焦晶凱

（光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，乳業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200436）

乳酸菌對(duì)乙醇、低pH值、高溫和缺氧環(huán)境等具有耐受性，因此是生物燃料及各種生物化學(xué)產(chǎn)物最具潛力的產(chǎn)生載體之一，乳酸菌最常見(jiàn)的代謝終產(chǎn)物為乳酸，目前有更多學(xué)者關(guān)注從來(lái)自農(nóng)業(yè)、工業(yè)和林業(yè)的淀粉和木質(zhì)素等天然底物中生產(chǎn)乳酸，這種天然底物豐富、價(jià)格低廉、含糖量高且具有可再生性[1]。此外，乳酸菌代謝產(chǎn)生的胞外多糖（exopolysaccharides，EPS）可用于食品工業(yè)，作為乳化劑、增稠劑、增黏劑和穩(wěn)定劑等，EPS還對(duì)人體有一定的益生作用，如具有抗腫瘤[2]、免疫調(diào)節(jié)[3]和金屬結(jié)合能力[4]等。乳酸菌還可以代謝多種功能性低聚糖，可用作益生元[5]。乳酸菌可以代謝產(chǎn)生重要的芳香化合物二乙酰、乙偶姻和丁二醇等[6]。

乳酸菌的蛋白水解系統(tǒng)為其提供了生長(zhǎng)所需氨基酸。例如，保加利亞乳桿菌和瑞士乳桿菌具有非常廣泛的蛋白水解酶，瑞士乳桿菌可在干酪生產(chǎn)中作為附屬發(fā)酵劑水解苦味肽。乳酸菌的蛋白水解系統(tǒng)可以使乳酸菌產(chǎn)生多種具有免疫、抗菌、類(lèi)阿片、抗癌、礦物質(zhì)結(jié)合和降血壓等功能的肽。乳酸菌代謝與人類(lèi)生活息息相關(guān)，更好地了解乳酸菌代謝有利于其代謝應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。

1 乳酸菌的糖代謝

糖類(lèi)是乳酸菌生長(zhǎng)的主要碳源和能量來(lái)源。乳酸菌對(duì)于碳水化合物的吸收有許多不同的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，如磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）-葡萄糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（glucose phosphotransferase system，PTS）、三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）結(jié)合盒式轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和糖苷-戊糖苷-己糖苷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白系統(tǒng)。乳酸菌偏好利用葡萄糖，同時(shí)也能代謝幾種常見(jiàn)的己糖，但代謝其他糖的能力取決于菌株本身。乳制品中的乳酸菌可以利用牛乳中的乳糖及大部分其他糖類(lèi)作為碳源，而植物源的細(xì)菌可以利用多種其他碳水化合物，包括β-葡萄糖苷[7]。

細(xì)胞結(jié)合或由二糖水解釋放到細(xì)胞質(zhì)中的單糖會(huì)以6-磷酸葡萄糖的形式進(jìn)入糖酵解或萊洛伊爾（Leloir）途徑進(jìn)行代謝（圖1）。在乳酸乳球菌中，由PTS轉(zhuǎn)運(yùn)的乳糖被水解成6-磷酸半乳糖，通過(guò)塔格糖（Tag6P）途徑轉(zhuǎn)化，然后以磷酸丙糖形式進(jìn)入糖酵解；在一些其他乳酸菌中，只有乳糖的葡萄糖部分被代謝，而半乳糖部分被排出，導(dǎo)致基質(zhì)中半乳糖積累，從而產(chǎn)生劣質(zhì)乳制品；半乳糖可以通過(guò)非PTS半乳糖滲透酶系統(tǒng)吸收，并通過(guò)Leloir途徑代謝；半乳糖也可以通過(guò)PTSLac系統(tǒng)吸收，并通過(guò)Tag6P途徑進(jìn)一步代謝為磷酸丙酯[8]。最近發(fā)現(xiàn)了另一種半乳糖替代吸收代謝途徑，半乳糖通過(guò)PTS途徑進(jìn)行易位，6-磷酸半乳糖去磷酸化變?yōu)槿樘?，其可通過(guò)Leloir途徑進(jìn)一步代謝，此途徑已被用于基因工程，得到半乳糖消耗率提高50%的菌株[8]。

根據(jù)乳酸菌代謝產(chǎn)物的變化產(chǎn)生3 類(lèi)發(fā)酵：同型發(fā)酵、混合酸發(fā)酵和異型發(fā)酵（圖1）。目前，乳酸菌中糖酵解速率的控制和調(diào)節(jié)機(jī)制尚不完全清楚。乳酸乳球菌中糖酵解速率的控制不是基于單一酶、糖轉(zhuǎn)運(yùn)或ATP依賴(lài)性機(jī)制，也可能是這些機(jī)制的相互作用。

近年來(lái)，隨著腸道微生物生態(tài)學(xué)研究的深入以及商業(yè)用益生元寡糖需求的增加，對(duì)于糖類(lèi)的研究已經(jīng)從可消化的二糖轉(zhuǎn)變?yōu)殡y以消化的高級(jí)寡糖。乳酸菌代謝單糖和二糖的途徑已經(jīng)被廣泛研究，然而高級(jí)寡糖代謝的研究數(shù)據(jù)很少，高級(jí)寡糖在谷物、牛乳、水果和動(dòng)物上腸道中非常豐富。4 種主要寡糖基團(tuán)的代謝有比較詳盡的報(bào)道，分別為：1）淀粉：麥芽糖糊精和異麥芽低聚糖；2）低聚果糖；3）β-半乳寡糖（β-galactooligosaccharides，β-GOS）；4）棉子糖家族寡糖和α-GOS[10]。

除了代謝糖類(lèi)之外，乳酸菌還能夠?qū)⑻穷?lèi)導(dǎo)向胞外，合成EPS，這些長(zhǎng)鏈糖類(lèi)松散地附著在細(xì)胞表面，以形成膠囊狀結(jié)構(gòu)或分泌到胞外環(huán)境中。EPS的結(jié)構(gòu)、大小和組成不盡相同，分為2 類(lèi)：一類(lèi)是同型多糖（homopolysaccharides，HoPS），由同一種單糖（如α-D-葡聚糖、β-D-葡聚糖、果聚糖或聚半乳糖）組成；另一類(lèi)是雜多糖（heteropolysaccharide，HePS），由不同類(lèi)型的單糖（如D-葡萄糖、D-半乳糖、L-鼠李糖及其衍生物）組成。HoPS通過(guò)高度特異性糖基轉(zhuǎn)移酶以及葡聚糖/果聚糖蔗糖酶在細(xì)胞外合成，HoPS的合成需要蔗糖作為底物并且需要由其水解產(chǎn)生的能量；HePS由葡萄糖、半乳糖或其他單糖通過(guò)幾種類(lèi)型的糖基轉(zhuǎn)移酶組合作用合成，HePS生物合成涉及4 個(gè)主要的連續(xù)步驟：1）糖轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中；2）糖的磷酸化；3）重復(fù)單元前體的聚合；4）EPS輸出到細(xì)胞外。EPS的合成應(yīng)該可以通過(guò)以上4 個(gè)步驟中的任意一步進(jìn)行調(diào)節(jié)，但機(jī)制并不十分清楚，EPS相關(guān)基因及基因組的測(cè)序可以提供對(duì)上述情況的進(jìn)一步了解[11]。

2 乳酸菌的檸檬酸代謝

除了糖類(lèi)，一些乳酸菌可以代謝檸檬酸鹽。乳酸菌的檸檬酸鹽代謝可以產(chǎn)生揮發(fā)性化合物，在發(fā)酵乳制品中這些化合物為C4化合物，如二乙酰、乙偶姻和丁二醇，它們是許多發(fā)酵乳制品的典型香氣化合物。

2.1 檸檬酸轉(zhuǎn)運(yùn)

檸檬酸通過(guò)各種膜相關(guān)通透酶進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，這限制了檸檬酸的可利用程度，而細(xì)胞質(zhì)中形成的揮發(fā)性化合物的分泌則不需要特定的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。大多數(shù)乳酸菌使用2-羥基羧酸鹽（2-hydroxycarboxylate，2-HCT）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸檸檬酸鹽，該轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以轉(zhuǎn)運(yùn)二羧酸和三羧酸，來(lái)自乳酸乳球菌、明串珠菌和魏斯氏菌的CitP（轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白代碼，下同）轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白就屬于2-HCT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[12]。CitP是一種可以交換H-檸檬酸二價(jià)鹽和乳酸一價(jià)鹽從而產(chǎn)生膜電位的逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（圖2）。在乳酸乳球菌乳亞種丁二酮變種中，CitP基因由位于檸檬酸鹽質(zhì)粒上的citQRP操縱子進(jìn)行編碼，控制cit操縱子轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)子在低pH值條件下被激活，該現(xiàn)象被認(rèn)為是微生物適應(yīng)酸環(huán)境的一種應(yīng)激性反應(yīng)，已在乳酸乳球菌乳亞種丁二酮變種在牛乳[13]和干酪[14]中生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析中得到證實(shí)。

圖2 乳酸乳球菌、明串珠菌和魏斯氏菌中的檸檬酸鹽代謝[12]Fig. 2 Citrate metabolism in Lactococcus, Leuconostoc and Weissella species[12]

在糞腸球菌和干酪乳桿菌中，檸檬酸鹽分別由CitM和CitH轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸，二者均屬于檸檬酸鹽-金屬同源物（CitMHS）家族，檸檬酸鹽以Ca2+、Mn2+和Fe3+復(fù)合物的形式被CitMHS轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸[15]。在植物乳桿菌、酒類(lèi)酒球菌及非典型野生乳酸乳球菌乳亞種丁二酮變種中也鑒定出其他類(lèi)型的檸檬酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[16]。

2.2 檸檬酸鹽轉(zhuǎn)化為丙酮酸并生成芳香化合物

進(jìn)入細(xì)胞后，檸檬酸鹽在CL復(fù)合物催化下轉(zhuǎn)化為乙酸鹽和草酰乙酸鹽；然后，草酰乙酸被OAD脫羧，產(chǎn)生丙酮酸和二氧化碳，或被可溶性細(xì)胞質(zhì)蘋(píng)果酸酶脫羧（圖2）。OAD在乳酸菌中的生理作用知之甚少，而在乳酸乳球菌乳亞種丁二酮變種、類(lèi)腸膜魏斯氏菌、腸膜明串珠菌、植物乳桿菌和酒類(lèi)酒球菌等菌株中，草酰乙酸均被可溶性細(xì)胞質(zhì)蘋(píng)果酸酶脫羧；乳酸菌的丙酮酸代謝可產(chǎn)生不同的終產(chǎn)物，包括乳酸鹽、甲酸鹽、乙酸鹽和乙醇以及重要的芳香化合物二乙酰、乙偶姻和丁二醇[6]。

2.3 檸檬酸鹽和琥珀酸鹽的轉(zhuǎn)化

一些乳酸菌菌種不能將檸檬酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸，而是利用CitT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通過(guò)蘋(píng)果酸和富馬酸生成琥珀酸。此外，近年來(lái)有學(xué)者使用計(jì)算機(jī)模擬分析在干酪乳桿菌中鑒定了完整的三羧酸循環(huán)途徑[17]。在過(guò)量和有限碳水化合物環(huán)境下，乳酸菌檸檬酸循環(huán)的優(yōu)勢(shì)代謝產(chǎn)物分別為乙酸和L-乳酸，生成痕量的D-乳酸、乙偶姻、甲酸、乙醇和二乙酰時(shí)，檢測(cè)到OAD活性，但是生成琥珀酸、蘋(píng)果酸和丁二醇時(shí)，沒(méi)有檢測(cè)到OAD活性[18]。

3 乳酸菌的蛋白水解系統(tǒng)

從乳制品中分離的乳酸乳球菌菌株大多數(shù)是氨基酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型，并且可以利用乳蛋白作為氨基酸來(lái)源，即使來(lái)自距離相隔較遠(yuǎn)的亞洲、歐洲、北美和新西蘭不同地域，這些菌株也表現(xiàn)相同的特征。乳酸菌可以使用環(huán)境中的蛋白質(zhì)作為氨基酸來(lái)源也體現(xiàn)了乳酸菌蛋白水解系統(tǒng)的重要性，乳酸菌依賴(lài)蛋白水解系統(tǒng)獲得必需氨基酸，這些必需氨基酸用于合成多肽、蛋白質(zhì)及其他生物分子。氨基酸是芳香族化合物的合成前體，對(duì)食品的最終風(fēng)味非常重要。蛋白水解還能產(chǎn)生其他分子，如與乳酸菌益生作用相關(guān)的生物活性肽。

乳酸菌中的蛋白水解可分為幾個(gè)步驟，包括蛋白質(zhì)降解、肽轉(zhuǎn)運(yùn)、肽降解和氨基酸分解代謝（圖3）。

圖3 乳酸菌蛋白水解系統(tǒng)示意圖[9]Fig. 3 Schematic diagram of the proteolytic systems of lactic acid bacteria[9]

3.1 蛋白質(zhì)降解

乳酸菌中蛋白質(zhì)降解的最初研究集中在酪蛋白降解，使用乳酸乳球菌作為模式菌株。乳酸菌中的酪蛋白水解由細(xì)胞包膜蛋白酶（cell envelope proteinase，CEP）引發(fā)，將蛋白質(zhì)降解為寡肽，基因缺失研究表明，在缺乏功能性CEP的情況下，乳酸菌不能在牛乳中生長(zhǎng)；但是，由于CEP是胞外酶，CEP產(chǎn)生的肽也可以被CEP陰性突變體菌株吸收利用，使菌株在培養(yǎng)基中也能夠存活[19]。

Lactocepins是一組由不同CEP組成的蛋白酶，屬于枯草桿菌絲氨酸蛋白酶家族，CEP通過(guò)轉(zhuǎn)肽酶sortase A（SrtA）錨定在細(xì)胞壁上[20]。乳酸菌的蛋白酶Lactocepins由prtP、prtB、prtS和/或prtH基因編碼，這些基因由于功能結(jié)構(gòu)域的數(shù)目不同而有所差別；CEP分布在菌株間差異很大，總體而言，乳酸菌中最豐富的旁系同源物為prtH3基因，超過(guò)80%的測(cè)試菌株攜帶該基因，其次為prtH和prtH4基因[21]。大多數(shù)乳酸菌僅含有1 種CEP。然而，在瑞士乳桿菌CNRZ32中鑒定出4 種CEP編碼基因，分別為prtH、prtH2、prtH3和prtH4，瑞士乳桿菌包含的多種蛋白酶基因可以解釋它的高蛋白水解活性，在所有被鑒定的瑞士乳桿菌中，prtH2基因比較常見(jiàn)[22]。

綜上所述，CEP活性最初使用酪蛋白作為底物進(jìn)行評(píng)估。但是，在非乳基質(zhì)或非發(fā)酵環(huán)境中分離出的乳酸菌也表現(xiàn)出酪蛋白水解特性。例如，瑞士乳桿菌BGRA43分離于人類(lèi)糞便，它有很強(qiáng)的蛋白水解活性并且能夠完全水解αs1-、β-和κ-酪蛋白[23]。此外，盡管有廣譜靶向切割位點(diǎn)，但由prtP基因編碼的蛋白酶Lactocepins具有很高選擇性和特異性。蛋白質(zhì)降解的第2階段是將二肽、三肽和寡肽轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中。目前在乳酸菌中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)3 種轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，分別為寡肽、二肽和三肽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（分別為Opp、Dpp和DtpT），嗜酸乳桿菌、短乳桿菌、干酪乳桿菌、鼠李糖乳桿菌和乳酸乳球菌均具有這3 種肽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，一些瑞士乳桿菌菌株（如瑞士乳桿菌DPC4571等）也具有這3 種肽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，但瑞士乳桿菌H10等僅有2 種肽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，分別為寡肽和三肽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。這些結(jié)果表明，即使是相同物種的不同菌株之間蛋白水解系統(tǒng)也不同[24]。

3.2 肽酶

若酪蛋白衍生的肽被乳酸菌細(xì)胞攝取，它們就會(huì)在具有不同和部分重疊特異性肽酶的協(xié)同作用下被降解。肽酶是乳酸菌中蛋白水解系統(tǒng)的重要組成部分，參與肽水解和必需氨基酸釋放。肽酶可分為內(nèi)肽酶和外肽酶兩大類(lèi)，內(nèi)肽酶水解寡肽的內(nèi)部肽鍵，并產(chǎn)生可被外肽酶進(jìn)一步降解的肽，外肽酶作用于寡肽的末端，以產(chǎn)生更小的肽或氨基酸[9]。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的乳酸菌內(nèi)肽酶主要為內(nèi)肽酶O（endopeptidase O，PepO）、PepF、PepG和PepE，它們均作用于N末端寡肽底物；PepO由pepO、pepO2和pepO33 個(gè)旁系同源基因編碼，在瑞士乳桿菌中，這些基因是相同的，然而，由于基因功能的喪失或序列多態(tài)性，可能會(huì)觀(guān)察到菌株異質(zhì)性，這可能會(huì)影響單個(gè)肽酶的特異性或活性；PepF由pepF、pepF1和pepF23 個(gè)旁系同源基因編碼，在乳酸乳球菌中，pepF1基因位于染色體上，而pepF2基因位于質(zhì)粒上，pepF2基因的位置解釋了不同乳球菌菌株之間該基因的可變性[21]。

傳統(tǒng)上，外肽酶按其特異性分類(lèi)，乳酸菌中已經(jīng)鑒定出4 種外肽酶組：氨肽酶、二肽酶、三肽酶和脯氨酸特異性肽酶。氨肽酶水解來(lái)自N末端寡肽的單個(gè)氨基酸，氨肽酶可分為一般氨肽酶或特異性氨肽酶，一般氨肽酶（PepN和PepC）存在于所有基因組中，特異性氨肽酶根據(jù)它們水解的殘基類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)；PepS對(duì)芳香族殘基具有特異性，目前僅在嗜熱鏈球菌中發(fā)現(xiàn)此蛋白編碼基因；PepA對(duì)Glu和Asp殘基具有特異性，在鏈球菌以及一些乳桿菌和乳球菌中存在PepA編碼基因，而片球菌和酒球菌中不存在；PepM對(duì)甲硫氨酸殘基具有特異性，存在于乳桿菌、乳球菌、鏈球菌、片球菌和酒球菌中[9]。

二肽酶是針對(duì)二肽的特異性外肽酶。PepD二肽酶家族對(duì)多種二肽具有廣泛特異性。在乳酸菌中，pepD基因表現(xiàn)為異質(zhì)分布，旁系同源基因從0～6 個(gè)不等；PepV也由多個(gè)旁系同源基因編碼，它存在于所有乳酸菌中，并且具有廣泛特異性[9]。

三肽酶從三肽的N末端釋放氨基酸。三肽酶具有廣泛特異性，優(yōu)先靶向水解疏水性肽，但不水解脯氨酸殘基；目前乳酸菌中唯一鑒定出的三肽酶是PepT，pepT基因存在于所有乳酸菌基因組中，而且在嗜酸乳桿菌、約氏乳桿菌和格氏乳桿菌等乳酸菌中以2 個(gè)pepT旁系同源基因出現(xiàn)[9]。

脯氨酸特異性肽酶可以從肽N末端水解脯氨酸殘基，脯氨酸亞氨肽酶對(duì)N末端脯氨酸肽具有氨肽酶活性，并且優(yōu)選三肽進(jìn)行水解；脯氨酸酶PepR對(duì)二肽具有廣泛特異性，所有乳酸乳球菌中均不存在這些脯氨酸特異性肽酶[9]。

PepP是一種脯氨酸肽酶，可以切割寡肽中與脯氨酸相連的任何N末端氨基酸；PepQ也是脯氨酸肽酶，但對(duì)脯氨酸二肽具有特異性，PepQ編碼基因在所有乳酸菌基因組中均等分布，每個(gè)基因組含有1 個(gè)pepQ拷貝基因，但是在德氏乳桿菌保加利亞亞種中例外；PepX是脯氨酸特異性?xún)?nèi)肽酶，存在于所有乳酸菌基因組中，通常每個(gè)基因組有1 個(gè)pepX基因，但有些乳酸菌基因組含有2 個(gè)肽酶同源基因，且通常這種乳酸菌來(lái)自于乳環(huán)境[24]。

3.3 氨基酸分解代謝

氨基酸的代謝與發(fā)酵食品的質(zhì)量和安全性相關(guān)，如風(fēng)味化合物和生物胺的合成。通常認(rèn)為，在營(yíng)養(yǎng)限制條件下，氨基酸分解代謝在乳酸菌獲得能量的能力中具有重要作用。此外，氨基酸代謝也被認(rèn)為在pH值控制機(jī)制中發(fā)揮作用。

氨基酸分解對(duì)于揮發(fā)性化合物的合成和蛋氨酸、支鏈和芳香族氨基酸的氨基轉(zhuǎn)移非常重要。轉(zhuǎn)氨作用是α-酮酸形成的主要降解途徑，然后α-酮酸降解成其他芳香族化合物。氨基酸向酮類(lèi)化合物和羥基酸的轉(zhuǎn)化由乳酸桿菌引發(fā)，然后乳酸球菌進(jìn)一步將這些產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為羧酸[9]。乳酸菌和非發(fā)酵乳酸菌之間的這種合作可以增強(qiáng)干酪風(fēng)味。

亮氨酸、纈氨酸和異亮氨酸分解代謝可分為兩步：第一步主要是降解途徑，氨基轉(zhuǎn)移酶反應(yīng)將氨基酸轉(zhuǎn)化為α-酮酸，其中亮氨酸轉(zhuǎn)化為α-酮基異己酸鹽；第二步通過(guò)3 種不同途徑將所得化合物轉(zhuǎn)化為醛、醇或羧酸，3 種途徑分別為α-酮酸脫羧、氧化脫羧和產(chǎn)生α-羥基異己酸鹽的替代脫氫途徑；芳香族氨基酸也被AraT（酶編號(hào)代碼）氨基轉(zhuǎn)移酶降解，色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸通過(guò)轉(zhuǎn)氨作用分別產(chǎn)生吲哚丙酮酸、丙酮酸苯酯和對(duì)羥基苯基丙酮酸，通過(guò)芳香族氨基酸轉(zhuǎn)氨作用產(chǎn)生的α-酮酸通過(guò)酶促（脫氫、脫羧或氧化脫羧）或化學(xué)反應(yīng)進(jìn)一步降解為其他化合物[25]。

硫化物是有效的異嗅物質(zhì)，由含硫氨基酸分解代謝產(chǎn)生，影響許多發(fā)酵食品的風(fēng)味。蛋氨酸分解代謝產(chǎn)生多種揮發(fā)性硫化物，如H2S、甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫醚和二甲基三硫化物。

氨基酸分解代謝也會(huì)產(chǎn)生生物胺（biogenic amine，BA），BA是主要通過(guò)氨基酸脫羧作用形成的堿性含氮有機(jī)化合物，存在于包括乳制品在內(nèi)的多種食品中，并且可以積累到較高濃度，食用含有大量BA的食物會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生毒性。酪氨酸、組氨酸、賴(lài)氨酸、鳥(niǎo)氨酸和精氨酸可以分別脫羧形成酪胺、組胺、尸胺、腐胺和胍丁胺，胍丁胺可以進(jìn)一步脫氨基生成腐胺。氨基酸脫羧途徑包含氨基酸向細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)、脫羧及轉(zhuǎn)化為BA后向細(xì)胞外的轉(zhuǎn)運(yùn)。氨基酸和BA的轉(zhuǎn)化通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行，大多數(shù)乳酸菌菌株中編碼脫羧酶和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因均位于染色體上。酪胺的生物合成需要酪氨酸、脫羧酶和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白TyrP。編碼脫羧酶和TyrP的基因形成1 個(gè)染色體簇，并且這個(gè)染色體簇脫羧酶基因的上游始終存在第3個(gè)開(kāi)放閱讀框，該閱讀框編碼1 個(gè)與酪氨酰tRNA合成酶同源的蛋白質(zhì)。在干酪中，乳桿菌屬和腸球菌屬是酪胺的主要產(chǎn)生菌種。

由于乳制品乳酸菌中不存在鳥(niǎo)氨酸脫羧酶途徑，因此有學(xué)者提出胍丁胺途徑可能是腐胺合成的主要途徑；乳酸菌通過(guò)3 個(gè)步驟經(jīng)胍丁胺脫亞氨酶、腐胺轉(zhuǎn)氨甲酰酶和氨基甲酸酯激酶3 種酶催化胍丁胺生成腐胺，然后，反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將腐胺轉(zhuǎn)化為胍丁胺，除腐胺外，該反應(yīng)還會(huì)生成ATP和NH3；已在糞腸球菌（Enterococcus faecalis）、屎腸球菌（Enterococcus faecium）、短乳桿菌（Lactobacillus brevis）和彎曲乳桿菌（Lactobacillus curvatus）中鑒定出胍丁胺途徑，在后2 種菌中，酪胺和腐胺途徑均與染色體相關(guān)[26]。

精氨酸脫亞氨酶（arginine deiminase，ADI）途徑和胍丁胺途徑類(lèi)似，ADI途徑由精氨酸脫亞氨酶、鳥(niǎo)氨酸氨基甲酰轉(zhuǎn)移酶和氨基甲酸酯激酶催化的3 個(gè)反應(yīng)組成。ADI途徑在乳酸菌中分布廣泛，并且已經(jīng)在腸球菌、乳桿菌、乳球菌、明串珠菌、酒球菌、鏈球菌和魏斯氏菌屬中進(jìn)行了鑒定。

組胺是發(fā)酵產(chǎn)品中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)的另一種生物胺，由組氨酸經(jīng)組氨酸脫羧酶（histidine decarboxylase，Hdc）A催化產(chǎn)生，組胺的合成也需要一種可使組氨酸和組胺相互轉(zhuǎn)換的抗轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，組胺基因簇具有編碼HdcB的基因，該基因與HdcA編碼基因共轉(zhuǎn)錄，是HdcA編碼基因成熟所必需的，在該基因簇中還發(fā)現(xiàn)與組氨酸t(yī)RNA合成酶同源的蛋白質(zhì)的編碼基因，盡管其位置在乳酸菌屬間不盡相同；Hdc基因簇已經(jīng)在乳桿菌（Lactobacillus）、酒類(lèi)酒球菌（Oenococcus oeni）、嗜熱鏈球菌（Strepthermophilus thermophilus）、鹽水四聯(lián)球菌（Tetragenococcus muriaticus）、嗜鹽四聯(lián)球菌（Tetragenococcus halophilus）和希氏乳桿菌（Lactobacillus hilgardii）中進(jìn)行了鑒定，除了希氏乳桿菌，其余均位于染色體上[27]。

4 基因組學(xué)、比較基因組學(xué)和宏基因組學(xué)在乳酸菌中的應(yīng)用

基于下一代測(cè)序技術(shù)快速增加公開(kāi)基因組數(shù)量徹底變革了微生物科學(xué)。第1個(gè)乳酸菌基因組由Bolotin等[28]在2001年公開(kāi)發(fā)表，自此以后，NCBI收錄了來(lái)自典型乳酸菌物種（不包括腸球菌）的近100 個(gè)完整基因組，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，超過(guò)600 個(gè)基因組測(cè)序項(xiàng)目草案已經(jīng)完成或正在進(jìn)行。在基因組測(cè)序草案中，已經(jīng)有20 種乳酸桿菌被納入人類(lèi)微生物組計(jì)劃的一部分[29]。此外，隨著測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，有學(xué)者對(duì)乳酸乳球菌MG1363基因組進(jìn)行了重測(cè)序，并與其派生菌株乳酸乳球菌NZ9000基因組進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者基因組中存在6 個(gè)差異，在ptcC啟動(dòng)子中發(fā)現(xiàn)2 個(gè)特定突變，它們?cè)谡{(diào)節(jié)纖維二糖和葡萄糖攝取中起關(guān)鍵作用[30]。O’Sullivan等[31]對(duì)6 個(gè)乳酸桿菌和其他幾個(gè)乳酸菌的基因組進(jìn)行比較分析，鑒定出9 個(gè)壁龕特異性基因。Kant等[32]對(duì)20 個(gè)完整乳酸桿菌基因組進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，它們的細(xì)菌泛基因組大約包含14 000 個(gè)基因，其中包括383 個(gè)直系同源基因的核心基因組。

使用宏基因組學(xué)方法使得分析混合培養(yǎng)物中的微生物成為可能，這在工業(yè)發(fā)酵中非常重要。宏基因組學(xué)等新型分子技術(shù)可以分析乳酸菌的代謝能力，有研究從非洲珍珠粟漿液中的乳酸菌和淀粉質(zhì)發(fā)酵食品宏基因組中篩選出具有益生和淀粉代謝功能的基因[33]。另有研究使用宏基因組學(xué)方法監(jiān)測(cè)了韓國(guó)傳統(tǒng)泡菜29 d發(fā)酵過(guò)程中細(xì)菌種群、代謝能力和微生物群落整體遺傳特征的動(dòng)態(tài)變化，將宏基因組測(cè)序結(jié)果按其功能分類(lèi)，具有糖類(lèi)功能分類(lèi)序列的測(cè)序結(jié)果表明，其微生物組富含與單糖、雙糖和寡糖發(fā)酵相關(guān)的基因；類(lèi)似地，鑒定發(fā)現(xiàn)具有發(fā)酵功能分類(lèi)序列的測(cè)序結(jié)果表明，其微生物組富含與乳酸發(fā)酵以及乙偶姻和丁二醇代謝有關(guān)的各種基因，隨著泡菜發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，參與碳水化合物代謝和發(fā)酵代謝的基因數(shù)量通常會(huì)增加[34]。

基因組測(cè)序、基因組分析和組學(xué)技術(shù)（蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)等）已被用于構(gòu)建基因組規(guī)模的代謝模型，這有助于闡明多種細(xì)胞的生化途徑。使用高通量技術(shù)整合基因組數(shù)據(jù)與代謝指紋圖譜可以進(jìn)一步理解相關(guān)的生物學(xué)信息，這種系統(tǒng)生物學(xué)是可以用來(lái)破譯乳酸菌代謝機(jī)理的強(qiáng)大工具之一，系統(tǒng)生物學(xué)可以整合基因、蛋白質(zhì)和生化反應(yīng)，進(jìn)一步研究微生物群落和相互作用機(jī)制。

5 結(jié) 語(yǔ)

乳酸菌的代謝研究受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，了解乳酸菌的代謝不僅可以使乳酸菌在谷物和牛乳等食物中更好地生長(zhǎng)，提高食品發(fā)酵工業(yè)發(fā)展水平，還有助于提高乳酸菌在動(dòng)物胃腸道中的存活率及其益生作用，同時(shí)乳酸菌的代謝產(chǎn)物還可用于保健和藥品行業(yè)中，因此乳酸菌代謝研究十分重要。目前，結(jié)合組學(xué)研究等現(xiàn)代分子學(xué)手段是乳酸菌代謝研究的最有效手段之一。