1 Giới thiệu
Nhóm Lactobacillus bao gồm hơn 300 loài vi khuẩn, phân bố rộng rãi trong hệ vi sinh vật của người, động vật và thực vật. Chúng có thể gây hư hỏng và lãng phí thực phẩm, nhưng cũng có thể đóng vai trò thiết yếu và có lợi trong sản xuất thực phẩm lên men và thức ăn chăn nuôi. Các nghiên cứu liên quan đã chỉ ra rằng lactobacillus có thể thúc đẩy phản ứng của tế bào biểu mô và tế bào miễn dịch, chủ yếu mang lại lợi ích cho sức khỏe vật chủ.
Bài đánh giá này cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện về nhóm Lactobacillus, tập trung vào sự đa dạng di truyền, đặc điểm trao đổi chất, khả năng chịu đựng căng thẳng, mô hình phân bố trong hệ vi sinh vật liên quan đến vật chủ và giá trị quan trọng của chúng trong thực phẩm lên men và điều hòa sức khỏe probiotic.
2 Đa dạng di truyền và biến đổi sinh thái
Bộ Lactobacillales đã tách khỏi tụ cầu khuẩn và trực khuẩn khoảng 1,8 tỷ năm trước. Phân tích phylogenomics đã chia họ Lactobacillaceae thành 25 nhánh (Hình 1). Từ góc độ khả năng thích nghi với môi trường sống, lactobacillus có thể được phân loại thành các loài chuyên biệt và loài tổng quát. Các loài chuyên biệt, như Lactobacillus iners, có bộ gen nhỏ hơn và phạm vi môi trường sống hẹp, trong khi các loài tổng quát, như Lactobacillus brevis, có bộ gen lớn hơn và có thể được chia thành loại sống tự do và loại du mục.
Ở cấp độ chủng, các chủng công nghiệp có biểu hiện thuần hóa. Trong quá trình lên men tự nhiên, lactobacillus chủ yếu được làm giàu từ nguyên liệu thô hoặc môi trường, với sự khác biệt đáng kể trong cùng loài; đồng nuôi cấy một số chủng nhất định có thể nâng cao trạng thái sinh trưởng của chúng thông qua trao đổi chất. Hơn nữa, các chi Lactobacillus khác nhau có những đặc điểm riêng biệt. Ví dụ, chi Lacticaseibacillus chủ yếu là du mục và phân bố rộng rãi; chi Levilactobacillus có liên quan đến quá trình lên men bột chua; và chi Limosilactobacillus có thể sản xuất exopolysaccharide và chủ yếu định cư trong đường tiêu hóa của động vật có xương sống.
Hình 1 Cây phát sinh chủng loại của 26 chủng điển hình thuộc họ Lactobacillaceae
3 Đặc điểm trao đổi chất
Sự trao đổi chất bảo toàn năng lượng của lactobacillus chủ yếu được chia thành hai loại: lên men đồng hình và lên men dị hình. Loại trước ưu tiên sử dụng glucose và chuyển hóa hầu hết các loại đường thành axit lactic, trong khi loại sau có thể chuyển hóa đồng thời nhiều loại đường và tạo ra axit lactic, ethanol hoặc axit axetic và carbon dioxide. Cả hai có thể cùng tồn tại trong cùng một môi trường sống do sự khác biệt về sở thích dinh dưỡng, và duy trì cân bằng oxy hóa-khử là cốt lõi của quá trình trao đổi chất của chúng. Một số loài Lactobacillus có thể thực hiện hô hấp khi có mặt heme hoặc menaquinone, nhưng ưu tiên chuyển hóa lên men, chỉ bắt đầu hô hấp ở giai đoạn cuối của pha sinh trưởng theo cấp số nhân (Hình 2). Hầu hết các chủng đều có khả năng thủy phân oligopeptide, và một số chủng có thể tiết ra peptidase ngoại bào, phù hợp với các kịch bản lên men sữa và có thể tổng hợp các axit béo hoạt tính sinh học. Tính khuyết dưỡng khác nhau đáng kể giữa các loài và chủng khác nhau, nhìn chung thể hiện đặc điểm trao đổi chất “ích kỷ” phụ thuộc vào môi trường giàu dinh dưỡng.
Hình 2 Sự trao đổi chất bảo toàn năng lượng của lactobacillus
4 Phản ứng với căng thẳng và cơ chế phòng vệ
Lactobacillus không tạo ra nội bào tử và hầu hết là vi khuẩn kỵ khí tùy tiện hoặc vi hiếu khí, với nhiệt độ sinh trưởng tối ưu là 30~45°C và phạm vi chịu muối là 1~14%. Trong số các loại căng thẳng lý hóa khác nhau, căng thẳng axit là mối đe dọa phổ biến nhất. Lactobacillus có thể duy trì pH tế bào chất gần trung tính thông qua các con đường như biến đổi màng và tổng hợp protein chaperone, và các phản ứng với căng thẳng thể hiện hiệu ứng bảo vệ chéo. Cơ chế đối phó với căng thẳng axit của chúng cũng có thể thúc đẩy sản xuất các hợp chất hương vị thực phẩm và các chất hoạt tính như axit γ-aminobutyric và L-ornithine trong ruột.
Ở cấp độ phòng vệ cạnh tranh vi sinh vật, các sản phẩm cuối của quá trình lên men Lactobacillus, như axit lactic và axit axetic, có hoạt tính kháng khuẩn tự nhiên (Hình 3). Chúng cũng có thể tổng hợp các chất chuyển hóa kháng khuẩn đặc biệt như bacteriocin. Tỷ lệ các cụm gen sinh tổng hợp mã hóa các sản phẩm kháng khuẩn của chúng cao hơn so với các vi sinh vật khác, điều này có thể giúp chúng có được lợi thế cạnh tranh trong môi trường sống của mình.
Hình 3 Các hợp chất hiệu ứng của lactobacillus được phân lập từ probiotic, hệ vi sinh vật liên quan đến vật chủ và thực phẩm lên men
5 Môi trường sống liên quan đến vật chủ
Trong hệ sinh thái vi mô của con người, mật độ định cư của lactobacillus tương đối cao trong ruột trẻ sơ sinh, nhưng trong ruột người trưởng thành, chúng chỉ chiếm 0,01% tổng hệ vi sinh vật phân, và có sự trùng lặp đáng kể giữa các loài Lactobacillus trong ruột người trưởng thành và các loài trong thực phẩm lên men. Mật độ định cư của lactobacillus trong môi trường vi mô da và đường hô hấp thấp và chúng không phải là hệ vi sinh vật cốt lõi ở những vị trí này; tỷ lệ phát hiện lactobacillus trong đường hô hấp tương đối cao. Mặc dù mật độ của nó dưới 0,3%, nhưng nó có tương quan âm với việc phát hiện các vi khuẩn gây bệnh liên quan (Hình 4).
Trong vật chủ động vật, lactobacillus là hệ vi sinh vật cốt lõi trong đường ruột của nhiều loài động vật. Một số loài có tính đặc hiệu với vật chủ, trong khi những loài khác hình thành các nhánh tiến hóa xuyên vật chủ và trạng thái quần xã của chúng có tương quan thuận với mức độ sức khỏe của động vật. Trong vật chủ côn trùng, lactobacillus là hệ vi sinh vật cốt lõi của đường tiêu hóa và có thể điều chỉnh quá trình trao đổi chất dinh dưỡng, mô hình hành vi và quá trình phát triển của vật chủ. Axit lactic được tạo ra từ quá trình trao đổi chất của chúng không chỉ có thể chống lại sự xâm nhập của vi sinh vật ngoại sinh mà còn trung gian các mối quan hệ nuôi dưỡng chéo giữa các loài; đồng thời, loại hệ vi sinh vật này có thể lây lan qua các vector bề mặt thực vật. Trong môi trường sống của thực vật, lactobacillus định cư trên bề mặt thực vật với sự khác biệt đáng kể về mật độ chủng. Chúng có thể ức chế sự sinh sản của mầm bệnh thực vật và thúc đẩy sự sinh trưởng và phát triển của thực vật, và một số chủng cũng có khả năng cố định đạm ở vùng rễ.
Hình 4 Sự đa dạng của các loài Lactobacillus ở các vật chủ khác nhau
6 Lên men thực phẩm
Lactobacillus thể hiện tác động kép có lợi và có hại trong lĩnh vực lên men thực phẩm: một mặt, với tư cách là các chủng chức năng chính cho sản xuất thực phẩm lên men và thức ăn ủ chua, các chủng ứng dụng công nghiệp đã vượt qua các đánh giá và chứng nhận an toàn của các cơ quan quản lý có liên quan; mặt khác, một số chủng Lactobacillus có thể gây hư hỏng thực phẩm và cũng ức chế quá trình sản xuất bioethanol. Do đó, các chủng Lactobacillus cấp công nghiệp yêu cầu thử nghiệm và đánh giá có mục tiêu các rủi ro an toàn tiềm ẩn như kháng kháng sinh.
Các mô hình tương tác vi sinh vật trong lên men thực phẩm rất đa dạng, bao gồm sự tương hỗ và tương phản trong lên men sữa chua, sự kế tiếp đa loài trong lên men dưa cải và kefir, và sự nuôi dưỡng chéo giữa các giới giữa lactobacillus và nấm men trong lên men bột chua (Hình 5). Thực phẩm lên men không chỉ có thể kéo dài thời hạn sử dụng, giảm nguy cơ mắc bệnh truyền qua thực phẩm và loại bỏ độc tố mà còn có tác dụng probiotic tăng cường sức khỏe, tăng cường đa dạng vi sinh vật đường ruột và giảm mức độ viêm.
Hình 5 Tương tác cộng sinh giữa lactobacillus và các vi sinh vật khác trong thực phẩm lên men
7 Probiotic và liệu pháp vi sinh vật sống được kỹ thuật hóa
Hiện nay, các chủng chính bao gồm Lacticaseibacillus rhamnosus GG được nghiên cứu rộng rãi (hơn 140 thử nghiệm lâm sàng đã đăng ký), Bifidobacterium animalis subsp. lactis BB12 và chế phẩm phức hợp VSL#3. Ngoài ra, một số chủng đang được phát triển như các sản phẩm trị liệu sinh học sống để điều trị viêm âm đạo do vi khuẩn (Bảng 1).
Về cơ chế tác dụng, lactobacillus có thể điều chỉnh khả năng miễn dịch của vật chủ, chức năng hàng rào biểu mô, chuyển hóa toàn thân và hàng rào ruột-não. Các chất hiệu ứng của chúng bao gồm protein bề mặt tế bào, các hợp chất tiết ra và axit indole-3-lactic mới được phát hiện gần đây, túi màng, v.v.
Bảng 1 Phân tích tổng hợp các thử nghiệm lâm sàng gần đây (2019~2025) về probiotic có chứa chủng Lactobacillus
8 Kết luận và triển vọng
Hiện nay, nghiên cứu về lactobacillus chủ yếu tập trung vào một số loài như Lactiplantibacillus plantarum và Lacticaseibacillus paracasei. Kiến thức về phạm vi di truyền và trao đổi chất tổng thể của chúng vẫn còn hạn chế. Trong tương lai, cần mở rộng hơn nữa phạm vi loài được nghiên cứu, đào sâu nghiên cứu về tương tác của lactobacillus trong môi trường sống tự nhiên, khai thác đầy đủ giá trị nghiên cứu trong lĩnh vực lên men, tối ưu hóa lên men công nghiệp với sự trợ giúp của các mô hình quần xã, phát triển thực phẩm lên men có nguồn gốc thực vật mới và cung cấp hỗ trợ lý thuyết cho việc sàng lọc các chủng probiotic và thiết kế chiến lược định cư.
Người viết: Guo Ruiting
Người đánh giá: Qi Jiaojiao, Zhu Jianfeng
Người viết bài: Yang Xiaomei
