CC BY
240
УДК 376.488
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ (ОБЗОР)
1 2 3 ©
Абдуллаева Н.Ф. , Таги-заде З.А. , Мустафаева Р.С.
1 2 3
Доктор философии; доцент кафедры; докторант кафедры биохимии и биотехнологии.
Бакинский государственный университет
Аннотация
Антагонизм молочнокислых бактерий в ферментированных продуктах ассоциируется с главными конечными продуктами их метаболизма, такими как молочная, уксусная кислоты, перекись водорода, ферменты, литические агенты и бактериоцины. Большое количество их метаболитов обладают функциями, прямо или косвенно участвующими в процессах созревания ферментированных продуктов, а также при формировании их вкусовых качеств. Оказывают иммуномодулирующее, противоопухолевое действие, снижают содержание холестерина, синтезируют витамины и другие, биологически активные субстанции, обладают высокой биологической и функциональной активностью.
Ключевые слова: молочнокислые бактерии, молочная кислота, бактериоцины, консервирование продуктов.
Кеуwords: lactic acid bacteries, lactic acid, bacteriocins, food preservatives.
Молочнокислые бактерии (МКБ) представляют собой группу бактерий, функционально схожих по своей способности продуцировать молочную кислоту путем гомо-, и/или гетероферментативного метаболизма. Они являются непатогенными, грамположительными, не образующими спор, по отношению к кислороду факультативными анаэробами, обладающих высокой ферментативной активностью. При развитии довольно сильно подкисляют среду, поэтому приспособились к существованию в зоне кислого интервала. Данная группа морфологически гетерогенна, включает длинные и короткие палочки, а также кокки, которые в подавляющем своём большинстве неподвижны. МКБ относятся к трём семействам Lactobacteriaceae, Streptococcaceae и Peptococcaceae. Характерные виды МКБ относятся к родам Streptococcus, Lactobacillus и Leuconostoc [3, 12, 20]. МКБ способны в качестве источника энергии в процессе брожения использовать углеводы и выделять молочную кислоту. Бактерии этой группы каталаза негативны, т. е. не содержат гемопротеины, такие как цитохромы и каталаза. Но, несмотря на это, способны произрастать в присутствии кислорода воздуха и будучи анаэробами, они всё, же аэротолерантны [4, 5, 16].
Ключевой особенностью МКБ, которую необходимо выделить, является их не способность к синтезу порфириновых групп. Выращивание в среде, в которой нет «гемма» или связанных с ним соединений, лишает МКБ «истинной» каталазы и цитохромов. В таких условиях МКБ для выработки энергии не используют механизм электрон-транспортной цепи, а обладают только процессом брожения, т.е. субстратным фосфорилированием. При этом активность «истинной» каталазы, обнаруживаемая у некоторых МКБ, заменяется «псевдокаталазой», лишённой гема. Однако важно заметить, что ситуация может полностью измениться, если в ростовую среду добавить гемоглабин. Это может привести к образованию «истинной» каталазы и даже цитохромов, что приводит к дыханию с функционированием электрон-транспортной цепи [17, 18].
© Абдуллаева Н.Ф., Таги-заде З.А., Мустафаева Р.С., 2017 г.
МКБ обладают способностью, которой нет у большинства других микроорганизмов, они могут использовать молочный сахар - лактозу. В этом они сходны со многими кишечными бактериями. По-видимому, способность использовать лактозу является приспособлением к среде, характерной для микробиоты кишечника млекопитающих [7, 11].
МКБ в большинстве хемоорганотрофы и растут только на комплексных средах, и являются той группой микроорганизмов, которые утратили способность синтезировать свои собственные ростовые факторы. В связи с этим нуждаются в ростовых веществах, витаминах (таких как, лактофлавин, тиамин, пантотеновая, никотиновая, фолиевая кислоты и биотин), в аминокислотах, а также в пуринах и пиримидинах. Поэтому их культивируют в основном на сложных средах, содержащих относительно большое количество дрожжевого экстракта, томатного сока, молочной сыворотки, и даже крови [2, 13, 19].
МКБ являются важным компонентом резидентной микробиоты человека и животных. Они обладают выраженной антагонистической активностью в отношении патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, а также в отношении других видов и даже родственных штаммов [1, 6].
Впервые классификация МКБ была предложена в 1919 году Ог1а-1епБеп и до недавних пор основывалась на морфологических, метаболических и физиологических критериях.
Что касается биохимических аспектов, то существуют коренные различия в путях катаболизма сахаров между различными представителями молочнокислых бактерий. Одним из наиболее известных биологических свойств молочнокислых бактерий является выраженная способность к продукции молочной кислоты. Установлено, что активность кислотообразования зависит как от состава питательной среды, так и от условий культивирования.
В зависимости от того, какие продукты образуются при сбраживании глюкозы -молочная кислота, другие органические продукты или СО2, молочнокислые бактерии делятся на гомоферентативные и гетероферментативные [9]. Гомоферментативные молочнокислые бактерии продуцируют практически только одну молочную кислоту.
Катаболизм глюкозы у них происходит по фруктозобисфосфатному (Етёеп-МеуегЬоГ) пути и обладают всеми необходимыми для этого фермен-тами, включая альдолазу. При этом водород, который отщепляется, при дегидрировании глицеральдегид-3-фосфата передаётся на пируват. В результате реакции может образоваться Б(-)-, Ь(+)-, или БЬ- формы молочной кислоты, что зависит от стерео специфичности лактат- дегидрогеназы и наличия лактат-рацемазы. Так, некоторые лактобациллы продуцируют Ь(+) форму молочной кислоты, которая при накоплении индуцирует лактат-рацемазу, а та в свою очередь превращает Ь(+) форму молочной кислоты в Б(-) форму. Считают, что только Ь(+) изомер молочной кислоты является биологически активной формой, которая быстро и целиком утилизируется организмом человека. Небольшая часть пирувата декарбоксилируется в уксусную кислоту, этанол и СО2. Количество образующихся побочных продуктов зависит от доступа кислорода [8, 10].
Гетероферментативные бактерии не имеют главных ферментов фруктозо-бисфосфатного пути - альдолазу и триозофосфат-изомеразу.
Начальное превращение глюкозы идёт у них исключительно по пентозофосфатному пути, т.е. через глюкозо-6-фосфат, 6-фосфоглюконат и рибулозо-5-фосфат.
Некоторые гетероферментативные бактерии восстанавливают ацетил-фосфат в этанол, другие превращают её частично или целиком в уксусную кислоту. При сбраживании фруктозы, гетероферментативными бактериями образуется лактат, ацетат, СО2 и маннитол. Фруктоза при этом служит акцептором избыточных восстановительных эквивалентов [1, 14].
Некоторые бактерии (Ьа^оЪасШтр1аМагит) сбраживают глюкозу по гомоферментативному пути, а пентозу расщепляют с помощью фосфокетолазы, превращая ее в лактат и ацетат. Например, такая типичная гомоферментативная бактерия, как Ьас1оЪасШтса$е1, хотя и сбраживает глюкозу по гомоферментативному пути, но рибозу
гетероферментативным путём превращает в ацетат и лактат. Рибоза индуцирует у неё синтез фосфокетолазы.
Благодаря своему стерилизующему и консервирующему действию молочнокислые бактерии используются в молочной и пищевой промышленности, в сельском и домашнем хозяйстве, а также в медицине. Ферментация различных пищевых продуктов молочнокислыми бактериями является одним из древних способов биозащиты, которая практикуется человеком. МКБ используются как натуральные и избранные стартёры (в качестве закваски) для пищевой ферментации, где осуществляют процесс брожения благодаря продукции молочной и уксусной кислот. Они являются вспомогательными продуктами для гигиенической безопасности, устойчивости к хранению и улучшают вкусовые качества продуктов.
Молочнокислые бактерии предохраняют продукты от порчи и патогенных микроорганизмов, продуцируя органические кислоты, перекись водорода, диацетил, антифунгальные компоненты, а также бактериоцины [2, 10, 15, 17].
Сливки, стерилизованное, или пастеризованное молоко, подвергают сбраживанию, добавляя в качестве закваски стартовые культуры молочнокислых бактерий. Кисломолочное масло готовят из сливок, сквашенных с участием Streptococcus lactis, S.cremoris и Leuconostoc cremoris. Образующийся в процессе брожения диацетил, придаёт маслу специфический аромат. Закваска, содержащая Streptococcus lactis, Lactobacillus bulgaricus и Streptococcus thermophilus, вызывает свёртывание казеина при приготовлении творога и немецких сыров [1, 6, 20].
При изготовлении твёрдых сыров для свёртывания казеина пользуются сычужным ферментом, а молочнокислые бактерии (Lactobacillus casei, Streptococcus lactis) участвуют на стадии созревания сыров. Йогурт получают из пастеризованного гомогенизированного цельного молока, инокулированного Streptococcus thermophilus и Lactobacillus bulgaricus [10, 13].
Чистую молочную кислоту, которая используется для различных промышленных целей и в качестве добавки к пищевым продуктам, получают при сбраживании молока, используя L.casei или L.bulgaricus [11]. Образование кислоты в мучном тесте, используемой для приготовления опары, также осуществляется молочнокислыми бактериями, в частности L.plantarum и L.coryneformis. Стартовые культуры лактобацилл и микрококков применяются также для приготовления сырокопчёных колбас (салями, сервелат). Образуя молочную кислоту и снижая уровень рН, молочнокислые бактерии предохраняют от порчи те виды колбас, которые не подвергаются термической обработке [4, 13, 18].
Широкое применение молочнокислые бактерии нашли и в пивоваренной промышленности [19]. Ферментированные молочные продукты имеют большую экономическую ценность и играют важную роль для здоровья человека.
Кроме того, молочнокислые палочки образуют и другие антибактериальные вещества, создающие в толстом кишечнике слабокислую среду, что способствует борьбе организма против развития чужеродных и болезнетворных бактерий. Ну, и нельзя забывать тот особый приятный кисловатый вкус, который придаёт кисломолочным продуктам молочная кислота. Он возбуждает аппетит, вызывает обильное выделение слюны, улучшает секрецию молочной кислоты желудочного сока, что способствует быстрейшему перевариванию содержимого желудка, усиливает перистальтику желудочно-кишечного тракта, улучшает работу почек [12].
Ферментированные молочные продукты, содержащие штаммы Lactobacillus оказывают положительное влияние на липидный обмен, снижают уровень холестерола в организме [15]. Молочнокислые бактерии в ферментированных молочных продуктах могут снизить риск развития рака толстой кишки. Это связано с тем, что они снижают активность гидролитических ферментов (глюкуронидазы, гидролазы гликохолевой кислоты, нитроредуктазы), которые продуцируют потенциальные проканцерогены.
Афлатоксины (АФ) представляют собой группу структурно схожих токсинов, продуцируемых весьма распространёнными видами плесени - Aspergillusflavus и Aspergillusnomius. Находясь в пище и кормах, они потенциально канцерогенны и вредны для здоровья в целом. Продемонстрировано, что молочнокислые бактерии связываются с АФВ1 и АФМ1, в связи с этим лактобациллы и лактококки могут быть потенциально использованы для связывания и удаления афлатоксина АФМ1 из молока [8, 18].
Молочнокислые бактерии также обладают антиканцерогенным, антиоксидантным и иммуностимулирующим эффектами, синтезируют и аккумулируют питательные вещества и предотвращают инфекции мочеполовых органов [8, 12].
Широкое применение получили молочнокислые бактерии также в медицине и фармакологии. Их используют в виде бактериальных препаратов- пробиотиков. Наиболее последнее и более точное определение пробиотикам дал Lyungh, который переопределил их как «живые микробиальные пищевые добавки, полезные для хозяина, поскольку способны улучшать микробный баланс внутри его организма» [17, 14].
Другое недавнее определение пробиотикам дали Schrezenmeir и DeVrese, которые определили их как жизнеспособные микробные пищевые добавки, положительно воздействующие на организм [18]. Пробиотики применяются для лечения людей и домашних животных. Их положительные эффекты проявляются в улучшении развития домашних животных, защите организма-хозяина от кишечных инфекций, смягчение непереносимости лактозы и облегчении при запорах. Штаммы лактобацилл, применяемые в качестве пробиотиков для коррекции дисбаланса резидентной микробиоты, а также в производстве продуктов функционального питания, не должны обладать свойствами, оказывающими негативное воздействие на организм человека [3, 7, 13, 18].
Таким образом, исследования, связанные с изучением морфологических, физиологических, биохимических, микробиологических, а также лечебных свойств молочнокислых бактерий имеют большое теоретическое и практическое значение и, вследствие этого, до сих пор находятся в центре внимания многих лабораторий во всём мире.
Литература
1. De Vuyst L., Messens W. Bacteriocins from lactic acid bacteria: production, purification and food applications // J. Molecular Microbiology and Biotech-nology, 2007, - v. 13, - 194-199 p.
2. Deidre P. A review: The use and effects of lactic acid bacteria in malting and brewing with their relationships to antifungal activity and mycotoxins and gushing // J. Applied and Environmental Microbiology, 2004, - v. 110 № 3, - p. 163-180
3. Eijsink V., Brurberg M., Middelhoven P. et al. Induction of bacteriocin production in Lactobacillus sake by a secreted peptide // J. Bacteriology, 1996, v. 178, № 8, - p. 2232-2237
4. Ennahar S., T. Sashihara K., Sonomoto A. Review: Class Ilabacteriocins: biosynthesis, structure and activity // FEMS Microbiol. Lett, 2000, - v. 24, № 1, - p. 85-106
5. Franke C. Topology of a type I secretion system for bacteriocins of Lactococcuslactis / PhD thesis, University of Groningen. Holland, 1998
6. Franz C., Worobo R., Quadri L. et al. Atypical genetic locus associated with constitutive production of enterocin B by Enterococcus faecium BFE 900 // J. Applied and Environmental Microbiology, 1999, -v.65, - p.2170-2178
7. Fremaux C., He'chard Y., Cenatiempo Y. Mesentericin Y105 gene clusters in Leuconostocmesenteroides Y105 // J. Microbiology, 1995, - v. 141, - p. 1637- 1645
8. Ghalfi H., Thonart P., Benkerroum N. Inhibitory activity of Lactobacillus curvatus CWBI-B28 against Listeria monocytogenes and ST2-verotoxin producing Escherichia coli O157 // African Journal of Biotechnology, 2006, - v. 5 № 22, - p. 2303-2306
9. Gulahmadov S., Dalgalarrondo M., Chobert J. et al. Lb. buchneriS2 - as a BLIS producing strain isolated from traditional Azerbaijani cheese / 3rd International Symposium on Resent Advances in Food Analysis. Czech Republic. Prague. 2007, - p. 329-330
10. Gulahmadov S., Batdoij B., Dalgalarrondo M. et al. Characterization of bacteriocin-like inhibitory substances (BLIS) from lactic acid bacteria isolated from traditional Azerbaijani dairy products // Europe Food Rec. Techn. SpringerVerlag, 2006, - № 224, - p. 338-345
11. Gulahmadov S., Abdullaeva N., Kuliev A. Isolation and genotypic charac-terization of lactic acid bacteria from some Azerbaijani dairy products / Materials of III International Young Scientist conference «Biodiversity. Ecology.Adap-tation.Evolution». Ukraine, Odesa. 2007, - p. 190
12. Gulahmadov S.G. Isolation and identification of lactic acid bacteria from some Azerbaijani yogurts // ТрудыИнститутаМикробиологииНАНАзербайджана. Баку: Элм, 2008, - т. VI, - с. 156-162
13. Haovarstein L., Diep D., Nes I. A family of bacteriocin ABC transporters carry out proteolytic processing of their substrates // J. Gen. Microbiology, 1995, - v. 141, - p. 2826-2982
14. Haovarstein, L., Holo H., Nes I. The leader peptide of colicin V shares consensus sequences with the leader peptides that are common among peptide bacteriocins produced by gram-positive bacteria // J. Microbiology, 1994, - v. 140, - p.2383- 2389
15. He'chard Y., De'rijard B., Letellier F. et al. Characterization and purification of mesentericin Y105, an anti-Listeria bacteriocin from Leuconostoc mesenteroides // J. Gen. Microbiology, 1992, - v. 138, - p. 2725-2731
16. Henrich B., Klein J., Weber B. Food-grade delivery system for controlled gene expression in Lactococcus lactis // J. Applied and Environmental Microbiology, 2002, - v. 68, № 11, - p. 5429-5436
17. Heyman M., Menard S. A review: Probiotic microorganisms: how they affect intestinal pathophysiology // Cell. Mol. Life Scince, 2002, - v.59, - p. 134-141
18. Holo H., Jeknic Z., Daeschel M. et al. Plantaricin W from Lactobacillus plantarumbelongs to a new family of two-peptide lantibiotics // J. Microbiology, 2001, - v. 147, - p. 643-651
19. Holo H., Nissen O., Nes I. Lactococcin A, a new bacteriocin from Lactococcus lactis: isolation and characterization of the protein and its gene // J. Bacteriology, 1991, - v. 173, - p. 3879-3887
20. Holzapfel W., Geisen R., Schillinger U. Biological preservation of foods with reference to protective cultures, bacteriocins and food-grade enzymes // J. Food Microbiology, 1995, - v. 24, - p. 343-362
