乳酸菌生物膜是乳酸菌为了应对不良环境而聚集形成的一种状态,在许多情况下乳酸菌都是以生物膜的形式存在,因此有必要加深对乳酸菌生物膜的了解和研究。

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湖北工业大学生物工程与食品学院,湖北省食品发酵工程技术研究中心,酿造食品湖北省工程研究中心的朱寒剑、李雷兵、周梦舟*等人综述了乳酸菌生物膜形成,碳源、金属离子、pH值、抗生素、有害菌和非生物表面对乳酸菌生物膜的影响,以及多种基因对乳酸菌生物膜的调控作用,并介绍了乳酸菌生物膜在食品抑菌和发酵中的应用情况,以期为乳酸菌生物膜今后的形成调控研究和在食品工业中的应用提供参考。

1、乳酸菌生物膜的形成

乳酸菌是一类可发酵碳水化合物产乳酸的无芽孢革兰氏阳性菌,是一种公认的食用安全益生菌,具有降低肠道pH值、调节肠道菌群、抑制有害菌生长、防治乳糖不耐症等多种功效,还是制作酸奶、泡菜等生活中常见发酵食品的重要菌株。和大多数细菌一样,乳酸菌在一些环境中也能产生生物膜,但目前关于生物膜的研究主要集中在致病菌方面,而对乳酸菌这样的益生菌生物膜研究较少,但实际上不论是在肠道还是在发酵食品中,乳酸菌大多是以生物膜方式生存,因此加强对乳酸菌生物膜的研究很有必要。

2、乳酸菌生物膜形成的调控机制

群体感应

在一个细菌群体中,细菌之间可以通过某些小分子作为信号分子进行交流,这种小分子物质被称为“自诱导物质”(autoinducer,AI)。群体感应是细菌之间通过自诱导的信号分子进行相互交流,调控自身不同基因表达并调控群体行为的一种现象。群体感应涉及到细菌的多种功能,如孢子的形成、DNA转移、抗生素生成、生物发光性等,当然生物膜的形成也受到群体感应的调控。根据信号分子的不同,群体感应通常分为3 种:第一种是以酰基高丝氨酸内酯类物质作为信号分子,存在于革兰氏阴性菌中;第二种是以经过修饰的寡肽类物质作为信号分子,存在于革兰氏阳性菌中;第三种是以AI-2作为信号分子,既存在于革兰氏阳性菌中也存在于革兰氏阴性菌中,乳酸菌的群体感应就受到AI-2信号分子的调节。目前研究比较多的是乳酸菌生物膜的形成受到群体感应的调控。

非群体感应因素

除luxS外,乳酸菌生物膜的形成还受到许多基因的调控。环境因素的改变会影响某些基因的表达,从而影响生物膜的形成,其机制可用图3概括表示。Bove等的研究表明,在植物乳杆菌WCFS1(Lactobacillus plantarum WCFS1)中,ftsH发生突变使FtsH蛋白酶缺失,FtsH蛋白是一种ATP依赖性金属蛋白酶,其缺失会导致突变体耐热和耐盐性能变差,且形成生物膜能力降低。相反的,过量表达的FtsH可以使植物乳杆菌的耐热和耐盐性能增强,且生物膜形成能力也相应增强。因此,ftsH可以调控生物膜的形成以抵御外界不良环境,增强细菌的抗逆性。

3、乳酸菌生物膜在食品中的应

目前关于生物膜的研究多集中在生物膜的负面影响方面,如在临床上,生物膜的形成给消毒带来了困难;在医疗器械上形成的生物膜也会污染器械;许多疾病的发生也与生物膜的形成有关,如牙周病、慢性中耳炎、尿路感染等。在食品领域,生物膜的形成同样会污染食品生产管道或食品加工设备,因其难以杀灭甚至会污染食品原料,给食品安全带来了隐患。乳酸菌作为一种益生菌存在于许多食品中,但某些条件下产生的生物膜依然会导致食品变质。据报道,许多乳酸菌菌种产生的生物膜会影响肉、奶酪、清酒、啤酒和沙拉的品质,如果糖乳杆菌(Lactobacillus fructivorans)会使蛋黄酱和味噌变质,醋酸乳杆菌(Lactobacillus acetotolerans)和短乳杆菌(Lactobacillus brevis)会导致食醋变质,植物乳杆菌亚种(Lactobacillus plantarum subsp. plantarum)可导致非常常见的食品生产厂污染和泡菜腐败。但是从另一个角度看,乳酸菌作为一种益生菌,形成生物膜后抗逆性强,其抑菌特点也可以作为一种独特的优势。在某些情况下,乳酸菌生物膜可能会提高食品的品质,因为其产生的某些物质(如某些奶酪中的乳酸菌生物膜产生的醛类和酮类物质)会改变食品原始的香气和质地。如果能利用好成膜的乳酸菌,其在食品工业中的潜力同样是巨大的。

结 语

乳酸菌生物膜广泛存在于生物和非生物表面,目前对于乳酸菌生物膜的结构、成分和形成过程已经有了比较成熟的认识,但对于乳酸菌生物膜的调控机制并不是十分明确。由于乳酸菌生物膜在形成过程中涉及到许多基因的表达和多种机制的调控,不同的乳酸菌形成生物膜的方式不同,即使是同一种乳酸菌,在不同环境下形成生物膜的方式也可能不同,这些都给生物膜调控机制的研究带来了困难。由于涉及基因众多且调控复杂,因此可以考虑通过基因组、转录组、蛋白组等手段揭示其中的机制,最新的一些研究也已经开始从这些方面出发进行探索,这对乳酸菌生物膜的利用至关重要。除此以外,如何利用好乳酸菌生物膜对不良环境耐受性强等特点,开发出更加独特的发酵产品、缩短发酵时间、提高发酵产品的质量及延长发酵产品的货架期,以及利用乳酸菌生物膜对有害菌的抑制作用这一特性,控制病原菌和腐败微生物的生长,从而减少食物中毒、产品变质和化学试剂的使用,将是乳酸菌生物膜工业化与产业化的主要应用方向。

本文《乳酸菌生物膜形成调控及在食品中的应用研究进展》来源于《食品科学》2021年42卷5期296-304页,作者:朱寒剑,李雷兵,郑心,李琴,穆杨,徐宁,胡勇,吴茜,柳志杰,李玮,汪超,周梦舟。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200309-136。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

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修改/编辑:袁艺;责任编辑:张睿梅

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