保加利亞乳桿菌
德式乳桿菌的一個亞種
保加利亞乳桿菌(Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus)是德式乳桿菌的一個亞種，被廣泛的應用在酸奶製作的過程當中。該亞種最初由保加利亞微生物學家賽德蒙·格里戈羅夫(Stamen Grigorov)在1905年時確定並以其祖國的名字命名，1984年時韋斯等人又將其確認為德式乳桿菌的亞種。保加利亞乳桿菌外觀為長桿形，能產生大量的乳酸。最適宜的生長溫度為40攝氏度左右。
保加利亞酸奶中的乳酸菌，在分類上屬於乳酸桿菌，因其菌種產地、微生物特性、效能優異等特點，被微生物學家命名為德氏乳桿菌保加利亞亞種（簡稱保加利亞乳桿菌）。一種細菌被冠以國名，而且傳宗接代，繁衍至今，遍布全世界，又效能優異，助人健康長壽，確實不能不令人感到神奇。 乳酸菌是一組菌的總稱，其中包括乳球菌、片球菌、明串球菌、乳桿菌（其中以保加利亞乳桿菌為代表）和雙歧桿菌。它們有一個共同的本領，就是能發酵糖而獲得能量，產生大量乳酸。
Yogurt(酸乳酪，也寫作Yoghurt)一詞就是色雷斯語。Yog意為“凝稠”，Urt意思是“奶”。根據歷史記載色雷斯人在公元前3500年左右就生活在這片土地上，在公元前5世紀建立了第一個色雷斯國家。據說酸奶是色雷斯人用羊皮口袋裝牛奶系在腰上，體溫使牛奶里的細菌繁殖、發酵而生成的。
保加利亞乳桿菌
保加利亞乳桿菌屬於化能異養型微生物，營養要求苛刻。一般來說，脫脂乳和乳清是乳酸菌的最佳培養基，實驗表明，單從菌落總數來說，以乳清加6％脫脂奶粉作為培養基最好，生長繁殖過程中需要多種微生素等生長因子，尤其是B族維生素，如吡哆酸、鈷胺酸、葉酸等。最適生長溫度一般為37~45℃。溫度高於50℃或低於20℃則不能生長。
在培養中，保加利亞乳桿菌對碳源、氮源也是有要求的，酵母膏是實驗室常用的一種化學試劑，其中尼克酸、葉酸、鈷胺酸含量較高，在中性及微酸性環境中對熱穩定，故酵母膏作為碳源、氮源對保加利亞乳桿菌有較顯著的促進作用。另外，培養中緩衝鹽也很重要，如CaCO3可以中和保加利亞乳桿菌代謝過程中產生的大量乳酸，解除代謝產物乳酸對菌體生長的抑制作用。
一般來說，保加利亞乳桿菌耐受乳酸的最大量為2％，理論上乳酸菌經同型發酵途徑每消耗1mol葡萄糖會轉化生成2mol乳酸和2mol ATP，若產生2％乳酸需要消耗約2％葡萄糖，而總糖消耗量應為3％~4％或略高才能滿足保加利亞乳桿菌的營養要求。
該菌是乳酸菌中產酸能力最強的菌種，最高產酸量2％，能利用葡萄糖、果糖、乳糖進行同型乳酸發酵產生D型乳酸（有酸澀味，適口性差），發酵可產生香味物質。對熱的耐受性差，但個別菌株在75℃條件下能耐受20min。在乳中，該菌顯示溫和的蛋白分解性和較弱地脂肪鬆懈性，對碳酸鹽比較敏感。能產生稱做保加利亞菌素（bul-garican)的抗生素。產胞外多糖特性按伯傑氏系統細菌學手冊中的生化及形態分類法，乳酸菌可分為18個屬，其中乳桿菌、鏈球菌、明串珠菌和乳酸乳球菌等屬的菌株產胞外多糖的報道比較多。這些乳酸菌分泌多糖於細胞外，形成莢膜多糖粘附於細胞表面或以粘質多糖形式存在於細胞周邊培養基中，其形成有利於改善產品的黏度和質地。目前報道的產胞外多糖的主要的乳桿菌菌株有德式保加利亞乳桿菌、瑞士乳桿菌、乾酪乳桿菌乾酪亞種、開菲爾乳桿菌、嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌和清酒乳桿菌等。一般來說，乳桿菌胞外多糖的產量不高，德氏保加利亞乳桿菌NCFFB2772約為25mg/L。
產生胞外多糖的條件不一定是菌株的最佳生長條件。一些研究表明。在低於乳桿菌最適生長溫度的條件下接種，可以促進胞外多糖產量增加。GASSEM M A等認為，較低的接種溫度將導致活菌數量緩慢增加有利於延長對數期和穩定期，從而有利於胞外多糖的形成。德低保加利亞乳桿菌RR在30℃（低於最適生長溫度）的條件下能夠形成較高產量的胞外多糖聚合物。
胞外多糖的重要作用之一在於其是一種天然的增稠劑。可以改善發酵乳製品的流變學特性。鮮牛乳的黏度為7.71mPa's，發酵后黏度明顯增高，黏度增高有二個原因：一是酪蛋白沉澱增加了發酵乳的黏稠度；二是保加利亞乳桿菌產生的胞外多糖增加了發酵的黏度。同時胞外多糖也是一種物理穩定劑，能夠結合水並限制物料脫水收縮。賦於產品吸引人的外觀和令人滿意的口感。
保加利亞乳桿菌能產生特殊的香氣，使酸奶等獨具風味。據研究，這種特有的風味是其在發酵過程中產生的乙醛、雙乙醯（丁二酮）、丙酮、3-羥基丁酮和揮發性酸形成的。其中，雙乙醯、乙醛這二種風味物質在4℃冷藏后含量有較大變化，一般在12h和2h達到最高，實驗發現組合菌的產香能力普遍高於單菌株的平均水平，雖然個別風味物質含量可能小於單菌株的水平，但總體的感官性能還是高於單菌株。
保加利亞乳桿菌經同型乳酸發酵將乳糖轉化為乳酸，首先乳糖被β-半乳糖苷酶分解為葡萄糖和半乳糖，接著葡萄糖通過糖酵解途徑被轉換成二分子丙酮酸，再經乳酸脫氫酶催化，還原生成乳酸。半乳糖以轉化依次生成半乳糖-1-磷酸、葡萄糖-1-磷酸、葡萄糖-6-磷酸，最後進入糖酵解途徑，也被轉換成二分子丙酮酸，然後被還原為乳酸。大量的實驗已證實，菌體發酵乳糖，生成的乳酸使乳的pH值下降，當pH值下降至4.5時，酪蛋白沉澱，乳凝固。酸奶也正是利用這一原理來生產的。
酸奶是含活菌的乳製品，正常發酵結束后，在產品貯存、運輸、銷售、食用前這一過程中，菌體仍要生長繁殖。發生后酸化，即酸奶的pH值繼續下降，這不僅嚴重影響了消費者對酸奶製品的接受性，而且抑制了酸奶製品的普及與發展。研究表明，保加利亞乳桿菌是酸奶及發酵乳飲料在貯藏期間發生后酸化的主要發酵劑菌株。保加利亞乳桿菌具有非常強的產酸能力和耐酸性，當外界環境中pH值降低時，其質膜H—ATPase（F1F0-ATPase）能通過水解ATP提供的能量將細胞內的質子泵出胞外，形成的膜pH值梯度差，使細胞內pH值維持在中性附近，代謝酶的活力不受影響，直至環境中pH值為3.5時，跨膜pH值梯度差才不存在，細胞內呈酸性，新陳代謝活動開始受到抑制。
隨著我國人發生活水平的提高和人們健康意識的逐步增強，乳製品特別是發酵乳製品在人們膳食結構中所佔比例越來越大，這對於提高全民健康素質十分重要。牛乳是一種營養全面的食品，乳酸菌發酵不僅為乳製品提供了特殊的質地、風味和營養特徵，而且賦予了乳製品特殊的食療功效。保加利亞乳桿菌因其特殊的生理功能和營養功效，與其他乳酸菌一起被廣泛應用在傳統的發酵的乳製品中，提高了食品的功能性特點和附加值。發酵乳製品包括酸奶、乾酪、奶油。
1、酸奶的生產 酸奶是以鮮牛奶或奶粉為主要原料，經乳酸菌發酵而製得的產品。原料乳經加熱殺菌和均質后，降低到適宜的溫度，添加糖和稱定劑攪拌均勻，接種乳酸菌發酵劑在適宜的溫度發酵。發酵完畢后，置於4℃左右的冷庫內冷卻成熟，即得成品酸乳。市面上一些大品牌的酸奶都是以保加利亞乳桿菌加其它乳酸菌發酵而成的。
2、奶油的生產 奶油又稱黃油，是以乳經離心分離后所得的稀奶油為主要原料，經殺菌、冷卻、成熟、乳酸菌發酵、攪拌、壓練而製成的乳製品。奶油按發酵方法不同，分為天然發酵奶油和人工發酵奶油二類。天然發酵奶油以乳中原有的微生物為發酵劑，讓其自然發酵而成。人工發酵奶油是將稀奶油殺菌后，再添加純培養的發酵劑，使其發酵而製成。
3、乾酪的生產 乾酪是指原料乳經殺菌、冷卻后，加入適量的乳酸菌發酵劑發酵，使蛋白質（主要是酪蛋白）凝固后，排除乳清、將凝塊壓成快狀而製成的產品。
1、作為飼料用微生物製劑 發展綠色無公害飼料添加劑是21世紀飼料工業的重要研究方向，飼用微生物製劑是實現這一目標的主要途徑。微生物製劑是指在微生態學理論的指導下，調整生態失調、保持微生態平衡、提高宿主（人、動植物）健康水平或增進健康狀態的生理活性製品及其代謝產物以及促進這些生理菌群生長繁殖的生物製品。
國內外均有大量飼養和臨床實驗證明，乳酸菌作為飼料添加劑具有增質量、提高飼料轉化率、預防疾病及降低病死率等效果。BAIRD用乳桿菌飼餵斷奶仔豬和生長育肥豬，實驗證明均能增加日增重和提高飼料轉化率；LID-BECK等證實乳酸桿菌能預防放療引起的腹瀉。乳酸菌在飼料行業的應用是極其廣泛的，而且非常有發展前景。
2、發酵生產飼料奶油香精 隨著飼料工業的發展，配合飼料中化學添加劑（礦物質、微量元素、維生素、抗生素等）的使用量不斷增加，農副產品、輕工業、食品行業的下腳料大量使用，對原有飼料的天然風味產生了很大影響。由此產生的不良氣味，大大影響了配合飼料適口性，降低了飼料的採食量。乳豬、仔豬喜歡牛奶、乳酪、巧克力等近似母乳香味的飼料，有幾種化合物（物別是乙醯）是乳中重要的香味成分，而乳酸菌可經一系列生化反應合成此類化合物。由於奶類香精成分極其複雜，即便是優秀的調香師也難調製出模擬度高的奶香型飼料香味劑，而通過生物發酵，加以適當修飾、調整便可製成奶類香精。
近年來乳酸菌的生理活性正日益引起人們的重視。大量研究表明，乳酸菌對人體具有多方面的保健作用，如調節機體胃腸道正常菌群、保持體內微生態平衡、提高食物消化率和生物價、改善便秘、降低膽固醇水平、改善肝功能、緩解乳糖不耐症、控制內毒素、抑制腸道內腐敗菌生長繁殖和腐敗產物的產生、製造營養物質、刺激組織發育等。保加利亞乳桿菌作為乳桿菌屬乳酸菌的典型代表，具有乳酸菌普遍生理功能，主要包括以下幾人方面：
1、維持微生態平衡和腸管機能功能微生物生態系統是人體最大、最複雜的微生態系統，其中存在著大量不同類型、含量不一的各種細菌，其數量約10倍於人體細胞。在正常生理狀況下，腸道含有400~500種不同類型的細菌，其重量約為1~2kg，其中包括有害菌和有益菌，有害菌能通過代謝產生酚、吲哚、亞硝酸、亞硝胺和偶氮化合物等有毒物質，加速人體衰老和誘發癌症發生。
乳酸菌是腸道清道夫，能在腸內定居，使腸道菌的構成發生有益變化，促進體內消化酶的分泌和腸道蠕動，清除腸道垃圾，抑制腐敗菌的繁殖和作用。乳酸菌發酵產生的乳酸、醋酸等有機酸刺激胃分泌，抑制有害菌生長，清理腸道可以防便泌，乳酸又能促進腸道蠕動，避免體內毒素堆積，防止細胞老化，使肌膚更加白皙健美。對小兒下痢、成人潰瘍性腸炎、細菌性下痢有顯著治療效果，並可有效緩解老年人和孕產婦便秘等癥狀。
2、產生特殊酶系，促進機體健康 乳酸菌可利用本身所特有的某些酶類補充宿主在消化酶上的不足，幫助分解上消化道未被充分水解吸收的營養物質，有利於宿主進一步吸收利用，包括增加人體必需的維生素、氨基酸、無機鹽類（如鈣、磷、鐵、鈷等）的吸收和利用。同時，通過產生某些酶修飾毒素受體，減少毒素與腸道粘膜受體的結合，促進機體健康。
3、抗腫瘤，增加免疫功能 乳酸菌對使人致癌的腸中亞硝胺有98％的高吸收率，可減少腸癌的發生。乳酸菌菌體抗原及代謝物還通過刺激腸粘膜淋巴結，激發免疫活性細胞，產生異性抗體和致敏淋巴細胞，調節機體的免疫應答，防止病原菌侵入和繁殖，為致病細菌的侵入和繁殖設置一道屏障。
4、提高營養利用率、促進營養吸收 乳酸菌的菌體蛋白可增加蛋白質含量。它能將食物中的大分子蛋白質都分降解為小分子肽和遊離氨基酸，利於胃腸消化吸收。
乳酸菌可分解乳糖成為葡萄糖和半乳糖，進而進一步分解為小分子化合物，有助於兒童腦及神經系統的發育。乳酸菌在代謝過程中消耗部分維生素，有利於增加腸內維生素的穩定性。乳酸菌產生有機酸使鈣、磷、鐵等元素處於易吸收的離子狀態，提高利用率。
5、降低膽固醇 乳酸菌菌體成分或菌體外代謝有抗膽固醇因子。其代謝能顯著減少腸管對膽固醇的吸收，同時，乳酸菌吸收部分膽固醇並將其轉變為膽酸鹽排出體外。
生物體對氧的耐受性與其所含超氧化物歧化酶（SOD）濃度呈正相關，增加細菌SOD表達可增強其對氧的耐受性。保加利亞乳桿菌不含SOD，在有氧條件下生長較厭氧及微氧條件差。而已有學者指出，乳桿菌中SOD活性越高越有利於該菌在有氧條件下的存活。許多研究已證實SOD具有抗腫瘤、抗衰老以及對抗細胞調亡等功能。如果將SOD與益生菌相結合製備發酵奶，會出現功能更強大的保健食品。
用微生物作為載體富集人及動物所必需的微量元素，製備有機形態，成本低廉的微量元素添加劑，在國內外已形成研究熱點。可食用的、對人體有益的微生物吸收轉化無機微量元素是一條極有價值的途徑。國外自20世紀70年代以來相繼研製出硒酵母、鉻酵母等。在美國、法國、芬蘭、德國等國均有硒酵母作為食品添加劑及補充藥物出售。
保加利亞乳桿菌的生物轉化作用將無機態微量元素鉻富集轉化為有機態微量元素鉻，可以集微量元素、乳酸菌、乳酸菌素的功能於一身，對人體的營養和保健功能將大大提高。
何加利亞乳桿菌被廣泛應用在食品發酵領域，通過發酵產生的有機酸、特殊酶系及細菌表面成分等物質在體內發揮許多生理功能。目前，已有乳酸菌發酵產奶味香精的報道，那麼具有優秀的產香特性的保加利亞乳桿菌在這方面將有廣闊的應用前景。
隨著生物技術的進一步發展，保加利亞乳桿菌的性能會被進一步開發，所生產出產品的質量更優、味道更美、功能更全、更符合人們對食品的營養、風味和口感的追求。可見，保加利亞乳桿菌的應用廣泛、市場前景誘人，但同時也面臨極大的桃戰。
但是要說只有保加利亞先民發明了酸奶，“僅此一家，別無他店”，恐怕也不完全正確。因為據史書記載，我國蒙古族早在漢代以前就已掌握了制奶技術，公元641年大唐文成公主進藏時，也有“酸奶”的記載。1958年我第一次到新疆時，在哈薩克牧民家看到，他們就是用羊皮口袋裝酸馬奶。在我國牧區，酸馬奶、酸羊奶、酸牛奶是生活中常見的飲料，牧民喝酸牛奶者少，卻離不開酸馬奶；酸馬奶還是牧民招待貴賓必備之物。干乳酪乃是牧民放牧時攜帶的日常“乾糧”。因此，傳說酸奶和干乳酪是當年成吉思汗蒙古部隊的軍糧之一，是順理成章的事情， 毋庸置疑。可是為什麼保加利亞酸奶名揚四海呢?
保加利亞是巴爾幹半島國家，位於東南歐黑海之濱，國土的1/3為林地，1/5為牧草地，山川秀麗，氣候宜人，居民的壽命長。這引起了科學家的注意。20世紀初，俄國著名的免疫學家伊里亞·梅契尼可夫(1908年獲諾貝爾獎)在研究36個國家的人口數據時發現，保加利亞百歲老人的數目居各國之首。進一步研究保加利亞人的生活與其他因素之後，梅契尼可夫認為保加利亞人長壽的原因在於他們長期、大量地飲用酸奶。上世紀80年代，保加利亞的酸奶人均年消費量為40升，可是到2001年卻下降至22升，在酸奶消費量下降的過程中，百歲老人也顯著減少了(2001年還有187人)。
茫茫宇宙，奧妙無窮；微觀世界，五光十色。看不見的細菌，也竟有與人類“為善”或“為惡”之分。乳酸菌就是一組對人體有益的細菌，廣泛存在於自然界，在人類和牲畜的口腔、腸道、陰道中也都有乳酸菌長駐，保護著機體健康。不同的民族早就創造了自己的發酵食品，如奶製品、食醋、酸菜、泡菜等，但直到1857年，才由法國微生物學家巴斯德弄清楚，引起發酵作用的是乳酸菌。後來，又不斷有人發現了乳球菌、高加索乳桿菌、雙歧桿菌等許多乳酸菌。保加利亞酸奶中的乳酸菌，在分類上屬於乳酸桿菌，因其菌種產地、微生物特性、效能優異等特點，被微生物學家命名為德氏乳桿菌保加利亞亞種(簡稱保加利亞乳桿菌)。
乳酸菌包括乳球菌、片球菌、明串球菌、乳桿菌(其中以保加利亞乳桿菌為代表)和雙歧桿菌。它們有一個共同的本領，就是能發酵糖而獲得能量，產生大量乳酸。乳酸菌的乳酸發酵，是採取同化乳酸發酵(糖類只產生乳酸)和異化乳酸發酵(從糖產生50%以上的乳酸及其他物質)兩種方式進行的。不同的桿菌和球菌，各自掌握著不同的發酵方式，各有各的看家本領。
菌體粗而長，2-20×1μ，兩端稍圓，單個，平行或短鍵排列。用奈氏或美藍染色有異染顆粒出現。根據形態可分A、B兩型。A型為短桿菌，排列成鍵，菌體粗釉不勻，有卵圓形或臀形籍節突出，著色均句；B型為長桿菌，單個存在，似有圓狀物粘附於菌體。
兼性厭氧，在需氧環境下發育不良。適溫為44～45℃，50℃亦能生長，25-35℃生長不良，15℃停止發育。適宜pH為7.0—7.2，在pH3.0--4.5時亦能生長。牛乳有促進生長作用，牛糞漫液則否。
保加利亞人長壽“秘訣”
科學家已經指出，保加利亞人長壽的原因在於他們長時間、大量地喝酸奶。那麼酸奶有什麼奧秘呢?
如今，工業生產最常用的乳酸菌是保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌、乾酪乳桿菌、嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌等。
首先，牛奶(或其他奶)經過發酵，改善了營養成分並提高了利用率。同時，抑制有害的細菌和有毒物質，保護了人體健康。
發酵乳糖
乳酸菌的第一個本事是能發酵乳糖。經過複雜的化學反應過程，先把乳糖分解成葡萄糖和半乳糖，最後把它變成乳酸。中國有許多人腸中的乳糖酶低，難於分解、吸收奶中的乳糖，所以喝牛奶后容易引起腹脹、腹瀉。而經乳酸菌發酵后產生的半乳糖、葡萄糖，不但容易吸收，還是人腦和神經發育所需，尤對嬰兒腦發育有益；所產生的乳酸，能促進胃內容物清空，減少胃酸過多分泌，提高鈣、磷、鐵的利用率，抑制胃腸中的有害細菌。
分解乳蛋白
乳酸菌的第二個本事是分解乳蛋白。牛奶中的遊離氨基酸(組成蛋白質的成分)很少，而乳蛋白的顆粒較大，較難吸收。乳酸菌為了生存，就必須分解蛋白，以得到所需的氨基酸。在乳酸菌的細胞壁上就存在著蛋白酶，能將蛋白質分解成肽，然後把肽吞噬到細胞內，用細胞內膚酶把肽再分解成各種氨基酸。這時乳蛋白就成為細微的凝固乳酪；肽和氨基酸易於消化、吸收，提高了蛋白的利用率。奶中的脂肪由於發酵，脂質被分解，因而脂肪酸增加，可比原奶中的脂肪酸多2倍，在成熟乳酪中一脂肪酸增加6倍。奶中脂肪本來就是易消化的細微脂肪球，還含有不飽和脂肪酸和卵磷脂，均對心血管有益，再加上乳酸菌的作用，其營養價值更佳。牛奶中的微量元素含量在發酵過程中沒有變化，但發酵提高了鈣磷的吸收率。
產生特殊的香氣
乳酸菌的第三個本事是能產生特殊的香氣，使酸奶、干乳酪有一種獨具的風味。據研究，這種特有的風味是由於乳酸菌在發酵過程中產生的二乙醯和乙醛造成的(主要是由乙醛)。在酸奶中，此物質基本上是轉超氧化物歧化酶基因的轉基因保加利亞乳桿菌產生的。
其他益處
其次，酸奶能抑制腸道中的致病菌和腐敗菌的繁殖，飲用酸奶后，糞便中的大腸桿菌、產氣莢膜梭形菌數量減少，產生寡糖，改善通便，縮短糞便在大腸中的時間。乳酸菌發酵產生的乳酸和乙酸，有殺菌作用，而且有些菌種如保加利亞乳桿菌、嗜酸乳桿菌、乳酸乳桿菌還能產生過氧化氫(H2O2)，有抑菌作用；有些菌種如保加利亞乳桿菌等還能產生多種抗菌素，這些抗菌素對沙門氏菌、志賀氏菌、葡萄球菌、需氧芽抱桿菌、梭形菌、假單胞菌等有拮抗作用。因此，酸奶能調整腸道中菌群之間的平衡，抑制有害細菌生長，有預防條件致病菌在人體免疫力低時發生感染的作用，從而對人體起到保護作用。大量服用抗生素的病人飲用酸奶，可以預防或減輕腸道菌群紊亂。
再次，酸奶有降低血中膽固醇的作用。在進食高膽固醇食物但同時大量飲用酸奶的民族中，其血中膽固醇水平並不高。
還有，酸奶具有抗癌作用。主要是由於腸道菌群狀況改善，抑制了致癌物質產生，降低腸中靛基質和酚的含量；活化了免疫功能，抑制癌細胞增殖。另外，自保加利亞科學家博格達諾夫報告酸奶有直接抑制癌細胞的作用后，不斷有人進行研究，在實驗中發現，保加利亞乳桿菌、嗜酸乳桿菌、嗜熱鏈球菌發酵的酸奶對實驗動物體內的癌細胞均有抑制作用。
