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：1．1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c￡ococ．f“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5~200txm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-pressuretechnology)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(100~1000MPa)，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BertHite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230~430MPa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-FandinoR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100~500Mpa、在23℃下对奶油处理10~15min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)3．1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。3．1．1ATP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。3．1.2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。3．2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、α-乳白蛋白、β-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2．4ng／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。3．3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。JBalcam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。3．4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(H／o)工艺处理乳品工业废水等研究。4膜技术(Membranetechnology)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“DairyMZseries”的系列膜分离单元来净化乳清和乳品工业废水，而使其达到环保标准。Guu等研究了 纳滤浓缩技术对乳糖结晶效率的影响，指出纳滤浓缩可使乳糖结晶增加8%--10％。5其它高新技术除上述几种高新技术应用在乳品工业外，国外食品专家还研究开发了活性包装(Activepackaging)技术，通过包装使食品与环境相互协调，创造一种适宜食品保藏的内部条件。它主要采用去氧剂、抗菌剂、异味消除剂、水分和二氧化碳控制剂等来延长食品的货架期，提高其安全性和改善感官性。同时，还有超微粉碎技术、微波技术、真空冷冻干燥技术、欧姆杀菌和高电压脉冲杀菌技术等高新技术应用于现代乳品工业。