纳豆菌的研究现状和应用进展

【天地网讯】    纳豆（Natto）是日本传统大豆发酵食品。自1987年纳豆中发现强力溶栓激酶--纳豆激酶以来，纳豆引起了全世界的广泛关注。纳豆不仅具有独特的风味和丰富的营养，而且因具有多种保健功能［1］，被誉为"超级健康食品"。近年以来，我国学者对日本纳豆做了大量的研究，从纳豆发酵纯菌种的分离鉴定到纳豆的生理保健作用、功能性代谢成分的研究、高产特征酶类或某种代谢产物、纳豆基因工程菌的选育等多方面取得了很好的进展。本文对纳豆菌纯菌种的种类、生理功能及应用研究现状做了总结并对未来研究发展做了展望。

1纳豆菌的起源、种类及特点
    传统制作纳豆是采用稻草作为发酵菌剂的来源，将煮熟的黄豆冷却后用稻草包裹后于温湿度比较高的地方自然发酵1～2d，等黄豆表面出现一种白色的黏液状物质即可。目前在日本，纳豆食品生产基本实现了工业化、连续化和商品化。
    Sawamura是第一个将纳豆中筛选出的杆菌命名纳豆杆菌的研究学者，Muto后来研究发现纳豆杆菌属于枯草芽孢杆菌属，为需氧型革兰氏阳性菌。自从1934年北海道大学农学部半询教授首次成功地将分离的纯种纳豆苗（BacillusnattoNo.1）使用于纳豆的工业化生产后，至今已知与纳豆生产相关的主要纯菌种［2］包括：BacillussubtilsIFO3007、BacillusnattoSawamura06、BacillusnattoSawamuraIFO3339等。
    枯草芽孢属的重要特点是能够分泌各种胞外酶，包括蛋白酶、淀粉酶、谷氨酸转肽酶（GTP）、脂肪酶、果聚糖蔗糖酶和植酸酶，纳豆菌分泌的酶比其他枯草芽孢杆菌分泌同样活性的酶高几十倍。纳豆菌具有芽孢，因而能耐盐耐碱、耐高温（100℃）及耐挤压，在酸性胃环境中均能保持高度的稳定性，在肠胃道中不增殖，只在肠道上段迅速发育转变成具有新陈代谢作用的营养型细胞。纳豆菌的营养要求不高，可以在人体肠道中定殖，对人体肠道中微生态的平衡具有很重要的作用。

2纳豆菌的主要生理保健作用
    已有研究表明，纳豆产品除了具有传统发酵豆制品与大豆相比的优势外，还体现了很好的保健作用和生理作用［3］。
    一是抗癌作用。纳豆中含有大量的染料木素（Genistein）和染料木苷（Genistin），而染料木素是抗癌的主要活性成分。因此常食用纳豆可以有效降低癌症的发生率。
    二是抗氧化作用。Hattori研究纳豆中粗抗氧化剂提取物对不饱和脂肪酸和细胞显示的抗氧化效果与相同质量的维生素E相当或效果更好。另外将未发酵的大豆与纳豆的对比试验显示，纳豆可以抑制脂肪氧化的91％，而未发酵的只能抑制13％。
    三是降血压。纳豆中含有血管紧张肽转化酶抑制剂（ACEinhibitor），并且在其周围的粘性物质中含量更高。
    四是防治骨质疏松症及促凝血作用。纳豆中含有丰富的VB2、VB6、VB12、VE、VK。VK除了与钙协同作用预防和治疗骨质疏松外，还是合成与血液凝固有关蛋白的必需因子。
    五是抗致病菌。纳豆菌具有广谱抗菌作用，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、酵母菌和霉菌都有一定的拮抗作用，对异常汉逊酵母具有强抗菌作用。纳豆菌可以产生的抗菌素如杆菌肽、多黏菌素、2，6-吡啶二羧酸（Dipicolinicacid），具有抑制金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、伤寒菌、痢疾菌及O157：H7大肠杆菌等致病菌的作用，可以起到抗菌素的作用。
    六是溶血栓性。纳豆激酶（Nattokinase，NK）其分子量为200000Dalton，等电点为8.6。具有如下优点：由食品中提取，安全性好；分子量小，更容易吸收；可以由消化道吸收；直接作用于纤维蛋白，因此作用相当迅速；利用纳豆菌发酵生产，造价低廉。因而可以成为一个口服性溶血栓药物进行开发。

3纳豆菌的主要应用
3.1用于大豆发酵食品纳豆及系列深加工产品的生产
    作为一种传统发酵食品--日本纳豆，一直是日本国民膳食结构的主要组成部分。它是以小粒大豆为原料，由纯纳豆芽孢杆菌发酵而成，时间较短，便于控制，其保健功能高于豆豉。纳豆菌在发酵大豆的过程中，在豆粒周围产生的粘性物质中含有大量的γ-多聚谷氨酸、果聚糖、多种氨基酸及许多挥发性脂肪酸（如乙偶姻、2，3丁二醇），还含有大量的风味物质吡嗪，经加工后可制成风味独特的调味品。同时还有研究者将纳豆产品生产出具有活性的粉末或其他类似的产品［4］。

3.2微生态制剂
    微生态制剂是用益生菌（Probiotics）经培养而制成的活菌制剂，产品无污染、无毒副作用，在使用时多制成该菌休眠状态的活菌制剂。纳豆菌是一种微生态制剂的理想生产菌株，根据我国制订的《中华人民共和国食品卫生法》、《保健食品管理办法》的有关规定，益生菌类保健食品系指能够促进肠内菌群生态平衡，对人体起有益作用的微生态制剂。益生菌菌种必须是人体正常菌群的成员，可利用其活菌、死菌及其代谢产物。益生菌类保健食品必须安全可靠，即食用安全，无不良反应；生产用菌种的生物学、遗传学、功效学特性明确和稳定。纳豆芽孢杆菌具备了上述基本特性。现在已经有很多学者在研究纳豆菌、乳酸菌、酵母菌等益生菌共同发酵生产具有特定功能的口服液、胶囊或口含片等，作为保健食品和特殊人群作为药品使用。

3.3γ-聚谷氨酸（γ-poly-glutamicacid，γ-PGA）的发酵生产［2，6，7］
    纳豆菌在发酵大豆的过程中在豆粒周围产生的粘性物质中含有大量的γ-多聚谷氨酸（γ-PGA）。γ-PGA是一种多功能天然物质，它是由谷氨酸（glutamicacid，简称GA）单体内γ位的羧基（-COOH）与另一个GA单体的胺基（-NH2）连接，依序聚合而成为高分子聚合物，分子量在50万到300万之间，由于γ-PGA具有很高的吸水性、分解性、保湿性、无毒性、安全性等，将成为功能性产品极其重要的素材。
    如Oligoγ-PGA（较低分子的PGA）可以增强维生素及多种矿物质的吸收，为下列保健食品的优良素材［4］：如膳食用天然纤维食品；在制造其他保健食品、保健饮料中使用，以改进营养和保健价值；作为甜味剂、增稠剂、乳化剂，以增加口感，可应用于制造高品质冷冻食品；作为保湿剂、抗氧化剂，以改进产品品质；作为天然抗菌剂、天然添加剂，以保持高品质和稳定性。因此通过一些技术手段使纳豆菌变成发酵生产活性高、产率高、便于提取的聚谷氨酸发酵菌株；或者是作为谷氨酸转移酶的生产菌株提供酶制剂生产应用于食品生产；或对纳豆芽孢杆菌采用诱变或细胞融合等技术，使纳豆杆菌变成某种单一酶生产的优良菌株，从而使纳豆菌在γ-PGA生产上得到应用。另外我国是谷氨酸生产大国，利用纳豆菌提取的高活性酶制剂转化谷氨酸生产γ-PGA在技术上是完全可行的。

3.4利用纳豆菌高产高活性的纳豆激酶（Nattokinase，NK），使它成为安全的心血管药物［8-10］
    由于纳豆菌发酵大豆后能够产生大量溶解血栓的纳豆激酶，且其溶解血栓的能力远比治疗血栓药品如尿激酶强，并且无毒副作用，因此纳豆激酶（NK）的研究是纳豆研究中的热点问题。学者们通过对纳豆菌进行诱变处理，尽量提高产酶的活性，使菌株NK活力高且有高外分泌能力。据报道，NK生产已经实现了三角瓶摇瓶培养，在5L的发酵槽中装入2L基础培养基后，在pH-stat控制下追加1L料，发酵48h，NK活性达900～1100FU／m1，但发酵体系中还有其他成分对NK的提取还有干扰。作为NK生产菌，可以将纳豆菌通过分子生物学的方法控制调节基因以及利用转基因技术组建基因工程菌可以使酶产量提高到40～400倍。研究内容主要包括［11］：纳豆激酶基因的克隆、鉴定及在宿主菌中的高效表达；纳豆芽孢杆菌固体发酵生产纳豆激酶工艺优化；纳豆菌液体深层发酵生产纳豆激酶工艺优化；采用胶团和反胶团方法高效分离纳豆激酶，但如何保持纳豆激酶的高活性是此工艺中的关键问题。

3.5利用纳豆菌开发生产天然防腐剂或细菌素［12-14］（Bacteriocin）
    开发微生物天然防腐剂是食品防腐剂研究的一个热点，目前在食品中研究使用较多是尼辛（Nisin）和纳他霉素（Natamycin）。而对纳豆菌抗菌作用的研究集中在培养基的选择、液体发酵条件及对致病微生物的抑制作用效果等，但没有具体到是什么具有抑菌功能的研究报告。由于纳豆菌能够分泌的多种抗菌物质，它们的作用模式是协同还是其它或单独成分，其机理的研究还有待进一步深入。

3.6纳豆菌代谢产物的其它应用［15］
    纳豆中含有血管紧张肽转化酶抑制剂（ACEinhibitor）和丰富的维生素K。因此提取纳豆周围粘性物质中的血管紧张肽转化酶抑制剂并将其制成降血压药和提取维生素K用于预防和治疗骨质疏松症及促凝血等疾病的研究在理论上是可行的。关键在于不影响功能特性下选择合理的提取工艺及实际的使用成本如何。

4展望
    纳豆菌不仅能发酵大豆，生产出营养丰富、功能多样的纳豆产品，还能用于生产保健药品、调味品以及微生态制剂，是美国FDA公布的40种益生菌之一。要使纳豆菌更好地为大豆产业的发展服务，我们应该加强下面几个方面的研究工作。