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

Định nghĩa vi khuẩn acid lactic (LAB)

Vi khuẩn acid lactic (Lactic Acid Bacteria - LAB) là một nhóm vi sinh vật Gram dương, không sinh bào tử, có hình que hoặc hình cầu, có khả năng lên men đường để tạo ra acid lactic như sản phẩm chuyển hóa chính. Nhóm này không chỉ phổ biến trong môi trường tự nhiên như sữa, rau quả, và đất, mà còn tồn tại trong đường tiêu hóa của người và động vật.

LAB được coi là nhóm vi sinh vật cực kỳ quan trọng trong công nghiệp thực phẩm và y học vì chúng góp phần vào quá trình bảo quản, cải thiện hương vị, cũng như mang lại lợi ích sức khỏe. Khác với nhiều vi khuẩn khác, LAB thường không gây bệnh, thậm chí được liệt kê trong danh sách vi sinh vật an toàn (GRAS - Generally Recognized As Safe) bởi FDA.

Một số chi phổ biến trong nhóm vi khuẩn acid lactic gồm có:

• Lactobacillus: thường thấy trong sữa chua, kefir, và ruột non người
• Lactococcus: đóng vai trò chính trong lên men phô mai và sữa chua
• Leuconostoc: sinh khí CO₂, tạo hương và kết cấu trong rau quả lên men
• Pediococcus: thường dùng trong công nghiệp lên men thịt
• Streptococcus thermophilus: ứng dụng trong lên men nhiệt độ cao

Đặc điểm sinh học và sinh lý

Vi khuẩn LAB có các đặc tính sinh học nổi bật giúp chúng thích nghi tốt trong môi trường thiếu oxy. Chúng không có catalase, tức không phân hủy được hydrogen peroxide (H₂O₂), vì vậy thường cộng sinh với vi khuẩn khác để sống sót trong môi trường hiếu khí. Chúng cũng không có khả năng sinh bào tử, do đó dễ bị tiêu diệt ở nhiệt độ cao nhưng lại rất bền trong môi trường acid.

Một trong những đặc điểm sinh hóa đặc trưng của LAB là khả năng chuyển hóa đường thông qua con đường lên men acid lactic. Dưới đây là hai kiểu chuyển hóa phổ biến:

Kiểu lên men	Sản phẩm chính	Đại diện
Đồng lên men (Homofermentative)	Acid lactic	Lactococcus lactis, Streptococcus thermophilus
Dị lên men (Heterofermentative)	Acid lactic, CO2, ethanol hoặc acid acetic	Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus brevis

Quá trình chuyển hóa cơ bản theo con đường đồng lên men có thể được biểu diễn bằng phương trình:

$Glucose \rightarrow 2 \; Lactic \; acid + 2 \; ATP$

Trong khi đó, dị lên men tạo ra hỗn hợp sản phẩm, bao gồm khí và các hợp chất bay hơi, có ảnh hưởng đến hương vị thực phẩm.

Phân loại vi khuẩn acid lactic

Phân loại vi khuẩn LAB thường dựa trên hình thái học, hoạt tính sinh hóa, và phân tích trình tự gene 16S rRNA. Dưới đây là một số chi chính cùng đặc điểm nổi bật:

• Lactobacillus: Chi lớn nhất, có thể đồng hoặc dị lên men; sống tốt trong môi trường acid
• Lactococcus: Chủ yếu đồng lên men, rất quan trọng trong công nghiệp sữa
• Leuconostoc: Dị lên men, sinh khí và hợp chất thơm như diacetyl
• Pediococcus: Thường hình thành cặp hoặc chuỗi, chịu mặn tốt, ứng dụng trong lên men rau
• Enterococcus: Một số chủng có mặt trong ruột người, nhưng cần kiểm soát do nguy cơ kháng thuốc

Các hệ thống phân loại hiện đại đang sử dụng các kỹ thuật như MLST (Multilocus Sequence Typing) và phân tích toàn bộ hệ gene (whole-genome sequencing) để đánh giá mối quan hệ phát sinh chủng loại trong nhóm LAB.

Cơ chế sản sinh acid lactic

Vi khuẩn acid lactic sử dụng glucose và các loại đường đơn khác như fructose, galactose thông qua hai con đường chính là glycolysis (EMP) cho đồng lên men và phosphoketolase cho dị lên men. Sản phẩm cuối cùng tùy thuộc vào loại enzyme chủ chốt có mặt.

Trong con đường đồng lên men (EMP), glucose được chuyển hóa qua các bước enzyme trung gian để tạo ra hai phân tử acid lactic, đồng thời tạo năng lượng dưới dạng ATP. Đây là con đường được sử dụng phổ biến trong công nghiệp chế biến sữa do hiệu suất cao và ít tạo sản phẩm phụ.

Ngược lại, dị lên men tạo ra sản phẩm đa dạng hơn:

1. 1 mol acid lactic
2. 1 mol ethanol hoặc acid acetic
3. 1 mol CO₂

Cơ chế này phù hợp với các ứng dụng như sản xuất dưa muối, kim chi hoặc đồ uống lên men vì tạo ra độ chua nhẹ và hương thơm dễ chịu. Môi trường có nồng độ muối hoặc acid cao cũng thúc đẩy con đường dị lên men diễn ra hiệu quả hơn.

Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Vi khuẩn acid lactic là một trong những nhóm vi sinh vật quan trọng nhất trong công nghiệp chế biến thực phẩm. Nhờ khả năng sinh acid lactic cùng các hợp chất có hoạt tính sinh học khác, LAB giúp tăng thời hạn bảo quản thực phẩm, cải thiện kết cấu, mùi vị và giá trị dinh dưỡng.

Một số ứng dụng chính của LAB trong thực phẩm bao gồm:

• Sữa lên men: LAB như Lactobacillus bulgaricus và Streptococcus thermophilus được sử dụng trong sản xuất sữa chua để tạo độ chua, đông tụ protein sữa và phát triển hương vị đặc trưng.
• Phô mai: Trong sản xuất phô mai, vi khuẩn LAB được sử dụng như “starter culture” để lên men lactose thành acid lactic, giúp đông tụ sữa và kiểm soát hệ vi sinh vật.
• Lên men rau quả: Việc sử dụng LAB trong các sản phẩm như kim chi, dưa cải, và dưa chuột muối giúp ức chế vi sinh vật gây hư hỏng và phát triển hương vị đặc trưng thông qua con đường dị lên men.
• Lên men thịt: LAB như Pediococcus và Lactobacillus sakei được dùng để bảo quản và tạo vị cho xúc xích khô, đồng thời ức chế sự phát triển của Listeria monocytogenes.

Dưới đây là bảng tóm tắt một số sản phẩm thực phẩm và các loài LAB liên quan:

Sản phẩm	Loài LAB chính	Vai trò
Sữa chua	L. bulgaricus, S. thermophilus	Tạo acid, đông tụ sữa
Phô mai	L. lactis, L. helveticus	Acid hóa sữa, tạo hương
Kim chi	L. plantarum, L. brevis	Sinh acid, CO₂, tạo hương
Xúc xích khô	Pediococcus acidilactici	Chống vi khuẩn gây bệnh

Vai trò probiotic và sức khỏe

LAB không chỉ có giá trị trong thực phẩm mà còn là thành phần quan trọng của các chế phẩm probiotic – những vi sinh vật sống có lợi khi được cung cấp với lượng đầy đủ. Các chủng như Lactobacillus rhamnosus GG hay Lactobacillus acidophilus đã được chứng minh cải thiện hệ vi sinh vật ruột và tăng cường miễn dịch.

Lợi ích sức khỏe từ probiotic chứa LAB bao gồm:

• Cân bằng hệ vi sinh vật đường ruột, ức chế sự phát triển của vi khuẩn gây bệnh
• Hỗ trợ tiêu hóa và giảm triệu chứng tiêu chảy do kháng sinh
• Giảm viêm ruột, hỗ trợ điều trị hội chứng ruột kích thích (IBS)
• Hỗ trợ kiểm soát cholesterol và huyết áp
• Điều hòa miễn dịch và giảm dị ứng ở trẻ em

Các nghiên cứu từ Hiệp hội Khoa học Quốc tế về Probiotics và Prebiotics (ISAPP) cung cấp bằng chứng lâm sàng cho việc sử dụng LAB như một công cụ hỗ trợ phòng và điều trị nhiều rối loạn chuyển hóa và miễn dịch.

Sản phẩm chuyển hóa thứ cấp

Bên cạnh acid lactic, nhiều loài LAB còn tạo ra các hợp chất sinh học có tính kháng khuẩn hoặc tăng cường hương vị. Trong môi trường lên men, vi khuẩn có thể sản sinh các chất như:

• Bacteriocin: peptide kháng khuẩn như nisin (L. lactis) hoặc pediocin (Pediococcus spp.), có khả năng ức chế nhiều vi khuẩn Gram dương.
• Diacetyl: hợp chất có mùi bơ, góp phần vào mùi vị của bơ lên men và sữa chua.
• Hydrogen peroxide (H₂O₂): sinh ra trong điều kiện hiếu khí, hỗ trợ ức chế vi khuẩn hiếu khí gây hư hỏng thực phẩm.

Các chất chuyển hóa này đóng vai trò quan trọng trong quá trình bảo quản thực phẩm tự nhiên, thay thế cho chất bảo quản hóa học truyền thống.

Ứng dụng trong công nghệ sinh học và y sinh

LAB ngày càng được nghiên cứu để ứng dụng trong lĩnh vực y sinh và công nghệ sinh học do khả năng an toàn, dễ nuôi cấy và biến đổi gen. Một trong những ứng dụng tiêu biểu là sử dụng Lactococcus lactis làm hệ vận chuyển protein tái tổ hợp hoặc vaccine đường uống.

Ví dụ, nghiên cứu đăng trên Nature Biotechnology đã chứng minh khả năng biểu hiện interferon gamma từ L. lactis nhằm điều trị viêm ruột mạn tính ở chuột. Các ứng dụng khác bao gồm:

• Chuyển gen biểu hiện enzyme tiêu hóa lactase trong bệnh nhân không dung nạp lactose
• Vận chuyển kháng nguyên virus để phát triển vaccine
• Sản xuất enzyme sinh học hoặc peptide chức năng từ thực vật

Khả năng kháng sinh và an toàn sinh học

Dù phần lớn vi khuẩn acid lactic được đánh giá là an toàn, một số chủng có thể mang gen kháng kháng sinh hoặc yếu tố gây bệnh, đặc biệt là Enterococcus spp. Vì vậy, việc đánh giá nguy cơ trước khi ứng dụng trong thực phẩm hoặc y học là yêu cầu bắt buộc.

Ủy ban An toàn Thực phẩm châu Âu (EFSA) đã xây dựng khái niệm “QPS – Qualified Presumption of Safety” để phân loại các chủng vi sinh vật có thể được sử dụng an toàn. Tất cả các chủng LAB dùng làm probiotic phải được xét nghiệm:

• Kháng sinh đồ (antibiogram)
• Khả năng tạo độc tố hoặc yếu tố gây bệnh
• Khả năng lây truyền gen kháng kháng sinh cho vi sinh vật khác

Thông tin chi tiết về danh mục QPS có thể tham khảo tại EFSA Journal.

Tiềm năng nghiên cứu và phát triển

Với vai trò then chốt trong nhiều lĩnh vực, LAB là đối tượng tiềm năng cho nhiều hướng phát triển trong tương lai. Một số xu hướng nổi bật bao gồm:

• Phát triển thực phẩm chức năng cá nhân hóa dựa trên hệ vi sinh vật ruột
• Thiết kế vi sinh vật tổng hợp từ LAB để sản xuất thuốc sinh học
• Ứng dụng LAB trong nông nghiệp hữu cơ để kiểm soát sinh học côn trùng và bệnh cây

Các công nghệ như CRISPR-Cas và gene editing hiện đại đang mở rộng khả năng can thiệp vào hệ gene của LAB, tạo điều kiện sản xuất các chủng mới có chức năng vượt trội.

Tài liệu tham khảo

1. NCBI. Lactic Acid Bacteria in Food Fermentation
2. ISAPP - International Scientific Association for Probiotics and Prebiotics
3. Frontiers in Microbiology. Bacteriocins from LAB
4. Nature Biotechnology. Engineered Lactococcus lactis
5. EFSA Journal. Qualified Presumption of Safety (QPS) of LAB