第四章微生物的营养与生长.

第四章微生物的营养与生长第一节微生物的营养第二节微生物的生长第三节环境条件对微生物的影响第四节食品中微生物控制的原理和方法第一节微生物的营养一、微生物细胞的化学组成二、营养物质及其生理功能三、微生物的营养类型四、微生物对营养物质的吸收方式五、培养基所有生物为了生存都必须不断地从外界环境中吸收所需的各种物质从中获得原料和能量以便合成新的细胞物质，生物所需的这些物质称之为营养物质。生物吸收利用营养物质的过程一般称为营养。营养物质是生物进行一切生命活动的物质基础，失去这个基础，一切生物都无法生存，微生物也不例外。可见，营养对微生物的重要性。第一节微生物的营养营养物质(nutrient)：那些能够满足微生物机体生长、繁殖和完成各种生理活动所需的物质营养(nutrition)：微生物获得和利用营养物质的过程营养物质是微生物生存的物质基础，而营养是生物维持和延续其生命形式的一种生理过程。一、微生物细胞的化学组成分析微生物细胞化学组成是了解微生物营养物质的基础。主要成分：C、H、N、O和无机成分。其中主要是水分、蛋白质、碳水化合物、脂肪、核酸和无机盐。水分占90-97，其余占3-10%。微生物细胞的化学组成微生物细胞中各种有机物和元素的含量(干重％)成分细菌酵母真菌碳48（46-52）48（46-52）48（45-55）氮12.5（10-14）7.5（6-8.5）6（4-7）蛋白质55（50-60）40（35-45）32（25-40糖类9（6-15）38（30-45）49（40-55脂类7（5-10）8（5-10）8（5-10）核酸23（15-25）8（5-10）5（2-8）灰分6（4-10）6（4-10）6（4-10）磷1.0-2.5硫、镁0.3-1.0钾、钙0.1-0.5钠、铁0.01-0.1锌、铜、锰0.001-0.01二、营养物质及其生理功能6种营养要素：碳源，氮源，能源，生长因子，无机盐和水。营养物质的功能：（1）、供给微生物合成细胞物质的原料；（2）、合成代谢和生命活动所需的能量；（3）、调节新陈代谢。（一）、碳源（carbonsource）碳源（carbonsource）：凡是可以作为微生物细胞结构或代谢产物中碳架来源的营养物质（一）碳源的作用1.碳素化合物是构成机体中有机物分子的骨架2.碳素化合物是大多数微生物的能源3.构成微生物代谢产物的分子骨架（二）微生物的碳源凡必需利用有机碳源的微生物，为异养微生物凡能利用无机碳源的微生物，则是自养微生物微生物的碳源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机碳C·H·O·N·X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、蛋白胨、花生饼粉等C•H•O•N多数氨基酸、简单蛋白质一般氨基酸、明胶等C•H•O糖、有机酸、醇、脂类等葡萄糖、蔗糖、各种淀粉、糖蜜等C•H烃类天然气、石油及其不同馏份、石蜡油无机碳C(?)--C•OCO2CO2C•H•XNaHCO3、CaCO3NaHCO3、CaCO3（二）、氮源（nitrogensource）凡能提供微生物生长繁殖所需氮元素的营养源，为氮源。（一）氮源的作用1.氮源是构成微生物细胞物质或代谢产物中的氮素来源2.氮素一般不提供能源，只有少数例外（二）微生物能利用的氮源包括蛋白质及其不同程度的降解产物(胨、肽、氨基酸等)、铵盐、硝酸盐、分子氮、嘌呤、嘧啶、脲、胺、酰胺、氰化物等。种类:无机氮：铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、尿素、氨、N2等；有机氮：牛肉膏、蛋白胨、鱼粉、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆等。速效氮源：很快被微生物利用的物质，有利于菌体生长.如硫铵、玉米浆等。用于发酵前期。迟效氮源：微生物利用速度较慢的物质，有利于代谢物质形成。如花生饼粉、黄豆饼粉等。用于发酵后期。微生物的氮源谱类型元素水平化合物水平培养基原料水平有机氮N•C•H•O•X复杂蛋白质、核酸等牛肉膏、酵母膏、饼粕粉、蚕蛹粉等N•C•H•O尿素、一般氨基酸、简单蛋白质等尿素、蛋白胨、明胶等无机氮N•HNH3、铵盐（NH4）2SO4等N•O硝酸盐等KNO3等NN2气氨基酸自养型生物和氨基酸异养型生物（三）、水水在细胞中的生理功能主要有：1、微生物细胞的组成成分；2、是细胞营养物质和代谢产物的溶剂；3、是细胞中各种生化反应的良好介质；4、水还能维持微生物细胞的膨压；5、水具有较高的比热，稳定细胞内环境温度。（四）、无机盐（inorganicsalt）指微生物生长必需的金属元素：由硫酸盐、磷酸盐、氯化物等供给。无机盐的生理功能：1、构成微生物细胞的各种组分2、作为酶的组成部分3、维持酶的活性4、调节并维持细胞的渗透压、氢离子浓度和氧化还原电位5、有些元素作为某些微生物生长的能源物质等无机盐及其生理功能元素化合物形式(常用)生理功能磷KH2PO4,K2HPO4核酸、核蛋白、磷脂、辅酶及ATP等高能分子的成分，作为缓冲系统调节培养基pH硫(NH4)2SO4含硫氨基酸(半胱氨酸、甲硫氨酸等)、维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧化还原电位镁MgSO4己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸聚合酶等活性中心组分，叶绿素和细菌叶绿素成分钙CaCl2,Ca(NO3)某些酶的辅因子，维持酶(如蛋白酶)的稳定性，芽孢和某些孢子形成所需钠NaCl细胞运输系统组分，维持细胞渗透压，维持某些酶的稳定性钾KH2PO4,K2HPO4某些酶的辅因子，维持细胞渗透压，某些嗜盐细菌核糖体的稳定因子铁FeSO4细胞色素及某些酶的组分，某些铁细菌的能源物质，合成叶绿素、白喉毒素所需。微量元素与生理功能元素生理功能锌存在于乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶、醛缩酶、RNA与DNA聚合酶中锰存在于过氧化物歧化酶、柠檬酸合成酶中钼存在于硝酸盐还原酶、固氮酶、甲酸脱氢酶中硒存在于甘氨酸还原酶、甲酸脱氢酶中钴存在于谷氨酸变位酶中铜存在于细胞色素氧化酶中钨存在于甲酸脱氢酶中镍存在于脲酶中，为氢细菌生长所必需（五）、生长因子（growthfactor）生长因子为一类对微生物正常代谢必不可少且不能用简单的碳源或氮源自行合成的有机物。广义的生长因子包括：维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶碱及其衍生物、卟啉及其衍生物、甾醇、胺类、一些脂肪酸等。狭义的生长因子：一般仅指维生素。生长因子的主要功能：提供微生物细胞重要化学物质、辅因子的组分和参与代谢。需用牛肉膏、酵母膏或配制专门的营养液。（六）、能源（energysource）能源是能为微生物的生命活动提供最初能量来源的营养物或辐射能。能源谱有机物：化能异养微生物的能源（同碳源）无机物：化能自养微生物的能源（不同于碳源）辐射能：光能自养和光能异养微生物的能源化学物质三、微生物的营养类型微生物营养类型的分类分类标准营养类型1.以能源分光能营养型（phototroph）化能营养型（chemotroph）2.以供氢体分无机营养型（lithotroph）有机营养型（organotroph）3.以碳源分自养型（autotroph）异养型（heterotroph）4.以合成氨基酸能力分氨基酸自养型（aminoacidautotroph）氨基酸异养型（aminoacidhetetotroph）5.以生长因子分原养型（prototroph）(wildtype)营养缺陷型（auxotroph）6.以摄食方式分渗透营养型（osmotroph）吞噬营养型(phagocytosis)7.以摄取死或活有机物分腐生（saprophytism）寄生（parasitism）（一）、分类原则：按能量来源分根据微生物生长所需碳源物质的性质分根据生物合成中供氢体的性质分（二）、营养类型：依据：能源－氢供体－碳源1、光能无机营养型（photolithotroph）光能自养型（photoautotroph）2、光能有机营养型（photoorganotroph）光能异养型（photoheterotroph）3、化能无机营养型（chemolithotroph）化能自养型（chemoautotroph）4、化能有机营养型（chemoorganotroph）化能异养型（chemoheterotroph）四、微生物对营养物质的吸收方式微生物对营养物质的吸收取决于细胞膜的结构和生物功能。细胞膜是一层具有高度选择性的半透膜，控制营养物质及代谢产物的进出细胞。细胞膜上有丰富的酶，这些酶与物质的吸收和排泄有关。四、微生物对营养物质的吸收方式影响营养物质进入细胞的因素：一是营养物质本身的性质。二是微生物所处的环境。三是微生物细胞的透过屏障(permeabilitybarrier)。一般来说，分子越小、脂溶性越高，极性越小，就越容易通过细胞膜。1、单纯扩散(simplediffusion)以物质的浓度梯度为动力，而不需要代谢能量穿膜运输方式。不需要载体参与。物质跨膜扩散的能力和速率与该物质的性质有关,分子量小、脂溶性、极性小的物质易通过扩散进出细胞。1、单纯扩散(simplediffusion)扩散并不是微生物细胞吸收营养物质的主要方式,水是唯一可以通过扩散自由通过原生质膜的分子,脂肪酸、乙醇、甘油、苯、一些气体分子(O2、CO2)及某些氨基酸在一定程度上也可通过扩散进出细胞。2、促进扩散(facilitateddiffusion)促进扩散：借助于膜上底物特异性载体蛋白的参与，加快环境中高浓度物质进入细胞，直至膜两侧的溶质浓度相等为止。通过促进扩散进入细胞的营养物质主要有氨基酸、单糖、维生素及无机盐等。3、主动运输(activetransport)主动运输是广泛存在于微生物中的一种主要的物质运输方式。在物质运输过程中需要消耗能量，可以进行逆浓度运输。运输物质所需能量来源：好氧型微生物与兼性厌氧微生物直接利用呼吸能；厌氧型微生物利用化学能(ATP)；光合微生物利用光能；嗜盐细菌通过紫膜(purplemembrane)利用光能；Na+,K+-ATP酶(Na+,K+-ATPase)系统4、基团转位(grouptranslocation)基团转位主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，主要用于糖的运输。脂肪酸、核苷、碱基等也可通过这种方式运输。细菌对糖的吸收和积累，需要磷酸转运系统，即转运过程中必须磷酰化，这种物质运转方式称基团移位。该过程中细胞外的糖类在细胞膜上与胞内的磷酸烯醇丙酮酸盐结合，在胞内酶作用下被磷酸化进入胞内。经过基团移位而磷酸化的糖类，不能再透出菌体。所以，菌体内积聚的糖的浓度远远高于胞外。四种运送营养物质方式的比较比较项目单纯扩散促进扩散主动运送基团移位异载体蛋白无有有有运送速度慢快快快溶质运送方向由浓至稀由浓至稀由稀至浓由稀至浓平衡时内外浓度内外相等内外相等内部浓度高的多内部浓度高的多运送分子无特异性特异性特异性特异性能量消耗不需要不需要需要需要运送前后溶质分子不变不变不变改变载体饱和效应无有有有与溶质类似物无竟争性有竟争性有竟争性有竟争性运送抑制剂无有有有运送对象例子H2O、CO2、O2少数氨基酸、盐类、甘油、乙醇、代谢抑制剂PO43-SO42-；糖（真核微生物）乳糖等糖类、氨基酸、Na+、Ca2+等无机离子葡萄糖、甘露糖、果糖、脂肪酸、嘌呤和核苷五、培养基（medium）制培养基的原则培养基的种类培养基（medium）是人工配制的，适合微生物生长繁殖或产生代谢产物的营养基质。任何培养基都应该具备微生物生长所需要六大营养要素：碳源、氮源、无机盐、能源、生长因子、水（一）、培养基的类型1、按成份不同划分（1）、天然培养基(complexmedium)以化学成分不清楚或化学成分不恒定的天然有机物组成。如：麸皮培养基、肉浸汁、牛奶等。优点：取材方便、营养丰富、种类繁多、配制方便；缺点：确切营养成分不明确、不稳定。（2）.合成培养基(syntheticmedium)是由化学成份完全了解的物质配制而成的培养基，也称化学限定培养基(chemicallydefinedmedium)优点：成分已知、精确、重复性好。缺点：价格较贵、配制较烦，培养的微生物生长较慢