【正文】 內(nèi)蒙古商貿(mào)職業(yè)學(xué)院教師教案系　 　部 工 程 系課程名稱 食品微生物學(xué) 教師姓名 唐突、王倩、劉漢武 1 / 118　　　 緒 論（2 學(xué)時(shí)）一、微生物的概念微生物 (microanism, microbe) 一詞，是對(duì)所有形體微小、單細(xì)胞或個(gè)體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的多細(xì)胞，甚至無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的低等生物的總稱，或簡(jiǎn)單地說(shuō)是對(duì)細(xì)小的人們?nèi)庋劭床灰?jiàn)的生物的總稱。指顯微鏡下的才可見(jiàn)的生物，它不是一個(gè)分類(lèi)學(xué)上的名詞。這些微小的生物包括無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、不能獨(dú)立生活的病毒，原核細(xì)胞結(jié)構(gòu)的細(xì)菌和有真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)的真菌（酵母、霉菌等）還包括原生動(dòng)物和某些藻類(lèi)。微生物學(xué)是研究微生物及其生命活動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)，分類(lèi)鑒定，生物生化，生長(zhǎng)繁殖，遺傳變異，生態(tài)分布，以及微生物對(duì)自然界，微生物各類(lèi)群之間，微生物與其他生物之間的相互作用、相互影響，微生物在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)各方面的應(yīng)用等。研究微生物及其生命活動(dòng)規(guī)律，是為了更好地利用、控制、改造微生物，使之為人類(lèi)服務(wù)。二、微生物的特點(diǎn)微生物雖然個(gè)體小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它們具有與高等生物相同的基本生物學(xué)特性。微生物的初級(jí)代謝途徑如蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂肪酸等大分子物的合成途徑基本相同；微生物的能量代謝都以 ATP 作為能量載體。微生物作為生物的一大類(lèi)，除了與其他生物共有的特點(diǎn)外，還具有其本身的特點(diǎn)及其獨(dú)特的生物多樣性：種類(lèi)多、數(shù)量大、分布廣、繁殖快、代謝能力強(qiáng)，是自然界中其他任何生物不可能比擬的，而且這些特性歸根結(jié)底是與微生物體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有關(guān)。 微生物體積雖小，但有極大的比表面積，如大腸桿菌（ Escherichia coli ）比表面積可達(dá) 30 萬(wàn)。因而微生物能與環(huán)境之間迅速進(jìn)行物質(zhì)交換，吸收營(yíng)養(yǎng)和排泄廢物，而且有最大的代謝速率。從單位重量來(lái)看，微生物的代謝強(qiáng)度比高等生物大幾千倍到幾萬(wàn)倍。如在適宜環(huán)境下，大腸桿菌每小時(shí)可消耗的糖類(lèi)2 / 118相當(dāng)于其自身重量的 2 000 倍。以同等體積計(jì)，一個(gè)細(xì)菌在 1 h 內(nèi)所消耗的糖即可相當(dāng)于人在 500 年時(shí)間內(nèi)所消耗的糧食。 微生物繁殖速度快，易培養(yǎng)，是其他生物不能比的。如在適宜條件下，大腸桿菌 37℃時(shí)世代時(shí)間為 18 min，每 24 h 可分裂 80 次，每 24 h 的增殖數(shù)為 10 24 個(gè)?？莶菅挎邨U菌 ( Bacillus subtilis ) 30℃ 時(shí)的世代時(shí)間為 31 min，每 24 h 可分裂 46 次，增殖數(shù)為 1013 個(gè)。 ，分布廣微生物在自然界是一個(gè)十分龐雜的生物類(lèi)群。迄今為止，我們所知道的微生物近 10 萬(wàn)種，現(xiàn)在仍然以每年發(fā)現(xiàn)幾百至上千個(gè)新種的趨勢(shì)在增加。它們具有各種生活方式和營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型，大多數(shù)是以有機(jī)物為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還有些是寄生類(lèi)型。微生物的生理代謝類(lèi)型之多，是動(dòng)、植物所不及的。自然界中微生物存在的數(shù)量往往超出一般人們的預(yù)料。每 g 土壤中細(xì)菌可達(dá)幾億個(gè)，放線菌孢子可達(dá)幾千萬(wàn)個(gè)。人體腸道中菌體總數(shù)可達(dá) 100 萬(wàn)億左右。每 g 新鮮葉子表面可附生 100 多萬(wàn)個(gè)微生物。全世界海洋中微生物的總重量估計(jì)達(dá) 280 億噸。從這些數(shù)據(jù)資料可見(jiàn)微生物在自然界中的數(shù)量之巨。實(shí)際上我們生活在一個(gè)充滿著微生物的環(huán)境中。 微生物在自然界的分布極為廣泛，除了火山噴發(fā)中心區(qū)和人為的無(wú)菌環(huán)境外，到處都有分布，土壤、水域、空氣，動(dòng)植物和人類(lèi)體內(nèi)外，都已分布有各種不同的微生物。 可以這樣說(shuō)，凡是有高等生物存在的地方，就有微生物存在，即使在極端的環(huán)境條件如高山、深海、冰川、沙漠等高等生物不能存在的地方，也有微生物存在。，易變異微生物對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)能力特強(qiáng)，這都是為了保存自己，是生物進(jìn)化的結(jié)果。有些微生物體外附著一個(gè)保護(hù)層，如莢膜等，這樣一是可以作為營(yíng)養(yǎng)，二是抵御吞噬細(xì)胞對(duì)它的吞噬。細(xì)菌的休眠芽孢、放線菌的分子孢子都比其繁殖體大得多的對(duì)外界抵抗力。有些極端微生物都有相應(yīng)特殊結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)、酶和其它物質(zhì)，使之能適應(yīng)惡劣環(huán)境。另一方面，由于微生物表面積和體積的比值大，與外界環(huán)境的接觸面大，3 / 118因而受環(huán)境影響也大。一旦環(huán)境變化，不適于微生物生長(zhǎng)時(shí)，很多的微生物則死亡，少數(shù)個(gè)體發(fā)生變異而存活下來(lái)。利用微生物易變異的特性，在微生物工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行誘變育種，獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的菌種，提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量。同時(shí)防止形成對(duì)人有更大危害的病原微生物，例如濫用抗菌素、導(dǎo)致產(chǎn)生耐藥性，甚至形成抗菌素依耐型。微生物在生物學(xué)分類(lèi)中的地位在生物學(xué)發(fā)展的歷史上，曾把所有的生物分為動(dòng)物界和植物界兩大類(lèi)。而微生物，不僅形體微小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且它們中間有些類(lèi)型像動(dòng)物，有些類(lèi)型像植物，還有些類(lèi)型既有動(dòng)物的某些特征，又具有植物的某些特征，因而歸于動(dòng)物或植物都不合適。于是，1866 年?？藸枺℉aeckel）提出區(qū)別動(dòng)物界與植物界的第三界——原生生物界。它包括藻類(lèi)、原生動(dòng)物、真菌和細(xì)菌。 隨著科學(xué)的發(fā)展和新技術(shù)的研究與應(yīng)用，尤其是電子顯微鏡和超顯微結(jié)構(gòu)研究技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了生物的細(xì)胞核有兩種類(lèi)型，一種是沒(méi)有真正的核結(jié)構(gòu)，稱為原核，其細(xì)胞不具核膜，只有一團(tuán)裸露的核物質(zhì)；另一種是由核膜、核仁及染色體組成的真正的核結(jié)構(gòu)稱為真核。動(dòng)物界、植物界及原生生物界中的大部分藻類(lèi)、原生動(dòng)物和真菌是真核生物，而細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌則是原核生物。真核生物和原核生物不僅細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)不同，而且其性狀也有差別。三、食品微生物學(xué)的概念及研究?jī)?nèi)容食品微生物學(xué)（food microbiology ）是專門(mén)研究微生物與食品之間的相互關(guān)系的一門(mén)科學(xué)。食品微生物學(xué)研究?jī)?nèi)容包括： 1．研究與食品有關(guān)的微生物的活動(dòng)規(guī)律； 2．研究如利用有益微生物為人類(lèi)制造食品； 3．研究如何控制有害微生物、防止食品發(fā)生腐敗變質(zhì)； 4．研究檢測(cè)食品中微生物的方法，制定食品中微生物指標(biāo)，從而為判斷食品的衛(wèi)生質(zhì)量 而提供科學(xué)依據(jù)；5．食品開(kāi)發(fā)——單細(xì)胞蛋白質(zhì)、功能性食品基料（利用微生物制造新的食品原料、產(chǎn)品） 。四、食品微生物學(xué)研究任務(wù)微生物在自然界廣泛存在，在食品原料和大多數(shù)食品上都存在著微生物。4 / 118但是，不同的食品或在不同的條件下，其微生物的種類(lèi)、數(shù)量和作用亦不相同。食品微生物學(xué)研究的內(nèi)容是包括與食品有關(guān)的微生物的特征、微生物與食品的相互關(guān)系及其生態(tài)條件等。微生物既可在食品制造中起有益作用，又可通過(guò)食品給人類(lèi)帶來(lái)危害。 1．有益微生物在食品制造中的作用 用微生物制造食品，這并不是新的概念。早在古代，人們就采食野生菌類(lèi)，利用微生物釀酒、制醬。但當(dāng)時(shí)并不知道是微生物的作用。隨著對(duì)微生物與食品關(guān)系的認(rèn)識(shí)日益加深，對(duì)微生物的種類(lèi)及其作用機(jī)理的理解，也逐步擴(kuò)大了微生物在食品制造中的應(yīng)用范圍。概括起來(lái)，微生物在食品中的應(yīng)有三種方式：①微生物菌體的應(yīng)用：食用菌就是受人們歡迎的食品；乳酸菌可用于蔬菜和乳類(lèi)及其他多種食品的發(fā)酵，所以，人們?cè)谑秤盟崤Ｄ毯退崤莶藭r(shí)也食用了大量的乳酸菌；單細(xì)胞蛋白（SCP）就是從微生物體中所獲得的蛋白質(zhì)，也是人們對(duì)微生物菌體的利用。②微生物代謝產(chǎn)物的應(yīng)用：人們食用的食品是經(jīng)過(guò)微生物發(fā)酵作用的代謝產(chǎn)物，如酒類(lèi)、食醋、氨基酸、有機(jī)酸、維生素等。③微生物酶的應(yīng)用：如豆腐乳、醬油。醬類(lèi)是利用微生物產(chǎn)生的酶將原料中的成分分解而制成的食品。微生物酶制劑在食品及其它工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。 我國(guó)幅員遼闊，微生物資源豐富。開(kāi)發(fā)微生物資源，并利用生物工程手段改造微生物菌種，使其更好的發(fā)揮有益作用，為人類(lèi)提供更多更好的食品，是食品微生物學(xué)的重要任務(wù)之一。 2. 有害微生物對(duì)食品的危害及防止 微生物引起的食品有害因素主要是食品的腐敗變質(zhì)，因而使食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值降低或完全喪失。有些微生物是使人類(lèi)致病的病原菌，有的微生物可產(chǎn)生毒素。如果人們食用含有大量病原菌或含有毒素的食物，則可引起食物中毒，影響人體健康，甚至危及生命。所以食品微生物學(xué)工作者應(yīng)該設(shè)法控制或消除微生物對(duì)人類(lèi)的這些有害作用，采用現(xiàn)代的檢測(cè)手段，對(duì)食品中的微生物進(jìn)行檢測(cè)，以保證食品安全性，這也是食品微生物學(xué)的任務(wù)之一。 總之，食品微生物學(xué)的任務(wù)在于，為人類(lèi)提供既有益于健康、營(yíng)養(yǎng)豐富，而又保證生命安全的食品。 5 / 118第二章 微生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能第一節(jié) 細(xì) 菌（3 學(xué)時(shí)）原核微生物是指一大類(lèi)沒(méi)有核膜，無(wú)細(xì)胞核，僅含一個(gè)由裸露的DNA分子構(gòu)成的原始核區(qū)的單細(xì)胞生物。原核微生物細(xì)胞核的分化程度低，沒(méi)有明顯的細(xì)胞器，僅細(xì)胞膜大量?jī)?nèi)陷折皺到細(xì)胞質(zhì)中，形成管狀、層狀結(jié)構(gòu)，稱為中間體，具有代替細(xì)胞器部分功能的作用，是許多代謝作用的場(chǎng)所，細(xì)胞質(zhì)中無(wú)細(xì)胞器。細(xì)胞繁殖僅以無(wú)性的二分裂方式，少數(shù)種類(lèi)偶爾通過(guò)原始的接合作用產(chǎn)生接合子。原核微生物主要包括細(xì)菌、放線菌、藍(lán)細(xì)菌、立克次氏體、衣原體、支原體和螺旋體等類(lèi)群。本節(jié)以細(xì)菌為代表介紹原核微生物細(xì)胞的各部分構(gòu)造和功能。細(xì)菌（bacteria）是一類(lèi)個(gè)體微小、形態(tài)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單細(xì)胞原核微生物。在自然界中，細(xì)菌分布最廣、數(shù)量最多，細(xì)菌幾乎可以在地球上的各種環(huán)境下生存，一般每克土壤中含有的細(xì)菌數(shù)可達(dá)數(shù)十萬(wàn)個(gè)到數(shù)千萬(wàn)個(gè)。又因?yàn)榧?xì)菌菌體的營(yíng)養(yǎng)和代謝類(lèi)型極為多樣，所以它們?cè)谧匀唤绲奈镔|(zhì)循環(huán)中、在食品及發(fā)酵工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及環(huán)境保護(hù)中都發(fā)揮著極為重要的作用。如用醋酸桿菌釀造食醋、生產(chǎn)葡萄糖酸和山梨糖，用乳酸菌做酸奶。另一方面，不少細(xì)菌是人類(lèi)和動(dòng)植物的病原菌，有的致病菌產(chǎn)生毒素引起寄主患病，如肉毒梭菌，在滅菌不徹底的罐頭中厭氧生長(zhǎng)產(chǎn)生劇毒的肉毒毒素（一克足以殺死 100 萬(wàn)人）有的細(xì)菌如肺炎鏈球菌雖不產(chǎn)生任何毒素，但能在肺組織中大量繁殖，導(dǎo)致肺功能障礙，嚴(yán)重時(shí)引起寄主死亡。一、細(xì)菌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能細(xì)菌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)包括基本結(jié)構(gòu)和特殊結(jié)構(gòu)?；窘Y(jié)構(gòu)是各種細(xì)菌所共有的，包括細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和內(nèi)含物、擬核及核糖體。特殊結(jié)構(gòu)只是某些細(xì)菌具有的，包括芽孢、莢膜、鞭毛等。細(xì)菌細(xì)胞的模式結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖22。6 / 118圖22 細(xì)菌細(xì)胞構(gòu)造模式圖 細(xì)胞壁是包圍在細(xì)胞最外的一層堅(jiān)韌且略具彈性的無(wú)色透明薄膜。它約占菌體干重的10%~25%。細(xì)胞壁的主要功能是維持細(xì)胞形狀；提高機(jī)械強(qiáng)度、保護(hù)細(xì)胞免受機(jī)械性或其他破壞；阻攔酶蛋和某些抗生素等大分子物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，保護(hù)細(xì)胞免受溶菌酶、消化酶等有害物質(zhì)的損傷等。原核微生物細(xì)胞壁包括肽聚糖、磷壁質(zhì)。肽聚糖是原原核微生物細(xì)胞壁所特有的成分。由N—乙酰葡萄糖胺（NAG） 、N—乙酰胞壁酸（ NAM）和短肽聚合而成的多層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子化合物。不同的細(xì)菌的細(xì)胞壁的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)不同。通過(guò)革蘭氏染色法可將大多數(shù)的細(xì)菌分為革蘭氏陽(yáng)性菌(G+)和革蘭氏陰性菌(G－)兩大類(lèi)。革蘭氏染色法是1 884年丹麥病理學(xué)家 Christain Gram發(fā)明的一種細(xì)菌鑒別方法，也是細(xì)菌學(xué)中最常用、最重要的一種鑒別染色法，染色過(guò)程如下： （1） G+細(xì)菌的細(xì)胞壁。一層，厚約2080nm，由肽聚糖、磷壁質(zhì)和少量脂類(lèi)組成。其中肽聚糖含量高。約占細(xì)胞壁干重的40%~90%，且網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致菌體呈紅色者為G －番紅復(fù)染番紅復(fù)染 菌體仍呈深紫色者為G +乙醇(或丙酮)脫色褪色不褪色細(xì)菌涂片 草酸銨結(jié)晶紫初染 魯哥氏碘液媒染 7 / 118密。（2） G－ 菌細(xì)胞壁。分兩層，厚約20nm，結(jié)構(gòu)G +細(xì)菌復(fù)雜。外層為脂蛋白和脂多糖層，內(nèi)層為肽聚糖層。肽聚糖含量低，約占細(xì)胞壁干重的5%~10%，且網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)疏松。經(jīng)電子顯微鏡及化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，G +細(xì)菌和G － 細(xì)菌在細(xì)胞壁的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)上有顯著差異，見(jiàn)表21和圖23。表21 G + 和G － 細(xì)胞壁化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)比較肽 聚 糖細(xì)菌類(lèi)群壁厚度（nm）含量（%）層次 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)磷壁酸蛋白質(zhì)（%）脂多糖 脂肪（%）G+ 2080 4090 單層 緊密 + 約20 － 1~4G－ 10 510 多層 疏松 － 約60 + 11~22圖 23 細(xì)菌細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)圖；；c. 革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁的圖解（3） 革蘭氏染色的機(jī)理 關(guān)于革蘭氏染色的機(jī)理有許多學(xué)說(shuō)，目前一般認(rèn)為與細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成細(xì)胞壁的滲透性有關(guān)。在革蘭氏染色過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)形成了深紫色的結(jié)晶紫—碘的復(fù)合物，這種復(fù)合物可被酒精(或丙酮)等脫色劑從革蘭氏陰性菌細(xì)胞內(nèi)浸出，而革蘭氏陽(yáng)性菌則不易被浸出。這是由于革蘭氏陽(yáng)性菌的細(xì)胞壁較厚，肽聚糖含量高且網(wǎng)格結(jié)構(gòu)緊密，脂類(lèi)含量極低，8 / 118當(dāng)用酒精(或丙酮) 脫色時(shí)，引起肽聚糖層脫水，使網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的孔徑縮小，導(dǎo)致細(xì)胞壁的通透性降低，從而使結(jié)晶紫—碘的復(fù)合物不易被洗脫而保留在細(xì)胞內(nèi)，使菌體仍呈深紫色。反之，革蘭氏陰性菌因其細(xì)胞壁肽聚糖層薄且網(wǎng)格結(jié)構(gòu)疏松，脂類(lèi)含量又高，當(dāng)酒精(或丙酮)脫色時(shí)，脂類(lèi)物質(zhì)溶解，細(xì)胞壁通透性增大，使結(jié)晶紫—碘復(fù)合物較易被洗脫出來(lái)。所以，菌體經(jīng)番紅復(fù)染后呈紅色。細(xì)胞膜又稱細(xì)胞質(zhì)膜、內(nèi)膜或原生質(zhì)膜。是外側(cè)緊貼細(xì)胞壁，內(nèi)側(cè)包圍細(xì)胞質(zhì)的一層柔軟而富有彈性的半透性薄膜，厚度一般為7 nm ~8nm。其基本結(jié)構(gòu)為雙層蛋單位膜：內(nèi)外兩層磷脂分子，含量為20%~30%；蛋白質(zhì)有些穿透磷脂層，有些位于表面，含量為60%~70% ；另外有少量多糖(約2%) 。細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖24 。圖24 細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)模式細(xì)胞膜具有高度的選擇性的半透膜 ，含有豐富的酶系和多種膜蛋白。具有重要的生理功能，主要有：（1）選擇滲透性。在細(xì)胞膜上鑲嵌有大量的滲透蛋白（滲透酶）控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的進(jìn)出