Lactic acid bacteria là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa và phân loại Lactic Acid Bacteria (LAB)

Lactic acid bacteria (LAB) là một nhóm vi khuẩn Gram-dương, không sinh bào tử, thường có hình que hoặc hình cầu, có khả năng lên men carbohydrate để tạo ra acid lactic như sản phẩm chủ yếu. Đây là đặc điểm sinh lý nổi bật phân biệt LAB với các nhóm vi khuẩn khác.

LAB tồn tại chủ yếu dưới điều kiện kỵ khí hoặc vi hiếu khí, mặc dù một số chủng có thể chịu được nồng độ oxy nhất định. Hầu hết chúng có khả năng thích nghi mạnh với các môi trường giàu carbohydrate, đặc biệt là trong các sản phẩm thực phẩm lên men như sữa chua, dưa muối, phô mai, và đồ uống truyền thống.

Các chi vi khuẩn chính thường được phân loại vào nhóm LAB gồm:

• Lactobacillus: chi lớn nhất, thường gặp trong sữa chua, sữa lên men, và probiotic.
• Lactococcus: thường dùng trong sản xuất phô mai và bơ.
• Leuconostoc: có vai trò trong quá trình lên men rau quả.
• Pediococcus: góp phần vào quá trình lên men bia và xúc xích khô.
• Streptococcus: một số chủng có lợi trong thực phẩm, số khác có thể gây bệnh.

LAB thường được phân biệt nhờ các đặc điểm sinh hóa như khả năng tạo acid từ glucose, nhuộm Gram, thiếu catalase và hình thái tế bào dưới kính hiển vi. Chúng là thành phần chủ lực trong nhiều hệ vi sinh vật tự nhiên và đóng vai trò thiết yếu trong công nghệ sinh học thực phẩm.

Cơ chế sinh acid lactic

Điểm đặc trưng của LAB là khả năng lên men đường để tạo ra acid lactic như sản phẩm chính. Quá trình này giúp acid hóa môi trường xung quanh, tạo điều kiện bất lợi cho vi khuẩn gây hư hỏng hoặc vi khuẩn gây bệnh phát triển.

Các LAB homofermentative sử dụng con đường Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) để chuyển hóa glucose thành acid lactic. Phản ứng tổng quát như sau:

$C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2CH_3CH(OH)COOH$

Trong khi đó, LAB heterofermentative sử dụng con đường phosphoketolase, sản xuất acid lactic, ethanol hoặc acetic acid và CO₂. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến hương vị và mùi của thực phẩm mà còn tạo ra hiệu ứng bảo quản tự nhiên.

So sánh hai loại quá trình:

Loại LAB	Con đường chuyển hóa	Sản phẩm chính
Homofermentative	EMP (Glycolysis)	2 Acid lactic
Heterofermentative	Phosphoketolase pathway	1 Acid lactic, 1 Ethanol/Acetic acid, CO2

Khả năng tạo acid lactic với hiệu suất cao là lý do chính khiến LAB trở thành vi sinh vật chủ lực trong nhiều quy trình lên men công nghiệp.

Phân biệt homofermentative và heterofermentative LAB

Phân biệt giữa LAB homofermentative và heterofermentative dựa trên sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men. LAB homofermentative chủ yếu tạo ra acid lactic (>85% sản phẩm), trong khi heterofermentative chỉ tạo ra khoảng 50% acid lactic còn lại là ethanol, acetic acid hoặc CO₂.

Điều này dẫn đến sự khác biệt lớn về đặc điểm cảm quan và cấu trúc của thực phẩm lên men. Ví dụ, quá trình tạo khí CO₂ từ LAB heterofermentative sẽ làm sủi bọt bề mặt, phù hợp với sản phẩm như kimchi hoặc dưa cải chua, nhưng có thể không mong muốn trong phô mai mềm.

• LAB homofermentative: dùng chủ yếu trong sản xuất sữa chua, phô mai, lên men bột mì.
• LAB heterofermentative: ứng dụng trong chế biến rau củ lên men và bia thủ công.

Một số chủng có thể chuyển hóa theo cả hai con đường tùy thuộc vào loại đường và điều kiện môi trường, gọi là facultative heterofermentative. Đây là mục tiêu nghiên cứu mới nhằm tối ưu hóa hiệu suất lên men.

Môi trường sống và điều kiện sinh trưởng

LAB phân bố rộng rãi trong tự nhiên, có thể tìm thấy trong thực phẩm, môi trường lên men, sữa sống, rau củ tươi, thậm chí cả trong cơ thể người và động vật. Khả năng thích nghi cao giúp LAB tồn tại trong nhiều điều kiện khắc nghiệt như nồng độ muối cao, pH thấp và áp suất thẩm thấu lớn.

Các điều kiện sinh trưởng phổ biến của LAB gồm:

• Nhiệt độ tối ưu: 30–40°C
• pH tối ưu: 5.5–6.5
• Độ ẩm và môi trường có đường dễ hấp thu (glucose, lactose, fructose)
• Kỵ khí hoặc vi hiếu khí (cần CO₂ nhẹ để tăng sinh trưởng)

Trong môi trường đường ruột, LAB đóng vai trò như vi sinh vật cộng sinh, cạnh tranh chỗ bám với vi khuẩn gây hại, đồng thời tham gia vào quá trình tiêu hóa carbohydrate không hấp thu được. Ngoài ra, LAB cũng phổ biến trong các quy trình lên men truyền thống, như:

Sản phẩm	Môi trường LAB	Loại LAB chính
Sữa chua	Sữa lên men	Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, Streptococcus thermophilus
Kimchi	Rau muối	Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum
Dưa cải	Rau lên men	Lactobacillus brevis, Pediococcus pentosaceus

Khả năng phát triển trong nhiều loại môi trường khiến LAB trở thành vi sinh vật đa năng trong ứng dụng thực phẩm và sinh học.

Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Lactic acid bacteria (LAB) có vai trò trung tâm trong công nghiệp thực phẩm nhờ khả năng tạo acid lactic, enzyme và các hợp chất kháng khuẩn tự nhiên. Chúng không chỉ góp phần vào việc bảo quản và ổn định thực phẩm mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hương vị, cấu trúc và giá trị dinh dưỡng.

Trong thực phẩm lên men, LAB thực hiện ba chức năng chính:

• Acid hóa sản phẩm → làm chậm hoặc ức chế vi khuẩn hư hỏng
• Phát triển hương vị nhờ các acid hữu cơ, diacetyl, acetaldehyde
• Cải thiện giá trị dinh dưỡng (tiêu hóa protein, tổng hợp vitamin B)

Ứng dụng điển hình của LAB trong thực phẩm bao gồm:

Loại sản phẩm	LAB chính	Vai trò
Sữa chua, kefir	Lactobacillus delbrueckii, Streptococcus thermophilus	Lên men lactose, tạo acid lactic và texture
Phô mai	Lactococcus lactis, Pediococcus spp.	Acid hóa sữa, hỗ trợ tạo đông tụ casein
Xúc xích khô	Latilactobacillus sakei	Ổn định vi sinh, tạo hương vị đặc trưng
Dưa muối, kimchi	Leuconostoc, Lactiplantibacillus plantarum	Ổn định pH, tạo CO2 và acid

Quá trình lên men nhờ LAB còn giúp kéo dài thời gian bảo quản, đặc biệt ở những vùng khí hậu nóng ẩm, nơi thực phẩm dễ bị hư hỏng nếu không có tủ lạnh.

LAB và lợi khuẩn đường ruột

Nhiều chủng LAB được xếp vào nhóm probiotic, tức là vi sinh vật sống có lợi cho sức khỏe con người khi tiêu thụ đủ liều lượng. Những chủng này giúp điều hòa hệ vi sinh đường ruột, cạnh tranh với vi khuẩn gây hại và tăng cường miễn dịch.

Các cơ chế tác động của probiotic LAB bao gồm:

• Tiết ra bacteriocin ức chế vi khuẩn gây bệnh
• Thúc đẩy tiết chất nhầy đường ruột
• Gắn vào thụ thể niêm mạc ruột, ngăn vi khuẩn lạ bám dính
• Kích thích hệ miễn dịch bẩm sinh và thích nghi

Các chủng phổ biến nhất được nghiên cứu gồm:

• Lactobacillus rhamnosus GG: có bằng chứng lâm sàng trong điều trị tiêu chảy và hỗ trợ miễn dịch
• Lactobacillus acidophilus: giúp cân bằng hệ vi sinh sau khi dùng kháng sinh
• Lacticaseibacillus casei: hỗ trợ tiêu hóa, giảm viêm đại tràng

Hiệu quả của probiotic phụ thuộc vào liều lượng, dạng bào chế và khả năng sống sót qua dạ dày. Các sản phẩm như sữa chua uống, viên nang probiotic, và thực phẩm bổ sung đã được thương mại hóa rộng rãi trên toàn cầu.

Xem thêm tại: Healthline: What Are Probiotics?

LAB trong y học và dược phẩm

Ngoài thực phẩm, LAB đang trở thành đối tượng nghiên cứu trong lĩnh vực dược phẩm và y học cá thể hóa. Một số chủng có khả năng kích hoạt miễn dịch, điều biến đáp ứng viêm, và thậm chí làm giảm tác dụng phụ của hóa trị liệu.

Các ứng dụng tiềm năng bao gồm:

• Hỗ trợ điều trị hội chứng ruột kích thích (IBS)
• Giảm nguy cơ tiêu chảy liên quan đến kháng sinh (AAD)
• Hỗ trợ điều trị viêm đại tràng, bệnh Crohn, viêm ruột mãn tính
• Có tiềm năng dùng trong vaccine thế hệ mới như vector vận chuyển

Một số nghiên cứu chỉ ra rằng LAB có thể tăng cường hàng rào biểu mô ruột và giảm tính thấm ruột, từ đó cải thiện các bệnh lý viêm mạn tính.

Tham khảo nghiên cứu chuyên sâu tại: Frontiers in Microbiology: Probiotic Mechanisms of LAB

LAB và an toàn sinh học

Phần lớn LAB được xếp vào nhóm vi khuẩn an toàn (GRAS – Generally Recognized As Safe) bởi FDA (Hoa Kỳ) và EFSA (châu Âu). Tuy nhiên, vẫn có một số chủng có thể gây hại trong điều kiện đặc biệt, đặc biệt ở người suy giảm miễn dịch.

Các rủi ro tiềm ẩn bao gồm:

• Nhiễm trùng huyết do LAB không kiểm soát
• Kháng kháng sinh và gen kháng có thể chuyển ngang
• Ức chế hệ vi sinh tự nhiên nếu sử dụng không hợp lý

Một số chủng Enterococcus faecalis hoặc Lactobacillus casei đã được báo cáo liên quan đến nhiễm trùng máu trong bệnh viện. Do đó, quy trình lựa chọn chủng LAB trong dược phẩm hoặc thực phẩm cần đánh giá nghiêm ngặt về gen độc lực, khả năng kháng kháng sinh và tính ổn định sinh học.

Các công nghệ hiện đại trong nghiên cứu LAB

Với sự phát triển của công nghệ sinh học, nghiên cứu LAB đã chuyển sang cấp độ hệ gen và hệ sinh thái. Các công nghệ mới đang hỗ trợ việc khám phá và ứng dụng LAB một cách chính xác và nhanh chóng.

Các công nghệ đang được áp dụng rộng rãi gồm:

1. Whole genome sequencing: xác định trình tự gen đầy đủ để hiểu rõ chức năng và tiềm năng probiotic
2. Metagenomics: nghiên cứu LAB trong hệ vi sinh phức tạp như ruột người, đất, thực phẩm lên men
3. Proteomics: phân tích protein do LAB tiết ra → liên quan đến tính kháng khuẩn hoặc khả năng sống sót
4. CRISPR-Cas: chỉnh sửa gen giúp cải thiện tính năng LAB

Việc tích hợp dữ liệu từ nhiều tầng sinh học (multi-omics) giúp mở rộng hiểu biết về mối quan hệ giữa LAB và sức khỏe con người, cũng như tăng cường ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và y sinh.

Xem thêm: ScienceDirect: Genomic insights into LAB

Tài liệu tham khảo

• Food and Agriculture Organization (FAO) & World Health Organization (WHO). (2002). Guidelines for the Evaluation of Probiotics in Food.
• Hammes, W. P., & Hertel, C. (2009). The genera Lactobacillus and Carnobacterium. In Ecology of Lactic Acid Bacteria.
• NCBI: LAB in Fermented Foods
• Frontiers in Microbiology: LAB as Probiotics
• ScienceDirect: Genomic insights into LAB
• Healthline: Probiotics Explained