棒狀桿菌
棒狀桿菌屬為革蘭染色陽性,形態近似類白喉桿菌,具有一定致病性的獨立群體,歸於放線菌門。該屬內細菌主要分離自人類、動物以及土壤、水等環境資源,部分菌種屬條件致病菌,而大部分則為正常菌群,至今未見有致病報導。新近發布的“原核細胞一覽表”顯示,該屬目前含有個菌種,包括可導致人類疾病的致病群,可引起其它動物疾病,農作物病害的動植物致病類群和非致病性土壤類群,用於工業化生產的棒狀桿菌均屬於土壤類群。
顯微鏡下,棒狀桿菌常為細長彎曲,多形態,排列不規則,可呈柵欄狀或V字狀等；染色不均勻,兩端為棒狀,無芽胞,無動力,經美藍或奈瑟染色後可見著色較深的異染顆粒,細菌生長衰退期消失 。
棒狀桿菌在多種培養基中均生長緩慢,並經常需要某種特殊營養素以供代謝所用。例如,產左旋糖棒狀桿菌，在生長過程中需要生物素、硫胺素和泛素多種成分,而該屬內相當部分的需脂性菌則需要在培養基中添加一定量化學製劑或動物血清。值得注意的是,這些需脂性棒狀桿菌與臨床多見的痤瘡丙酸桿菌共同組成“需脂性細菌”,此類細菌屬於極端微生物,培養條件特殊,一般情況下難以生長。在臨床檢驗室中,呂氏血清斜面是專用於棒狀桿菌培養的培養基,除此之外,各種血平板也是常見選擇對象。在瓊脂平板上,該屬細菌呈現出圓形,邊緣光滑,中央隆起,灰白色半透明菌落,在呂氏斜面上顏色略發黃。大多需氧或兼性厭氧培養,適宜生長溫度從20至42℃不等,pH值為7.0-7.6。
非致病性棒狀桿菌的工業用途
根據美國生物製品評估及研究中心和藥物評價及研究中心要求,人類工業生產所用微生物必須無致病性,不產生芽胞,生長速度較快,營養要求較低。棒狀桿菌中的非致病性土壤類群完全符合這些標準,此外,此類細菌先天不分泌蛋白水解酶,基因組結構相對穩定,因此被大量研究並套用於食品工業,醫藥、化妝品開發等領域。
生產胺基酸
目前,二十餘種胺基酸的工業化生產是通過微生物發酵進行的,非致病性棒狀桿菌是最主要的一類發酵用菌,其中谷氨酸棒狀桿菌是發現最早,研究歷史最長,套用最廣泛的菌種,例如,谷氨酸作為一種重要食品添加劑味素的生產原料,現在全球範圍內均採用谷氨酸棒狀桿菌發酵生產完成。谷氨酸棒狀桿菌發酵產出谷氨酸是生物技術在食品工業的最早套用,具有里程碑的意義。這一技術發現於1957年的日本,成功替代了低效的傳統水解植物蛋白生產法,其後微生物發酵技術工業化套用的研究在日本企業中廣為開展。
70年代,通過基因隨機突變,谷氨酸棒狀桿菌被發現可用於發酵生產兩種重要的必需胺基酸,賴氨酸和蘇氨酸。隨著分子生物時代的到來,編碼相關轉氨酶的基因表達可供調控,同時結合化學分析法研究細菌代謝終產物,細菌發酵領域得到了巨大發展動力,不僅已知的可發酵生產胺基酸得到了更高產量,棒狀桿菌還被用於生產更多種胺基酸甚至維生素等其它營養分子。基因重組技術不僅可增強棒狀桿菌對單一胺基酸的表達,還可通過轉化入攜帶不同目的基因的質粒誘導其表達具備完整結構和功能的蛋白質。利用谷氨酸棒狀桿菌合成表達轉氨酞胺酶以及絲氨酸酶以供食品工業使用。
乳酪表面成熟
乳酪是一種發酵的牛奶製品,每公斤乳酪製品濃縮了10公斤牛奶的蛋白質、鈣和磷等人體所需的營養素。乳酪的發酵過程被稱為“熟成”,各種酵母及以棒狀桿菌為主的發酵細菌在此過程中發揮作用,可以提升營養素的吸收率至96%-98%。
棒狀桿菌可作為乾酪加工時使用的表面成熟菌種。在乳酪熟成的初始階段,主要由耐酸性較強的酵母發揮作用,當大量乳酸鹽被分解後,乳酪表面pH值上升,發酵進入第二階段,各種發酵細菌得以生長。乳酪的不同風味取決於胺基酸代謝結果：胺基酸首先經轉氨酶作用生成氨基和酮酸,隨後形成的酮戊二酸鹽,此鹽量多少直接和乳酪口味相關。這一代謝過程發生於第二階段,主要由乳酪棒狀桿菌,可變棒狀桿菌協同其它短桿菌、金黃色葡萄球菌完成。特別是乳酪棒狀桿菌,可以在僅含谷氨酸、脯氨酸等種胺基酸的培養基中生長,且可耐較高鹽濃度,因此在工藝製作過程中,可以在熟成的後期補加一定量胺基酸,引發乳酪棒狀桿菌的再次生長高峰,增添乳酪風味 。
目前在此製作領域主要存在的問題是起作用細菌種類或量不足以及雜菌污染破壞乳酪風味、營養甚至可致病。因此構建優良的發酵菌群是生產的關鍵。快速特異的檢測技術,實時螢光定量已被引入該產業進行乳酪表面菌群的分析,研究再次表明,乳酪棒狀桿菌在品質好的乳酪表面起主導作用。
