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乳酸菌发酵中L-乳酸的发酵工艺研究进展

作者:唐柳映 王昌涛 曹晓蕊 伍文怡 刘可儿来源:《中国食品》日期:2024-02-28人气:121

微生物发酵的特性通常包括可以降低原料的抗营养因子含量以及能产生有益的小分子物质,这样一来就可以改善原料的营养组成及其品质特性,从而提高发酵原料的利用价值。而在这些微生物中,乳酸菌因具有安全、高效绿色、副产物少、生产成本低等优点被广泛应用为发酵剂,在发酵领域起着十分广泛而重要的作用。近年来,国内对于乳酸菌发酵技术更加趋于多面化,比如植物基食品乳酸菌发酵开发、乳酸菌生物工程育种等,但大多都是应用于食品方面。

乳酸菌发酵是指食物中的糖类被乳酸菌的代谢产物分解为乳酸和葡萄糖。在现代工艺中,通过不断优化乳酸菌发酵技术,可得到更加优良的发酵产物,以提高发酵产物的性能。乳酸菌发酵技术关系着乳酸的不同应用,例如食品发酵领域和化妆品天然原料领域。本文主要对乳酸菌发酵工艺所产生的L-乳酸所需的基础、关键技术和关键技术的突破等方面进行了综述,并从基础理论、产品开发等角度简要讨论了未来乳酸菌发酵工艺更加广泛的应用领域如化妆品原料的发展趋势,旨在为乳酸菌发酵工艺更好地发展提供参考。

一、理论基础

1.乳酸菌发酵微生物。乳酸菌(Lactobacillus)是指通过发酵糖类产生乳酸的无芽孢、革兰氏阳性细菌的总称,是革兰氏阳性菌,形态呈杆状、球形或分枝状,具有调节肠道菌群、增强人体免疫力、降低血清胆固醇等多种功能,包括10多个属,200多个种。它主要通过自身作用、发酵产酸抑制有害菌生长和代谢、产生异生物质三方面发挥自身的益生作用。益生菌是一类活性微生物,主要通过改善宿主肠道微生物菌群的平衡来发挥作用;作为益生菌的重要成员,乳酸菌不仅有分布广泛、数量众多、种类丰富的特点,还具有耐酸、耐胆盐、抗氧化、高黏附和生成短链脂肪酸等优良特性。

对于大多数可产生乳酸的微生物来说,分解糖类产生乳酸是它们得到能量的最原始有效的方式之一。而产酸能力强且在工商业中应用较广的只有霉菌中的根霉属和细菌中的乳酸菌类。本文主要研究细菌中的L-乳酸菌类的发酵微生物及其发酵机制进展。

(1)乳酸细菌。应用在工业上的乳酸细菌包括杆状菌和球状菌,均为革兰氏阳性菌。具有不运动、无芽孢,常常排列为长短不一的链,厌氧或微好氧等特点。乳酸消旋酶阳性者产DL-乳酸,阴性者产D-或L-乳酸。D-乳酸的用途很少,而且已经基本上不生产;而DL-乳酸具有一定的毒副作用,因此只能用做工业生产;L-乳酸的用途广,作用优,对人体、农业、医学、食品都具有重大意义。

(2)鼠李糖乳杆菌。鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus)是一种革兰氏阳性益生菌,属乳杆菌属,具有调节肠道菌群、预防和治疗腹泻、毒素的排出和提升机体免疫力等多方面应用功能。人体内因只有L-乳酸脱氢酶,只能代谢乳酸菌在发酵过程中产生的L-乳酸。鼠李糖乳杆菌在发酵过程中只产生L-乳酸,不会对人、尤其是婴幼儿产生不良反应,因此在食品生产方面具有极为重要的价值。

表1 产L-乳酸的主要乳酸菌

菌种 生长因素 温度(℃) 菌种来源

乳酸菌属Lactobacilus

干酪乳杆菌L. casei

嗜热乳杆菌L. thermophilus

唾液乳杆菌L. salivarius

清酒乳杆菌L.sake

嗜酸乳杆菌L.acidophilus

戊糖乳杆菌L.pentosus

两歧乳杆菌L.bifidus

链球菌属Streptococcus

嗜热链球菌S.thermophilus

粪链球菌S.faecalis

解脂链球菌S.lipolysis

嗜热脂肪芽孢杆菌B.stearothermophilus

解链芽孢杆菌B. coagulans 泛酸钙,烟酸,核黄素,叶酸


乙酸盐,核黄素,甲羟戊酸,叶酸


6种B族维生素

7~13种氨基酸嘌呤,维生素B1,嘧啶

10~13种氨基酸,4~5种维生素 32

50~60

35~40


35~38

30~32



40~45

45~50

30

60


70 乳制品

高温发酵乳品

人口胺

清酒

婴儿粪便

发酵植物汁

发酵植物汁


乳制品

人粪便

乳制品

堆肥


堆肥


表2国外比较有代表性的乳酸生产菌株及其生产情况表

菌株 L-乳酸(g/L) 生产速率(g/L/h) 文献

L.casei LA-04-1 180 2.1 [5]

L.lactis BME5-18M 210 2.2 [6]

L.delbrueckii NCIM2356 189 1.9 [7]

E.faecalis RKY1(肠球菌) 144 5.1 [8]

Bacillus sp.17C5 55 0.3 [9]

E.coliALS974 138 6.3 [10]

S.cerevisiae OC-2T T165R 122 2.5 [11]

2 .L-乳酸发酵所需基础。乳酸是以玉米、糙米、白薯、土豆淀粉为主要原料,通过发酵过滤、酸解和短程蒸馏等工序来加以深加工,从而得到的高级产品。目前L-乳酸的主要生产方法是微生物发酵法,其中,菌种和培养液的选择、培养基原料、培养基的组分、发酵过程中所面对的发酵工艺选择都十分重要。

(1)菌种选育。根据发酵微生物的种类不同,在发酵过程中菌种的选择可分为细菌发酵和根霉发酵,并且根霉发酵已经被细菌发酵逐步取代,例如本文上述到的鼠李糖和干酪乳杆菌等。而对于各种各样的菌种有着不同的方式可进行改良:诱变、细胞融合、基因工程等。

(2)不同的温度。一般来说,乳酸菌生长的适宜温度范围在20℃-45℃之间。在此范围内,乳酸菌能够正常生长和繁殖,但是在低于或高于此范围时,乳酸菌的生长速度会明显减缓,甚至停止生长。对于某些特定的乳酸菌来说,如酸奶乳杆菌和嗜酸乳杆菌,生长的最适温度分别在35℃-42℃和30℃-40℃之间,高于或低于这些温度,这些菌的生长速度会明显受到抑制。

因此,在乳酸菌的培养和繁殖过程中,保持适宜的温度十分关键。在乳酸菌的生产和使用过程中,需根据乳酸菌不同的种类和用途来选择适宜的温度,以保证其生长和繁殖的最佳状态,从而获得更好的产品质量。

(3)发酵时间。不同的发酵时间会影响乳酸菌的活菌数,从而影响发酵结果。如华南理工大学食品与工程学院所研究的不同发酵时间鼠李糖乳杆菌LR-D发酵乳对鸡蛋清起泡性能的影响,研究表明发酵16h的鼠李糖乳杆菌LR—D发酵乳更能改善蛋清体系的起泡性能。通过改变优化发酵时间,可以得到更好的乳酸菌发酵物性能,从而更好地应用在食品发酵领域或其他领域。

同时,通过不断优化不同菌种的培养基,可得到更好的发酵效果,如植物乳杆菌HS-R9的培养基优化。

二、高产L-乳酸的关键技术突破

1.混菌发酵。混菌发酵,是采用两种或多种微生物共同完成发酵的技术,是纯种发酵技术的新发展,也是一种不需要进行复杂的DNA体外重组却可取得类似效果的新型发酵技术。由生物间的结合方式,分为以下4种类型:①联合发酵,用两种或多种微生物同时接种和培养的技术。例如酸乳的发酵生产,同时接种嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌。②顺序发酵,先用甲菌进行常规发酵,再由乙菌等按顺序进行发酵,以共同完成数个生化反应,例如食醋的发酵生产,先接种酵母菌进行酒精发酵、再接醋酸菌进行醋酸发酵。③共固定化细胞混菌发酵,把两种或多种微生物细胞同时包埋或吸附同一载体上面进行的混菌发酵,例如黑曲霉和运动发酵单胞菌共同把淀粉转化为酒精等。④混介固定化细胞混菌发酵,将两种或多种微生物细胞分别固定化后,再把它们混在一起进行混菌发酵。

2.高密度培养。高密度培养技术是通过提高菌体的发酵密度,最终提高产物比生产率(单位体积单位时间内产物的产量)的一种新型发酵技术,通过组成优化培养基来优化培养条件,比如PH与温度:若PH越低,则这种情况下需要的温度就越高;通气与搅拌:在高密度培养乳酸菌液体的过程中,搅拌可以让中和剂与发酵培养液均匀地混合,并可以及时将高密度培养过程中产生的酸中和掉,以此减少因酸性物质的积累而对菌体生长的抑制作用,同时将培养物气液相的接触面增大。

在乳酸菌发酵过程中采用的高密度培养可以使用更低的培养体积和更短的培养周期,并获得更高的菌体密度,从而可以提高发酵速度、提升发酵效果,在实践生产中可以减少后续发酵剂的使用量,实现高效、低成本的生产实践。利用高密度培养的优势,通过该技术可实现L-乳酸产业化发展。

三、主要培养方法

自21世纪伊始,国内外积极开发嗜热脂肪芽孢杆菌、鼠李糖乳杆菌(L-rhamnosus)等乳酸细菌的L-乳酸发酵研究,其优点有发酵温度无需高,且无需提供无菌空气和机械搅拌,从而降低了需厌氧微环境的难度和生产成本。

而国内调转方向只采用细菌厌氧发酵法生产L-乳酸。目前发酵生产乳酸的方法有根霉好氧发酵和细菌厌氧发酵两种方法。

1.根霉好氧发酵法已经工业化生产。根霉的发酵是指利用菌株生长和代谢所产生的酶或其他代谢产物对特定有机物发生催化作用。发酵过程中,根霉菌株对不同基质进行代谢,产生各种有机酸、醇类、酮类、酯类等化合物,并将复杂的有机物质分解转化为简单的有机物质。

根霉发酵技术在食品工业和医药工业领域应用广泛。食品工业中,该技术被应用于面包、奶酪、酸奶等食品生产,能够提高产品的风味、质量以及营养价值。医药工业中,该技术被用于生产抗生素、酶等医药和生物制品,能够降低生产成本、提高产品效率,绿色环保。

2.细菌厌氧发酵法是在近年发展起来的。该方法具有成本低、环保等优点,但除了少数单位引进国外的乳酸细菌进行 L﹣乳酸的工业化生产以外,大多数厂仍采用细菌厌氧生产DL﹣乳酸。我国很多研究机构、大学都在从事 L-乳酸发酵的研究,但大多数都处于中、小试研究阶段。

近年来,国内致力于研究乳酸菌的高密度培养技术,在不断研究发酵动力学和优化发酵工艺上得到不断突破的进展:如南昌大学食品科学与技术国家重点实验室为提高具有益生特性植物乳杆菌的产量,基于发酵动力学模拟,对其培养基组成、发酵条件和补料方式进行了优化。在该研究中,通过建立人工神经网络和遗传算法相结合的智能模型对培养基成分进行优化此方法通过体外对植物乳杆菌发酵的过程进行拟合,可以更好地提高效率并得到最适宜的植物乳杆菌的发酵培养条件。此外,也可以更好地模拟如何分批补料,从而得到最高成效的发酵产物。在国外,进行乳制品工业生产时一般采用直投式发酵剂,这一方法相比传统发酵剂而言,可直接用于生产,无需传代,并且克服了传统发酵剂活力低、不稳定、易污染等一系列的缺点。但是,由于缺乏相应的专业人才及设备,国内的一些中小型企业仍采用传统的液体发酵剂,不但存在活力低下、易污染、保存时间短等缺点,更重要的是严重限制了产品的发展规模。高活性乳酸菌发酵剂的制备过程主要分为筛选优良菌种、高密度培养、浓缩分离、冷冻干燥、菌种配比等步骤。这其中的关键是高密度培养,乳酸菌活菌数经过高密度培养,一般可达到109cfu/mL,再经过离心、洗脱后便可达到1011至1012cfu/g。

四、目前的研究现状

利用微生物发酵生产L-乳酸的研究已成为热点,如李慧芬等人用植物乳杆菌发酵豆粕产L-乳酸的研究,吴清林等人用米根霉发酵生产L-乳酸的研究等,且大多集中在发酵乳酸菌种的研究。近几年,科研人员开始注重 L-乳酸发酵基质的研究。如孙丽慧等人在高产 L-乳酸的发酵培养基优化研究中,采用了 15 g/L 棉籽饼粉和 10 g/L 的酵母粉作为复合氮源,结果表明,廉价的棉籽饼粉可以替代部分酵母粉,并且还能达到高产L-乳酸的效果。王玉华等人则用玉米浆替代部分酵母粉来作为发酵乳酸的氮源,结果大大降低了 L-乳酸的生产成本。还有研究发现玉米酒糟能有效替代部分酵母粉。Kwon 等人在优化产 L-乳酸的发酵培养基实验中用 19.3 g/L 大豆粉替代15 g/L 的酵母粉,同样获得了理想的结果,但这一方法需要在培养基中额外添加维生素。Nancib 等也发现利用廉价氮源替代部分酵母粉,可以达到提高 L-乳酸产量的效果,但此方法同样需要额外添加维生素,说明此举反而没有达到降低发酵成本的目的。我国一直以来是一个农业大国,我国所拥有的玉米资源十分丰富,利用这一优势,将玉米酒糟替代部分酵母粉作为微生物发酵氮源,可以有效节约L-乳酸生产成本。但到目前为止,我国尚没有系统的研究以及乳酸菌产业和乳品工业的可持续性集成,该领域仍有很大的发展空间和发展趋势,若投入研究,可以最终实现益生乳酸菌发酵和制定益生菌和益生菌发酵乳制品标准发展、酵剂的工业化生产。

五、结语

近年来,乳酸菌发酵成为了应用在化妆品工业上的一大热点。全世界的乳酸菌市场发展迅猛的同时,中国的乳酸菌市场也在基础研究、成品应用和市场开发等各个方面取得了不俗的成绩,我们将乳酸菌应用在化妆品里也是更安全、高效的一种选择。目前来看,如何利用微生物检测、分析技术,微生物技术,以及分子生物技术等先进技术,在筛选新的优秀菌株、研究菌株特异功效、菌株在人体内的作用机制、研究菌株在各方面实现的安全性以及保护菌株活力等方面,仍是乳酸菌菌株作用及功效探究的重点开发领域,同时新型乳酸菌发酵类化妆品的开发,将成为相关企业、院校及研究机构的开发重点。


本文来源:《中国食品》https://www.zzqklm.com/w/qt/29400.html


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