在多種工業領域中得到了廣泛的套用。然而,其在工業生產中會面臨許多物理的、化學的或者營養因素的脅迫作用,包括氧脅迫、酸脅迫高溫脅迫、冷脅迫、滲透壓脅迫、飢餓脅迫和乾燥脅迫等,從而影響細胞的許多重要生理功能和性質,並直接影響發酵過程和代謝產物的產生,抑制細胞的生長,嚴重時會導致生長停滯和細胞死亡。因此,對脅迫的抗性是作為工業微生物的德氏乳桿菌的重要生理功能之一,其中氧脅迫是目前較受關注的脅迫作用之一。氧本身對乳酸菌細胞無害,但是氧的還原過程、有氧呼吸等代謝過程中氧分子通過單電子還原反應會產生活性氧(reactive oxygen species,ROS),包超氧陰離子自由基(CV)、過氧化氫(H2O2)和輕自由基(OH)等中間產物,具有較氧分子活撥的化學反應性,對厭氧菌是有害的。德氏乳桿菌屬於兼性厭氧菌,其在糖酵解中產生的NADH的再生主要依賴丙酮酸還原生成乳酸的過程,因而不需要氧的參與。雖然不同菌株對氧的耐受能力不同,但總的來說,氧對其生長不利。因為在有氧條件下其胞內的NADH氧化酶將02轉化成H2O2。由於缺乏過氧化物酶和過氧化氫酶等清除H2O2的抗氧脅迫系統，其胞內大量積累H2O2。H2O2的氧化性很強,可以參與和生成氧自由基的的很多反應,例如通過Fenton反應生成損害性更強的輕自由基,這些氧自由基可以通過抽氧、歧化、化合、取代加成等多種反應與細胞中的生物大分子發生反應,從而加速細胞的老化和死亡,降低生長速率,形成氧脅迫,當細胞受到高濃度的ROS作用或胞內抗氧脅迫系統的抗氧化功能降低時,胞內的氧化還原平衡態被破壞時可引起脂質、蛋白質及DNA等生物大分子損傷和二硫鍵的形成,影響細胞膜的通透性和滲透調節作用,最終導致細胞的死亡。

雖然工業發酵中培養德氏乳桿菌都是在不通氣條件下進行,但在實際操作過程中不可避免地會遇到氧,例如,為了使培養基分布均勾,必須進行低轉速攬拌,這樣,德氏乳桿菌在消耗氧的過程中,就會產生一系列活性氧,其對蛋白、脂質以及核苷酸的進攻所造成的細胞老化,從而降低菌株的最大生長速率和最終的細胞密度。德氏乳桿菌對環境中氧含量要求苟刻,這給生產廠家在技術管理上帶來麻煩,並且若要在生產、包裝、藏和攝入過程中長時間維持活菌量也十分困難。因此,選育耐氧型德氏乳桿菌菌株將會極大地促進其套用開發。