Lactobacillus fermentum là gì? Các bài nghiên cứu khoa học

Định nghĩa và phân loại học

Lactobacillus fermentum là một loài vi khuẩn thuộc chi Lactobacillus, họ Lactobacillaceae, lớp Bacilli, bộ Lactobacillales. Đây là vi khuẩn Gram dương, hiếu khí tùy tiện (facultative anaerobe), không sinh bào tử, có hình que ngắn, kích thước khoảng 0.5–0.8 μm x 2–10 μm. Vi khuẩn thường xuất hiện đơn lẻ, theo cặp hoặc chuỗi ngắn, có khả năng di động thấp hoặc không di động.

L. fermentum được phát hiện lần đầu tiên trong các sản phẩm sữa lên men truyền thống. Hiện nay, nó đã được phân lập từ nhiều nguồn sinh học và môi trường khác nhau như: dạ dày-ruột người, sữa mẹ, thức ăn lên men (kimchi, kefir, bột chua), nước bọt và vùng âm đạo. Vi khuẩn này được công nhận là một phần quan trọng của hệ vi sinh vật bản địa đường tiêu hóa người, đóng vai trò trong chuyển hóa và bảo vệ niêm mạc ruột.

Trong hệ thống phân loại sinh học hiện đại dựa trên phân tích trình tự 16S rRNA và hệ gen toàn phần, L. fermentum được tái phân nhóm sang chi Limosilactobacillus, với tên đầy đủ mới là Limosilactobacillus fermentum theo đề xuất của Zheng et al. (2020). Tuy nhiên, tên gọi Lactobacillus fermentum vẫn được sử dụng phổ biến trong nhiều tài liệu y học và công nghệ sinh học hiện hành.

Đặc điểm sinh học và di truyền

L. fermentum là vi khuẩn dị lên men (obligately heterofermentative), sử dụng con đường phosphoketolase để chuyển hóa hexose thành acid lactic, ethanol hoặc acid acetic và CO₂. Nó có khả năng phát triển tốt trong môi trường pH 4.5–6.5, chịu được nồng độ muối mật cao và môi trường acid khắc nghiệt, đặc biệt phù hợp để tồn tại trong đường tiêu hóa.

Khả năng sống sót cao của L. fermentum trong môi trường đường ruột một phần đến từ hệ thống chống stress oxy hóa nội sinh. Một số chủng mang các gen mã hóa cho superoxide dismutase (SOD), thioredoxin reductase, glutathione peroxidase và các chaperone như GroEL giúp tăng cường sức bền trong điều kiện oxy hóa và nhiệt độ biến động.

Hệ gen của L. fermentum dao động trong khoảng 2.1–2.4 Mbp với tỷ lệ GC khoảng 51%. Bộ gen gồm các cluster mã hóa cho:

• Protein kết dính bề mặt (surface adhesion proteins)
• Kháng stress môi trường (acid, nhiệt, muối mật)
• Sản xuất exopolysaccharide (EPS) – giúp bảo vệ tế bào và bám dính
• Bacteriocin – peptide kháng khuẩn

Một số chủng còn chứa plasmid mã hóa cho khả năng chuyển hóa carbohydrate phức tạp, khả năng đề kháng kháng sinh (như tetW, ermB), làm dấy lên nhu cầu đánh giá an toàn trước khi sử dụng trong probiotic thương mại.

Khả năng sinh acid và lên men

Khác với các loài đồng lên men (homofermentative), L. fermentum thuộc nhóm dị lên men, sử dụng con đường pentose phosphate để lên men đường. Trong quá trình này, glucose được chuyển thành hỗn hợp sản phẩm bao gồm acid lactic, ethanol (hoặc acid acetic) và CO₂. Phản ứng tổng quát:

$C_6H_{12}O_6 \rightarrow CH_3CHOHCOOH + C_2H_5OH + CO_2$

Điều kiện nuôi cấy ảnh hưởng rõ rệt đến tỷ lệ các sản phẩm tạo ra. Trong môi trường kỵ khí giàu glucose, sản phẩm chính là acid lactic và ethanol. Trong khi đó, nếu có mặt oxygen và nguồn điện tử khác, vi khuẩn có xu hướng sản xuất thêm acid acetic. Khả năng tạo acid nhanh chóng giúp ức chế vi sinh vật gây thối hoặc gây bệnh trong thực phẩm lên men.

Bảng sau minh họa đặc tính lên men của L. fermentum so với một số loài Lactobacillus khác:

Loài	Kiểu lên men	Sản phẩm chính	CO₂
L. fermentum	Dị lên men	Acid lactic, ethanol, CO₂	Có
L. acidophilus	Đồng lên men	Acid lactic	Không
L. reuteri	Dị lên men	Acid lactic, reuterin	Có

Khả năng duy trì pH thấp nhờ quá trình lên men mạnh giúp L. fermentum trở thành vi sinh vật có giá trị cao trong công nghiệp thực phẩm và y sinh học.

Khả năng kháng khuẩn và sản xuất bacteriocin

L. fermentum có thể tiết ra các peptide kháng khuẩn (bacteriocin), hydrogen peroxide (H₂O₂) và acid acetic – những chất có tác dụng ức chế sự phát triển của vi sinh vật gây bệnh như Staphylococcus aureus, Salmonella enterica, Escherichia coli, Clostridium difficile và nấm Candida albicans.

Bacteriocin của L. fermentum thường thuộc nhóm lantibiotics hoặc pediocin-like class II. Chúng hoạt động bằng cách tạo kênh ion trên màng tế bào vi khuẩn đích, gây mất cân bằng ion nội bào, giảm pH nội bào và gây chết tế bào. Một số bacteriocin cũng có tác dụng ổn định bề mặt thực phẩm, làm tăng thời hạn sử dụng tự nhiên.

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh bacteriocin bao gồm:

• Chủng vi khuẩn (strain-specific)
• Điều kiện nuôi cấy (pH, nhiệt độ, nguồn C)
• Môi trường tương tác với vi khuẩn khác

Nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc tối ưu hóa sản xuất bacteriocin từ L. fermentum bằng công nghệ lên men quy mô lớn để ứng dụng như chất bảo quản sinh học thay thế chất hóa học trong công nghiệp thực phẩm.

Vai trò probiotic và lợi ích sức khỏe

Lactobacillus fermentum là một trong những loài vi khuẩn lactic được nghiên cứu nhiều nhất về đặc tính probiotic. Để được công nhận là một probiotic hiệu quả, vi khuẩn phải đáp ứng các tiêu chí nghiêm ngặt như khả năng sống sót qua môi trường acid và muối mật, bám dính vào biểu mô ruột, sản sinh chất kháng khuẩn, và điều hòa miễn dịch mà không gây độc hoặc mang gen đề kháng nguy hiểm.

Nhiều chủng L. fermentum đã chứng minh khả năng sống sót trong dịch dạ dày giả lập ở pH 2–3 và muối mật 0.3–0.5%. Một số chủng như ME-3, CECT5716, PCC và AGR1487 có khả năng bám dính tốt lên tế bào Caco-2 và HT-29 trong các mô hình in vitro. Sự bám dính này được hỗ trợ bởi exopolysaccharide, protein bề mặt và yếu tố tương tác tế bào biểu mô.

Các lợi ích sức khỏe tiềm năng của L. fermentum bao gồm:

• Giảm cholesterol máu thông qua enzym BSH (bile salt hydrolase)
• Giảm viêm ruột, tăng cường hàng rào niêm mạc
• Chống oxy hóa, giảm stress oxy hóa hệ thống
• Ức chế vi khuẩn gây bệnh tiêu hóa và tiết niệu

Đặc biệt, L. fermentum ME-3 có khả năng tăng hoạt động của glutathione reductase, góp phần giảm chỉ số peroxid hóa lipid trong huyết tương và bảo vệ tế bào khỏi tổn thương do gốc tự do.

Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

L. fermentum được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chế biến thực phẩm lên men, đặc biệt là các sản phẩm từ sữa, rau củ, ngũ cốc, và nước giải khát probiotic. Chúng góp phần vào quá trình acid hóa, tạo hương vị và kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm.

Trong sản phẩm bột chua, bánh mì sourdough, L. fermentum tạo mùi thơm đặc trưng thông qua tổng hợp este và acid hữu cơ như acid lactic, acid acetic. Khả năng tạo exopolysaccharide còn giúp cải thiện độ nhớt, giữ nước và độ ổn định của các sản phẩm sữa uống lên men hoặc gel từ đậu nành.

Một số ứng dụng cụ thể của L. fermentum trong công nghiệp thực phẩm bao gồm:

Loại sản phẩm	Vai trò của L. fermentum	Lợi ích công nghệ
Sữa chua, kefir	Hỗ trợ lên men, tạo acid, ổn định cấu trúc	Giảm pH, cải thiện vị chua dịu
Kimchi, rau muối	Ức chế vi khuẩn thối, tạo hương thơm	Kéo dài thời hạn sử dụng
Bánh mì chua	Lên men bột, tạo CO₂	Tăng độ nở, hương vị đặc trưng

Các nhà sản xuất đang ngày càng quan tâm đến L. fermentum như một chủng probiotic tiềm năng để thay thế chất bảo quản hóa học trong thực phẩm chức năng và sản phẩm lên men không sữa.

Tiềm năng điều hòa miễn dịch và chống viêm

Ngoài tác động lên hệ tiêu hóa, L. fermentum còn có khả năng điều hòa hệ miễn dịch niêm mạc ruột và hệ miễn dịch toàn thân. Một số nghiên cứu trên chuột và người cho thấy L. fermentum CECT5716 làm giảm biểu hiện các cytokine tiền viêm như TNF-α, IL-6 và tăng sản xuất IL-10 – một chất điều hòa miễn dịch có tác dụng ức chế viêm mạn tính.

Vi khuẩn này có thể cải thiện cấu trúc hàng rào biểu mô ruột bằng cách tăng biểu hiện các protein kết nối chặt (tight junctions) như occludin và claudin. Điều này làm giảm hiện tượng “rò rỉ ruột” (leaky gut) – yếu tố liên quan đến nhiều bệnh mãn tính như tiểu đường type 2, viêm đại tràng, và bệnh tự miễn.

Tiềm năng điều hòa miễn dịch đã được nghiên cứu trong các bối cảnh:

• Dị ứng thực phẩm và chàm da ở trẻ em
• Viêm ruột mạn tính (IBD)
• Rối loạn miễn dịch do stress hoặc nhiễm trùng

Đặc tính an toàn và khả năng kháng kháng sinh

L. fermentum được EFSA công nhận là vi sinh vật an toàn (QPS – Qualified Presumption of Safety) và thường nằm trong danh sách GRAS (Generally Recognized As Safe) tại Hoa Kỳ. Tuy nhiên, tính an toàn không đồng nhất giữa các chủng, do đó cần đánh giá từng chủng riêng biệt trước khi ứng dụng trong sản phẩm probiotic thương mại.

Một số chủng L. fermentum mang gen đề kháng kháng sinh như erm(B), tet(W), lnu(A), đặc biệt khi nằm trên plasmid, có khả năng chuyển gen qua tiếp hợp. Điều này gây lo ngại về khả năng truyền gen kháng sang vi khuẩn gây bệnh đường ruột trong quần thể người.

Trước khi ứng dụng, các chủng cần được kiểm tra:

1. Khả năng gây ly giải hồng cầu hoặc độc tố
2. Khả năng bám dính không mong muốn lên nội mô
3. Tính kháng kháng sinh có thể truyền ngang

Các bộ lọc an toàn này giúp đảm bảo rằng probiotic thương mại không gây tác dụng phụ, đặc biệt trong nhóm người suy giảm miễn dịch.

Phân tích hệ gen và tiềm năng nghiên cứu

Các dự án giải trình tự hệ gen của L. fermentum đã tiết lộ các cluster gen mã hóa cho exopolysaccharide, protein chịu nhiệt, enzyme lên men và bacteriocin. Các công cụ phân tích hệ gen như KEGG, COG, RAST và BLAST được sử dụng để lập bản đồ chức năng và so sánh chủng.

Thông qua công nghệ CRISPR-Cas và chỉnh sửa gen, các nhà khoa học đang nghiên cứu tạo ra các chủng probiotic “thiết kế” mang đặc tính nâng cao như tăng cường khả năng chống viêm, tạo kháng thể IgA, hoặc sản xuất enzyme tiêu hóa.

Những định hướng nghiên cứu nổi bật:

• Tạo chủng L. fermentum tái tổ hợp có thể sản xuất vitamin B12
• Ứng dụng trong dược phẩm vi khuẩn (pharmacobiotics)
• Tích hợp hệ gen trong probiotic đa chủng

Tài liệu tham khảo

1. Arboleya, S., et al. (2016). Lactobacillus fermentum CECT5716 modulates immune responses. Clinical Nutrition, 35(3), 701–709.
2. Kullisaar, T., et al. (2002). Antioxidative probiotic Lactobacillus fermentum ME-3. Int. J. Food Microbiol., 72(3), 215–224.
3. Song, Y., et al. (2015). Comparative genome analysis of Lactobacillus fermentum. BMC Genomics, 16, 558.
4. Zheng, J., et al. (2020). A taxonomic note on the genus Lactobacillus. Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 70(4), 2782–2858.
5. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/1172 – NCBI Genome Database: Lactobacillus fermentum
6. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1756464618301462 – Functional probiotic properties of Lactobacillus fermentum ME-3
7. EFSA Panel on Biological Hazards. (2012). Scientific opinion on the safety of Lactobacillus fermentum. EFSA Journal, 10(5), 2704.