[科普中國(guó)]-乳酸乳球菌

概述

乳酸乳球菌是發(fā)酵工業(yè)中常用的的發(fā)酵劑之一，特別是在發(fā)酵乳制品中。另外，乳酸乳球菌是常用的誘導(dǎo)表達(dá)型宿主菌之一，具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。乳酸乳球菌歸屬于硬壁菌門(mén)（Firmicutes）、桿菌綱（Bacilli）、乳桿菌目（Lactobacillales）、鏈球菌科（Streptococcaceae）、乳球菌屬（Lactococcus）。一般認(rèn)為乳酸乳球菌包括三個(gè)亞種，其中乳源的有乳酸乳球菌乳酸亞種（L.lactis subsp.lactis）和乳酸乳球菌乳脂亞種（L.lactis subsp.cremoris），還有分離自葉蟬的乳酸乳球菌霍氏亞種（L. lactis subsp.hordniae）。乳酸乳球菌主要通過(guò)表型特征（生理生化、細(xì)胞壁組成、蛋白質(zhì)印記等）和基因特征（與已知菌相比較，從而得知分類(lèi)位置）進(jìn)行鑒定，其中遺傳分析具有快速、準(zhǔn)確、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為乳酸乳球菌鑒定的主要方法。同時(shí)16S rRNA 技術(shù)已經(jīng)普遍用于乳酸乳球菌的分離和鑒定1。

應(yīng)用乳酸乳球菌生長(zhǎng)快速、代謝相對(duì)簡(jiǎn)單，分解與合成代謝分開(kāi)；基因組小但包含足夠的生物信息，胞內(nèi)外蛋白易于分離、純化，這些優(yōu)勢(shì)使乳酸乳球菌在代謝調(diào)控方面具有的重大研究?jī)r(jià)值。目前乳酸乳球菌在乳制品中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，它可作為發(fā)酵劑用于酸奶油、酸奶、大豆酸奶、乳飲料等乳制品的生產(chǎn)。它也是制備干酪常用的發(fā)酵劑，例如切達(dá)干酪、農(nóng)家干酪、夸克等，乳酸乳球菌對(duì)于干酪等發(fā)酵乳制品的風(fēng)味有重要影響。

乳酸乳球菌在食品工業(yè)中的應(yīng)用由于工業(yè)化的快速發(fā)展，生活水平大幅度提高，人們開(kāi)始注重食物的營(yíng)養(yǎng)成分含量。人們不再滿足于水分占百分之八十多的牛奶，而要吃牛奶的精華，于是奶油、干酪(cheese)成為人們飲食中的重要食品。干酪是在牛乳(或脫脂乳、稀奶油、酪乳等)中加入適量的乳酸菌發(fā)酵劑和凝乳酶，使乳中的蛋白質(zhì)凝固，分離乳清而制得的新鮮或發(fā)酵成熟的乳制品。干酪的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，主要成分是水、脂肪和蛋白質(zhì)。干酪中的蛋白質(zhì)經(jīng)過(guò)發(fā)酵后，由于凝乳及微生物中蛋白酶的分解作用，形成胨、肽、氨基酸等，非常易于被人體消化吸收，干酪中蛋白質(zhì)的消化率為96-98%：干酪中的鈣、磷含量在所有食品中含量是最高的，而且接近人體的需要量，最易被人體消化吸收；干酪中水溶性維生素和脂溶性維生素含量也相當(dāng)豐富。所以，在日常生活中增加干酪的攝入，對(duì)增強(qiáng)體質(zhì)、保持健康有重要意義。對(duì)于乳糖不耐癥人群，干酪是一種非常好的乳制品，因?yàn)榕Ｄ讨械拇蟛糠秩樘窃诟衫壹庸み^(guò)程中隨著乳清的排除被帶走。

在西方國(guó)家，干酪是一種非常普遍的食品，應(yīng)用于人們的日常飲食，消費(fèi)量是相當(dāng)大的。2001年歐洲人均干酪消費(fèi)量為18 kg，而我國(guó)年人均消費(fèi)量只有0.1 kg。究其原因，一方面是由于現(xiàn)在人們能購(gòu)買(mǎi)到的干酪大部分是進(jìn)口商品，價(jià)格較高；另一方面是由于其口味很難被國(guó)人接受，因此發(fā)展適合中國(guó)人口昧的干酪產(chǎn)業(yè)，對(duì)于提高我國(guó)人民的營(yíng)養(yǎng)水平具有實(shí)際意義。

乳酸菌是干酪生產(chǎn)的靈魂。乳酸乳球菌是乳球菌屬最重要和最典型的一個(gè)種，包含兩個(gè)亞種，即乳酸乳球菌乳脂亞種和乳酸乳球菌乳酸亞種。一直以來(lái)，這兩個(gè)亞種被人們用來(lái)作為乳制品發(fā)酵劑，前者可用于生產(chǎn)軟干酪，后者可用于生產(chǎn)質(zhì)地較硬的干酪。全世界范圍內(nèi)每年有超過(guò)一千萬(wàn)噸的乳酸乳球菌細(xì)胞，應(yīng)用于干酪、黃油和酪乳的發(fā)酵工業(yè)中。在乳制品發(fā)酵工業(yè)中乳酸乳球菌的主要作用，除了將牛奶中的乳糖通過(guò)發(fā)酵轉(zhuǎn)變成乳酸，產(chǎn)生風(fēng)味物質(zhì)雙乙酰和乙醛外，在于酪成熟過(guò)程中，它胞內(nèi)的肽酶和胞外的蛋白酶可以促進(jìn)干酪中的蛋白質(zhì)水解，從而對(duì)成熟干酪風(fēng)味物質(zhì)的形成具有重要作用。

切達(dá)干酪(cheddar cheese)，其名來(lái)源于十六世紀(jì)的英國(guó)原產(chǎn)地切達(dá)郡，是一種硬質(zhì)全脂牛乳干酪。色澤白或金黃，組織細(xì)膩，口味柔和，含乳脂45%。其制作工藝如今已廣傳于世界許多地區(qū)，尤其是美國(guó)，由于美國(guó)產(chǎn)量之高和食用者之多，甚至有人將它稱(chēng)之為“美國(guó)干酪”。它是最基本的干酪之一，也極具“全能性”，因?yàn)樵谂胝{(diào)過(guò)程中，從澆汁到干酪醬到烘烤，它幾乎可以取代所有的干酪。然而，在切達(dá)干酪成熟過(guò)程中，由于蛋白質(zhì)水解而形成的某些苦味肽會(huì)影響干酪的口感。研究表明，乳酸乳球菌乳脂亞種SK11胞內(nèi)的肽酶可以降解這些苦味肽，從而提高切達(dá)干酪的可接受度，因而，乳酸乳球菌SK11被認(rèn)為是生產(chǎn)切達(dá)干酪的一種優(yōu)良菌株2。

乳酸乳球菌與代謝工程生物技術(shù)產(chǎn)品的安全性歷來(lái)部受到人們的關(guān)注，其中，宿主菌是一個(gè)至關(guān)重要的因素。由于大腸桿菌會(huì)產(chǎn)生內(nèi)毒素，因而如果采用傳統(tǒng)的大腸桿菌克隆與表達(dá)外源基因，其表達(dá)產(chǎn)物需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的分離純化才能達(dá)到食品醫(yī)藥標(biāo)準(zhǔn)。建立食品級(jí)基因表達(dá)系統(tǒng)，為有益于人類(lèi)健康的外源基因表達(dá)產(chǎn)物在功能食品、保健品及化妝品等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。目前，已經(jīng)在一些乳酸菌菌株中建立了食品級(jí)基因表達(dá)系統(tǒng)，如干酪乳桿菌、瑞士乳桿菌和乳酸乳球菌。其中乳酸乳球菌最有代表性，也可能是最有價(jià)值的，也是目前最受重視、研究得最深入的一類(lèi)。乳酸乳球菌生長(zhǎng)快速、代謝相對(duì)簡(jiǎn)單，分解與合成代謝分開(kāi)，不產(chǎn)生任何內(nèi)毒素或毒性物質(zhì)；不產(chǎn)生孢子；不會(huì)形成包涵體；不產(chǎn)生任何胞外蛋白酶；單層細(xì)胞膜，利于分泌外源蛋白；基因組小，胞內(nèi)外蛋白相對(duì)較少，易于純化。這些特性使乳酸乳球菌成為代謝工程不可多得的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，被譽(yù)為生產(chǎn)食品級(jí)代謝產(chǎn)物的超級(jí)“細(xì)胞加工廠”2。

乳酸乳球菌中存在大量的染色體外因子(如質(zhì)粒和噬菌體)，為其分子生物學(xué)研究和基因載體系統(tǒng)的發(fā)展提供了極好的材料。在近十多年中，隨著乳酸乳球菌內(nèi)源性質(zhì)粒的去除和電穿孔轉(zhuǎn)基因技術(shù)的建立以及乳酸乳球菌各類(lèi)表達(dá)信號(hào)的分離和克隆，已建立和發(fā)展了一系列具有不同用途的乳酸乳球菌載體和受體系統(tǒng)。這些載體包括基本的克隆載體，啟動(dòng)子、終止子及分泌信號(hào)等的選擇載體，各類(lèi)整合載體及基因表達(dá)載體。如今，乳酸乳球菌已成為研究得最透徹的一種乳酸菌3。

該誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：食品級(jí)的誘導(dǎo)物和宿主菌，嚴(yán)謹(jǐn)性高，本底表達(dá)水平低，誘導(dǎo)效率高，表達(dá)產(chǎn)量高。該食品級(jí)基因表達(dá)系統(tǒng)可控制并高水平表達(dá)同源和異源基因，在食品工業(yè)及其它相關(guān)領(lǐng)域?qū)⒕哂泻芎玫膽?yīng)用前景。