唐柳映 王昌濤 曹曉蕊 伍文怡 劉可兒

微生物發(fā)酵的特性通常包括降低原料的抗?fàn)I養(yǎng)因子含量及產(chǎn)生有益的小分子物質(zhì)，這樣就可以改善原料的營養(yǎng)組成及其品質(zhì)特性，從而提高發(fā)酵原料的利用價(jià)值。在這些微生物中，乳酸菌因具有安全、高效、綠色、副產(chǎn)物少、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用為發(fā)酵劑，在發(fā)酵領(lǐng)域起著十分廣泛而重要的作用。

乳酸菌發(fā)酵是指食物中的糖類被乳酸菌的代謝產(chǎn)物分解為乳酸和葡萄糖，在現(xiàn)代工藝中，通過不斷優(yōu)化乳酸菌發(fā)酵技術(shù)，可以得到更加優(yōu)良的發(fā)酵產(chǎn)物，以提高發(fā)酵產(chǎn)物的性能。本文主要綜述了乳酸菌發(fā)酵工藝產(chǎn)生的L-乳酸所需的基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)的突破等，并從基礎(chǔ)理論、產(chǎn)品開發(fā)等角度簡要討論了未來乳酸菌發(fā)酵工藝更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，旨在促進(jìn)乳酸菌發(fā)酵工藝更好發(fā)展。

一、理論基礎(chǔ)

1.乳酸菌發(fā)酵微生物。乳酸菌（Lactobacillus）是指通過發(fā)酵糖類產(chǎn)生乳酸的無芽孢、革蘭氏陽性細(xì)菌的總稱，作為革蘭氏陽性菌，其形態(tài)呈桿狀、球形或分枝狀，具有調(diào)節(jié)腸道菌群、增強(qiáng)人體免疫力、降低血清膽固醇等多種功能，包括10多個(gè)屬，200多個(gè)種，主要通過自身作用、發(fā)酵產(chǎn)酸抑制有害菌生長和代謝、產(chǎn)生異生物質(zhì)三方面發(fā)揮其益生作用。作為益生菌的重要成員，乳酸菌不僅有分布廣泛、數(shù)量眾多、種類豐富的特點(diǎn)，還有耐酸、耐膽鹽、抗氧化、高黏附和生成短鏈脂肪酸等優(yōu)良特性。

對(duì)于大多數(shù)可產(chǎn)生乳酸的微生物來說，分解糖類產(chǎn)生乳酸是它們得到能量最原始、有效的方式之一。而產(chǎn)酸能力強(qiáng)且在工商業(yè)中應(yīng)用較廣的，只有霉菌中的根霉屬和細(xì)菌中的乳酸菌類。本文主要研究細(xì)菌中L-乳酸菌類的發(fā)酵微生物及其發(fā)酵機(jī)制進(jìn)展，如表1和表2所示。

（1）乳酸細(xì)菌。應(yīng)用在工業(yè)上的乳酸細(xì)菌包括桿狀菌和球狀菌，均為革蘭氏陽性菌，具有不運(yùn)動(dòng)、無芽孢，常排列為長短不一的鏈，以及厭氧或微好氧等特點(diǎn)。乳酸消旋酶陽性者產(chǎn)DL-乳酸，陰性者產(chǎn)D-或L-乳酸，其中D-乳酸的用途很少，而且已經(jīng)基本不生產(chǎn)；DL-乳酸具有一定的毒副作用，只能用作工業(yè)生產(chǎn)；L-乳酸的用途廣、作用優(yōu)，對(duì)人體、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、食品都具有重大意義。

（2）鼠李糖乳桿菌。鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus）是一種革蘭氏陽性益生菌，屬乳桿菌屬，具有調(diào)節(jié)腸道菌群、預(yù)防和治療腹瀉、排出毒素和提升機(jī)體免疫力等多種功能。人體內(nèi)因只有L-乳酸脫氫酶，所以只能代謝乳酸菌在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的L-乳酸。鼠李糖乳桿菌在發(fā)酵過程中只產(chǎn)生L-乳酸，不會(huì)對(duì)人體尤其是嬰幼兒產(chǎn)生不良反應(yīng)，因此在食品生產(chǎn)方面具有極為重要的價(jià)值。

2.L-乳酸發(fā)酵所需基礎(chǔ)。乳酸是以玉米、糙米、白薯、土豆淀粉為主要原料，通過發(fā)酵過濾、酸解和短程蒸餾等工序進(jìn)行深加工而得到的高級(jí)產(chǎn)品。目前L-乳酸的主要生產(chǎn)方法是微生物發(fā)酵法，其中菌種和培養(yǎng)液的選擇、培養(yǎng)基原料、培養(yǎng)基的組分、發(fā)酵過程中的發(fā)酵工藝選擇都十分重要。

（1）菌種選育。根據(jù)發(fā)酵微生物的種類不同，發(fā)酵過程中菌種的選擇可分為細(xì)菌發(fā)酵和根霉發(fā)酵，并且根霉發(fā)酵已經(jīng)被細(xì)菌發(fā)酵逐步取代，如上述提到的鼠李糖乳桿菌和干酪乳桿菌等。對(duì)于各種各樣的菌種，有著不同的改良方式，如誘變、細(xì)胞融合、基因工程等。

（2）溫度適宜。一般來說，乳酸菌生長的適宜溫度是20℃-45℃，在此溫度范圍內(nèi)，乳酸菌能夠正常生長和繁殖，如果超出此溫度范圍，乳酸菌的生長速度會(huì)明顯減緩，甚至停止生長。對(duì)于某些特定的乳酸菌來說，如酸奶乳桿菌和嗜酸乳桿菌，生長的最適溫度分別為35℃-42℃和30℃-40℃，高于或低于這些溫度，這些菌的生長速度會(huì)明顯受到抑制。因此，在乳酸菌的生產(chǎn)和使用過程中，需要根據(jù)乳酸菌不同的種類和用途選擇適宜的溫度，以保證其生長和繁殖的最佳狀態(tài)，從而獲得更好的產(chǎn)品質(zhì)量。

（3）發(fā)酵時(shí)間。不同的發(fā)酵時(shí)間會(huì)影響乳酸菌的活菌數(shù)，從而影響發(fā)酵結(jié)果。例如，華南理工大學(xué)食品與工程學(xué)院研究了不同發(fā)酵時(shí)間下，鼠李糖乳桿菌LR-D發(fā)酵乳對(duì)雞蛋清起泡性能的影響，結(jié)果表明，發(fā)酵16h的鼠李糖乳桿菌LR-D發(fā)酵乳更能改善蛋清體系的起泡性能。因此，通過改變、優(yōu)化發(fā)酵時(shí)間，可以得到更好的乳酸菌發(fā)酵物性能，從而更好地應(yīng)用在食品發(fā)酵領(lǐng)域或其他領(lǐng)域。通過不斷優(yōu)化不同菌種的培養(yǎng)基，也可得到更好的發(fā)酵效果，如植物乳桿菌HS-R9的培養(yǎng)基優(yōu)化。

二、高產(chǎn)L-乳酸的關(guān)鍵技術(shù)突破

1.混菌發(fā)酵?；炀l(fā)酵是采用兩種或多種微生物共同完成發(fā)酵的技術(shù)，既是純種發(fā)酵技術(shù)的新發(fā)展，也是一種不需要進(jìn)行復(fù)雜的DNA體外重組即可取得類似效果的新型發(fā)酵技術(shù)。根據(jù)生物間的結(jié)合方式，可分為以下4種類型：一是聯(lián)合發(fā)酵，用兩種或多種微生物同時(shí)接種和培養(yǎng)。例如，在酸乳的發(fā)酵生產(chǎn)中，同時(shí)接種嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌。二是順序發(fā)酵，先用甲菌進(jìn)行常規(guī)發(fā)酵，再由乙菌等按順序進(jìn)行發(fā)酵，以共同完成數(shù)個(gè)生化反應(yīng)。例如，在食醋的發(fā)酵生產(chǎn)中，先接種酵母菌進(jìn)行酒精發(fā)酵，再接種醋酸菌進(jìn)行醋酸發(fā)酵。三是共固定化細(xì)胞混菌發(fā)酵，把兩種或多種微生物細(xì)胞同時(shí)包埋或吸附在同一載體上進(jìn)行混菌發(fā)酵。例如，黑曲霉和運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌共同把淀粉轉(zhuǎn)化為酒精等。四是混介固定化細(xì)胞混菌發(fā)酵，將兩種或多種微生物細(xì)胞分別固定化后，再把它們混在一起進(jìn)行混菌發(fā)酵。

2.高密度培養(yǎng)。高密度培養(yǎng)技術(shù)是通過提高菌體的發(fā)酵密度，最終提高產(chǎn)物比生產(chǎn)率（單位體積、單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)物的產(chǎn)量）的一種新型發(fā)酵技術(shù)，通過組成優(yōu)化培養(yǎng)基來優(yōu)化培養(yǎng)條件。比如pH與溫度，如果pH越低，則需要的溫度就越高；通氣與攪拌，在高密度培養(yǎng)乳酸菌液體的過程中，攪拌可以讓中和劑與發(fā)酵培養(yǎng)液均勻地混合，并及時(shí)將高密度培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的酸中和掉，以此減少因酸性物質(zhì)積累而對(duì)菌體生長產(chǎn)生的抑制作用，同時(shí)增大培養(yǎng)物氣液相的接觸面。在乳酸菌發(fā)酵過程中采用的高密度培養(yǎng)可以通過更低的培養(yǎng)體積和更短的培養(yǎng)周期，獲得更高的菌體密度，從而提高發(fā)酵速度、發(fā)酵效果，在實(shí)踐生產(chǎn)中可以減少后續(xù)發(fā)酵劑的使用量，實(shí)現(xiàn)高效、低成本的生產(chǎn)實(shí)踐和L-乳酸產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

近年來，國內(nèi)致力于研究乳酸菌的高密度培養(yǎng)技術(shù)，在研究發(fā)酵動(dòng)力學(xué)和優(yōu)化發(fā)酵工藝上不斷取得突破性進(jìn)展。例如，南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為提高具有益生特性植物乳桿菌的產(chǎn)量，基于發(fā)酵動(dòng)力學(xué)模擬，通過建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合的智能模型，對(duì)其培養(yǎng)基組成、發(fā)酵條件和補(bǔ)料方式進(jìn)行優(yōu)化。此方法通過體外對(duì)植物乳桿菌發(fā)酵的過程進(jìn)行擬合，可以更好地提高效率，并得到最適宜的植物乳桿菌發(fā)酵培養(yǎng)條件，還可以更好地模擬如何分批補(bǔ)料，從而得到最高成效的發(fā)酵產(chǎn)物。

在國外，乳制品工業(yè)生產(chǎn)一般采用直投式發(fā)酵劑，這一方法相比傳統(tǒng)發(fā)酵劑而言，可直接用于生產(chǎn)，無需傳代，并且克服了傳統(tǒng)發(fā)酵劑活力低、不穩(wěn)定、易污染等一系列缺點(diǎn)。但是，由于缺乏相應(yīng)的專業(yè)人才及設(shè)備，國內(nèi)的一些中小型企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的液體發(fā)酵劑，不但存在活力低下、易污染、保存時(shí)間短等缺點(diǎn)，更重要的是嚴(yán)重限制產(chǎn)品的發(fā)展規(guī)模。高活性乳酸菌發(fā)酵劑的制備過程主要包括篩選優(yōu)良菌種、高密度培養(yǎng)、濃縮分離、冷凍干燥、菌種配比等，其中的關(guān)鍵是高密度培養(yǎng)，乳酸菌活菌數(shù)經(jīng)過高密度培養(yǎng)一般可達(dá)到109CFU/mL，再經(jīng)過離心、洗脫后便可達(dá)到1011-1012CFU/mL。

三、主要培養(yǎng)方法

1.根霉好氧發(fā)酵法。根霉發(fā)酵是指利用菌株生長和代謝所產(chǎn)生的酶或其他代謝產(chǎn)物對(duì)特定有機(jī)物發(fā)生催化作用。在發(fā)酵過程中，根霉菌株對(duì)不同基質(zhì)進(jìn)行代謝，產(chǎn)生各種有機(jī)酸、醇類、酮類、酯類等化合物，并將復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為簡單的有機(jī)物質(zhì)。根霉發(fā)酵技術(shù)在食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在食品工業(yè)中，該技術(shù)被應(yīng)用于面包、奶酪、酸奶等食品生產(chǎn)，能夠提高產(chǎn)品的風(fēng)味、質(zhì)量以及營養(yǎng)價(jià)值；在醫(yī)藥工業(yè)中，該技術(shù)被用于生產(chǎn)抗生素、酶等醫(yī)藥和生物制品，能夠降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品效率，且具有綠色環(huán)保的特性。

2.細(xì)菌厭氧發(fā)酵法。細(xì)菌厭氧發(fā)酵法是在近年發(fā)展起來的，具有成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但除了少數(shù)單位引進(jìn)國外的乳酸細(xì)菌進(jìn)行L-乳酸的工業(yè)化生產(chǎn)以外，大多仍采用細(xì)菌厭氧生產(chǎn)DL-乳酸。我國很多研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)都在從事L-乳酸發(fā)酵的研究，但大多處于中、小試研究階段。

四、研究現(xiàn)狀

利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸的研究已成為熱點(diǎn)。例如，李慧芬等人用植物乳桿菌發(fā)酵豆粕產(chǎn)L-乳酸，吳清林等人用米根霉發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸等，且大多集中在發(fā)酵乳酸菌種的研究。近幾年，科研人員開始注重L-乳酸發(fā)酵基質(zhì)的研究。例如，孫麗慧等人在高產(chǎn)L-乳酸的發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)化研究中，采用15g/L的棉籽餅粉和10g/L的酵母粉作為復(fù)合氮源，結(jié)果表明，廉價(jià)的棉籽餅粉可以替代部分酵母粉，還能達(dá)到高產(chǎn)L-乳酸的效果。王玉華等人用玉米漿替代部分酵母粉作為發(fā)酵乳酸的氮源，大大降低了L-乳酸的生產(chǎn)成本。還有研究發(fā)現(xiàn)，玉米酒糟能有效替代部分酵母粉。我國是農(nóng)業(yè)大國，擁有十分豐富的玉米資源，用玉米酒糟替代部分酵母粉作為微生物發(fā)酵氮源，可以有效降低L-乳酸生產(chǎn)成本。但到目前為止，我國尚沒有系統(tǒng)的研究及乳酸菌產(chǎn)業(yè)和乳品工業(yè)的可持續(xù)性集成，該領(lǐng)域仍有很大的發(fā)展空間。

基金項(xiàng)目：北京工商大學(xué)“大學(xué)生科研與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃書”項(xiàng)目（B021）。

作者簡介：唐柳映（2002-），女，壯族，廣西河池人，大學(xué)本科在讀，研究方向?yàn)槿樗峋l(fā)酵。

曹曉蕊（2003-），女，漢族，河南固始人，大學(xué)本科在讀，研究方向?yàn)槿樗峋l(fā)酵。

伍文怡（2002-），女，侗族，廣西桂林人，大學(xué)本科在讀，研究方向?yàn)槿樗峋l(fā)酵。

劉可兒（2003-），女，漢族，北京人，大學(xué)本科在讀，研究方向?yàn)槿樗峋l(fā)酵。

*通信作者：王昌濤（1975-），男，漢族，山東巨野人，教授、博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)橹参锘瘖y品發(fā)酵。