食品微生物课程论文题目乳酸菌的代谢、发酵及其在食品工业中的应用姓名费鹏学号2013309010006 专业食品科学评分指导教师谢笔钧职称教授中国·武汉二○一三年十二月乳酸菌的代谢、发酵及其在食品工业中的应用摘要：乳酸菌（lactic acid bacteria, LAB）是最早被人类用于食品储藏加工的微生物之一，其通过发酵糖类，主要产生乳酸，被广泛应用于发酵肉制品、酱油、白酒、饮料等行业。
本文对其代谢过程、发酵条件及其在食品中的应用进行了综述。
关键词：乳酸菌；代谢；发酵；食品工业Abstract: Lactic acid bacteria is one of microorganisms which human being earliest used in food storage and processing. It can produce lactic acid by fermenting saccharides, which were applied in the field of fermented meat product, soy, wine, beverage and so on. This paper introduced the metabolism, fermentation conditions of LAB and its application in food industry.Keywords: Lactic acid bacteria; metabolism; fermentation; food industry乳酸菌是一类能利用可发酵性碳水化合物产生大量乳酸的细菌的通称[1]。
乳酸菌不是分类学上的名词，属于真细菌纲(Eubacteriac)真细菌目(Eabacteriales)中的乳酸细菌科(lactobacillaceae )。
在伯杰氏系统细菌分类学上，目前已发现的乳酸菌，至少分布于乳杆菌属(Lactobacillus )、链球菌属(Strptococcus )、明串珠菌属(Leuconostoc )，乳球菌属(Lactococcus)等19个属的微生物中。
其中，在食品、医药等领域应用较多的乳酸菌主要分布在乳杆菌属、双歧杆菌属、链球菌属、肠球菌属、乳球菌属、片球菌属和明串珠菌属等七个属种。
乳酸菌是革兰氏阳性，不形成芽孢(个别属除外)，不运动或少运动，不耐高温，但耐酸的球菌或杆菌，乳酸菌是一种兼性厌氧菌，适合于在氧含量低或无氧的环境中生长[2]。
与其它细菌相比，乳酸菌对营养的要求比较严格，除了要供给适量的水分、充足的碳源、氮源和无机盐类外，还需要加入维生素、氨基酸和肤等生长因子。
乳酸菌都能发酵一定的糖类产生乳酸(分同型乳酸发酵和异型乳酸发酵)，但分解蛋白质和脂肪能力微弱，过氧化氢酶反应呈阴性，适宜在偏酸的环境中生长，其结果可使培养基pH值降到5.0以下，产酸及耐酸能力都较强。
1. 乳酸菌的代谢微生物的代谢是指发生在活细胞中的各种分解代谢（catabolism）和合成代谢（anabolism）的总和。
其中分解代谢过程将复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力的作用，又称异化作用。
合成代谢是在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和还原力一起合成复杂的大分子的过程[3]。
微生物的分解代谢为微生物的生长提供必须的ATP、还原力[H]、小分子的中间代谢产物。
不同微生物由于酶系的差异，代谢途径、代谢底物和代谢产物都有很大差异。
在微生物细胞中，有的同时存在多条途径来降解葡萄糖，有的只有一种。
乳酸菌的代谢类型主要有：糖酵解途径(embden meyerhof pathway, EMP)、磷酸戊糖途径(hexose monophosphate pathway, HMP)和以氨基酸为底物产能的Stickland反应[3-5]。
1.1 EMP途径EMP途径又称为己糖二磷酸途径(hexose diphosphate pathway)，是绝大多数生物所公用的一条主流代谢途径，如图1所示。
葡萄糖分子经转化成1, 6-二磷酸果糖后，在醛缩酶的催化下，裂解成两个三碳化合物分子，即磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛；3-磷酸甘油醛被进一步氧化生成2分子丙酮酸，1分子葡萄糖可降解成2分子3-磷酸甘油醛，并消耗2分子ATP；2分子3-磷酸甘油醛被氧化生成2分子丙酮酸，2分子NADH2和4分子ATP。
EMP途径的总反应式为：葡萄糖+2NAD++2Pi+2ADP →2丙酮酸+2NADH+2H++2ATP+2H2OEMP途径产能效率虽低，但其生理功能及其重要，他为生物合成提供了多种中间代谢物，而且是连接其他几个代谢途径的桥梁。
乳酸菌可以冲EMP途径的产物丙酮酸出发进行同型乳酸发酵，主要发酵产物为乳酸。
能进行同型乳酸发酵的乳酸菌有德氏乳杆菌(Lactobacillus delbruckii)、嗜酸乳杆菌(L. Acidophilus)、植物乳杆菌(L. Plantarum)和干酪乳杆菌(L. Casei)等。
通过同型乳酸发酵可以为乳酸菌提供生命活动所需的能量，而对人类实践，可以通过工业发酵手段大规模生产这些代谢产物，同时发酵中的某些特征代谢产物还是菌种鉴定的重要指标。
图1 EMP途径反应步骤示意图Fig. 1 Schematic diagram of EMP2.2 HMP途径葡萄糖经HMP途径彻底氧化，产生大量的NADPH+H+形式的还原力以及多种重要中间代谢产物。
HMP途径过程中葡萄糖经转化成6-磷酸葡萄糖酸后，在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的催化下，裂解成5-磷酸戊糖和CO2；磷酸戊糖进一步代谢有两种结局：①磷酸戊糖经转酮—转醛酶系催化，又生成磷酸己糖和磷酸丙糖（3-磷酸甘油醛），磷酸丙糖借EMP途径的一些酶，进一步转化为丙酮酸。
②由六个葡萄糖分子参加反应，经一系列反应，最后回收五个葡萄糖分子，消耗了1分子葡萄糖（彻底氧化成CO2和水）。
HMP途径总反应式：6葡萄糖-6-磷酸+12NADP++6H2O→5葡萄糖-6-磷酸+12NADPH+12H++12CO2+PiHMP途径在微生物的总能量代谢中占一定比例，且与细胞代谢活动对其中间产物的需要量相关。
通过该途径可产生许多种重要的发酵产物。
如核苷酸、若干氨基酸、辅酶和乳酸等。
为核苷酸和核酸的生物合成提供戊糖-磷酸。
乳酸菌由葡萄糖经HMP途径发酵产生乳酸、乙醇、乙酸和CO2等多种产物的发酵也成为异型乳酸发酵。
有些乳酸菌因缺乏醛缩酶和异构酶等若干重要酶，故其葡萄糖的降解需完全依靠HMP途径。
能进行异型乳酸发酵的乳酸菌有肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)、乳脂明串珠菌(L.cremoris)、短乳杆菌(Lactobacillus brevis)、发酵乳杆菌(L.fermentum)和两歧双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum)等，他们虽都进行异型乳酸发酵，但是其途径和产物仍稍有差异，又被分为两条发酵途径：异型乳酸发酵发酵的“经典”途径和异型乳酸发酵的双歧杆菌途径。
异型乳酸发酵的“经典”途径常以肠膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）为代表，他分别以葡萄糖、核糖、果糖为底物进行代谢。
在利用葡萄糖时，发酵产物为乳酸、乙醇和CO2，并产生1H2O和1ATP；利用核糖的发酵产物为乳酸、乙酸、2H2O和2ATP；而利用果糖是发酵产物则为乳酸、乙酸、CO2和甘露糖。
具体反应过程如图2所示：图2 L. mesenteroides的“经典”异型乳酸发酵途径Fig. 2 “Typial” heterolactic fermentation of L. mesenteroides图中甘油醛-3-○P至丙酮酸的5步反应仍沿用EMP途径。
①己糖激酶；②葡萄糖-6-○P脱氢酶；③6-○P葡萄糖脱氢酶；④核酮糖-5-○P-3-表异构酶；⑤磷酸转酮酶；⑥磷酸转乙酰酶；⑦乙醛脱氢酶⑧醇脱氢酶⑨同EMP途径相应酶；⑩乳酸脱氢酶异型乳酸发酵的双歧杆菌途径是一条20世纪60年代中后期才发现的双歧杆菌通过HMP发酵葡萄糖的新途径。
其主要特定为2分子的葡萄糖可产3分子乙酸、2分子乳酸和5分子ATP，如图3，4所示：图3异型乳酸发酵的双歧杆菌途径Fig. 3 Heterolactic fermentation of bifidobacterium pathway①己糖激酶和葡萄糖-6-○P脱氢酶；②果糖-6-○P磷酸转酮酶；③转醛醇酶；④转酮醇酶；⑤核糖-5-○P异构酶；⑥核酮糖-5-○P-3-表异构酶；⑦木酮糖-5-○P磷酸转酮酶；⑧乙酸激酶；⑨同EMP途径相应酶图4异型乳酸发酵的双歧杆菌途径中部分反应细节Fig. 4 Some important details in Heterolactic fermentation of bifidobacterium pathway①磷酸转酮酶；②磷酸转乙酰酶；③乙醛脱氢酶；④乙醇脱氢酶⑤乳酸脱氢酶由图可知两种异型乳酸发酵途径中消耗葡萄糖产生的ATP是不同的，表一为同型乳酸发酵与两种异型乳酸发酵的产物比较。
表1 同型乳酸发酵与两种异型乳酸发酵的比较Table 1 Comparison of EMP and HMP发酵类型途径发酵产物（1葡萄糖）产能（1葡萄糖）菌种代表EMP 2乳酸2ATP 德氏乳杆菌(Lactobacillus delbruckii) 粪链球菌(Streptococcus faecalis)HMP “经典”途径1乳酸1乙醇1CO21ATP肠膜明串珠菌(Leuconostocmesenteroides)1乳酸1乙酸1CO22ATP 短乳杆菌(Lactobacillus brevis)双歧杆菌途径1乳酸1.5乙酸2.5A TP 双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum)2.3 Stickland反应少数厌氧微生物能在无氧环境下利用一些氨基酸作为碳源、氮源和能源。
其产能机制为通过部分氨基酸的氧化与一些氨基酸的还原相偶联的独特发酵方式。
他以氨基酸作为底物脱氢，并以另外一种氨基酸作为氢的受体而实现生物氧化产能，如图5所示。
在Stickland反应中，作为氢供体的氨基酸主要有丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、组氨酸和色氨酸等，作为氢受体的主要有甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸、鸟氨酸、精氨酸和色氨酸等。
图5 Stickland反应机制Fig. 5 The mechanism of Stickland reaction图中以1分子丙氨酸为氢供体，2分子甘氨酸为氢受体2. 乳酸菌的发酵条件乳酸菌大致由20多个属的细菌构成，其中12个被认为是主要的乳酸菌：气球菌属、肉杆菌属、肠球菌属、乳球菌属、乳杆菌属、明串珠菌属、酒球菌属、片球菌属、链球菌属、四联球菌属、漫游球菌属和魏斯氏菌属。