乳酸菌在農(nóng)業(yè)和食品加工中的應(yīng)用研究進展

何 進，徐思楊，劉 波，王階平

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院 農(nóng)業(yè)微生物學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)生物資源研究所，福建 福州 350003)

乳酸菌(lactic acid bacteria)是指發(fā)酵糖類物質(zhì)的主要終產(chǎn)物為乳酸的細菌總稱，人們熟知的乳酸菌包括乳桿菌屬(Lactobacillus)、片球菌屬(Pediococcus)、明串珠菌屬(Leuconostoc)、乳球菌屬(Lactococcus)、鏈球菌屬(Streptococcus)和雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)等少數(shù)屬的種類。乳酸菌廣泛分布于人、動物、植物的體表和體內(nèi)，以及土壤、發(fā)酵食品中。許多乳酸菌是人和動物胃腸道、泌尿生殖道、母乳、口腔、皮膚等的正常菌群。在系統(tǒng)分類學(xué)上，乳酸菌至少包括厚壁菌門(Firmicutes)4綱7目18科39屬653種和放線菌門(Actionmycetota)2綱2目3科12屬88種[1]。一些來源于傳統(tǒng)發(fā)酵食品的乳酸菌(包括大多數(shù)乳桿菌和鏈球菌等)被美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)登記為“一般認為安全”(generally recognized as safe，GRAS)，是可用于食品的菌種(https://www.accessdata.fda.gov/scripts/fdcc/?set=GRASNotices)，被稱為食品級乳酸菌[2-3]。歐洲食品安全局(European Food Safety Authority，EFSA)于2007年提出了“合格的安全推定”(qualified presumption of safety，QPS)的概念，以指導(dǎo)對用于食物鏈(食品及飼料添加劑、食品保鮮劑等)的微生物開展安全評價。目前，進入QPS清單的乳酸菌包括乳桿菌屬、片球菌屬、明串珠菌屬、乳球菌屬、鏈球菌屬的部分種類共計24種(https://www.efsa.europa.eu/en/topics/topic/qualified-presumption-safety-qps)。我國公布的最新版《可用于食品的菌種名單》中就包含了35種(亞種)的乳酸菌，其分類地位見表1。乳酸菌能產(chǎn)生多種效應(yīng)分子，例如，定位于細胞表面的S-層蛋白、胞外多糖、胞壁肽等高分子物質(zhì)，細菌素、脂肽等抗菌物質(zhì)，色氨酸、組氨酸相關(guān)的中間代謝產(chǎn)物，乳酸、短鏈脂肪酸、γ-氨基丁酸等有機酸，以及乳糖酶、膽鹽水解酶等功能酶[4-6]，因而賦予其緩解乳糖不耐受、減輕腹瀉、治療消化性潰瘍、抗過敏、抗感染以及抗腫瘤等作用[7-9]。一些乳酸菌(特別是乳桿菌和乳球菌)具有調(diào)節(jié)免疫、修復(fù)腸道菌群、合成抗菌物質(zhì)的益生功能，被用作治療性蛋白、抗原蛋白和DNA疫苗的遞呈載體，這些重組乳酸菌往往會取得較好的保護性免疫應(yīng)答和治療效果[10-11]。乳酸菌已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)(畜禽養(yǎng)殖、種植、水產(chǎn))、食品、醫(yī)學(xué)(如益生菌、保健品、疫苗載體)、生物技術(shù)和環(huán)保等領(lǐng)域[12-13]，本文就乳酸菌在農(nóng)業(yè)、食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用研究進展進行簡要綜述。

表1 我國公布的最新版《可用于食品的菌種名單》中乳酸菌Table 1 Lactic Acid bacteria in the latest version of the List of Bacteria Used in Food Published in China

1 乳酸菌在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 乳酸菌用于畜禽養(yǎng)殖的飼料添加劑

乳酸菌用作畜禽養(yǎng)殖的飼料添加劑，能起到促進動物腸道健康、調(diào)節(jié)免疫、提高飼料轉(zhuǎn)換率、改善肉品品質(zhì)等益生功能。Dowarah等[14]從28日齡的健康斷奶仔豬糞便中分離到30株乳酸菌，其中乳酸片球菌(Pediococcusacidilactici)FT28具有最強的酸和膽鹽(3 g/L)的耐受性，最高的植酸酶活性、細胞表面疏水性、對常見病原菌的拮抗活性，對豬腸道表皮細胞有較強的黏附能力；在斷奶仔豬的基礎(chǔ)日糧中添加嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)NCDC15或乳酸片球菌FT28均能提高飼料轉(zhuǎn)換率(feed conversion rate，F(xiàn)CR)；育肥豬的飼喂試驗結(jié)果表明，添加乳酸片球菌FT28能提高豬的生長性能、采食量，降低豬的血糖水平，提高豬的屠宰率、要豁器官重量(vital organ weight)、腰部肌肉的粗油脂重量，改善了腸道的絨毛高度(villi height)和隱窩深度(crypt depth)。Varada等[15]在摩拉水牛牛犢的基礎(chǔ)日糧中每天添加羅伊氏黏液乳桿菌(Limosilactobacillusreuteri)BF-E7和唾液聯(lián)合乳桿菌(Ligilactobacillussalivarius)BF-17(1×108cfu/g)，能顯著提高牛犢的干物質(zhì)采食量(dry matter intake，DMI)、平均日增重(average daily gain，ADG)、凈體增重(net body weight gain)、飼料轉(zhuǎn)化率和結(jié)構(gòu)增長測度(structural growth measurement)；也使牛消化道中的乳桿菌和雙歧桿菌等有益細菌的豐度明顯提高。

An等[16]在北京鴨鴨苗的基礎(chǔ)日糧添加400 mg/kg或800 mg/kg的植物乳植桿菌(Lactiplantibacillusplantarun)制劑(含菌量為5×109cfu/g)，結(jié)果表明，在21 d時，兩個試驗組血清中的IL-1β和IFN-γ含量下降，回腸細胞中IL-1β的轉(zhuǎn)錄水平也降低了；同時，回腸細胞中MHC-II、IL-4、緊密連接蛋白Claudin和閉合蛋白Occludin的轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)；兩個試驗組的腸道厚壁菌門細菌豐度提高，而擬桿菌門(Bacteroidetes)豐度下降；試驗結(jié)束時，兩個試驗組的血清補體3和β-防御素的水平升高，說明每天飼喂植物乳植桿菌可以提高北京鴨的生產(chǎn)性能，改善其腸道健康。Mikulski等[17]在海蘭褐殼蛋雞的基礎(chǔ)日糧中添加乳酸片球菌MA18/5M，從32周齡飼喂到47周齡，結(jié)果表明，補充益生菌能增加雞蛋重量、蛋殼厚度，并明顯改善FCR，而且飼喂低熱量密度的日糧能促進蛋雞對益生菌的響應(yīng)，改善其能量利用效率。

1.2 乳酸菌用于青貯飼料的發(fā)酵生產(chǎn)

青貯過程是將青飼草轉(zhuǎn)變?yōu)榍噘A飼料的厭氧發(fā)酵過程，其主要難題是通過發(fā)酵將植物原料轉(zhuǎn)化為營養(yǎng)價值高、微生物區(qū)系優(yōu)良的飼料，同時盡可能減少營養(yǎng)物質(zhì)的流失。通常青飼草的附生乳酸菌并不能有效啟動青貯發(fā)酵過程，因此，外源乳酸菌發(fā)酵劑被廣泛應(yīng)用于青貯飼料的生產(chǎn)，以促進發(fā)酵過程[18]。

Wang等[19]在實驗室筒倉中研究了乳酸片球菌和市售發(fā)酵劑植物乳植桿菌MTD-1對意大利黑麥(Loliummultiflorum)、葦狀羊茅(Festucaarundinacea)和燕麥(Avenasativa)青貯發(fā)酵的品質(zhì)影響。結(jié)果表明，接種發(fā)酵劑30 d后明顯增加了黑麥和燕麥青貯飼料的乳酸含量、乳酸菌數(shù)量和體外干物質(zhì)可消化性(dry matter digestibility，IVDMD)，降低了pH、有害微生物的數(shù)量、丁酸和銨態(tài)氮(NH3-N)含量；接種發(fā)酵劑對葦狀羊茅的發(fā)酵質(zhì)量沒有明顯提高，但顯著增強了其青貯飼料的IVDMD。Jaipolsaen等[18]比較了植物乳植桿菌J39、短乳桿菌(Lactobacillusbrevis)BCC42336和戊糖片球菌(Pediococcuspentosaceus)TBRC7603作為發(fā)酵劑對飼料玉米和象草青貯發(fā)酵質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，象草的附生乳酸菌數(shù)量遠低于飼料玉米。因此，添加外源乳酸菌發(fā)酵劑對象草尤為重要，而且添加植物乳植桿菌的效果最好。Fan等[20]用市售發(fā)酵劑YX和植物乳植桿菌ZZUA493在真空和非真空條件下青貯發(fā)酵紫花苜蓿。結(jié)果表明，無論真空還是非真空條件下，添加乳酸菌發(fā)酵劑均能提高飼料的乳酸含量，降低pH和NH3-N含量；而且乳桿菌屬或片球菌屬成為優(yōu)勢屬，加西亞氏菌屬(Garciella)豐度降低；添加乳酸菌發(fā)酵劑均能降低真菌毒素含量；無論是否添加發(fā)酵劑，真空條件下的真菌毒素明顯低于非真空發(fā)酵。因此，添加發(fā)酵劑和真空條件有利于提高紫花苜蓿的青貯飼料的質(zhì)量。

然而，不同的植物原料，需要篩選不同的乳酸菌菌種和菌株，保證青貯質(zhì)量和飼料營養(yǎng)，不可能依靠1個菌株打遍天下[21]。例如，Guan等[22]利用從象草分離的植物乳植桿菌CZ149、唾液聯(lián)合乳桿菌XH358、鼠李糖乳酪桿菌(Lacticaseibacillusrhamnosus)XH753和副干酪乳酪桿菌(Lacticaseibacillusparacasei)XH761進行玉米的青貯發(fā)酵。結(jié)果表明，60 d后，鼠李糖乳酪桿菌XH753發(fā)酵的青貯飼料黃曲霉素B1含量和乳酸/乙酸比最低，在嗜熱條件下好氧暴露5 d后，有氧穩(wěn)定性最好、黃曲霉素B1含量最低；植物乳植桿菌CZ149發(fā)酵的青貯飼料黃曲霉素B1含量最高，有氧穩(wěn)定性最差。

青貯飼料的有氧穩(wěn)定性是指青貯飼料在儲藏和飼喂動物期間，pH、溫度不升高，依然保持新鮮、氣味酸香的能力。布氏慢生乳桿菌(Lentilactobacillusbuchneri)是常用的青貯飼料發(fā)酵劑，它進行異型乳酸發(fā)酵，能將乳酸轉(zhuǎn)化為乙酸和1,2-丙二醇，因此，能提高青貯飼料的有氧穩(wěn)定性，且不影響動物的生產(chǎn)性能[23]。

1.3 乳酸菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用

乳酸菌被廣泛用于水產(chǎn)病害的防治。Wei等[24]發(fā)現(xiàn)用植物乳植桿菌W2飼喂太平洋白對蝦(Litopenaeusvannamei)，能促進對蝦的生長，調(diào)節(jié)對蝦的免疫，降低對蝦暴露于副溶血弧菌(Vibrioparahaemolyticus)后的死亡率。Chomwong等[25]從太平洋白對蝦腸道中分離到對副溶血弧菌有較強的抑制活性的植物乳植桿菌SGLAB01和乳酸乳球菌(Lactococcuslactis)SGLAB02，飼喂對蝦后，它們能黏附并定殖于腸道，調(diào)節(jié)對蝦的免疫，增強對蝦抗副溶血弧菌感染的能力。

三甲胺(trimethylamine，TMA)是引起魚腥味的主要物質(zhì)，在儲藏過程中的細菌代謝會增加魚肉的TMA含量。研究表明，用植物乳植桿菌H78處理可以有效清除魚肉的TMA[26]。Park等[27]從韓國傳統(tǒng)發(fā)酵食品中分離到15株能清除TMA的乳酸菌，用5株清除能力最強的乳酸菌(植物乳植桿菌SKD 1和SKD 4、副植物乳植桿菌(Lactiplantibacillusparaplantarum)SKD 15、斯氏片球菌(Pediococcusstilesii)SKD 11、戊糖片球菌SKD 14)進行腐爛魚樣品的TMA原位清除試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這5株乳酸菌的無細胞發(fā)酵上清液的TMA原位清除率分別為45%、62%、60%、59%和52%。

1.4 乳酸菌在植物病害生物防治方面的應(yīng)用

乳酸菌已被用于植物病害的生物防治。例如：Daranas等[28]從55株乳酸菌中篩選到對丁香假單胞菌獼猴桃致病變種(Pseudomonassyringaepv.actinidiae)、樹生黃單胞菌李致病變種(Xanthomonasarboricolapv.pruni)和草莓黃單胞菌(Xanthomonasfragariae)有廣譜抑制活性的植物乳植桿菌CC100、PM411和TC92菌株以及腸膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)CM160和CM209菌株，溫室生防試驗結(jié)果表明，植物乳植桿菌PM411和TC92能有效防治三種病原菌侵染相應(yīng)宿主植物，其田間防效與市售商品(解淀粉芽胞桿菌(Bacillusamyloliquefaciens) D747、枯草芽胞桿菌(Bacillussubtilis) QST713、殼聚糖、S-甲基苯并噻二唑、銅制劑和春日霉素)相當(dāng)。

2 乳酸菌用于食品加工與保鮮

乳酸菌是食品加工和保鮮中常用的微生物，可以改善食品的風(fēng)味和感官品質(zhì)、提高營養(yǎng)價值、增強食品的抗氧化和抗菌能力、延長貨架期、降低真菌毒素等[29]。

2.1 乳酸菌用于肉制品加工與保鮮

人們對食品質(zhì)量和安全的要求越來越高，化學(xué)防腐劑在肉制品上的應(yīng)用受到限制。而乳酸菌及其抗菌代謝產(chǎn)物被用于不同肉制品的保鮮，可以有效抑制致腐菌的生長，延長肉制品的貨架期[30]。例如，一些產(chǎn)細菌素(bacteriocin)的乳酸菌可以作為肉制品加工的發(fā)酵劑和保鮮劑[31]。

鋅-原卟啉(zinc protoporphyrin，ZnPP)可以替代亞硝酸/硝酸鹽來改善肉制品的色澤。Kauser-Ul-Alam等[32]發(fā)現(xiàn)，在香腸加工過程中添加產(chǎn)ZnPP的乳酸乳球菌乳脂亞種(Lactococcuslactissubsp.cremoris)和乳酸明串珠菌(Leuconostoclactis)，香腸的外表和內(nèi)部都呈現(xiàn)出亮紅色，與添加亞硝酸鹽的色澤接近；添加乳桿菌，香腸的外表為褐色。Kauser-Ul-Alam等[33]篩選到25株能在豬肉中產(chǎn)生ZnPP的乳酸菌，它們在3% NaCl、30 ℃、pH 5.5和pH 6.5的條件下生長良好，亞硝酸鹽完全抑制ZnPP的合成；13株食品級的乳酸菌(包括植物乳植桿菌、乳酸明串珠菌)能使加鹽碎肉保持亮紅色。Asaduzzaman等[34]發(fā)現(xiàn)在加鹽碎肉中添加乳酸乳球菌、腸膜明串珠菌和屎腸球菌(Enterococcusfaecium)能產(chǎn)生亮紅色、高ZnPP自體熒光；加熱后，碎肉仍能保持一定的亮紅色、ZnPP自體熒光，因此，可以用食品級的產(chǎn)ZnPP乳酸菌替代亞硝酸/硝酸鹽改善肉制品的色澤。

肉制品(如熟火腿)中常用親水膠體改善品質(zhì)，利用產(chǎn)胞外多糖的乳酸菌也可以提高其品質(zhì)[35]。Dertli等[36]發(fā)現(xiàn)，在土耳其發(fā)酵香腸的加工過程中添加產(chǎn)胞外多糖的乳酸菌能明顯改善口感，香腸變得更硬、低黏性、更有彈性，香腸內(nèi)形成網(wǎng)狀的微結(jié)構(gòu)。薩拉米(salami)是歐洲尤其是南歐民眾喜愛食用的一種腌制肉腸，一般是單一種肉類，不經(jīng)過任何烹飪，只經(jīng)過發(fā)酵和風(fēng)干程序。Velasco等[37]分析了產(chǎn)雜多糖的植物乳植桿菌TMW 1.1478作為發(fā)酵劑對薩拉米口感的影響。結(jié)果表明，植物乳植桿菌發(fā)酵的薩拉米質(zhì)地明顯變軟；不同的發(fā)酵溫度影響風(fēng)干速度，植物乳植桿菌發(fā)酵需要更長的風(fēng)干時間。

研究表明，利用乳酸菌發(fā)酵加工肉制品，可以降低其亞硝酸鹽含量和用鹽量。Chen等[38]將從侗族發(fā)酵酸肉中分離的植物乳植桿菌CMRC6和清酒廣布乳桿菌(Latilactobacillussakei)CMRC15作為中式發(fā)酵干香腸的發(fā)酵劑。結(jié)果表明，CMRC6和CMRC15均有較強的亞硝酸還原能力；CMRC6和CMRC15發(fā)酵的香腸中，乳酸菌是優(yōu)勢菌群，腸桿菌科(Enterobacteriaceae)的細菌被明顯抑制；發(fā)酵香腸在熟化過程中亞硝酸含量迅速降低；香腸質(zhì)地和口感得到明顯改善。Xu等[39]研究了用發(fā)酵黏液乳桿菌(Limosilactobacillusfermentum)完全替代亞硝酸鹽對中式發(fā)酵香腸品質(zhì)和安全的影響。結(jié)果表明，添加發(fā)酵黏液乳桿菌的香腸呈現(xiàn)出與添加50 mg/kg亞硝酸鹽相同的粉紅色色澤，降低香腸亞硝酸鹽殘留風(fēng)險；添加發(fā)酵黏液乳桿菌增加了游離氨基酸含量，降低了生物胺含量；感官分析結(jié)果表明，添加發(fā)酵黏液乳桿菌明顯改善了香腸的味道、氣味、酸度和整體接受度。Hu等[40]分析了彎曲廣布乳桿菌(Latilactobacilluscurvatus)、清酒廣布乳桿菌、希臘魏斯氏菌(Weissellahellenica)和植物乳植桿菌對低鹽哈爾濱干香腸口感的影響。結(jié)果表明，添加乳酸菌發(fā)酵劑能提高香腸的含水量、水活性，降低香腸pH值；總游離氨基酸含量明顯提高；添加希臘魏斯氏菌，香腸的有機酸含量更高。因此，添加乳酸菌發(fā)酵劑可以改善低鹽干香腸的口感。

2.2 乳酸菌用于奶制品加工

乳酸菌用作奶酪等傳統(tǒng)食品的發(fā)酵劑，可以加速發(fā)酵進程、提高品質(zhì)。Carafa等[41]在大桶奶中分別接種發(fā)酵劑、發(fā)酵劑+低濃度非發(fā)酵劑、發(fā)酵劑+高濃度非發(fā)酵劑，然后分別取大桶奶原料、發(fā)酵24 h和7個月的奶酪，進行微生物計數(shù)分析。結(jié)果表明，中溫球菌是所有發(fā)酵24 h奶酪的優(yōu)勢種群，而球菌和乳桿菌是發(fā)酵7個月的奶酪的優(yōu)勢種群；高通量測序結(jié)果表明，乳球菌和鏈球菌的豐度最高，乳酸乳球菌乳酸亞種(Lactococcuslactissubsp.lactis)68在早期影響牛奶中的乳酸乳球菌乳脂亞種的繁殖，鼠李糖乳酪桿菌抑制其他乳桿菌的生長；與沒有添加發(fā)酵劑的奶酪相比，添加了發(fā)酵劑的成熟奶酪具有更好的感官特性(如外觀、氣味、味道和口感)；添加高濃度非發(fā)酵劑鼠李糖乳酪桿菌的成熟奶酪的短鏈脂肪酸和共軛亞油酸含量高。

葉酸是人類不能合成的B族維生素，利用乳酸菌發(fā)酵可以顯著提高酸奶或奶酪中的葉酸含量。Laio等[42]對分離自阿根廷手工酸奶的92個德氏乳桿菌保加利亞亞種(Lactobacillusdelbrueckiisubsp.bulgaricus)和嗜熱鏈球菌(Streptococcusthermophilus)菌株進行產(chǎn)葉酸能力的篩選。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4個德氏乳桿菌保加利亞亞種和32個嗜熱鏈球菌的菌株均能在無葉酸培養(yǎng)基中生長；德氏乳桿菌保加利亞亞種CRL 863、嗜熱鏈球菌CRL 415和CRL 803產(chǎn)葉酸能力最強，它們在無葉酸培養(yǎng)基中的胞外葉酸含量為22.3～135 μg/L，在脫脂奶中發(fā)酵，葉酸含量提高了190%。Albano等[43]篩選出70株乳酸菌，發(fā)現(xiàn)干酪乳酪桿菌(Lacticaseibacilluscasei)、植物乳植桿菌、副干酪乳酪桿菌副干酪亞種(Lacticaseibacillusparacaseisubsp.paracasei)、鼠李糖乳酪桿菌、德氏乳桿菌保加利亞亞種、嗜熱鏈球菌、乳酸乳球菌乳酸亞種、屎腸球菌和乳酸腸球菌(Enterococcuslactis)中的47個菌株能產(chǎn)生葉酸；屎腸球菌VC223和乳酸腸球菌BT161在培養(yǎng)基中的葉酸產(chǎn)量分別為(123 625.74 ± 8.00) ng/mL及(384.22 ± 5.00) ng/mL。用5株乳酸菌進行奶酪發(fā)酵，干酪乳桿菌VC199發(fā)酵奶酪熟化30 d后的葉酸含量提高了54%；副干酪乳酪桿菌SE16和乳酸腸球菌BT161發(fā)酵奶酪熟化60 d后的葉酸含量分別提高了108%和113%，均超過100 ng/100 g奶酪。Czarnowska-Kujawska等[44]在巴氏奶中添加4種商業(yè)化的發(fā)酵劑組合，評價了乳酸菌在發(fā)酵酸奶8 ℃低溫存儲21 d的過程中產(chǎn)葉酸和共軛亞麻酸的能力。結(jié)果表明，發(fā)酵劑種類和低溫存儲時間明顯影響發(fā)酵酸奶的葉酸和共軛亞麻酸含量；添加發(fā)酵劑組合德氏乳桿菌(Lactobacillusdelbrueckii)、嗜熱鏈球菌和雙歧雙歧桿菌(Bifidobacteriumbifidum)的新鮮發(fā)酵酸奶中的葉酸含量最高，達105.4 μg/kg；也只有該組合能在低溫存儲過程中合成葉酸，7 d后葉酸含量增加了59%；雙歧雙歧桿菌發(fā)酵的酸奶在低溫存儲21 d后，共軛亞麻酸含量有所提高。

此外，乳酸菌發(fā)酵可以有效降低奶酪等食品的膽固醇水平。Albano等[45]評價了58株乳酸菌在含有膽固醇和膽酸的培養(yǎng)基中的存活能力。結(jié)果表明，膽固醇降解能力強的菌株(干酪乳酪桿菌VC199、副干酪乳酪桿菌副干酪亞種SE160和VC213、植物乳植桿菌VS166和VS513、屎腸球菌VC223和乳酸腸球菌BT161)能將培養(yǎng)基中的膽固醇降低42%～55%；用這些菌株發(fā)酵生產(chǎn)奶酪，熟化60 d的奶酪的乳酸菌含量均超過107cfu/g，膽固醇含量均降低，副干酪乳酪桿菌副干酪亞種VC213和乳酸腸球菌BT161最高可降低23%的膽固醇，而且對奶酪感官特性沒有負面影響。因此，這些菌株可用于低膽固醇功能食品的生產(chǎn)。

2.3 乳酸菌應(yīng)用于植物基飲料的發(fā)酵

近年來，消費者對植物發(fā)酵飲料的接受度越來越高。而且，乳酸菌在發(fā)酵水果和蔬菜時，能產(chǎn)生小肽、維生素(特別是B族維生素)、γ-氨基丁酸、酚類、有機硫化合物等。因此，飲用乳酸菌發(fā)酵的水果和蔬菜飲料能帶來健康補益[46]。利用乳酸菌發(fā)酵果汁，通過物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生獨特的芳香氣味、降低糖含量、改善營養(yǎng)價值、延長果汁飲料的貨架期，這些益生功能飲料在國際市場上深受消費者(特別是乳糖不耐受或素食者)青睞[47]。

Cichońska等[48]用乳酸菌和丙酸桿菌(Propionibacteriumsp.)發(fā)酵生產(chǎn)酸奶型稻米發(fā)酵飲料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，乳酸菌和丙酸桿菌聯(lián)合發(fā)酵后，稻米發(fā)酵飲料中的乳桿菌、嗜熱鏈球菌和動物雙歧桿菌乳亞種(Bifidobacteriumanimalissubsp.lactis)的含量均約為108cfu/mL；稻米發(fā)酵飲料在6 ℃儲藏14 d后的硬度為2.90～10.40 N、黏度為13.79～42.16 mJ、脫水收縮率(syneresis)為29%～31%，與牛奶發(fā)酵酸奶相近。Cele等[49]比較了植物乳植桿菌75、假腸膜明串珠菌(Leuconostocpseudomesenteroides)56發(fā)酵和未發(fā)酵的芒果汁的理化性質(zhì)、芳香物質(zhì)、抗氧化活性、總酚含量和感官特性。結(jié)果表明，乳酸菌發(fā)酵24 h效果較好，植物乳植桿菌75發(fā)酵的酸度、總酚含量、抗氧化活性均顯著提高，產(chǎn)生新的芳香物質(zhì)(包括醇類、脂類、酮類、醛類)；假腸膜明串珠菌56發(fā)酵的β-胡蘿卜素含量明顯提高、色澤明亮。Mashitoa等[50]用植物乳植桿菌75、食物魏斯氏菌(Weissellacibaria)64和假腸膜明串珠菌56發(fā)酵番木瓜汁。結(jié)果表明，番木瓜汁經(jīng)乳酸菌發(fā)酵后pH值降低，番木瓜汁的色差ΔE值增加，從綜合表現(xiàn)看，植物乳植桿菌75發(fā)酵番木瓜汁的效果最佳。

由于遺傳、免疫、環(huán)境等因素和腸道菌群失調(diào)，導(dǎo)致消化道炎癥性疾病在全球高發(fā)，大量的研究發(fā)現(xiàn)，一些產(chǎn)維生素(特別是核黃素和葉酸)并具有免疫刺激活性的乳酸菌，可以用于消化道炎癥性疾病的預(yù)防和輔助治療[51]。Ge等[52]從泡菜汁中篩選到90株產(chǎn)核黃素的乳酸菌，核黃素產(chǎn)量為0.096～0.7 mg/L，其中植物乳植桿菌RYG-YYG-9049的產(chǎn)量最高。用玫瑰黃色素(roseoflavin)誘導(dǎo)RYG-YYG-9049自發(fā)突變，其突變體的核黃素產(chǎn)量為1.013～2.332 mg/L，突變體RYG-YYG-9049-M10的產(chǎn)量最高；序列分析結(jié)果表明，合成核黃素的編碼基因(ribA、ribB、ribC、ribH和ribG)均未發(fā)生突變，但其操縱子上游調(diào)節(jié)區(qū)插入了一個1 059 bp 的DNA片段；將RYG-YYG-9049和RYG-YYG-9049-M10用于豆奶發(fā)酵，經(jīng)優(yōu)化，發(fā)酵豆奶的核黃素含量最高可達2.92 mg/L。因此，RYG-YYG-9049-M10可用于富含核黃素功能食品的開發(fā)利用。

2.4 乳酸菌用于低糖食品和飲料的加工

低糖食品和飲料是食品行業(yè)的發(fā)展方向之一。糖醇的甜度與蔗糖相近，但它的熱量卻更少，食用糖醇更有助于控制體重；糖醇不會被口腔中的微生物利用，有助于預(yù)防齲齒。異型發(fā)酵乳酸菌(heterofermentative lactic bacteria)能將一部分可發(fā)酵的糖類轉(zhuǎn)化為甘露醇。Rice等[53]從10份非小麥面粉的發(fā)酵酸面團中分離到52株產(chǎn)甘露醇的乳酸菌，其中有6株為異型發(fā)酵乳酸菌，隸屬于乳桿菌屬、明串珠菌屬和魏斯氏菌屬(Veissella)；檸檬明串珠菌(Leuconostoccitreum)TR116產(chǎn)甘露醇的能力最強，它能消耗95%的可利用果糖，每消耗1 g果糖可產(chǎn)生0.68 g甘露醇；用6株異型發(fā)酵乳酸菌發(fā)酵蘋果汁時，可發(fā)酵糖減少量為30.3～74.0 g/L(即34%～72%)；在1 L規(guī)模的發(fā)酵罐中，檸檬明串珠菌TR116能使發(fā)酵蘋果汁的可發(fā)酵糖降低98.6 g/L(83%)，并產(chǎn)生61.6 g/L的甘露醇。Rice等[54]用檸檬明串珠菌TR116進行大麥、燕麥和小麥三種麥芽汁的發(fā)酵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種麥芽汁中的果糖被完全消耗，總可發(fā)酵糖減少量超過25%；不同麥芽汁的氨基酸組成差異不影響檸檬明串珠菌TR116的生長，但影響芳香物質(zhì)丁二酮和異戊醇的形成；三種麥芽汁經(jīng)發(fā)酵后，有機酸的含量相近。市場上出售的漢堡面包蔗糖含量高達10%(質(zhì)量分數(shù))，Sahin等[55]用檸檬明串珠菌TR116發(fā)酵小麥酸面團以降低蔗糖含量，烤制成的面包與全糖面包的甜度和酸度沒有明顯差異，而且發(fā)酵酸面團的甘露醇含量高，乳酸含量低，可以顯著改善生面團和面包的品質(zhì)。

3 乳酸菌用于清除食品或環(huán)境中的有毒有害物質(zhì)

食品和飼料常被一些致癌物質(zhì)污染，如真菌毒素(mycotoxins)、多環(huán)芳香烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)、雜環(huán)胺(heterocyclic amines，HAs)和鄰苯二甲酸酯(pthalic acid esters，PAEs)等，嚴重影響食品和飼料安全。大量研究表明，許多乳酸菌(尤其是乳桿菌屬和雙歧桿菌屬的菌株)能通過肽聚糖物理吸附的方式清除食品中的致癌物質(zhì)[56]。Yousefi等[57]發(fā)現(xiàn)嗜酸乳桿菌LA-5具有較強的清除液體培養(yǎng)基中的四種多環(huán)芳香烴的能力。研究表明，乳酸菌發(fā)酵可以降低食品(尤其是烤制食品)中的丙烯酰胺(acrylamide)。例如，Bartkiene等[58]將從小麥自然發(fā)酵酸面團中分離的乳酸菌進行兩兩組合，用于面包酸面團的發(fā)酵，結(jié)果表明，使用不同乳酸菌組合發(fā)酵酸面團，面包中的丙烯酰胺含量降低30%(戊糖片球菌LUHS183+腸膜明串珠菌LUHS242發(fā)酵酸面團)到67.2%(戊糖片球菌LUHS183+彎曲廣布乳桿菌LUHS51發(fā)酵酸面團)。

增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯(di-n-butyl phtha-late，DBP)是危害嚴重的環(huán)境污染物。Zhao等[59]分析了腸膜明串珠菌DM12對DBP的吸附能力和吸附機理。結(jié)果表明，在孵育11 h后腸膜明串珠菌DM12對DBP的吸附率達到87%；吸附等溫線符合朗格繆爾-弗倫德利希(Langmuir-Freundlich)模型，說明存在物理吸附和化學(xué)吸附；細胞壁肽聚糖參與吸附過程，O-H、C-O、N-H是主要的吸附官能團。植物乳植桿菌CGMCC18980對DBP的吸附率為59%，F(xiàn)an等[60]的研究表明，植物乳植桿菌CGMCC18980對DBP的吸附發(fā)生在細胞外層；與脂質(zhì)和多糖相關(guān)的C=O、C-N和C-O是主要的吸附官能團，DBP吸附與表面電荷無關(guān)，說明胞外多糖是植物乳植桿菌CGMCC18980吸附DBP的關(guān)鍵因子。

許多乳酸菌可以高效清除食品或環(huán)境中的重金屬[61]。Lin等[62]從雅安泡菜湯中分離到7株能吸附清除Pb2+的乳酸菌，其中4株為植物乳植桿菌、3株為短乳桿菌，其最高清除率達82.25%。因此，這些菌株有望用于降低食品和飼料的Pb2+積累。Muhammad等[63]的研究表明，嗜酸乳桿菌KLDS1.1003能耐受430 mg/L的Pb2+，吸附Pb2+的熱動力學(xué)符合弗倫德利希(Freundlich)模型(R2= 0.984 2)；在成年雌性BALB/c小鼠模型中，口服游離和微膠囊包埋的嗜酸乳桿菌KLDS1.1003能顯著降低血液、腎臟和肝臟的Pb2+水平，減輕Pb2+誘導(dǎo)的腎臟和肝臟的病理損傷；掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，Pb2+覆蓋在細胞表面；傅里葉變換紅外光譜分析表明，氨基、酰胺基、磷?；Ⅳ然土u基為吸附官能團。

4 結(jié) 語

4.1 關(guān)于乳酸菌的益生性評價

乳酸菌的體外益生性評價指標和基本流程包括：①胃腸道環(huán)境的耐受能力，即在低pH(2.5～3.0)和膽鹽(3 g/L)條件下的存活能力；②安全性評價，即對常用抗生素的敏感性和溶血活性測定、全基因組水平的毒力因子分析；③較高的甲苯細胞表面疏水性(通常>45%)；④分泌淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和植酸酶；⑤對人和動物的常見病原菌具有拮抗活性，一般要求共培養(yǎng)的拮抗活性>60%；⑥對腸道上皮細胞的黏附能力；⑦自凝聚和共凝聚能力；⑧其他益生能力，包括抗氧化、抗病毒、抗腫瘤、抗炎癥、免疫調(diào)節(jié)等[64-65]。

4.2 乳酸菌研究與應(yīng)用的發(fā)展趨勢

乳酸菌已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但目前對乳酸菌的研究仍處于起步階段。Sun等[66]在2015年分析了全基因組測序的213株乳桿菌，發(fā)現(xiàn)它們基因組大小為1.23～4.91 Mb，差異巨大。乳酸菌隸屬于系統(tǒng)發(fā)育樹的多個分支，有些屬的分類十分混亂，例如2020年Zheng等通過全基因組分析對乳桿菌屬的種類進行了重新分類，將部分種類劃分到23個新屬[67]，其他屬(特別是鏈球菌屬和腸球菌屬)的分類狀況也需要重新評價。

我國是全球動物生產(chǎn)與消費的第一大國，飼料是動物養(yǎng)殖的基礎(chǔ)，是食品安全的決定因素之一。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出自2020年1月1日起，退出除中藥外的所有促生長類藥物飼料添加劑品種，開始實施最嚴格的“飼料端禁抗、養(yǎng)殖端限抗、產(chǎn)品端無抗或達標”政策。因此，可以充分利用乳酸菌的益生功能，篩選或構(gòu)建安全的、抑菌譜廣、益生功能強的乳酸菌菌株，研發(fā)出飼料發(fā)酵加工的發(fā)酵劑、飼料添加劑、微生態(tài)制劑等乳酸菌產(chǎn)品，作為抗生素替代品，以滿足“飼料禁抗、養(yǎng)殖減抗”的需求，促進動物綠色健康生產(chǎn)，確保食品安全，助力健康中國建設(shè)。

目前僅幾種乳酸菌能進行遺傳操作[68-69]，而絕大多數(shù)乳酸菌并沒有開發(fā)出穩(wěn)定的遺傳操作系統(tǒng)，這導(dǎo)致大多數(shù)乳酸菌的研究與開發(fā)舉步維艱。未來需要對不同乳酸菌基因組進行進一步比較分析，并構(gòu)建穩(wěn)定且快速的遺傳操作系統(tǒng)，對乳酸菌進行遺傳改造，提高其生產(chǎn)性能，消除耐藥因子或者其他不利因子。通過遺傳操作將乳酸菌(特別是乳桿菌)開發(fā)為基因工程宿主菌，表達治療性蛋白；構(gòu)建成高效綠色生產(chǎn)小分子物質(zhì)的細胞工廠；或者構(gòu)建出具有特殊功能的乳酸菌。同時，使用定向進化技術(shù)對乳酸菌特殊酶系，如分解脂肪的酶系、降低膽固醇的酶系等進行高效改造，提高其益生效能。相信在不遠的將來，高性能食品級乳酸菌菌株和工程菌株將被選育出來，并在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域做出更大的貢獻，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益及社會價值。