乳品工業(yè)作為全球食品產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，以其豐富的營養(yǎng)價值、廣泛的消費群體和深遠的社會經(jīng)濟影響而備受矚目。然而，隨著消費者對乳制品品質(zhì)、口感和安全性的要求不斷提升，以及生產(chǎn)工藝向規(guī)模化、自動化、精細化方向發(fā)展，乳品發(fā)酵過程中的微生物安全問題日益凸顯，尤其是噬菌體污染對乳品發(fā)酵穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成了嚴重威脅。噬菌體，是一種專門寄生于細菌、真菌等微生物的病毒，其廣泛分布、快速增殖以及高變異性等特點，使得其對乳品發(fā)酵過程的影響尤為顯著。因此，有效應(yīng)對噬菌體污染問題，確保乳品發(fā)酵過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量，成為乳品工業(yè)亟待解決的關(guān)鍵課題。
噬菌體，可寄生于乳酸菌，其污染對乳品工業(yè)構(gòu)成重大威脅。其危害表現(xiàn)在以下幾個方面。①造成發(fā)酵失敗與產(chǎn)量下降。噬菌體攻擊乳酸菌，導(dǎo)致菌體大量死亡，發(fā)酵效率降低，最終可能引發(fā)發(fā)酵失敗，嚴重影響產(chǎn)量和生產(chǎn)周期。②造成產(chǎn)品質(zhì)量波動。受噬菌體侵染的乳酸菌代謝異常，可能改變?nèi)橹破返娘L(fēng)味、質(zhì)地，降低其營養(yǎng)價值，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。③引發(fā)經(jīng)濟損失與市場信譽受損。頻繁的發(fā)酵中斷和產(chǎn)品質(zhì)量問題導(dǎo)致額外的成本支出增多，且可能損害企業(yè)品牌形象，降低消費者信任度。
抗性乳酸菌菌株通過篩選、誘變和基因工程培育而成，這些菌株能抵抗特定噬菌體攻擊。篩選程序始于自然界樣品收集，通過實驗室條件下模擬噬菌體侵襲，挑選出在強噬菌體壓力下仍保持正常生長和發(fā)酵活性的菌株。誘變技術(shù)借助物理輻射、化學(xué)試劑或生物因子引發(fā)基因隨機突變，繼而甄別出具有抗噬菌體屬性的變異菌株。基因工程則基于理性設(shè)計，將已知抗噬菌體基因整合到乳酸菌基因組中，從而系統(tǒng)性構(gòu)建抗性機制。
抗噬菌體機制包括如下幾個方面：①限制-修飾系統(tǒng)，其中限制酶切割噬菌體DNA，而修飾酶保護自身DNA不受損害；②CRISPR-Cas系統(tǒng)，它記錄并針對先前接觸過的噬菌體序列進行精準反擊；③通過改變細胞表面結(jié)構(gòu)阻止噬菌體吸附和/或內(nèi)化噬菌體并降解其DNA。這些機制有助于乳酸菌抵抗噬菌體侵染，確保發(fā)酵穩(wěn)定，避免經(jīng)濟損失。抗性菌株在工業(yè)發(fā)酵中扮演關(guān)鍵角色。
噬菌體抑制劑是一種能有效阻斷噬菌體感染乳酸菌的化合物，通過非改變宿主菌本身的方式，專門針對噬菌體生活周期的不同階段起作用。部分抑制劑通過競爭結(jié)合乳酸菌細胞表面噬菌體受體或調(diào)節(jié)細胞表面特性，阻止噬菌體吸附。另一些抑制劑作用于核酸層面，干擾噬菌體DNA/RNA復(fù)制，影響子代噬菌體繁殖。還有些則針對蛋白質(zhì)合成過程，影響病毒粒子裝配與功能完整性。通過精準調(diào)控抑制劑的應(yīng)用條件，可在不改變?nèi)樗峋鷮傩缘那疤嵯拢行б种剖删w活動，確保發(fā)酵過程免受噬菌體侵害。
噬菌體防御系統(tǒng)，如CRISPR-Cas系統(tǒng)，是一種由細菌和古菌進化出的天然免疫機制，近年來已被成功應(yīng)用于乳酸菌中，賦予其主動防御噬菌體的能力。CRISPR-Cas系統(tǒng)的核心組成部分包括CRISPR陣列(含有與入侵噬菌體DNA序列相匹配的間隔序列)和Cas蛋白(負責(zé)識別、切割相應(yīng)DNA)。通過遺傳工程手段將具有針對性的CRISPR-Cas系統(tǒng)導(dǎo)入乳酸菌，該系統(tǒng)能夠“記住”之前遭遇過的噬菌體序列，并在再次遭遇同源噬菌體時，迅速激活Cas蛋白復(fù)合體，精準切割噬菌體DNA，阻止其進一步復(fù)制和感染。應(yīng)用CRISPR-Cas系統(tǒng)改造的乳酸菌作為發(fā)酵劑，具有高度特異性和持久性，能夠有效抵御已知和未知噬菌體的侵襲，顯著降低發(fā)酵過程中因噬菌體污染導(dǎo)致的產(chǎn)量損失并減緩產(chǎn)品質(zhì)量波動。然而，該技術(shù)的應(yīng)用也需要考慮潛在的非特異性剪切風(fēng)險、噬菌體逃避機制以及法規(guī)監(jiān)管等因素。
益生元是一類不易被人體消化但能促進有益腸道菌生長的物質(zhì)，如低聚糖、多糖等，加入乳品發(fā)酵中能優(yōu)化乳酸菌生長環(huán)境，具有提供能量、調(diào)整pH值等功能，有助于減輕噬菌體威脅。部分益生菌如雙歧桿菌、乳酸菌自帶抗噬菌體能力，通過分泌抗菌物質(zhì)、競爭黏附抑制噬菌體侵襲。益生菌與乳酸菌發(fā)酵劑結(jié)合使用，形成多級防護體系，聯(lián)手對抗噬菌體。此外，兩者共生互動可調(diào)整腸道菌群平衡，抑制噬菌體載體菌過度增長，降低噬菌體總體數(shù)量。
①在乳品發(fā)酵中應(yīng)對噬菌體挑戰(zhàn)，要合理選用抗性菌株，這可通過自然篩選或基因工程技術(shù)獲取。自然抗性菌株源于自然進化過程，基因工程菌株則通過外源基因引入或基因組編輯獲得抗噬菌體特性，選用時應(yīng)該嚴謹測試其抗性穩(wěn)定性和效能。②混合不同抗性機制的菌株進行共發(fā)酵，利用噬菌體的特異性感染，降低單一菌株受噬菌體侵害的風(fēng)險，同時也可提升產(chǎn)品風(fēng)味和質(zhì)地。③在發(fā)酵前對發(fā)酵劑進行預(yù)處理，如添加生長因子或誘導(dǎo)劑，可激活菌株抗噬菌體能力，增強其代謝活性和競爭力，確保預(yù)處理方案與菌株特性和發(fā)酵條件相匹配，以最優(yōu)方式提高發(fā)酵過程的穩(wěn)定性。
為了防止噬菌體的污染和傳播，乳品發(fā)酵過程中必須實施嚴格的衛(wèi)生管理。這包括定期對發(fā)酵設(shè)備進行清潔和維護，使用有效的清潔劑和消毒劑來消除噬菌體和其他有害微生物。此外，生產(chǎn)環(huán)境的清潔同樣重要，以防止噬菌體通過空氣或接觸傳播到發(fā)酵劑中。良好的衛(wèi)生管理不僅能夠減少噬菌體的存在，還能保證產(chǎn)品的安全和品質(zhì)。
發(fā)酵劑中乳酸菌的活性和純度對發(fā)酵質(zhì)量影響極大。因此，定期檢測發(fā)酵劑的品質(zhì)是必不可少的，包括檢測乳酸菌的存活率、生長速率和是否含有噬菌體敏感菌株。加強檢測，可以確保發(fā)酵劑在投入使用前處于最佳狀態(tài)，從而降低噬菌體感染的風(fēng)險。
建立一套快速檢測噬菌體的方法對于及時響應(yīng)噬菌體感染至關(guān)重要。一旦檢測到噬菌體，應(yīng)立即采取措施，如更換發(fā)酵劑、調(diào)整生產(chǎn)工藝或采取其他應(yīng)急措施。這種快速響應(yīng)可以防止噬菌體的進一步傳播，減少對發(fā)酵過程的影響。快速檢測方法的開發(fā)和應(yīng)用，如聚合酶鏈式反應(yīng)(Polymerase Chain Reaction，PCR)或酶聯(lián)免疫吸附試驗(Enzyme Linked Immunosorbent Assay，ELISA)，可以實現(xiàn)對噬菌體的早期發(fā)現(xiàn)和精確識別，從而迅速采取控制措施，保障發(fā)酵過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的質(zhì)量安全。
在發(fā)酵過程中添加噬菌體抑制劑是一種有效的控制策略。這些抑制劑可以是天然的或合成的，它們能夠阻止噬菌體與宿主細胞結(jié)合或侵入細胞。使用抑制劑，可以在不干擾乳酸菌發(fā)酵的情況下，有效地降低噬菌體的活性。例如，某些多酚類化合物、表面活性劑或特殊的蛋白質(zhì)可以干擾噬菌體的吸附和侵入過程，從而保護乳酸菌免受噬菌體的侵害。選擇合適的抑制劑需要考慮其對發(fā)酵過程的影響，以及對人類健康的潛在威脅。
調(diào)整發(fā)酵參數(shù)，如溫度、pH值、氧氣供應(yīng)等，可以創(chuàng)造一個不利于噬菌體生存的環(huán)境，同時提高乳酸菌的抗性。例如，降低pH值可以抑制噬菌體的活性，因為大多數(shù)噬菌體對酸性環(huán)境敏感。適當?shù)臏囟群脱鯕夤?yīng)可以促進乳酸菌的生長和發(fā)酵，同時抑制噬菌體繁殖。此外，控制發(fā)酵過程中的攪拌速度和發(fā)酵時間也能夠影響噬菌體的活性。優(yōu)化這些參數(shù)，可以在保證發(fā)酵效果的同時，最大限度地降低噬菌體對發(fā)酵過程的影響。
為了避免噬菌體對特定菌株產(chǎn)生適應(yīng)性，定期輪換使用不同的抗噬菌體菌株是非常重要的。這種方法可以防止噬菌體針對單一菌株發(fā)展出抗性，保持發(fā)酵過程的穩(wěn)定性和有效性。輪換菌株時，應(yīng)考慮菌株的抗噬菌體特性以及其對產(chǎn)品風(fēng)味和品質(zhì)的影響。
采取上述控制策略，可以有效地減少噬菌體對乳品發(fā)酵過程的影響，保證發(fā)酵劑的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。
在乳品發(fā)酵過程中，噬菌體感染是一個嚴重的挑戰(zhàn)，易導(dǎo)致發(fā)酵失敗與乳品品質(zhì)降低。選用抗性菌株、混合發(fā)酵、預(yù)處理發(fā)酵劑，輔以嚴苛衛(wèi)生管控、質(zhì)量監(jiān)控、快速檢測及響應(yīng)機制、噬菌體抑制劑使用、條件優(yōu)化和定期更新發(fā)酵劑，可以有效降低噬菌體對發(fā)酵的影響，保障發(fā)酵劑穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。然而，鑒于噬菌體不斷演化，應(yīng)持續(xù)研發(fā)和完善抗噬菌體策略。未來研究應(yīng)尋求更高效持久的解決方案，以確保乳品發(fā)酵過程的安全性與高效性。
