摘 要：乳酸菌生物工程是研究乳酸菌功能及应用的重要学科，它是乳酸菌生产应用的基础。本文简单介绍了乳酸菌及其发展历史，分析了乳酸菌生物工程研究的重要性。分别从生物工程育种、无耐药因子乳酸菌株、乳酸菌的特殊酶系等多个方面探讨了乳酸菌微生物学技术的研究进展，旨在为乳酸菌的生产及应用提供一些参考。

关键词：乳酸菌;生物工程;研究进展;育种;功能

乳酸菌可以促进蛋白质、钙、铁等营养物质的吸收，有利于促进肠道益生菌的增殖，抑制有害菌的生长，能改善人体免疫力和提高抵抗力，有预防肠癌、保护肝脏、美容养颜等作用。随着生物工程学技术的发展，人们已经了解和应用在食品、医药等领域的乳酸菌类型越来越多。根据不同乳酸菌菌株生理功能特性功能，乳酸菌可应用于干酪、酸制奶油的发酵剂菌种，可用于泡菜、酱油酿造的发酵素，可用于改善肠道菌群的益生菌素。研究乳酸菌及其生物工程的进展，对促进乳酸菌在工业生产中的应用有着重要的意义。

一、乳酸菌及其发展历史

（一）乳酸菌概述

（1）定义。乳酸菌指利用可发酵碳水化合物、分解消化牛奶中的乳糖而生产乳酸的一类细菌。因乳酸菌具有促进肠道蠕动、促进消化的作用，被称为时“肠道清道夫”。

（2）乳酸菌分类。目前已经研究证明的乳酸菌分为十一个属，每个属有上白株菌株。常见的乳酸菌分为嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、双歧杆菌三个菌属。常见的嗜酸乳杆菌属有嗜酸乳杆菌、食淀粉乳杆菌、卷取乳杆菌、加氏乳杆菌、约氏乳杆菌等。常见的干酪乳杆菌属有干酪乳杆菌、类干酪乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、路氏乳杆菌、胚芽乳杆菌等。常见的双歧杆菌属有乳双歧杆菌、长双歧杆菌、青春双歧杆菌、动物双歧杆菌、模式种双歧杆菌、短双歧杆菌、婴儿双歧杆菌等。

（3）乳酸菌保健功能。生物工程研究表明，乳酸菌具有提高乳糖利用率，改善肠道菌群起调节人体免疫系统和预防癌症，降低血液中胆固醇含量，抗菌活性及抗衰老等保健作用。

（4）乳酸菌的应用。人类对乳酸菌的应用最早可追溯到远古时代的人类不自觉的食品酿造。19世纪中叶，法国巴斯德在研究酒变酸的原因时发现了乳酸菌。后因认识到双歧杆菌、嗜酸乳杆菌等肠道有益菌的生理功能，开始了对各类乳酸菌在发酵制品中的应用。

（二）发展历史

1857年，法国的巴斯德在研究酒变成醋的原因时首次发现了乳酸菌。后有英国的Lister发现了乳球菌。1882年，俄国梅契尼科夫发现了高加索乳杆菌，又发现了高加索人有长期食用酸奶的习惯，高加索有许多的长寿老人。猜想乳球菌有益于人的身体健康。1899年，法国的Tissier发现了双歧杆菌。

目前，乳球菌广泛作为发酵菌种应用于食品发酵中，如乳酸菌风味的酸奶。保加利亚的人有长期应用乳酸菌发酵乳的习惯，而那里的人多长寿。这一发现再次证明了食用乳酸菌有益人体健康。研究证明，保加利亚人食用的发酵乳中含有亚乳杆菌、嗜酸乳杆菌、双歧杆菌等。这类乳酸菌具有抑制肠道腐败菌、减少有害菌定植和成长的作用。食用含有乳酸菌的食品有利于减少肠道内腐败菌产生的靛基质、粪臭素、酚等在肠道内的生长、发育、常驻。

二、乳酸菌生物工程研究的重要性

1991年，Hose等研究表明乳酸菌等益生菌可以抑制肠道内有害菌的定植和生长，维持肠道内的正常菌群的平衡。1994年，Denter等研究表明含有乳酸菌的食品大分子被消化成小分子后，能够提高游离氨基酸、维生素等营养物质的产生。1995年，Maiamaa等研究表明，正常人食用乳酸菌一段时间后，可促进血清和肠道的抗体免疫的反应。1997年，Schiffrin等研究表明，乳酸菌可借由细胞壁的多糖成分，强烈吸附肠道内有害的致病变代谢物，食用Lactobacillus acidophilus LAI及Bifidobacterium bifidum Bb13等发酵的酪乳，具有抑制恶性肿瘤的作用。此外，大量研究表明，发酵的乳制品中存在有大量的有机酸uric、orotic等可移植胆固醇合成的物质。长期服用含有乳酸杆菌的乳品具有降低血清和胆固醇含量的作用。它还具有促进维生素合成和酵素生产的代谢作用，具有促进糖利用、蛋白酶活性、吞噬菌防卫机制及抗生素的生产的作用。以上研究证明，乳酸菌在促进社会效益、经济效益方面有着重要的作用。

三、乳酸菌生物工程的研究进展

（一）生物工程育种

确定生产菌种来源是生物工程研究的工业生产的三个要素之一。它研究的内容包括生产菌种的性能、发酵及提纯工艺条件、生产设备。确定优良的菌种是微生物发酵工业的灵魂，也是菌种能否成功发酵的内因。乳酸菌菌种生产来源的确定利用了软酸菌的结合作用。Sanders等研究利用结合作用提高了乳球菌的噬菌体抗性，直接越过DNA重组获得了优良的乳球菌。这种微生物育种方法为乳球菌的工业化生产及其应用奠定了优良的菌种基础。

20世纪60年代，法国Bariski发现了不同类型动物细胞混合培养时具有融合作用。1974年Kao发现PEG在适量Ca2+存在下能有效诱导植物原生质体融合。1979年，匈牙利的Pesti將原生质体融合技术应用到青霉素生产中。1980年，Zimmermann等研究表明电场具有提高诱导细胞融合频率的作用。1988年张闻迪等研究表明激光可以诱导动物细胞融合。1980年Gasson将原生质体融合技术应用于乳球菌亚种712的质粒和染色体编码基因的融合。1983年，Okamoto等研究表明原生质体融合技术可应用于乳球菌乳酸亚种营养缺陷型突变染色体基因重组。1990年俄罗斯的Nisin研究表明原生质体融合技术产生的乳酸菌菌株要高原原菌株的10—20倍。从20世纪90年代开始，原生肢体融合技术就成为乳酸菌菌种育种及生产的重要技术，为乳酸菌发酵食品优良菌种的生产提供了技术及工艺支撑。因原生质体融合技术遗传信息量传递大、重组类型多、不受亲缘关系影响、杂交频率高等特征，成为生物工程遗传一种的关键手段，也成为工业生产中获得软酸菌优良菌株的重要方法之一。它的应用为乳酸菌食品的多样化奠定了基础，在乳酸菌工业生产应用中取得了显著的效果。

此外，乳酸菌遗传育种还有电穿孔法、基因递送系统。Harlander、Chassy、Kim等的研究均表明，电穿孔法能夠实现不同菌属的乳酸菌间的电转化，从而获得优良乳酸菌菌种。Plat-teeuw C等研究了食品级克隆表达系统，证明乳酸菌的基因表达系统包括组成型表达、受控表达，受控表达系统有噬菌体衍生系统、pH诱导系统、Nisin诱导系统、糖诱导系统等。Kondo、Mckay等在乳球菌的研究中引入了载体枯草芽孢杆菌、大肠杆菌等复制乳酸菌。Mckay、Baldwin等采用转导法利用乳酸、蛋白酶基因组合乳糖军亚种C2衍生株染色体，证明基因整合具有稳定乳酸菌发酵特性的作用。这些研究结果证明基因递送系统传递的载体有益于重组改善乳酸菌基因的作用，从而获得工业生产需要的优良乳酸菌菌种。

（二）无耐药因子乳酸菌株

在益生菌被应用于医药行业之前，抗生素一直是治疗细菌性疾病的主要药物。众所周知，抗生素较长时间使用会使细菌产生耐药性。细菌的耐药性有自然耐药性和获得耐药性。自然耐药性由染色体突变或介导产生，能使遗传物质DNA发生变化。获得耐药性由质粒介导耐药性。乳酸菌所携带的野生菌种没有耐药性，而部分乳酸菌自身携带有多种抗生素。研究无耐药因子的乳酸菌菌株对于解决抗生素在食品领域、医疗领域应用的耐药性问题有着重要的意义。利用乳酸菌的自然耐药性特征可以为抗生素的应用提供一些理论依据。将携带有多种抗生素的乳酸菌作为食品或动物饲料的添加剂，作为医药成分活菌制剂，有利于防止耐药因子的传递，将敏感菌株转变为耐药菌株。

（三）乳酸菌的特殊酶系

乳酸菌具有一般酶系和特殊酶系。乳酸菌的特殊酶系决定了其具有特殊的生理功能。如分解脂肪的酶系、控制内霉素的酶系、降低胆固醇的酶系、产生分解亚硝酸铵的酶系、分解乳酸菌生长隐私的酶系、合成多糖的酶系、产生有机酸的酶系等。特殊酶系能够促进乳酸菌的繁殖与生长，维持肠道菌群平衡。乳酸菌的特殊霉素为乳酸菌风味食品的研发奠定了基础。根据乳酸菌菌株特殊酶系及其生理功能，可以在食品生产中选择不同酶系的乳酸菌，或添加不同比例的乳酸菌菌株，来促进乳酸菌发酵产品的代谢，生产具有不同保健功能的乳酸菌风味制品。如生产低胆固醇含量的干酪、乳酪、风味酸奶等，将含有胆固醇氧化酶系的基因转导进乳杆菌中，就可以使产品具有降低胆固醇的功能。

四、研究展望

乳酸菌容易发生变异，育种和正确的选择乳酸菌菌株对其在食品和医药领域的应用价值至关重要。只有选择有益菌株，才能发挥乳酸菌作为人体所需要的益生菌的作用，在生产、贮存的过程中使其保持一定的耐受力和稳定性，确保益生菌能够产生期望的作用。从乳酸菌菌株选择的重要性来看，乳酸菌育种及其菌株的选择是未来生物工程研究的重点。在乳酸菌育种方面，要加强对容易变异的乳酸菌菌株的筛选，选择耐受力强、稳定性强的菌株作为食品及医药领域应用的菌株。此外，未来乳酸菌生物工程研究将侧重于乳酸菌生理作用及其保健功能的研究。我们不期望一种乳酸菌有多种功能，但可以通过对乳酸菌的合成来开发更多的乳酸菌保健功能，或经过对乳酸菌的分离、筛选，选择保健功能效果明显的菌株作为乳酸菌发酵制品的菌株或医药产品的菌株。如果能生产出具有多种功效的乳酸菌菌株，将为乳酸菌在食品及医药领域的应用打开更加广阔的市场。

五、结语

人类对于乳酸菌的应用有着非常悠久的历史。随着人类对乳酸菌生理功能的研究和认识，乳酸菌越来越多的保健功能被人们发现，并将其广泛应用于食品酿造及益生菌产品的加工中。当前，已经广泛应用于食品和医药领域的乳酸菌包括嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、双歧杆菌等。随着乳酸菌生物工程育种技术的进步，食品级乳酸菌菌株和工程菌株将被育种出来，并在食品领域和医药领域做出更大的贡献，创造大社会价值及经济效益。

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[3]刘臣亮.乳酸菌饮料生产废水生物处理工艺实例分析[J].能源环境保护，2019（04）：28-32.

作者简介：张文杰（1999— ），男，汉族，湖北当阳河溶人，本科，研究方向：生物工程。