植物乳桿菌的抑菌性能及其影響因素研究進(jìn)展

王鴻蕉，蔡昀潔，岳明祥，俞佳，劉祥*

（1.天津市食品安全檢測技術(shù)研究院，天津 300308；2.天津中醫(yī)藥大學(xué)，天津 301608）

植物乳桿菌是一種同型發(fā)酵的革蘭氏陽性乳酸菌，厭氧或兼性厭氧，最適生長溫度為30℃～35℃，最適pH值為6.5左右，菌株為直或彎的桿狀[1]。植物乳桿菌分布廣泛，尤其是在各種傳統(tǒng)發(fā)酵食品（如泡菜、乳制品和發(fā)酵肉制品等）中普遍存在。同時，植物乳桿菌是一種典型的有益菌，在其代謝過程中，能夠產(chǎn)生有機(jī)酸、細(xì)菌素和過氧化氫等天然抑菌物質(zhì)[2]，還有研究表明，植物乳桿菌在發(fā)酵過程中能產(chǎn)生胞外多糖[3]和葉酸[4]等有益物質(zhì)，這些物質(zhì)對人體健康及發(fā)酵生產(chǎn)都有很大作用。為了在食品保鮮、拮抗致病菌感染、調(diào)節(jié)慢性代謝性疾病[5]等方面對植物乳桿菌的抑菌功能加以運(yùn)用，針對如何增強(qiáng)植物乳桿菌抑菌能力的研究也越來越多。因此，本文主要對植物乳桿菌的抑菌活性及其影響因素進(jìn)行闡述，為進(jìn)一步增強(qiáng)植物乳桿菌的抑菌能力研究和應(yīng)用提供參考。

1 植物乳桿菌的抑菌活性研究

植物乳桿菌同其他乳酸菌一樣，具有較強(qiáng)的抑菌功能，其抑菌活性的大小主要取決于植物乳桿菌菌種類型和被抑制的微生物類別。李雪飛等[6]從芒果中篩選了一株性能優(yōu)良的植物乳桿菌FMNP01，經(jīng)試驗(yàn)表明，該菌株具有廣譜抗菌能力，對常見致病菌如副溶血性弧菌（Vibrio parahaemolyticus）等有一定的抑制作用。此外，還有大量研究從不同來源的樣品中篩選出了具有抑菌性能的植物乳桿菌菌種，并對其抑菌活性進(jìn)行了探究，具體見表1。

表1 不同植物乳桿菌的抑菌活性Table 1 Antibacterial activities of Lactobacillus plantarum

另外，張歡等[19]在對從哈爾濱風(fēng)干紅腸中篩選出的5株乳酸菌和1株木糖葡萄球菌（Staphylococcus xylosus）進(jìn)行抑菌試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，其中一株植物乳桿菌對產(chǎn)氣莢膜梭菌（Clostridium perfringens）自身生長和芽孢的萌發(fā)、生長的抑制效果最佳。除了對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性細(xì)菌有較強(qiáng)的抑制作用外，植物乳桿菌對真菌也有一定的抑制效果。王應(yīng)東等[20]發(fā)現(xiàn)，植物乳桿菌TK9和IMAU80134對青霉（Penicillium）和曲霉（Aspergillus）生長都有不同程度的抑制作用。張文羿等[21]在篩選抗真菌的植物乳桿菌時發(fā)現(xiàn)，大部分的植物乳桿菌對黃曲霉（Aspergillus flavus）、串珠鐮刀菌（Fusarium moniliforme）、芽枝狀枝孢（Cladosporium cladosporioides）、產(chǎn)黃青霉（Penicillium chrysogenum）、擴(kuò)展青霉（Penicillium expansum）都有較強(qiáng)的抑制作用，但對黑曲霉（Aspergillus niger）的作用效果卻不明顯。

2 植物乳桿菌的抑菌機(jī)制

乳酸菌在生長過程中可產(chǎn)生有機(jī)酸、細(xì)菌素、短鏈脂肪酸、過氧化氫等物質(zhì)抑制細(xì)菌的生長[22]，作為一種乳酸菌，植物乳桿菌在代謝過程中可以產(chǎn)生有機(jī)酸、細(xì)菌素、類細(xì)菌素和其他如過氧化氫、脂肪酸等抑菌物質(zhì)，抑制有害微生物的生長[23]。目前，對植物乳桿菌的研究主要集中在其代謝物質(zhì)的抑菌作用及機(jī)制上。

2.1 有機(jī)酸抑菌作用

研究發(fā)現(xiàn)，植物乳桿菌的抑菌能力與其代謝過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸類有關(guān)[24]。因生存環(huán)境中的pH值對微生物的生命活動有至關(guān)重要的作用，代謝過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸會造成pH值下降，進(jìn)而影響部分不耐酸微生物的生長以達(dá)到抑菌的目的。還有研究表明，有機(jī)酸能夠破壞菌體的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，影響細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，造成菌體的生長代謝異常以起到抑菌的作用[25]。植物乳桿菌具有較強(qiáng)的產(chǎn)酸能力，也具有良好的耐酸能力，能夠通過發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生大量有機(jī)酸如乳酸、乙酸和丙酸等。Mao等[26]研究發(fā)現(xiàn)，植物乳桿菌DY-6具有較強(qiáng)的抑菌作用，其主要抗菌物質(zhì)就是乳酸、丙酸和辛酸等有機(jī)酸。此外，苯基乳酸是近年來發(fā)現(xiàn)的一種優(yōu)良的天然抑菌物，也可由植物乳桿菌代謝產(chǎn)生[27]。有研究從植物乳桿菌ZJ316上清液中獲得苯基乳酸，純度高達(dá)98.14%，提取量為108.87 mg/L[28]。

2.2 細(xì)菌素抑菌作用

細(xì)菌素是由基因組中含細(xì)菌素基因的細(xì)菌產(chǎn)生的具有抗菌功能的多肽或蛋白質(zhì)[29]。有試驗(yàn)初步確定，細(xì)菌素的抑菌機(jī)制是膜孔道滲漏機(jī)制，對致病菌生物膜的形成有抑制作用，而抗生素主要作用于菌體細(xì)胞壁，對生物膜的形成沒有抑制作用，生物膜的存在又會降低菌體的抗生素敏感性，增強(qiáng)菌體耐藥性[30]。因此，細(xì)菌素不僅安全性高，其抑菌效果也優(yōu)于抗生素。大量研究證實(shí)，植物乳桿菌含有產(chǎn)細(xì)菌素的相關(guān)基因，可產(chǎn)生抑菌活性強(qiáng)、無抗藥性的植物乳桿菌素，且大多數(shù)植物乳桿菌素屬于Ⅰ類或Ⅱ類細(xì)菌素[31]。常見的由基因座plnW和plnEF編碼的植物乳桿菌素plnW和plnEF就分別屬于Ⅰ類或Ⅱ類細(xì)菌素[32]。雖然不同的植物乳桿菌菌株所攜帶的產(chǎn)細(xì)菌素相關(guān)基因有所不同，但目前經(jīng)過全基因組測序的植物乳桿菌都含有編碼Ⅱb類細(xì)菌素的相關(guān)基因簇[33]。劉樹昕等[13]分離出的一株對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌都有良好抑制作用的植物乳桿菌，所含有的基因PlnE/F/J/K也是編碼Ⅱb類細(xì)菌素的結(jié)構(gòu)基因。此外，有研究顯示，植物乳桿菌所產(chǎn)生的細(xì)菌素對于革蘭氏陽性菌的抑制作用顯著高于革蘭氏陰性菌，這可能與抑菌途徑有關(guān)。對于革蘭氏陽性菌，細(xì)菌素主要是通過破壞細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，使細(xì)胞內(nèi)容物流出或干擾細(xì)胞壁的形成而抑制細(xì)胞生長；對于革蘭氏陰性菌，其主要是破壞細(xì)胞膜或干擾外膜的正常生理功能[34]而對其生長產(chǎn)生抑制作用。

2.3 植物乳桿菌產(chǎn)過氧化氫的研究

有研究顯示，部分植物乳桿菌可代謝產(chǎn)生過氧化氫。過氧化氫是一種強(qiáng)氧化劑，可迅速透過細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。但植物乳桿菌對過氧化氫有較強(qiáng)的耐受力，為了克服過氧化氫的危害，植物乳桿菌會產(chǎn)生對氧化應(yīng)激的適應(yīng)性反應(yīng)[35]。因此，過氧化氫也常作為植物乳桿菌的抑菌物質(zhì)進(jìn)行研究，有研究發(fā)現(xiàn)，對化膿性鏈球菌抑制作用最強(qiáng)的植物乳桿菌的主要抑菌物質(zhì)是有機(jī)酸和過氧化氫，且過氧化氫的抑菌作用強(qiáng)于有機(jī)酸[12]。具有優(yōu)良拮抗沙門菌的植物乳桿菌也同時具有產(chǎn)細(xì)菌素和過氧化氫等抑菌物質(zhì)的能力[36]。

2.4 其他抑菌物質(zhì)的研究

乳酸菌的抗菌功能與其代謝產(chǎn)物有較大聯(lián)系，除多數(shù)乳酸菌都可產(chǎn)生的有機(jī)酸、細(xì)菌素和過氧化氫外，植物乳桿菌在代謝過程中還能產(chǎn)生雙乙酰[16]、脂肪酸（如辛酸和癸酸）以及一些醇類和醛類[37]等抑菌物質(zhì)，這些物質(zhì)是通過改變菌體細(xì)胞膜的通透性或流動性達(dá)到抑菌的效果。

3 植物乳桿菌抑菌性能的影響因素

植物乳桿菌細(xì)菌素的產(chǎn)生與菌種所含細(xì)菌素相關(guān)基因以及本身的特性有關(guān)，也與菌株生長或發(fā)酵的環(huán)境有關(guān)。其代謝過程中所產(chǎn)生的有機(jī)酸及其他抑菌物質(zhì)也與生長環(huán)境有著極大的關(guān)系。有大量的研究通過探究影響植物乳桿菌抑菌性能的因素來優(yōu)化植物乳桿菌的抑菌功能，其中包括培養(yǎng)基組成、誘導(dǎo)物、培養(yǎng)環(huán)境等。

3.1 培養(yǎng)基成分的影響

植物乳桿菌生長過程中所必需的營養(yǎng)成分包括碳源、氮源、微量元素等。一旦所需的營養(yǎng)成分或其濃度改變，植物乳桿菌的代謝產(chǎn)物及其產(chǎn)量就有可能發(fā)生變化。曾維偉等[38]為提高植物乳桿菌的抑菌活性，對培養(yǎng)基中的碳源、氮源和鹽離子的種類進(jìn)行了探究。結(jié)果表明，將葡萄糖作為碳源的培養(yǎng)基所產(chǎn)生的抑菌效果優(yōu)于乳糖；玉米漿、酵母提取物、酵母膏、大豆蛋白胨和麥芽浸粉作為氮源都是很好的選擇；在鹽離子的研究中發(fā)現(xiàn)，相較于磷酸二氫鉀、磷酸氫二胺、檸檬酸鈣等，乙酸鈉和檸檬酸氫二銨能對植物乳桿菌的抑菌能力產(chǎn)生最大的促進(jìn)作用。此外，隨著人們對低聚糖的關(guān)注度越來越高，低聚糖也常常被當(dāng)作碳源的優(yōu)化選項(xiàng)進(jìn)行研究。如低聚半乳糖[39]、低聚果糖[40]等都被試驗(yàn)證明對植物乳桿菌的抑菌活性有促進(jìn)作用。這可能與低聚糖可不同程度地促進(jìn)植物乳桿菌相關(guān)功能基因的表達(dá)有關(guān)[41]。

3.2 誘導(dǎo)物質(zhì)的影響

細(xì)菌素產(chǎn)量除與培養(yǎng)基成分有關(guān)外，還受某些誘導(dǎo)調(diào)控因素的影響，如氨基酸誘導(dǎo)、信號分子及最小初始接種濃度等[42]。趙樂等[43]研究發(fā)現(xiàn)，賴氨酸可正向誘導(dǎo)細(xì)菌素的合成，對細(xì)菌素的生產(chǎn)有重要意義。而且賴氨酸雖然可顯著影響細(xì)菌素的合成，但對細(xì)菌生長影響較小，熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（polymerase chain reaction，PCR）測定結(jié)果表明，賴氨酸可調(diào)控細(xì)菌素合成相關(guān)基因plnEF、plnD、plNC8HK的表達(dá)。此外，一些信號分子也可以對細(xì)菌的基因進(jìn)行調(diào)控。有研究發(fā)現(xiàn)，AI-2作為群體感應(yīng)系統(tǒng)中的一種通用信號分子，可促進(jìn)植物乳桿菌細(xì)菌素的合成，并能夠顯著上調(diào)細(xì)菌素結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)[44]。此外，還有研究表明，植物乳桿菌通過與其它乳酸菌共培養(yǎng)也可以誘導(dǎo)產(chǎn)生細(xì)菌素或提高細(xì)菌素產(chǎn)量[45]，或者直接對植物乳桿菌產(chǎn)細(xì)菌素相關(guān)基因進(jìn)行誘導(dǎo)[46]。

3.3 其他因素的影響

除優(yōu)化培養(yǎng)條件和添加外源誘導(dǎo)物外，脅迫影響、異源表達(dá)[47]等也都是較常用的提高細(xì)菌素合成的方法。在細(xì)菌生長代謝過程中，細(xì)菌素的合成經(jīng)常會受到不同環(huán)境因素如高低溫脅迫、酸堿脅迫以及鹽脅迫等的影響。有研究表明，適當(dāng)?shù)沫h(huán)境脅迫對植物乳桿菌的抑菌能力有一定的促進(jìn)作用，如低濃度或適宜濃度的NaCl脅迫會促進(jìn)植物乳桿菌細(xì)菌素的合成，而NaCl濃度過高則會對細(xì)菌素的合成產(chǎn)生抑制作用[48]。

4 植物乳桿菌抑菌性能的應(yīng)用

植物乳桿菌因能通過營養(yǎng)競爭、產(chǎn)生安全高效的抑菌物質(zhì)來抑制腐敗菌和致病菌的生長，在食品發(fā)酵、食品防腐保鮮方面表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。有研究發(fā)現(xiàn)[49]，以植物乳桿菌作為臘肉的發(fā)酵劑可顯著減少雜菌的污染，提高產(chǎn)品的食用安全性，改善產(chǎn)品的風(fēng)味，具有較大的應(yīng)用價值。對于食品保鮮應(yīng)用方面的研究，大部分試驗(yàn)都以植物乳桿菌的發(fā)酵上清液或代謝產(chǎn)物作為研究對象。馮印等[8]將牛肉浸泡于植物乳桿菌的發(fā)酵液中以探究植物乳桿菌的保鮮效果，結(jié)果表明，植物乳桿菌具有較好的保鮮抑菌能力，是一種具有開發(fā)潛力的生物防腐劑益生菌。崔天琦等[10]發(fā)現(xiàn)，在魚丸中添加植物乳桿菌細(xì)菌素粗提物可顯著抑制產(chǎn)品中芽孢桿菌的生長，延長產(chǎn)品保質(zhì)期。呂欣然[50]還發(fā)現(xiàn)，植物乳桿菌素DLP1作為控制假單胞菌的水產(chǎn)品生物防腐劑具有潛在的應(yīng)用價值。此外，還有研究將生物防腐劑和傳統(tǒng)化學(xué)防腐劑聯(lián)合使用，以探究其應(yīng)用效果，陳瑞龍[51]的研究表明，細(xì)菌素JL-A65與納他霉素復(fù)配添加到番茄汁中，可更好地抑制細(xì)菌、酵母和霉菌的生長，可顯著增強(qiáng)提高防腐保鮮的效果。

除了在食品工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用外，植物乳桿菌還作為微生物飼料添加劑應(yīng)用于畜牧業(yè)中以調(diào)節(jié)動物腸道菌群結(jié)構(gòu)，提高腸道內(nèi)有益菌群數(shù)量，增強(qiáng)動物對疾病的抵抗力[52]。在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，植物乳桿菌因其代謝產(chǎn)物具有安全性、不易產(chǎn)生抗藥性的特點(diǎn)，也顯示出了其在抗感染方面的應(yīng)用價值。章昱[53]探究植物乳桿菌代謝產(chǎn)物聯(lián)合抗生素的抑菌效果發(fā)現(xiàn)，植物乳桿菌代謝產(chǎn)物不僅對臨床常見致病菌有抑菌作用，在聯(lián)合抗生素使用時還能顯示出增強(qiáng)抗生素活性的作用。

5 結(jié)論與展望

植物乳桿菌不僅因其優(yōu)良的益生特性被廣泛應(yīng)用于發(fā)酵食品中，而且因其具有產(chǎn)生抑菌物質(zhì)的能力而在防腐保鮮領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力[54]。不過，目前對于抑菌物質(zhì)的應(yīng)用研究主要集中在細(xì)菌素上，但細(xì)菌素在防腐方面的應(yīng)用還存在較多限制。只有細(xì)菌素Nisin已通過聯(lián)合國糧農(nóng)組織及世界衛(wèi)生組織（Food and Agriculture Organization/World Health Organization，F(xiàn)AO/WHO）食品法典委員會認(rèn)證，被世界各地廣泛用作食物防腐劑[55],不同的植物乳桿菌菌株的抑菌能力還存在一定的差異。篩選出抑菌性能更強(qiáng)的菌株或提高抑菌物質(zhì)產(chǎn)量的方法就成為使植物乳桿菌得到更廣泛應(yīng)用的一個必經(jīng)途徑。因此，需要對植物乳桿菌的抑菌性能及相關(guān)影響因素進(jìn)行全面分析，在基因調(diào)控、功能性蛋白質(zhì)表達(dá)及代謝方面的影響機(jī)制進(jìn)行更深層面的研究，為植物乳桿菌在抑制致病菌及食品防腐保鮮方面的實(shí)際應(yīng)用提供更加可靠的理論基礎(chǔ)。在不斷了解和掌握植物乳桿菌抑菌機(jī)制的基礎(chǔ)上，更有針對性地誘導(dǎo)富集抑菌元素，或通過基因改造等方式提高抑菌物質(zhì)產(chǎn)量，促進(jìn)植物乳桿菌更好地為綠色食品工業(yè)生產(chǎn)和人體健康做出更大貢獻(xiàn)。