Vi khuẩn axit lactic là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa vi khuẩn axit lactic

Vi khuẩn axit lactic (Lactic Acid Bacteria – LAB) là nhóm vi sinh vật Gram dương, không sinh bào tử, hiếu kỵ khí tùy nghi, có khả năng chuyển hóa carbohydrate thành axit lactic như là sản phẩm chính trong quá trình lên men. Đây là nhóm vi khuẩn chủ yếu trong nhiều quá trình sinh học tự nhiên và công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất thực phẩm lên men truyền thống và hiện đại.

LAB thường không có khả năng di động, không tạo catalase và có khả năng sống trong môi trường giàu acid. Chúng có thể phát triển tốt ở pH thấp (khoảng 4.0–5.0), đồng thời ức chế các vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm hoặc gây bệnh bằng cách làm giảm pH và tạo ra các chất kháng khuẩn như hydrogen peroxide hoặc bacteriocin.

Các đặc điểm sinh lý và sinh hóa này khiến LAB trở thành nhóm vi sinh vật không chỉ an toàn mà còn có lợi trong thực phẩm, y học, và công nghiệp sinh học. Sự hiện diện của LAB còn đóng vai trò cân bằng hệ vi sinh đường ruột, hỗ trợ tiêu hóa và bảo vệ sức khỏe vật chủ.

Phân loại và đặc điểm hình thái

LAB không phải là một nhóm phân loại chính thức trong hệ thống phân loại vi sinh vật, mà là một nhóm chức năng sinh lý gồm nhiều chi khác nhau có chung đặc điểm sản xuất axit lactic từ đường. Các chi phổ biến bao gồm:

• Lactobacillus (nay phân tách thành nhiều chi nhỏ như Lacticaseibacillus, Levilactobacillus)
• Lactococcus
• Leuconostoc
• Pediococcus
• Streptococcus (chỉ một số chủng, ví dụ S. thermophilus)

Dưới kính hiển vi, LAB có hình dạng đa dạng: hình cầu (cocci), hình que (bacilli), đơn lẻ, thành cặp hoặc chuỗi. Chúng không sinh bào tử và không di động. Thành tế bào của LAB giàu peptidoglycan, khiến chúng nhuộm Gram dương đặc trưng. Một số loài có khả năng lên men đồng thể (sản sinh chỉ axit lactic), trong khi các loài khác là dị thể (sản sinh thêm CO₂, etanol hoặc acid khác).

Sự khác biệt về cơ chế lên men và cấu trúc enzyme được sử dụng để phân biệt các nhóm LAB. Ví dụ, Lactococcus lactis là vi khuẩn lên men đồng thể, còn Leuconostoc mesenteroides là vi khuẩn dị thể. Bảng sau tổng hợp đặc điểm phân loại cơ bản:

Cơ chế lên men và sản phẩm chuyển hóa

Vi khuẩn axit lactic tạo năng lượng chủ yếu thông qua quá trình lên men carbohydrate, không sử dụng hệ thống hô hấp với cytochrome và oxy. Hai con đường lên men chính là:

• Đồng lên men (homofermentative): chuyển hóa glucose thành 2 phân tử axit lactic theo con đường EMP (Embden–Meyerhof–Parnas)
• Dị lên men (heterofermentative): sử dụng con đường phosphoketolase, tạo axit lactic, CO₂ và etanol hoặc axit acetic

Phản ứng lên men đồng thể: $\text{Glucose} \rightarrow 2 \, \text{Lactic acid} + 2 \, \text{ATP}$ Phản ứng dị thể: $\text{Glucose} \rightarrow \text{Lactic acid} + \text{Ethanol} + \text{CO}_2 + 1 \, \text{ATP}$

Sản phẩm của quá trình lên men không chỉ bao gồm axit lactic mà còn có thể bao gồm:

• Acid acetic, etanol
• Hydrogen peroxide (H₂O₂)
• Bacteriocin – peptide kháng khuẩn

Các sản phẩm này làm giảm pH, tạo mùi vị đặc trưng và ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn gây hư hỏng hoặc gây bệnh.

Phân bố tự nhiên và sinh thái học

LAB phân bố rộng rãi trong tự nhiên và có mặt ở nhiều môi trường sinh học khác nhau. Chúng được tìm thấy trong:

• Các thực phẩm lên men (sữa, rau củ, thịt, đồ uống truyền thống)
• Đường ruột người và động vật
• Da, miệng và hệ sinh dục nữ
• Thực vật, hạt giống và đất

Trong hệ vi sinh vật đường ruột, LAB là thành phần chính của hệ vi sinh chí có lợi (microbiota), giúp duy trì pH đường ruột ổn định, ức chế vi khuẩn có hại và hỗ trợ tiêu hóa chất xơ. Trong môi trường thực phẩm, chúng sinh sôi mạnh khi có nguồn carbohydrate dễ lên men, đặc biệt trong điều kiện hiếu kỵ khí tùy nghi.

Khả năng sống sót và phát triển trong các điều kiện như nhiệt độ thay đổi, pH thấp, và áp suất thẩm thấu cao giúp LAB chiếm ưu thế trong nhiều hệ sinh thái. Các nghiên cứu sinh thái học về vi khuẩn axit lactic có thể được tham khảo tại Frontiers in Microbiology – LAB Ecology.

Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Vi khuẩn axit lactic là thành phần vi sinh thiết yếu trong sản xuất và bảo quản thực phẩm lên men truyền thống và công nghiệp. Nhờ khả năng sinh axit lactic và các chất ức chế sinh học khác, chúng không chỉ cải thiện hương vị, cấu trúc sản phẩm mà còn kéo dài thời hạn sử dụng bằng cách ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn gây hư hỏng và vi khuẩn gây bệnh.

Một số ứng dụng điển hình của LAB trong thực phẩm:

• Sữa chua, phô mai: sử dụng Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus và Streptococcus thermophilus
• Dưa muối, kimchi: Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum
• Xúc xích lên men: Pediococcus acidilactici
• Đồ uống probiotic: Lacticaseibacillus rhamnosus, Limosilactobacillus reuteri

Trong các sản phẩm từ sữa, LAB còn góp phần phân giải protein và lipid thành các hợp chất thơm đặc trưng, tăng giá trị cảm quan và dinh dưỡng. Ngoài ra, LAB còn được sử dụng để tạo màng sinh học bảo quản thực phẩm (bioprotective films) và làm nguyên liệu cho các sản phẩm lên men tự nhiên không chất bảo quản.

Lợi ích đối với sức khỏe con người

Nhiều chủng LAB có tác dụng probiotic – tức là khi được sử dụng với liều lượng thích hợp, chúng mang lại lợi ích sức khỏe cho vật chủ. Tác động tích cực lên hệ tiêu hóa là lợi ích dễ thấy nhất, nhưng chúng cũng ảnh hưởng đến các hệ cơ quan khác thông qua hệ vi sinh vật đường ruột – trục não – miễn dịch.

Một số lợi ích sức khỏe chính:

• Hỗ trợ cân bằng hệ vi sinh đường ruột
• Tăng cường miễn dịch niêm mạc ruột và toàn thân
• Giảm triệu chứng rối loạn tiêu hóa (tiêu chảy, hội chứng ruột kích thích)
• Ức chế vi khuẩn gây bệnh (ví dụ Helicobacter pylori, Clostridioides difficile)
• Hỗ trợ giảm cholesterol và ổn định đường huyết

Tác dụng của probiotic phụ thuộc vào chủng cụ thể, liều lượng sử dụng, thời gian tiêu thụ và tình trạng cơ địa từng người. Nghiên cứu từ NCBI – Health Effects of Lactic Acid Bacteria cho thấy một số chủng Lactobacillus và Bifidobacterium có khả năng tương tác tích cực với hệ miễn dịch, giúp điều hòa phản ứng viêm và tăng cường đáp ứng phòng vệ.

Tiêu chuẩn phân lập và xác định chủng

Việc phân lập và định danh chính xác vi khuẩn axit lactic là rất quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp. Quá trình này bao gồm các bước:

• Sử dụng môi trường nuôi cấy chọn lọc như MRS (de Man, Rogosa, Sharpe) agar hoặc broth
• Quan sát hình thái, nhuộm Gram, kiểm tra catalase
• Phân tích sinh hóa bằng API 50 CHL hoặc hệ thống tự động như Biolog
• Phân tích trình tự 16S rRNA và xác định các gen chức năng đặc hiệu

Một số chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chủng LAB trước khi ứng dụng:

Định danh chính xác giúp nhà sản xuất lựa chọn chủng phù hợp, ổn định và hiệu quả nhất cho từng ứng dụng cụ thể trong thực phẩm, dược phẩm hoặc công nghiệp sinh học.

Ứng dụng trong công nghiệp sinh học

Ngoài thực phẩm, LAB còn được sử dụng rộng rãi trong các quy trình công nghiệp sinh học. Chúng là nền tảng để sản xuất hàng loạt các hợp chất có giá trị kinh tế và sinh học cao, nhờ khả năng lên men ổn định, yêu cầu điều kiện nuôi cấy đơn giản và không độc hại.

Các ứng dụng chính bao gồm:

• Sản xuất axit lactic – tiền chất sản xuất PLA (nhựa sinh học polylactic acid)
• Sản xuất bacteriocin tự nhiên như nisin, pediocin – chất bảo quản sinh học
• Sản xuất enzyme – như protease, β-galactosidase (lactase)
• Ứng dụng trong thức ăn chăn nuôi, bổ sung probiotic cho gia súc
• Xử lý nước thải sinh học và ổn định môi trường vi sinh

Tạp chí Trends in Biotechnology đã công bố nhiều nghiên cứu cho thấy tiềm năng mở rộng ứng dụng LAB trong các công nghệ xanh, thân thiện với môi trường và bền vững. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh tìm kiếm giải pháp thay thế cho hóa chất tổng hợp và kháng sinh trong nông nghiệp và công nghiệp.

Thách thức trong sử dụng LAB

Mặc dù nhiều ưu điểm, ứng dụng LAB vẫn gặp phải những rào cản nhất định, đặc biệt là trong quá trình chuyển giao từ nghiên cứu sang quy mô công nghiệp và trong các sản phẩm chức năng.

Các thách thức chính:

• Không ổn định trong quá trình bảo quản và vận chuyển (nhiệt độ, độ ẩm)
• Hiệu quả probiotic không đồng đều giữa các cá thể
• Rủi ro về mang gen kháng kháng sinh hoặc khả năng chuyển gen

Để vượt qua những trở ngại này, các hướng nghiên cứu đang tập trung vào kỹ thuật vi bao (microencapsulation), chỉnh sửa gene an toàn (CRISPR) và vi sinh vật học tổng hợp nhằm tối ưu hóa đặc tính chức năng, độ bền và độ tin cậy trong ứng dụng thực tế.

Xu hướng nghiên cứu và triển vọng tương lai

Tương lai của LAB mở rộng ra ngoài phạm vi thực phẩm và probiotic truyền thống. Các xu hướng nghiên cứu hiện nay bao gồm:

• Biến đổi LAB thành vector vaccine uống hoặc đường ruột
• Ứng dụng trong y học cá thể hóa – ví dụ probiotic theo kiểu gene người
• Thiết kế hệ vi sinh tổng hợp sử dụng LAB làm nền tảng (chassis organism)
• Sử dụng LAB trong điều trị bệnh lý chuyển hóa, viêm mãn tính, thần kinh

Việc kết hợp dữ liệu hệ gen, hệ proteome và phân tích tương tác vi sinh vật – vật chủ đang mở ra nhiều cơ hội trong việc phát triển các sản phẩm LAB thế hệ mới, có hiệu quả cao hơn, định hướng ứng dụng rõ ràng hơn và an toàn tuyệt đối trong y tế, công nghiệp và môi trường.