乳酸菌的代谢、发酵及其在食品工业中的应用要点

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+2H2O

EMP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 EMP

2.2 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+Pi

HMP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，