纳豆芽孢杆菌的开发与利用

纳豆芽孢杆菌的开发与利用
摘要
介绍了纳豆芽孢杆菌的起源和特点 , 重点阐述了纳豆及纳豆芽孢杆菌的生理功效及其在食品加工、微生态制剂和纳豆激酶、抗菌素等方面的应用现状 ,并对今后的发展趋势进行了展望。

关键词: 纳豆芽孢杆菌 ; 纳豆激酶 ; 生理功效 ; 天然防腐剂 ; 应用纳豆芽孢杆菌( B aci l l us nat t o) 是从日本传统食品中分离出来的菌种 ,其原始菌株与枯草芽孢杆菌相同 ,是枯草芽孢杆菌的一个亚种
学生姓名王晓东
班级 1301
专业名称生物化工工艺
系部名称制药工程
指导教师孔卫娜
提交日期
答辩日期
河北化工医药职业技术学院
目录
1纳豆芽孢杆菌简介与起源 (2)
1 1简介 (2)
1 2纳豆的起源 (2)
2 纳豆及纳豆菌的生理功效 (3)
2 1 1 防止骨质疏松症 (3)
2 1 2 抗癌作用 (3)
2 1 3 抗氧化及延缓衰老作用 (3)
2 1 4 预防和治疗高血压的作用 (4)
2 1 5 降低胆固醇的作用 (4)
2 1 6 血栓溶解作用 (4)
2 1 7 整肠功效及促消化作用 (5)
2 1 8 抗菌作用 (5)
3 应用 (5)
3 1 1 调味料 (5)
3 1 2 天然防腐剂 (5)
3 1 3 心血管药物 (6)
3 1 4 饲料添加剂 (6)
1纳豆芽孢杆菌简介与起源
1 1简介
[ 1 ] 纳豆芽孢杆菌常称纳豆菌 ,不仅具有分解蛋白质、碳水化合物、脂肪等大分子物质的性能 ,使发酵产品中富含氨基酸、有机酸、寡聚糖等多种易被人体吸收的成分 ,而且在纳豆菌发酵纳豆的过程中在其中还发现了一些生理活性物质而使纳豆具有多种保健功能 ,如抗肿瘤、降血压、抗菌等作用 ,还可预防骨质疏松、提高蛋白质的消化率、抗氧化等
[ 2 - 6 ]纳豆菌能产生具有溶栓活性的纳豆激酶 ,其芽孢能耐酸碱、耐高温 ( 100 ℃ ) 及耐挤压 ,在酸性胃环境中能保持高度的稳定性 ; 纳豆菌在肠道中不增殖 ,只在肠道上段迅速发育转变
成代谢活跃的营养型细胞
[ 7 ]增强以厌氧菌为优势菌群的肠道正常菌群的生长 ,促进对营养物质的吸收 ,增强机体的免疫功能
[ 8 ]近年来 , 世界上许多国家掀起了研究纳豆菌的热潮。

除了开发纳豆等多种保健食品外 , 对其代谢产物纳豆激酶的研究也已成为当前重要的研究课题。

本文着重阐述了其生理功效及应用前景等内容。

1 2纳豆的起源
1 纳豆、纳豆芽孢杆菌的起源、种类及特点传统制作纳豆是采用稻草作为发酵菌剂的来源 ,将煮熟的黄豆冷却后用稻草包裹后于温湿度比较高的地方自然发酵 1～
2 天 ,等黄豆表面出现一种白色的黏液状物质即可。

目前在日本 , 纳豆食品生产基本实现了工业化、连续化和商品化。

1905 年东京大学的村教授是第一个将纳豆中筛选出的杆菌命名纳豆杆菌 ( B aci l l us n at t o S a w a m u r a)的研究学者 , Mut o 后来研究发现纳豆杆菌属于枯草芽孢杆菌属 ,为需氧型革兰氏阳性菌。

自从 1934 年北海道大学农学部半洵教授首次成功地将分离的纯种纳豆苗( B aci l l us n at t o N o . 1) 使用于纳豆的工业化生产后 ,至今已知与纳豆生产相关的主要
纯菌种枯草芽孢菌属的重要特点是能够分泌各种胞外酶 ,包括蛋白酶、淀粉酶、谷氨酸转肽酶( GT P) 、脂肪酶、果聚糖蔗糖酶和植酸酶 ,而纳豆菌分泌的酶比其他枯草芽孢杆菌分泌同样活性的酶高几十倍。

纳豆菌具有芽孢 ,因而能耐盐耐碱、耐高温 ( 100 ℃ ) 及耐挤压 ,在酸性胃环境中均能保持高度的稳定性 , 在肠胃道中不增殖 ,只在肠道上段迅速发育转变成具有新陈代
谢作用的营养型细胞。

纳豆菌的营养要求不高 , 可以在人体肠道中定殖 ,对人 14 体肠道中微生态的平衡具有很重要的作用。

2 纳豆及纳豆菌的生理功效
2 1 1 防止骨质疏松症
纳豆含有相当多的维生素 K 2 , 可生成骨蛋白质 ,与 Ca 有协同作用 , 并共同生成骨质 , 增加骨密度 , 防止骨折。

日本曾对 6 万名 65 岁以上的骨质疏松患者给予维生素 K 2 , 证明可减缓腰痛 , 增加骨重。

一般骨折患者血液中维生素 K 2 的浓度仅为健康人的二分之一 ,故可用维生素K 2 含量高的纳豆防止骨质疏松和骨折。

2 1 2 抗癌作用
大豆中含有多种抗癌质 , 如酚类、黄酮类、膳食纤维等 ,可预防乳腺癌、前列腺癌、皮肤癌、肾癌、尿道癌、大肠癌。

有研究证实 ,发酵纳豆制品中 5 , 7 , 4 2 三羟基异黄酮 ( ge ni st ei n) 的含量要高于大豆及大豆产品 ( 如豆乳和豆腐) 。

5 , 7 , 4 2 三羟基异黄酮是纳豆中起抗癌作用的主要物质 ,每天日本国民食入的 5 , 7 , 4 2 三羟基异黄酮的量 ( 通过食用纳豆及其他发酵豆制品) 为 1 . 5～4 . 0 mg/ 人 ,要远远高于美国或者西方欧洲国家 ,而这些国家的乳腺癌、结肠癌和前列腺癌的死亡率要高于日本。

研究证明 , 传统的日本大豆制品 ( 纳豆、豆腐等) 对前列腺癌起到预防的作用 ,而且与其他传统的食品 ( 鱼) 相比 , 纳豆有更明显的降低前列腺癌风险的趋势。

纳豆中含有胰蛋白酶抑制剂 ,其抗癌功效已在动物实验中得到证实。

纳豆还含有许多活性物质如皂甘素、维生素 B2 、维生素 E 等 ,每天食用可除去体内的致癌物质 , 预防癌症的发生纳豆除了含有多种抗癌成分外 , 纳豆菌本身也可有效地破坏或杀死癌细胞 , 并可刺激免疫系统诱发干扰素产生 ,起到抑制癌症的功效。

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3 抗氧化及延缓衰老作用
Hat t o ri 研究纳豆中粗抗氧化剂提取物对不饱和脂肪酸和细胞显示的抗氧化效果与相同质量的维生素E 相当或效果更好。

用水溶性纳豆、低分子量黏性纳豆组分和大豆水溶性提取物能够对
低密度脂蛋白的氧化作用有抑制作用 , 可以降低血浆甘油三酯和总胆固醇量 ,这可证明纳豆组分
可以直接降低体内的氧化活力 ,预防动脉硬化 ,降低脂质过氧化作用和提高脂质的代谢此外 ,纳豆中还含有皂苷素 , 起到改善便秘和软化血管的作用。

纳豆的粗提物中含有丰富的卵磷脂、异黄酮(i sof l a vo ne s) 、超氧化物歧化酶 ( SOD ) 、不饱和脂肪酸、维生素 E 等抗氧化成分。

因此 , 经常食用可有效降低血脂、胆固醇及清除脑组织细胞中过氧化脂质色素 ,调节皮肤细胞表水和脂肪平衡 , 促进血液循环 , 改善皮肤弹性 , 使皮肤光洁柔软 , 达到
延缓衰老的功效
2 1 4 预防和治疗高血压的作用
纳豆中含有抑制血管紧张素转化酶的成分 , 纳豆提取物的抑制活力相对比较高 , 而且纳豆黏液组分的抑制活力要高于纳豆提取物
2 1 5 降低胆固醇的作用
亚油酸能够降低血浆中的胆固醇含量 , 有预防动脉硬化、心脏病和高血压的功效。

纳豆的主要成分为亚油酸 ,占全脂质的 50 % , 在纳豆菌接种发酵的作用下 ,其中的亚油酸能充分为人体利用吸收 ,因而就达到降低胆固醇的作用。

2 1 6 血栓溶解作用
据日本宫崎医科大学须见洋行教授研究发现,纳豆中含能强烈溶解血栓的溶解酶素———纳
豆激酶( Nat t o ki na se) 。

这是由纳豆菌在发酵纳豆的过程中产生的 ,它由 275 个氨基酸残基组成 ,分子量在 27000左右 ,无毒、无副作用 ,是一种丝氨酸蛋白酶。

随后 ,须见洋行教授又将纳豆激酶用于狗的血栓模型试验及健康人群体内研究 ,证明它除具有显著溶栓作用外 ,还具有促进静脉内皮细胞产生纤维蛋白溶酶原激活剂能力 ,从而间接表现其溶栓活性。

据报道 ,患心肌梗塞的危险患者 , 一次需投入尿胃激酶 30 万单位 , 而一盒50 g的纳豆中含有 80 万单位尿胃激酶的血栓溶解作用。

纳豆中的酶食用后被体内吸收 , 常食可以预防高血压、血栓症、防衰老、提高脑力和记忆力。

2 1 7 整肠功效及促消化作用
在发酵过程中 ,1 g 纳豆中含有 10 亿以上个纳豆菌 ,摄取 100 g 的话 , 1000 亿个纳豆菌就进入肠内 ,纳豆菌可以抑制引起肠内异常发酵和痢疾等腐败菌 , 促进乳酸菌的繁殖 ,调节肠内细菌
平衡 , 预防痢疾、肠炎和便秘等。

大豆经过纳豆菌发酵蓄积了大量的酶 ,如蛋白酶、淀粉酶、脂酶、纤维素酶和脲酶等酶群 , 这些生物酶在消化系统中作为消化酶能够有效地发挥作用 , 因此有助于消化吸收。

2 1 8 抗菌作用
早在第二次世界大战期间 , 纳豆菌对于消化系统传染病霍乱、伤寒菌和赤痢菌的抗菌效果就有过报道。

纳豆菌具有广谱抗菌作用 ,对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、酵母菌和霉菌都有一定的拮抗作用 ,对异常汉逊酵母具有强抗菌作用。

纳豆菌可以产生的抗菌素如杆菌肽、多粘菌素、2 ,6 2 吡啶二羧酸 ( Dipicoli ni caci d) ,具有抑制金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、伤寒菌、痢疾菌及O157 : H7 大肠杆菌等致病菌的作用, 可以起到抗菌素的作用。

最新研究发现 ,经纳豆菌发酵后的纳豆中含有的二肽酶磷酸具有抗菌、抗病毒、促进益菌的增殖、预防食物中毒和感冒等作用。

另外 , 由于纳豆在发酵过程中产生一种粘性物质 ,其被覆在胃肠粘膜表面上 ,可保护胃肠 ,因而饮酒时可缓解酒醉。

3 应用
3 1 1 调味料
纳豆菌在发酵大豆的过程中在纳豆周围产生粘性物质中含有大量的γ 2 多聚谷氨酸、果聚糖、多种氨基酸 (如谷氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸) 及许多挥发性脂肪酸 (如乙偶姻、乙酸、戊酸等) 还含有大量的风味物质毗嗦(p yraz i ne) ,经加工后可制成风味独特的调味料 , 供人们食用。

3 1 2 天然防腐剂
开发微生物天然防腐剂是食品防腐研究的一个热点。

目前 ,已有许多细菌素被研究和发现 ,但在食品中应用研究较多的细菌素只有尼辛 ( Ni s i n) 和纳他霉素( Nat amyc i n) ,其他细菌素的应用研究较少。

研究表明 ,纳豆菌抗菌蛋白抗菌谱广 ,抗菌作用较强 ,且其特性适合于食品中的应用,消毒牛奶于 4 ℃贮存时 ,纳豆菌抗菌蛋白具有显著的防腐效果 ,0. 06 %抗菌蛋白粗品的防腐
效果稍优于 0. 02 %的尼萨普林 ,样品的保存期可大大超过 2 个月。

37 ℃贮存 48 h 后 ,添加 0.
06 %抗菌蛋白的样品的防腐效果优于 0. 02 %的尼萨普林 ; 乳酸钠、甘氨酸与纳豆菌抗菌蛋白有一定的协同作用。

在新鲜猪肉的保存中 , 防腐效果最好的是 4 % 乳酸钠与 0. 06 % 抗菌蛋白的复合处理。

0. 06 %抗菌蛋白的防腐效果与 0. 02 %尼萨普林的效果相近。

抗菌蛋白与乳酸钠、山梨酸钾和甘氨酸有一定的协同作用。

纳豆菌抗菌蛋白抗菌谱较广 , 具有较强的抗菌作用和良好的稳定性 ,在食品防腐中具有较好的防腐效果
3 1 3 心血管药物
由于纳豆菌发酵大豆后能够产生大量溶解血栓的高活性纳豆激酶 ,且其溶解血栓的能力远比治疗血栓药品如尿激酶强 ,并且无毒副作用 ,因此纳豆激酶 ( N K ) 的研究是纳豆研究中的热点问题。

学者们通过对纳豆菌进行诱变处理 ,尽量提高产酶的活性 ,使菌株 N K 活力高且有高外分泌能力。

据报道 , N K 生产已经实现了三角瓶摇瓶培养 ,在 5 L 的发酵槽中装入 2 L 基础培养基后 ,在 p H 2st at 控制下追加 1 L 料 ,发酵48 h ,N K 活性达900～1100 FU/ mL ,但发酵体系中还有其他成分对 N K的提取还有干扰。

作为 N K 生产菌 ,可以将纳豆菌通过分子生物学的方法控制调节基因以及利用转基因技术组建基因工程菌可以使酶产量提高到 40～400 倍。

研究内容主要包括:纳豆激酶基因的克隆、鉴定及在宿主菌中的高效表达 ;纳豆芽孢杆菌固体发酵生产纳豆激酶工艺优化 ;纳豆菌液体深层发酵生产纳豆激酶工艺优化 ;采用胶团和反胶团方法高效分离纳豆激酶 ,但如何保持纳豆激酶的高活性是此工艺中的关键问题。

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4 饲料添加剂
纳豆菌作为一种食用历史悠久、保健功效明确和食用安全的菌种 ,在饲料业中备受关注。

1999 年纳豆菌被农业部列入 12 种可直接饲喂动物的饲料级微生物添加剂。

迄今 ,日本已开展了纳豆芽孢杆菌应用于仔鸡、仔猪饲料的研究, 我国也已有相关研究报道。

体外试验研究表明 ,添加纳豆芽孢杆菌能使肠道酸化而有利于铁、钙及维生素 D 等的吸收 , 促进动物生长 ,缩短饲养周期 ,同时纳豆芽孢杆菌具有很强的蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶活性 , 能降解植物性饲料中某些复杂的碳水化合物 , 从而提高饲料的转化率并增加饲料的可利用种类。

因此 ,纳豆芽孢杆菌是一种较好的微生物饲料添加剂 , 目前在家畜及水产养殖中的应用日益扩大。

4 小结
纳豆菌不仅能发酵大豆 ,生产出营养丰富、功能多样的纳豆产品 ,还能用于生产保健药品、调
味品以及微生态制剂 ,是美国 FDA 公布的 40 种益生菌之一。

随着各国对纳豆菌研究的不断深入及分子生物学的发展 ,纳豆菌及其纳豆激酶等产物的分子改造、修饰以及生产调控成为可能 ,相关的研究和产品也将不断出现。

加强对菌种发酵特性的研究和特种使用性能菌株的开发 ,并在保证营养功能的同时使纳豆的口味特点更加符合中国人的饮食习惯 , 使纳豆产品成为一种广泛食用的
药食同源产品显得至关重要。

富含纳豆菌的微生物制剂开发具有广阔的市场前景 ,开发的关键除了要确保菌株本身的安全性外 ,还要使制剂含有稳定活性且高数量的益生菌 , 同时具有抗热、耐酸耐胆汁能力 ,因此在对益生菌发酵特性进行改良的同时 ,也要重点研究生产工艺、活性的保存条件。

细菌素的开发集中在高产菌株的选育和发酵工艺的探索上 ,利用现代基因工程技术和诱变育种技术 ,选育可供大规模生产的抗逆菌株 , 探求合理的发酵工艺和提取条件 ,降低成本 ,使天然的
微生物防腐剂广泛应用。

而纳豆激酶的生产仍然集中在菌株的选育和酶活提高上 ,通过高产纳豆激酶的菌株结合合理的工艺控制 ,使最终产品酶活力达到相当高的水平并应用于临床。

值得相信 ,在我国乃至整个世界 ,功能性食品纳豆及其纳豆菌相关产品的研究和开发 ,市场前景方兴未艾。

参考文献 :
[ 1 ] R . E. 布坎南1 伯杰细菌鉴定手册 ( 第八版) [ M ]1 北京 : 科学出版社 , 1984 : 735 2 792 1
[ 2 ] Sumi H , Ha ma da H , Tsushi ma H , et al . A no vel f i bri no2l yt ic e nzyme ( nat to ki na se ) i n t he veget a ble c hee se nat to : at ypical a nd pop ula r s o ybea n foo d i n t he J apa ne se diet [J ] 1Exerient ia ,1987 ,43 ( 10) : 1110 2 1111 1
[ 3 ] Esa ki H , Onoza ki H , Osawa T . Ant io xi dat ive act ivi t y off e r me nt ed s o ybea n p ro duct s [J ] 1 L ACS Sympo si um se rie s ,1994 ( 546) : 353 2 360 1
[ 4 ]钟青萍 , 王斌 , 石木标 . 多功能保健食品———纳豆 [J ] . 食品研究与开
发 ,2003 ,24 ( 4) : 81 2 83 .
[ 5 ] Sumi H. Ant i bact erial Act ivi t y of Bacill us nat to2 Gro wt h i n 2hi bi t io n a gai nst Esche ric hia coli 2 O157 [J ] . Bioi ndust r y ,1997 , ( 14) : 17 1
[ 6 ] Sumi H. Acc umulat io n of Vi t a mi n K ( me naquio ne 2 7) i n pla s 2ma af t e r i ndi ge st io n of Nat to a nd Nat to Bacilli (B. Subt illi snat to) [J ] . Foo d Scie nce a nd Technolo gy Re sea rch , 1999 ,5 ( 1) : 48 2 50 .
[ 7 ]刘学剑. 微生物理论与绿色饲料添加剂的开发应用[ J ]1 湖南饲料 , 2000 , 59 ( 5) : 2 2
7 1
[ 8 ]张俐 , 杨迎伍 , 阚健全 . 微生态制剂及其在功能食品中的应用[J ] 1 食品工业与科技 , 2002 , 23 ( 6) : 72 2 74 1
[ 9 ]苏远志. 纳豆菌代谢产物的开发与应用[ E B/ OL ] 1 ht tp : / /www. s o ybea n. o r g. t w 1
[ 10 ]陆兆新 . 值得开发的保健食品———纳豆 [ J ]1 中国食报 ,2000 , 11 ( 1) 1
[ 11 ]谢秋铃 ,郭勇. 纳豆———一种多功能食品[ J ]1 食品工业与科技 , 1999 , 20 ( 1) : 71 2 72 1
[ 12 ]鞠洪荣 . 纳豆的保健性与制作方法 [ J ]1 中国酿造 , 2 0 0 0( 6) : 6 2 8 1
[ 13 ] Fukut a ke M , Ta ka ha shi M , Ishi da Ket al . Qua nt i f icat io n ofge ni st ei n a nd geni st i n i n s o ybea nsa nd s o ybea n p ro duc 2t s [J ] 1 Foo d Chem To xicol , 1996 , 34 ( 5) : 457 2 461 1
[ 14 ] S o no da T , Nagat a Y , Mo ri M , et al . Aca se 2 co nt rol st udy ofdiet a nd p ro st at e ca nce r i n J ap a n : po s si ble p ro t ect ive eff2ect of t ra di t io nal J apa ne se diet [J ] 1 Ca nce r Sci , 2004 , 9 5
( 3) : 238 2 242 1
[ 15 ] Mi ya gi Y , Shi njo S , Ni shi da R , et al . Tr yp si n i nhi bi to r ac 2t i vi t y i n co mme rcial s o ybea n p ro duct s i n J apa n[J ] 1 J Nut rSci Vi t a mi nol ( To ky o) , 1997 , 43 ( 5) : 575 2 580 1
[ 16 ]宋国安. 纳豆的功能与开发应用前景 [ J ]1 食品研究与开发 , 2002 ( 10) : 53 2 54 1 [ 17 ] Iwai K , Na ka ya N , K awa sa ki Y , et al . Ant io xi dat ive f unc 2t io ns of nat to , A ki nd of f er me nt ed s o ybea ns : eff ect o nL DL o xi dat io n a nd lipi d met a boli sm i n c hole st e rol 2 f edra 2t s [J ] 1J Agric Foo d Chem , 2002 , 5 ( 12) : 3597 2 3601 1
[ 18 ] Iwai K , Na ka ya N , K awa sa ki Y , et al . Inhi bi to r y eff ect ofnat to , A ki nd of f e r me nt ed so ybea ns , o n LDL o xi dat io n i 2nvi t ro [J ] 1J Agric Foo
d Chem ,2002 ,50 ( 12) : 3592 2 3600 1
[ 19 ] Oka mo to A , Ha na gat a H , K awa mura Y , et al . Ant hyp e r t ensive subst a nce s i n f e r me nt ed s o ybea n , nat to [J ] 1Pla nt Foo ds Hum Nut r , 1995 , 47 ( 1) : 39 2 47 1
[ 20 ]须见洋行. 日本酿造协会 , 1990 , 85 ( 8) : 518 2 524 1
[ 21 ]安晓琼 , 李梦琴 . 纳豆的生理功能 [ J ] 1 食品与药品 ,2006 , 8 ( 1) : 68 2 71 1
[ 22 ]木内翰 , 铃木英也 . 高活性纳豆开发的现状 [ J ] . 食品与科技 ,1991 ( 6) : 85 2 89 1 [ 23 ]钟青萍 ,谢俊杰 ,佘世望 ,等1 纳豆菌抗菌作用的研究[ J ] .食品研究与开发 , 2001 , 22 ( 6) : 20 2 22 1
[ 24 ]钟青萍 , 谢俊杰 , 佘世望 , 等1 纳豆菌抗菌蛋白的稳定性[J ] 1 中国食品添加剂 , 2002 ( 4) : 42 2 45 1
[ 25 ]钟青萍 ,王斌. 纳豆菌抗菌蛋白在食品防腐中的应用[ J ]1中国食品添加剂 ,2003 ( 3) : 66 2 69 1
[ 26 ]董明盛 , 江晓 , 江汉湖 , 等1 溶栓纳豆菌的筛选鉴定及其发酵特性研究[J ] 1 南京农业大学学报 , 2001 ( 1) : 95 2 98 1
[ 27 ]熊晓辉 , 梁剑光 , 熊强1 纳豆激酶液体发酵条件的优化[J ] 1 食品与发酵工业 , 2004 , 30 (1) :62 2 66 1。