乳酸菌发酵剂生物工程技术

乳酸菌发酵剂生物工程技术 牛奶以其完美的营养价值深受人的喜爱，特别是近年来乳品已成为百姓的日常消费食品。 摘要生物工程技术是当今世界令人瞩目的高新技术。本文主要介绍了生物工程技术在 乳品发酵工业中的应用以及乳酸茵生物工程育种的途径。并涉及了发酵剂基因工程技术的 发 展前景。 乳酸菌，是一类可以代谢乳糖产生乳酸，降低发酵产品 pH 值的一类微生物。这类微 生物主要包括乳杆菌属、乳球菌属、明串珠菌属、双歧杆菌属、片球菌属和链球菌属的乳 酸菌。除片球菌外以上各属乳酸菌均广泛应用于发酵乳生产中。自从人类首次开始饮用放 置一两天后变酸的牛奶以后，这种发酵产物逐渐成为人们饮食生活的一部分。几个世纪以 来这些发酵产物已发展成为今天具有独特风味的干酪、酸牛奶、发酵稀奶油等发酵乳制品。 发酵乳的产值已达到包括酒精饮料在内的所有发酵制品的 20。直到 20 世纪发酵乳生产 厂家认识到发酵乳质量的稳定和提高与使用良好发酵特性的乳酸菌发酵剂有关。 生物工程技术已逐步成为确定发酵剂特性、改进发酵剂特性的有效工具。发酵乳质量的 提高、生产和贮存费用的降低以及纷繁的品种的问世，均是生物工程技术为乳品工业提供 的美好经济前景。许多研究所和科研机构都致力于乳酸菌发酵剂生物工程技术的研究。很 明显，生物工程技术将在乳品工业中占有重要的地位。20 世纪 80 年代以来生物工程技术 已经开始在乳酸菌发酵剂的几个关键领域(如噬菌体抗性)开始研究和应用，其发展前景极 其广阔。 1 生物工程技术在乳品发酵工业中的应用 近 10 年来，生物工程技术主要应用于乳品发酵工业以下几方面：噬菌体抗性菌株的分 子育种；质粒相关的稳定作用；增强于酪的风味和质构，加速干酪的成熟；细菌素和其它 天然抗生素的生产；生物胶(biogum)的生产；风味缺陷的控制；益生素(probiotics)的生产； 食品级酶和异源蛋白质的生产；降低莫扎热拉(Mozzarella)干酪的棕色化；发展适用于低脂 肪乳制品的发酵剂；发展冷敏感型发酵剂。 本文主要讨论以下几个方面的应用： 11 细菌素 乳酸菌细菌素本质上是蛋白质，作为防腐剂易被胃酶降解，具有良好的理化、抑菌特性。 nisin 和 microgard 已用作乳食品的防腐剂。nisin 是乳酸乳球菌乳酸亚种(L 口 cococf“s 缸以蛞 subSp缸以括 )分泌的一种肽，对多数革兰氏阳性菌和一部分革兰氏 阴性菌具有抑制作用。上个世纪 50 年代后期 nisin 用于有效控制芽孢生成菌的生长和延 长乳制品、罐头食品的货架期。F【)A 已经批准用作融化干酪的抗菌剂。除作为食品防腐 剂外，nisin 作为有潜力的医疗制剂用来治疗牛乳房炎。microgard 是一种抑制革兰氏阴性 菌和真菌的细菌素，但它不抑制革兰氏阳性菌2|。在美国 1的 microgard 溶液广泛应用于 保存乡村干酪。microgard 还可以应用于控制瑞士干酪表皮的腐败。 在世界科技飞速发展。经济全球化和知识经济已经到来的今天伴随着基础科学的互相 渗 透和进步，以及技术的不断提高和扩展。乳品行业已成为普遍采用高新技术，在产品和生 产管理中蕴含大量先进技术的技术性行业。 随着我国人民生活水平的不断提高 对乳制 品的 需求也必然提出更高的要求， 因此如何在乳品工业中全面推进高新技术的研究与推 广， 是今 后我国乳业面临的迫切任务。 本文就目前国内外在乳品工业中研究和开发应用 的一些高新技 术作一简要介绍。 1 微胶囊技术(Microencapsulation) 微胶囊技术是当今世 界上发展迅速、 科技含量高的一项新兴技术， 它利用天然的或合成的高分子材料将固体 的、 液体的甚至是气 体的微小物质经包裹形成直径在 5200txm 范围内的一种具有半透 性或密封囊膜的微型 囊它能够最大限度地维护囊心物质的色香味、性能和生物活性，防 止营养物质的破坏与损 失。目前，该技术已广泛应用于日化、医药、生物科学等工业领域。 根据国内外的文献资料 报道，可用于生产微胶囊的方法有物理法、物理化学法和化学法 3 种其中较为重要的有喷 雾干燥法、 界面聚合法、 溶剂脱水法及相分离凝聚法等。随着 微胶囊技术的发展日趋成熟 它 在食品工业中的应用范围也越来越广，各种新的应用方 法、新产品被不断开发出来。同时， 由于食品工业科技的不断进步，消费者对产品的要求 越来越高。针对这一问题，乳品工业也 引入了微胶囊技术开发新产品，以满足消费者的需 求。目前在乳品加工业中，微胶囊技术主 要用于新型乳制品的开发和干酪生产所用微胶囊 酶制剂的制取等。 例如在乳制品中添加的某 些营养物质具有不愉快的气味，其性质不稳 定易分解，会影响产品质量。但通过微胶囊技术 包埋后，可增强产品稳定性，使产品具有 独特的风味，并且无异味、 不结块、 泡沫均匀细腻、 冲调性好、保质期长。利用此法制 成的产品有：果味奶粉、姜汁奶粉、发泡奶粉、可乐奶粉、 啤酒奶粉、粉末乳酒、补血奶 粉、膨体乳制品等：同时可促进干酪早熟和保护免疫球蛋白。 除了上述的应用外，近年来 还被广泛用在益生菌和生理功能物质(如 DHA)等的包埋处理。 总之，微胶囊技术已广泛 应用于各种功能性乳制品的开发。 2 超高压技术(High-pressure technology) 超高压技术是 20 世纪 90 年代由日本明治屋食品公司首创的杀菌方法。它利用 加在液体中的压力 (1001000MPa)， 通过介质以压力作为能量因子， 在常温或较低温度下 以 同样大小 传递到物料本身，以达到灭菌、物料改性和改变食品某些物化反应速度的效果。在 此过程 中，蛋白质、淀粉及糖类、油脂和纤维素等不受或很少受影响，从而可较好的保持食 品原 有的色、香、味及营养物质。 早在 1899 年，美国化学家 Bert Hite 首先发现 450MPa 的高压能延长牛奶的保存期。scvles 和 Hooven 在 1991 年研究发现在 23(2 下，压力 达到 230MPa 时乳的浊度和光亮度未改变 胶粒略有溶解 但对乳的光学和感官特性 影响不大： 压力在 230430MPa 时，酪蛋白胶粒构象改变。发生重排、压缩致使乳的 浊度和光亮度逐 渐降低并趋于稳定。 lohnston 和 Austin(1992 年)发现，压力达 600Mpa(2h)时，乳中 Ca2的 含 量对 其稳定 性有 强烈的 影响 ，压力 作用下 胶粒 的小 片化可 释放出 非离 子钙 和磷。 Lopez-Fandino R 等研究发现。 采用压力 300MPa， 进行 30min 处理。 乳凝块重量增加近 15， 乳清蛋白含量下降 8，乳清 总体积减少 5，即高压引起乳清蛋白变性，使其进入凝块， 从而使干酪产量增加，尤其 是其保水性增强。用高压处理牛奶，然后使凝乳酶在酸性条件下 发生作用，制成的奶酪硬 度增加，透光性提高。为了避免酸乳包装后酸度增加引起的脱水收 缩现象，lohnston 等采 用高压提高成品的质量。采用 100500Mpa、在 23下对奶油处理 1015min 后，可加快 脂肪的结晶速度。同时，利用高压技术还可开发新产品，如乳制品甜 食和冷冻乳制品等。 3 生物技术(Biotechnology) 31 生物荧光技术(Bioluminescence) 近年 来， 生物发光技术 在发达国家已越来越多地用于微生物检测。 所以该技术也可用来检测乳制 品中的细菌总 数及特异性病原菌。 为乳品工业的微生物质量控制提供了一种快速、 简便而灵 敏的方法。 主要包括 ATP 生物荧光检测技术和细菌生物荧光检测技术。 311 ATP 生物 荧光技 术 ATP 生物荧光检测是基于萤火虫发光机理而设计的。ATP 存在于所有活性微生物 内， ATP 分子中的能量通过荧光酶复合物(荧光素荧光素酶 )的作用转变成光，这种光能可 用发光光度计得到测定。在一定条件下，光的能量与原始样品中的 ATP 数量有关，因而 可 推算出被检样品中的微生物数量。 其原理是基于下述反应： 荧光素+Mg2+ATP 氧化 型荧光素 +C02+AMP+ppi+光能。 在现代乳品工业中Sharpe 等首先采用 ATP 生物荧光 检测技术来 检测被污染牛奶中细菌的含量。根据 Waes 等人的研究，采用生物荧光方法 可以检测 UHT 乳在 30 贮存时细菌的生长情况。同时，生物荧光技术还应用在原料奶 的验收、乳制品货 架期预测、乳制品生产过程中关键控制点的控制，以及抗生素和细菌、 噬菌体的残留、特定 病原菌的检测等方面。 31.2 细菌生物荧光技术 细菌生物荧光技 术利用分子遗传学原理 制作的荧光发光检测系统(细菌生物荧光 )来快速检测乳制品中特定 的病原菌。导致细菌生物 荧光的基因(LUX 基因)被导入特定宿主的噬菌体中，当它感染 宿主细胞时，LUX 基因转换 到宿主细菌基因组中，导致了宿主细胞发光。这样就可用发 光光度计检测，而且发光的程度 与感染细菌的数量成比例。Kricka 利用该技术在 60min 内能够检测到牛奶中小于 10 个大肠 杆菌，同时可开发出乳制品在线检测肠细菌的方法。 若将 LUX 基因导入乳酸菌，在乙醛存 在时，这些基因修饰的有机体变成发光体从而 可检测出乳酸菌发酵剂活性。 32 酶联免 疫分析(ELISA) 酶联免疫方法是一门综合性免 疫化学技术， 它以抗体和抗原的特异性结合为 基础，利用酶催化底物反应的生物放大作 用，提高特异性抗原、抗体免疫反应的敏感性，可 用来定位、定量检测。 酶联免疫分析 方法可以检测乳及乳制品中的免疫球蛋白、-乳白蛋 白、 - 乳球蛋白和霉菌等微生物。 Loomans 等用新霉胺作为免疫原建立 ELISA 方法，同时 可检测牛奶中的庆大霉素、卡 那霉素和新霉素。Aygun 等用竞争性直接 ELISA(CD-ELISA) 和反相高效液相色谱(RP- ELISA)测定奶酪中的组胺， 从而解决了“奶酪综合症”问题。吴定等 以牛血清蛋白和卵 蛋白 2 种不同的载体包被抗原，用过氧化物酶标以鼠抗兔gG 。建立了检 测牛奶中磺胺 甲基嘧啶残留的 ELISA 方法，检测限为 24ng mL。张英华等应用 ELISA 快速、准 确地检测出了牛初乳中乳铁蛋白的含量。Biancardi 用 ELISA 作为筛选方法检测牛 奶中 黄曲霉毒素 M1 的残留量。 33 固定化技术 固定化技术是选择适合载体后用物理 或 化学方法将酶类或微生物菌体限制或定位在某一特定空间范围内， 保留其固有的催化活性 和存活力。目前，该技术已广泛应用在乳品工业中如乳糖水解、牛乳过敏症防治、综合 利 用乳清制造乳酸、乙酸工艺等。 乳品工业中采用的固定化细胞技术较多将双歧杆菌 和乳 酸菌包埋于海藻酸钙凝胶中， 进行连续培养生产酸奶， 奶酪的制作中也常用海藻酸 钙固定化 含酶的细胞，以控制熟化进程。固定化细胞不仅能用于生产还可以用于保护有 益微生物延 长细胞的存活率。J Balcam 等采用 DEAE 纤维素固化用过氧化氢酶和胰蛋 白酶来连续破 坏牛奶中的过氧化氢并抑制细菌繁殖，以延长牛奶品质和货架期。北京农业 大学 1995 年申 请的一份专利中采用海藻酸钠与明胶作为固定化双歧杆菌的壁材，通过 针头注入 CaCl2 中固化后制得双歧杆菌胶粒 此胶粒可在一定程度上避免氧或酸对菌体 的侵害， 延长活菌的 保存期。同时，在乳品加工中还能应用该技术来固定化脂肪酶、凝 乳酶、乳糖水解酶、特殊 蛋白酶等。 34 其它生物技术 生物传感器可以应用在乳品生 产中的自动化控制、质量监 测、 成分分析等方面 如牛乳新鲜度测定、 乳及乳制品中 各组分的测定、 抗生素残留量分析、 微生物和生物毒素的检验、发酵乳酸度控制、于酪 成熟控制等。酶分析法可以用来测定牛乳 中的各种酶的活力， 从而判断牛乳和其加工产 品的质量状况。 根据酶工程技术可以开发和利 用乳中的特殊肽， 减少乳中的苯丙氨酸和 修饰乳脂肪； 还可以进行乳糖异构酶和增香酶的研 究。同时应用生物技术进行微生物育 种、开发新型发酵剂、改变乳的组成成分、提高产奶量 和增强乳的免疫功能、降低乳中的 胆固醇及水解一好氧(Ho) 工艺处理乳品工业废水等研 究。 4 膜技术(Membrane technology) 膜分离技术是利用天然或人工合成高分子膜的选择透 过性，以浓度差梯度、 压力梯度或电势梯度作为推动力，在膜相际之间进行传质，以达到不 同组分的分离、纯化 的目的。目前已获得产业应用的主要是电渗析(ED)、反渗透(RO)、超 滤(UF)、微滤(MF)、 纳滤(NF)、气膜分离(GS)、渗透气化(PV)等。 国外将膜技术应用于食 品工业首先就是从 乳品加工开始的。目前其在乳品工业中的应用主要有：乳品灭菌及浓缩、 乳品的标准化、 乳蛋白浓缩、乳清的回收利用、奶酪加工、牛奶的组分分离及乳清脱盐等。 Maubois 采用 切向超滤装置可实现蛋白质胶粒的特殊分离。 其产品可用于强化牛乳和生产优 化乳清。 采用超滤和反渗透技术。可在浓缩乳清蛋白的同时，从膜的透过液中回收乳糖和乳 酸、盐 类等灰分，还可以用于牛奶脱乳糖和屋型奶除菌。纳滤技术可部分脱矿质和浓缩盐酸 干酪 乳清。 渗透气化技术分离乳制品的香味物质。 利用膜生物反应器将乳糖转化为产成品(例 如乳胶)。此外，膜技术现已应用于乳品工业的 CIP 系统。意大利开发了被称为“Dairy MZ series”的