乳酸桿菌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)特征、作用及對(duì)微生態(tài)制劑的影響！
微生物查詢網(wǎng) / 2019-04-18 14:49:34
乳酸桿菌是一類能將碳水化合物發(fā)酵生成乳酸的革蘭氏陽(yáng)性菌，并已廣泛應(yīng)用于食品和醫(yī)藥等相關(guān)行業(yè)，被公認(rèn)為食品級(jí)安全產(chǎn)品。廣泛存在于人、畜、禽腸道、許多食品、物料及少數(shù)臨床藥品中。其在自然界中的分類十分廣泛，至少包括2個(gè)屬，主要為：乳酸桿菌屬(Lactobacillus)、雙歧桿菌屬(Bifidobac?terium)、鏈球菌屬(Streptococcus)、腸球菌屬(Enterococ?cus)、乳球菌屬(Lactococcus)等。
乳酸桿菌作為腸道內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌群，有著調(diào)節(jié)機(jī)體胃腸道菌群平衡，保持微生態(tài)平衡和預(yù)防傳染病等作用。其益生作用主要表現(xiàn)為：通過(guò)產(chǎn)生有機(jī)酸、乳酸等物質(zhì)調(diào)節(jié)腸道pH值、產(chǎn)細(xì)菌素抑制外來(lái)病菌的感染，并且在腸道內(nèi)能與黏膜上皮結(jié)合緊密，形成一層生物膜，排斥部分致病菌，也可以激活某些特定的免疫細(xì)胞，從而抑制外來(lái)菌種的生長(zhǎng)和繁殖。其次，研究表明乳酸桿菌發(fā)生益生效應(yīng)首先需在腸道內(nèi)成功定植，之后通過(guò)細(xì)胞膜與外界進(jìn)行物質(zhì)交換和能量的傳遞。在腸道成功定植后，能產(chǎn)生丁酸和細(xì)菌素等活性代謝物。其中丁酸可以抑制很多突變物質(zhì)的活性，并參與細(xì)胞的凋亡和分化，細(xì)菌素則可抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等常見(jiàn)病原菌的生長(zhǎng)。乳酸桿菌可以降低腸道通透性和炎癥的發(fā)生，阻礙有害物質(zhì)對(duì)腸道屏障功能的損害，減弱細(xì)胞凋亡和自噬等。
細(xì)胞膜位于細(xì)胞的最外層，是天然的高度選擇性的屏障，不僅參與細(xì)胞和外部環(huán)境之間的物質(zhì)交換，在細(xì)胞的生理過(guò)程中也有至關(guān)重要的作用，例如：作為信號(hào)通訊，誘導(dǎo)刺激細(xì)胞、參與細(xì)胞黏附、物質(zhì)運(yùn)輸、能量轉(zhuǎn)換等。細(xì)胞膜的存在有助于維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，為細(xì)胞各種生理功能提供基礎(chǔ)，并且膜脂質(zhì)還參與一定的應(yīng)激功能。在充當(dāng)生物屏障的同時(shí)提供選擇通透性，這就決定了對(duì)細(xì)胞膜的認(rèn)識(shí)是對(duì)整個(gè)細(xì)胞乃至生命體認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)。研究表明不同溫度和pH值條件下，細(xì)胞的選擇透過(guò)性表現(xiàn)出不同的差異。通過(guò)對(duì)細(xì)胞膜的研究可深入了解乳酸桿菌的生長(zhǎng)代謝和生理狀態(tài)，并通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞膜的通透性改變膜的選擇性，從而調(diào)控細(xì)胞代謝。同時(shí)，位于乳酸桿菌細(xì)胞膜表面一些蛋白質(zhì)、多糖、脂磷壁酸等物質(zhì)對(duì)于參與黏附定植有重要作用。
一、乳酸桿菌細(xì)胞膜及其結(jié)構(gòu)特征
⒈乳酸桿菌細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)
細(xì)胞膜主要由磷脂、蛋白質(zhì)和少量的糖類構(gòu)成，并通過(guò)疏水鍵和氫鍵維持磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)，以構(gòu)成細(xì)胞膜的基本構(gòu)架。根據(jù)功能的不同，可以將這些蛋白分為膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、受體蛋白、連接蛋白和酶。這些蛋白發(fā)揮著物質(zhì)運(yùn)輸和離子交換的功能，并且可以催化某些生理生化反應(yīng)的發(fā)生，從而提高機(jī)體免疫功能，防止外來(lái)病菌的侵入。乳酸桿菌是一種革蘭氏陽(yáng)性菌，形狀為桿形，發(fā)酵過(guò)程中利用碳水化合物形成大量乳酸。乳酸桿菌擁有一類表層蛋白，分子量為25-71之間，是已知表層蛋白中最小的一類。等電點(diǎn)為9.35-10.4，均為堿性蛋白，是乳酸桿菌獨(dú)有的特征。它廣泛存在于動(dòng)植物腸道中通過(guò)代謝糖類，主要將其轉(zhuǎn)化為乳酸，廣泛應(yīng)用于肉類、蔬菜、水果、飲料、牛奶等食物的發(fā)酵過(guò)程中并且在腸道定植發(fā)揮益生效應(yīng)，他們?cè)谑澄锉２匕缪蓐P(guān)鍵角色，導(dǎo)致食品口感和風(fēng)味的發(fā)展。像大多數(shù)革蘭氏陽(yáng)性菌一樣，乳酸桿菌細(xì)胞膜含有大量糖聚合物和蛋白質(zhì)，它由多層肽聚糖球囊周圍裝飾著磷壁酸、多糖和蛋白質(zhì)組成。其中參與乳酸桿菌細(xì)胞膜重要功能性成分包括：肽聚糖、磷壁酸、多糖、蛋白質(zhì)等。由于乳酸桿菌發(fā)揮的益生效應(yīng)，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到其細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是開(kāi)發(fā)技術(shù)和健康應(yīng)用的重要組成部分。
⒉乳酸桿菌細(xì)胞膜的作用
通過(guò)對(duì)乳酸桿菌細(xì)胞膜的分析在破譯控制肽聚糖相關(guān)酶活性和細(xì)菌自溶的分子機(jī)制、細(xì)胞膜蛋白在細(xì)菌表面的錨定、噬菌體對(duì)靶細(xì)菌表面的吸附以及益生菌與細(xì)菌之間的相互作用方面有重要作用。有研究顯示乳酸桿菌細(xì)胞膜膜中脂磷壁酸和肽聚糖參與了細(xì)胞黏附過(guò)程，表層蛋白中SlpA可以與纖維連接蛋白作用參與腸道定植。乳酸桿菌在腸道成功定植后產(chǎn)生各個(gè)消化酶促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，并且可以增強(qiáng)外周血、T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞的活性，增強(qiáng)細(xì)胞免疫和體液免疫等功能。
二、影響乳酸桿菌細(xì)胞膜作用性因素
⒈壓力
在高強(qiáng)度壓力下，對(duì)細(xì)胞主要損傷的是細(xì)胞膜，增大細(xì)胞的通透性甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡。壓力作用于細(xì)胞導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性增加的主要原理是細(xì)胞處在一定壓力下會(huì)使細(xì)胞膜磷脂分子橫切面積縮小，雙層結(jié)構(gòu)由此收縮，細(xì)胞膜通透性增大。多數(shù)研究認(rèn)為超高壓破壞細(xì)胞膜是微生物死亡的主要原因。有研究通過(guò)高壓均質(zhì)化（HPH）下對(duì)乳酸菌細(xì)胞膜脂質(zhì)酸組成的影響，有利于理解細(xì)胞膜激活反應(yīng)機(jī)制，在亞致死水平下進(jìn)行的高壓均質(zhì)化處理可以增加非腸道益生菌菌株的一些重要功能和技術(shù)特征。利用高壓CO2處理植物乳酸桿菌，并且對(duì)其生理狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)高壓下植物性乳酸桿菌的鹽耐受性、糖降解率以及酶的活性都隨之發(fā)生變化。由此可知隨著壓力的增加，細(xì)胞膜通透性慢慢變大，到達(dá)一定程度后細(xì)胞失活。
⒉冷凍干燥
冷凍干燥是保存益生菌的一種簡(jiǎn)便方法。通過(guò)將水活度降低到0.2以下，它可以在超普拉茲羅溫度下進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存和低成本分配，同時(shí)將生存能力和功能損失降至最低。其中通過(guò)細(xì)胞膜通透性的變化可以認(rèn)識(shí)冷凍干燥對(duì)乳酸桿菌和益生菌的損傷機(jī)理。Castro研究發(fā)現(xiàn)，保加利亞乳酸桿菌在凍干后，細(xì)胞內(nèi)離子失衡，Na+和K+濃度變化，說(shuō)明細(xì)胞膜通透性變大，細(xì)胞發(fā)生損傷。凍干前后乳酸桿菌細(xì)胞存活率降低凝乳時(shí)間延長(zhǎng)，酸度計(jì)pH值變化不大，代謝酶活性有所降低，熒光探針測(cè)定凍干后乳酸桿菌Ca2+濃度增加，表明細(xì)胞膜通透性增大。有研究利用熒光探針(cFDA和PI)快速評(píng)估干酪乳桿菌在冷凍和凍干后的生存能力，用該方法測(cè)定了四種不同的低溫保護(hù)劑的保護(hù)效果。結(jié)果表明，低溫保護(hù)劑對(duì)提高細(xì)胞活力有積極作用。并對(duì)比菌種在凍干過(guò)程中的活力損失，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜在凍干前后通透性有顯著增加。
三、乳酸桿菌細(xì)胞膜對(duì)微生態(tài)制劑的影響
微生態(tài)制劑是指能促進(jìn)正常微生物生長(zhǎng)繁殖加強(qiáng)腸道微生物的屏障功能，防止有害病菌感染的微生態(tài)制品。乳酸桿菌作為微生態(tài)制劑的常用菌種對(duì)于改善動(dòng)物腸道菌群平衡，以及預(yù)防和治療疾病等方面有重要意義。然而它在胃酸、膽鹽等高溫環(huán)境下具有不穩(wěn)定因素，影響其在動(dòng)物腸道內(nèi)發(fā)揮的益生效應(yīng)。
⒈乳酸桿菌微生態(tài)制劑的應(yīng)用
乳酸桿菌微生態(tài)制劑的應(yīng)用非常廣泛，在畜禽生產(chǎn)上，有研究利用乳酸菌制劑對(duì)犢牛腹瀉進(jìn)行防治，結(jié)果表明乳酸菌對(duì)于犢牛腹瀉率與對(duì)照組相比下降2倍伊氏乳桿菌發(fā)酵食物，發(fā)現(xiàn)僅口服這些純化乳酸菌就足以抑制兩種模型的乳腺瘤變特征。并且在臨床醫(yī)學(xué)中已證明其在鼠李糖乳酸桿菌可以減少慢性炎癥，減少胃腸道惡性腫瘤和癌癥的發(fā)生。因此對(duì)乳酸桿菌微生態(tài)制劑的研究在醫(yī)藥、生物、飼料等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
⒉乳酸桿菌細(xì)胞膜在生長(zhǎng)繁殖上的影響
乳酸桿菌微生態(tài)制劑受多種環(huán)境因素的影響，要想微生態(tài)制劑發(fā)揮腸道定植作用，一般要求微生態(tài)制劑的活菌數(shù)達(dá)到107CFU/ml，當(dāng)細(xì)胞膜通透性增加到一定程度時(shí)，可以快速吸收周圍環(huán)境中的自身所需物質(zhì)，從而提高產(chǎn)率。通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞膜通透性，增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，有助于提高乳酸桿菌活菌數(shù)，進(jìn)而提高微生態(tài)制劑的利用率。
⒊乳酸桿菌細(xì)胞膜對(duì)微生態(tài)制劑冷凍保存的影響
近年來(lái)對(duì)乳酸菌制劑的研究越來(lái)越深入，主要采用凍干技術(shù)、微膠囊技術(shù)、生物發(fā)酵技術(shù)等制成不同種類的乳酸菌制劑。其中凍干技術(shù)中，乳酸桿菌在冷凍保存過(guò)程中會(huì)造成一定的損傷，主要有機(jī)械損傷、溶質(zhì)損傷、蛋白質(zhì)變性、pH值平衡遭到破壞等，這些損傷會(huì)影響乳酸桿菌的生長(zhǎng)繁殖，降低活性。通過(guò)對(duì)細(xì)胞膜凍干前后細(xì)胞膜通透性的比較發(fā)現(xiàn)，凍干之后細(xì)胞膜通透性顯著增加，由此可見(jiàn)冷凍保存過(guò)程中細(xì)胞活性的降低與細(xì)胞膜通透性的增加有關(guān)。因此通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞膜通透性可以緩解冷凍保存對(duì)乳酸桿菌的傷害，使菌種穩(wěn)定保存，從而在微生態(tài)制劑制作工程中，降低對(duì)乳酸桿菌的凍干損傷，對(duì)于提高作用率有重要意義。
⒋乳酸桿菌細(xì)胞膜對(duì)腸道定植的影響
乳酸桿菌在腸道定植是發(fā)揮一系列生理功能的基礎(chǔ)。微生態(tài)制劑在腸道內(nèi)發(fā)揮作用的前提同樣是在腸道內(nèi)成功定植。影響乳酸桿菌腸道定植的因素有很多，菌體膜外表面有大量參與腸道定植的物質(zhì)。脂磷壁酸是乳酸桿菌特征性膜結(jié)合聚合物，作為細(xì)胞壁的重要組成成分。有研究發(fā)現(xiàn)羅伊氏乳桿菌中脂磷壁酸丙氨酸殘基的缺失，顯著影響了其在小鼠胃腸道中生物膜的形成能力。從而使乳酸桿菌在腸道內(nèi)定植能力減弱，降低微生態(tài)制劑在動(dòng)物腸道中的利用率。然而乳酸桿菌微生態(tài)制劑腸道定植后又能發(fā)揮一系列功能。
四、總結(jié)
乳酸桿菌作為無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)殘留、無(wú)污染的微生態(tài)制劑，具有維持動(dòng)物消化道微生物區(qū)系平衡，增強(qiáng)畜禽的抗病能力和提高動(dòng)物生產(chǎn)性能等優(yōu)點(diǎn)，可作為綠色畜禽養(yǎng)殖中理想的抗生素替代品。然而其易受到各種環(huán)境因素的影響，如pH值、溫度等都會(huì)使乳酸桿菌的生長(zhǎng)受到抑制。為了更好發(fā)揮乳酸桿菌的益生作用，越來(lái)越多的研究著重于提高乳酸桿菌的自身生長(zhǎng)代謝。通過(guò)調(diào)控細(xì)胞膜通透性允許營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，并將代謝產(chǎn)物排除體外，從而增強(qiáng)細(xì)胞與外界物質(zhì)交換的速度。并且通過(guò)對(duì)膜上蛋白物質(zhì)進(jìn)行理化分析，高效利用因此調(diào)控細(xì)胞膜通透性可以作為增強(qiáng)乳酸桿菌生長(zhǎng)繁殖的重要方法。具體可以表現(xiàn)在提高乳酸桿菌自身合成物質(zhì)，例如影響腸道定植蛋白，通過(guò)影響細(xì)胞膜通透性排出胞外，借此加強(qiáng)腸道定植功能，使乳酸桿菌更高效的發(fā)揮一系列的益生作用有重要意義。然而如何將乳酸桿菌細(xì)胞膜特定功能在益生菌之間轉(zhuǎn)化，是工作的一大難點(diǎn)，還需要對(duì)乳酸桿菌細(xì)胞膜進(jìn)行更深入的研究。同時(shí)可以通過(guò)對(duì)細(xì)胞膜的檢測(cè)與監(jiān)控，了解到乳酸桿菌的生長(zhǎng)狀態(tài)，探究乳酸桿菌作用機(jī)理，對(duì)于研究乳酸桿菌微生態(tài)制劑有重要意義。