乳酸菌は、発酵の最初から最後まで同じ状態で働き続けるわけではありません。仕込み直後には新しい環境へ適応し、条件が合えば増殖と乳酸生成を活発に進めます。しかし発酵が進むと、自分たちが作った乳酸によってpHが下がり、糖やアミノ酸などの栄養も減っていきます。温度や塩分、酸素の状態も食品や工程によって変化します。
発酵中の乳酸菌が温度や時間の変化に応じて状態を変えるのは、周囲の環境を感知し、細胞膜、代謝、タンパク質、遺伝子発現、ストレス防御などを切り替えて、生存と発酵を両立させるからです。これは別の菌へ変わるという意味ではなく、同じ菌株の細胞が、環境に応じて異なる生理状態を取るということです。
乳酸菌は発酵中ずっと同じ働き方ではない
発酵初期には糖や窒素源が比較的多く、乳酸の蓄積も少ないため、条件が合えば乳酸菌は細胞分裂を繰り返して増殖します。菌数が増えると、食品全体で糖を消費する能力が高まり、乳酸生成も速くなります。
一方、発酵が進むにつれて糖やアミノ酸などの栄養が減り、乳酸が蓄積してpHが下がります。食品によっては塩分や酸素条件の影響も強くなります。
このため、発酵初期の「増殖を優先する状態」と、発酵後半の「強いストレスに耐えて生き残る状態」は同じではありません。乳酸菌は時間とともに変化する環境へ合わせて、細胞の働き方を切り替えます。
仕込み直後はまず環境へ適応する
スターター乳酸菌を牛乳、野菜、穀物生地などへ加えた直後には、細胞は培養時とは異なる環境へ置かれます。
温度、pH、糖の種類、塩分、酸素、食品中の脂質やタンパク質などが変わるため、乳酸菌は利用できる栄養に合わせて輸送体や代謝酵素の働きを調整します。細胞膜の状態も環境に合わせて変化します。
この適応がうまく進むと、その後の増殖と酸生成が立ち上がります。逆に、仕込み直後から温度や塩分などのストレスが強い場合には、増殖開始までの時間が長くなることがあります。
温度が上がると反応は速くなるが、限界を超えると熱ストレスになる
乳酸菌の酵素反応や栄養輸送は温度の影響を受けます。菌株に適した範囲では温度が上がると増殖や乳酸生成が速くなることがあります。
しかし、高すぎる温度ではタンパク質の立体構造や細胞膜の状態が乱れます。このとき乳酸菌は、損傷したタンパク質の折りたたみを助けるシャペロンなどのストレス関連タンパク質を増やし、通常の増殖より細胞の保護を優先するようになります。
2024年の乳酸菌ストレス耐性レビューでも、熱ストレスに対して代謝の再編成、シャペロン、膜や細胞表層の保護など複数の防御系が働くことが整理されています。
低温では膜と代謝を低温向けに調整する
低温では酵素反応や糖輸送が遅くなり、細胞膜も硬くなりやすくなります。このため、低温では一般に増殖と乳酸生成が遅くなります。
ただし、乳酸菌は単に活動を停止するだけではありません。菌種や菌株によっては、膜脂質の構成や低温応答タンパク質を変え、低温でも細胞機能を維持しようとします。
つまり、温度変化は発酵速度だけでなく、乳酸菌がどのような細胞状態で働くかを変える要因です。
乳酸を作るほど自分自身が酸ストレスを受ける
乳酸菌の発酵では、糖から乳酸が作られます。乳酸が食品中へ蓄積するとpHが下がり、雑菌を抑える効果が生まれますが、乳酸菌自身にも強いストレスになります。
酸性条件では細胞内へプロトンが入り込みやすくなり、細胞内pHが低下すると酵素やタンパク質が正常に働きにくくなります。
乳酸菌はこれに対して、ATPを使ってプロトンを細胞外へ排出する仕組み、細胞膜の性質を変える仕組み、アミノ酸代謝を利用して酸を中和する仕組み、ストレスで傷んだタンパク質を修復する仕組みなどを使います。
植物性発酵食品から分離された乳酸菌の研究でも、酸に強い株と弱い株では低pH下での生育やグルコース利用に差がみられています。
発酵時間が進むほど酸ストレスは強くなりやすい
発酵初期にはpHがまだ高く、乳酸菌は比較的増殖しやすい状態です。しかし時間とともに乳酸が蓄積すると、同じ菌株でも受ける酸ストレスは強くなります。
そのため、発酵前半では細胞数を増やすことへ多くの資源を使っていた乳酸菌が、後半では細胞内pHの維持や膜・タンパク質の保護へより多くのエネルギーを使うようになります。
結果として、糖がまだ残っていても増殖速度や乳酸生成速度が低下することがあります。これは時間そのものに反応しているのではなく、時間の経過とともに食品環境が変わった結果です。
塩分が高いと浸透圧ストレスへの対応が必要になる
漬物、味噌、しょうゆなどでは、乳酸菌は塩分にもさらされます。塩濃度が高いと細胞外の浸透圧が上がり、細胞から水が失われやすくなります。
乳酸菌はこの変化へ対応するため、適合溶質を細胞内へ取り込んだり、細胞膜や代謝を調整したりします。
この対応にもエネルギーが必要です。そのため、同じ菌株でも低塩条件と高塩条件では、増殖や乳酸生成に使える資源の配分が変わります。
酸素があると酸化ストレスへの防御も必要になる
乳酸菌は発酵によってエネルギーを得る細菌ですが、食品製造中に酸素へさらされることがあります。
酸素の存在下では活性酸素が生じ、DNA、タンパク質、細胞膜などを傷つける可能性があります。乳酸菌は抗酸化系や修復系を働かせて、この酸化ストレスへ対応します。
2024年の総説では、乳酸菌が温度、pH、浸透圧だけでなく酸化ストレスに対しても、抗酸化物質や修復系、代謝再編成など複数の仕組みを使うことがまとめられています。
食品そのものが乳酸菌のストレス耐性を変えることもある
乳酸菌の状態は温度やpHだけでは決まりません。食品中にある脂質、タンパク質、糖などの成分も細胞へ影響します。
2024年の国内研究では、2種類のLactobacillus属細菌を豆乳またはMRS培地で培養し、熱・高圧ストレスへの応答を比較しています。その結果、培養環境や処理時に周囲に存在する豆乳成分によって、ストレス耐性の現れ方が変わる場合があることが示されました。
つまり、同じ温度や同じ時間でも、乳酸菌がどの食品中にいるかによって受ける影響は同じとは限りません。
栄養が減ると増殖より生存を優先する
発酵が進むと、乳酸菌が利用できる糖やアミノ酸などの栄養は減っていきます。
栄養が十分なときは、細胞分裂や新しいタンパク質の合成へ多くの資源を使えます。しかし栄養が不足すると、増殖を続けるよりも、細胞を維持して生き残ることが重要になります。
乳酸菌のストレス生理に関するレビューでは、定常期や飢餓状態で多重ストレス耐性が高まる場合があり、細胞エネルギーの維持、巨大分子の保護、細胞表層の防御などが重要になると整理されています。
そのため、発酵後半の乳酸菌は、発酵初期の増殖期とは異なる生理状態になっています。
定常期では複数のストレスへ強くなることがある
栄養が減って細胞分裂が止まりやすくなると、乳酸菌は定常期に近い状態へ移ります。
この状態では増殖速度は低くても、酸、温度変化、浸透圧などに対する耐性が高まることがあります。これは、厳しい環境で長く生き残るための適応です。
2016年の乳酸菌ストレス生理レビューでは、定常期、バイオフィルム、休眠状態などで自己誘導的な多重ストレス耐性がみられることがまとめられています。
つまり、「増えていない乳酸菌＝弱っている」と単純には言えません。増殖を抑えながら、ストレスに強い状態へ移っている場合があります。
一度受けた軽いストレスが次のストレス耐性を高めることがある
乳酸菌では、死なない程度の軽いストレスを先に受けると、その後の強いストレスへ耐えやすくなる場合があります。これは適応やクロスプロテクションと呼ばれます。
たとえば、軽い酸ストレスを経験した細胞で酸耐性関連の仕組みが誘導され、その結果、別のストレスにもある程度強くなる場合があります。ただし、どのストレス同士でクロスプロテクションが起こるかは菌種・菌株によって異なります。
乳酸菌は、現在の環境だけでなく、それまでにどのような条件を経験したかによっても状態が変わるのです。
同じ温度でも「何時間さらされたか」で結果は変わる
乳酸菌への温度の影響は、温度の数字だけで決まりません。
少し高い温度を短時間受けた場合には、熱ストレス応答が立ち上がって適応できることがあります。一方、同じ温度でも長時間続けば、タンパク質や膜への損傷が蓄積し、増殖や生存率が低下することがあります。
低温についても、短時間の冷却と長時間の低温発酵では細胞が経験する状態が異なります。
したがって、「温度」と「時間」は別々の要因ではなく、組み合わせとして乳酸菌の状態を決めます。
乳酸菌は時間ではなく環境の履歴に応答している
発酵開始から10時間たった乳酸菌と20時間たった乳酸菌が違う状態に見えるのは、時計の時間を感知しているからではありません。
その間に乳酸が増え、pHが下がり、糖や窒素源が減り、細胞密度が上がり、酸素状態が変わるなど、周囲の環境が変化しているからです。
乳酸菌はこの環境履歴に応じて、どの遺伝子やタンパク質を働かせるか、どれだけ増殖するか、エネルギーを発酵とストレス防御のどちらへ配分するかを変えます。
状態変化は遺伝子発現のレベルでも起こる
乳酸菌の環境応答は、外見上の増殖速度だけではありません。
酸ストレスを与えたLactobacillus rhamnosus GGでは、RNA-seqを用いて多数の遺伝子の発現変化を調べる研究が行われています。このような解析から、酸性化に伴って代謝、膜、輸送、ストレス応答など幅広い機能の発現が変わることが分かります。
つまり、発酵中の状態変化は、細胞が持つ同じ遺伝情報の中から「今の環境で必要な機能」を選んで使い分けることで起こります。
状態変化には回復できる適応と回復しにくい損傷がある
環境変化に対する乳酸菌の応答の多くは適応です。温度やpHなどが適した範囲へ戻れば、再び増殖や発酵が活発になる場合があります。
一方、強すぎる酸、高温、浸透圧、酸化ストレスなどが長く続くと、膜、タンパク質、DNAなどへの損傷が修復能力を上回ります。
この場合には、単なる状態変化ではなく発酵能力の低下や細胞死が増えます。発酵管理では、乳酸菌が適応できる範囲に条件を保つことが重要です。
乳酸菌の状態変化は食品の酸味や香りにも影響する
乳酸菌の生理状態が変わると、食品側の変化も同じではなくなります。
増殖が活発な時期と、酸・塩・栄養枯渇ストレスが強い時期では、乳酸の生成速度だけでなく、酢酸、香気成分、菌体外多糖などへの代謝配分が変わることがあります。
そのため、温度や発酵時間を変えることは、単に発酵を速くしたり遅くしたりするだけでなく、最終的な酸味、香り、食感にも影響します。
発酵管理では時間だけでなく乳酸菌の状態を推測する
発酵現場では「何時間たったか」だけで進行を判断するとは限りません。
- 温度
- pH
- 滴定酸度
- 残糖量
- 菌数や生存率
- 塩分
- 酸素条件
- 香りや食感
これらを組み合わせることで、乳酸菌が活発に増殖している段階なのか、酸ストレスが強まっているのか、栄養が不足して定常期に近づいているのかを判断しやすくなります。
「乳酸菌が変化する」とは別の菌になることではない
発酵中に乳酸菌が変化するといっても、通常は短時間で別の菌種へ変わるという意味ではありません。
重要なのは、同じ菌株の細胞が、温度、pH、塩分、酸素、栄養状態などに応じて、異なる遺伝子発現や代謝状態を取ることです。
増殖が速い状態、酸への防御を強めた状態、栄養不足で生存を優先する状態では、同じ乳酸菌でも発酵能力やストレス耐性が違って見えます。
まとめ
発酵中の乳酸菌が温度や時間の変化に応じて状態を変えるのは、発酵環境が一定ではなく、乳酸菌がその変化へ適応するために細胞の働き方を切り替えるからです。
温度変化では酵素や膜の状態が変わり、高温・低温へのストレス応答が起こります。発酵が進むと乳酸が蓄積してpHが下がり、乳酸菌は細胞内pHの維持や膜・タンパク質の保護へエネルギーを使うようになります。塩分では浸透圧応答、酸素では酸化ストレス応答が必要になり、糖や窒素源が減れば増殖より生存を優先する状態へ移ります。
さらに、乳酸菌は軽いストレスを経験すると適応やクロスプロテクションを示す場合があり、過去にどのような環境を経験したかも現在の耐性へ影響します。
したがって、発酵中の乳酸菌を理解するときは、時間だけを見るのではなく、その時点の温度、pH、塩分、酸素、栄養、食品成分を合わせて見ることが重要です。同じ乳酸菌でも、発酵の段階に応じて細胞状態を変えながら働いているのです。
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参考資料
- 石川大太郎ほか「豆乳中およびMRS培地中で培養した2種類のLactobacillus属細菌の熱および高圧ストレス応答の比較」日本食品工学会誌, 2024.
- 「植物性の発酵食品から分離した乳酸菌の生理化学的性質」日本家政学会大会研究発表要旨集, 2006.
- Stress Physiology of Lactic Acid Bacteria. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2016.
- Strategies to enhance stress tolerance in lactic acid bacteria across diverse stress conditions. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2024.
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