发酵乳制品中乳酸菌与酵母菌相互作用研究进展

韩雪 雷鹏 樵飞 吴先帆 赫佳康 刘蕾 胡彤 刘采云

（哈尔滨工业大学食品科学与工程学院，哈尔滨150090）

通常发酵乳制品发酵过程中乳酸菌发酵占主导地位，但在许多传统的发酵乳制品中却都有酵母菌存在，并与乳酸菌共同作用组成复杂的菌系,如开菲尔乳中所用的开菲尔粒就是由多种酵母菌和乳酸菌混合发酵而成，发酵后的乳制品中含有大量黏性多糖、少量蛋白质、脂质等成分，赋予开菲尔特殊的酒香味和二氧化碳气体，使其具有一般饮料所没有的爽口感和风味[1]；马奶酒中酵母菌不仅参与酒精发酵，还具有抑制结核杆菌的作用[2]；在干酪成熟过程中酵母菌能够利用乳酸提高其凝乳pH值，分解蛋白质和脂肪，产生多种水溶性维生素，抑制腐败微生物和梭状芽孢杆菌的生长[3]。这些由酵母菌与乳酸菌共同发酵制得的产品因其特殊的风味及营养价值而深受世界各地人们喜爱。

酵母菌具有很高的营养价值，特别是含有较多蛋白质，很多B族维生素、核酸和矿物质，同时也能产生一些保健功能活性物质。然而在酸奶中酵母菌的存在却是不利的，往往被认作酸奶中的污染菌，是酸奶变质的主要原因。但在一些商业化的乳制品中，特定的酵母能够为产品带来期望的香气和风味。近年来，不断发现酵母菌作为附属发酵剂对乳制品发酵和成熟过程中的风味影响、抑制有害菌的生长及对人体的潜在益生功能[4]。然而乳酸菌和酵母菌稳定的互生关系比较复杂，既有促进作用也有抑制作用，对于不同产品中它们如何相互作用，会产生哪些影响及共生机理目前还不十分清楚。因此，探讨乳酸菌与酵母菌的互作关系及其代谢产物的变化，有利于深入了解二者的生长和新陈代谢之间的相互影响，对开发乳酸菌与酵母菌共生性产品具有重要的实际应用价值。

1.乳酸菌和酵母菌的互作关系

1.1 乳酸菌和酵母菌的协同作用

乳酸菌与酵母菌具有一定共生作用，而这种共生效果却与培养温度有着密切联系。Gulloux等[5]对乳酸菌与酵母菌在变温培养下的生长特性进行研究发现，在乳酸菌与酵母菌混合发酵乳制品过程中如果采用先30℃后37℃培养条件下，酵母菌首先旺盛生长，其代谢产物可供乳酸菌生长利用，之后转到乳酸菌最适生长温度 37℃条件下，乳酸菌利用这些营养物质开始大量繁殖，此时乳酸菌菌数要比单独乳酸菌发酵的活菌数明显增多。而如果采用先37℃后30℃的培养方式，则乳酸菌在适宜的温度37℃条件下首先旺盛生长，乳酸菌将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖这些易于吸收的单糖，为酵母菌提供碳源，并为酵母菌提供一个适宜的pH生长环境，之后转到酵母菌最适生长温度30℃条件下，酵母菌开始大量繁殖，此时酵母菌菌数比单独酵母菌发酵明显增加。说明发酵乳培养温度不同对乳酸菌及酵母菌活菌数的影响较大[5-7]。

董涛等[8]采用30℃对奶啤进行发酵发现加有乳酸菌的奶啤，酵母菌生长较单独酵母菌发酵无论在发酵速度上还是酵母菌数上都有明显提高。有研究表明将开菲尔粒中分离出的两种异型乳酸杆菌与二种酵母菌再组合培养，发现两种乳酸菌的产酸性和生长繁殖性均受酵母菌促进,特别是当具有发酵乳糖性质的酵母菌存在时，乳酸菌产酸性能会大大增加，然而发酵乳中的乳酸含量和黏度却降低，这可能是多种微生物在生长及代谢过程中的相互作用所致，其机理有待进一步研究[1,8,9]。此外利用酵母菌和乳酸菌混合发酵能够有效降低牛奶中的脂肪含量，且利用两种乳酸菌与一种酵母菌的混合发酵效果更显著[10]。

1.2 乳酸菌和酵母菌的拮抗作用

Pablo研究中有些乳酸杆菌会受到假丝酵母、汉逊德巴利酵母、乳酸克鲁维酵母、毕赤酵母四种酵母菌的抑制[11]。Nielsen的研究认为乳酸菌和酵母菌混合培养的抑制作用主要表现在乳酸菌的生长受到由溶脂酵母新陈代谢产生的脂肪酸的抑制作用；乳酸菌产生的化合物如苯乳酸、4-羟基-苯乳酸、环肽抑制了酵母菌的生长[12]。乳酸菌和酵母菌的联合培养可能与营养素的成长产生竞争作用或它们的新陈代谢的产物会抑制其他菌群的生长。目前乳酸菌与酵母菌在什么条件下或与何种种属间有相互抑制及抑制机理还有待进一步研究。

2 乳酸菌与酵母菌共生机理

乳酸菌和酵母菌共同发酵制品是国内学者研究的一个热点。虽然共生机理还不十分明确，但目前对于乳酸菌与酵母菌相互利用代谢产物，及在信号分子水平和基因水平的研究已有初步结论。

2.1 互相利用代谢产物

Tamime与Marshall发现酵母菌和乳酸菌之间存在代谢产物互补机制，也就是说一种菌产生的物质会被另一种菌代谢掉[13]。目前对于酵母菌通过代谢产物可促进乳酸菌生长的理论主要有四方面：一、乳酸菌是营养缺陷型菌株，酵母菌产生的大分子物质能诱导乳酸菌中氨基肽酶合成,使培养液中氨基酸及小分子缩氨酸含量增加，从而促进乳酸菌的生长；二、酵母菌在发酵过程中水解乳中乳糖（某些水解乳糖酵母菌）、蛋白质等为乳酸菌提供了许多营养因子，例如氨基酸,B族维生素和丙酮酸盐等物质，供乳酸菌生长所利用；三、酵母菌的酒精发酵或酵母菌自溶产生一定量的吡喃甘露糖，其可吸收中链脂肪酸，从而解除中链脂肪酸对乳酸菌的毒害作用，还有推测表明其可增加乳酸菌的α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、N-乙酰基β-葡萄糖脱水酶及肽酶的活性，从而间接地促进了乳酸菌的生长[6,7]；四、酵母菌本身含有种类齐全的氨基酸, 是良好的蛋白质来源，可供乳酸菌生长利用。

而乳酸菌对于酵母菌生长的促进作用也存在三点，一、乳酸菌在发酵过程中水解乳中的乳糖、蛋白质及脂肪,产生易于吸收的单糖、游离氨基酸和挥发性脂肪酸,以及多种维生素(B1、B2、B6、B12、叶酸等)这些小分子物质为酵母菌的生长提供了丰富的营养来源[1]。二、乳酸菌代谢乳糖产生乳酸为酵母菌提供一个适宜的pH生长环境，从而促进酵母菌生长；三、乳酸菌的加入可促进酵母菌发酵产生重要的风味物质乙醇、酸类及其他醇类物质,形成特有的酒香味。

2.2 信号分子水平

近年来的研究证明微生物之间存在信息交流，许多细菌都能合成并释放一种被称为自诱导物质(autoinducer, AI)的信号分子，胞外的AI浓度能随细菌密度的增加而增加，达到一个临界浓度时，AI能启动菌体中相关基因的表达，调控细菌的生物行为。

Guerzoni 等[14]在高酸（pH3.6），高氧（5mmol/LH2O2）及高渗透压（40g/100mL 的蔗糖）的应激条件下，研究乳酸菌与酵母菌单独培养和混合培养时产生的风味物质及乙醇的差异。结果表明应激条件下乳酸菌及酵母菌共同培养可提高风味及乙醇含量，其中乳酸菌在高氧环境下会产生较多的的γ- 癸内酯，2( 5H)- 呋喃酮和乙醛；而在高酸环境下，酵母菌和乳酸菌都会大量积累乙酸、异戊酸及乙醇，其中酵母菌在高酸、高氧这种应激条件下还会产生长链不饱和脂肪酸酯，这些应激条件下产生的物质被看作微生物在抗逆环境下产生的自身保护性物质，而有学者则认为这种在特定环境下释放的物质为信号分子[15]，且这些物质为信号分子标志。Losel等[16]报道了在研究双孢蘑菇休眠时，其释放的异戊酸就起着信号分子的作用。尽管目前对于微生物种内及种间信号分子释放的机理研究还不清楚，但通过研究微生物在应激条件下分泌的代谢产物，有助于更好的了解乳酸菌与酵母菌之间的共生机制。

2.3 基因水平

随着分子生物学技术的革新，生物芯片技术为系统研究微生物菌群的关系提供了强有力的工具。Erasmus等认为微生物菌体若在发酵过程中处于某种压力环境下，那么其在转录时成百个隐性基因会被诱导为显性基因表达出来[17]。Maligoy等研究了乳酸菌与酵母菌混合培养时在转录水平上乳酸菌菌体中表达基因的变化。结果表明酵母菌与乳酸菌混合培养时，负责代谢嘧啶的隐性基因比例较单独菌株培养时低，从而导致三磷酸胞苷合成减少，进而促使负责三磷酸尿苷转化为三磷酸胞苷的酶催化反应的pyrG基因表达比例增高。根据DNA 芯片技术结果推测，乳酸菌与酵母菌混合培养时乙醇的积累是导致乳酸菌mRNA水平上负责各种新陈代谢途径功能基因变化的主要原因。因此，在研究乳酸菌与酵母菌之间关系时可用酵母菌产的乙醇量作为重要指标[18]。

目前许多乳酸菌与酵母菌共生机理还处在推测阶段，但随着对微生物代谢途径的理解及现代生物技术的不断发展，乳酸菌与酵母菌的共生机理势将得以阐明，从而为更好的利用微生物资源开发新产品打下基础。

3 乳酸菌与酵母菌发酵过程中的风味代谢产物

3.1 乙醛含量的变化

赋予酸奶风味的主要物质,是由乳酸菌利用苏氨酸转化而来的乙醛，但是乳酸菌的水解蛋白和脂肪能力较弱，更倾向于从牛乳蛋白中获取必需氨基酸。

Rysstad[23]假设若酵母菌分解蛋白质产生苏氨酸，则当与乳酸菌混合培养时会提高产品中乙醛的含量。闫彬等[20]试验得出乳酸菌可以利用苏氨酸转化生成乙醛，但乳酸菌水解蛋白能力较弱，而酵母菌水解蛋白能力较强，因此采用乳酸菌与酵母菌混合培养，可以提高乙醛的含量。结果表明酵母菌与乳酸菌混合培养物中乙醛含量显著高于单菌培养的乙醛含量，这很好地印证了Rysstad的假设。但随着培养时间延长，混合培养的乙醛含量低于单菌培养的乙醛含量，推测可能由于酵母菌将乙醛转化为乙酸和乙醇进而生成更多的麦芽芳香物质。此外如采用有些异型发酵的乳酸菌也消耗部分乙醛，导致乙醛含量的降低。

3.2 氨基酸质量浓度的变化

氨基酸主要包括一些小肽和游离氨基酸，游离氨基酸是影响发酵乳制品风味的重要组成成分，其中许多小肽的风味是由其末端的氨基酸决定的；由于高质量浓度的游离氨基酸对感官有促进作用，总游离氨基酸质量浓度与良好风味的提高密切相关[19]。蛋白质的水解作用主要归于酵母菌的作用，而乳酸菌水解蛋白能力较弱。闫彬等[20]对内蒙古锡盟地区酸马奶中分离出的一株乳酸菌和一株酵母菌混合培养之后的游离氨基氮进行测定，得出在培养乳酸菌的脱脂乳培养基中，32h时双菌培养基和单菌培养基中的游离氨基氮质量浓度相当，到36h由于双菌共同利用基质营养物质使得游离氨基氮低于单菌培养基中产生的游离氨基氮。而在培养酵母菌的脱脂乳培养基中，至32h双菌培养基中的游离氨基氮与单菌培养基中的相当，并没有明显的减少，说明双菌培养基中的小分子营养物质较为丰富，促进了酵母菌的生长；到 36h双菌培养基中的游离氨基氮质量浓度略高于单菌培养基中产生的游离氨基氮[20]。该浓度的变化也暗示出乳酸菌与酵母菌之间存在共生相互关系。

3.3 丁二酮质量浓度的变化趋势

丁二酮是许多乳制品中的重要风味物质,在乳品工业中具有很重要的应用价值[21]。

双菌培养基中产出风味物质丁二酮和乙酸、乳酸的的含量要高于单菌培养基中的产出量。刘慧[22]通过对乳酸菌与酵母菌分别进行单菌培养基和双菌培养，得出在 0 ～24h单菌培养基与双菌培养基中产出的丁二酮质量浓度变化趋势相当，但至32h双菌培养基中产出的丁二酮极显著高于单菌培养基中的产出的丁二酮。原因是该试验的酵母菌是克勒克氏酵母属以产生柠檬酸为特点，而采用的乳酸菌为明串珠菌，属异型乳酸，发酵可以进行柠檬酸代谢。乳酸菌通过利用柠檬酸经一系列生化反应可以合成丁二酮和乙酰甲基原醇[16]，因此采用可代谢柠檬酸的乳酸菌与产柠檬酸的酵母菌共同发酵，可促进产品风味物质产生。

3.4 短链脂肪酸质量浓度的变化

传统发酵制品中含有的短链脂肪酸能促进肠道蠕动，从而改变渗透压，有效清洁胃肠，清除体内垃圾，防止便秘。同时抑制腐生菌在肠道的生长，进而抑制了腐败菌所产生的毒素，减少其对机体组织的损坏，达到美容养颜，防癌抗癌，延年益寿的效果。

乙酸是许多发酵奶制品重要的风味物质，并且它与柠檬酸代谢有关，是乳酸菌通过分解柠檬酸得来的[24]。在乳酸菌与酵母菌共培养的乳中，酵母菌可产生柠檬酸，而乳酸菌还可以进行柠檬酸代谢，从而使双菌共培养的发酵乳产生特有的风味[20,24]。

4 展望

发酵乳制品中酵母菌和乳酸菌的关系比较复杂，他们之间既有抑制作用又有促进作用，尽管国内外关于乳酸菌与酵母菌共生机理的研究还不十分清楚，但是相信随着分子生物学和分子遗传学的飞速发展，16S rRNA 基因序列分析、限制性片段长度多态性(RFLP)、荧光原位杂交技术(FISH)等一些技术的应用将会在研究环境微生物生态系统组成结构、功能的分子机理以及微生物之间相互关系等方面显示出巨大的潜力，也将对我们深入研究二者的共生机理提供出新的思路和方法，从而为今后开发和研制出更多发酵制品提供重要的科学依据，并给发酵制品工业化的生产与发展打下坚实的基础。

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